Đề tài thiết kế bộ biến tần gián tiếp nguồn áp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc

Hình 7 Sơ đồ dạng sóng điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu 3 pha hình cầukhông điều khiển.... Hình 12 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu ba pha điều khiển bằng phương pháp PWM.... 1.2 Các phươn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn: TS GIÁP QUANG HUY

Sinh viên thực hiện: TRẦN VIẾT HOÀI VĨ

LÝ QUANG VINH

NGUYỄN BÁ TỊNH

HUỲNH QUANG TIẾN

Nhóm HP / Lớp: 91A/18D2

Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

Mục lục

DANH SÁCH HÌNH ẢNH 3

DANH SÁCH CÁC BẢNG 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KĐB 4

1.1 Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc: 4

1.1.1 Sơ đồ thay thế 4

1.1.2 Phương trình đặc tính cơ của động cơ KĐB 5

1.1.3 Phương trình và đặc tính cơ của động cơ Đ Kls 6

1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ Đ Kls 7

1.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi điện áp stator 7

1.2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi số đôi cực từ 7

1.2.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi tần số kết hợp thay đổi điện áp 7 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN 9

2.1 Biến tần gián tiếp 9

2.1.1 Sơ đồ cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp nguồn áp 9

2.2 Giới thiệu về chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển 9

2.4 Bộ nghịch lưu độc lập điện áp ba pha 11

2.4.1 Sơ đồ mạch động lực 11

2.4.2 Hoạt động 12

2.4.3 Điện áp của bộ nghịch lưu 12

2.4.4 Nguyên tắc điều khiển bộ nghịch lưu nguồn áp 12

2.5 Phương pháp PWM 13

2.5.1 Giới thiệu về PWM 13

2.5.2 Nguyên lý của phương pháp PWM 15

2.5.3 Các cách để tạo ra PWM để điều khiển 17

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC 19

3.1 Tính chọn mạch nghịch lưu: 19

3.1.1 Tính chọn IGBT 20

3.2 Tính mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển 22

3.3 Tính toán máy biến áp lực 23

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 25

4.1 Mạch phát sóng sin chuẩn 25

KẾT LUẬN CHUNG 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 2 Đặc tính điện-cơ của Đ Kls

Hình 3 Đặc tính cơ của Đ Kls

Hình 4 Sơ đồ khối bộ biến tần

Hình 5 Sơ đồ cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp

Hình 7 Sơ đồ dạng sóng điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu 3 pha hình cầu

không điều khiển

Hình 8 Ký hiệu IGBT

Hình 9 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu áp ba pha

Hình 10 Sơ đồ thứ tự đóng mở các van

Hình 11 Sơ đồ điện áp ra của bộ nghịch lưu

Hình 12 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu ba pha điều khiển bằng phương pháp PWM

Hình 13 Trạng thái quá trình đóng mở của các van

Hình 14 Dạng sóng điện áp đầu vào và đầu ra của khâu so sánh

Hình 15 Đồ thị dạng xung điều chế PWM

Hình 16 Sơ đồ đóng ngắt nguồn với tải

Hình 17 Đồ thị xung của van điều khiển và đầu ra

Hình 18 Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh

DANH SÁCH CÁC BẢNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KĐB

1.1.1 Sơ đồ thay thế

Hình 1 Sơ đồ thay thế một pha

Trong đó:

U 2 f là trị số hiệu dụng của điện áp pha stator (V)

I1, I μ , I '2 là các dòng stator, mạch từ hóa, rotor đã quy đổi về stator (A)

X1, X μ , X '2là điện kháng stator, mạch từ, rotor đã quy đổi về stator (Ω)

R1,R μ ,R '2 là điện trở stator, mạch từ, rotor đã quy đổi về stator (Ω)

s là hệ số trượt của động cơ

ω là tốc độ góc của rotor động cơ (rad/s)

ω1=ω0 là tốc độ của từ trường quay ở stator của động cơ (rad/s)

ω1=ω0=2π f2

p

Trong đó

f2 là tần số của điện áp nguồn đặt vào stator (Hz)

p là số đôi cực từ của động cơ

1.1.2 Phương trình đặc tính cơ của động cơ KĐB

1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK ls

Qua phương trình đặc tính cơ của động cơ ta nhận thấy khi thay đổi các thông sốnhư điện trở, điện kháng, điện áp, tần số, số đôi cực thì sẽ thay đổi được s th

,

Nên từ đó sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ không đồng bộ Sau đây ta sẽ xétmột số phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐC KĐB

1.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi điện áp stator

Ta đã biết, hệ số trượt giới hạn Sth không phụ thuộc vào điện áp, nếu R’2 không đổithì khi giảm điện áp nguồn U, hệ số trượt tới hạn Sth sẽ không còn Mmax giảm tỉ lệ với U2.Phương pháp này chỉ thực hiện khi máy mang tải, con khi máy không mang tải mà giảmđiện nguồn, tốc độ gần như không đổi

1.2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi số đôi cực từ

ω=ω0(1−s)= 2π f2(1−s)

p

Trong đó f2 là tần số lưới điện

Ta thấy nếu thay đổi số đôi cực từ p, sẽ thay đổi được ω0 và sẽ điều chỉnh được ω,

số đôi cực của từ trường quay stator tùy thuộc vào cacsg đấy dây quấn stator

1.2.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi tần số kết hợp thay đổi điện

áp

Tốc độ của động cơ KĐB n=n1(1−s)= 60 f p (1−s)

Khi hệ số trượt thay đổi ít thì tốc độ tỷ lệ thuận với tần số Mặt khác, từ biểu thức

E1=4.44 f1W1k d q ∅ max ta nhận thấy ∅ max tỷ lệ thuận với E1 f

1 Người ta mong muốn giữ

∅ max= const Muốn vậy phải điều chỉnh đồng thời cả E/f , có nghĩa là phải sử dụng một

nguồn điện đặc biệt , đó là các bộ biến tần máy nén khí trong công nghiệp

Do sự phát triển mạnh mẽ của kĩ thuật vi điện tử và điện tử công suất, các bộ biếntần ra đời đã mở ra một triển vọng lớn trong lĩnh vực điều khiển động cơ xoay chiều bằngphương pháp tần số Sử dụng biến tần để điều khiển động cơ theo các quy luật khác nhau  ( quy luật U/f, điều khiển véc tơ ) đã tạo ra những hệ điều khiển tốc độ động cơ có cáctính năng vượt trội Qua phân tích trên ta chọn điều chỉnh đông cơ KĐB ba pha rotor lồngsóc bằng bộ biến tần với các khối như sau:

Hình 4 Sơ đồ khối bộ biến tần

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN

2.1.1 Sơ đồ cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp nguồn áp

Hình 5 Sơ đồ cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp

2.2 Giới thiệu về chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển

Hình 6 Sơ đồ nguyên lý của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển

2.2.1 Nguyên lý hoạt động

Nhóm Anode: diode mở khi áp pha nguồn tương ứng dương nhất

Nhóm cathode: diode mở khi áp pha nguồn tương ứng âm nhất

2.2.1.1Sơ đồ dạng sóng đầu ra của chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển

Hình 7 Sơ đồ dạng sóng điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu 3 pha hình cầu không điều khiển

2.2.1.2 Điện áp trung bình sau chỉnh lưu

U dA −U dK=3

√

π U

Với U là giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp của máy biến áp

2.2.1.3 Điện áp ngược cực đại đặt lên van

Uℑ =−

√

2.3 Giới thiệu về IGBT

Giải công suất của IGBT:Do không bị hạn chế về mặt điều khiển nên có thể chếtạo IGBT với công suất khá lớnvới giá thành không quá cao Ngày nay có thể chế tạoIGBT với điện áp cỡ 6kV và dòng điện cỡ 3kA trong khi yêu cầu điện áp mạch điềukhiển chỉ khoảng 20V và không cần dòng điều khiển do IGBT được điều khiển bằng điện

áp như MOSFET

Tổn hao và làm mát cho IGBT: Trong quá trình vận hành IGBT có tổn hao thấphơn BJT nhưng lại cao hơn MOSFET Nên quá trình làm mát IGBT phải đặc biệt đượcchú ý khi dải công suất tang cao

2.3.2 Điều khiển IGBT

Việc kích dẫn IGBT được thực hiện bằng xung điện áp đưa vào cổng kích “G”.đặc tính V-A của IGBT có dạng tương tự như đặc tính V-A của MOSFET việc ngắtIGBT có thể thực hiện bằng cách khóa điện thế cấp cho cổng kích

2.4 Bộ nghịch lưu độc lập điện áp ba pha

2.4.1 Sơ đồ mạch động lực

2.4.3 Điện áp của bộ nghịch lưu

Hình 11 Sơ đồ điện áp ra của bộ nghịch lưu

2.4.4 Nguyên tắc điều khiển bộ nghịch lưu nguồn áp

Hình 12 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu ba pha điều khiển bằng phương pháp PWM

Hình 13 Trạng thái quá trình đóng mở của các van

Để đảm bảo tạo ra điện áp ba pha đối xứng luật dẫn điện của các van phải tuântheo đồ thị như trên hình Như vậy T1, T4 dẫn điện lệch nhau 180 và tạo ra pha A T3, T6dẫn điện lệch nhau 180 để tạo ra pha B T5, T2 dẫn điện lệch nhau 180 để tạo ra pha C,

-Ta sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Điều chế PWM tuy chỉđược phân thành hai loại lớn là điều chế hình sin SPWM và điều chế véc tơ VPWMnhưng sự đa dạng của từng kiểu điều chế rất phong phú đặc biệt là VPWM và vẫn đangđược tiếp tục nghiên cứu và phát triển Trong đồ án này sử dụng điều chế SPWM và mục

-Nguyên tắc cơ bản của SPWM là trong một khoảng dẫn của van, van không dẫnliên tục mà đóng cắt rất nhiều lần với độ rộng xung dẫn bám theo giá trị tức thời của hìnhsin có tần số bằng sóng hài cơ bản.

-Nguyên lý của phương pháp là dùng xung tam giác tần số cao (gọi là sóng mang– carrier) để so sánh với điện áp hình sin (gọi là sóng điều chế - modulation), điểm cắtnhau giữa hai điện áp này là điểm chuyển đổi trạng thái của các cặp van cho nhau

Hình 14 Dạng sóng điện áp đầu vào và đầu ra của khâu so sánh

-Hiệu quả giảm sóng hài bậc cao của PWM phụ thuộc vào quan hệ thể hiện ở hai

và 3 pha PWM chúng ta còn gặp nhiều trong thực tế và các mạch điện điều khiển Điềuđặc biệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặctính là tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định

Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườndương hoặc là sườn âm

Để dễ hiểu hơn ta có hình vẽ sau:

Đối với PWM = 25% ==> Ut = Umax.(t1/T) = Umax.25% (V)

Đối với PWM = 50% ==> Ut = Umax.50% (V)

Đối với PWM = 75% ==> Ut = Umax.75% (V)

Cứ như thế ta tính được điện áp đầu ra tải với bất kì độ rộng xung nào

2.5.2 Nguyên lý của phương pháp PWM

Hình 16 Sơ đồ đóng ngắt nguồn với tải

Hình 17 Đồ thị xung của van điều khiển và đầu ra

Trên là mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung của chân điềukhiển và dạng điện áp đầu ra khi dùng PWM

* Nguyên lý : Trong khoảng thời gian 0 - to ta cho van G mở toàn bộ điện ápnguồn Ud được đưa ra tải Còn trong khoảng thời gian to - T cho van G khóa, cắt nguồncung cấp cho tải Vì vậy với to thay đổi từ 0 cho đến T ta sẽ cung cấp toàn bộ , một phần

+ Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :

Gọi To là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở )còn T là thời gian của cả sườn

âm và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải

==> Ud = Umax.( t1/T) (V) hay Ud = Umax.D với D = t1/T là hệ số điều chỉnh và đượctính bằng %

Như vậy ta nhìn trên hình đồ thị dạng điều chế xung thì ta có : Điện áp trùng bìnhtrên tải sẽ là :

Ud = 12.20% = 2.4V ( với D = 20%)

Ud = 12.40% = 4.8V (Vói D = 40%)

Ud = 12.90% = 10.8V (Với D = 90%)

2.5.3 Các cách để tạo ra PWM để điều khiển

Để tạo được ra PWM thì hiện nay có hai cách thông dụng : Bằng phần cứng vàbằng phần mềm Trong phần cứng có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay là từ trựctiếp từ các IC dao động tạo xung vuông như : 555, LM556 Trong phần mềm được tạobằng các chip có thể lập trình được Tạo bằng phần mềm thì độ chính xác cao hơn là tạobằng phần cứng Nên người ta hay sử dụng phần mềm để tạo PWM

2.5.3.1Tạo bằng phương pháp so sánh

Để tạo được bằng phương pháp so sánh thì cần 2 điều kiện sau đây :

Tín hiệu răng cưa : Xác định tần số của PWM

Tín hiệu tựa là một điện áp chuẩn xác định mức công suất điều chế (Tín hiệu DC)

Hình 18 Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh

Chúng ta sử dụng một bộ so sánh điện áp 2 đầu vào là 1 xung răng cưa (Saw) và 1tín hiệu 1 chiều (Ref)

Khi Saw < Ref thì cho ra điện áp là 0V

Khi Saw > Ref thì cho ra điện áp là Urmax

Và cứ như vậy mỗi khi chúng ta thay đổi Ref thì Output lại có chuỗi xung độ rộng

D thay đổi với tần số xung vuông Output = tần số xung răng cưa Saw Với tần số xácđịnh được là f = 1/(ln.C1.(R1+2R2) nên chỉ cần điều chỉnh R2 là có thể thay đổi độ rộngxung dễ dàng Ngoài 555 ra còn rất nhiều các IC tạo xung vuông khác

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC

Nhắc lại yêu cầu

P đm =3 kW,U đm =220V, n đm =1500 vòng phút

cos φ đm=0,8 , ŋ = 0,8

Hệ số dự trữ điện áp: K u=2,34

Hệ số dự trữ dòng điện: K i=1,4

Điều chỉnh tần số đầu ra của bộ biến đổi: 20 → 100 Hz

Ta tính được công suất của động cơ nhận được từ bộ nghịch lưu là:

P 1 đm=P đm

ŋ = 30,8=¿ 3,75 kW

3.1.1 Tính chọn IGBT

3.1.1.1 Chọn hệ số điều biến tần số

Việc tăng giá trị m f sẽ dẫn đến việc tăng giá trị tần số các sóng hài xuất hiện Và tanên chọn m f là bội số của 3 đối với bộ nghịch lưu ba pha điều khiển bằng phương phápPWM Vậy ta chọn m f=21

Khi đó tần số chuyển mạch lớn nhất của van bán dẫn trong bộ nghịch lưu là:

f max =100× 21=2100 Hz

Tần số chuyển mạch nhỏ nhất của van bán dẫn trong bộ nghịch lưu là

f min =20× 21=420 Hz

3.1.1.2Chọn hệ số điều biến biên độ và tính các thông số chọn IGBT

Chọn chế độ điều khiển tuyến tính ( mối quan hệ giữa biên độ và thành phần cơbản của áp ra và áp điều khiển là tuyến tính) cho phương pháp SPWM Nên trong quátrình làm việc thì m a ≤1 Lúc đó, biên độ sóng hài cơ bản nằm trong giới hạn (0; U d

2 ), tức

là khi m a=1 ta có điện áp đặt lên IGBT là cực đại

Đối với nghịch lưu áp ba pha, biên độ điện áp pha hài cơ bản:

3.2 Tính mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển

Theo tính toán ở trên ta có:

Điện áp đầu ra của chỉnh lưu chính là U d ' =367,4 V

Dòng điện đầu ra của chỉnh lưu chính là I d =4,34 A

Điện áp thứ cấp của máy biến áp:

Dòng điện chịu tối đa của Diode là: I pD =1,4× 2,5=3,5 A

Vậy ta chọn Diode dựa trên chỉ số đã tính

U imD ≥ 900V, I pD ≥ 3,5 A

Suy ra ta chọn 6 Diode loại TIPL760A của hãng Philips với các thông số như sau:

Hình 21 Datasheet TIPL760A

Ta thấy điện áp ngược cực đại đặt lên Diode chịu được là 1000V và dòng điện chịu tối

đa là 4A

3.3 Tính toán máy biến áp lực

Chọn máy biến áp 3 pha nối (∆) để giảm tiết diện của dây quấn thứ cấp, sụt áp trênđiện trở cuộn dây thứ cấp tương đối lớn khoảng 4%, sụt áp trên 1 Diode khoảng 1,2 V

Điện áp một chiều tổng quát tương ứng với tải định mức là:

U d đm =U d ' +2∆ U V +∆ U R =367,4+2× 1,2+0,04 ×367,4=384,5 V

Công suất thực tế phía một chiều

P =U I =384,5 × 4,34=1668,7 W

Vậy các tham số của máy biến áp chỉnh lưu cần chọn là:

S ba =1,7 kVA ,U1=220 V ,U2=164,3V , I1=2,6 A ,I2=3,5 A

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

4.1 Mạch phát sóng sin chuẩn

Mạch phát sóng cần tạo ra sóng sine chuẩn có tần số thay đổi từ 20 →100 Hz và

có biên độ 3V Hiện nay có rất nhiều loại IC cho phép tạo ra cả sóng sin và sóng tam giáckhá ổn định, có thể điều chỉnh tần số trong dải rộng Qua khảo sát ta tìm được IC thíchhợp là XR2206CP IC này có thể tạo được sóng sin và sóng tam giác điều chỉnh từ0.01Hz đến 1MHz Trong mạch điều khiển ta cần sóng sin tần số từ 20Hz đến 100Hz

Hình 22 Sơ đồ IC XR2206CP

Chọn sơ đồ mắc như sau:

4.2 Khâu tạo sóng tam giác

Như đã đề cập ở trên, để thuận lợi cho việc điều chỉnh tần số ta cũng dùng IC

XR2206CP cho khâu tạo xung tam giác.Từ datasheet để tạo xung tam giác sơ đồ mắc IC

tương tự như ở khâu tạo sóng sin nhưng ta bỏ đi điện trở R2 Dạng sóng ra là sóng tamgiác hai cực tính và ta cần biên độ của nó là 3V

Figure 24 Mạch tao sóng mang tam giác dùng IC XR 2206

4.3 Khâu dịch pha để tạo 3 sóng sin lệch pha nhau 120º

Sau khi nhận tín hiệu sin từ khâu tạo sóng, ta cho tín hiệu qua mạch đệm IC

Figure 27 Mạch so sánh CA 3240

Ta sử dụng OP AMP CA3240 Tín hiệu PWM sẽ được tạo ra như sau:

Khi Usin>U o thì U PWM =+U(Uss)

Khi Usin<U o thì U PWM =−U(Uss)

Hình 28 Dạng sóng điện áp đầu ra khâu so sánh

4.5 Khâu đảo tín hiệu điều khiển

Khâu này tạo xung điều khiển ngược với khâu so sánh

Ta dùng IC 74SL04 với 6 cổng not

4.6 Khâu cách ly và khuếch đại xung

Mục đích nhằm khuếch đại xung đủ lớn để van có thể mở và cách ly giữa mạch

động lực và mạch điều khiển Ta chọn IC lái IR2110 để thực hiện chức năng trên.

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ MẠCH BẢO VỆ

VÀ KẾT LUẬN

5.1 Bảo vệ các mạch phần tử trong mạch chỉnh lưu

5.1.1 Bảo vệ quá điện áp cho các Diode chỉnh lưu

Bảo vệ quá điện áp do quá trình chuyển mạch đóng mở của các Diode được thựchiện bằng cách mắc R-C song song với Diode

Chọn R = 5,1 (Ω), C = 0,25 (μF)

5.1.2 Bảo vệ van bán dẫn IGBT

Được thực hiện bằng cách mắc mạch RC song song với IGBT để tránh xung quáđiện áp do quá trình đóng mở các van

Ta chọn R=0,56kΩ và Cs=10nF

Figure 30 Mạch RC bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch