Điều khiển tốc độ động cơ dị bộ 3 pha

Phần này tập trung vào cấu tạo stato của động cơ dị bộ roto lồng sóc. Stato bao gồm hai phần chính: mạch từ và mạch điện. Mạch từ được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật, có độ dày khoảng 0.3-0.5mm, được cách điện hai mặt để chống dòng Fu-cô. Hình dạng lá thép stato là vành khăn, phía trong được đục các rãnh. Số rãnh stato và roto khác nhau để giảm dao động từ thông. Mạch điện của stato là các cuộn dây máy điện, đặt trong các rãnh của lõi thép và được cách điện tốt với lõi. Sự khác biệt chính giữa động cơ dị bộ roto lồng sóc và động cơ dị bộ roto dây cuốn nằm ở cấu tạo mạch điện của roto, được trình bày ở phần tiếp theo.

Phần này mô tả chi tiết cấu tạo roto của động cơ dị bộ roto lồng sóc. Giống như stato, mạch từ của roto cũng được ghép từ các lá thép kỹ thuật và cách điện với nhau. Rãnh roto có thể song song hoặc nghiêng một góc nhất định để giảm dao động từ thông và loại trừ một số sóng bậc cao. Các lá thép được ghép thành hình trụ, tâm có lỗ xuyên trục để gắn roto lên trục. Đối với các máy công suất lớn, roto còn có các rãnh thông gió để tăng khả năng làm mát. Lõi thép của những máy công suất lớn thường được chia thành từng phần và ghép lại để cải thiện làm mát. Vỏ máy thường làm bằng gang đúc hoặc thép, có đúc các gân tản nhiệt và hộp đấu dây. Mạch điện của roto, hay còn gọi là lồng sóc, được làm bằng nhôm (đúc trực tiếp vào rãnh roto và hàn kín hai đầu) hoặc đồng (các thanh dẫn đặt trong rãnh và nối với hai vòng ngắn mạch). Đặc điểm quan trọng là không cần cách điện giữa dây cuốn và lõi thép. Sự khác biệt trong vật liệu và phương pháp chế tạo lồng sóc tạo ra các đặc tính vận hành khác nhau của động cơ dị bộ roto lồng sóc.

Phần này định nghĩa đặc tính cơ của động cơ dị bộ là mối quan hệ hàm số giữa tốc độ quay (n) và mô men điện từ (M), biểu diễn bằng công thức n = f(M). Đây là một đặc tính quan trọng để hiểu và điều chỉnh tốc độ của động cơ. Việc phân tích đặc tính cơ giúp xác định các thông số vận hành quan trọng của động cơ, như tốc độ không tải, mô men khởi động, và mô men cực đại.

Phần này tập trung vào mối quan hệ giữa mô men điện từ (M) và độ trượt (s) trong động cơ dị bộ. Công thức M = f(s) được nghiên cứu, cho thấy mối quan hệ này là phi tuyến. Việc tìm cực trị của hàm số này giúp xác định mô men cực đại và độ trượt tới hạn. Hiểu rõ mối quan hệ này rất quan trọng trong việc điều chỉnh tốc độ và mô men động cơ, đặc biệt khi cần tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.

Phần này phân tích ảnh hưởng của việc thay đổi điện trở trong mạch stato và roto đến đặc tính cơ. Thay đổi điện trở stato dẫn đến giảm điện áp đặt lên động cơ do sụt áp trên điện trở. Thay đổi điện trở roto làm thay đổi độ trượt tới hạn, nhưng không làm thay đổi mô men cực đại. Phân tích này làm rõ cách thức điều chỉnh các thông số điện để đạt được điều chỉnh tốc độ mong muốn. Việc hiểu rõ ảnh hưởng của các điện trở giúp tối ưu hóa thiết kế và vận hành động cơ dị bộ, đặc biệt trong các ứng dụng cần điều chỉnh tốc độ chính xác.

Đoạn này mô tả hai chế độ hoạt động đặc trưng của động cơ dị bộ: chế độ không tải lý tưởng (M=0, n=n0, với n0 là tốc độ đồng bộ) và chế độ khởi động (n=0). Chế độ không tải lý tưởng được xem xét để nghiên cứu, trong thực tế chế độ này gần như không tồn tại. Chế độ khởi động liên quan đến mô men khởi động, một thông số quan trọng cho thấy khả năng khởi động của động cơ. Sự hiểu biết về các chế độ hoạt động này rất cần thiết trong việc thiết kế và vận hành các hệ thống sử dụng động cơ dị bộ, đặc biệt khi cần xem xét các yếu tố như khả năng khởi động và hiệu suất ở các tải khác nhau.

Phần mở đầu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc điều chỉnh tốc độ trong các ứng dụng công nghiệp. Mặc dù động cơ dị bộ 3 pha rất phổ biến nhờ kết cấu đơn giản, hiệu suất cao và giá thành thấp, khả năng điều chỉnh tốc độ của chúng lại hạn chế hơn so với động cơ một chiều. Sự phát triển của các van bán dẫn công suất như diode, triac, transistor công suất và thyristor đã mở ra nhiều khả năng mới trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ dị bộ, khắc phục những khó khăn trước đây về dải điều chỉnh hẹp.

Phương pháp này được xem là hiện đại và hiệu quả nhất. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn cung cấp, sử dụng các bộ biến tần. Tuy nhiên, để duy trì mô men cực đại không đổi trong toàn bộ phạm vi điều chỉnh, cần phải điều chỉnh điện áp sao cho từ thông không đổi. Công thức U1 = kf1 được đề cập, cho thấy mối quan hệ giữa điện áp (U1), tần số (f1) và từ thông. Khi tần số giảm xuống quá thấp, do ảnh hưởng của sụt áp trên điện trở, từ thông sẽ giảm và mô men cực đại cũng giảm theo.

Phương pháp này áp dụng cho động cơ dị bộ có thiết bị đổi nối cuộn dây. Thay đổi số đôi cực giúp thay đổi tốc độ quay. Hai phương pháp được đề cập: sử dụng đổi nối một cuộn dây để thay đổi số cặp cực (p) hoặc sử dụng các cuộn dây độc lập với số đôi cực khác nhau (động cơ dị bộ nhiều tốc độ). Phương pháp này cho phép có nhiều tốc độ hoạt động khác nhau, tuy nhiên số lượng tốc độ bị giới hạn bởi số cuộn dây.

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn cung cấp có phạm vi điều chỉnh hẹp và dễ bị dừng máy, chỉ điều chỉnh theo chiều giảm tốc độ. Thay đổi điện áp làm thay đổi mô men cực đại (Mmax = cU1^2). Phương pháp thay đổi điện trở mạch roto chỉ áp dụng cho động cơ dị bộ roto dây quấn, làm mềm đặc tính cơ và cho phép điều chỉnh tốc độ theo chiều giảm. Tuy dễ thực hiện và rẻ tiền, phương pháp này không kinh tế do tổn hao trên điện trở điều chỉnh và phạm vi điều chỉnh phụ thuộc vào tải.

Phần này thảo luận về việc lựa chọn bộ điều áp xoay chiều phù hợp. Đối với công suất trung bình và lớn, dòng điện điều hòa đóng vai trò quan trọng. Hai phương án được cân nhắc: sử dụng một bộ điều áp ba pha hoặc ba bộ điều áp một pha ghép thành tam giác. Bộ điều áp ba pha được đánh giá cao hơn về hiệu quả với dòng điện tải, trong khi phương án tam giác hiệu quả hơn với dòng điện lưới. Mạch sao tải với một cực chung cho tất cả thyristor được đề xuất do dễ điều khiển, đặc biệt khi thay thế 6 thyristor bằng 3 triac. Bộ điều áp ba pha hỗn hợp chỉ phù hợp với công suất nhỏ do ảnh hưởng của các sóng hài.

Phần này tập trung vào việc tính chọn van bán dẫn cho bộ điều chỉnh điện áp. Dòng điện hiệu dụng lớn nhất được sử dụng để tính toán. Góc mở nhỏ nhất của van bán dẫn (α = 0) được xem xét khi dòng tải là dòng sin. Mạch R1C1 được sử dụng để bảo vệ van bán dẫn khỏi xung điện áp từ lưới điện. Việc tản nhiệt hợp lý cũng được nhấn mạnh để đảm bảo van bán dẫn hoạt động ổn định và tránh bị hỏng do quá nhiệt. Một aptomat loại 50A của hãng LG (Uđm = 600V, Iđm = 10A) được đề cập để bảo vệ quá nhiệt cho van bán dẫn.

Phần này mô tả nguyên lý hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp 3 pha. Mạch bao gồm khâu đồng bộ (biến áp đồng pha mắc Δ/Y, mạch so sánh, cách ly quang), khâu khuyếch đại (khuyếch đại xung và cách ly mạch điều khiển và mạch động lực), và mạch đa hài (tạo chuỗi xung tần số cao). Các tín hiệu điều khiển được xử lý để tạo ra xung mở thyristor. Thyristor loại BT151 được sử dụng trong mạch động lực. Việc thay đổi điện áp điều khiển thông qua biến trở cho phép thay đổi tốc độ động cơ. Mạch điều khiển sử dụng các linh kiện như IC TL084, IC 4081, biến áp xung, ghép quang, transistor TIP41C, A1015, điện trở, tụ, diode N4007, và biến trở.