Thiết Kế Chế Tạo Bộ Biến Tần Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ 3 Pha.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHAṂ KỸ THUÂṬ HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ AŃ CHUYÊN NGÀNH II Tên đề tài THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG B[.]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH II

Tên đề tài: THIẾT KẾ - CHẾ TẠO BỘ BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ

ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

HƯNG YÊN - 2015

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật trên con đường công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước Ngành điện tử nói chung đã có những bước tiến vượt bậc và mang lại những thành quả đáng kể Để thúc đẩy nền kinh tế của đất nước ngày càng phát triển, giàu mạnh thì phải đào tạo cho thế hệ trẻ có đủ kiến thức để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội Đòi hỏi phải nâng cao chất lượng đào tạo thì phải đưa ra các phương tiện dạy học hiện đại vào trong giảng đường, trường học có như vậy thì trình độ của con người ngày càng cao mới đáp ứng được nhu của xã hội Trường ĐHSPKT Hưng Yên là một trong số những trường đã rất trú trọng đến việc hiện đại hoá trang thiết bị nhằm nâng cao hiệu quả trong giảng dạy cũng như giúp sinh viên có khả năng thực tế cao

Để các sinh viên có tăng khả năng tư duy và làm quen với công việc nghiên cứu,

thiết kế, chế tạo Chúng em đã được giao cho thực hiện đồ án: “Thiết kế - Chế tạo bộ điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha” nhằm củng cố về mặt kiến thức trong quá

trình thực tế

Sau khi nhận đề tài, nhờ sự giúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn Thành Long cùng với sự cố gắng nỗ lực của cả nhóm, sự tìm tòi, nghiên cứu tài liệu Đến nay đồ án của chúng em về mặt cơ bản đã hoàn thành Trong quá trình thực hiện dù đã rất cố gắng nhưng do trình độ còn hạn chế, kinh nghiệm còn ít nên không thể tránh khỏi sai sót Chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo, giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các thầy

cô giáo trong khoa để đề tài của chúng em ngày càn hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Thành Long cùng các thầy cô giáo trong khoa đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ

1.1 Sơ lược về động cơ không đồng bộ 3 pha

1.1.1 Cấu tạo và đặc điểm

a Cấu tạo:

Hình 1.1: Mô hình cắt bỏ của động cơ không đồng bộ 3 phaChú thích : 1: Vỏ máy

2: Khung sắt3: Dây quấn4: Trục động cơ5: Lõi sắt

Cấu tạo của động cơ không đồng bộ 3 pha gồm 2 phần chính là phần tĩnh (Stato) và phần quay (Roto).

 Phần tĩnh (Stato)

Vỏ máy: Thường được làm bằng gang Đối với máy có công suất lớn (1000kW), thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ vỏ máy có tác dụng cố định và bảo vệ máy Khung sắt: Được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện có độ dày từ 0.35 đến 0.5mm ghép lại với nhau Vì khung sắt là phần từ, đồng thời từ trường đi qua khung sắt là từ trường xoay chiều, nhằm giảm tồn hao do dòng điện xoáy gây nên mỗi lá thép kỹ thuật điện đều được phủ sơn cách điện Mặt trong của khung sắt được xẻ rãnh để đặt dây quấn

Dây quấn: Được đặt trong các rãnh của lõi sắt và cách điện tốt với lõi sắt Dây quấn stato gồm có 3 cuộn dây đặt lệch nhau 1200 điện

 Phần quay (Roto)

Trục: Được làm bằng lõi thép để đỡ lõi sắt roto

Lõi sắt: Gồm các lá thép kỹ thuật điện giống như ở phần Stato Lõi sắt được ép trực tiếp lên trục

b Đặc điểm của động cơ không đồng bộ 3 pha:

- Cấu tạo đơn giản

- Nối trực tiếp với điện lưới xoay chiều 3 pha

- Tốc độ quay của Roto nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay của Stato N < N1Trong đó:

N: Tốc độ quay của Roto

N1: Tốc độ quay của từ trường quay

1.1.2 Nguyên lý làm việc và các đại lượng đặc trưng:

- Nguyên lý làm việc:

