- NGUYỄN XUÂN ỨNG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU CHỈNH KÍCH TỪ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CễNG SUẤT LỚN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TỰ ĐỘNG HểA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA Hà Nội – 2004 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI. - NGUYỄN XUÂN ỨNG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU CHỈNH KÍCH TỪ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CễNG SUẤT LỚN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TỰ ĐỘNG HểA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. - PHẠM VĂN DIỄN Hà Nội - 2004 Mục Lục Trang Lời nói đầu Ch-ơng I:Tổng quan về động cơ không đồng bộ và ph-ơng pháp khởi động động cơ đồng bộ . - Tổng quan về dạng động cơ đồng bộ . - Các ph-ơng pháp khởi động động cơ đồng bộ ba pha . - Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ Ch-ơng II: Mô hình toán học của động cơ đồng bộ và quá trình động của động cơ khi khởi động . - Mô hình toán học của động cơ đồng bộ . - Hệ ph-ơng trình cơ bản của động cơ đồng bộ . - Mô hình của động cơ trong hệ toạ độ tựa theo từ tr-ờng Mô phỏng quá trình khởi động của động cơ đồng bộ tải quạt gió Ch-ơngIII: Thiết kế nguồn kích từ động cơ đồng bộ bằng bộ biến đổi Thyristor Đặt vấn đề Chọn mạch động lực Chọn mạch điều khiển Tính toán lựa chọn van và thiết kế máy biến áp Tính toán thiết kế bộ nguồn cung cấp cho mạch điều khiển Tính toán máy biến áp đồng bộ Nguyên tắc tự động vào đồng bộ Yêu cầu mở máy động cơ đồng bộ Nguyên lý làm việc của mạch tự động vào đồng bộ Tính chọn các phần tử của sơ đồ Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ 1 Lời nói đầu Động cơ đồng bộ ba pha là loại động cơ đ-ợc sử dụng nhiều trong công nghiệp với dải công suất từ vài chục W đến hàng MW. - Trong đó, động cơ đồng bộ công suất nhỏ đ-ợc dùng để thay thế động cơ điện một chiều và động cơ không đồng bộ, bởi vì động cơ đồng bộ mang những tính -u việt của cả động cơ điện một chiều và động cơ không đồng bộ. - Đặc biệt trong các hệ truyền động công suất lớn, động cơ đồng bộ đ-ợc dùng để truyền động cho các máy bơm n-ớc, quạt gió, máy nén khí, máy nghiền. - Tuy nhiêu khi sử dụng động cơ đồng bộ công suất lớn có cuộn dây kích từ đòi hỏi phải cung cấp nguồn một chiều. - Các động cơ điện đồng bộ tr-ớc đây do Liên Xô sản xuất truyền động cho các quạt ly tâm, quạt h-ớng trục thông gió cho các hầm mỏ. - th-ờng sử dụng máy phát điện một chiều để cấp nguồn cho cuộn dây kích từ. - Hệ thống này có nh-ợc điểm: cồng kềnh, giá thành cao, bảo d-ỡng phức tạp, quá trình sử dụng chổi than và vành góp của máy phát điện một chiều bị ăn mòn làm giảm chất l-ợng kích từ của động cơ. - Do vậy hiện nay tất cả nguồn cấp kích từ cho động cơ đồng bộ đều có xu h-ớng dùng bộ biến đổi Thyristor. - Xuất phát từ những vấn đề mà thực tiễn đặt ra trên đây, đ-ợc sự đồng ý của thầy giáo h-ớng dẫn TS.Phạm Văn Diễn, tôi đã nhận đề tài luận văn tốt nghiệp:” Nâng cao chất l-ợng hệ điều chỉnh kích từ động cơ đồng bộ công suất lớn. - Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ 2 Bản luận văn đ-ợc trình bày với