Tài liệu đồ án tốt nghiệp điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha bằng PLC kết hợp biến tần

Đồ án tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SAO ĐỎ Độc lập - Tự do – Hạnh phúc BẢN NHẬN XẫT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Sinh viên thực hiện: Trương Ngọc Hải Lớp: 02D,DT2 Chuyên ngành: TĐH Khoa: Điện Giảng viên hướng dẫn: Phạm Văn Tuấn Học hàm, học vị: Thạc sỹ Đơn vị công tác: Khoa Điện – Trường Đại học Sao Đỏ NỘI DUNG NHẬN XÉT 1. Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài: Bộ điều khiển lập trình ( PLC, Programmable Logic Controller ) và biến tần ngày nay được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực tự động hoá. Không chỉ được sử dụng trong các dây chuyền máy móc sản xuất công nghiệp … mà còn cả trong xây dựng, giao thông, thuỷ lợi, nông nghiệp, khai thác tài nguyên … Chính vì vậy việc nắm bắt kỹ năng sử dụng và khai thác PLC và biến tần là mục tiêu cấp thiết đặt ra đối với cán bộ, kỹ sư làm việc trong các ngành nghề có liên quan đến ứng dụng tự động hoá. Đối với sinh viên ngành công nghệ kỹ thuật điện, khi đang còn ngồi trên ghế nhà trường, việc học tập, nghiêm cứu và tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cách sử dụng PLC và biến tần trong các mạch điện khởi động, động cơ là rất cần thiết. Thông qua việc tìm hiểu và nghiên cứu này giúp sinh viên bước đầu có được những kiến thức cơ bản về PLC và biến tần để tích luỹ và nâng cao trình độ chuyên môn, tiếp cận khoa học công nghệ tiên tiến. 2. Bố cục và trình bày đồ án, khóa luận: Bản đồ án tốt nghiệp “Ứng dụng PLC và biến tần thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều 3 pha.”, do sinh viên Trương Ngọc Hải thực hiện, gồm có 65 trang được trình bày trên khổ giấy A4. Trong đó: Lời nói đầu – 2 trang; Chương 1-17 trang; Chương 2 – 30 trang; Chương 3 – 13 trang; Kết luận – 1 trang. Tài liệu tham khảo – 1trang. Chương 1: Tổng quan về các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều 3 pha. Chương 2: Tổng quan về PLC và biến tần GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn 1 SV thực hiện: Trương Ngọc Hải Đồ án tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha bằng PLC S7-1200 và biến tần 3G3JX. 3. Kết quả đạt được: Chương 1: Tác giả đó trỡnh bày được khái quát về cấu tạo cơ bản của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha, các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều 3 pha. Từ phân tích các đặc điểm của các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha, tác giả đó lựa chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng biến tần. Chương 2: Tác giả đó giới thiệu tổng quan về PLC và biến tần. Trong đó tác giả đó giới thiệu cụ thể về PLC s7-1200 và phần mềm TIA Potal đi kèm; biến tần 3G3JX và các thông số cài. Đây là các thiết bị chính đóng vai trũ quyết định của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều 3 pha. Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều 3 pha. Tác giả đã mô tả được chi tiết kết cấu phần cứng, nguyên lý hoạt động của hệ thống. Từ mô tả hệ thống tác giả đó tính tóan lựa chọn được các thiết bị, thiết kế phần cứng, thiết kế phần mềm, chạy mô phỏng v.v… Ngoài thực hiện phần lý thuyết, tác giả đó thực hiện thiết kế chế tạo được mô hỡnh thiết bị phự hợp với nội dung yêu cầu đề tài. Mô hình điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều 3 pha có thể dùng cho giảng dạy các bài thực hành trong các môn học có liên quan đến PLC; biến tần và nghiờn cứu khoa học. 4. Tinh thần, thái độ của sinh viên trong quá trỡnh làm đồ án, khóa luận: Ngay sau khi nhận đề tài tốt nghiệp. Sinh viên Trương Ngọc Hải – Lớp 02ĐĐT2 , đó chủ động gặp giảng viên hướng dẫn trao đổi và nhận nhiệm vụ. Từ nội dung nhiệm vụ đồ án được giao, sinh viên Trương Ngọc Hải đó xác định được nội dung đồ án được chia thành hai phần lớn là: Phần lý thuyết (trình bày theo qui định chung) – Phần thực hành, thực nghiệm (Thiết kế bàn thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha bằng PLC và biến tần). Để thực hiện phần lý thuyết tác giả đó tìm hiểu các tài liệu khoa học có liên quan đến nội dung đồ án có trong thư viện, trên các trang mạng. Phần thực hành, thực nghiệm tác giả đó tham khảo các mẫu mô hình có sẵn tại phòng thí nghiệm của khoa, từ đó xây dựng và thiết kế chế tạo được bàn thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha đẹp, chắc chắn, phù hợp với nội dung nhiệm vụ đồ án đề ra. GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn 2 SV thực hiện: Trương Ngọc Hải Đồ án tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện Trong thời gian làm đề tài sinh viên Sinh viên Trương Ngọc Hải đă thường xuyên gặp gỡ, trao đổi với giảng viên hướng dẫn để báo cáo tiến độ và kết quả thực hiện và thực hiện đúng yêu cầu đề ra. 5. Kết luận: Đồng ý cho tác giả được bảo vệ trước hội đồng tốt nghiệp. 