Nghiên cứu tính toán thiết kế mạch lực thiết kế và tính toán mạch điều khiển

Vấn đề điều chỉnh tốc độ quay của động cơ không đồng bộ vẫn còn chưa được giảiquyết triệt để mà chúng ta sẽ xem xét một trong những phương pháp điều chỉnh tốc độ quạtgió trong đồ án này.

Mục Lục

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 4

1.1 Giới thiệu chung 4

1.2 Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ 5

1.3 Phương trình đặc tính cơ 7

1.4 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha. 10

1.4.1 Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực từ 10

1.4.2 Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp 11

1.4.3 Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ 12

CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC 14

2.1 Thiết kế mạch lực 14

2.1.1 Sơ đồ mạch lực với đầy đủ phần tử bảo vệ 14

2.2 tính toán lựa chọn các phần tử trong mạch 15

2.2.1 tính toán chọn van IGBT và Diode 15

2.1.2 Tính Rư Eư và L ở chế độ định mức 16

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 21

3.1 Đặc điểm của hệ điều khiển phần nghịch lưu 21

3.2 Sơ đồ khối của mạch điều khiển 21

3.3 Nguyên tắc điều khiển 21

3.3.1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính 22

3.3.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Arccos 22

3.4 Các khâu cơ bản của mạch điều khiển 24

3.4.1 Khâu tạo xung tam giác 24

3.4.2 Khâu so sánh 25

3.4.3 Bộ trộn xung 26

1

3.4.4 Khâu tạo điện áp điều khiển 27

3.4.5 Khâu khuếch đại xung bằng máy biến áp 30

4.1 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng điện tử công suất PSIM 31

4.2 Tổng quan về phần mềm PSIM 31

4.3 Mô phỏng mạch lực và mạch điều khiển 32

4.1.3 Kết quả mô phỏng 35

Tài liệu tham khảo 39

2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ

1.1. Giới thiệu chung

Hiện nay, trong xã hội hiện đại, nhiều nhà cao tầng mọc lên, các đường ngầm, hầmngầm, thanh máy, hầm mỏ khai thác đều cần có hệ thống thông gió Vì vậy quạt thông gió

là một trong những thiết bị rất cần thiết và phổ biến Các loại quạt có công suất dưới 200 kWhầu như đều sử dụng loại động cơ không đồng bộ rôto ngắn mạch ( rôto lồng sóc) mở máytrực tiếp hay gián tiếp qua các phần tử hạn chế ở mạch stato Hiện nay điện sử dụng trongsản xuất và dân dụng đều là điện xoay chiều 3 pha vì vậy để đơn giản, tin cậy, giá thành rẻ

mà vẫn đáp ứng yêu cầu của quạt gió ta sử dụng động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc vớitốc độ quay rôto khác tốc độ quay của từ thông tạo bởi điện lưới

Vấn đề điều chỉnh tốc độ quay của động cơ không đồng bộ vẫn còn chưa được giảiquyết triệt để mà chúng ta sẽ xem xét một trong những phương pháp điều chỉnh tốc độ quạtgió trong đồ án này

Có thể phân quạt gió ra làm nhiều loại như sau:

+ Theo nguyên lý làm việc:

- Quạt ly tâm : Dịch chuyển dòng không khí trong mặt phẳng vuông góc với

trục quay của quạt

- Quạt hướng trục : Dịch chuyển dòng không khí song song với trục quay

- Quạt cao tốc : > 1500 v/p

5

- Quạt tốc độ trung bình : 800 1400 v/p

Tuy nhiên tất cả các động cơ của quạt đều là động cơ không đồng bộ Động cơ khôngđồng bộ có kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên được sửdụng rộng rãi Nhưng nhược điểm của chúng là điều chỉnh tốc độ và khống chế các quátrình quá độ khó khăn

1.2. Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ

Khi nghiên cứu ta đưa ra các giả thiết sau :

+)Ba pha động cơ là đối xứng

+) Các thông số của động cơ không đổi, nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ, tần

số dòng điện rôto, mạch từ không bão hoà Nên điện kháng X1, X2 không đổi

+) Dòng điện từ hoá không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt ở stato động cơ

+) Bỏ qua cả tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép

+) Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng ba pha

Trong sơ đồ :

U1 : Trị số hiệu dụng của điện áp pha stato

I0, I1, I2: Các dòng điện từ hoá, stato và roto đã quy đổi về stato

X0, X1, X'2: Điện kháng mạch từ hoá, điện kháng tản stato và rôto đã quydổi về stato

Hình 1.1: Sơ đồ thay thế động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

s : Độ trượt của động cơ : s = 1 −

1

1 : Tốc độ của từ trường quay hay là tốc độ đồng bộ

= 2 f1

I0 : Dòng điện từ hoá có tác dụng tạo ra từ trường quay khi động cơ quay vớitốc độ

Mđt : là mô men điện từ của động cơ

Bỏ qua các tổn thất phụ thì : Mđt= Mcơ = M Công suất

đó chia làm hai phần :

Pcơ : Công suất cơ đưa ra trên trục động cơ

P2 : Công suất tổn hao đồng trong rôto

8

1 1 s nm

Xác định cực trị bằng cách tính:

dM

= 0 ds

S

Sth

Hình 1.2 : Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy các thông số ảnh hưởng tớiđặc tính cơ:

1

- ảnh hưởng của điện áp lưới cấp cho động cơ.

Trong mỗi trường hợp ứng dụng động cơ KĐB vào thực tế mà có các đường đặc tính cơ khác nhau đối với từng loại tải

Công thức tổng quát:

Mc = Mco + (Mđm – Mco)( / đm) Mc

: Momen ứng vớitốc độ

Mđm, Mco : mômen ứng vớitốc độ định mức và ứng với =0

= 0, Mc = Mđm = const _ các cơ cấu nâng hạ tải(đường1) =

1, Mc tỉ lệ bậc nhất với -> ít gặp

= 2, Mc tỉ lệ bậc haivới -> trường hợp trong máy bơm quạt gió (đường 3) =

1, Mc tỉ lệ nghịch với -> máy cuộn giấy

đ

Hình 1.3: Đặc tính cơ của động cơ ứng với mỗi trường hợp

Trong đồ án này, ta nghiên cứu động cơ không đồng bộ trong quạt gió, tức là đường đặc tính cơ số (3) trên đồ thị Quạt gió là một trong những thiết bị sử dụng rôto lồng sóc, nó thường dùng độc lập để thông thoáng khí cho nhà riêng, xưởng sản xuất, đặcbiệt trong hầm mỏ, tuỳ từng trường hợp mà nó có công suất khác nhau

Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ hiện nay vẫn còn là một vấn đề chưa đượcgiải quyết triệt để bởi mỗi phương pháp chỉ thoả mãn một yêu cầu, một phạm vi nào đấy, nóvẫn có những hạn chế nhất định Riêng đối với quạt thông gió với yêu cầu cụ thể, ta cóphương pháp điều chỉnh tốc độ khá đạt yều cầu sẽ được trình bày ở phần sau của đồ án.

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

Hiện nay có nhiều phương pháp được đưa ra để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộnhưng mỗi phương pháp đều có ưu khuyết điểm của nó mà chưa giải quyết được toàn bộ vấn

đề như năng lượng tiêu thụ, phạm viđiều chỉnh, thiết bị sử dụng Có 2 hướng tác động đểđiều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ là : Tác động vào stato như thay đổi số đôi cực,thay đổi điện áp, biền đổi tần số nguồn điện vào ; tác động vào roto như thay đổi điện trởroto hoặc nối tiếp điện trở phụ

Vì động cơ sử dụng là động cơ không đồng bộ roto lồng sóc nên những phương phápđiều chỉnh tốc độ theo hướng thứ nhất Ta sẽ tìm hiểu sơ lược về các phương pháp điều chỉnhnày:

1.4.1 Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực từ.

Nói chung, trong điều kiện bình thường, động cơ điện có hệ số trượt khá nhỏ, vì vậy tốc

độ của roto gần bằng tốc độ đồng bộ n1 = 60f1/p Do đó khif1 = const thì thay đổi p (số đôicực của đây quấn stato) có thể thay đổi được tốc độ

Dễ thấy, khi thay đổi số đôi cực p là số tự nhiên nên tốc độ chỉ có thể thay đồi từng cấp,điều chỉnh tốc độ không phẳng Để thay đổi số đôi cực ta có thể đồi cách nối các bối dây haylắp sẵn các bối dây có số đôi cực khác nhau hoặc phối hợp cả cách trên

Ngoài ra người ta còn chế tạo động cơ điện 2 tốc độ thành loại mômen không đổi vàloại công suất không đổi tuỳ theo cách đấu Y hay và đấu dây quấn pha song song hay nốitiếp

Gọi công suất động cơ điện 2 tốc độ với số đôi cực ít (p1), với số đôi cực gấp đôi(p2=2

p1) Theo hình 1.2 trên với cách đấu Y/YY ta có :

Giả thiết khi đổi tốc độ, hiệu suất và cos không đổi ta có : công suất P2/P1 = 1/2 mà

ta lại có P= M ( : tốc độ góc của rôto ; M: momen ; P : công suất đầu trục cử động cơ)

Máy có mômen không đổi khi ta thay đổi tốc độ quay Với loại máy có sơ đồ đấu dây ở

Động cơ điện chế tạo theo kiểu này có công suất không đổi

Trong phương pháp này có ưu điểm : Thực hiện khá đơn giản, có thể thay đổi tốc độ mà

vẫn giữ được mômen không đổi hoặc công suất không đổi Tuy nhiên nó có khuyết điểm là

chỉ ứng dụng với động cơ roto lồng sóc, thay đổi tốc độ theo cấp và chỉ ít cấp thay đổi, vận

hành và thay đổi tốc độ khá nhỏ bởi phải có kiến thức đấu dây, khó sửa chữa khi hỏng hóc

Đối với quạt gió mà ta cần điều chỉnh trơn thì phương pháp này là không thích hợp

1.4.2. Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp

Từ biểu thức 1= 2 f1/p mà:

n = n (1 − s) = 60 f

1 (1 − s)

Ta thấy rằng s ít thay đổi tần số sẽ làm tốc độ n tỉ lệ thuận với tần số nguồn cấp

Khi bỏ qua điện trở nhỏ roto r1

Mmax=c.(U1/f1)2Vớic là hệ số

1

(U2 /U1)2=f2/f1

1

Như vậy khi thay đổi tần số thì đồng thời ta lại thay đổi điện áp cung cấp vào cho động

cơ để đảm bảo momen không đổi hay công suất không đổi Điều này không đơn giản vàthường có giá thành thiết bị điều chỉnh đắt

Ưu điểm của phương pháp này là bộ điều chỉnh có thể đặt ở vị trí bất kì, đem lại hiệuquả kinh tế cao khi có nhiều động cơ điện làm việc đồng thời, có thể điều chỉnh trơn, dảiđiều chỉnh rộng có khả năng hãm tái sinh Tuy nhiên nó có những nhược điểm không ápdụng cho quạt gió được mà ta sẽ xem dưới đây sau

Mômen động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp Stato, do đó có thể điều chỉnh được momen và tốc độ ĐKB bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp Stato trong khi giữ nguyên tần số Để điều chỉnh điện áp ĐKB phải dùng các bộ biến đổi điện áp xoay chiều(ĐAXC) mà ta thường dùng bộ 6 van IGBT mắc dạng chỉnh lưu cầu 3 pha

Khi điện áp lưới giảm, mô men tới hạn sẽ giảm theo bình phương lần độ suy giảm củađiện áp l bộ w1ưới Trong khiđó tốc độ đồng giữ nguyên và độ trượt tới hạn sth không thayđổi.Hệ số trượt bằng 1/ 2 hệ số trượt cũ, khi đó tốc độ là:

n = n1(1 – s/ 2)

Như vậy ta có thể điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua việc điều chỉnh điện áp nguồncấp vào động cơ Đặc biệt đối với phương pháp này tổn thất để điều chỉnh là khá nhỏ đối vớitải là quạt gió tương ứng với số mũ bằng 2 trong phương trình đặc tính cơ Tuy nhiên :momen động cơ được tính theo:

Bộ điều áp xoay chiều thường dùng van bán đẫn hơn cả bởi nó vừa đảm bảo chỉ tiêu kĩthuật và giá thành hợp lí Điện áp được qua bộ van bán dẫn phụ thuộc vào góc mở củatiristor

+ Do quạt thông gió dùng động cơ không đồng bộ roto lồng sóc với công suất nhỏhơn 200KW vớiyêu cầu điều chỉnh trơn, vùng điều chỉnh không quá rộng (cỡ 3:1) thì áp dụngphương pháp điều áp xoay chiều 3 pha là hợp lý bởi nó áp dụng cho động cơ làm việc độc lập,tổn thất nhỏ hiệu suất cao.

Vậy ta sẽ dùng phương pháp điều áp xoay chiều 3 pha dùng 6 van IGBT mắc dạng chỉnhlưu cầu 3 pha điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh góc mở để điều chỉnh điện áp cấp chođộng cơ

1

CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC

2.1.2 Chức năng của các phần tử trong mạch lực

- 4 van IGBT : làm nhiệm vụ khóa không tiếp điểm

- 4 Diode : dùng để trả năng lượng phản kháng về nguồn và thực hiện quá trình hãm tái sinh

- Điện cảm L1 , và Tụ điện C : bảo vẹ quá điện áp đầu vào , giảm hệ số đập mạch và nâng caochất lượng điện áp

- Điện cảm L : để duy trì dòng liên tục ra tải khi động cơ thưc hiện quá trình hãm tái sinh để đảo chiều

- Các mạch R-C mắc song song với các Van bán dẫn : để bảo vệ xung điện áp cho quá trìnhđóng cắt các van , tạo mạch vòng phóng điện tích quá độ trong quá trình chuyển mạch

1

2.2 tính toán lựa chọn các phần tử trong mạch

Chọn tần số băm xung f = 5000 Hz

2.2.1 tính toán chọn van IGBT và Diode

a Tính chọn Diode

Qua phân tích các mạch lực trên ta thấy:

+Dòng điện trung bình chạy qua Diode ID = (1- )It Với

giá trị dòng điện định mức động cơ là Itđm =15(A)

Chọn chế độ làm mát là van có cánh toả nhiệt với đủ diện tích bề mặt và có quạt thông gió,

khi đó dòng điện làm việc cho phép chạy qua van lớn tới 60 % I v

Lúc đó dòng điện qua van cần chọn

Iđmv = ki Imax =15/0.6=25(A)

Qua các biểu đồ ta thấy: Điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi Diode (bỏ qua sụt áp trên các

van) là

Ungmax= E = 220(V)Chọn hệ số quá điện áp ku = 2.5 → Ungv =ku.Ungmax = 2.5*220=550(V)

Từ hai thụng số trờn ta chọn 4 Diode với các thông số sau :

Trong đó

Imax dòng điện làm việc cực đại cho phép qua van

Ungv điện áp ngược cực đại cho phép đặt lên van

Ipik đỉnh xung dòng điện

∆U tổn hao điện áp ở trạng thái mở của Diode

Ith dòng điện thử cực đại

Ir dòng điện rò ở nhiệt độ 250 C

1

Tcp nhiệt độ cho phép làm việc

b. Tính chọn van IGBT

Xuất phát từ yêu cầu về đề bai ta phải chọn van bán dẫn là IGBT

+ Tính dòng trung bỡnh chạy qua van: Qua phân tích các mạch lực trên ta thấy:

Dòng điện trung bình chạy qua van là : IS = It

Với giá trị dòng điện định mức động cơ là Itđm =15(A)

+ Chọn chế độ làm mát là van có cánh toả nhiệt với đủ diện tích bề mặt và có quạt thông

gió, khi đó dòng điện làm việc cho phép chạy qua van lớn tới 50 % I v

Lúc đó dòng điện qua van cần chọn:

Iđmv = ki Imax = 15/0.6 = 25(A)

Qua các biểu đồ ta thấy: Điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi vsn IGBT (bỏ qua sụt áp

trên các van) là

Ungmax=E= 220 (V)Chọn hệ số quá điện áp ku = 2.5 → Ungv =ku.Ungmax = 2.5*220=550(V)

Từ các tính toán trên ta chọn 4 van IGBT có các thong số sau :