các nội dung sau: Ch-ơng I: Tổng quan về động cơ đồng bộ và ph-ơng pháp khởi động động cơ đồng bộ. - Ch-ơngII: Mô hình toán học động cơ đồng bộ và quá trình động học của động cơ khi khởi động. - Ch-ơng III:Thiết kế nguồn kích từ động cơ đồng bộ bằng bộ biến đổi Thyristor. - Đ-ợc sự giúp đỡ tận tình của các thầy, cô trong bộ môn Tự động hoá XNCN Tr-ờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là sự h-ớng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy giáo TS.Phạm Văn Diễn, cùng với sự nỗ lực của bản thân, đến nay bản luận văn của tôi cơ bản đã hoàn thành. - Ngày 06 tháng 12 năm2004 Ng-ời thực hiện: Nguyễn Xuân ứng Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ 3 Ch-ơng I Tổng quan về động cơ đồng bộ và các ph-ơng pháp khởi động động cơ đồng bộ 1.1. - Tổng quan về động cơ đồng bộ. - Các động cơ điện xoay chiều dùng nhiều trong sản xuất, do cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, bảo quản dễ dàng và giá thành hạ. - Trong đó động cơ điện đồng bộ 3 pha do có những -u điểm nhất định nên cũng đ-ợc sử dụng khá rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là những hệ truyền động công suất trung bình và lớn, không có yêu cầu về điều chỉnh tốc độ và có yêu cầu ổn định tốc độ cao. - Động cơ đồng bộ ba pha th-ờng dùng cho các máy bơm, quạt gió, máy nén khí, máy nghiền và các hệ thống truyền động của nhà máy luyện kim. - Ưu điểm: Động cơ đồng bộ ba pha có độ ổn định tốc độ cao, hiệu suất lớn, độ tin cậy cao. - Nh-ợc điểm: Có cấu tạo phức tạp, đòi hỏi phải có nguồn cung cấp dòng điện một chiều cho bộ kích từ động cơ khiến cho giá thành cao. - Hơn nữa việc khởi động động cơ đồng bộ ba pha cũng phức tạp hơn và việc điều chỉnh tốc độ của nó chỉ có thể thực hiện đ-ợc bằng cách thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ. - Phân loại và kết cấu của động cơ điện đồng bộ. - Phân loại: Theo kết cấu có thể chia động cơ đồng bộ ra làm 2 loại: Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ 4 - Động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn, thích hợp với tốc độ quay cao (số cực 2p = 2. - Động cơ đồng bộ 3 pha cực lồi thích hợp với tốc độ quay thấp (số cực 2p 4). - Kết cấu: Để thấy rõ đặc điểm về kết cấu của động cơ đồng bộ ba pha ta xét riêng kết cấu của động cơ đồng bộ ba pha cực lồi và động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn. - Kết cấu của động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn: Động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn rôto làm bằng thép chất l-ợng cao, đ-ợc đúc thành khối hình trụ, sau đó đ-ợc gia công và phay rãnh để lắp đặt cuộn dây kích từ. - Động cơ đồng bộ hiện đại cực ẩn th-ờng đ-ợc chế tạo với số cực 2p = 2, tốc độ quay của rôto là 3.000vòng/phút và để hạn chế lực ly tâm, trong phạm vi an toàn đối với thép hợp kim chế tạo lõi thép rôto, đ-ờng kính D của rôto không đ-ợc quá m. - Để tăng công suất của động cơ đồng bộ chỉ có thể tăng chiều dài l của rôto. - Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ 5 6,5m. - Dây quấn kích từ đặt trong rãnh rôto đ-ợc chế tạo từ dây đồng trần tiết diện hình chữ nhật, quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm. - Hai đầu của dây quấn kích từ đi luồn trong trụ và nối với hai vành tr-ợt ở đầu trục thông qua 2 chổi điện để nối với dòng kích từ một chiều.Stato của động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn gồm lõi thép, trong đó đặt dây quấn ba pha và thân máy, nắp máy. - Trong các động cơ công suất trung bình và lớn, thân máy đ-ợc chế tạo theo các kết cấu khung thép, mặt ngoài đ-ợc bọc bằng các tấm thép dát dầy. - Thân máy phải thiết kế và chế tạo để sao cho trong nó hình thành hệ thống đ-ờng thông gió làm lạnh động cơ đồng bộ. - ở các động cơ công suất trung bình và lớn, ổ trục không đặt ở nắp máy mà ở giá đỡ ổ trục đặt cố định trên bệ máy. - Kết cấu của động cơ đồng bộ ba pha cực lồi. - Động cơ đồng bộ ba pha cực lồi th-ờng sử dụng trong tr-ờng hợp yêu cầu tốc độ quay thấp,vì vậy khác với động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn, đ-ờng kính rôto D của nó có thể lớn tới 15 m trong khi chiều dài l lại nhỏ, với tỷ lệ l/D=0.120.2. - Rôto động cơ đồng bộ ba pha cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép chế tạo bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc khối hình trụ, trên mặt có đặt các cực từ. - Các máy lớn, lõi thép đ-ợc hình thành từ các tấm Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ 6 thép dày (1 6)mm, đ-ợc dập định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ, lõi thép này th-ờng không trực tiếp lồng vào trục máy mà đặt vào giá đỡ rôto. - Hình 1.2 Cực từ của động cơ đồng bộ cực lồi 1. - Dây quấn kích thích 3. - Lõi thép rô to43521 Dây quấn kích từ bằng đồng tiết diện chữ nhật, đ-ợc quấn theo chiều mỏng thành từng cuộn dây. - Dây quấn khởi động đ-ợc đặt trên các đầu cực giống nh- dây quấn kiểu lồng sóc của động cơ điện không đồng bộ, nghĩa là làm bằng các thanh đồng Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ 7 đặt vào các rãnh của các đầu cực và đ-ợc nối hai đầu bởi hai vòng ngắn mạch (hình 1-3).Động cơ đồng bộ ba pha cực lồi có cấu tạo stato t-ơng tự nh- của động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn. - Các ph-ơng pháp khởi động động cơ đồng bộ ba pha. - Để khởi động động cơ đồng bộ ba pha th-ờng có các ph-ơng pháp khởi động nh. - khởi động theo ph-ơng pháp không đồng bộ, khởi động theo ph-ơng pháp hoà đồng bộ, khởi động bằng nguồn có tần số thay đổi. - Khởi động theo ph-ơng pháp không đồng bộ. - Các động cơ đồng bộ phần lớn đều khởi động theo ph-ơng pháp không đồng bộ. - Thông th-ờng các động cơ đồng bộ cực lồi đều đặt dây quấn khởi động. - Dây quấn khởi động có cấu tạo kiểu lồng sóc đặt trong các rãnh ở đầu cực, hai đầu nối với hai vòng ngắn mạch (hình 1-3) và đ-ợc tính toán để khởi động trực tiếp với điện áp của l-ới điện. - ở các l-ới điện có công suất lớn có thể cho phép khởi động trực tiếp với điện áp của l-ới đối với các động cơ đồng bộ ba pha công suất vài trăm đến hàng nghìn ki lô oát. - ở những l-ới điện không cho phép khởi động trực tiếp hoặc khi khởi động động cơ đồng bộ công Hình 1-3. - Dây quấn mở máy của động cơ đồng bộ Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ 8 suất lớn, ta có thể khởi động gián tiếp bằng cách đóng stato của động cơ đồng bộ vào l-ới điện qua điện kháng phụ hoặc biến áp tự ngẫu để hạn chế dòng khởi động. - Đối với động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn, việc mở máy theo ph-ơng pháp không đồng bộ khó khăn hơn, vì dòng điện cảm ứng ở mặt ngoài của rôto nguyên khối sẽ gây phát nóng cục bộ đáng kể. - Trong tr-ờng hợp đó, để khởi động đ-ợc dễ dàng, cần hạ điện áp đặt vào đầu cực động cơ khi khởi động bằng biến áp tự ngẫu hoặc cuộn kháng. - Quá trình khởi động động cơ đồng bộ bằng ph-ơng pháp không đồng bộ có thể chia làm hai giai đoạn. - Lúc đầu việc khởi động đ-ợc thực hiện với ikt = 0, dây quấn kích từ đ-ợc nối tắt qua điện trở dập từ Rdt nh- trên hình (1-4). - Khi đóng cầu dao hoặc máy cắt với nguồn điện, do tác động của mômen không đồng bộ rôto sẽ quay và tăng tốc đến gần tốc độ đồng bộ n1 của từ tr-ờng quay. - Trong giai đoạn này, việc nối dây quấn kích từ với điện trở có trị số bằng (10 12) lần điện trở rt của dây quấn kích từ là cần thiết, vì nếu để dây quấn này hở mạch sẽ có điện áp cao làm hỏng cách điện của dây quấn, do lúc bắt đầu mở máy thì rôto đang đứng yên còn từ tr-ờng quay của stato quay với tốc độ đồng bộ, do vậy từ tr-ờng quay của stato quét qua rôto với tốc độ đồng bộ. - Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ 9 Hình: 1.4. - Sơ đồ mạch kích từ của động cơ đồng bộ lúc khởi độngk2UktRdtk1 Nếu đem nối ngắn mạch dây quấn kích từ thì sẽ tạo thành một pha có điện trở nhỏ ở rôto và sinh ra mômen cảm lớn khiến cho tốc độ quay của rôto không thể v-ợt quá tốc độ bằng một nửa tốc độ đồng bộ. - Điều này có thể giải thích nh- sau: Dòng điện có tần số f2 = Sf1 trong dây quấn kích từ bị nối ngắn mạch sẽ sinh ra từ tr-ờng đập mạnh. - Từ tr-ờng này có thể phân tích thành hai từ tr-ờng quay thuận và ng-ợc với chiều quay của rôto với tốc độ t-ơng đối so với rôto n1-n, trong đó n1 là tốc độ từ tr-ờng quay của stato và n là tốc độ quay của rôto từ tr-ờng quay thuận có tốc độ so với dây quấn phần tĩnh: nth =n + (n1 – n. - n1 Nghĩa là quay đồng bộ với từ tr-ờng quay của stato. - Tác dụng của nó với từ tr-ờng quay của stato tạo nên mômen không đồng bộ và hỗ trợ với mômen không đồng bộ do dây quấn mở máy sinh ra và có dạng nh- đ-ờng 1 hình1.5 Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ 10 HìNH 1.5. - Đừơng cong mô men của động cơ đồng bộkhởi động không đồng bộ với dây quấn kích từ bị nối ngắn mạch MC31A21.00.50SM Từ tr-ờng quay ng-ợc có tốc độ so với dây quấn phần tĩnh: nng = n – (n1 – n. - n1 = n1 (1 – 2s) và sinh ra trong dây quấn phần tĩnh dòng điện tần số: f2. - f1 (1 – 2s) Nh- vậy khi 0,5 < S < 1, nghĩa là tốc độ quay của rôto n < n1/2 thì từ tr-ờng quay ng-ợc quay so với dây quấn phần tĩnh theo chiều ng-ợc so với chiều quay của rôto. - Tác dụng của nó với dòng điện phần tĩnh tần số f sẽ sinh ra mômen phụ cùng dấu và hỗ trợ với mômen không đồng bộ do từ tr-ờng quay thuận tác dụng với dây quấn khởi động (đ-ờng 2 trên hình 1-5). - Khi S = 0,5 (tức là n = n1/2), từ tr-ờng quay ng-ợc đứng yên so với dây quấn phần tĩnh, mômen phụ bằng 0. - Khi 0 < S < 0,5 (tức n > n1/2) thì từ tr-ờng quay ng-ợc sẽ quay cùng chiều với chiều quay rôto, tác dụng của nó với dòng điện phần tĩnh tần số f’ lúc đó sinh ra mômen phụ trái dấu với mômen không đồng bộ do từ tr-ờng quay thuận, do đó tác dụng nh- mômen hãm. - Đ-ờng cong mô men của động cơ đồng bộ khởi động không đồng bộ với dây quấn kích từ bị nối ngắn mạch Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ 11 Kết quả là khi dây quấn kích từ bị nối ngắn mạch, đ-ờng biểu diễn mômen của động cơ trong quá trình khởi động tổng của đ-ờng 1 và đ-ờng 2 có tác dụng nh- đ-ờng 3 trên hình 1-5. - Rõ ràng khi mô men cản MC trên trục động cơ đủ lớn thì rôto sẽ làm việc ở điểm A ứng với tốc độ n n1/2 và không thể đạt đ-ợc đến tốc độ đồng bộ. - Khi rôto đã quay đến tốc độ n n1, có thể tiến hành giai đoạn thứ hai của quá trình khởi động. - Đem nối dây quấn kích từ với nguồn điện áp một chiều của nguồn điện kích thích. - Lúc đó ngoài mômen không đồng bộ tỷ lệ với hệ số tr-ợt S và mômen gia tốc tỷ lệ với ds/dt sẽ có mômen đồng bộ phụ thuộc vào góc cùng tác dụng. - là góc lệch vectơ S.đ.đ cảm ứng trong dây quấn stato với điện áp pha đặt vào stato). - Do rôto ch-a quay đồng bộ nên góc luôn thay đổi. - 1800 thì mômen đồng bộ sẽ cộng tác dụng với mômen không đồng bộ làm tăng thêm tốc độ quay của rôto và nh- vậy rôto sẽ đ-ợc kéo vào tốc độ đồng bộ sau một quá trình dao động. - Kinh nghiệm cho biết, để đảm bảo cho rôto đ-ợc đ-a vào tới độ đồng bộ một cách thuận lợi, hệ số tr-ợt S ở cuối giai đoạn thứ nhất lúc ch-a có dòng điện kích thích cần phù hợp với điều kiện sau: tdmtdbdmdmmiinPGDKS Trong đó: Km - là năng lực quá tải ở chế độ đồng bộ với dòng điện kích từ định mức itđm. - itđb - là dòng điện kích từ tại thời điểm đ-a động cơ vào đồng bộ. - Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ 12 GD2 - là mô men động l-ợng của động cơ và máy công tác nối cùng trục với nó, [KG.m2]. - Ưu nh-ợc điểm của ph-ơng pháp này là: -Ưu điểm: Hệ truyền động không cồng kềnh, không phức tạp vì không phải dùng động cơ sơ cấp để kéo vào đồng bộ. - -Nh-ợc điểm: Chế tạo rôto phức tạp hơn, không áp dụng đ-ợc cho những động cơ có tốc độ quay lớn 1.2.2. - Khởi động theo ph-ơng pháp hoà đồng bộ. - Các điều kiện hoà đồng bộ đối với động cơ đồng bộ hoàn toàn giống nh- của máy phát điện đồng bộ. - Tr-ờng hợp này động cơ đồng bộ đ-ợc quay bởi động cơ sơ cấp, khi tốc độ đạt tới tốc độ đồng bộ, ng-ời ta tiến hành cấp điện cho stato và cấp điện cho cuộn kích từ của rôto, đồng thời ngắt động cơ sơ cấp ra khỏi hệ truyền động của động cơ đồng bộ. - Sau một khoảng thời gian quá độ, động cơ sẽ quay đồng bộ với tốc độ của từ tr-ờng quay stato. - Ưu điểm: Sử dụng cho các loại động cơ đồng bộ. - Nh-ợc điểm: Hệ truyền động cồng kềnh phức tạp hơn vì phải dùng động cơ sơ cấp để kéo và đồng bộ. - Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ. - Đ-ờng thứ 2 cho mômen khởi động t-ơng đối lớn do điện trở tác dụng của lồng sóc lớn hơn, trong khi đó đ-ờng thứ nhất có mô men nhỏ hơn. - Tuy nhiên, đặc tính 2 lại có giá trị độ tr-ợt ứng với mômen tĩnh định mức trên trục động cơ lớn
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt