thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều ba pha sử dụng thyristor

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 truyềnđộng điện không yêu cầu điều chỉnh tốc độ đều dùng

Lời nói đầuTrong thời đại công nghiệp hóa,hiện đại hóa đất nước,ngành côngnghiệp có một vai trò hết sức quan trọng nhằm thúc đẩy sự phát triển nềnkinh tế Tự động hóa ngày càng có vai trò quan trọng, bởi hiệu quả làm việc,tính an toàn và tiện dụng của nó Các dây truyền sản xuất hiện đại mang lạihiệu quả cao được ứng dụng ngày càng rộng rãi Sự ra đời của động cơ điệnvào cuối thế kỷ XIX đã tạo nền tảng quan trọng cho sự phát triển của củangành điện sau này.

Ngày nay, động cơ điện đã được ứng dụng rộng rãi,có vai trò khôngthể thiếu trong công nghiệp và trong đời sống sinh hoạt So với tất cả cácđộng cơ điện dùng trong công nghiệp động cơ không đồng bộ được dùngnhiều hơn cả, với kiểu dáng gọn nhẹ, có thể chế tạo với nhiều công suất khácnhau, sử dụng đơn giản, giá thành rẻ đã dần thay thế các loại máy điện mộtchiều Để đáp ứng được nhu cầu sản xuất công nghiệp, người ta nghĩ ra cácthiết bị điện nhằm phục vụ cho hoạt động của động cơ ở những chế độ làmviệc khác nhau Bộ biến tần ra đời giúp thay đổi tần số của mạng điện cấpcho 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

Đối với sinh viên tự động hóa, môn học điện tử công suất là một mônhết sức 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 dụngthyristor”

Em xin chân thành cảm ơn thầy Đoàn Văn Tuân ,cùng các thầy côgiáo khoa Điện - Điện tử tàu biển, những người đã tận tình giúp đỡ em trongsuốt thời 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 côgiáo góp ý để bài thiết kế của em hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

Hải Phòng, ngày 06 tháng 10 năm 2011

Sinh viên

Lê Thế Bảo

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 ápxoay chiều có tần số có thể thay đổi được Điện áp một chiều được biếnthành điện áp xoay chiều nhờ việc điều khiển mở hoặc khóa các van côngsuất theo một quy luật 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 nócòn có chức 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 cácvan công suất trong mạch nghịch lưu Mạch cách ly có nhiệm vụ cách lygiữa mạch công 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 hệthống như tần số, dòng điện, điện áp,… và để người sử dụng có thể đặt lạithông số cho hệ thống

Các mạch thu thập tín hiệu như dòng điện, điện áp nhiệt độ,… biếnđổi chúng 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 đầu vào…

Các mạch điều khiển, thu thập tín hiệu đều cần cấp nguồn, các nguồn

thường là nguồn điện một chiều 5, 12, 15VDC yêu cầu điện áp cấp phải ổnđịnh 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 truyềnđộng điện không yêu cầu điều chỉnh tốc độ đều dùng động cơ xoay chiều,còn khoảng 20% truyền động điện có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ dùngđộng cơ một chiều Phương án điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều mặc dù

đã được phát minh và đưa vào ứng dụng khá sớm, nhưng chất lượng của nólại khó bề sánh kịp với hệ thống truyền động điện một chiều Mãi tận tớithập kỷ 70 của thế kỷ XX, các nước công nghiệp tiên tiến mới tập trung vàoviệc nghiên cứu hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều hiệu suấtcao, hy vọng coi đó là con đường tiết kiệm nguồn năng lượng Qua hơn 10năm cố gắng nỗ lực, đến thập kỷ 80 hướng nghiên cứu ấy đã đạt được thànhtựu lớn và đã được coi là bước đột phá thần kỳ trong truyền động điện xoaychiều Từ đó tỷ lệ ứng dụng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoaychiều ngày một tăng lên Trong các ngành công nghiệp đã có trào lưu thaythế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng hệ thống điều chỉnhtốc độ động cơ xoay chiều

Trong các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều thìphương pháp điều tốc biến tần được ứng dụng rộng rãi nhất vì nó cho phépđiều chỉnh trơn với phạm vi rộng, có khả năng xây dựng được các hệ thốngđiều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có chất lượng cao, có thể thay thế hệthống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều và do đó có tiền đồ phát triểnhơn cả Hệ thống điều tốc biến tần động cơ không đồng bộ có phạm vi ứngdụng rộng cả về lĩnh vực và công suất, từ công suất cực nhỏ đến công suất

rất lớn (hàng MW) Trong hệ thống điều tốc biến tần cho động cơ xoaychiều không đồng bộ thì bộ biến tần là khâu quan trọng quyết định đến chấtlượng 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 việctheo nguyên lý cảm ứng điện từ Có tốc độ của roto khác với tốc độ của từtrường quay trong máy

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

5 5-Chân đế lắp cốđịnh

6 6-Roto

Hình 1-2 Động cơ không đồng bộ roto dây quấn

- Phần tĩnh (stato):

Gồm có vỏ,lõi thép,dây quấn

+ Vỏ máy : Làm nhiệm vụ bảo vệ mạch từ và giữ chặt lõi thép stato,

vỏ có dạng trụ rỗng, có chân để cố định máy trên bệ và có hai nắp máy ở haiđầu để đỡ trục máy và bảo vệ phần đầu dây quấn.Các máy có công suất béthì thường là vỏ bằng nhôm,còn các máy có công suất trung bình và lớnthường 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 Mặttrong của 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 cạnhcủa môbin đó được đặt vào lõi thép stator Các mô bin được cách điện nhau

và cách điện 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 dạnghình tròn và mặt ngoài của các lá thép đó được dập thành các rãnh để đặtcuộn dây, còn ở giữa được dập lỗ tròn để lồng trục máy Các lá thép nói trênđược ghép lại với nhau thành một trụ tròn mà ở giữa là lồng trục máy, mặtngoài của trụ là cá rãnh để đặt dây quấn roto Thường các lá thép roto đượctận dụng phần bên trong các lá thép của stato

+ Trục máy làm bằng thép tốt và được lồng cứng với lõi thép roto.Trục được 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 đồngthau hoặc nhôm được đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bằng hai vành ngắnmạch ở hai đầu.Với động cơ nhỏ dây quấn roto được đúc nguyên khối gồmthanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản hiệt và cánh quạt làm mát Các động

cơ trên 100kW thanh dẫn làm bằng đồng và được đặt vào các rãnh roto vàđược gắn chặt vào vành ngắn mạch

ìHình 1.3 Dây quấn roto kiểu lồng sóc

Loại roto dây quấn: Cũng được quấn thành từng các môbin như dâyquấn stato và có cùng số cực từ dây quấn stato Dây quấn kiểu này luôn đấuhình sao và có ba đầu ra đấu vào ba vành trượt gắn vào trục quay roto vàcách điện với trục Ba chổi than cố định và luôn tỳ lên vành trượt này để dẫnđiện và một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặcđiều chỉnh tốc độ

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 vàđiện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất masát và tổn thất trong lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồthay thế một pha của 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 vàđiện trở rôto đã quy đổi về phía stato

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

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

Với hệ số quy đổi như sau :

X’

2 = Ku2.X2 ; I’

2 = Ki I2 ; R2’ = Ku2 R2

Trong đó :

Kdq1, Kdq2 : hệ số dây quấn stato và roto

U1 điện áp định mức đặt vào dây quấn stato

Ew : sức điện động định mức của roto

2 ' 2 1

1

X X

R R

2 1

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

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.1 (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  (2) P2 : Công suất tổn hao đồng trong rôto : P2 = 3.I2’2 R2’