Kd = 0.1 ÷ 0.25 với động cơ không có cuộn bù

2.2.3 Tính toán các thiết bị bảo vệ

a Tính toán bộ lọc đầu vào của nghịch lưu

Hình 2.2 Bộ lọc đầu vào LCMục đích của việc tính toán bộ lọc là để xác đinh các trị số cần thiết của điện cảm và

tụ điện lọc sao cho thỏa mãn hệ số đập mạch mong muốn đồng thời hiệu chỉnh để

2

có kích thước của bộ lọc vừa phải Trong thực tế tụ điện được chế tạo với các trị số chuẩn

và chỉ cần chọn trị số phù hợp , còn điện cảm phải tự thiết kế vì không có chế tạo chuẩn

2

= 5.5

2

b Tính toán mạch bảo vệ van R-C

Hình 2.3 Mạch bảo vệ RC

Để bảo vệ xung điện áp do quá trình đóng cắt các van được dùng bằng các mạch R-

C mắc song song với các van bán dẫn như ở sơ đồ mạch lực : R1-C1 , R2-C2, R3-C3 , R4-C4

khi có sự chuyển mạch do phóng điện từ van ra ngoài nên tạo xung điện áp trê n bề mặt

tiếp giáp van

Dựa theo sách điện tử công suất của thầy Lê Văn Doanh có thể chọn gần đúng các

c Tính toán cuộn kháng lọc đầu ra L L

Biên độ dòng điện trên cuộn kháng lọc đầu ra là

Im = 5% Iđm = 0.05 15 = 0.75 A

Cuộn kháng lọc thành phần được tính theo công thức :

Vậy cuộn kháng lọc đầu ra LL = Lt + Lư = 0.047 + 5.8×10-3 = 0.0528 H

Bảng liệt kê các thiết bị trong mạch lực :

Uge = 5.5 V

Un = 600V

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN

3.1 Đặc điểm của hệ điều khiển phần nghịch lưu

+ Hệ thống điều khiển nghịch lưu dùng để tạo ra các xung điều khiển đóng mở van theo những luật mong muốn.

+ Luật điều khiển chủ yếu tập trung vào các vấn đề điều chỉnh điện áp, tần số

và đảm bảo chất lượng điện áp ra của nghịch lưu.

+ Hệ điều khiển có thể được phân loại theo hệ một pha, ba pha, theo tín hiệu hiện hành hệ điều khiển tương tự hoặc hệ điều khiển số.

+ Hệ điều khiển nghịch lưu gồm 2 phần: phần tạo luật điều khiển và phần tạo tín hiệu công suất để đóng mở các van động lực.

+ Hệ điều khiển với nghịch lưu cộng hưởng: Để ổn định tần số đối với phụ tải hay biến thiên, người ta dùng các bộ phản hồi dòng và áp của phụ tải Mạch phát xung chỉ đóng vai trò kích thích mở van nghịch lưu lúc ban đầu, sau đó khi mạch dao động thì mạch phát xung sẽ được cắt ra.

+ Ngoài ra hệ điều khiển còn tham gia vào bảo vệ bộ biến đổi trong những trường hợp sự cố nhất định.

3.2 Sơ đồ khối của mạch điều khiển

Hình 3.1 Sơ đồ khối điều khiển

IGBT 3.3 Nguyên tắc điều khiển

Trong thực tế người ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển sau: “Thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng arccos”, để thực hiện vị trí xung trong nửa chu kì dương của điện áp đặt lên triristor.

2

3.3.1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

Theo nguyên tắc này người ta thường dùng hai điện áp:

– Điện áp đồng bộ (Us), đồng bộ với điện áp đặt trên anot – catot của triristor, thường đặt vào đầu đảo của khâu so sánh.

– Điện áp điều khiển (Ucm), là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên

độ Thường đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh.

Do vậy hiệu điện thế đầu vào của khâu so sánh là:

Ud =Ucm-Us;

Khi Us = Ucm thì khâu so sánh lật trạng thái, ta nhận được sườn xuống của điện

áp đầu ra của khâu so sánh Sường xuống này thống qua đa hài một trạng thái bền

ổn định tạo ra xung điều khiển.

Hình 3.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính Như vậy bằng cách làm biến đổi Ucm, ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều chỉnh góc

Giữa và Ucm có quan hệ sau:

; Người ta lấy cmmax = Usmax

3.3.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Arccos

Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp: