Khảo sát cuộn kháng dùng mở máy động cơ điện có công suất lớn

- LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KHẢO SÁT CUỘN KHÁNG DÙNG MỞ MÁY ĐỘNG CƠ ĐIỆN CÓ CÔNG SUẤT LỚN NGÀNH: THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: TRẦN HOÀI NAM Người hướng dẫn khoa học: TS.
- PHẠM VĂN CHỚI HÀ NỘI 2005 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU 1 Chương 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ KHÁNG ĐIỆN 3 1.1 Khái niệm chung 3 1.2 Phân loại 4 1.2.1 Kháng điện hạn chế dòng điện ngắn mạch trong truyền tải điện năng 5 1.2.2 Hạn chế dòng điện mở máy của các động cơ điện 9 1.2.3 Cuộn kháng dùng trong các máy biến áp lò hồ quang 13 1.2.4 Cuộn kháng cân bằng 15 1.2.5 Cuộn kháng bù 16 1.2.6 Cuộn kháng lọc sóng hài 17 1.2.7 Cuộn kháng trong các mạch cộng hưởng 21 1.3 Kết luận chương 1 25 Chương 2: CÁC ĐẠI LƯỢNG THÔNG SỐ CỦA CUỘN KHÁNG 26 2.1 Các đại lượng cơ bản của cuộn kháng 26 2.2 Các thông số định luật cơ bản 29 2.2.1 Những thông số cơ bản của cuộn kháng 29 2.2.2 Các định luật cơ bản 30 2.3 Các phương pháp nghiên cứu cuộn kháng 31 2.3.1 Phương pháp sử dụng mô hình mạch từ Mạch từ một chiều bỏ qua từ thông rò Mạch từ một chiều có xét từ thông rò Mạch từ xoay chiều 40 2.3.2 Phương pháp sử dụng mô hình trường điện từ 41 2.3.3 Lựa chọn phương pháp nghiên cứu 46 2.4 Kết luận chương 2 47 Chương 3: CÁC VẤN ĐỀ VỀ TÍNH TOÁN CUỘN KHÁNG MỞ MÁY ĐỘNG CƠ ĐIỆN 48 3.1 Các yêu cầu đối với cuộn kháng 48 3.2 Xác định các thông số cơ bản của cuộn kháng 49 3.3 Một số thông số thiết kế cuộn kháng 54 3.3.1 Chọn mật độ từ cảm trong lõi thép 54 3.3.2 Sơ bộ tính toán tiết diện mạch từ 55 3.3.3 Tính toán dây quấn của cuộn kháng 56 3.3.4 Sơ bộ tính toán khe hở phi từ tính 57 3.3.5 Tính toán kiểm nghiệm cuộn kháng Từ dẫn khe hở phi từ tính Từ dẫn của từ thông rò Từ trở sắt từ Từ dẫn tổng Kiểm nghiệm lại giá trị điện cảm, từ cảm 64 3.4 Kiểm nghiệm lực điện động, tổn hao 65 3.4.1 Lực điện động 65 3.4.2 Tổn hao Tổn hao thép Tổn hao đồng 69 3.5 Công nghệ chế tạo cuộn kháng 69 3.5.1 Trụ 69 3.5.2 Gông 72 3.5.3 Các kiểu ghép mạch từ 72 3.5.4 Các kiểu cố định mạch từ 75 3.5.5 Dây quấn Dây quấn kiểu xoáy ốc liên tục Dây quấn hình xoắn Dây quấn hình ống trụ Dây quấn hình ống trụ nhiều lớp 81 3.5.6 Cách điện 83 3.5.7 Khe hở 84 3.5.8 Thử nghiệm 84 3.6 Kết luận chương 3 85 Chương 4: THỰC NGHIỆM VỚI CUỘN KHÁNG 86 4.1 Mục đích, phương pháp thực nghiệm 86 4.2 Thống kê và biểu diễn giá trị U, I của cuộn kháng 87 4.3 Giá trị tính toán, so sánh với giá trị thực nghiệm 97 4.4 Kết luận chương 4 99 Chương 5: LẬP TRÌNH TỐI ƯU CUỘN KHÁNG 101 5.1 Các luận điểm chủ yếu khi xây dựng hệ thống thiết kế tự động hóa 102 5.2 Những vấn đề cần chú ý khi lập trình 104 5.3 Lưu đồ thuật toán 105 5.4 Cấu trúc chương trình 107 5.5 Kết luận chương 5 110 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 Më ®Çu TrÇn Hoµi Nam CH ThiÕt bÞ ®iÖn - ®iÖn tö MỞ ĐẦU Đất nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa và có những bước chuyển mình mạnh mẽ với nhiều tiến bộ về khoa học - kỹ thuật.