Khi nối dây quấn Stato vào lưới điện xoay chiều 3 pha, trong động cơ sẽ sinh ra một

từ trường quay Từ trường này quét qua các thanh dẫn Roto, làm cảm ứng trên dây quấn Roto một sức điện động E2, từ đó sinh ra dòng điện I2 chạy trong dây quấn Roto Dòng điện I2 tác động tương hỗ với từ trường Stato tạo ra lực điện từ trên dây dẫn Roto và momen quay làm cho Roto quay với tốc độ N theo chiều quay của từ trường Tốc độ quay của Roto N luôn luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay Stato N1 Có

sự chuyển động tương đối giữa Roto và từ trường quay Stato duy trì được dòng điện I2

và momen vì tốc độ của Roto khác với tốc độ của từ trường quay Stato nên gọi là động

cơ không đồng bộ

- Các đại lượng đặc trưng

Hệ số trượt: Để biểu thị mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của Roto N và tốc độ quay của từ trường quay N1

S= (0 (1-1)

N1 = (1-2)

N = N1*(1 – S) (1-3)Sức điện động:

Khi Roto đứng yên: E20 = 4.44*f20*K2*W2* m (1-4)

Khi Roto chuyển động: E2S = 4.44*f2S*K2*W2* m (1-5)

Công suất điện đưa vào: P1 = *U*I*cos (1-6)

Tổn hao điện từ: Pdt

Tổn hoa sắt: Pst

Công suất điện từ: Pdt = M* 1 = M* = P1 - Pdt - Pst (1-7)

Tổn hao do dây quấn Roto: Pd2

Công suất cơ ở trục: P'2 = M* = Pdt - Pd2 (1-8)

Tổn hao do ma sát: Pms

Công suất cơ đưa ra: P2 = P'2 - Pms (1-9)

P2 = P1 - Pdt - Pst - Pd2 - Pms (1-10)

Hiệu suất: η = (0.8 , 0.9) (1-11)

1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha

1.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện trở phụ.

Khi thay đổi điện trở phụ trong mạch rôto động cơ sẽ làm cho Sth thay đổi tỷ lệ còn Mth thì không thay đổi, vì vậy sẽ thay đổi được tốc độ của động cơ

Hình 1.3 Nguyên lý điều chỉnh tốc độ và đặc tính tốc độ của động cơ bằng

phương pháp thay đổi giá trị điện trở phụ Nguyên lý điều chỉnh: khi thay đổi R2f với các giá trị khác nhau, thì sth sẽ thay đổi tỷ lệ, còn Mth = const, ta sẽ được một họ đặc tính cơ có chung ω0 , Mth, có tốc

độ khác nhau và có các tốc độ làm việc xác lập tương ứng

Qua hình 1.1, ta có: Mth = constVà: 0 < R2f1 < R2f2 < … < R2f.Ic < …

Sth.TN < Sth1 < Sth2 < … < Sth.Ic < …ΔωTN < Δω1 < Δω2 < … < ΔωIc < …ωTN > ω1 > ω2 > … > ωIc > … Như vậy, khi cho R2f càng lớn để điều chỉnh tốc độ càng nhỏ, thì độ cứng đặc tính cơ càng dốc, sai số tĩnh càng lớn, tốc độ làm việc càng kém ổn định, thậm chí khi R2f = R2f.Ic, dẫn đến Mn = Mc cho động cơ không quay được

Và khi thay đổi các giá trị R2f.I > R2f.Ic thì tốc độ động cơ vẫn bằng không nghĩa

là không điều chỉnh được tốc độ, hay còn gọi là điều chỉnh không triệt để

* Các chỉ tiêu chất lượng của phương pháp:

Phương pháp này có sai số tĩnh lớn, nhất là khi điều chỉnh càng sâu thì s% càng lớn, có thể s% > s% cp Phù hợp với phụ tải thế năng, vì khi điều chỉnh mà giữ dòng điện rôto không đổi thì mômen cũng không đổi (M ~ Mc)

* Ưu điểm: Phương pháp thay đổi điện trở phụ mạch rôto để điều chỉnh tốc độ động cơ điều khiển như trên có ưu điểm là đơn giản, rẻ tiền, dễ điều chỉnh tốc độ động cơ Hay dùng điều chỉnh tốc độ cho các phụ tải dạng thế năng (Mc = const).

* Nhược điểm: Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhược điểm là điều chỉnh không triệt để, khi điều chỉnh càng sâu thì sai số tĩnh càng lớn, phạm vi điều chỉnh hẹp, điều chỉnh trong mạch rôto, dòng rôto lớn nên phải thay đổi từng cấp điện trở phụ, công suất điều chỉnh lớn, tổn hao năng lượng trong quá trình điều chỉnh lớn Mặc dù vậy, phương pháp này thường được áp dụng cho điều chỉnh tốc độ các động cơ điều khiển truyền động cho các máy nâng - vận chuyển có yêu cầu điều chỉnh tốc độ không cao Muốn nâng cao các chỉ tiêu chất lượng thì dùng phương pháp “ xung điện trở ”

1.2.2 Điều chỉnh tốc độ điều khiển bằng cách thay đổi điện áp Stato

Mômen động cơ điều khiển tỉ lệ với bình phương điện áp stato, nên có thể điều chỉnh mômen và tốc độ động cơ điều khiển bằng cách thay đổi điện áp stato và giữ tần số không đổi nhờ bộ biến đổi điện áp xoay chiều (ĐAXC) như hình 1.2:

Hình 1.4 Nguyên lý điều chỉnh tốc độ và đặc tính tốc độ của động cơ bằng

phương pháp thay đổi điện áp Stato

Nếu coi bộ ĐAXC là nguồn lí tưởng (Zb = 0), khi Ub = Uđm thì mômen tới hạn (Mth.U) tỉ lệ với bình phương điện áp, còn (Sth.U) = Const

Mth.U = Mth.gh ( )2 = Mth.Ub2 (1-12)

Sth.U = Sth.gh = Const (1-13)

Để cải thiện dạng đặc tính điều chỉnh và giảm bớt mức phát nóng của động cơ, người ta mắc thêm điện trở R2f (hình 1.1) Khi đó, nếu điện áp đặt vào stato là định mức (Ub = U1) thì ta được đặc tính mềm hơn đặc tính tự nhiên, gọi là đặc tính giới hạn

Rõ ràng là: (Mth.gh) = Mth

Trong đó: Mth.gh, Sth.gh là mômen và hệ số trượt tới hạn của đặc tính giới hạn

Mth, Sth là mômen và hệ số trượt tới hạn của đặc tính tự nhiên

Phương pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động mà mômen tải là hàm tăng theo tốc độ như: máy bơm, quạt gió, … Có thể dùng máy biến áp tự ngẫu, điện kháng, hoặc bộ biến đổi bán dẫn làm bộ ĐAXC cho động cơ

1.2.3 Điều chỉnh tốc độ điều khiển bằng cách thay đổi số đôi cực

Theo quan hệ: ω = ω0(1 − s) = (1-14)

Trong đó: f1 là tần số lưới điện, P là số đôi cực

Vậy thay đổi số đôi cực P, sẽ điều chỉnh được ω0 và sẽ điều chỉnh được ω Để có thể thay đổi được số đôi cực P, người ta phải chế tạo những động cơ đặc biệt, có các tổ dây quấn stato khác nhau để tạo ra được P khác nhau, gọi là máy đa tốc

+ Ưu điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK bằng cách thay đổi

số đôi cực là thiết bị đơn giản, rẻ tiền, các đặc tính cơ đều cứng và khả năng điều chỉnh triệt để (điều chỉnh cả tốc độ không tải lý tưởng)

Nhờ các đặc tính cơ cứng, nên độ chính xác duy trì tốc độ cao và tổn thất trượt khi điều chỉnh thực tế không đáng kể.

+ Nhược điểm lớn của phương pháp này là có độ tinh kém, giải điều chỉnh không rộng và kích thước động cơ lớn

1.2.4 Điều chỉnh tốc độ ĐK bằng cách thay đổi tần số

- Vấn đề thay đổi tần số của điện áp stato

Về nguyên lý, khi thay đổi tần số f1 thì ω0 = 2pf1/p sẽ thay đổi và sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ Nhưng khi thay đổi f1 và f1đm thì có thể ảnh hưởng đến chế độ làm việc của động cơ

Giả sử mạch stato: E1 ≈ CΦf1

Trong đó: E1 là sức điện động cảm ứng trong cuộn dây stato

Φ là từ thông móc vòng qua cuộn dây stato

C là hằng số tỉ lệ, f1 là tần số của dòng điện stato

Nếu bỏ qua sự sụt áp trên tổng trở cuộn dây stato thì ta có:

U1 ≈ E1 ≈ CΦf1

Ta thấy: nếu thay đổi f1 mà giữ U1 = const thì ω sẽ thay đổi theo

Hình 1.5 Nguyên lý điều chỉnh tốc độ theo phương pháp thay đổi tần số Khi thay đổi tần số f1 để điều chỉnh tốc độ thì người ta thường kết hợp thay đổi điện áp Stato U1 và dùng bộ biến đổi tần số (BT) để thay đổi tốc độ động cơ

- Quy luật điều chỉnh điện áp stato khi thay đổi tần số:

Hình 1.6 Xác định khả năng quá tải về mômen khi điều chỉnh tần số: f1 < f1đm.

Hình 1.5 Các dạng đặc tính cơ khi thay đổi tần số và điện áp stato với

Khi phụ tải Mc = const (q = 2) thì điều chỉnh tần số và điện áp stato theo quy luật:

Biến tần là thiết bị tổ hợp các linh kiện điện tử thực hiện chức năng biến đổi tần

số và điện áp một chiều hay xoay chiều nhất định thành dòng điện xoay chiều có tần số điều khiển được nhờ khóa điện tử

- Phân loại biến tần:

+ Biến tần trực tiếp:

Còn gọi là biến tần phụ thuộc, thường dùng các nhóm chỉnh lưu, điều khiển mắc song song ngược, cho xung lần lượt hai nhóm chỉnh lưu trên ta có thể nhận được dòng điện xoay chiều trên tải Như vậy điện áp xoay chiều U1 (f1) chỉ cần qua 1 van

là chuyển ngay ra tải với U2(f2)

Tuy nhiên đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van rất phức tạp, chỉ sử dụng cho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp Vì việc thay đổi tần số

f2 khó khăn và phụ thuộc vào f1

Hình 1.6 Cấu trúc của biến tần trực tiếp+ Biến tần gián tiếp:

Biến tần gián tiếp hay còn gọi là biến tần độc lập Trong biến tần này, đầu tiên điện áp được chỉnh lưu thành dòng 1 chiều Sau đó qua bộ lọc rồi trở lại dòng xoay chiều với tần số f2 nhờ bộ nghịch lưu độc lập ( quá trình thay đổi của f2 không phụ thuộc vào f1)

Việc biến đổi 2 làn sẽ làm giảm hiệu suất của biến tần Tuy nhiên việc ứng dụng của hệ điều khiển dùng vi xử lý nên phát huy được tối đa các ưu điểm của loại biến tần này và thường được sử dụng rộng rãi hơn

Hình 1.7 Cấu trúc biến tần gián tiếpKết luận: Sử dụng biến tần gián tiếp để thực hiện đề tài.

1.3.2 Biến tần gián tiếp:

Do tính chất của từng bộ lọc nên biến tần được chia làm 2 loại:

+ Biến tần nguồn áp: là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp 1 chiều là nguồn dòng, dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào dạng dòng điện của nguồn, còn dạng điện áp trên tải thì phụ thuộc và các thông số của tải quy định

+ Biến tần gián tiếp nguồn dòng: Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp 1 chiều

là nguồn áp, dạng của điện áp trên tải phụ thuộc vào dạng điện áp của nguồn còn dạng dòng điện trên tải thì phụ thuộc vào các thông số của tải quy định

- So sánh 2 loại biến tần:

Trong bộ biến tần nguồn dòng, khi 2 khóa bán dẫn trong cùng 1 nhánh của bộ nghịch lưu cùng dẫn (do kích nhầm hoặc do chuyển mạch), dòng ngắn mạch qua 2 khóa được hạn chế ở mức cực đại Trong bộ biến tần nguồn áp, việc này có thể gây

ra sự cố ngắn mạch và làm hỏng van bán dẫn Do đó có thể xem biến tần nguồn dòng làm việc tin cậy hơn biến tần nguồn áp

Do mạch chỉnh lưu tạo nguồn dòng có thể hoạt động ở chế độ trả năng lượng về nguồn, bộ biến tần nguồn dòng có thể làm việc hãm tái sinh Với bộ biến tần nguồn

áp, việc hãm tái sinh muốn thực hiện được cần thêm vào hệ thống một cầu chỉnh lưu có điều khiển hoàn toàn

Trong trường hợp mất nguồn lưới khi đang hoạt động, bộ biến tần nguồn áp có thể hoạt động ở chế độ hãm động năng, nhưng bộ biến tần nguồn dòng không thể hoạt động được ở chế độ này.

Bộ biến tần nguồn dòng sử dụng cuộn cảm L khá lớn trong mạch chỉnh lưu tạo ra nguồn dòng, điều này làm đáp ứng quá độ của hệ thống chậm hơn so với bộ biến tần nguồn áp kiểu PWM

Với bộ biến tần nguồn áp, dễ dàng áp dụng kỹ thuật PWM để điều khiển đóng ngắt các khóa bán dẫn Kỹ thuật PWM cho phép giảm tổn thất sóng hà bậc cao gây nên trên động cơ, không gây ra momen đạp làm rung động cơ ở tốc độ thấp Tuy nhiên kỹ thuật điều chế PWM lại khó áp dụng cho biến tần nguồn dòng, nếu có cũng chỉ áp dụng cho tần số hoạt động thấp

Khi hoạt động với nguồn cấp là DC bộ biến tần nguồn áp nhỏ gọn và rẻ tiền hơn

so với biến tần nguồn dòng Biến tần nguồn dòng thường cồng kềnh do sử dụng cuộn cảm lớn và các tụ chuyển mạch có giá trị cao

Dải điều chỉnh của biến tần nguồn dòng thấp hơn so với dải điều chỉnh của biến tần nguồn áp

Kết luận: sử dụng biến tần gián tiếp nguồn áp cho đề tài

1.3.3 Cấu trúc biến tần gián tiếp nguồn áp

Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp có ưu điểm tạo ra dạng dòng điện và điện áp dạng sin hơn, dải biến thiên tần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn

Biến tần gián tiếp nguồn áp có 2 bộ phận riêng biệt:

+ Phần động lực:

Bộ phận chỉnh lưu: Có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều có tần số f1 về dòng điện 1 chiều

Bộ lọc: nó có tác dụng san bằng điện áp sau chỉnh lưu

Bộ nghịch lưu: là bộ quan trọng nhất của biến tần Nó có nhiệm vụ biến đổi dòng điện 1 chiều nhận từ khối chỉnh lưu sang dòng xoay chiều với tần số f2

+ Phần điều khiển:

Là bộ phận không thể thiếu, quyết định sự làm việc của mạch động lực Để đảm bảo yêu cầu về tần số, hình dạng điện áp ra của bộ biến tần đều do mạch điều khiển quyết định.

Bộ điều khiển thông thường gồm 3 phần:

Khâu phát xung chủ đạo: Là khâu tự dao động tạo ra xung điều khiển đưa đến bộ phận phân phối xung điều khiển đến từng transistor Khâu này đảm nhận điều chỉnh xung một cách dễ dàng, ngoài ra nó còn có thể đảm nhiệm chức năng khuếch đại xung

Khâu phân phối xung: Làm nhiệm vụ phân phối các xung điều khiển vào khâu phát xung chủ đạo

Khâu khuếch đại trung gian: Có nhiệm vụ khuếch đại xung nhận được từ bộ phận xung đưa đến đảm bảo kích cỡ mở van

1.4 Phần tử bán dẫn công suất lớn IGBT

1.4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

Hình 1.8: Cấu trúc và sơ đồ tương đương của IGBT Transistor có cực điều khiển được cách ly (Insulated Gate Bipolar Transistor), hay IGBT là một linh kiện bán dẫn công suất được phát minh bởi Hans W.Beck và Carl F.Wheatley vào năm 1982 IGBT kết hợp khả năng đóng ngắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thường Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển bằng điện áp bằng điện áp Do đó công suất điều khiển yêu cầu

sẽ rất nhỏ