ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC HỌC PHẦN ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỀ TÀI THIẾT KẾ BỘ BIẾN TẦN GIÁN TIẾP NGUỒN ÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ROTOR LỒN[.]
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KĐB
Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc
Hình 1 Sơ đồ thay thế một pha ĐK ls
U 2 f là trị số hiệu dụng của điện áp pha stator (V)
I 1 , I μ , I ' 2 là các dòng stator, mạch từ hóa, rotor đã quy đổi về stator (A)
X 1 , X μ , X ' 2 là điện kháng stator, mạch từ, rotor đã quy đổi về stator (Ω)
R 1 ,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 s= ω 1 −ω ω 1 = ω 0 −ω ω 0
Trong đó ω là tốc độ góc của rotor động cơ (rad/s) ω 1 =ω 0 là tốc độ của từ trường quay ở stator của động cơ (rad/s) ω 1 =ω 0 = 2 π f 2 p
Trong đó f 2 là tần số của điện áp nguồn đặt vào stator (Hz)
1.1.2 Phương trình đặc tính cơ của động cơ KĐB
Phương trình đặc tính điện-cơ
X nm =X 1 + X ' 2 là điện kháng ngắn mạch
Qua đó thấy rằng: Khi ω 0 =ω thì s= 0 , ta có I ' 2 =0
Trong đó: I ' 2 nm là dòng ngắn mạch của rotor hay chính là dòng khởi động của động cơ Đặc tính điện-cơ của ĐC KĐB lồng sóc
Hình 2 Đặc tính điện-cơ của ĐK ls
1.1.3 Phương trình và đặc tính cơ của động cơ ĐK ls
Phương trình đặc tính cơ
Hình 3 Đặc tính cơ của ĐK ls
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ Đ Kls
Qua phương trình đặc tính cơ của động cơ, việc thay đổi các thông số như điện trở, điện kháng, điện áp, tần số và số đôi cực sẽ dẫn đến sự biến đổi của s th và M th.
Nên từ đó sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ không đồng bộ Sau đây ta sẽ xét một 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
Hệ số trượt giới hạn Sth không phụ thuộc vào điện áp, và khi R’2 không đổi, việc giảm điện áp nguồn U sẽ không làm Mmax giảm theo tỉ lệ với U^2 Phương pháp này chỉ áp dụng khi máy đang mang tải; nếu máy không mang tải mà giảm điện nguồn, tốc độ gần như không thay đổi.
1.2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi số đôi cực từ ω=ω 0 (1− s)= 2 π f 2 (1−s) p
Trong đó f 2 là tần số lưới điện
Thay đổi số đôi cực từ p sẽ ảnh hưởng đến giá trị của \$\omega_0\$ và cho phép điều chỉnh \$\omega\$ Số đôi cực của từ trường quay stator phụ thuộc vào cách bố trí 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=n 1 (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
E 1 =4.44 f 1 W 1 k d q ∅ max ta nhận thấy ∅ max tỷ lệ thuận với E1 f
1 Người ta mong muốn giữ ∅ max
Để điều chỉnh đồng thời cả E/f, cần sử dụng một nguồn điện đặc biệt, đó là các bộ biến tần máy nén khí trong công nghiệp.
Sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật vi điện tử và điện tử công suất đã dẫn đến sự ra đời của các bộ biến tần, mở ra triển vọng lớn trong việc điều khiển động cơ xoay chiều bằng phương pháp tần số Việc sử dụng biến tần để điều khiển động cơ theo các quy luật khác nhau, như quy luật U/f và điều khiển véc tơ, đã tạo ra các hệ thống điều khiển tốc độ động cơ với tính năng vượt trội Do đó, chúng ta chọn điều chỉnh động cơ KĐB ba pha rotor lồng sóc bằng bộ biến tần với các khối cấu thành phù hợp.
Hình 4 Sơ đồ khối bộ biến tần
Biến tần gián tiếp
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
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
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
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
IGBT ra đời kết hợp ưu điểm công suất của BJT và khả năng điều khiển của MOSFET, giúp giảm thiểu tổn hao trong điều khiển và công suất đóng cắt.
IGBT có khả năng chế tạo với công suất lớn mà không bị hạn chế về mặt điều khiển, giúp giảm chi phí sản xuất Hiện nay, IGBT có thể đạt điện áp lên đến 6kV và dòng điện khoảng 3kA, trong khi yêu cầu điện áp cho mạch điều khiển chỉ khoảng 20V và không cần dòng điều khiển, vì IGBT được điều khiển bằng điện áp giống như MOSFET.
Tổn hao năng lượng của IGBT thấp hơn BJT nhưng cao hơn MOSFET, do đó, việc làm mát IGBT cần được chú trọng đặc biệt khi công suất tăng cao.
Việc kích thích IGBT được thực hiện thông qua xung điện áp vào cổng kích "G" Đặc tính V-A của IGBT tương tự như của MOSFET, và việc ngắt IGBT có thể được thực hiện bằng cách khóa điện thế cấp cho cổng kích.
Bộ nghịch lưu độc lập điện áp ba pha
2.4.1 Sơ đồ mạch động lực
Hình 9 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu áp ba pha
Thứ tự đóng mở các khóa được biểu diễn như sau:
Hình 10 Sơ đồ thứ tự đóng mở các van
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
Để tạo ra điện áp ba pha đối xứng, các van phải tuân theo đồ thị như trong hình 13 Cụ thể, T1 và T4 dẫn điện lệch nhau 180 độ để tạo ra pha A, T3 và T6 dẫn điện lệch nhau 180 độ để tạo ra pha B, và T5 cùng T2 dẫn điện lệch nhau 180 độ để tạo ra pha C Các pha này lệch nhau 120 độ.
Phương pháp PWM
Phương pháp điều chế PWM (Pulse Width Modulation) là kỹ thuật điều chỉnh điện áp đầu ra cho tải, thông qua việc thay đổi độ rộng của các xung vuông, từ đó ảnh hưởng đến điện áp đầu ra.
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ khám phá phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM), bao gồm hai loại chính là điều chế hình sin SPWM và điều chế véc tơ VPWM Mặc dù chỉ có hai loại lớn, nhưng sự đa dạng trong từng kiểu điều chế, đặc biệt là VPWM, rất phong phú và đang được nghiên cứu và phát triển liên tục Đồ án này sẽ tập trung vào việc sử dụng điều chế SPWM.
Nguyên tắc cơ bản của SPWM là trong khoảng dẫn của van, van không dẫn liên tục mà thực hiện việc đóng cắt nhiều lần Độ rộng xung dẫn được điều chỉnh theo giá trị tức thời của hình sin có tần số tương ứng với sóng hài cơ bản.
Phương pháp này dựa trên nguyên lý so sánh giữa xung tam giác tần số cao (sóng mang) và điện áp hình sin (sóng điều chế) Điểm giao nhau giữa hai điện áp này xác định trạng thái chuyển đổi của các cặp van.
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 hệ số chính.
Hệ số điều biến biên độ là tỷ số giữa biên độ của sóng điện áp điều chế và sóng mang Khi hệ số này quá cao, nó có thể dẫn đến hiện tượng quá điều chế, làm giảm chất lượng điện áp đầu ra.
Hệ số điều biến tần số là tỷ số giữa tần số sóng mang và sóng điều chế PWM được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ, giúp ổn định tốc độ và điều chỉnh nhanh chậm Ngoài ra, PWM còn tham gia vào việc điều chế các mạch nguồn như boot, buck, và nghịch lưu 1 pha và 3 pha PWM xuất hiện phổ biến trong các mạch điện điều khiển và đặc biệt là để điều khiển các phần tử điện tử công suất với đường đặc tính tuyến tính khi có nguồn một chiều cố định.
Các PWM khi được biến đổi đều có tần số giống nhau, nhưng độ rộng của sườn dương và sườn âm lại khác nhau Để minh họa rõ hơn, chúng ta có thể tham khảo hình vẽ dưới đây.
Hình 15 Đồ thị dạng xung điều chế PWM
Sơ đồ trên minh họa dạng xung điều chế trong một chu kỳ, trong đó thời gian xung lên (sườn dương) có thể thay đổi, dãn ra hoặc co vào Độ rộng của xung được tính bằng phần trăm, cụ thể là:Độ rộng = \(\frac{t_1}{T} \times 100\) (%)
Thời gian xung lên lớn hơn trong một chu kỳ sẽ dẫn đến điện áp đầu ra cao hơn Cụ thể, điện áp ra tải được tính như sau: với PWM = 25%, điện áp ra Ut = Umax \times 25\% (V); với PWM = 50%, Ut = Umax \times 50\% (V); và với PWM = 75%, Ut = Umax \times 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 điều khiển và dạng điện áp đầu ra khi dùng PWM.
Trong khoảng thời gian từ 0 đến \( t_0 \), van G mở toàn bộ điện áp nguồn \( U_d \) được cung cấp cho tải Từ \( t_0 \) đến \( T \), van G sẽ khóa lại, ngắt nguồn điện.
+ 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 được tính bằng %
Như vậy ta nhìn trên hình đồ thị dạng điều chế xung thì ta có : Điện áp trùng bình trên tải sẽ là :
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 và bằng phần mềm Trong phần cứng có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay là từ trực tiếp từ các IC dao động tạo xung vuông như : 555, LM556 Trong phần mềm được tạo bằng các chip có thể lập trình được Tạo bằng phần mềm thì độ chính xác cao hơn là tạo bằng 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)Xét sơ đồ mạch sau :
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 1 tín 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
Tần số xung vuông D thay đổi tương ứng với tần số xung răng cưa, được xác định bởi công thức \( f = \frac{1}{\ln(C1 \cdot (R1 + 2R2)) \) Việc điều chỉnh R2 cho phép thay đổi độ rộng xung một cách dễ dàng Ngoài IC 555, còn nhiều loại IC khác có khả năng tạo xung vuông.
THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC
Tính chọn mạch nghịch lưu
P đm =3 kW , U đm = 220V , n đm 00 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:
3.1.1.1 Chọn hệ số điều biến tần số
Tăng giá trị m f sẽ làm tăng tần số các sóng hài xuất hiện Đối với bộ nghịch lưu ba pha điều khiển bằng phương pháp PWM, nên chọn m f là bội số của 3 Do đó, lựa chọn m f là rất quan trọng!
Khi đó tần số chuyển mạch lớn nhất của van bán dẫn trong bộ nghịch lưu là: f max 0× 21!00 Hz
Tần số chuyển mạch tối thiểu của van bán dẫn trong bộ nghịch lưu là \$f_{min} \times 21B0\$ Hz Để chọn hệ số điều biến biên độ, cần tính toán các thông số liên quan đến IGBT.
Chọn chế độ điều khiển tuyến tính cho phương pháp SPWM, trong đó mối quan hệ giữa biên độ và thành phần cơ bản của áp ra và áp điều khiển là tuyến tính Trong quá trình làm việc, điều kiện m a ≤ 1 được đảm bảo, giúp 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 , trong đó U z(12) là điện áp dây của động cơ Suy ra
Tính toán với tổn hao trên van là 2V và sụt áp trên cuộn kháng là 1,5% thì ta có điện áp đầu vào bộ nghịch lưu là U =2+0,015 × 360+36067,4 V
Chọn hệ số dự trữ dòng điện K i =1,4 Dòng điện chịu đựng của IGBT là
Suy ra chỉ tiêu chọn van bán dẫn IGBT:
Từ đó ta chọn 6 IGBT loại BSM10GD120DN2 với các thông số như sau:
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 ' 67,4 V
Dòng điện đầu ra của chỉnh lưu chính là I d =4,34 A Điện áp thứ cấp của máy biến áp:
Vậy điện áp ngược đặt lên diode ( điện áp dây giữa hai pha của máy biến áp):
U ℑ =√ 6 U = √ 6 ×15784,6 V Chọn hệ số dự trữ điện áp K u = 2,34 Ta có điện áp ngược của diode là:
Dòng điện qua mỗi Diode được tính theo dòng hiệu dụng của mỗi Diode
√ 3 = 4,34 √ 3 =2,5 A Chọn hệ số dự trữ dòng điện K i =1,4
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
Suy ra ta chọn 6 Diode loại TIPL760A của hãng Philips với các thông số như sau:
Ta thấy điện áp ngược cực đại đặt lên Diode chịu được là 1000V và dòng điện chịu tối đa là 4A
Tính toán máy biến áp lực
Chọn máy biến áp 3 pha nối (∆) giúp giảm tiết diện dây quấn thứ cấp, với sụt áp trên điện trở cuộn dây thứ cấp khoảng 4% và sụt áp trên một Diode khoảng 1,2 V Điện áp một chiều tổng quát tương ứng với tải định mức là
Công suất thực tế phía một chiều
Hệ số biến áp K ba = U 1
164,3 =1,34 Trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp:
√ 3 × I d = 0,816 ×4,34 =3,5 A Dòng điện cuộn sơ cấp:
Vậy các tham số của máy biến áp chỉnh lưu cần chọn là:
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Mạch phát sóng sin chuẩn
Mạch phát sóng cần tạo ra sóng sine chuẩn với tần số từ 20 đến 100 Hz và biên độ 3V Hiện nay, có nhiều loại IC cho phép tạo ra sóng sin và sóng tam giác ổn định, với khả năng điều chỉnh tần số trong dải rộng IC XR2206CP là một lựa chọn phù hợp, có khả năng tạo sóng sin và sóng tam giác với tần số điều chỉnh từ 0.01Hz đến 1MHz, đáp ứng yêu cầu của mạch điều khiển với tần số sóng sin từ 20Hz đến 100Hz.
Hình 22 Sơ đồ IC XR2206CP
Chọn sơ đồ mắc như sau:
Chọn giá trị R3 theo hình : ta chọn biên độ sóng sin ra là 3V tra trên đồ thị (Hình) ta chọn được R3 = 49k
Cũng từ datasheet ta có f = RC 1 với R=R 1 + P 1 và C=C 1 ta chọn C 1 =1 μF
Với tần số min 20Hz
Với tần số max 100Hz
Chúng tôi chọn R6 = 10 kΩ và P1 = 40 kΩ, trong đó biến trở P1 được sử dụng để điều chỉnh tần số sóng sin từ 20Hz đến 100Hz Theo sơ đồ mắc, độ méo dạng của sóng sin được giữ ở mức ≤ 2,5%.
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 được sử dụng để tạo xung tam giác Theo datasheet, sơ đồ mắc IC tương tự như trong khâu tạo sóng sin, nhưng loại bỏ điện trở R2 Kết quả là dạng sóng đầu ra sẽ là sóng tam giác.
Figure 24 Mạch tao sóng mang tam giác dùng IC XR 2206
Tần số ra cần điều chỉnh từ 480Hz đến 2400Hz
Chọn giỏ trị của C1 = 25àF
Với tần số min 480Hz
Với tần số max 2400Hz
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
Tiếp theo ta lần lượt cho qua 2 bộ dịch pha RC để thay đổi góc lệch từ 0º→120º và -120º ta dùng IC CA3240
Ta dùng 3 mạch so sánh Ở mạch này sóng sin 3 pha được tạo ra sẽ được so sánh với sóng mang tam giác
Figure 27 Mạch so sánh CA 3240
Ta sử dụng OP AMP CA3240 Tín hiệu PWM sẽ được tạo ra như sau:
Khi U sin >U o thì U PWM =+U (Uss)
Khi U sin