- Trong đó, động cơ điện được sử dụng ngày càng nhiều nhằm phục vụ nhu cầu sản xuất và sinh hoạt của nhân dân.
- Chiếm ưu thế trên thị trường thế giới và cả ở Việt Nam, động cơ không đồng bộ trở thành sản phẩm chính của các nhà máy chế tạo động cơ điện.
- Động cơ này có ưu điểm nổi bật như kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, kích thước nhỏ gọn hơn so với các loại động cơ khác có cùng công suất, làm việc tin cậy, đơn giản, vận hành an toàn và giá thành hạ… Trước đây, vấn đề điều chỉnh tốc độ cho loại động cơ này có khó khăn, song những năm gần đây, sự phát triển của kỹ thuật điện tử công suất và kỹ thuật vi xử lý đã cho ra đời những thiết bị có thể điều khiển tốc độ cho động cơ không đồng bộ một cách dễ dàng [16].
- Tuy nhiên, động cơ không đồng bộ vẫn có nhược điểm là dòng điện khởi động lớn (thường từ 4  7 lần dòng điện định mức) [8, 46].
- Điều này có ảnh hưởng nhiều nhất là khi khởi động những động cơ công suất lớn.
- Nếu lưới điện có công suất hữu hạn thì khi khởi động động cơ, dòng điện khởi động lớn sẽ gây ra quá tải máy biến áp, gây sụt áp lưới, làm tăng tổn thất trên đường dây.
- Nếu thiết kế để cho động cơ có thể khởi động trực tiếp với lưới thì sẽ làm giảm khả năng sử dụng công suất máy biến áp và đường dây, làm giảm cos của lưới…[12] Ngoài ra, theo yêu cầu của sản xuất, động cơ điện không đồng bộ lúc làm việc thường phải mở máy và ngừng máy nhiều lần.
- Tùy theo tính chất của tải và tình hình của lưới điện mà yêu cầu về mở máy đối với động cơ điện cũng Më ®Çu TrÇn Hoµi Nam CH ThiÕt bÞ ®iÖn - ®iÖn tö khác nhau.
- Có khi yêu cầu mômen mở máy lớn, có khi cần hạn chế dòng điện mở máy và có khi cần cả hai.
- Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ điện phải có tính năng mở máy thích ứng [8].
- Trong nhiều trường hợp, do phương pháp mở máy hay do chọn động cơ điện có tính năng mở máy không thích đáng nên thường hỏng máy.
- Nói chung, khi mở máy một động cơ cần xét đến những yêu cầu cơ bản sau.
- Phải có mômen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải.
- Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt.
- Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn.
- Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng thấp càng tốt.
- Có nhiều phương pháp mở máy khác nhau như mở máy trực tiếp, hạ điện áp mở máy, sử dụng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch điện stato, dùng biến áp tự ngẫu hạ điện áp mở máy, mở máy bằng phương pháp đổi nối Y.
- mở máy bằng cách thêm điện trở phụ vào rôto… Trong số này, phương pháp mở máy động cơ dùng cuộn kháng là một phương pháp hay gặp và đặc biệt rất phù hợp với điều kiện kinh tế, sản xuất nước ta do có giá thành rẻ [12].
- Với dạng tải có mômen cơ phụ thuộc vào tốc độ ví dụ như quạt gió, máy bơm nước… mở máy giảm áp là thích hợp và đa số dùng phương pháp mở máy động cơ sử dụng cuộn kháng.
- Với số lượng động cơ không đồng bộ rất lớn, với tổng công suất chi phí cho vận hành những động cơ này rất cao mà đặc biệt là công suất phải cung cấp cho động cơ khi khởi động thì việc nghiên cứu tối ưu cuộn kháng là một bài toán quan trọng.
- Nếu như giảm được những chi phí không cần thiết trong quá trình khởi động động cơ điện thì bài toán này rất có giá trị trong điều kiện thực tế của Việt Nam.
- Ch-¬ng 1: §¹i c-¬ng vÒ kh¸ng ®iÖn TrÇn Hoµi Nam CH ThiÕt bÞ ®iÖn - ®iÖn tö Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ KHÁNG ĐIỆN 1.1.
- KHÁI NIỆM CHUNG Kháng điện hay cuộn kháng được coi là một phần tử điện cảm L, thứ nguyên là Henry (H) [24].
- Kháng điện dùng cho phần tử mạch biến thiên, có khả năng thay đổi các thông số của mạch điện tùy theo yêu cầu sử dụng.
- Trong mạch điện, kháng điện là phần tử thụ động nhưng đóng vai trò hết sức quan trọng và có nhiều tác dụng.
- Quen thuộc nhất là kháng điện hạn chế dòng điện như hạn chế dòng ngắn mạch trong truyền tải điện năng, hạn chế dòng điện mở máy của các động cơ điện xoay chiều.
- Kháng điện được dùng trong các máy biến áp lò hồ quang để tăng điện kháng, tăng thành phần unm% làm cho tính ổn định của lò cao hơn hay kháng điện cân bằng trong các sơ đồ chỉnh lưu.
- Kháng điện cũng còn được sử dụng để bù như bù tĩnh điện thuộc các thiết bị SVC dùng trong truyền tải điện năng hoặc bù phần dòng điện gián đoạn.
- Ngoài ra còn có kháng điện lọc và kháng điện trong các mạch cộng hưởng.
- Cuộn kháng mở máy động cơ là thiết bị có thời gian làm việc ngắn hạn.
- Hình 1.1 - Cuộn kháng điện 1 pha a.
- Cuộn kháng 1 pha không lõi thép b.
- Cuộn kháng 1 pha có lõi thép Ch-¬ng 1: §¹i c-¬ng vÒ kh¸ng ®iÖn TrÇn Hoµi Nam CH ThiÕt bÞ ®iÖn - ®iÖn tö .
- PHÂN LOẠI Có rất nhiều cách phân loại cuộn kháng, chúng ta có thể phân loại cuộn kháng theo các cách sau.
- Cuộn kháng 1 pha như cuộn kháng hàn hồ quang, cuộn kháng dùng trong mạch chỉnh lưu cầu 1 pha.
- Cuộn kháng 3 pha như cuộn kháng mở máy động cơ không đồng bộ 3 pha, cuộn kháng hạn chế dòng ngắn mạch trên lưới điện, cuộn kháng dùng trong mạch chỉnh lưu 3 pha.
- Chế độ làm việc dài hạn: ví dụ như kháng điện dùng trên lưới điện hay kháng điện lò hồ quang.
- Chế độ làm việc ngắn hạn: ví dụ như kháng điện mở máy động cơ điện công suất lớn.
- Chế độ làm việc ngắn hạn lập lại: ví dụ như kháng điện mở máy động cơ mở máy nhiều lần như máy khí nén hay máy hàn.
- Hình 1.2 – Cuộn kháng điện 3 pha có lõi thép Ch-¬ng 1: §¹i c-¬ng vÒ kh¸ng ®iÖn TrÇn Hoµi Nam CH ThiÕt bÞ ®iÖn - ®iÖn tö .
- Cuộn kháng không có lõi thép.
- Cuộn kháng có lõi thép.
- Cuộn kháng khô (không khí), thường là làm mát tự nhiên, đôi khi có thể có quạt gió cưỡng bức.
- Cuộn kháng dầu: làm việc với yêu cầu điện áp cao, môi trường dễ cháy nổ.
- Sau đây là một số cuộn kháng phổ biến trong kỹ thuật điện và đời sống.
- Kháng điện hạn chế dòng điện ngắn mạch trong truyền tải điện năng XMP XL UTG ®mU3 UTG In.XMP In.XL Hình 1.3 – Nguyên lý làm việc của cuộn kháng hạn chế ngắn mạch trong truyền tải điện năng Ch-¬ng 1: §¹i c-¬ng vÒ kh¸ng ®iÖn TrÇn Hoµi Nam CH ThiÕt bÞ ®iÖn - ®iÖn tö Cuộn kháng này được mắc nối tiếp với đường dây truyền tải hay với nguồn cung cấp để hạn chế dòng điện trong các điều kiện hệ thống có lỗi ở các mức thích hợp với thiết bị bảo vệ của mạch điện Đây là một giải pháp giảm chi phí rất hiệu quả vì nó giúp loại bỏ yêu cầu nâng cấp toàn bộ hệ thống bảo vệ và đóng cắt khi ngắn mạch điện gia tăng.
