tiểu luận thiết kế biến tần ba pha dùng thyristor

Lời giới thiệu 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.Yêu cầu trước hết là phải

.1

M c L cụ ụ 1

Chương 1: T ng quan v công ngh bi n t n ổ ề ệ ế ầ 5

1.1 Công ngh bi n t nệ ế ầ 5

1.1.1 Khái ni m chungệ 5

1.1.2 Ch nh l uỉ ư 8

1.1.3 Ngh ch l uị ư 8

1.2 Động c không ơ đồng b ba phaộ 9

1.2.1 Khái ni m chung ệ 9

1.2.2 C u t oấ ạ 10

1.2.3 Nguyên lý ho t ạ độ 12ng 1.2.4 nh hẢ ưởng c a t n s lủ ầ ố ướ đ ệi i n f1 c p cho ấ động cơ 12

1.2.5 Phương trình đặc tính cơ 14

1.2.6 nh hẢ ưởng các thông s ố đế đặn c tính c ơ 15

1.3 Máy bi n áp ế 17

1.3.1 Khái ni m chungệ 17

1.3.2 Nguyên t c ho t ắ ạ độ 18ng 1.4 Gi i thi u v thyristor v iôtớ ệ ề à đ 19

1.4.1 Thyristor 19

1.4.2 iôt công su tĐ ấ 20

1.4.3 ng d ng c a thyristorỨ ụ ủ 21

Lời giới thiệu

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.Yêu cầu trước hết là phải đưa kĩ thuật công nghệ để ứng dụng vào thực tế sản xuất.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 lại hiệu quả cao được ứng dụng ngày càng rộng rãi.Sự ra đời của động cơ điện vào cuối thế kỷ XIX đã tạo 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 thể thiếu trong công nghiệp và trong đời sống sinh hoạt.So với tất cả các động cơ điện 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 dụng đơn giản,giá thành rẻ đã dần thay thế các loại máy điện một chiều.Để đáp ứng được nhu cầu của sản xuất công nghiệp,người ta đã 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.Nội dung các phần trong bài thiết kế như sau :

Chương 1 : Tổng quan về công nghệ biến

Giới thiệu về động cơ không đồng bộ và các hệ thống biến tần.

Chương 2 : Tính toán và thiết kế mạch công suất

Mạch động lực, đi sâu vào nguyên lí làm việc của hệ thống thiết bị cũng như các phương pháp tính chọn mạch và bảo vệ mạch.

Chương 3 : Thiết kế mạch điều khiển

Ứng dụng của kĩ thuật xung số để điều khiển hoạt động của mạch

Chương 4 : Kết luận

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

Chương 1: Tổng quan về công nghệ biến tần

1.1 Công nghệ biến tần

1.1.1 Khái niệm chung

a/ Khái niệm và công dụng của 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 ra khác với điện áp lưới cấp vào bộ biến tần

ω - tốc độ quay tính theo radian/giây;

p – số đôi cực máy điện

-Biến tần tĩnh

H1.2 Bộ biến tần trực tiếp

-Bộ biến tần trực tiếp là thiết bị biến đổi tần số vào sang tần số ra một cỏch trực

tiếp mà khụng cần cú sự can thiệp của một khõu trung gian nào Bộ biến tần trực tiếp hay cũn gọi là bộ biến tần phụ thuộc thường gồm cỏc nhúm chỉnh lưu điều khiển mắc song song cho xung lần lượt 2 nhúm chỉnh lưu trờn ta được dũng xoay chiều trờn tải Như vậy điện ỏp xoay chiều U1(f1) chỉ cần qua 1 van là chuyển ngay

ra tải với U2(f2) Tuy nhiờn đõy là loại biến tần cú cấu trỳc van rất phức tạp chỉ sử dụng cho truyền động điện cú cụng suất lớn, tốc độ làm việc thấp vỡ sự thay đổi f2

khú khăn và phụ thuộc vào f1

- Bộ biến tần giỏn tiếp

Bộ biến tần giỏn tiếp cú sơ đồ cấu tỳc tổng thể như sau:

Thiết bị biến tần gián tiếp gồm có 3 khâu:

-Khâu chỉnh lưu: biến đổi nguốn xoay chiều sang nguốn một chiều

-Khâu trung gian: giữ cho điện áp ra của khâu chỉnh lưu là hằng, hay dòng ra của khâu chỉnh lưu là hằng

-Khâu nghịch lưu: là một bộ phận rất quan trong bộ biến tần nó biến đổi dòng một chiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng xoay chiều có tần số f2

Từ sơ đồ cấu trúc ta thấy điện áp xoay chiều có các thông số (U1,f1) được chuyển thành một chiều nhờ mạch chỉnh lưu, qua một bộ lọc rồi biến trở lại điện áp xoay chiều với điện áp U2 tần số f2 Việc biến đổi năng lượng 2 lần làm giảm hiệu suất biến tần song bù lại loại biến tần này cho phép thay đổi dễ dàng tần sồ f2 không phụ thuộc vào f1 trong dải rộng cả trên và dưới f1 vì tần số ra chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển Có 2 loại biến tần gián tiếp đó là sử dụng nghịch lưu áp và

nghịch lưu dòng

+Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng

+Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp

- Phạm vi ứng dụng của công nghệ: Người ta thường dùng thiết bị biến tần để điều chỉnh tốc độ động cơ điện 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

c/Điều khiển theo luật U/f

+Thay đổi tần số để thay đổi tốc độ động cơ

+Tuy nhiên khi tần số f thay đổi thì điện áp cũng thay đổi theo tương ứng để tránh tăng mật độ từ thông gây ra tăng dòng từ hoá

1.1.2 Chỉnh lưu

a/Chỉnh lưu là sử dụng mạch điện bao gồm các linh kiện điện - điện tử, dùng để

biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều gọi là mạch chỉnh lưu Mạch chỉnh lưu có thể được sử dụng trong các bộ nguồn cung cấp dòng điện một chiều, hoặc trong các mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến điện trong các thiết bị vô tuyến

b/Phân loại:

-Chỉnh lưu không điều khiển dùng điôt

-Chỉnh lưu bán điều khiển dùng điôt và thyristor

-Chỉnh lưu có điều khiển dùng thyristor

c/ Ứng dụng

• Cấp nguồn cho các thiết bị điện tử

• Cấp điện cho các thiết bị điện cơ sử dụng năng lượng DC: động cơ DC, cuộn coil

DC cho relay, contactor, nam châm điện DC…

• Truyền động thay đổi tốc độ động cơ DC bằng chỉnh lưu có điệu khiển

• Biến đổi năng lượng AC thành DC để giảm giá thành truyền tải điện

1.1.3 Nghịch lưu

a/Nghịch lưu điện một là bộ biến đổi chiều ra xoay chiều với điện áp và tần số đầu

ra có thể thay đổi cung cấp cho các tải xoay chiều:

•Đầu ra tần số công nghiệp (nhỏ hơn 400 Hz) không đổi: UPS, các bộ đổi tần cho các thiết bị đặc biệt

•Đầu ra tần số công nghiệp thay đổi: điều khiển tốc độ động cơ AC

•Đầu ra trung tần hay cao tần: lò nhiệt cao tần, biến áp cao tần

Các sơ đồ nghịch lưu hoạt động rất khác nhau, có thể có cùng mạch động lực

nhưng điều khiển khác nhau cũng tạo thành các tính chất khác nhau

b/Phân loại

•Nghịch lưu song song và nối tiếp

+ Sử dụng SCR đóng ngắt và có tụ điện để tắt SCR

+ Bao gồm nghịch lưu nối tiếp và nghịch lưu song song sơ đồ cầu và

sơ đồ biến áp có điểm giữa

•Nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp

+ Nghịch lưu nguồn dòng (1 pha & ba pha)

+ Nghịch lưu nguồn áp (1 pha & ba pha)

c/Ứng dụng của nghịch lưu

- Biến tần công nghiệp điều khiển tốc độ động cơ

- Các bộ nguồn tần số cao

- Bộ nguồn xung có sử dụng nghịch lưu

- Bộ nguồn xoay chiều không gián đoạn

1.2 Động cơ không đồng bộ ba pha

1.2.1 Khái niệm chung

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

- Động cơ không đồng bộ ba pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt 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 hầu hết là 3

pha,còn nhỏ hơn 1hp thường là 1 pha (1hp= 0,736 kW )

Gồm có vỏ,lõi thép,dây quấn

-Vỏ máy:Làm nhiệm vụ bảo vệ mạch từ và giữ chặt lõi thép stator,vỏ có dạng trụ rỗng,có chân để cố định máy trên bệ và có hai nắp máy ở hai đầu để đỡ trục máy và bảo vệ phần đầu dây quấn.Các máy có công suất bé thì thường là vỏ bằng 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 thuật điện với nhau(nhằm chống dòng điện xoáy) theo một hình trụ rỗng.Mặt trong 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 cạnh của mô bin đó được đặt vào lõi thép stator.Các mô bin được cách điện nhau và cách điện với lõi thép

b/Rotor

Gồm có lõi thép,trục máy và dây quấn

-Lõi thép roto cũng được dập từ các lá thép kĩ thuật điện có dạng hình tròn 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 lại với nhau thành một trụ tròn mà ở giữa là lồng trục máy,mặt ngoài của trụ là cá rãnh để đặt dây quấn rotor.Thường các lá thép rotor được tận dụng phần bên trong các lá thép của stator-Trục máy làm bằng thép tốt và được lồng cứng với lõi thép rotor.Trục được đỡ bởi hai ổ bi trên hai nắp máy

-Dây quấn rotor có hai loại:loại rotor kiểu lồng sóc và rotor kiểu dây quấn

+Loại rotor kiểu lồng sóc:Dây quấn rotor là các thanh dẫn bằng đồng thau hoặc nhôm được đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bằng hai vành ngắn mạch ở hai

đầu.Với động cơ nhỏ dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanh 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 rotor và được gắn chặt vào vành ngắn

mạch

+Loại rotor dây quấn:cũng được quấn thành từng các mô bin như dây quấn stator và có cùng số cực từ dây quấn stator.Dây quấn kiểu này luôn đấu hình sao và

có ba đấu ra đấu vào ba vành trượt gắn vào trục quay rotor và cách điện với trục.Ba chổi than cố định và luôn tỳ lên vành trượt này để dẫn điện và một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ

1.2.3 Nguyên lý hoạt động

-Khi có dòng ba pha chạy trong dây quấn stator thì trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quy với tốc độ n1=60f/p(f là tần số lưới điện,p là số cặp cực).Từ trường quay này sẽ quét lên dây quấn,nhiều pha tự ngắn mạch nên trong dây quấn stator xuất hiện dòng I2 chạy qua.Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở.Dòng điện trong dây quấn rotor tác dụng với từ thông tổng khe khí tạo ra momen quay làm quay rotor

1.2.4 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 và lồng sóc

Xuất phát từ biểu thức:ω1 =

P

f 1

.

2 π 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

f R ' 1

2 1 1

'

.

2 π Hình1.Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ

X1 = ω1L1 ; X2’= ω1L2’

+Mô men tới hạn sẽ giảm theo quy luật :

↓ M th =

( + ) 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

Khi 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

H1.2 Đặc tính cơ khithay đổi tần số lưới điệnf1 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

nguônnf 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 U f11 = const thì Mth giữ không đổi

+Khi f1>f1đm thì Mth tỉ lệ nghịch với bình phương tần số

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

+Phương trình đặc tính của động cơ :

Đường đặc tính của động cơ như hình h1-2

S th là hệ số trượt tới hạn cửa động cơ

1.2.6 Ảnh hưởng các thông số đến đặc tính cơ

a) Ảnh hưởng cửa sự suy giảm điện áp lưới cấp cho động cơ

khi điện áp lưới suy giảm thì theo (1-4) mômen tới hạn Mth của động cơ sẽ giảm bình phương lần biên độ suy giảm của điện áp, còn Sth vẫn không đổi

b) Ảnh hưởng của điện trở điện kháng mạch stator

Khi nối thêm điện trở hoặc điện kháng vào mạch stator thì theo (1-3) và (1-4) cả Sth và Mth đều giảm

Hình 1-3

c) Ảnh hưởng của điện trở mạch rotor

đối với động cơ không đồng bộ người ta mắc thêm điện trở phụ vào mạch rotor để

d) Ảnh hưởng của tần số

Xuất phát từ biểu thức trên ta thấy nếu tần số thay đổi sẽ làm thay đổi tốc độ của

từ trường quay và từ thay đổi tốc độ động cơ

Hình 1-6

e) Ảnh hưởng của số đôi cực p

để thay đổi cực ở stator người ta thường thay đổi cách đấu dây vì

Vì vậy khi thay đổi số đôi cực p thì tốc độ từ trường quay ω1 thay đổi dẫn đến tốc

ω thay đổi theo

Máy biến thế có thể thay đổi hiệu điện thế xoay chiều, tăng thế hoặc hạ thế, đầu ra cho 1 hiệu điện thế tương ứng với nhu cầu sử dụng Máy biến thế đóng vai trò rất quan trọng trong truyền tải điện năng

b/Phân loại

Có nhiều cách phân loại máy biến áp, nhưng theo công dụng, máy biến áp được chia thành những loại chính sau:

 Máy biến áp điện lực (còn gọi là máy biến áp công suất: dùng để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện lực

 M.b.a chuyên dùng cho các lò luyện kim, cho các thiết bị chỉnh lưu; máy biến áp hàn điện;

 M.b.a tự ngẫu biến đổi điện áp trong phạm vi không lớn lắm dùng để mở máy các động cơ điện xoay chiều

 M.b.a thí nghiệm dùng để thí nghiệm điện áp cao (thí nghiệm cao áp)

Máy biến áp có rất nhiều loại, song thực chất các hiện tượng xảy ra trong chúng đều giống nhau Dưới đây chủ yếu xét đến máy biến áp điện lực một pha và ba pha

1.3.2 Nguyên tắc hoạt động

Máy biến thế hoạt động tuân theo 2 hiện tượng vật lí:

Dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường (từ trường)

Sự biến thiên từ thông trong cuộn dây tạo ra 1 hiệu điện thế cảm ứng (cảm ứng

Dòng điện được tạo ra trong cuộn dây sơ cấp khi nối với hiệu điện thế sơ cấp, và 1

từ trường biến thiên trong lõi sắt Từ trường biến thiên này tạo ra trong mạch điện thứ cấp 1 hiệu điện thế thứ cấp Như vậy hiệu điện thế sơ cấp có thể thay đổi được

hiệu điện thế thứ cấp thông qua từ trường Sự biến đổi này có thể được điều chỉnh qua số vòng quấn trên lõi sắt.

Khi N P , U P , I P, ΦP và N S , U S , I S, ΦS là số vòng quấn, hiệu điện thế, dòng điện và từ

thông trong mạch điện sơ cấp và thứ cấp (primary và secondary) thì theo Định luật

và Nếu ΦS = ΦP thì

Ngoài ra :

Như vậy :

(máy biến thế lí tưởng)

1.4 Giới thiệu về thyristor và điôt