thiết kế biến tần điều khiển động cơ 3 pha có u=380vac, i=50a

Để có thể nắm vững lí thuyết để áp dụng vào thực tế, học kì này em được các thầy giao cho đồ án môn học với đề tài : “Thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều ba pha sử dụng th

Lời nói đầu

Trong thời đại công nghiệp hóa,hiện đại hóa đất nước,ngành công nghiệp

có một vai trò hết sức quan trọng nhằm thúc đẩy sự phát triển nền kinh tế Tựđộng hóa ngày càng có vai trò quan trọng, bởi hiệu quả làm việc, tính an toàn vàtiện dụng của nó Các dây truyền sản xuất hiện đại mang lại hiệu quả cao đượcứng dụng ngày càng rộng rãi Sự ra đời của động cơ điện vào cuối thế kỷ XIX đãtạo nền 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 thểthiếu trong công nghiệp và trong đời sống sinh hoạt So với tất cả các động cơđiện dùng trong công nghiệp động cơ không đồng bộ được dùng nhiều hơn cả,với kiểu dáng gọn nhẹ, có thể chế tạo với nhiều công suất khác nhau, sử dụngđơn giản, giá thành rẻ đã dần thay thế các loại máy điện một chiều Để đáp ứngđược nhu cầu sản xuất công nghiệp, người ta nghĩ ra các thiết bị điện nhằm phục

vụ cho hoạt động của động cơ ở những chế độ làm việc khác nhau Bộ biến tần

ra đời giúp thay đổi tần số của mạng điện cấp cho động cơ Nhờ đó mà động cơ

có thể làm việc dễ dàng làm việc mà không phải thay đổi tần số làm việc của nó

Đối với sinh viên tự động hóa, môn học điện tử công suất là một môn hếtsức quan trọng Để có thể nắm vững lí thuyết để áp dụng vào thực tế, học kì này

em được các thầy giao cho đồ án môn học với đề tài :

“Thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều ba pha sử dụng thyristor”

Em xin chân thành cảm ơn thầy Đoàn Văn Tuân ,cùng các thầy cô giáokhoa Điện - Điện tử tàu biển, những người đã tận tình giúp đỡ em trong suốtthời gian vừa qua để em có thể hoàn thành bài thiết kế này

Trong quá trình thiết kế còn tồn tại những sai sót ,mong các thầy cô giáogóp ý để bài thiết kế của em hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên Nguyễn Thị Mai

Chương 1:

Tổng quan về công nghệ biến tần

1.1 Cấu trúc chung của biến tần:

Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần như hình sau:

Hình 1.1 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 xoaychiều có tần số có thể thay đổi được Điện áp một chiều được biến thành điện ápxoay chiều nhờ việc điều khiển mở hoặc khóa các van công suất theo một quyluật nhất định

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

- Theo dõi sự cố lúc vận hành

- Xử lý thông tin từ người sử dụng

- Xác định thời gian tăng tốc, giảm tốc hay hãm

- Xác định đặc tính – 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 thốngnhư tần số, dòng điện, điện áp,… và để người sử dụng có thể đặt lại thông sốcho hệ thống

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

áp đầu vào…

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

1.2 Hệ truyền động biến tần – động cơ không đồng bộ

1.2.1 Giới thiệu chung

Trong nhiều năm của thế kỷ XX, khoảng 80% các hệ thống truyền độngđiện không yêu cầu điều chỉnh tốc độ đều dùng động cơ xoay chiều, còn khoảng20% truyền động điện có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ dùng động cơ mộtchiều Phương án điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều mặc dù đã được phátminh và đưa vào ứng dụng khá sớm, nhưng chất lượng của nó lại khó bề sánhkịp với hệ thống truyền động điện một chiều Mãi tận tới thập kỷ 70 của thế kỷ

XX, các nước công nghiệp tiên tiến mới tập trung vào việc nghiên cứu hệ thốngđiều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều hiệu suất cao, hy vọng coi đó là conđường tiết kiệm nguồn năng lượng Qua hơn 10 năm cố gắng nỗ lực, đến thập kỷ

80 hướng nghiên cứu ấy đã đạt được thành tựu lớn và đã được coi là bước độtphá thần kỳ trong truyền động điện xoay chiều Từ đó tỷ lệ ứng dụng hệ thống

điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều ngày một tăng lên Trong các ngànhcông nghiệp đã có trào lưu thay thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ mộtchiều bằng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều.

Trong các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều thì phươngpháp điều tốc biến tần được ứng dụng rộng rãi nhất vì nó cho phép điều chỉnhtrơn với phạm vi rộng, có khả năng xây dựng được các hệ thống điều chỉnh tốc

độ động cơ xoay chiều có chất lượng cao, có thể thay thế hệ thống điều chỉnhtốc độ động cơ một chiều và do đó có tiền đồ phát triển hơn cả Hệ thống điềutốc biến tần động cơ không đồng bộ có phạm vi ứng dụng rộng cả về lĩnh vực vàcông suất, từ công suất cực nhỏ đến công suất rất lớn (hàng MW) Trong hệthống điều tốc biến tần cho động cơ xoay chiều không đồng bộ thì bộ biến tần làkhâu quan trọng quyết định đến chất lượng của hệ thống truyền động

+/ Ta tìm hiểu sơ lược về động cơ không đồng bộ :

a) Khái quát chung

- Động cơ không đồng bộ ba pha là máy điện xoay chiều,làm việc theonguyên lý cảm ứng điện từ Có tốc độ của roto khác với tốc độ của từ trườngquay trong máy

- Động cơ không đồng bộ ba pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinhhoạt 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 hầuhết là 3 pha,còn nhỏ hơn 1hp thường là 1 pha (1hp= 0,736 kW )

b) Cấu tạo

Động cơ không đồng bộ ba pha gồm các phần chính sau: Phần tĩnh vàphần quay

Gồm có vỏ,lõi thép,dây quấn.

+ Vỏ máy : Làm nhiệm vụ bảo vệ mạch từ và giữ chặt lõi thép stato, vỏ códạng trụ rỗng, có chân để cố định máy trên bệ và có hai nắp máy ở hai đầu để đỡtrục máy và bảo vệ phần đầu dây quấn.Các máy có công suất bé thì thường là vỏbằng nhôm,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 thuậtđiện với nhau (nhằm chống dòng điện xoáy) theo một hình trụ rỗng Mặt trongcủa các lá thép được dập thành các rãnh để đặt cuộn dây stator

+ Dây quấn stator : Được quấn thành từng các mô bin, mà các cạnh củamôbin đó được đặt vào lõi thép stator Các mô bin được cách điện nhau và cáchđiện với lõi thép

- Phần quay (roto) :

Gồm có lõi thép, trục máy và dây quấn.

+ Lõi thép roto cũng được dập từ các lá thép kĩ thuật điện có dạng hìnhtròn và mặt ngoài của các lá thép đó được dập thành các rãnh để đặt cuộn dây,còn ở giữa được dập lỗ tròn để lồng trục máy Các lá thép nói trên được ghép lạivới nhau thành một trụ tròn mà ở giữa là lồng trục máy, mặt ngoài của trụ là cárãnh để đặt dây quấn roto Thường các lá thép roto được tận dụng phần bêntrong các lá thép của stato

+ Trục máy làm bằng thép tốt và được lồng cứng với lõi thép roto Trụcđược đỡ bởi hai ổ bi trên hai nắp máy.

+ Dây quấn roto có hai loại : loại roto lồng sóc và roto dây quấn

Loại rotor kiểu lồng sóc: Dây quấn rotor là các thanh dẫn bằng đồng thauhoặc nhôm được đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bằng hai vành ngắn mạch ở haiđầu.Với động cơ nhỏ dây quấn roto được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vànhngắn mạch, cánh tản hiệt và cánh quạt làm mát Các động cơ trên 100kW thanhdẫn làm bằng đồng và được đặt vào các rãnh roto và được gắn chặt vào vànhngắn mạch

ìHình 1.3 Dây quấn roto

c) Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa

là ba pha của động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điệnkháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổnthất trong lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một phacủa động cơ như hình vẽ 1-4

Hình 1-4 Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ

Trong đó U1 : trị số hiệu dụng của điện áp ba pha stato

Rth , R1 , R2’ là điện trở tác dụng từ hoá , điện trở stato và điệntrở rôto đã quy đổi về phía stato

Xth, X1 , X2’, là điện kháng mạch từ hoá điện kháng tản stato vàđiện kháng roto đã quy đổi về phía stato

Ith ,I1 , I2’ là các dòng điện từ hoá , dòng điện stato, dòng điệnrôto đã quy đổi về stato

Với hệ số quy đổi như sau :

X’ 2 = Ku 2.X2 ; I’ 2 = Ki I2 ; R2 ’ = Ku2 R2

Trong đó :

Kdq1, Kdq2 : hệ số dây quấn stato và rotoU1 điện áp định mức đặt vào dây quấn stato

Ew : sức điện động định mức của roto

2 ' 2 1

1

X X R

S = 1 ⇒ I2’ = (R R U) X nm

2 2 2 1

1

+ + = dòng điện max (I2’ max ) , ω = 0với : Xnm= X1+X2’ : điện kháng ngắn mạch

Dòng khởi động phía rôto của động cơ

Hình 1-5 Đặc tính dòng điện rôto Thông thường ta có I2’ max = (4 ÷ 7)Iđm Vì thế khi khởi động động

cơ cần chú ý giảm dòng mở máy phía rôto bằng cách mắc thêm điện trở phụphía rôto

Ta có dòng điện phía stato là :

Khi S = 0 → I1 = Ith (dòng phía stato bằng dòng từ hoá )

S = 1 → I1 =

2 1

1 1

U X R

R X

R

nm th

+ +

Hình 1-6 Đặc tính dòng điện stato của động cơ không đồng bộ

- Để xây dựng phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ tadựa vào điều kiện cân bằng công suất trong động cơ

Ta có công suất điện từ chuyển từ stato sang roto là :

Pđt = M.ω1 (1) M : Là mômen điện từ của động cơ

Giả sử bỏ qua tổn thất phụ thì : M = M cơ

Công suất Pđt chia làm hai phần

Pcơ :Công suất cơ đưa ra trên trục động cơ Pcơ = Mcơ ω (2)

∆Pω2 : Công suất tổn hao đồng trong rôto : ∆Pω2 = 3.I2 ’2 R2’ (3)Với I2’ = ( R R U ) Xnm

2 2 2 1

U

nm

S

' 2 2 2 ' 2 1

M (ω1 - ω ) = 3 R

X

R R

U

nm

S

' 2 2

2 ' 2 1

1 − thay vào phương trình (5) ta có

' 2

2 1 3

nm X s

R R s

R U

ω

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Để vẽ đường đặc tính cơ của động cơ cần phải tìm ra các điểm tới hạnthông qua việc giải phương trình :

R

nm

2 2 1

' 2

+ ; Mth = ± ( 2 2 )

1 1 1

1 2

3

nm X R R

U

+

±

Dấu “ + “ ứng với trạng thái động cơ

Dấu “ - “ ứng với trạng thái máy phát

Khi nghiên cứu các hệ truyền động của động cơ không đồng bộ người taquan tâm nhiều đến trạng thái làm việc của động cơ

Với những động cơ công suất lớn lớn thường R1 rất nhỏ so với Xnm nênlúc này co thể bỏ qua R1 nghĩa là R1 = 0 Do đó :

ω1

2 1

23

=

S

S M

th

th

2 1

Hình 1-7 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Trong thực tế khi nghiên cứu các hệ truyền động cho động cơ không đồng

bộ thường lựa chọn vùng làm việc là đường thẳng tuyến tính từ 0 đến D

d) Ảnh hưởng của tần số lưới điện f1 cấp cho động cơ

Thay đổi bằng cách sử dụng bộ biến tần dùng cho cả động cơ dây quấn vàlồng sóc

Xuất phát từ biểu thức:ω1 = 2πP.f1 ta thay đổi tần số f1 làm cho tốc độ

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

Khi f1>f1đm ta có :

↓ Sth = ( + ) f ↑

L L P

2 1 1

↓ Mth = ( + ) f ↑

L L P f

U

2 1 ' 2 1 2

2

2 1 2

8 π

+ Thực tế khi f1 tăng để đảm bảo đủ Mnm cho động cơ và tốc độ làm

việc của động cơ không vượt quá giá trị cự đại cho phép

ωmax bị hạn chế bởi độ bền cơ khí của động cơ

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

f1 giảm ωt 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

H1.8 Đặc tính cơ khi thay đổi tần số lưới điện f 1 cấp cho động cơ

Khi tăng giảm tần số f1 cấp cho động cơ chủ yếu để điều chỉnh tốc độ động cơ trường hợp mở máy rất ít dùng hoặc có dùng thì dùng trong trường hợp khi nguồn cấp cho động cơ giảm dẫn đến tổng trở của mạch giảm(vì tổng trở củamạch tỉ lệ thuận 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 cho momen theo chế độ với giá trị định mức

Qua đồ thị đặc tính cơ ta thấy rằng:

+ Khi f1< f1đm với điều kiện U f11 = const thì Mth giữ không đổi

+ Khi f1>f1đm thì không thể tăng điện áp nguồn mà giữ U1 = U1đm nên ởvùng này Mth sẽ giảm tỉ lệ nghịch với bình phương tần số, đồng thời phải điềuchỉnh điện áp theo quy luật U/f = const để giữ cho động cơ không bị quá tải vềcông suất

Khi tăng giảm tần số f1 cấp cho động cơ chủ yếu để điều chỉnh tốc độđộng cơ trường hợp mở máy rất ít dùng hoặc có dùng thì dùng riêng

1.2.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như :

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch roto Rf

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stato

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực từ

- Điều chỉnh bằng cuộn kháng bão hòa

- Điều chỉnh bằng phương pháp nói tầng

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn f1

Trong các phuơng pháp trên thì phương pháp điều chỉnh bằng cách thayđổi tần số cho phép điều chỉnh cả momen và tốc độ với chất lượng cao nhất, đạtđến mức độ tương đương như điều chỉnh động cơ điện một chiều bằng cách thayđổi điện áp phần ứng Ngày nay các hệ truyền động sử dụng động cơ không

đồng bộ điều chỉnh tần số đang ngày càng phát triển Sau đây xin trình bàyphương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần sốnguồn.

+/ Điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồnNhư ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và

số đôi cực từ theo công thức:

ω0= 2 π f1 P

Mà ta lại có, tốc độ của roto động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo

Do đó bằng việc thay đổi tần số nguồn f1 hoặc thay đổi số đôi cực từ cóthể điều chỉnh được tốc độ của động cơ không đồng bộ Khi động cơ đã đượcchế tạo thì số đôi cực từ không thể thay đổi được do đó chỉ có thể thay đổi tần sốnguồn f1 Bằng cách thay đổi tần số nguồn có thể điều chỉnh được tốc độ củađộng cơ Nhưng khi tần số giảm, trở kháng của động cơ giảm theo ( X=2πfL ).Kết quả là làm cho dòng điện và từ thông của động cơ tăng lên Nếu điện ápnguồn cấp không giảm sẽ làm cho mạch từ bị bão hòa và động cơ không làmviệc ở chế độ tối ưu, không phát huy đuợc hết công suất Vì vậy người ta đặt ravấn đề là khi thay đổi tần số cần có một luật điều khiển nào đó sao cho từ thôngcủa động cơ không đổi Từ thông này có thế là từ thông stato Φ1, từ thông củaroto Φ2, hoặc từ thông tổng của mạch từ hóa Φµ

Vì momen động cơ tỉ lệ với từ thông trong khe hở từ trường nên việc giữcho từ thông không đổi cũng làm giữ cho momen không đổi Có thể kể ra cácluật điều khiển như sau:

- Luật U/f không đổi: U/f = const

- Luật hệ số quá tải không đổi: λ = Mth/Mc = const

- Luật dòng điện không tải không đổi: I0 = const

- Luật điều khiển dòng stato theo hàm số của độ sụt tốc: I1 = f(Δω)1.2.3 Phân loại biến tần

a) Khái niệm biến tần : 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

số khác mà có thể thay đổi được

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

và nhỏ hơn tần số lưới ( f1 < flưới ) Loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng

b.2) Biến tần gián tiếp

+/ Khái niệm: Bộ biến tần gián tiếp là bộ biến đổi nguồn điện xoay chiều

có V1, f1 là hằng số thành nguồn điện xoay chiều có Vr, fr thay đổi, qua khâutrung gian một chiều Tần số đầu ra được xác định bởi nhịp đóng mở của cácthiết bị nghịch lưu

+/ Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau:

Hình 1.9 Cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp

Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều

vì vậy có tên gọi là biến tần gián tiếp Chức năng của các khối như sau:

- Chỉnh lưu : Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoaychiều thành điện áp một chiều Chỉnh lưu có thể là không điều chỉnh hoặc cóđiều chỉnh Trong các bộ biến đổi công suất lớn, người ta thường dùng chỉnh lưubán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ thống khi quátải Tùy theo tầng nghịch lưu yêu cầu nguồn dòng hay nguồn áp mà bộ chỉnh lưu

sẽ tạo ra dòng điện hay điện áp tương đối ổn định

- Bộ lọc : để giảm bớt độ nhấp nhô của áp và dòng ở đầu ra của bộchỉnh lưu

- Khâu nghịch lưu : Chức năng của khâu nghịch lưu là biến đổi dòngmột chiều thành dòng xoay chiều có tần số có thể thay đổi được và làm việc vớiphụ tải độc lập để đặt vào động cơ Thiết bị nghịch lưu có thể là Thyristor hoặcTransistor công suất

+/ Có 2 loại biến tần gián tiếp đó là sử dụng nghịch lưu nguồn áp vànghịch lưu nguồn dòng

+ Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng + Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp1.2.4 Phạm vi ứng dụng của biến tần

Với sự phát triển về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần, ngàycàng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộphận đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến là bộ biến tần điều khiển tốc độ động

cơ điện Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quanđến tốc độ động cơ điện Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơmang yếu tố sống còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống… Vídụ: máy ép nhựa làm đế giầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu,máy ly tâm định hình khi đúc… Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động

cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệ thống điều khiển trong côngnghiệp

Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi cácthông số nguồn như điện áp hay thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từthông … Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù

hợp với yêu cầu của phụ tải cơ và người ta thường dùng thiết bị biến tần để điềuchỉnh tốc độ động cơ xoay chiều: động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộ.

Có nhiều kích cỡ công suất khác nhau phù hợp với từng loại công suất động cơ

1.3 Yêu cầu và các phương pháp điều khiển biến tần

1.3.1 Yêu cầu

- Đáp ứng điều kiện tải: Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừngkhẩn cấp hoặc đảo chiều động cơ Độ chính xác trong tốc độ, khả năng dừngchính xác, đảo chiều tốt làm tăng năng suất lao động cũng như chất lượng sảnphẩm Trong nhiều ứng dụng, công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc vào tốc

độ như quạt, máy bơm Ở những tải loại này, momen cản tỷ lệ với bình phươngtốc đô, công suất tỷ lệ với lập phương của tốc độ Do đó việc điều chỉnh tốc độ,điều này phụ thuộc vào tải, có thể tiết kiệm điện năng Tính toán cho thấy việcgiảm 20% tốc độ động cơ có thể 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

1.3.2 Các phương pháp điều khiển

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

Nội dung của phương pháp điều chế độ rộng xung là tạo ra một tín hiệusin chuẩn có tần số bằng tần số ra và biên độ tỷ lệ với biên độ điện ra nghịchlưu Tín hiệu này sẽ được so sánh với một tín hiệu răng cưa có tần số lớn hơn rấtnhiều tần số của tín hiệu sin chuẩn Giao điểm của hai tín hiệu này xác định thờiđiểm đóng mở van công suất Điện áp ra có dạng xung với độ rộng thay đổi theotừng chu kỳ.Trong quá trình điều chế, người ta có thể tạo xung hai cực hoặc mộtcực, điều biến theo độ rộng xung đơn cực và theo độ rộng xung lưỡng cực

Hình 1.10 Dạng sóng đầu ra theo phương pháp điều chế độ rộng xung (v 01 là thành phần sin cơ bản, v i là điện một chiều vào bộ nghịch lưu,

v o 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)

b) Phương pháp điều khiển U/f = const

xuất phát n= 60f1(1-s)/p nên tần số thay đổi,tốc độ thay đổi nên điều chỉnh đươc tốc độ

Tuy nhiên khi thay đổi tần số từ thông của động cơ sẽ thay đổi theo

E=cΦf1=U1-I1.Z1

Z1=0 nên U1=cΦf1

Φ=U1/ (cf1)

Khi điều chỉnh f1 cần điều chỉnh U1 để đảm bảo từ thông của động cơ

không đổi hay U1/f1=const

Khi điều chỉnh nếu giữ cho hệ số quá tải của momen là hằng số thì chế độ làm việc của động cơ luôn được duy trì ở mức tối ưu như khi công tác với các thông số định mức

Điều kiện λm=Mth/Mc=const

R1=0

Mth=3U12/ ( 2w1.X2nm)=(K1U12)/f12

Giả sử động cơ làm việc với một momen cản bất kì ta có

2.1 Phương án chọn mạch công suất

2.1.1 Biến tần nguồn dòng gián tiếp

Hình 2.1 Biến tần nguồn dòng gián tiếp

Biến tần nguồn dòng dùng chỉnh lưu có điều khiển, nghịch lưu thyristor.Trên sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển cùng với cuộn cảm tạo nên nguồn dòng cấpcho nghịch lưu Nghịch lưu ở đây là sơ đồ nguồn dòng song song Hệ thống tụchuyển mạch được cách ly với tải qua hệ thống diot cách ly Dòng ra nghịch lưu

có dạng xung chữ nhật, điện áp ra có dạng tương đối sin nếu phụ tải là động cơ

Trong sơ đồ đang xét, tải là động cơ điện không đồng bộ lồng sóc Dâyquấn được quấn theo hình sao Các pha stator của động cơ M lệch nhau 1200 về

thời gian lần lượt nhận dòng điện Id lệch nhau 1200 về thời gian để tạo ra từtrường quay mà tốc độ quay quyết định bởi mạch điều khiển cầu biến tần Động

cơ điện sản sinh ra ở các pha các sức điện động

Biên độ của sóng cơ bản = Π∫ = Π ∫ = Π

Π

Π

Π

d d

I d

I d

i

6 5

6 0

2.1.2 Biến tần nguồn áp gián tiếp

Sơ đồ bao gồm cầu chỉnh lưu tiristor, tụ điện C chứa năng lượng phảnkháng, nghịch lưu áp 3 pha Tải là động cơ điện 3 pha không đồng bộ kiều lồngsóc Các diot đấu song song ngược với các thyristor cho phép dòng điện tải trảđược về nguồn, ở đây là tụ điện C, vì cầu chỉnh lưu I chỉ cho dòng chảy qua 1chiều

Dưới đây là sơ đồ nghịch lưu ap 3 pha sử dụng tiristor

+/ Hoạt động của sơ đồ

Trong sơ đồ này mỗi thyristor dẫn dòng trong 1800 điện Trong sơ đồ cầubiến tần, ngoài giai đoạn trùng dẫn,lúc nào cũng có 3 thyristor dẫn dòng( hai ởnhóm này và 1 ở nhóm kia) Khi thyristor thuộc nhóm anot chung mở thì dòngđiện chảy từ nguồn dương vào tải, còn khi thyristor thuộc nhóm catot chung mởthì dòng điện chảy từ tải về nguồn âm

Xét trường hợp cả 3 pha đấu theo hình sao Trường hợp này, mỗi pha tải ,hoặc đấu song song với pha tải khác rồi nối tiếp với pha tải thứ 3, hoặc nối tiếpvới 2 pha đấu song song với nhau Vì vậy điện áp đặt trên mỗi pha tải bằng E/3khi nó đấu song song với pha tải khác, bằng 2/3 E khi nó nối tiếp với 2 pha đấusong song Trong một chu kỳ có 6 tổ hợp thyristor dẫn dòng: 561, 612, 123, 234,

E d

E d

E d

E

3 3

2 3

θ

+/ Nhận xét

Sơ đồ có thể dược sử dụng điều chỉnh tốc độ động cơ điện 3 pha Bộ biếnđổi xung áp 1 chiều cho phép điều chỉnh điện áp cung cấp cho biến tần III Mộtvấn đề được đặt ra là khi biến đổi giá trị của E thì liệu các tụ điện có chức năngchuyển mạch còn có thể được thực hiện sự chuyển mạch không Lời giải có thểdùng một nguồn điện áp phụ có biên độ không đổi để nạp điện cho các tụ điệnchuyển mạch Điện áp pha, cũng như điện áp dây đều là hàm lẻ, chu kỳ, đốixứng qua trục hoành Triển khai Furie của chúng chỉ bao gồm các số hạng hàmsin

sin5

1sin

3

2

t t

t E

2.2 Lựa chọn phương án mạch công suất phù hợp

2.2.1 So sánh hai loại biến tần

- Biến tần nguồn áp có ưu điểm là tạo ra dạng dòng điện và điện áp sinhơn, dải biến thiên tần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn Còn bộ giántiếp nguồn dòng có dạng áp trên tải phụ thuộc vào các thông số của tải quy định

- Trong trường hợp mất nguồn lưới khi đang hoạt động, bộ biến tầnnguồn áp có thể hoạt động ở chế độ hãm động năng, nhưng bộ biến tần nguồndòng không thể hoạt động ở chế độ này khi đó

- Bộ biến tần nguồn dòng được sử dụng cuộn kháng L khá lớn trongmạch chỉnh lưu tạo ra nguồn dòng, điều này làm đáp ứng quá độ của hệ thốngchậm hơn so với bộ biến tần nguồn áp

- Dải điều chỉnh biến tần nguồn dòng thấp hơn dải điều chỉnh của biếntần nguồn áp

2.2.2 Lựa chọn phương án

Dựa vào ưu nhược điểm trên ta lựa chọn bộ biến tần gián tiếp nguồn áp.Với bộ biến tần loại này có 2 bộ phận riêng : mạch động lực và mạch điều khiển

- Bộ lọc : là bộ phận không thể thiếu trong mạch động lực cho phépthành phần 1 chiều của bộ chỉnh lưu đi qua và chặn lại thành phần xoay chiều.

Nó có tác dụng san phẳng điện áp tải sau khi chỉnh lưu

2.3 Mạch nghịch lưu

2.3.1 Lựa chọn phương án nghịch lưu

Ở đây ta sử dụng nghịch lưu nguồn áp dùng thyristor có chức năng biếnđổi tần số và điện áp được thực hiện thông qua luật điều khiển U/f

Các van bán dẫn trong bộ nghịch lưu là các thyristor vì nó không đòi hỏitác động liên tục và điện áp định mức cao hơn transistor

Sơ đồ mạch khóa cưỡng bức :

Hình 2.7

Nguyên lý hoạt động:

Các điôt D1÷D6 mắc nối tiếp với các thyristor T1÷T6 nhằm ngăn sự phóng

điện của các tụ chuyển mạch C1÷C6 do điện áp ngược của tải gây nên.Các điôt

DZ1÷DZ6 là những phần tử cần cho mạch chuyển mạch,ngoài ra chúng còn giữvai trò của điôt phóng điện Thứ tự mở các thyristor và đặc tính điện áp pha vàdây biểu diễn trên hình vẽ.Cầu gồm 2 nhóm van :nhóm anot chung(T1-T3-T5) vànhóm catot chung (T2-T4-T6)

Quá trình chuyển mạch cưỡng bức của T1

Giả thiết rằng T1 của nhóm anot và T2 của nhóm catot đang dẫn.Ngắt T1bằng cách mở T3 Cực tính của các tụ trước khi chuyển mạch kí hiệu trên tụ điệncòn cực tính của tụ điện sau khi chuyển mạch kí hiệu ở dưới tụ điện.Sau khi T3

Mở (tại thời điểm t1) tụ C1 chuyển nạp dao động trong mạch T3-C1-D1-DZ1-T3còn tụ C5 trong mạch T3-C3-C5-D1-DZ1-T3

Vì nhánh C1 mắc song song với nhánh C3 và nối tiếp với C5 nên tụ điệntương đương ở đây sẽ là 1,5C.Giả thiết mạch chứa tụ điện không có cảm khángcòn tải là tổng trở có tính cảm kháng có hằng số thời gian lớn hơn thời gian xảy

ra chuyển mạch,còn tại thời điểm t1 dòng điện chạy qua pha A bằng Io

Trong trường hợp này,tại thời điểm t1 tụ điện tương đương nhận giá trịdòng nhảy bậc từ T1, thyristor T1 ngắt vì đặt lên cực anot-catot của nó điện áp

âm Trong khoảng thời gian td thyristor T1 cần phải đạt được tính chất khóa.Thờigian td là khoảng thời gian cần để có điện áp ngược của T1 tăng từ giá trị Uoc1 tới0.Thời gian này phải nhỏ hơn thời gian trung hòa các điện tử của T1.Trongkhoảng thời gian t1-t2 dòng chay qua tụ điện lớn hơn dòng tải Io.Dòng hiệu Ic-Iochạy qua điôt phóng DZ1 không qua tải.Tại T2 dòng Ic=I0,dòng tụ điện giảmnhảy bậc xuống 0 Từ thời điểm này dòng tải gây nên do năng lượng tích lũytrong cảm kháng của tải chạy qu khép mạch kín bởi DZ4(sdt cảm ứng đã phâncực DZ4 theo hướng dẫn).Bây giờ DZ4 đóng vai trò của điôt Zero.Dòng Io chạytrong mạch DZ4-pha A-pha C-D2-T2-DZ4.Nếu độ cảm kháng của tải đủ lớn năng

lượng điện từ trong mạch vừa nói trên có thể không phóng trong khoảng w2t=

3

Π.

Điều đó có nghĩa là sau 1 góc kể từ khi T3 dẫn năng lượng kháng được đưa về nguồn vì khi T2 ngắt,DZ5 bắt đầu phân cực dẫn,dòng tải bây giờ chảy theo mạch sau:DZ4-pha A-pha C-DZ5- +

Ud -Ud−-DZ4 Ở chế độ hãm máy phát của động cơ năng lượng kháng được chuyển về nguồn từ tải cũng qua điôt

DZ Đặc trưng của loại chuyển mạch này là chuyển mạch cưỡng bức,nguồn năng lượng dùng đểchuyển mạch được tụ nạp tới điện áp tỉ lệ với điện áp nguồn

Ud cấp cho Khi giảm giá trị điện áp nguồn giảm năng lượng tích lũy trong tụ điện có thể không thực hiện được sự chuyển mạch Góc dẫn van λ =180 0

Hình 2.8 Đồ thị điện áp ra

2.3.2 Tính toán và thiết kế mạch nghịch lưu

Tính toán và chọn các phần tử trong mạch nghịch lưu:

Theo đề ta có: Động cơ không đồng bộ 3 pha

Điện áp lưới : U = 380VAC Dòng điện : I = 100A Tần số : f = 0 ÷ 120 Hz, chọn fdm = 50 Hz

Hệ số công suất : cos φ = 0.8 Chọn hiệu suất : η =0.9 Điện áp định mức : Uđm = 220 V

Ta tính được :

Công suất đưa vào động cơ :

P1 = 3UdmIdmcosφ = 3*220*100*0.8=52.8kWCông suất định mức :

Pdm = ηP1 = 0.9*52.8=47.52kWĐiện trở stato :

U = I*Z => R = Z* cosϕ = *0.8=1.76(Ω)+/ Tính chọn thyristor

Để lựa chọn được van ta cần tính được điện áp cực đại đặt lên van và dòng điện trung bình chảy qua van

