Thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng tiristor

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BIẾN TẦN 1.1. ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1.1.1 Khái niệm chung -Động cơ không đồng bộ ba pha là máy điện xoay chiều,làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Có tốc độ của roto khác với tốc độ của từ trường quay trong máy. - Động cơ không đồng bộ ba pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vì chế tạo đơn giản, giá rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao, dải công suất rất rộng từ vài wat tới 10000 hp. Các động cơ từ 5hp trở lên hầu hết là 3 pha, còn nhỏ hơn 1hp thường là 1 pha (1hp= 0,736 kW )

TR ƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM NG Đ I H C HÀNG H I VI T NAM ẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM ỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM ẢI VIỆT NAM ỆT NAM KHOA ĐI N – ĐI N T TÀU BI N ỆT NAM ỆT NAM Ử TÀU BIỂN ỂN

THI T K MÔN H C ẾT KẾ MÔN HỌC ẾT KẾ MÔN HỌC ỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

MÔN: ĐI N T CÔNG SU T ỆT NAM Ử TÀU BIỂN ẤT

Đ BÀI: Đ S 36 Ề BÀI: ĐỀ SỐ 36 Ề BÀI: ĐỀ SỐ 36 Ố 36Thi t k b bi n t n đi u khi n đ ng c xoay chi u 3 pha s d ng tiristorộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng tiristor ần điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng tiristor ều khiển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng tiristor ển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng tiristor ộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng tiristor ơ xoay chiều 3 pha sử dụng tiristor ều khiển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng tiristor ử dụng tiristor ụng tiristor

Yêu c u công ngh ầu công nghệ ệ Thông s thi t k ố thiết kế ết kế ết kế

Thi t k bi n t n xung vuôngần điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng tiristor

U=380VAC, I=50A, f= 0 120Hz, ̶ 120Hz,

Cos =0.8φ=0.8

Đi u khi n theo lu t U/fều khiển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng tiristor ển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng tiristor ật U/f

Giáo viên h ướng dẫn: ĐOÀN VĂN TUÂN ng d n: ĐOÀN VĂN TUÂN ẫn: ĐOÀN VĂN TUÂN

Sinh viên: ĐÀO VĂN MỸ

H i Phòng, năm 2012ải Phòng, năm 2012

Lời giới thiệu

Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, ngành công nghiệp cómột vai trò hết sức quan trọng nhằm thúc đẩy sự phát triển nền kinh tế Yêu cầutrước hết là phải đưa kĩ thuật công nghệ để ứng dụng vào thực tế sản xuất Tự độnghóa ngày càng có vai trò quan trọng, bởi hiệu quả làm việc, tính an toàn và tiệndụng của nó Các dây truyền sản xuất hiện đại mang lại hiệu quả cao được ứngdụng ngày càng rộng rãi Sự ra đời của động cơ điện vào cuối thế kỷ XIX đã tạonền tảng quan trọng cho sự phát triển của của ngành điện sau này Ngày nay, động

cơ điện đã được ứng dụng rộng rãi, có vai trò không thể thiếu trong công nghiệp vàtrong đời sống sinh hoạt So với tất cả các động cơ điện dùng trong công nghiệpđộng cơ không đồng bộ được dùng nhiều hơn cả, với kiểu dáng gọn nhẹ, có thể chếtạo với nhiều công suất khác nhau, sử dụng đơn giản, giá thành rẻ đã dần thay thếcác loại máy điện một chiều Để đáp ứng được nhu cầu của sản xuất công nghiệp,người ta đã nghĩ ra các thiết bị điện nhằm phục vụ cho hoạt động của động cơ ởnhững chế độ làm việc khác nhau Bộ biến tần ra đời giúp thay đổi tần số của mạngđiện cấp cho động cơ Nhờ đó mà động cơ có thể làm việc dễ dàng làm việc màkhông phải thay đổi tần số làm việc của nó Nội dung các phần trong bài thiết kếnhư sau :

Chương 1 : Tổng quan về công nghệ biến

Giới thiệu về động cơ không đồng bộ và các hệ thống biến tần

Chương 2 : Tính toán và thiết kế mạch công suất

Mạch động lực, đi sâu vào nguyên lí làm việc của hệ thống thiết bị cũng như cácphương pháp tính chọn mạch và bảo vệ mạch

Chương 3 : Thiết kế mạch điều khiển

Ứng dụng của kĩ thuật xung số để điều khiển hoạt động của mạch

Em xin chân thành cảm ơn thầy Đoàn Văn Tuân ,cùng các thầy cô giáo khoa

Điện- Điện tử tàu biển, những người đã tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gianvừa qua để em có thể hoàn thành bài thiết kế này Trong quá trình thiết kế còn tồntại những sai sót, mong các thầy côgiáo góp ý để bài thiết kế của em hoàn thiệnhơn Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BIẾN TẦN

1.1 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

1.1.1 Khái niệm chung

-Động cơ không đồng bộ ba pha là máy điện xoay chiều,làm việc theo nguyên lýcảm ứng điện từ Có tốc độ của roto khác với tốc độ của từ trường quay trong máy

- Động cơ không đồng bộ ba pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vìchế tạo đơn giản, giá rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao, dải côngsuất rất rộng từ vài wat tới 10000 hp Các động cơ từ 5hp trở lên hầu hết là 3 pha,còn nhỏ hơn 1hp thường là 1 pha (1hp= 0,736 kW )

a/Stator:

Gồm có vỏ, lõi thép, dây quấn:

-Vỏ máy: Làm nhiệm vụ bảo vệ mạch từ và giữ chặt lõi thép stator, vỏ có dạngtrụ rỗng, có chân để cố định máy trên bệ và có hai nắp máy ở hai đầu để đỡ trụcmáy và bảo vệ phần đầu dây quấn Các máy có công suất bé thì thường là vỏ bằngnhôm, còn các máy có công suất trung bình và lớn thường làm bằng gang

-Lõi thép: Làm nhiệm vụ dẫn từ và được ghép từ các lá thép kĩ thuật điện vớinhau (nhằm chống dòng điện xoáy) theo một hình trụ rỗng Mặt trong của các láthép được dập thành các rãnh để đặt cuộn dây stator

-Dây quấn stator: Được quấn thành từng các mô bin, mà các cạnh của mô bin đóđược đặt vào lõi thép stator Các mô bin được cách điện nhau và cách điện với lõithép

b/Rotor:

Gồm có lõi thép, trục máy và dây quấn:

-Lõi thép roto cũng được dập từ các lá thép kĩ thuật điện có dạng hình tròn và mặtngoài của các lá thép đó được dập thành các rãnh để đặt cuộn dây, còn ở giữa đượcdập lỗ tròn để lồng trục máy Các lá thép nói trên được ghép lại với nhau thành mộttrụ tròn mà ở giữa là lồng trục máy, mặt ngoài của trụ là cá rãnh để đặt dây quấnrotor Thường các lá thép rotor được tận dụng phần bên trong các lá thép của stator.-Trục máy làm bằng thép tốt và được lồng cứng với lõi thép rotor Trục được đỡbởi hai ổ bi trên hai nắp máy

-Dây quấn rotor có hai loại: loại rotor kiểu lồng sóc và rotor kiểu dây quấn

+Loại rotor kiểu lồng sóc: Dây quấn rotor là các thanh dẫn bằng đồng thau hoặcnhôm được đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bằng hai vành ngắn mạch ở hai đầu Với động cơ nhỏ dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát Các động cơ trên 100kw thanh dẫn làm

bằng đồng và được đặt vào các rãnh rotor và được gắn chặt vào vành ngắn mạch.

Hình 1.2: Dây quấn roto kiểu lồng sóc

+Loại rotor dây quấn: Cũng được quấn thành từng các mô bin như dây quấn stator

và có cùng số cực từ dây quấn stator Dây quấn kiểu này luôn đấu hình sao và có bađầu ra đấu vào ba vành trượt gắn vào trục quay rotor và cách điện với trục Ba chổithan cố định và luôn tỳ lên vành trượt này để dẫn điện và một biến trở cũng nối saonằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ

1.3.1.Nguyên lý hoạt động

-Khi có dòng ba pha chạy trong dây quấn stator thì trong khe hở không khí xuấthiện từ trường quay với tốc độ n1=60 f/p (f là tần số lưới điện, p là số cặp cực) Từtrường quay này sẽ quét lên dây quấn, nhiều pha tự ngắn mạch nên trong dây quấnstator xuất hiện dòng I2 chạy qua Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từthông của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở Dòng điện trong dây quấn rotortác dụng với từ thông tổng khe khí tạo ra momen quay làm quay rotor

Hình 1.3: nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ.

1.1.4 Ảnh hưởng của tần số lưới điện f 1 cấp cho động cơ.

+Thay đổi bằng cách sử dụng bộ biến tần dùng cho cả động cơ dây quấn và lồngsóc

Xuất phát từ biểu thức:1 =

2π.f 1

P ta thay đổi tần số f1 làm cho tốc độ từ

trường quay thay đổi  tốc độ động cơ thay đổi theo

cơ không vượt quá giá trị cực đại cho phép

max bị hạn chế bởi độ bền cơ khí của động cơ

+Khi f1<f1đm tức là khi f1 giảm ta có :

Khi f1 giảm t giảm Sth tăngMth tăngXnm giảm thì Mth giữ ở không đổi

+Khi f1>f1đm thì Mth tỉ lệ nghịch với bình phương tần số.

Hình 1.4 : Đặc tính cơ của động cơ không động

bộ khi thay đổi tần số f1.

Khi tăng giảm tần số f1 cấp cho động cơ chủ yếu để điều chỉnh tốc độ động cơtrường hợp mở máy rất ít dùng hoặc có dùng thì dùng trong trường hợp khi nguồncấp cho động cơ giảm dẫn đến tổng trở của mạch giảm (vì tổng trở của mạch tỉ lệthuận theo tần số) Điện áp giữ không đổi thì dòng điện khởi động tăng rất nhanh,

do vậy khi giảm tần số cần giảm điện áp theo một quy luật nhất định để giữ chomomen theo chế độ với giá trị định mức

Qua đồ thị đặc tính cơ ta thấy rằng:

+Khi f1< f1đm với điều kiện

U1f trị hiệu dụng của điện áp pha stator

+Phương trình đặc tính của động cơ :

1.1.6 Ảnh hưởng các thông số đến đặc tính cơ

a) Ảnh hưởng cửa sự suy giảm điện áp lưới cấp cho động cơ

khi điện áp lưới suy giảm thì theo (1.5) và (1.6) mômen tới hạn Mth của động cơ sẽgiảm bình phương lần biên độ suy giảm của điện áp, còn Sth vẫn không đổi

Hình 1.7: Đặc tính cơ khi suy giảm điên áp cấp cho động cơ

b) Ảnh hưởng của điện trở điện kháng mạch stator

Khi nối thêm điện trở hoặc điện kháng vào mạch stator thì theo (1.1) và (1.2) cả Sth

và Mth đều giảm

Hình 1.8: đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở mạch stato

c) Ảnh hưởng của điện trở mạch rotor

đối với động cơ không đồng bộ người ta mắc thêm điện trở phụ vào mạch rotor đểhạn chế dòng khởi động thì Sth = val và Mth=const

Hình 1.9: Đăc tính cơ khi thay đổi điên trở roto

d) Ảnh hưởng của tần số

Xuất phát từ biểu thức trên ta thấy nếu tần số thay đổi sẽ làm thay đổi tốc độ của

từ trường quay và từ thay đổi tốc độ động cơ

Từ (1.1) và (1.2) ta thấy : Nếu Xnm = ω 1L cho nên khi thay đổi tần số

Sth , Mth =const

Hình 1.10: Đặc tính cơ khi thay đôi tần số

e) Ảnh hưởng của số đôi cực p

để thay đổi cực ở stator người ta thường thay đổi cách đấu dây vì

Vì vậy khi thay đổi số đôi cực p thì tốc độ từ trường quay ω 1 thay đổi dẫn đếntốc ω thay đổi theo

1.2 Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha

1.2.1) Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số f 1

Xuất phát từ biểu thức ω= ω0 (1-s) = 2Πff1 (1-s) /p, ta nhận thấy khi thay đổi tần

số f1 ta cũng có thể thay đổi được tốc độ động cơ không đồng bộ Do máy điệnđược thiết kế để làm việc với tần số nhất định nên việc thay đổi tần số làm ảnhhưởng đến chế độ công tác của máy

Vì U1=E1 = 4,444.f1.Ktp1.W1.Ф.10-8 = KФ.f1

Nếu điện áp U1 = Const thì khi f1 tăng thì từ thông Ф giảm do đó sẽ dẫn đến hiệntượng giảm mô men trong máy Để giữ cho mô men không đổi thì phải tăng dòngđiện Như vậy động cơ sẽ bị quá tải về điện Còn nếu ta giảm f1 thì từ thông Ф sẽtăng lên, điều này làm đốt nóng lõi thép và làm cho hiện tượng bão hòa từ tăng

Như vậy khi thay đổi tần số thì đồng thời ta phải thay đổi U1 cho phù hợpnhằm giữ cho Ф là không đổi

*Qui luật thay đổi tần số:

Khi điều chỉnh nếu ta giữ cho hệ số quá tải là hằng số thì chế độ làm việc củamáy điện sẽ luôn được duy trì ở mức tối ưu như làm việc với tải định mức

Như vậy khi điều chỉnh phải luôn thỏa mãn điều kiện :

(1.8)Thay thế Mc = f(ω) bằngphương trình đặc tính cơ dạng gần đúng của máy sản xuất và coi ω ≈ ω0 =

2 πf1

p ⇒M c (ω)=M c dm.(2 π )

x

p x f1x

- Kiểu máy tiện x=-1

- Kiểu máy nâng x=0

- Ma sát nhớt x=1

- Quạt gió x=2

1.2.2) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nạp

Khi thay đổi điện áp nạp cũng gây nên thay đổi đặc tính cơ

Ta có:Mmax ≈ C1.U1 2

Khi U1 giảm nhỏ hơn U1dm → Mth giảm còn Sth=const

Dựa vào đặc tính tới hạn Mgh(s) ta suy ra được đặc tính điều chỉnh ứng với giá trị

U cho trước nhờ quan hệ Mu= Mgh.U*2

 Nhược điểm của phương pháp:

-Khi U1 giảm trong khi đó Mc , Pdt vẫn không thay đổi dẫn tới I2 tăng vì vậy nó ítđược sử dụng trong thực tế.

Để thực hiện việc giảm điện áp đặt vào stato người ta có thể dùng biến áp

tự ngẫu, điện kháng hay điện trở phụ mắc vào mạch stato

1.2.3) Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi số đôi cực

Phương pháp này chỉ áp dụng cho động cơ không đồng bộ roto lồng sócKhi thay đổi số đôi cực, tốc độ từ trường quay thay đổi dẫn tới tốc độ của rotothay đổi theo

Thông thường những động cơ có từ 3 cấp tốc độ trở lên đều có 2 hoặc nhiều tổdây quấn stato Mỗi tổ lại có thể phân đoạn để thay đổi số đôi cực theo cách hỗnhợp

 Trên thực tế người ta giải quyết như sau:

-Đổi nối tam giác-sao kép: ∆ → YY

-Đổi nối sao -sao kép: Y → YY

M thY

M thYY=

1 2

M c cpYY

M c.cp Δ =

1 2

M c.cp =M c.cpYY

 Ưu khuyết điểm:

- Ưu điểm : phạm vi điều chỉnh rộng, không cồng kềnh

- Khuyết điểm : Độ điều chỉnh là nhảy bậc vì p là số nguyên

1.2.4) Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ mắc vào mạch roto:

Phương pháp này chỉ áp dụng cho động cơ dây quấn

-Khi thay đổi điện trở thì tốc độ không tải lý tưởng không đổi, momen tới hạnkhông đổi còn độ cứng của đặc tính cơ thay đổi

 Ưu nhược điểm:

-Ưu điểm: +có thể điều chỉnh tốc độ láng nếu R có nhiều nấc

-Nhược điểm : + chỉ điều chỉ theo chiều tốc độ giảm

+Tổn hao công suất lớn +Không điều chỉnh được khi động cơ không tải

1.3 CÔNG NGHỆ BIẾN TẦN

1.3.1 khái quát chung của biến tần.

Cấu trúc chung của bộ biến tần như hình sau:

Hình 1.11: Cấu trúc cơ bản của biến tần.

Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha

Bộ chỉnh lưu có nhiệm biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều

Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu

Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều

có tần số có thể thay đổi được Điện áp một chiều được biến thành điện áp xoaychiều nhờ việc điều khiển mở hoặc khóa các van công suất theo một quy luật nhấtđịnh

Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo một luật điều khiểnnào đó đưa đến các van công suất trong bộ nghịch lưu Ngoài ra nó còn có chứcnăng sau:

- Theo dõi sự cố lúc vận hành

- Xử lý thông tin từ người sử dụng

- Xác định thời gian tăng momen tốc độ

- Xử lý thông tin từ các mạch thu thập dữ liệu

- Kết nối với máy tính

- …

Mạch kích là bộ phận tạo tín hiệu phù hợp để điều khiển trực tiếp các vancông suất trong mạch nghịch lưu Mạch cách ly có nhiệm vụ cách ly giữa mạchcông suất với mạch điều khiển để bảo vệ mạch điều khiển

Màn hình hiển thị và điều khiển có nhiệm vụ hiển thị thông tin hệ thống nhưtần số, dòng điện, điện áp,… và để người sử dụng có thể đặt lại thông số cho hệthống

Các mạch thu thập tín hiệu như dòng điện, điện áp nhiệt độ,… biến đổichúng thành tín hiệu thích hợp để mạch điều khiển có thể xử lý được Ngài ra còn

có các mạch làm nhiệm vụ bảo vệ khác như bảo vệ chống quá áp hay thấp áp đầuvào…

Các mạch điều khiển, thu thập tín hiệu đều cần cấp nguồn, các nguồn nàythường là nguồn điện một chiều 5, 12, 15VDC yêu cầu điện áp cấp phải ổn định

Bộ nguồn có nhiệm vụ tạo ra nguồn điện thích hợp đó

- tốc, giảm tốc hay hãm

- Xác định đặc tính –1.2 Hệ truyền động biến tần – động cơ không đồng bộ

1.3.2 Khái niệm chung

a/ Khái niệm và công dụng :của bộ biến đổi tần số:hay còn gọi là các bộ biến tần làthiết bị biến đổi dòng xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều có tần sốkhác mà có thể thay đổi được

Đối với bộ biến tần dùng cho việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều thì ngoàiviệc thay đổi tần số chúng ta còn có thể thay đổi cả điện áp ra khác với điện áp lướicấp vào bộ biến tần

b/Phân loại

-Biến tần quay

 - tốc độ quay tính theo radian/giây;

p – số đôi cực máy điện

-Biến tần tĩnh

H1.2 Sơ đồ khối bộ biến tần trực tiếp

-Bộ biến tần trực tiếp là thiết bị biến đổi tần số vào sang tần số ra một cỏch trựctiếp mà khụng cần cú sự can thiệp của một khõu trung gian nào Bộ biến tần trựctiếp hay cũn gọi là bộ biến tần phụ thuộc thường gồm cỏc nhúm chỉnh lưu điềukhiển mắc song song cho xung lần lượt 2 nhúm chỉnh lưu trờn ta được dũng 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 van rất phức tạp chỉ sửdụng cho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp vì sự thay đổi f2

khó khăn và phụ thuộc vào f1

- Bộ biến tần gián tiếp

Bộ biến tần gián tiếp có sơ đồ cấu túc tổng thể như sau:

Thiết bị biến tần gián tiếp gồm có 3 khâu:

-Khâu chỉnh lưu: biến đổi nguốn xoay chiều sang nguốn một chiều

-Khâu trung gian: giữ cho điện áp ra của khâu chỉnh lưu là hằng, hay dòng ra củakhâu chỉnh lưu là hằng

-Khâu nghịch lưu: là một bộ phận rất quan trong bộ biến tần nó biến đổi dòng mộtchiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng xoay chiều có tần số f2

Từ sơ đồ cấu trúc ta thấy điện áp xoay chiều có các thông số (U1,f1) được chuyểnthành một chiều nhờ mạch chỉnh lưu, qua một bộ lọc rồi biến trở lại điện áp xoaychiều với điện áp U2 tần số f2 Việc biến đổi năng lượng 2 lần làm giảm hiệu suấtbiến tần song bù lại loại biến tần này cho phép thay đổi dễ dàng tần sồ f2 khôngphụ thuộc vào f1 trong dải rộng cả trên và dưới f1 vì tần số ra chỉ phụ thuộc vàomạch điều khiển Có 2 loại biến tần gián tiếp đó là sử dụng nghịch lưu áp và nghịchlưu dòng

+Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng

+Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp

c/Điều khiển theo luật U/f

+Thay đổi tần số để thay đổi tốc độ động cơ

+Tuy nhiên khi tần số f thay đổi thì điện áp cũng thay đổi theo tương ứng để tránhtăng mật độ từ thông gây ra tăng dòng từ hoá

1.3.3: Chỉnh lưu

a/Chỉnh lưu là sử dụng mạch điện bao gồm các linh kiện điện - điện tử, dùng đểbiến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều gọi là mạch chỉnh lưu.Mạch chỉnh lưu có thể được sử dụng trong các bộ nguồn cung cấp dòng điện mộtchiều, hoặc trong các mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến điện trong các thiết bị vôtuyến

b/Phân loại:

-Chỉnh lưu không điều khiển dùng điôt

-Chỉnh lưu bán điều khiển dùng điôt và thyristor

-Chỉnh lưu có điều khiển dùng thyristor

c/ Ứng dụng

• Cấp nguồn cho các thiết bị điện tử

• Cấp điện cho các thiết bị điện cơ sử dụng năng lượng DC: động cơ DC, cuộn coil

DC cho relay, contactor, nam châm điện DC…

• Truyền động thay đổi tốc độ động cơ DC bằng chỉnh lưu có điệu khiển

• Biến đổi năng lượng AC thành DC để giảm giá thành truyền tải điện

1.3.4: Nghịch lưu

a/Nghịch lưu điện một là bộ biến đổi chiều ra xoay chiều với điện áp và tần số đầu

ra có thể thay đổi cung cấp cho các tải xoay chiều:

Đầu ra tần số công nghiệp (nhỏ hơn 400 Hz) không đổi: UPS, các bộ đổi tần chocác thiết bị đặc biệt

Đầu ra tần số công nghiệp thay đổi: điều khiển tốc độ động cơ AC

Đầu ra trung tần hay cao tần: lò nhiệt cao tần, biến áp cao tần

Các sơ đồ nghịch lưu hoạt động rất khác nhau, có thể có cùng mạch động lựcnhưng điều khiển khác nhau cũng tạo thành các tính chất khác nhau

b/Phân loại

Nghịch lưu song song và nối tiếp

+ Sử dụng SCR đóng ngắt và có tụ điện để tắt SCR

+ Bao gồm nghịch lưu nối tiếp và nghịch lưu song song sơ đồ cầu và

sơ đồ biến áp có điểm giữa

Nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp

+ Nghịch lưu nguồn dòng (1 pha & ba pha)

+ Nghịch lưu nguồn áp (1 pha & ba pha)

c/ Ứng dụng của nghịch lưu

- Biến tần công nghiệp điều khiển tốc độ động cơ

- Các bộ nguồn tần số cao

- Bộ nguồn xung có sử dụng nghịch lưu

- Bộ nguồn xoay chiều không gián đoạn

1.3.5: Yêu cầu và các phương pháp điều khiển biến tần.

a/ yêu cầu:

- Đáp ứng điều kiện tải: Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khẩncấp hoặc đảo chiều động cơ Độ chính xác trong tốc độ, khả năng dừng chính xác,đảo chiều tốt làm tăng năng suất lao động cũng như chất lượng sản phẩm Trongnhiều ứng dụng, công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc vào tốc độ như quạt, máybơm Ở những tải loại này, momen cản tỷ lệ với bình phương tốc đô, công suất tỷ

lệ với lập phương của tốc độ Do đó việc điều chỉnh tốc độ, điều này phụ thuộc vàotải, có thể tiết kiệm điện năng Tính toán cho thấy việc giảm 20% tốc độ động cơ cóthể tiết kiệm được 50% công suất đầu vào

- Dễ điều khiển, vận hành

- Thỏa mãn tiêu chuẩn quốc tế

- Dễ dàng bảo dưỡng, sửa chữa đối với các máy biến tần

- Thiết kế máy biến tần nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí sản xuất

b/ Các phương pháp điều khiển

+) Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)

Nội dung của phương pháp điều chế độ rộng xung là tạo ra một tín hiệu sin chuẩn

có tần số bằng tần số ra và biên độ tỷ lệ với biên độ điện ra nghịch lưu Tín hiệunày sẽ được so sánh với một tín hiệu răng cưa có tần số lớn hơn rất nhiều tần số củatín hiệu sin chuẩn Giao điểm của hai tín hiệu này xác định thời điểm đóng mở vancông suất Điện áp ra có dạng xung với độ rộng thay đổi theo từng chu kỳ.Trongquá trình điều chế, người ta có thể tạo xung hai cực hoặc một cực, điều biến theo

độ rộng xung đơn cực và theo độ rộng xung lưỡng cực

Hình 1.9 Dạng sóng đầu ra theo phương pháp điều chế độ rộng xung(v01 là thành phần sin cơ bản, vi là điện một chiều vào bộ nghịch lưu,

vo là điện áp ra )Trong quá trình điều chế, người ta có thể tạo xung hai cực hoặc một cực,điều biến theo độ rộng xung đơn cực và điều biến theo độ rộng xung lưỡng cực

Có hai phương pháp điều chế cơ bản là:

- Điều chế theo phương pháp sin PWM (SPWM)

- Điều chế vectơ không gian (SVM)

+) Phương pháp điều khiển U/f = const

Sđđ của cuộn dây stato E1 tỷ lệ với từ thông Φ1 và tần số f1 theo biều thức:

(1.11)

Từ công thức trên nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở stato Z1, ta có E1 ≈ U1 Dođó:

Như vậy để giữ từ thông không đổi ta cần giữ tỷ số U1/f1

không đổi Trong phương pháp U/f = const thì tỷ số U1/f1 được giữ không đổi vàbằng tỷ số này ở định mức Cần lưu ý khi momen tải tăng, dòng động cơ tăng làmtăng sụt áp trên điện trở stato dẫn đến E1 giảm, nghĩa là từ thông động cơ giảm Do

dó động cơ không hoàn toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi

Ta có công thức tính momen cơ của động cơ như sau

Với f1 – là tần số làm việccủa động cơ, f1đm – là tần số định mức Theo luật U/f = const :

f1 = af1đm

Phân tích tương tự, ta cũng thu được ω0 = aω0đm; X1 = aX1đm; X’2 = aX’2đm Thay cácgiá trị trên vào (1.12) và (1.13) ta thu được công thức tính momen và momen tới hạncủa động cơ ở tần số khác định mức:

Tuy nhiên khi hoạt động ở tần số thấp thì giá trị điện trở R1/a sẽ tương đối lớn

so với giá trị của (X1 + X’1) dẫn đến sụt áp nhiều trên điện trở stato khi momen tảilớn Điều này làm cho E bị giảm, dẫn đến suy giảm từ thông momen cực đại

Để bù lại sự suy giảm từ thông ở tần số thấp, ta sẽ cung cấp thêm cho động cơ

điện một điện áp Uo để từ thông của động cơ định mức khi f = 0 Từ đó ta có quan

hệ sau: U1 = U0 + Kf1

Với K là một hằng số được chọn sao cho giá trị U1 cấp cho động cơ U=Uđm

tại f = fđm Khi a > 1 (f > fđm ), điện áp được giữ không đổi và bằng định mức Khi

đó động cơ hoạt động ở chế độ suy giảm từ thông Sau đây là đồ thị biểu thị mốiquan hệ giữa momen và điện áp theo tần số trong phương pháp điều khiểnU/f=const:

Hình 1.10: Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số theo luật

điều khiển U/f=const

Từ hình 1.10 ta có nhận xét sau:

- Vùng làm việc ổn định của động cơ tăng lên Thay vì chỉ làm việc ở tốc độđịnh mức, động cơ có thể làm việc từ 5% của tốc độ đồng bộ đến tốc độ định mức.Momen tạo ra bởi động cơ có thể duy trì trong vùng làm việc này

CHƯƠNG II :TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT CHO BỘ BIẾN TẦN BA PHA

2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN MẠCH CÔNG SUẤT

2.1.1 Bộ biến tần trực tiếp ba pha

1 Biến tần trực tiếp có thể trao đổi năng lượng với lưới điện một cách liên tục.Nhất là đối với các động cơ công suất lớn và cực lớn từ hàng trăm Kw đến vài Mw

2 Ngoài ra tổn hao công suất ở biến tần trực tiếp cũng ít hơn vì phụ tải chỉ nối vớinguồn qua một phần tử đóng cắt, không phải qua hai phần tử và qua khâu trunggian như ở biến tần gián tiếp

3 Sơ đồ van và qui luật điều khiển ở biến tần trực tiếp sẽ phức tạp hơn biến tầngián tiếp Với kỹ thuật điện tử và kỹ thuật vi xử lý phát triển hiện nay thì vấn đềnày hoàn toàn thực hiện được

2.1.2.Biến tần gián tiếp

1/Một số sơ đồ biến tần gián tiếp:

Ñ C

abcV1~

T5 T3

2 Hệ thống tụ chuyển mạch được cách ly với tải qua hệ thống diode cách ly

3 Dòng ra nghịch lưu có dạng hình chữ nhật, điện áp ra có dạng tương đối Sin nếuphụ tải là động cơ

H.b.3 Biến tần

dòng ba pha dùng thyristor

dòng ba pha dùng transistor

Ưu điểm: của biến tần loại này khi dùng với động cơ không đồng bộ có khả năngtrả năng lượng về lưới Với công suất nhỏ thì sơ đồ này không phù hợp vì hiệu suấtkém và cồng kềnh nhưng với công suất trên 100 Kw thì đây là một phương án hiệuquả.

Nhược điểm của sơ đồ này là hệ thống công suất thấp và phụ thuộc vào phụ tảinhất là khi có tải nhỏ

Biến tần nguồn áp

–Biến tần nguồn áp với nguồn có điều khiển

 Biến tần nguồn áp dùng nghịch lưu nguồn áp với đầu vào một chiều điều khiểnđược Điện áp một chiều cung cấp ( dùng chỉnh lưu có điều khiển hoặc chỉnh lưukhông điều khiển) sau đó điều chỉnh nhờ bộ biến đổi xung áp một chiều

 Biến tần nguồn áp có dạng điện áp ra xung chữ nhật, biên độ được điều chỉnh nhờthay đổi điện áp một chiều

 Hình dạng và giá trị điện áp ra không phụ thuộc phụ tải, dòng điện tải xác định

 Điện áp ra có độ méo phi tuyến lớn, có thể không phù hợp với một số loại phụtải

 Hệ số công suất của sơ đồ không đổi, không phụ thuộc vào tải Tuy nhiên phảiqua nhiều khâu biến đổi và hiệu suất kém, do đó chỉ phụ thuộc cho tải nhỏ, dưới30KW

 Ngày nay biến tần nguồn áp được chế tạo chủ yếu với điện áp biến điệu bề rộngxung

– Biến tần nguồn áp biến điệu bề rộng xung

 Dùng chỉnh lưu không điều khiển ở đầu vào Điện áp và tần số ở đầu ra sẽ hoàntoàn do phần nghịch lưu xác định

Nghịch lưu thường sử dụng các van điểu khiển hoàn toàn như GTO, IGBT,Transistor công suất