6. Điểm đánh giá: ......................................................................................................... Hải Dương, ngày 29 tháng 5 năm 2015 Giảng viên hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ và tên) Phạm Văn Tuấn GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn 3 SV thực hiện: Trương Ngọc Hải Đồ án tốt nghiệp tử GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện 4 SV thực hiện: Trương Ngọc Hải Đồ án tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra trong đồ án tốt nghiê ̣p này là các kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi với sự hướng dẫn của Th.s Phạm Văn Tuấn, không sao chép bất kỳ kết quả nghiên cứu nào của các tác giả khác. Nội dung nghiên cứu có tham khảo và sử dụng một số thông tin, tài liệu từ các nguồn tài liê ̣u đã được liệt kê trong danh mục các tài liệu tham khảo. Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định. SINH VIÊN THƯC HIỆN Trương Ngọc Hải GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn 5 SV thực hiện: Trương Ngọc Hải Đồ án tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU..............................................................................................................7 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA..................................................................9 1.1. Tổng quan về động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha.....................................9 1.2. Cấu tạo...................................................................................................................9 1.2.1. Phần tĩnh ( Stato)..............................................................................................10 1.2.2. Phần quay ( Rôto ).............................................................................................12 1.3. Nguyên lý làm việc...............................................................................................13 1.4. Ứng dụng.............................................................................................................15 1.5. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ xoay chiều pha. .16 1.5.1. Điêu chinh tôc đô ̣ đô ̣ng cơ không đông bô ̣ băng cách thay đổi tần sô...............18 1.5.2. Điêu chinh tôc đô ̣ đô ̣ng cơ không đông bô ̣ băng cách thay đổi sô đôi cực........21 1.5.3. Điêu chinh tôc đô ̣ đô ̣ng cơ không đông bô ̣ băng cách thay đổi điê ̣n á́ đă ̣t vào stato 21 1.5.4. Phương ́há́ điêu chinh tôc đô ̣ đô ̣ng cơ không đông bô ̣ băng cách điêu chinh điêṇ trơ mạch rôto.......................................................................................................23 1.5.5. Phương ́há́ điêu chinh tôc đô ̣ đô ̣ng cơ không đông bô ̣ băng sơ đô nôi tầng. .25 1.5.6. Lựa chọn ́hương ́há́ điêu chinh tôc đô ̣ đô ̣ng cơ không đông bộ xoay chiêu ba ́ha 26 CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ BIẾN TẦN..........................................28 2.1. Tổng quan về PLC s7-1200.................................................................................28 2.1.1. Các dòng sản ́hẩm của siemens.......................................................................29 2.1.2. PLC S7-1200.....................................................................................................29 2.1.3. Làm việc với ́hần mêm Tia Portal....................................................................34 2.1.4. TAG của PLC/ TAG local..................................................................................37 Tag của PLC...............................................................................................................37 Tag Local....................................................................................................................37 2.1.5. Làm việc với một trạm PLC...............................................................................38 2.1.6. Giám sát và thực hiện chương trình..................................................................39 2.1.7. Kỹ thuật lậ́ trình..............................................................................................40 2.2. Biến tần 3G3JX...................................................................................................40 2.2.1. Giới thiệu biến tần.............................................................................................40 GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn 6 SV thực hiện: Trương Ngọc Hải Đồ án tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện 2.2.2. Ưng dung...........................................................................................................42 2.2.3. Thông sô biến tần..............................................................................................44 2.2.4. Mô tả.................................................................................................................44 2.3. Sơ đồ nối dây biến tần.........................................................................................45 2.4. Các phím chức năng của biến tần......................................................................48 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 3 PHA BẰNG PLC S7-1200 VÀ BIẾN TẦN 3G3JX....................57 3.1. Mô tả hệ thống.....................................................................................................57 3.1.1. Mô tả thiết bị.....................................................................................................57 3.1.2. Mô tả vê nguyên lý hoạt động............................................................................59 3.2. Lựa chọn vật tư thiết bị.......................................................................................59 3.2.1. Tính toán các thông sô......................................................................................59 3.2.1. Lựa chọn thiết bị................................................................................................59 3.3. Thiết kế phần cứng..............................................................................................61 3.3.1. Phần thiết kế khung bàn thí nghiệm:.................................................................61 3.3.2. thiết kế bô trí thiết bị.........................................................................................62 3.4. Đấu dây cho hệ thống..........................................................................................62 3.5. Thiết kế chương trình điều khiển.......................................................................63 3.5.1. Chương trình PLC.............................................................................................63 3.5.2. Cài đặt trên biến tần..........................................................................................65 3.6. Vận hành.............................................................................................................66 3.6.1. Chạy mô ́hỏng..................................................................................................66 3.6.2. Chạy mạch thật..................................................................................................68 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN................................................................70 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................71 GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn 7 SV thực hiện: Trương Ngọc Hải Đồ án tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Các đặc điểm cơ bản của S7-1200...............................................................31 Bảng 2.2: Chức năng các phím trên biến tần..............................................................48 Bảng 2.3: Các tham số cơ bản.....................................................................................50 Bảng 2.4: Cài đặt ngõ, vào ra đa chức năng...............................................................50 Bảng 2.5: Chế độ giám sát (d--) kiểu chức năng cơ bản (F--)....................................53 Bảng 2.6: Giới hạn/ cảnh báo quá tải..........................................................................56 Bảng 3.1: Danh mục các thiết bị..................................................................................57 Bảng 3.2: Những vật tư thiết bị được sử dụng trong đồ án..........................................60 Bảng 3.3. Phân định vào/ra..........................................................................................62 Bảng 3.4: Cài đặt thông số trên biến tần......................................................................65 GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn 8 SV thực hiện: Trương Ngọc Hải Đồ án tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Cấu tạo động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha.....................................10 Hình 1.2: Tấm thép hình rẻ quạt..................................................................................11 Hình 1.3: Rôto kiểu dây quấn......................................................................................12 Hình 1.4: Rôto kiểu lồng sóc......................................................................................13 Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý làm việc của ĐC KĐB XC ba pha.....................................14 Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý hê ̣ truyền đô ̣ng điê ̣n có điều chỉnh tần số..........................18 Hình 1.7: Các đă ̣c tính điều chỉnh khi điều chỉnh tốc đô ̣ đô ̣ng cơ không đồng bô ̣ bằng tần số với các loại tải khác nhau..................................................................................20 Hình 1.8: Sơ đồ tổng quát của hê ̣ truyền đô ̣ng điê ̣n không đồng bô ̣ có điều chỉnh điê ̣n áp nguồn...................................................................................................................... 22 Hình 1.:: Các đă ̣c tính cơ khi điều chỉnh điê ̣n áp stato, t12 > t11...............................23 Hình 1.10: Điều chỉnh bằng điện trở............................................................................24 Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý khi đưa sức điê ̣n đô ̣ng phụ vào mạch rôto.......................25 Hình 2.1: Các dòng sản phẩm của siemens..................................................................2: Hình 2.2: PLC s7-1200................................................................................................2: Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc của biến tần trực tiếp............................................................40 Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp...........................................................41 Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc cơ bản của bộ biến tần..........................................................41 Hình 2.6: Biến tần 3G3JX............................................................................................44 Hình 2.7: Sơ đồ đấu nối biến tần 3G3JX.....................................................................46 Hình 2.8: Nối dây cung cấp nguồn và động cơ............................................................47 Hình 2.:: Mặt điều khiển của biến tần........................................................................48 Hình 3.1: Khung sản phẩm..........................................................................................61 Hình 3.2: Mô hình bố trí thiết bị thực tế......................................................................62 Hình 3.3: Sơ đồ bố trí thiết bị......................................................................................62 Hình 3.4: Sơ đồ đấu nối...............................................................................................63 Hình 3.5: Chương trình điều khiển..............................................................................65 Hình 3.6: Chạy mô phỏng............................................................................................68 Hình 3.7: Màn hình giám sát tốc độ động cơ...............................................................6: GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn : SV thực hiện: Trương Ngọc Hải Đồ án tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện LỜI NÓI ĐẦU 1. Đặt vấn đề Ngày nay đất nước ta đang trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa hiện đại hóa đất nước các ngành công nghiệp phát triển nhanh chóng để đáp ứng được các nhu cầu thiết yếu cho sản xuất. Đi đôi với sự phát triển công nghiêp hoá và hiện đại hoá đất nước thì ngành điện, điện tử có vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp nói chung và đời sống con người nói riêng. Sự phát triển của khoa hoc kỹ thuật và sựu phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật máy tính, cho ra đời các thiết bị điều khiển số như: CNC, PLC… Các thiết bị này cho phép khắc phục được rất nhiều các nhược điểm của hệ thống điều khiển trước đó, đáp ứng được yêu cầu kinh tế và kỹ thuật trong sản xuất. Với sự phát triển của khoa học và công nghệ như hiện nay việc ứng dụng thiết bị logic khả trình PLC để tự động hóa quá trình sản xuất nhằm mục tiêu tăng năng suất lao động, giảm sức lao động của con người, nâng cao chất lượng sản phẩm đang là một vấn đề cấp thiết và có tính thời sự cao. Việc ứng dụng PLC vào sản xuất và cuộc sống cần phổ biến và mở rộng trong thực tiễn. Với việc ứng dụng PLC vào thực tiễn. Nhóm chúng em đã sử dụng PLC trong việc điều khiển hệ thống đài phun nước. Là sinh viên chuyên ngành công nghệ kỹ thuật điện, điện tử. Sau những năm tháng học tập tại trường Đại học Sao Đỏ, em được giao đồ án tốt nghiệp “Ưng dung PLC và biến tần thiết kế hê ̣ thông điêu khiên tôc độ động cơ xoay chiêu 3 ́ha”, dưới sự hướng dẫn của giảng viên Phạm Văn Tuấn. 2. Mục đính nghiên cứu Nghiên cứu và thiết kế mô hình điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha bằng PLC s7-1200 kết hợp biến tần. 3. Phạm vi nghiên cứu. Tham khảo các tài liệu về PLC, biến tần. Tham khảo tài liệu động cơ. Tìm hiểu về hoạt động của một số PLC. Bằng cách vận dụng những kiến thức có được trong quá trình học học tập, tham khảo các loại tài liệu.nhóm thực hiện tiến hành tìm hiểu, thiết kế mô hình điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha. Quá trình thực nghiệm giúp nhóm thực hiện tự hoàn thiện và bổ sung kiến thức mới. Đặc biệt là tìm được hướng nghiên cứu thích hợp nhất để hoàn thiện và hoàn thiện được đề tài. 4. Kết cấu của đồ án GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn 10 SV thực hiện: Trương Ngọc Hải Đồ án tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện Đồ án gồm có các chương như sau: Chương I: Tổng quan vê các ́hương ́há́ điêu chinh tôc độ động cơ điện xoay chiêu 3 ́ha. Chương II: Tổng quan vê PLC và biến tần. Chương III: Thiết kế hệ thông điêu khiên tôc độ động cơ xoay chiêu 3 ́ha băng ́lc s7-1200 và biến tần 3g3jx.  Kết luận  Tài liệu tham khảo Trong quá trình làm đồ án, với sự tìm tòi và nghiên cứu của bản thân, đặc biệt là sự giúp đỡ rất nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn Th.s Phạm Văn Tuấn em đã hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu còn hạn chế, nên đồ án này của em không tránh khỏi những thiếu xót. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đồ án của em hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hải Dương, ngày 29 tháng 5 năm 2015 Sinh viên thực hiện Trương Ngọc Hải GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn 11 SV thực hiện: Trương Ngọc Hải Đồ án tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA 1.1. Tổng quan về động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha Trong quá trình khai thác sử dụng các tài nguyên thiên nhiên phục vụ cho nền kinh tế quốc dân nói riêng và các hoạt đô ̣ng của xã hô ̣i nói chung, không thể không nói đến sự biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Trong đó, đô ̣ng cơ điê ̣n là thiết bị biến đổi từ điê ̣n năng thành cơ năng có vai trò rất to lớn trong sản xuất công nghiê ̣p, nông nghiê ̣p, dân dụng và rất nhiều lĩnh vực khác. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghê ̣ và kỹ thuâ ̣t hiê ̣n đại. Đă ̣c biê ̣t trong lĩnh vực điê ̣n tử và bán dẫn công suất (transistor công suất, tiristor, triac…) đã tạo điều kiê ̣n cho viê ̣c sử dụng các đô ̣ng cơ điê ̣n có hiê ̣u quả và đưa ra nhiều phương án để lựa chọn những loại đô ̣ng cơ thích hợp. Hiê ̣n nay, đô ̣ng cơ điê ̣n không đồng bô ̣ được sử dụng rô ̣ng rãi chiếm tỷ lê ̣ rất cao với mức công suất nhỏ từ vài chục W đến mức công suất trung bình hàng trăm kW. Với những ưu điểm nổi bâ ̣t của nó như: giá thành hạ (chỉ bằng 1/6 đô ̣ng cơ điê ̣n mô ̣t chiều khi có cùng công suất), làm viê ̣c tin câ ̣y chắc chắn, hiê ̣u suất cao… Ngoài ra đô ̣ng cơ không đồng bô ̣ còn dùng trực tiếp lưới điê ̣n xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm thiết bị biến đổi kèm theo, giảm phức tạp cho hê ̣ thống. Tuy nhiên, với môi loại đô ̣ng cơ đều có những nhược điểm riêng của nó. Đối với đô ̣ng cơ không đồng bô ̣ bên cạnh những ưu điểm kể trên nó có mô ̣t số nhược điểm sau: Đă ̣c tính điều chỉnh không tốt, cos thấp, khống chế các quá trình quá đô ̣ khó khăn. Riêng đối với đô ̣ng cơ rô to lồng sóc có đă ̣c tính khởi đô ̣ng tương đối xấu. Chính vì những lý do đó nên ứng dụng của nó trong mô ̣t số điều kiê ̣n cụ thể còn có phần bị hạn chế. Với những ưu điểm nổi bâ ̣t của đô ̣ng cơ không đồng bô ̣ thì viê ̣c ứng dụng nó trong những lĩnh vực của cuô ̣c sống ngày càng được phát triển và cải tiến về mọi mă ̣t. 1.2. Cấu tạo Giống như các loại máy điện quay khác, động cơ không đồng bộ ba pha gồm có các bộ phận chính sau: + Phần tĩnh hay còn gọi là stato + Phần quay hay còn gọi là rôto GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn 12 SV thực hiện: Trương Ngọc Hải Đồ án tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện Hình 1.1: Cấu tạo động cơ không đông bộ xoay chiêu ba ́ha 1. Lõi thé stato 2. Dâyy quấn stato 3. Ĺ́ máy 4. bi 5. Truc máy 6. Hô ̣́ đấu dâyy 7. Lõi thé roto 8. Thâyn máy 9. Quạt làm mát 10. Hô ̣́ quạt 1.2.1. Phần tĩnh ( Stato) Cấu tạo stato bao gồm võ, lõi thép và dây quấn: ¿ Vỏ máy Vỏ máy là nơi cố định lõi sắt, dây quấn và đồng thời là nơi ghép nối nắp hay gối đỡ trục. Vỏ máy có thể làm bằng gang, nhôm hay thép. Để chế tạo vỏ máy người ta có thể đúc, hàn, rèn. Vỏ máy có hai kiểu: vỏ kiểu kín và vỏ kiểu bảo vệ. Vỏ máy kiểu kín yêu cầu phải có diện tích tản nhiệt lớn người ta làm nhiều gân tản nhiệt trên bề mặt vỏ máy. Vỏ kiểu bảo vệ thường có bề mặt ngoài nhẵn, gió làm mát thổi trực tiếp trên bề mặt ngoài lõi thép và trong vỏ máy. Hộp cực là nơi để đấu điện từ lưới vào. Đối với động cơ kiểu kín hộp cực yêu cầu phải kín, giữa thân hộp cực và vỏ máy với nắp hộp cực phải có gioăng cao su. Trên vỏ máy còn có bu lông vòng để cẩu máy khi nâng hạ, vận chuyển và bu lông tiếp mát. ¿ Lõi thép Lõi thép là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi thép là từ trường quay nên để giảm tổn hao, lõi thép được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm ép lại với nhau tạo thành khối lõi thép. GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn 13 SV thực hiện: Trương Ngọc Hải Đồ án tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện Hình 1.2: Tấm thé hình rẻ quạt Khi đường kính ngoài của lõi thép nhỏ hơn ::0mm thì dùng cả tấm thép tròn ép lại. Khi đường kính ngoài lớn hơn trị số trên thì phải dùng những tấm thép hình rẻ quạt ( hinh 1.2 ) ghép lại thành khối tròn. Các lá thép kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây nên. Nếu lõi thép ngắn thì có thể ghép thành một khối nếu lõi thép quá dài thì ghép thành những tấm ngắn môi tấm thép dài từ 6 đến 8 cm đặt cách nhau 1cm để thông gió cho tốt. Mặt trong cùa lá thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn. ¿ Dây quấn Dây quấn stato được đặt vài các rãnh của lõi thép và được cách điện tốt với lõi thép. Dây quấn phấn ứng là phần dây bằng đồng được trong các rãnh phần ứng và làm thành một hoặc nhiều vòng kín. Dây quấn là bộ phận quan trọng nhất của động cơ vì nó trực tiếp tham gia vào quá trình biến đổi năng lượng từ điện năng thành cơ năng. Đồng thời về mặt kinh tế thì giá thành của dây quấn cũng chiếm tỷ lệ khá cao trong toàn bộ giá thành của máy. + Các yêu cầu đôi với dâyy quấn bao gôm - Sinh ra được một sức điện động cần thiết có thể cho một dòng điện nhất định chạy qua mà không bị nóng quá một nhiệt độ nhất định để sinh ra một mômen cần thiết đồng thời đảm bảo đổi chiều tốt. - Triệt để tiết kiệm vật liệu, kết cấu đơn giản làm việc chắc chắn an toàn + Dâyy quấn stato theo lớ́ dâyy quấn gôm hai loại chính - Dây quấn một lớp. GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn 14 SV thực hiện: Trương Ngọc Hải Đồ án tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện - Dây quấn hai lớp. + Dâyy quấn stato theo kiếu nhóm bôi dâyy: - Dây quấn kiểu đồng tâm - Dây quấn kiểu đồng khuôn 1.2.2. Phần quay ( Rôto ) Rôto của động cơ không đồng bộ gồm lõi sắt, dây quấn và trục (đối với động cơ dây quấn còn có vành trượt). ¿ Lõi thép: Lõi thép của rôto bao gồm các lá thép kỹ thuật điện như của stato, điểm khác biệt ở đây là không cần sơn cách điện giữa các lá thép vì tần số làm việc trong rôto rất thấp, chỉ vài Hz, nên tổn hao do dòng phu cô trong rôto rất thấp. Lõi thép được ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rôto của máy. Phía ngoài của lõi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn rôto. ¿ Dây quấn: Dây quấn được phân ra làm hai loại chính: loại rôto kiểu dây quấn và loại rôto kiểu lồng sóc + Loại rôto kiểu dây quấn Hình 1.3: Rôto kiêu dâyy quấn Rôto có dây quấn giống như dây quấn stato. Máy điện kiểu trung bình trở lên dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp, vì bớt những dây đầu nối, kết cấu dây quấn trên rôto chặt chẽ. Máy điện cỡ nhỏ dùng dây quấn đồng tâm một lớp. Dây quấn ba pha của rôto thường đấu hình sao. Đặc điểm của loại động cơ kiểu dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch rôto để cải thiện tính năng mở máy, điều chinh tốc độ hay cải thiện hệ số công suất của máy. GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn 15 SV thực hiện: Trương Ngọc Hải Đồ án tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện + Loại rôto kiểu lồng sóc: Hình 1.4: Rôto kiêu lông sóc a). Dâyy quấn rôto lông sóc b). Lõi thé roto c ). Kí hiêụ đô ̣ng cơ Loại rôto kiểu lồng sóc: Dây quấn là các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong các rãnh của lõi thép, có chiều dài hơn lõi thép và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch bằng đồng hoặc bằng nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc. Nếu là rôto đúc nhôm thì trên vành ngắn mạch còn có các cánh khoáy gió. Rôto thanh đồng được chế tạo từ đồng hợp kim có điện trở suất cao nhằm mục đích nâng cao mô men mở máy. Để cải thiện tính năng mở máy, đối với máy có công suất lớn, người ta làm rãnh rôto sâu hoặc dùng lồng sóc kép. Đối với máy điện cỡ nhỏ, rãnh rôto được làm chéo góc so với tâm trục. Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi thép. ¿ Trục Trục máy điện mang rôto quay trong lòng stato, vì vậy nó cũng là một chi tiết rất quan trọng. Trục của máy điện tùy theo kích thước có thể được chế tạo từ thép Cacbon. ¿ Khe hở Vì rôto là một khối tròn nên khe hở đều, khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ (từ 0,2mm đến 1mm trong máy điện cở nhỏ và vừa ) để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới vào, và như vậy có thể làm cho hệ số công suất của máy tăng cao. GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn 16 SV thực hiện: Trương Ngọc Hải Đồ án tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện 1.3. Nguyên lý làm việc Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch nhau 120 trong không gian thì từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo ra trong là một từ trường quay. Nếu trong từ trường quay này có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ quét qua các thanh dẫn điện và làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng trong các thanh dẫn. o Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải. Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo quy tắc ban tay trái và tạo ra mômen làm quay rôto theo chiều quay của từ trường quay. Tốc độ quay của rôto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay. Nếu rôto quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ quét qua các dây quấn phần cảm nên sđđ cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ không còn, mômen quay cũng không còn. Do mômen cản rôto sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫn rôto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại có mômen quay làm rôto tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường. Động cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không đồng bộ (KĐB) xoay chiều. N n S Hình 1.5: Sơ đô nguyên lý làm việc của ĐC KĐ XC ba ́ha Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ωo (rad/s) hay no (vòng/phút) thì tốc độ quay của roto là ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ω < ωo ; n < no ). Sai lệch tương tối giữa hai tốc độ gọi là độ trượt s: s o   o (1.1) Từ đó ta có: GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn 17 SV thực hiện: Trương Ngọc Hải Đồ án tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện ω = ωo(1 – s) (1-2) n = no(1 – s) (1-3) 2n  60 (1-4) hay Với: o  (1-5) 2n o 2f1  60 p f1 - tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato. Tốc độ ωo là tốc độ lớn nhất mà rôto có thể đạt được nếu không có lực cản nào. Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ. Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1. Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở rôto cũng là dòng điện xoay chiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của roto đối với từ trường quay: f2  p(n o  n ) sf1 60 (1-6) 1.4. Ứng dụng Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu quả cao, giá thành rẻ, dễ bảo quản Nên động cơ không đồng bộ là loại máy điện được sử dụng rộng rãi nhất trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất vài chục W đến hàng chục kW. GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn 18 SV thực hiện: Trương Ngọc Hải Đồ án tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện Các lĩnh vực ứng dụng của động cơ không đồng bộ như: - Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ ba pha thường được dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ…Trong hầm mỏ dùng làm động cơ máy tời hay quạt gió. - Trong nông nghiệp dùng trong các trạm bơm hay máy gia công nông phẩm... - Trong đời sống sinh hoạt hàng ngày, động cơ điện không đồng bộ cũng chiếm một vị trí rất quan trọng như làm quạt gió, máy bơm nước, tủ lạnh, máy điều hoà nhiệt độ… nhất là loại đô ̣ng cơ rôto lồng sóc. Cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa và tự động hóa, thì phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng được cải thiê ̣n và mở rô ̣ng . 1.5. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ xoay chiều pha Đô ̣ng cơ không đồng bô ̣ khi mắc vào nguồn điê ̣n có tần số f1 thì ta có biểu thức của tốc đô ̣:  = 0 (1 – s) (1.7) Trong đó: : Tôc đô ̣ quay của rôto 0 = 0 : 2 f1 p tôc đô ̣ không tải lý tương s : Hê ̣ sô trưưt của đô ̣ng cơ. Do đó ta có: ω= 2 πf 1 p (1.8) ( 1-s ) Từ phương trình trên ta thấy, muốn thay đổi tốc đô ̣ đô ̣ng cơ không đồng bô ̣  ta có thể thực hiê ̣n bằng cách thay đổi các thông số: tần số nguồn f1, số đôi cực p và hê ̣ số trượt s. Những đô ̣ng cơ trước đây thường được chế tạo để làm viê ̣c với tải không đổi trong suốt quá trình làm viê ̣c. Điều này làm cho hiê ̣u suất làm viê ̣c của hê ̣ thống thấp, mô ̣t GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn 1: SV thực hiện: Trương Ngọc Hải Đồ án tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện phần đáng kể công suất đầu vào không được sử dụng hiê ̣u quả. Hầu hết thời gian mômen đô ̣ng cơ sinh ra đều lớn hơn mômen yêu cầu của tải. Khi khởi đô ̣ng trực tiếp từ lưới nguồn, dòng khởi đô ̣ng rất lớn. Điều này làm tổn thất công suất lớn trên đường truyền và trong rôto, làm nóng đô ̣ng cơ, thâ ̣m chí có thể làm hỏng lớp cách điê ̣n. Dòng khởi động lớn có thể làm sụt điê ̣n áp nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với đô ̣ng cơ. Khi chạy không tải, dòng điê ̣n chạy trong đô ̣ng cơ chủ yếu là dòng từ hóa, tải hầu như chỉ có tính cảm. Kết quả là hê ̣ số công suất ( PF: Power Factor ) rất thấp, khoảng 0,1. Khi tải tăng lên dũng điê ̣n làm viê ̣c bắt đầu tăng. Dòng điện từ hóa duy trì hầu như không đổi trong suốt quá trình hoạt động từ không tải đến đầy tải. Vì vâ ̣y khi tải tăng hê ̣ số công suất cũng lên. Khi đô ̣ng cơ làm viê ̣c với hê ̣ số công suất nhở hơn 1, dòng điê ̣n trong đô ̣ng cơ không hoàn toàn sin. Điều này cũng làm giảm chất lượng công suất nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với đô ̣ng cơ. Trong quá trình làm viê ̣c, nhiều lúc cần dừng khẩn cấp hoă ̣c đảo chiều đô ̣ng cơ. Đô ̣ chính xác trong tốc đô ̣, khả năng dừng chính xác, đảo chiều tốt làm tăng năng suất lao đô ̣ng cũng như chất lượng sản phẩm. Trong các ứng dụng trước đây các phương pháp hãm cơ được sử dụng. Lực ma sát giữa phần cơ và má phanh có tác dụng hãm. Tuy nhiên viê ̣c hãm này rất kém hiê ̣u quả và tổn hao nhiê ̣t lớn. Trong nhiều ứng dụng, công suất đầu vào là mô ̣t hàm phụ thuô ̣c vào tốc đô ̣ như quạt, máy bơm. Ở những tải loại này, mômen cản tỷ lê ̣ với bình phương tốc đô, công suất tỷ lê ̣ với lâ ̣p phương của tốc đô ̣. Do đó viê ̣c điều chỉnh tốc đô ̣, điều này phụ thuô ̣c vào tải, có thể tiết kiê ̣m điê ̣n năng. Tính toán cho thấy viê ̣c giảm 20 tốc đô ̣ đô ̣ng cơ có thể tiết kiê ̣m được 50 công suất đầu vào. Mà điều này là không thể thực hiê ̣n được đối với những đô ̣ng cơ sử dụng trực tiếp điê ̣n áp lưới. Khi lưới điê ̣n cấp cho đô ̣ng cơ có hê ̣ số công suất nhỏ hơn đơn vị, dòng điê ̣n trong đô ̣ng cơ chứa nhiều thành phần điều hòa bâ ̣c cao. Điều này làm tăng tổn thất trong đô ̣ng cơ dẫn đến giảm tuổi thọ của đô ̣ng cơ. Momen sinh ra bởi đô ̣ng cơ bị gợn sóng. Các thành phần điều hòa bâ ̣c cao có thể loại bỏ khi hoạt đô ̣ng ở tần số cao bởi tính chất cảm của đô ̣ng cơ. Nhưng ở tần số thấp đô ̣ng cơ chạy sẽ bị rung, làm ảnh hưởng đến các vòng đồng của rôto. Đô ̣ng cơ làm viê ̣c ở lưới nguồn không ổn định nếu không được bảo vê ̣ sẽ làm giảm tuổi thọ của đô ̣ng cơ. Từ những phân tích trên ta thấy rằng cần phải có mô ̣t hê ̣ điều khiển thông minh. Sự phát triển của các van công suất, công nghê ̣ sản xuất IC tích hợp cao cho ra đời những bô ̣ vi xử lý có tốc độ xử lý ngày càng nhanh và sự phát triển của kỹ thuâ ̣t tính toán đó dẫn đến viê ̣c điều khiển đô ̣ng cơ không đồng bô ̣ có thể đạt được chất lượng cao. GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn 20 SV thực hiện: Trương Ngọc Hải