Thiết kế bộ biến tần 3 pha điện áp 380V50hz, dòng điện định mức là 30A, cos φ = 0.95. Tải là động cơ không đồng bộ 3 pha, biến tần sử dụng van MOSFET

Đồ án hoàn chỉnh Thiết kế bộ biến tần 3 pha điện áp 380V50hz, dòng điện định mức là 30A, cos φ = 0.95. Tải là động cơ không đồng bộ 3 pha, biến tần sử dụng van MOSFET Thiết kế bộ biến tần 3 pha điện áp 380V50hz, dòng điện định mức là 30A, cos φ = 0.95. Tải là động cơ không đồng bộ 3 pha, biến tần sử dụng van MOSFET

BIẾN TẦN

U1f1

U2f2

Chương 1

KHÁI QUÁT BIẾN TẦN GIÁN TIẾP1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BIẾN TẦN

1.1.1 Khái niệm biến tần

Biến tần là thiết bị biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều tần số nàysang năng lượng dòng điện xoay chiều tần số khác

1.1.2 Sơ đồ khối của biến tần

Hình 1.1 Sơ đồ khối của biến tần

1.1.3 Phân loại biến tần

* Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp:

Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn áp (nghĩa làđiện trở nguồn bằng 0) Dạng của điện áp trên tải tuỳ thuộc vào dạng của điện ápnguồn, còn dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào thông số của mạch tải quyđịnh Bộ biến tần nguồn áp có ưu điểm là tạo ra dạng dòng điện và điện áp sinhơn, dải biến thiên tần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn Bộ biến tầnnguồn áp có hai bộ phận riêng biệt, đó là bộ phận động lực và bộ phận điềukhiển

Trong đề tài này ta chỉ xét với biến tần gián tiếp nguồn áp

1.2 BIẾN TẦN GIÁN TIẾP

Bộ biến tần gián tiếp thường có cấu trúc như sau

PAC PDC PDC PAC

Hình 1.2 Cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp [1]

Theo tài liệu [1] các khâu trong biến tần gián tiếp được chỉ ra trên hình 1.2:

a Khâu chỉnh lưu: Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp

xoay chiều thành điện áp một chiều Chỉnh lưu có thể là không điều chỉnh hoặc

có điều chỉnh Trong các bộ biến đổi công suất lớn, người ta thường dùng chỉnhlưu bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ thống khiquá tải Tùy theo tầng nghịch lưu yêu cầu nguồn dòng hay nguồn áp mà bộchỉnh lưu sẽ tạo ra dòng điện hay điện áp tương đối ổn định

b Khâu trung gian (lọc một chiều): giữ cho điện áp ra của khâu chỉnh lưu

là hằng, hay dòng ra của khâu chỉnh lưu là hằng

c 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) đượcchuyển 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 giảmhiệu suất biến tần, song bù lại loại biến tần này cho phép thay đổi dễ dàng tần số

f2 không phụ thuộc vào f1 trong dải rộng vì tần số ra chỉ phụ thuộc vào mạchđiều khiển

1.3 MẠCH CHỈNH LƯU

1.3.1 Khái niệm về chỉnh lưu

Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thànhnăng lượng dòng điện một chiều

1.3.2 Cấu trúc của mạch chỉnh lưu

Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế

NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP

LỌC MỘT CHIỀU CHỈNH LƯU

Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu [2]

Theo tài liệu [2] hình 1.3 chỉ ra các khâu trong sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu,trong đó:

Biến áp làm nhiệm vụ chính là: chuyển từ điện áp quy chuẩn của lưới điệnxoay chiều U1 sang điện áp U2 thích hợp với yêu cầu của tải Tùy theo tải màmáy biến áp có thể là tăng áp hay giảm áp Biến đổi số pha của nguồn lưới sang

số pha theo yêu cầu của mạch van Thông thường số pha của lưới lớn nhất là 3,song mạch van có thể cần số pha là 6, 12…Trường hợp tải yêu cầu mức điện ápphù hợp với lưới điện và mạch van đòi hỏi số pha như lưới điện thì có thể bỏmáy biến áp Mạch van ở đây là các van bán dẫn được mắc với nhau theo cáchnào đó để có thể tiến hành quá trình chỉnh lưu Mạch lọc nhằm đảm bảo điện áp(hoặc dòng điện) một chiều cấp cho tải là bằng phẳng theo yêu cầu