- Cuộn kháng này được thiết kế để cung cấp một trở kháng nhất định và để chịu được dòng điện định mức và dòng điện ngắn mạch, trong một khoảng thời gian làm việc xác định.
- Hiện nay, có hai loại cuộn kháng là cuộn kháng khô dùng cho trang bị điện trong nhà và cuộn kháng ngâm dầu dùng cho trang bị điện ngoài trời, có loại ba pha và 1 pha.
- a) Cuộn kháng khô: Cuộn kháng khô dùng cho các trang bị điện trong nhà, điện áp đến 35 KV, là loại điện kháng được sử dụng rất rộng rãi.
- Hình 1.4 – Cuộn kháng trụ bê tông 1 – Trụ bê tông.
- 3 – Cuộn dây 3 2 1 Ch-¬ng 1: §¹i c-¬ng vÒ kh¸ng ®iÖn TrÇn Hoµi Nam CH ThiÕt bÞ ®iÖn - ®iÖn tö Hình 1.7 vẽ cuộn kháng khô trụ bê tông, điện áp 35 KV.
- Cuộn kháng cuốn xong được sơn tẩm và sơn chịu ẩm.
- Khi đó, cuộn dây pha giữa phải quấn ngược với hai cuộn dây pha trên và dưới nhằm để khi có ngắn mạch hai pha, dòng điện đi vào hai cuộn kháng sẽ tạo ra lực hút nhau chứ không phải lực đẩy nhau.
- Lực hút này sẽ cân bằng với lực đẩy giữa các vòng của một pha, do đó, cuộn kháng sẽ đỡ bị biến dạng.
- Khi lắp đặt và sửa chữa, cần chú ý đến chiều cũng như thứ tự pha của cuộn kháng.
- Cuộn kháng khô phải được đặt trong phòng thông gió tốt, nhiệt độ không quá 35oC và không thay đổi quá đột ngột.
- Trong quá trình cuộn kháng làm việc, cần giữ cho lớp sơn mặt ngoài luôn sạch sẽ.
- Nếu mặt ngoài bị bẩn, hơi nước đọng lại sẽ giảm điện trở bề mặt, gây ra phóng điện mặt ngoài, có hại cho cuộn kháng và dễ dẫn tới sự cố ngắn mạch giữa các pha.
- Cuộn kháng bê tông có khuyết điểm là nặng nề và cồng kềnh.
- Cuộn kháng bằng trụ gỗ hay fibrô xi măng nhẹ hơn, nhưng cấu tạo phức tạp, giá thành cao và đôi khi làm việc không chắc chắn bằng cuộn kháng bê tông.
- b) Cuộn kháng ngâm dầu Cuộn kháng ngâm dầu dùng cho các trang bị điện đặt ngoài trời, điện áp từ 35 KV trở lên.
- So với cuộn kháng khô, cuộn kháng ngâm dầu có ưu điểm là tránh được ẩm ướt, bụi bặm, thu gọn được kích thước và khối lượng, đặt được ở bất cứ vị trí nào, Ch-¬ng 1: §¹i c-¬ng vÒ kh¸ng ®iÖn TrÇn Hoµi Nam CH ThiÕt bÞ ®iÖn - ®iÖn tö gồm cả các vật sắt thép ở gần mà không sợ bị ảnh hưởng từ tính.
- Khi cuộn kháng có dòng điện, từ thông qua các cuộn dây sẽ móc vòng qua vỏ máy (vì cuộn kháng không có mạch từ bằng lõi thép) sinh ra dòng điện xoáy làm nóng vỏ máy và tăng tổn hao.
- Do tấm kim loại là vòng dây kín mạch nên sức điện động cảm ứng sẽ tạo nên dòng điện chạy trong vòng kín đó.
- Theo định luật Lenxơ, dòng điện này sẽ sinh ra từ thông chống lại sự biến thiên của từ thông trong lòng nó.
- 4 1 2 3 0 Hình 1.5 – Cuộn kháng ngâm dầu 1.
- Cuộn dây.
- Từ thông khép kín qua thùng Ch-¬ng 1: §¹i c-¬ng vÒ kh¸ng ®iÖn TrÇn Hoµi Nam CH ThiÕt bÞ ®iÖn - ®iÖn tö Trong số các cấu trúc mới của cuộn kháng khô, người ta chú ý các cuộn kháng sử dụng vật liệu thuỷ tinh hữu cơ polyeste [27].
- Các cuộn kháng thủy tinh hữu cơ polyeste cũng có kích thước và khối lượng bé hơn.
- Cuộn kháng của hãng Westinghouse (Mỹ) có sử dụng vật liệu cách điện bằng thuỷ tinh hữu cơ polyeste.
- Mỗi trụ của cuộn kháng gồm các lớp riêng rẽ bằng thủy tinh hữu cơ polyeste, liên kết với nhau bằng nhựa epôxy độ bền cao.
- Các cuộn kháng như thế có thể sản xuất cho các dòng khác nhau và thích hợp lắp cả trong nhà và ngoài trời, chỉ có khác về căn cách điện.
- Cuộn kháng của hãng AREVA chế tạo hiện đã nâng điện áp lên đến 345 kV [31].
- Ch-¬ng 1: §¹i c-¬ng vÒ kh¸ng ®iÖn TrÇn Hoµi Nam CH ThiÕt bÞ ®iÖn - ®iÖn tö Hạn chế dòng điện mở máy của các động cơ điện xoay chiều Một trong những biện pháp khởi động động cơ không đồng bộ phổ biến hiện nay là sử dụng điện kháng mắc vào mạch stato.
- Hơn nữa, điện áp đưa tới động cơ đảm bảo hình sin nên tránh được tổn hao phụ do các thành phần bậc cao của điện áp sinh ra.
- Công ty chế tạo điện cơ của Việt Nam đã chế tạo thành công cuộn kháng khô khởi động cho động cơ không đồng bộ roto lồng sóc công suất đến 250 kW.
- Cuộn kháng khô được chế tạo đơn giản, kích thước nhỏ, giá thành hạ [12].
- Điện kháng cho khởi động động cơ phải đảm bảo điều kiện không bão hòa khi dòng điện khởi động lớn.
- Điện kháng bão hòa không sử dụng được trong việc khởi động động cơ không đồng bộ.
- Điện kháng tuyến tính chỉ có thể xảy ra đối với cuộn kháng không có lõi thép hoặc cuộn kháng có lõi thép với khe hở không khí.
- Trong thực tế, người ta thường sử dụng cuộn kháng có khe hở không khí.
- Nguồn điện uA uB uC K K K CK Động cơ không đồng bộ Hình 1.6 – Sơ đồ khởi động động cơ không đồng bộ bằng điện kháng phụ mắc vào mạch stato CK - cuộn kháng khởi động K – contactor ngắn mạch cuộn kháng sau khi khởi động Ch-¬ng 1: §¹i c-¬ng vÒ kh¸ng ®iÖn TrÇn Hoµi Nam CH ThiÕt bÞ ®iÖn - ®iÖn tö Cuộn kháng có thể kết hợp với biến áp tự ngẫu dùng mở máy động cơ có công suất lớn [1].
- M V3 V1 V2 Kháng điện Hình 1.8 – Sơ đồ nguyên lý sử dụng biến áp tự ngẫu – kháng M n n0 nth Hình 1.7 – Mômen khởi động của động cơ không đồng bộ khi có lắp thêm điện kháng phụ Ch-¬ng 1: §¹i c-¬ng vÒ kh¸ng ®iÖn TrÇn Hoµi Nam CH ThiÕt bÞ ®iÖn - ®iÖn tö Hình 1.8 là sơ đồ nguyên lý sử dụng kháng điện dùng để hạn chế dòng điện mở máy một động cơ điện đồng bộ.
- Thực hiện mở máy theo trình tự: Bước 1: V1 đóng, V2 đóng, V3 mở: động cơ điện đồng bộ nối tiếp với một phần dây quấn máy biến áp tự ngẫu và nối với lưới điện.
- Khi cầu dao V2 đóng, động cơ ban đầu được nối vào nấc điện áp thấp của máy biến áp tự ngẫu.
- Tốc độ động cơ tiếp tục tăng, dòng điện giảm, tăng dần điện áp của máy biến áp tự ngẫu.
- Bước 2: V2 mở: quan sát thấy dòng điện mở máy hầu như không thay đổi (dòng điện không còn giảm do tốc độ động cơ không còn tăng).
- Bước 3: V3 đóng: ngắn mạch kháng điện của máy biến áp tự ngẫu, điện áp toàn phần được nối vào động cơ

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt