thiết kế bộ biến tần xung vuông điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng bjt theo luật u f

Ngày nay do sự phát triển của công nghệ điện tử các bộ biến tần tĩnh được chế tạo từ các van bán dẫn công suất đã đảm nhiệm được nguồn cung cấp năng lượng điện có tần số thay đổi,do đó p

Lời mở đầu

Trong công nghiệp,động cơ điện không đồng bộ ba pha là loại động cơ chiếm tỉ lệ rất lớn so với các loại động cơ khác.Bên cạnh kết cấu đơn giản,hiệu suất cao,giá thành hạ người ta còn quan tâm đến vấn đề điều chỉnh tốc độ động cơ.Trong thực tế sản xuất và tiêu dùng,các khâu cơ khí sản xuất cần tốc độ thay đổi.Song khi chế tạo,mỗi động cơ điện lại được sản xuất với một tốc độ định mức,vì vậy vấn đề điều chỉnh tốc độ các động cơ điện là rất cần thiết Bài tập lớn này là thiết kế bộ biến tần xung vuông điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha

sử dụng BJT theo luật U/F

Chương 1: Tổng quan về công nghệ 1.1 Tổng quan về công nghê.

Hiện nay có nhiều phương pháp điều khiển tốc độ động cơ như thay đổi điện trở phụ mạch rô to,thay đổi số đôi cực…Một phương pháp khác để điều khiển động cơ là thay đổi tần số theo luật U/F hay sử dụng biến tần để điều khiển Ngày nay do sự phát triển của công nghệ điện tử các bộ biến tần tĩnh được chế tạo từ các van bán dẫn công suất đã đảm nhiệm được nguồn cung cấp năng lượng điện có tần số thay đổi,do đó phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số đang được áp dụng rộng rãi và cạnh tranh với các hệ thống truyền động điện một chiều Trong bài tập lớn này,ta thiết kế bộ biến tần xung vuông điều khiển động cơ dị bộ 3 pha rô to lồng sóc theo luật U/F Biến tần là thiết bị biến đổi dòng xoay chiều với tần số của lưới điện thành dòng xoay chiều

có tần số khác với tần số của lưới.Ưu điểm của biến tần là có thể điều chỉnh tốc

độ động cơ theo mong muốn,tiết kiệm điện, khống chế dòng khởi động của động cơ,giúp cho quá trình khởi động êm,giảm chi phí lắp đăt.Động cơ không đồng

bộ rô to lồng sóc có mạch điện được làm bằng nhôm hoặc đồng thau.Nếu làm bằng nhôm thì được đúc trực tiếp vào rãnh rô to.Nếu làm bằng đồng thì được làm thành các thanh dẫn và đặt vào trong rãnh.Hai đầu được gắn với nhau bằng

2 vòng ngắn mạch

Nếu bỏ qua tổn hao điện áp ở mạch stato ta có:

1

U1=E1=4.44f1W1kcd1∅ hay U1=kff1∅. (1)

Từ (1) ta thấy rằng nếu thay đổi f1 mà giữ nguyên U1 = const thì từ thông

sẽ thay đổi.Việc này sẽ làm thay đổi hệ số cosφ1, hiệu suất và tổn hao lõi thép.Do vậy yêu cầu là phải giữ nguyên từ thông không đổi

Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ phải đảm bảo khả năng quá tải của động

cơ không đổi trong phạm vi điều chỉnh,do đó phải giữ cho Mmax = const.Muốn vậy phải giữ từ thông không đổi.Với điều kiện năng lực quá tải không đổi có thể tìm ra mối quan hệ giữa điện áp U1,tần số F1 và mô men M

Mmax được biểu diễn:

Mmax = C[U 1 F 1]2 với C là hệ số

Gọi U’1,M’1 là điện áp và mô men lúc tần số F’1, ta có

M’max/M’ = Mmax /M hay M’/M = M’max / Mmax =(U ’1 F 1)2)¿ ¿ ¿)

Do vậy ta có

U1'

U1 =

f1'

f1 √M '

M

Thực tê yêu cầu mô men không đổi nên

U1'

U1 =

f1'

f1

Hay U1/F = const

Ưu điểm của phương pháp điều chỉnh tần số là phạm vi điều chỉnh rộng,độ điều chỉnh láng,tổn hao điều chỉnh nhỏ

1.2 Yêu cầu công nghệ.

Công nghệ này sử dụng biến tần xung xuông.Tham số động cơ xoay chiều

3 pha là U pha =220 VAC, P=10 kw, f=0-100 Hz, cosφ=0.82, điều khiển theo luật U/F.Cần có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị mong muốn.Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở không đổi trong vùng điều chỉnh mô men không đổi.Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số.Thiết bị càng nhỏ gọn càng tốt,mỹ quan,sản phẩm kinh tế

1.3 Phạm vi ứng dụng.

Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp sử dụng hệ truyền động điện có điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc.Biến tần công suất nhỏ có thể dùng để điều khiển những máy công tác như:cưa gỗ,khuấy trộn,nâng hạ…Đối với các ứng dụng trong ngành dệt,nhuộm, nhựa…việc sử dụng biến tần sẽ làm tăng năng xuất lên so với khi sử dụng nguồn trực tiếp.Đối với các ứng dụng cần đồng bộ tốc độ như ngành giấy ,dệt,bao bì… việc sử dụng biến tần là tất yếu nhằm đáp ứng các yêu cầu về công nghệ

3

Chương 2:Tính chọn mạch công suất 2.1 Giới thiệu các mạch công suất đã biết

Trong các bộ biến đổi điện tử công suất,các phần tử bán dẫn được sử dụng như những khóa bán dẫn hay các van bán dẫn.Khác với các phần tử có tiếp điểm,các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện mà không tạo ra tia lửa điện,không bị mài mòn theo thời gian,các tín hiệu điều khiển của các van bán dẫn công suất rất nhỏ và phụ thuộc vào quy luật điều khiển của các van bán dẫn.Vì vậy có tổn hao rất nhỏ và đạt hiệu suất cao

Biến tần được chia làm 2 loại: Biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp

-Bộ biến tần trực tiếp: Biến đổi tần số đầu vào f1 thành tần số đầu ra f2 bằng cách đóng cắt dòng xoay chiều tần số f1.Mạch van khá phức tạp và số lượng van lớn.Việc thay đổi tần số f2 khó khăn và phụ thuộc vào f1.Thông thường bộ biến tần trực tiếp chỉ tạo ra tần số f2 < f1

-Bộ biến tần gián tiếp:Trong bộ biến tần này điện áp xoay chiều đầu vào biến thành một chiều tần số f1 nhờ bộ chỉnh lưu, sau đó điện áp một chiều biến thành điện áp xoay chiều có tần số f2 nhờ mạch nghịch lưu áp độc lập

Ngày nay biến tần gián tiếp được dùng phổ biến vì có thể điều chỉnh tần

số và điện áp ra trong phạm vi khá rộng mặc dù hiệu suất thấp.Việc thay đổi tần

số f2 không phụ thuộc vào f1trong một dãy rộng cả trên và dưới f1

Với công nghệ này ta sử dụng biến tần gián tiếp để điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha rô to lồng sóc

Sơ đồ khối bộ biến tần gián tiếp

*,Mạch chỉnh lưu sử dụng van bán dẫn Tiristo điều khiển hoàn toàn.Sau đây là một số mạch chỉnh lưu em đã biêt.Những mạch chỉnh lưu này em xin trình bày khái quát về sơ đồ nguyên lí,công thức tính toán.Mạch chỉnh lưu cụ thể được sử dụng trong công nghệ này sẽ được xét chi tiết hơn ở phần sau

Mạch chỉnh lưu

(U2,F2)

t 1

U d

I d

t

t

U

T

U

1

T 1

B T 2

C T 3 A

R L

t

1

t 2

t

3 t4

t t t t t

U

dI

d

UT

1

I

1

I

2

I

3

0

U

d

I

dI d

UT 1

I 1 I 2 I 3

t t

t

t

t 1

t 2

t 3

t 4

U d

I d

-Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ

Đối với sơ đồ chỉnh lưu nửa chu kỳ trên sóng điện áp ra một chiều sẽ bị gián đoạn trong một nửa chu kỳ khi điện áp anod của van bán dẫn âm.Do vậy khi sử dụng mạch chỉnh lưu nửa chu kì ,trị số điện áp không tốt

Trị số điện áp tải trung bình lớn nhất

Ud = 0.45 U2

Công suất máy biến áp tổng thể

S=3.09Ud.Id

Đây là mạch chỉnh lưu cơ bản ,sơ đồ nguyên lí rất đơn giản.Tuy nhiên chất lượng kĩ thuật rất xấu.Do đó nó không được dùng nhiều trong thực tê

-Mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha

5

T 4

T 1 U

T 3 L

T 2 R

A

B F

E

Hình a Hình b

Chỉnh lưu hình tia 3 pha có cấu tạo từ một biến áp 3 pha với thứ cấp đấu sao có trung tính, ba van dẫn nối cùng cực tính để nối với tải,ba đầu còn lại của van bán dẫn nối tới các pha biến áp.Tại mỗi thời điểm chỉ có điện áp một pha dương hơn 2 pha còn lại.Các tiristo chỉ được mở với góc nhỏ nhất tại thời điểm giao nhau của các điện áp pha.Hình a,hình b cho thấy tại mỗi thời điểm chỉ có một tiristo dẫn,mỗi tiristo dẫn trong 1/3 chu kì.Dòng tải liên tục (Hình a).Đối với tải thuần trở thì việc tải liên tục hay không phụ thuộc vào góc điều khiển α

Dòng tải liên tục khi α < 30 0 với qui luật điều chỉnh

Ud=1.17U2.cos α

Dòng tải gián đoạn khi α > 300 với qui luật điều chỉnh

Ud=1.17U2/√3.(1+cos ¿ ¿))

So với mạch chỉnh lưu một pha ,mạch chỉnh lưu 3 pha có chất lượng tốt hơn,biên độ điện áp đập mạch thấp hơn,thành phần sóng hài bậc cao bé hơn

-Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển đối xứng

Trong nửa chu kì điện áp Uab > 0.Nếu có xung điều khiển đồng thời cho

cả 2 van T1 và T2 thì các van này sẽ dẫn đặt điện áp lưới lên tải.Tương tự T3 và T4 cho nửa chu kì sau

Ud=0.9U2

Đây là mạch chỉnh lưu được sử dụng rộng rãi trong thực tê, nhất là điện

áp từ 10V trở lên.Ưu điểm của nó so với mạch chỉnh lưu hình tia là không nhất

T 2

T 4 T 6

T 1 T 3 T 5

A B C

Ud

Uf A B C A

t

t

X 1

t 1

t 2

t 3

t 4

t 5

t 6

t 7

U

d

U

f

I

5

0

I

4

I

3

I

1

UT

1

I

2

I

6

X 5 X 2

X 3

X 6

X

4

X2-3

X4-5

X6-1

X4-5 X5-2

X3-6

X 4

X1-4

t

t t t t t t t

t Ud

A

t

t

thiết phải có biến áp nguồn.Khi điện áp ra tải phù hợp với cấp điện áp nguồn xoay chiều ta có thể mắc trực tiếp mạch chỉnh lưu vào lưới điện.Tuy nhiên trong công nghệ em không thể sử dụng mạch chỉnh lưu này vì đây là biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha rô to lồng sóc

-Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng

Đây là mạch chỉnh lưu mà công nghệ này cần dùng đến

7

Dòng điện chạy qua van là dòng chạy từ pha này về pha kia.Do đó tại mỗi thời điểm cần mở tiristo đòi hỏi cần cấp 2 xung điều khiển đồng thời.Dòng điện sẽ chạy từ pha có điện áp dương về pha có điện áp âm

Đây là mạch chỉnh lưu được dùng nhiều nhất trong thực tế.Nó có ưu điểm

là đấu thẳng vào lưới điện bap pha,độ đập mạch rất nhỏ,công suất máy biến áp xấp xỉ công suất tải.Mặc dù sụt áp trên van gấp đôi sơ đồ hình tia nhưng có nhiều ưu điểm vượt trội nên nó được ứng dụng rộng rãi với dải công suất rộng *,Bộ lọc

Các bộ lọc một chiều dùng để san bằng.Hệ số san bằng K để đánh giá hiệu quả

bộ lọc

K = Kdmv / Kdmr

Kdmv là hệ số đập mạch đầu vào

Kdmr là hệ số đập mạch đầu ra

Các bộ lọc thông dụng hiện nay

-Lọc điện cảm L

Bộ lọc này chỉ dủng đơn giản một điện cảm mắc nối tiếp với tải.Điện kháng của điện cảm L càng lớn so với điện trở tải Rd thì lọc càng tốt.Mạch công suất lớn thường có trị số Rd rất nhỏ nên mạch lọc này rất phổ biến trong mạch công suất -Lọc điện dung C

Bộ lọc này có một tụ điện C đấu song song với tải.Điện kháng của tụ điện C càng nhỏ so với tải thì lọc càng tốt.Do đó trong mạch công suất lớn thì điều này khó thực hiện.Bộ lọc này thích hợp với mạch công suất trung bình và nhỏ.Bộ lọc

tụ điện thích hợp cho các bộ chỉnh lưu cấp nguồn cho mạch điều khiển.Đây là

bộ lọc được sử dụng trong công nghệ

-Lọc LC

Bộ lọc này được dùng khá phổ biến trong các mạch lọc.Hệ số L và C có quan hệ theo biểu thức

L.C = 10(K+1)(m¿¿dm)2¿

*,Mạch nghịch lưu

Mạch nghịch lưu có thể sử dụng các van bán dẫn MOSFET,SCR,BJT

Mạch dùng MOSFET cho phép chuyển mạch nhanh nhất.Điều khiển đóng

mở MOSFET là điều khiển bằng điện áp đóng mở lên 2 cực, cực cổng G và cực nguồn S.Do sử dụng hiệu ứng trường nên MOSFET cho phép tần số chuyển mạch khá lớn,có thể lên đến 100kHz,có tổn hao nhỏ nhất trong tất cả các van bán dẫn,việc làm mát tương đối đơn giản.Tuy nhiên công suất làm việc của MOSFET không cao,khả năng làm việc ở điện áp cao không bằng BJT.Mạch dùng SCR có quá trình chuyển mạch nhanh gọn nhưng cần phải có xung điều khiển kích vào cực cổng,rất phức tạp.Mạch dùng BJT có công suất khá lớn,có thể chịu điện áp hàng chục kV và dòng điện lên tới vài nghìn A.Tần số cho phép chuyển mạch khá lớn khoảng 10 kHz,van chuyển mạch nhanh.Tổn hao trong BJT khá lớn nên các mạch công suất thường có công suất nhỏ.Tuy nhiên trong công nghệ này lại sử dụng BJT.Do đó mạch nghịch lưu dùng BJT sẽ được xét trong các mục sau đây

2.2 Chọn mạch công suất phù hợp và tính toán.

Động cơ điện có công suất P=10 kw,tần số 0-100 Hz, cosφ=0.82,điện áp pha 220V

9

Từ các thông số trên đây em chọn mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển dùng tiristo.Sử dụng bộ lọc LC.Mạch nghịch lưu sử dụng BJT

*Mạch nghịch lưu

Mạch nghịch lưu này sử dụng tranzito BJT nhưng vẫn cần sử dụng các điôt tái sinh

Sơ đồ mạch nghịch lưu áp 3 pha

Động cơ

Tải là động cơ không đồng bộ 3 pha rô to lồng sóc

Hoạt động mạch nghịch lưu trên

Thứ tự mở các van là van 1,2,3/ 2,3,4/ 3,4,5/ 4,5,6/ 5,6,1/ 6,1,2.Thời điểm

mở các van cách nhau 60 0 Khoảng dẫn mỗi van là 180 0.Tại bất kì thời điểm nào cũng có 3 van dẫn

Dạng điện áp trên tải được xây dựng như sau:

-Trong khoảng 0-t1:Tr1,Tr6,Tr5 dẫn.Uza = E/3

-Trong khoảng t1-t2: Tr1,Tr2,Tr6 dẫn,Uza=2E/3

-Trong khoảng t2-t3: Tr1,Tr2,Tr3 dẫn,Uza= E/3

Giá trị hiệu dụng của điện áp pha.

Up = √2/3 E

E đóng vai trò là Ud của bộ chỉnh lưu

Up=Udm= 220V

Tần số định mức Fdm = 50Hz

Do vậy tỉ số U/F = 220/50 =4.4

Tần số dao động từ 0 – 100Hz Vì vậy Fmax = 100Hz

Theo luật U/F = cont nên giá trị hiệu dụng lớn nhất Upmax = 440V

Động cơ đấu hình sao.Do vậy điện áp dây lớn nhất

Udmax = √3.Upmax = 762V

Chọn hệ số an toàn về điện áp là Ku = 1.2

Điện áp lớn nhất mà van có thể chịu được là 914,4V

Công suất động cơ P = 10kw

Cosφ = 0.82

11

Dòng điện định mức động cơ.

Idm = 10000/(3×220×0.82) = 18.48A

Dòng điện lớn nhất của động cơ là dòng điện khởi động.Đối với động cơ lồng sóc ,nhờ có các biện pháp khởi động làm giảm giá trị dòng điện khởi động của máy và điều tốt nhất là giá trị khởi động Ikd = 2 – 2.5 Idm nên ở đây ta chọn dòng khởi động gấp 2.5 lần dòng định mức

Dòng điện lớn nhất mà van chịu được là 18.48×2.5=46.2A

Ta chọn 6 transistor ESM 3007 có Vce =1000V;Vceo = 700V;Ic=50A -Tính chọn linh kiện bảo vệ Diot của mạch nghịch lưu

Điện áp pha ứng với tần số lớn nhất là 100Hz là 440V

Điện áp ngược lớn nhất mà van chịu được khi làm việc là

Ungmax = 440×2.45 =1078V

Trị số trung bình dòng điện lớn nhất ra tải là 46.2.Dòng điện trung bình qua van là : Itbv =15.4A

Ta chọn 6 diot bảo vệ B25 cho các khóa điện tử transistor.Các thông số của B25 : Itb = 25A.Udm= 1200V

*Mạch lọc C

Tổng trở tải định mức Z = Udm/Idm =11.9

Cosφ=0.82 nên sinφ = 0.57

R=Z.0.82=9.76;Xt=Z.0.57=6.78

Tụ điện lớn nhất được tính theo công thức gần đúng

Cmax = 1.3(Xt/R2)=0.092528 =92528μF

*,Mạch chỉnh lưu

Điện áp trung bình chỉnh lưu lớn nhất ứng với tần số f = 100Hz ứng với

Up = √2/3 E

E =933.4V

E/2.34≅400V.Giả sử bộ chỉnh lưu lấy từ điện áp lưới với Udm =220V.Vì vậy trong mạch chỉnh lưu này ta cần sử dụng máy biến áp.Điện áp thứ cấp của biến áp pha nguồn U2 =400V

Tỉ số máy biến áp m =U2/U1 =1.82

Điện áp ngược lớn nhất mà mỗi tiristo phải chịu

Ung =2.45U2 =980V

Giá trị trung bình dòng điện chảy qua tiristo

Iv=18.48/2=9.24A

Ta chọn hệ số an toàn về điện áp là Ku=1.6,dòng điện là Ki = 1.2

Vậy thực tế ta chọn loại tiristo có điện áp ngược cực đại,dòng điện ngược cực đại:

Ungm=1568V,Ingm =11A

Ta chọn 6 Tiristo loai T86N có Itb =86A.Ungm=1600V

Sinh viên : Bùi Quang Huy

Lớp :DTD51-DH2

13