Bộ biến tần điều chỉnh theo quy luật = Const, mà dải điều chỉnh tần số của động cơ là f = 0 - 120Hz

V

U fmax =528* 2 =746.7Điện áp đầu vào bộ nghịch lưu:

Vì U f U z U z U f *746.7 1120V

2

32

33

2

max

Vì điện áp ngược đặt lên mỗi thyristor U ngmax =U z =1120V

Chọn hệ số quá áp của kv = 1.6, thì cần phải chọn thyristor chịu điện ápngược là: U ng =k v U =1.6*1120=1792V

Vì tải đấu hình sao nên dòng qua mỗi thyristor lúc cực đại bằng dòng chỉnh lưu: IT =Imax=100* =141.1A

Với hệ số quá dòng ki = 1.2, do đó ta phải chọn thyristor chịu được dòng :

+/ Tính chọn diot

Bảng chuyển đổi trạng thái của diot:

=

−

Q N

a

a a

R

E i

θ

3

1

21

a

a R

E i

=

−

Q N

a

a a R

E i

θ

3

1

21

3

7.24

46.066.0266.01

66.01ln

8.0

21

1ln2

1

1ln

01

21

13

=

⇒

=

−+

+

−

=

−+

−

=

−

θθ

θθ

θ

a a

a Q

a a

a Q

e a

a a

Điện áp đặt ngược lên mỗi diot là:

V U

U

3

23

23

=

Chọn hệ số quá áp là kv = 1.6, thì diot chọn phải chịu được điện áp ngượclà: U ng = k v *U ng =1.6*746.7 =1194.7V

Ta chọn diot có ký hiệu IRKE250-18 có các thông số sau:

- Dòng chỉnh lưu cực đại : 250A

- Điện áp ngược của diot: 1800V

L E

Bộ biến đổi xung áp là bộ biến đổi mà điện áp nguồn được đóng cắt vàophụ tải một cách có chu kỳ do đó điện áp trên tải là những xung áp một chiềuhoặc xoay chiều phụ thuộc vào điện áp nguồn là một chiều hay xoay chiều

Để thực hiện việc đóng cắt nguồn người ta dùng các khóa điện tử công suất Ởđây ta dùng tranzitor

Người ta phân loại bộ biến đổi xung áp thành nhiều loại khác nhau tùythuộc vào cách mắc khóa bán dẫn ( nối tiếp hay song song ) hoặc tùy thuộc vàođiện áp ra Ở đây ta dùng bộ biến đổi xung áp một chiều nối tiếp

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi xung áp

Trong khoảng 0 T÷ 1 cho Q1 mở toàn bộ điện áp nguồn được lên tải ,còntrong khoảng T1 ÷T ta ngắt Q1 lúc này điện áp trên tải sẽ bằng 0 Như vậy điện

áp trung bình trên tải là:

, 1

1

1

0 '

1 0

d z

d

T d

d

T z

ZU U

U T

T dt U T

dt U T U

Hình 2.10 Dạng sóng điện áp ra

Theo biểu thức trên ta có 3 phương pháp điều chỉnh điện áp Ud :

+ T = const ,T1 = var ( phương pháp độ rộng xung)

+ T = var ,T1= const.(phương pháp tần số xung)

+ T = var ,T1 = var (phương pháp xung thời gian)

Trong 3 trường hợp trên thì phương pháp tần số xung và xung thời gian

có nhiều nhược điểm ,tần số phải thay đổi trên một phạm vi rộng lớn mới có thểcung cấp một dải điện áp đầu ra Trong trường hợp điện áp ra thấp ta điều khiểntheo phương pháp này sẽ làm cho thời gian Toff lớn gây ra hiện tượng dòng điệntrên tải bị gián đoạn Việc sử dụng phương pháp độ rộng xung tránh được phầnlớn nhược điểm trên nên dùng phương pháp này điều khiển là thích hợp hơn cả

2.4.2 Tính toán và lựa chọn phần tử

+/ Tính chọn tranzitor Q1 :

Ở đây ta dùng phương pháp độ rộng xung :

Gọi T1 là thời gian mở của tranzitor

T2 là thời gian khóa của tranzitor

Ud là điện áp trước khi biến đổi

Điện áp trung bình trên tải :

d

T

d d

T

T dt U T

1Chọn tần số làm việc của bộ biến đổi là f = 500Hz

s f

T T

T = 1 + 2 = 1 = 0 002

⇒

Phạm vi điều chỉnh điện áp :Zmin = 0,2 và Zmax = 0,8

Nếu cho sụt áp trên cuộn dây của bộ biến đổi là không đáng kể ,thì điện

áp cực đại sau biến đổi là: 1400 ( )

8 0

*3.1