2 1

M.1 = M. + 3 R

X

R R

U

nm

S

' 2 2

2 ' 2 1

U

nm

S

' 2 2

2 ' 2 1

' 2

2 1

3

nm X s

R R s

R U



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 :

Rnm

2 2

1

' 2

Dấu “ - “ ứng với trạng thái máy phát

Khi nghiên cứu các hệ truyền động của động cơ không đồng bộ người

ta quan 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

nên lúc này co thể bỏ qua R1 nghĩa là R1 = 0 Do đó :

2 3

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 khôngđồng 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 dâyquấn và lồng sóc

L P

2 1 1

 Mth =

   

f L L P

f

U

2 1 ' 2 1 2

2

.2

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

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

f1 giảm t giảm Sth tăngMth tăngXnm giảm thì Mth giữ ở khôngđổi

+ 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 của mạch 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

f

U

1

1

= const thì Mth giữ không đổi

+ Khi f1>f1đm thì không thể tăng điện áp nguồn mà giữ U1 = U1đm

nên ở vùng này Mth sẽ giảm tỉ lệ nghịch với bình phương tần số, đồng thờiphải điều chỉnh điện áp theo quy luật U/f = const để giữ cho động cơ không

bị quá tải về công suất

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 riêng.1.2.2 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 cáchthay đổi tần số cho phép điều chỉnh cả momen và tốc độ với chất lượng caonhất, đạt đến mức độ tương đương như điều chỉnh động cơ điện một chiềubằng cách thay đổi điện áp phần ứng Ngày nay các hệ truyền động sử dụngđộng cơ không đồng bộ điều chỉnh tần số đang ngày càng phát triển Sau đây

xin trình bày phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cáchthay đổi tần số nguồn.

+/ Điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số

Do đó bằng việc thay đổi tần số nguồn f1 hoặc thay đổi số đôi cực từ

có thể điều chỉnh được tốc độ của động cơ không đồng bộ Khi động cơ đãđược chế tạo thì số đôi cực từ không thể thay đổi được do đó chỉ có thể thayđổi tần số nguồn f1 Bằng cách thay đổi tần số nguồn có thể điều chỉnh đượctốc độ của động cơ Nhưng khi tần số giảm, trở kháng của động cơ giảmtheo ( X=2•fL ) Kết quả là làm cho dòng điện và từ thông của động cơ tănglên Nếu điện áp nguồn cấp không giảm sẽ làm cho mạch từ bị bão hòa vàđộng cơ không làm việc ở chế độ tối ưu, không phát huy đuợc hết công suất

Vì vậy người ta đặt ra vấn đề là khi thay đổi tần số cần có một luật điềukhiển nào đó sao cho từ thông của động cơ không đổi Từ thông này có thế

là từ thông stato Φ1, từ thông của roto Φ2, hoặc từ thông tổng của mạch từhóa Φµ

Vì momen động cơ tỉ lệ với từ thông trong khe hở từ trường nên việcgiữ cho từ thông không đổi cũng làm giữ cho momen không đổi Có thể kể

ra các luật 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 là thiết 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 rakhác với điện áp lưới cấp vào bộ biến tần

b.2) Biến tần gián tiếp

+/ Khái niệm: Bộ biến tần gián tiếp là bộ biến đổi nguồn điện xoaychiều có V1, f1 là hằng số thành nguồn điện xoay chiều có Vr, fr thay đổi, quakhâu trung gian một chiều Tần số đầu ra được xác định bởi nhịp đóng mởcủa các thiết 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 ápxoay chiều thành điện áp một chiều Chỉnh lưu có thể là không điều chỉnhhoặc có điều chỉnh Trong các bộ biến đổi công suất lớn, người ta thườngdùng chỉnh lưu bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn

hệ thống khi quá tải Tùy theo tầng nghịch lưu yêu cầu nguồn dòng haynguồn 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

bộ chỉnh lưu

- Khâu nghịch lưu : Chức năng của khâu nghịch lưu là biến đổidòng một chiều thành dòng xoay chiều có tần số có thể thay đổi được và làmviệc với phụ tải độc lập để đặt vào động cơ Thiết bị nghịch lưu có thể làThyristor hoặc Transistor 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 áp

1.2.4 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

bộ phận 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 cóliên quan đến tốc độ động cơ điện Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độđộng cơ mang yếu tố sống còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệthống… Ví dụ: máy ép nhựa làm đế giầy, cán thép, hệ thống tự động phatrộn 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 thốngđiều khiển trong công nghiệp

Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổicác thông số nguồn như điện áp hay thông số mạch như điện trở phụ, thayđổi từ thông … Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làmviệc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ và người ta thường dùng thiết

bị biến tần để điều chỉnh 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 từngloại 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 lượngsản phẩm Trong nhiều ứng dụng, công suất đầu vào là một hàm phụ thuộcvào tốc độ như quạt, máy bơm Ở những tải loại này, momen cản tỷ lệ vớibình phương tốc 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 việc giảm 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 tínhiệu sin chuẩn có tần số bằng tần số ra và biên độ tỷ lệ với biên độ điện ranghịch lưu Tín hiệu này sẽ được so sánh với một tín hiệu răng cưa có tần sốlớn hơn rất nhiều tần số của tín hiệu sin chuẩn Giao điểm của hai tín hiệunày xác định thời điểm đóng mở van công suất Điện áp ra có dạng xung với

độ rộng thay đổi theo từng chu kỳ.Trong quá trình điều chế, người ta có thểtạo xung hai cực hoặc một cực, 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

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

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

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

Và momen tới hạn:

Khi hoạt động ở định mức:

Dựa theo công thức trên ta thấy, các giá trị X1 và X’2 phụ thuộc vào tần

số trong khi R1 lại là hằng số Như vậy khi hoạt động ở tần số cao, giá trị (X1

+ X’2) >> R1/a, sụt áp trên R1 rất nhỏ nên giá trị E suy giảm rất ít dẫn đến từ

thông được giữ gần như không đổi Momen cực đại của động cơ gần nhưkhông đổi.

Tuy nhiên khi hoạt động ở tần số thấp thì giá trị điện trở R1/a sẽ tươngđối lớn so với giá trị của (X1 + X’1) dẫn đến sụt áp nhiều trên điện trở statokhi momen tải lớn Điều này làm cho E bị giảm, dẫn đến suy giảm từ thôngmomen 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 cơU=Uđm tại f = fđm Khi a > 1 (f > fđm ), điện áp được giữ không đổi và bằngđịnh mức Khi đó động cơ hoạt động ở chế độ suy giảm từ thông Sau đây là

đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số trong phươngpháp điều khiển U/f=const:

Hình 1.11 Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số

theo luật điều khiển U/f=const

Từ hình 1.11 ta có nhận xét sau:

- Dòng điện khởi động yêu cầu thấp hơn

- Vùng làm việc ổn định của động cơ tăng lên Thay vì chỉ làm việc ởtốc độ định 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 việcnày.

- Chúng ta có thể điều khiển động cơ ở tần số lớn hơn tần số địnhmức bằng cách tiếp tục tăng tần số Tuy nhiên do điện áp đặt không thể tăngtrên điện áp định mức Do đó chỉ có thể tăng tần số dẫn đến momen giảm Ởvùng trên vận tốc cơ bản các hệ số ảnh hưởng đến momen trở nên phức tạp

- Việc tăng tốc giảm tốc có thể được thực hiện bằng cách điều khiển

sự thay đổi của tần số theo thời gian

Chương 2:

Tính chọn mạch công suất

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 lưuthyristor Trên sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển cùng với cuộn cảm tạo nênnguồn dòng cấp cho nghịch lưu Nghịch lưu ở đây là sơ đồ nguồn dòng songsong Hệ thống tụ chuyển 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 đốisin nếu phụ tải là động cơ

Trong sơ đồ đang xét, tải là động cơ điện không đồng bộ lồng sóc.Dây quấn 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 đểtạo ra từ trường quay mà tốc độ quay quyết định bởi mạch điều khiển cầubiến tần Động cơ điện sản sinh ra ở các pha các sức điện động

+/ Nhận xét

Sơ đồ bộ biến tần dòng ba pha này đơn giản và làm việc tin cậy, được

sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha kiểu lồng sóc

Dòng điện các pha của động cơ có dạng hình sin chữ nhật Nó là mộthàm chu kỳ, lẻ , đối xứng qua trục hoành Khai triển Furie của nó khôngchứa số hạng hằng và các số hạng hàm cosin

Biên độ của sóng cơ bản

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 diot I, tụ điện C chứa năng lượng phảnkháng, nghịch lưu áp 3 pha Tải là động cơ điện 3 pha không đồng bộ kiềulồng sóc Các diot đấu song song ngược với các thyristor cho phép dòng điệntải trả được về nguồn, ở đây là tụ điện C, vì cầu chỉnh lưu I chỉ cho dòngchảy qua 1 chiều

Hình 2.4 Biến tần nguồn áp gián tiếp

+/ Hoạt động của sơ đồ

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

Xét trường hợp cả 3 pha đấu theo hình sao Trường hợp này, mỗi phatải , hoặc đấu song song với pha tải khác rồi nối tiếp với pha tải thứ 3, hoặcnối tiếp với 2 pha đấu song song với nhau Vì vậy điện áp đặt trên mỗi phatải bằng E/3 khi nó đấu song song với pha tải khác, bằng 2/3 E khi nó nốitiếp với 2 pha đấu song song Trong một chu kỳ có 6 tổ hợp thyristor dẫndòng: 561, 612, 123, 234, 345, 456

Giá trị hiệu dụng của điện áp pha, ví dụ của pha A, được xác định như

2

2 1

E d

E d

E d

E

3 3

2 3

3 0

1 sin 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 ápsin hơn, dải biến thiên tần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn Còn

bộ gián tiếp nguồn dòng có dạng áp trên tải phụ thuộc vào các thông số củatải 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 tầnnguồn dòng không thể hoạt động ở chế độ này khi đó

- Bộ biến tần nguồn dòng được sử dụng cuộn kháng L khá lớntrong 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

- Dải điều chỉnh biến tần nguồn dòng thấp hơn dải điều chỉnh củabiến tần 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 mạchđiều khiển

- Bộ lọc : là bộ phận không thể thiếu trong mạch động lực chophép thành phần 1 chiều của bộ chỉnh lưu đi qua và chặn lại thành phầnxoay 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 năngbiến đổi 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 đòihỏi tác 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 sựphóng điện của các tụ chuyển mạch C1C6 do điện áp ngược của tải gâynên.Các điôt DZ1DZ6 là những phần tử cần cho mạch chuyển mạch,ngoài

ra chúng còn giữ vai trò của điôt phóng điện Thứ tự mở các thyristor và đặctính điện áp pha và dây biểu diễn trên hình vẽ.Cầu gồm 2 nhóm van :nhómanot chung(T1-T3-T5) và nhóm 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

T1 bằng cách mở T3 Cực tính của các tụ trước khi chuyển mạch kí hiệu trên

tụ điện còn cực tính của tụ điện sau khi chuyển mạch kí hiệu ở dưới tụđiện.Sau khi T3 Mở (tại thời điểm t1) tụ C1 chuyển nạp dao động trong mạch

T3-C1-D1-DZ1-T3 còn 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 tụđiện tương đương ở đây sẽ là 1,5C.Giả thiết mạch chứa tụ điện không cócảm kháng còn tải là tổng trở có tính cảm kháng có hằng số thời gian lớnhơn thời gian xảy ra chuyển mạch,còn tại thời điểm t1 dòng điện chạy quapha 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 chấtkhóa.Thời gian td là khoảng thời gian cần để có điện áp ngược của T1 tăng từgiá trị Uoc1 tới 0.Thời gian này phải nhỏ hơn thời gian trung hòa các điện tửcủa T1.Trong khoảng thời gian t1-t2 dòng chay qua tụ điện lớn hơn dòng tải

Io.Dòng hiệu Ic-Io chạy qua điôt phóng DZ1 không qua tải.Tại T2 dòng

Ic=I0,dòng tụ điện giảm nhảy bậc xuống 0 Từ thời điểm này dòng tải gâynên do năng lượng tích lũy trong cảm kháng của tải chạy qu khép mạch kínbởi DZ4(sdt cảm ứng đã phân cực DZ4 theo hướng dẫn).Bây giờ DZ4 đóngvai trò của điôt Zero.Dòng Io chạy trong mạch DZ4-pha A-pha C-D2-T2-

DZ4.Nếu độ cảm kháng của tải đủ lớn năng lượng điện từ trong mạch vừanói trên có thể không phóng trong khoảng w2t=3

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 giờchảy 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 dẫnvan  =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 = 60A

Tần số : f = 0  120 Hz, chọn fdm = 50 Hz

Hệ số công suất : cos φ = 0.78 Chọn hiệu suất : η =0.9

Chọn điện áp định mức : Uđm = 220 V

Ta tính được :

Công suất đưa vào động cơ :

P1 = 3UdmIdmcosφ = 3*220*60*0.78 = 30888 WCông suất định mức :

Pdm = ηP1 = 0.9*30888 = 27799.2 WĐiện trở stato :

U = I*Z => R = Z* cos = 220/60*0.78= 2.86 ( )+/ 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

dm

120= 528 (V)Điện áp cực đại trên một pha của động cơ:

3 3

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

áp ngược 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 = 60* 2 =84.6

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

dòng: IT = 1.2*84.6 = 101.52Căn cứ vào những kết quả trên, theo bảng 1.3 thyristor công suất trang

34, sách điện tử công suất Nguyễn Bính ta chọn:

Thyristor có mã hiệu SF150 do hãng TOSHIBA,Nhật Bản chế tạo cócác thông số sau:

a

a a R

E i

 3

1

2 1 1

a

a R

E i

 3

2

1

1 2

a

a a R

E i

 3

1

2 1

a Q

Tại    1, dòng tải qua pha A bằng 0 : iA = 0

3 1

3 1

3 1

3

7 24

46 0 66 0 2 66 0 1

66 0 1 ln 8 0

2 1

1 ln 2

1

1 ln

0 1

2 1 1 3

a Q

a a

a Q

e a

a a R

a

a a R

U i

A

66 0 1

66 0 2 66 0 1 1 86 2

* 3

1120 1

2 1 1 3

V U

U

U ng z d 1120 746 7

3

2 3

2 3

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

+/ Tính chọn tụ C :

8 0

1 1 cot   

R

L

Trong nghịch lưu có 3 pha không phải lúc nào cũng cần tụ C khi

nguồn EN là mạch chỉnh lưu Nếu ta có tỷ số  0 66

L E

C thường lấy U c  0 1E N

E R

X E

N

L N



8 98 1 0

* 314

* 7 3

* 3

1 2 ln 2

* 33 0

1 2 ln 2

* 1 0

* 314

* 3

Để thực hiện việc đóng cắt nguồn người ta dùng các khóa điện tử côngsuất Ở đây 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 thuộcvào điện 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 T1 cho Q1 mở toàn bộ điện áp nguồn được lêntải ,còn trong khoảng T 1 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 thờigian có nhiều nhược điểm ,tần số phải thay đổi trên một phạm vi rộng lớnmới có thể cung cấp một dải điện áp đầu ra Trong trường hợp điện áp rathấp ta điều khiển theo phương pháp này sẽ làm cho thời gian Toff lớn gây rahiện tượng dòng điện trên tải bị gián đoạn Việc sử dụng phương pháp độ