1.3.3 Chỉnh lưu có điều khiển ( sơ đồ cầu 3 pha)

Hình 1.4 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển [2]

Để cấp điện cho tải cần phải đảm bảo có 2 van dẫn: một của nhóm lẻ, một của nhóm chẵn

Như vậy khi phát xung mở van cho mạch hoạt động cũng phải đồng thời cho haitiristo cần dẫn

Hình 1.5 Chỉnh lưu cầu ba pha với α = 30˚ [2]

Theo tài liệu [2], khi phát xung mở van cho mạch hoạt động cũng phải đồng thờicho hai tiristo cần dẫn Trên đồ thị hình 1.5 thể hiện điều này ở chỗ mỗi tiristođược phát hai xung: xung đầu tiên xác định góc α, xung thứ hai đảm bảo thôngmạch tải

Nếu α≤600 ta sẽ có quy luật

U dαα=U dα 0 cosα=2,34U2 cos α (1.1)

Nếu α > 600 thì dòng điện sẽ gián đoạn

1.3.4 Chỉnh lưu không điều khiển (sơ đồ cầu 3 pha)

Hình 1.5: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển [2]

Hình 1.6 Đồ thị dẫn các van [2]

Theo tài liệu [2], mạch van gồm hai nhóm, các Điôt Đ 1 , Đ 3 , Đ 5 đấu kiểucatôt chung, nên hoạt động theo luật l, vì thế: Đ 1 dẫn trong khoảng θdθ1 ¿

θdθ3 khi u a dương nhất, Đ 3 dẫn trong khoảng θdθ3 ¿ θdθ5 khi u h dương

nhất, Đ 5 dẫn trong khoảng θdθ5 ¿ θdθ7 khi u c dương nhất.

Các điôt Đ 2 , Đ 4 , Đ 6 đấu kiểu anôt chung nên:

+ Đ 2 dẫn trong khoảng θdθ2 ¿ θdθ4 khi u c âm nhất;

+ Đ 4 dẫn trong khoảng θdθ4 ¿ θdθ6 khi u a âm nhất;

+ Đ 6 dẫn trong khoảng θdθ6 ¿ θdθ8 khi u b âm nhất.

Điện áp trung bình nhận được trên tải là:

/6

2.83U 2

0.05 7

Sáu pha có cuộn

I dα

/6

2.45U 2

Chú thích:

U dαo : trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu điôt hay chỉnh lưu điều khiển khi

α = 0

U 2 : trị số hiệu dụng của điện áp pha cuộn thứ cấp biến áp nguồn

I v : trị số trung bình của dòng điện qua van

I 2 : trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp biến áp nguồn

I dα : trị số trung bình dòng điện ra tải

I 1 : trị số hiệu dụng dòng điện cuộn sơ cấp biến áp nguồn

k ba : hệ số máy biến áp nguồn

S ba : công suất tính toán máy biến áp nguồn

P dα : công suất một chiều trên tải: P dα = U dαo I dα

ΔUU γ : sụt áp do điện cảm phí xoay chiều La gây ra

∆ U γ = k γ X a I dα = k γ 2 πf L a I dα

m dαm : số làn đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ lưới xoay chiều

f dαm :tần số sóng hài bậc 1 của điện áp chỉnh lưu, phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưutheo quan hệ: f dαm =m dαm f 1 , trong đó f 1 là tần số lưới điện xoay chiều Sốliệu trong bảng lấy theo tần số lưới điện của Việt Nam là f 1 = 50Hz

k dαm : hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu: k dαm =

U 1m

U dα , trong đó U 1m làbiên độ sóng hài cơ bản của điện áp chỉnh lưu theo khai triển Furier

h γ : hệ số sơ đồ để tính góc trùng dẫn γ theo biểu thức chung

Nghịch lưu độc lập là thiết bị biến đổi năng lượng dòng điện 1 chiềuthành năng lượng dòng điện xoay chiều với tần số ra cố định hoặc thay đổi [2]Mạch nghịch lưu phụ thuộc là mạch chỉnh lưu trong đó có nguồn một chiềuđược đổi dấu so với chỉnh lưu và góc mở α của các tiristo thoả mãn điều kiện (π/2 < α < π ) lúc đó công suất của máy phát điện một chiều trả về lưới xoaychiều.Tần số và điện áp nghịch lưu này phụ thuộc vào tần số điện áp lưới xoaychiều Nghịch lưu độc lập làm nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều từ các nguồnđộc lập (không phụ thuộc vào lưới xoay chiều) thành xoay chiều với tần số phatuỳ ý Tần số và điện áp nghịch lưu Nói chung có thể điều chỉnh tuỳ ý Có haidạng sơ đồ nghịch lưu độc lập là mạch cầu và mạch dùng biến áp có trung tính.

Sơ đồ nghịch lưu lập được chia là ba loại cơ bản:

+ Nghịch lưu độc lập điện áp

+ Nghịch lưu độc lập dòng điện

+ Nghịch lưu độc lập cộng hưởng

*Nghịch lưu áp ba pha

Hình 1.7 Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha [2]

Sơ đồ nghịch lưu áp 3 pha được ghép từ ba sơ đồ một pha có điểm trung tính

Để đơn giản hóa việc nghiên cứu ta giả thiết:

+ Van lý tưởng, đóng mở thì;

+ Nguồn có nội trở nhỏ vô cùng và dẫn điện theo hai chiều;

+ Van động lực cơ bản (T1, T2, T3, T4,T5, T6)T1, T2, T3, T4,T5,T6¿ làm việc với

Với cách điều khiển này có đặc điểm hoạt động như sau: ở từng nửa chu kỳ trong mỗi nhánh van thẳng hàng chỉ có một van dẫn: nếu van lẻ dẫn thì pha tải

đó nối với cực dương của nguồn E, nếu van chẵn dẫn thì pha tải nối với cực âm của nguồn E Ở bất cứ thời điểm nào cũng có 3 van dẫn làm cho mạch có hai pha tải đấu song song nhau (do hai van dẫn của cùng nhóm lẻ hoặc nhóm chẵn nhưng khác pha), rồi nối tiếp van thứ ba thuộc nhóm kia Do đó hai pha đầu song song nhận được 1/3 E và pha còn lại nhận 2/3 E, vì vậy điện áp pha tải sẽ

có dạng bậc thanh và lệch nhau 120 điện như hình 1.8

Giá trị hiệu dụng của điện áp pha là:

2 2 0

2( ) sin

Chương 2

THIẾT KẾ MẠCH LỰC2.1 THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU

T1

T4C E

U ngmax = k u U dα = 2,2 490 = 1078 (V)

Trong thực tế công nghiệp, van làm việc ở lưới điện 380-440V ta hay

Với các thông số đề tài cho thì ta tính được dòng trung bình qua MOSFET:

I tbM = k i I M = 3 13,17 = 39,51 (A)

Do đó từ các thông số tính toán ở trên ta sẽ chọn MOSFETIXBH42N170 với thông số cơ bản được chỉ ra trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Các tham số cơ bản của MOSFET IXBH42N170

=> Vì vậy điôt cần chọn phải chịu được dòng:

I tbD=k i I D = 3 0,34 = 1,02 (A)

Cũng giống như van, môi trường làm việc của điôt cũng khá phức tạp,khắc nghiệt và khác hoàn toàn so với điều kiện thử nghiệm Chính vì lí do đóvới các thông số tính được trên đây ta chọn điôt 1N4530 với thông số cho bởibảng sau:

Bảng 2.2 Các tham số cơ bản của điôt 1N4530

Ký hiệu Thông số tối đa

Hình 2.2 Sơ đồ cầu chỉnh lưu ba pha không điều khiển

Có U dα = 2.34U2 =>U2 = U dα

2,34 = 2,34490≈ 210 (V)Nên U ngmax=√6U2 =√6.210 = 210√6 (V)

=> Dòng của van

I van=k i I tbv = 1,4 23.5 = 32.9 (A)

Từ các số liệu đã tính toán cho mạch chỉnh lưu trên đây ta chọn được cầu điôt 90MT168KB với các thông số cơ bản cho dưới dạng bảng sau đây:

Bảng 2.3 Các tham số cơ bản của cầu điôt 90MT168KB

Ký hiệu Thông số Điều kiện kiểm tra

21 ≈ 47,14 (A)Nên công suất biến áp

S ba=U1 I1+U2 I2

2 = 20578,5 (VA)

2.2.3 Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực

a Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn

Khi dòng điện chảy qua các van, sẽ có tổn hao công suất ΔUP Tổn hao này sẽlàm nóng các van Trong khi đó các van bán dẫn chỉ được phép làm việc với mộtnhiệt độ cho phép Tcp, nếu vượt quá nhiệt độ này van sẽ bị hỏng Chính vì vậy đểđảm bảo an toàn cho các van, cũng như độ tin cậy của mạch ta cần thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lí

Ta có: ΔUP=ΔUU I lv = 1,8 14 = 25,2 (w)

Diện tích bề mặt tỏa nhiệt:

S =

ΔUP km.τ

trong đó:

τ là độ chênh lệch nhiệt độ của tản nhiệt so với môi trường:

τ = Tc - Tm

km là hệ số tỏa nhiệt

Giả sử van làm việc trong môi trường có nhiệt độ Tm = 35 °C

Nhiệt độ cho phép của van Tmax = 125 °C

Chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt là Tc = 80 °C

b.Bảo vệ quá dòng điện cho van

+ Chọn aptomat đóng cắt mạch động lực, bảo vệ quá tải, ngắn mạch, có các thông số:

Idm= 1,1.Idn = 1,1 √ 3 .40 = 77 (A)

Udm= 220 (V)Dòng ngắn mạch

Inm = 2,5Idn = 174 (A)Dòng quá tải

Iqt = 1,5Idn = 104 (A)Chọn cầu chì tác động nhanh bảo vệ đầu ra chỉnh lưu

Icc = 1,1.Idmax= 1,1 32,9=37 (A)c.Bảo vệ quá điện áp

Ta có hệ số quá áp của van được chọn:

Ucp : điện áp lớn nhất cho phép đặt lên van

Utt : điện áp thực tế khi van làm việc

+ Bảo vệ quá áp do chuyển mạch

Trong quá trình chuyển mạch các tiristor, các điện tích tích tụ trong các lớp bándẫn phóng ra ngoài tạo thành dòng điện ngược biến thiên trong khoảng thời gianngắn Dòng điện biến thiên này tạo ra một sức điện động rất lớn làm quá ápTiristor Khi có mạch R-C mắc song song với Tiristor sẽ tạo thành mạch vòngphóng điện bảo vệ Tiristor.

Trường hợp này ta chọn R=(5 ¿ 30) Ω C=(0,25 ¿ 4) μ F

+Bảo vệ van bán dẫn khỏi đánh thủng do xung áp từ lưới

Để bảo vệ xung áp từ lưới điện, chúng ta mắc song song với tải ở đầu vào mộtmạch R-C nhằm lọc xung Khi xuất hiện xung điện áp trên đường dây, nhờ cómạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây.Trị số R,C phụ thuộc nhiều vào tải Chọn R= (5-20) Ω , C= 4 μ F

Chương 3

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

3.1 YÊU CẦU ĐIỀU KHIỂN

3.2 ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU Vì phần chỉnh lưu sử dụng trong đồ án này là chỉnh lưu không điều khiển nên không có phần điều khiển, vì vậy phần điều khiển không được đề cập đến trong phần này 3.3 ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU THEO PHƯƠNG PHÁP SPWM 3.3.1 Khái quát về phương pháp SPWM Nguyên tắc của SPWM là trong 1 khoảng dẫn của van, van không dẫn liên tục mà đóng cắt rất nhiều lần với độ rộng xung bám theo giá trị tức thời của hình sin có tần số bằng sóng hài cơ bản

Hình 3.1: Cấu trúc điều khiển nghịch lưu độc lập kiểu SPWM

+ Mạch tạo dao động hình sin dùng sơ đồ cầu Vien có tần số ra ω = RC1 , tuy nhiên mạch đơn giản vậy thường hoạt động không ổn định Trong thực tế mạch

T1

Khuếch đại xung

So sánh

3 Dao

động hình

sin lệch

pha nhau

T4

Khuếch đại xung

T3

Khuếch đại xung

So sánh

T6

Khuếch đại xung

T5

Khuếch đại xung

Khuếch đại xung

So sánh

T2

Tạo xung tam giác Xung

đồng bộ

phức tạp hơn vì phải giải quyết vấn đề tự động ổn định tần số và biên độ điện áp ra.

+ Khâu tạo xung tam giác là mạch chuẩn có gài công tắc điện tử “SW” được điều khiển bởi xung đồng bộ xuất hiện vào đầu mỗi chu kỳ điện áp hình sin.+ Khâu so sánh giữa 2 điện áp hình sin và tam giác sẽ cho ở đầu ra điện áp PWM để điều khiển các van lực

7

8 M57958L

Hình 3.2: Cấu trúc Drive M57958L

3.3.2 Mạch điều khiển với phương pháp SPWM

+

-+ -

+

-+ -

+

+

-Zb

+Elực

-Elực G4 G6 G2

G3 G5 G1

E1 E4 E6 E2

E5 E3

G5

G2

Rg Rg Rg

Rg Rg

Rg

18v 18v

18v 18v

18v

18v R1

2R1

R2

R R

C C OA1

OA4

OA5

OA6 OA7

OA10

C1 R3 R4 R5

R9 R11

U pwm

R12 C3

R13 R15

R14 T3

1 2 1 1 1

-10 +15

-10 +15

-10 +15

-10 +15

-10

Uac

+ R1 2R1

-R R

C C OA2

+

+

-OA8 R10

R9 R11

U pwm

+

-OA9 R10

R9 R11

U pwm

R12 R14C4

R13 R15C4

R12 R14C4

R13 R15C4

2R1 R1 R R

C CT1

Nguyên lý làm việc:

2E/3 E/3

Đồ thị điện áp trong nghịch lưu ba pha được mô tả trên hình 3.4

Quá trình hình thành điện áp pha như sau: Xét thời điểm t4 ÷ t5 = Ts( Ts là chu kỳ tần số chuyển mạch) Khi t = t4 cả 3 van T1, T3, T5 được mở ra

Lúc này phụ tải của 3 pha được nối vào cùng 1 điểm (+), do đó điện áp của

cả 3 pha Ua = Ub = Uc = 0 Giả thiết dòng pha B và pha C có chiều dương ( đi từ

trái qua phải ) và dòng pha A có chiều âm Do đó van T3, T5, và D1 sẽ dẫn điện

Hình 3.5: sơ đồ tương ứng khi T 3 , T 5 , và D 1 dẫn điện

Sau đó theo luật điều biến T3 sẽ bị khóa lại, dòng pha B (ib) sẽ khép mạch qua

ở đầu và cuối mỗi chu kì.