Bài tập lớn điện tử công suất khởi động mềm

Thiết kế bộ khởi động mềm..................................................................................................................................................................................................

Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ MẠCH BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM

1.1 CÁC ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU

ra tải luôn đảm bảo hình sin trong toàn dải điều chỉnh

Điện tử công suất sử dụng các van bán dẫn để chế tạo các bộ điện ápxoay chiều, có đặc điểm sau đây:

Điều áp xoay chiều dùng van bán dẫn có đầy đủ ưu điểm của nhữngmạch công suất sử dụng kỹ thuật bán dẫn như: dễ điều chỉnh và tự độnghóa, làm việc ổn định, phản ứng nhanh với các đột biến điều khiển, độ tincậy và tuổi thọ cao, kích thước gọn, dễ thay thế, thích hợp với quá trìnhhiện đại hóa, tập trung hóa các quá trình công nghệ…

Nhược điểm chung và cơ bản nhất của điều áp xoay chiều là điện áp

ra tải không sin trong toàn dải điều chỉnh,(điện áp trên tải chỉ đạt hình sinhoàn chỉnh khi đưa toàn bộ điện áp nguồn ra tải), điều chỉnh càng sâu- cànggiảm điện áp ra, thì độ méo sẽ càng lớn, tức là thành phần sóng hài bậc cao(là bội số của tần số vào) cũng càng lớn Với nhưng tải yêu cầu nghiêmngặt về độ méo và thành phần sóng hài có thể không ứng dụng được điện

áp xoay chiều Phạm vi ứng dụng của điện áp xoay chiều thường là:

 Điều chỉnh ánh sáng đèn sợi đốt và ổn định độ phát quang của hệchiếu sáng.

 Điều chỉnh và ổn định nhiệt độ các lò điện trở bằng cách tự độngkhống chế công suất điện đưa vào lò

 Điện áp xoay chiều cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ đông cơđiện không đồng bộ, nhưng chỉ phù hợp với phụ tải của động cơdạng quạt gió hoặc máy bơm li tâm với phạm vi điều chỉnh khônglớn Điện áp xoay chiều thích hợp với các chế dộ như khởi động,đóng- ngắt nguồn cho động cơ điện xoay chiều

 Điệp áp xoay chiều cũng được dùng để điều chình điện áp sơ cấp cácbiến áp lực và thong qua đó điều chỉnh điện áp ra tải, phụ tải có thểdùng dòng điên xoay chiều hoặc một chiều (chỉnh lưu điôt phía thứcấp) khi rơi vào hai trường hợp sau:

1 Điện áp thứ cấp thấp hơn điện áp sơ cấp nhưng dòng điện thứ cấprất lớn, thí dụ như thiết bị hàn tiếp xúc

2 Điện áp thứ cấp mà tải yêu cầu cao hơn nhiêu lần điện áp nguồn,thí dụ như hệ thống nguồn cho điện phân, lọc bụi tĩnh điện…Điều áp xoay chiều làm việc với nguồn vào là điện áp xoay chiều,tức là giống như mạch chỉnh lưu, vì vậy các van được sử dụng cũng nhưnguyên tắc điều khiển có nhiều điểm tương tự như ở mạch chỉnh lưu

Do tải đòi hỏi điện áp xoay chiều nên van bán dẫn có thể dùng ở đâylà:

 TRIAC, đây là van bán dẫn duy nhất cho phép dòng điện chảy theo

cả hai chiều

 Ghép hai van chỉ cho phép dẫn một chiều, bằng cách đấu song songngược nhau, lúc đó mỗi van đảm nhận một chiều của dòng tải Bằng

cách này có thẻ ghép hai thyristor với nhau hoặc một thyristor vớimột điôt.

Nguyên tắc điều chỉnh của điều áp xoay chiều tương tự như trong

chỉnh lưu điều khiển, tức là điều chỉnh góc mở của van bán dẫn Xét từphía mạch van, bộ chỉnh lưu và điện áp xoay chiều có nhưng đặc điểmgiống nhau: các van làm việc với điện áp xoay chiều nên được khóa tựnhiên bằng điện áp nguồn và cũng chịu các ảnh hưởng của lưới điện đếnvan, kiểu điều khiển van cùng là dịch pha điểm xung so với pha nguồnxoay chiều, tức là sử dụng mạch điều khiển xung – pha

1.1.2 Điều áp xoay chiều ba pha

Điều áp xoay chiều ba pha cho phép ứng dụng cho phụ tải đến hangtram kilo Oát

Trường hợp tải đấu ba pha có dây trung tính, hoặc đấu tam giác màmỗi cụm van đấu nối tiếp với từng pha của phụ tải, thì các pha hoạt độngđộc lập với nhau, do đó việc tính toán hoàn toàn tương tự như điện áp xoaychiều một pha

Khi tải không dùng dây trung tính, có thể sử dụng các sơ đồ ở hình 1.1; với các tham số tính chọn van trong bảng 1.1

Theo bảng 1.1 ta thấy phạm vi góc điều khiển của các sơ đồ là khácnhau, góc điều khiển nhỏ nhất của các sơ đồ là như nhau, nhưng góc điềukhiển lớn nhất không giống nhau, trong đó có 3 sơ đồ có góc điều khiển

αmax=210° lên cần chú ý thiết kế mạch điều khiển cho phù hợp (thể hiện ởkhâu đồng pha và tạo điện áp răng cưa)

Hình 1.1: Điều áp xoay chiều ba pha, các pha hoạt động độc lập Bảng 1.1: Các tham số tính toán cho điều áp xoay chiều ba pha

Sơ đồ hình 1.1b 1.2a 1.2b 1.2c 1.7a 1.7b 1.7c 1.9a 1.9b

Sơ đồ hình 1.2a dùng ba van TRIAC là sơ đồ có ít van và cho phépđiều chỉnh điện áp ra tải đối xứng các pha, đồng thời hai nửa chu kỳ củamột pha cũng đối xứng.

Sơ đồ hình 1.2b dùng cách đấu hai thyristor tương đương với mộtTRIAC, loại này rấy thong dụng trong thực tế và có tên là sơ đồ sáuthyristor đấu song song ngược, có đặc điểm hoàn toàn tương tự sơ đồ 1.2a

Hình 1.2: Một số sơ đồ điều áp ba pha

Hai sơ đồ này đôi khi được sử dụng chỉ để đóng /ngắt nguồn ra tải,

mà không điều chỉnh điện áp, và được gọi là bộ công- tắc- tơ điện tử

Các sơ đồ hình 1.2a,b,c ứng dụng cho tải đấu sao hoặc tam giác đềuđược Mạch điều khiển của các sơ đồ này đều đồng bộ theo điện áp pha củanguồn.

Trên hình 1.3 cho dạng điện áp trên một pha của tải là chung cho các

sơ đồ hình 1.2a; 1.2b và biên độ các sóng hài ở một số góc điều khiển khácnhau, tải thuần trở Qua các đồ thị sóng hài thấy suất hiện các sóng hài có

Hình 1.3: Điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song- ngược , tải thuần trở

đấu sao

bậc lẻ, gần nhất là bậc 5 và 7, mặt khác cũng cho thấy khi tăng góc điềukhiển thì biên độ sóng hài bậc cao tăng nhanh đến xấp xỉ với sóng hài cơ

bản( bằng tần số nguồn điện,ở đây là 50Hz) Như vậy khi điều chỉnh điện

áp ra sâu, tương ứng góc điều khiển càng lớn, thì dạng điện áp ra sẽ càngméo nhiều hơn

Khi tải có tính cảm kháng, hoạt động của sơ đồ bị ảnh hưởng mạnhbởi góc φ của tải như đã xét ở phần điện áp xoay chiều một pha, tức là cảphạm vi điều chỉnh và dạng điện áp ra đều không còn như trường hợp tảithuần trở Hình 1.4 là đồ thị minh họa cho tải cảm kháng với α = 30°, ta cóthể so sánh với đồ thị khi tải thuần trở có cùng góc điều khiển ở hình 1.3 đểthấy sự khác biệt giữa chúng Tuy nhiên với tải RL dạng dòng điện sẽkhông bị đột biến theo điện áp như tải thuần trở, vì vậy biên độ sóng hàicũng sẽ giảm đi, tức là dạng dòng tải ít méo hơn dạng điện áp tải

Hình 1.4: Điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song- ngược , tải

RL

Sơ đồ hình 1.2c sử dụng cụm van không đối xứng, mỗi nhám gồmmột thyristor đấu song song ngược với một điôt Do các điôt là các vankhông điều khiển nên chúng ta có thể dẫn tự động, làm cho phạm vi gócđiều khiển cho thyristor tăng lên đến 120° mới có thể ngắt tải khỏi nguồn

để cắt dòng tải Đồ thị hình 1.5 cho thấy với góc điều khiển 180°, điện áptrên tải vẫn còn và nhìn theo trục hoành ta thấy cần tăng góc điều khiểnthêm 30° nữa mới ngắt được điện áp ra tải Như vậy mách điều khiển cầnlưu ý điều này, vì mạch thông dụng thường chỉ có phạm vi điều chỉnh góclớn nhất là 180°

Hình 1.5: Điều áp xoay chiều ba pha, sơ đồ thyristor và điôt

Dạng điện áp trên các pha tải vẫn đảm bảo đối xứng (giống nhau vàlệch nhau đúng 120° điện), song điện áp của mỗi pha thì không đối xứng ởhai nửa chu kỳ Điều này có thể thấy trên đồ thị hình 1.6; phổ sóng hài cho

thấy nhiều hơn hai sơ đồ trên, ngoài các sóng hài lẻ bậc 5 và 7… còn có

có ba van có thể dùng chung tản nhiệt nên việc gá lắp sẽ dễ dàng hơn vàgiảm được kích thước thiết bị Đặc điểm điều chỉnh và dạng điện áp ragiống sơ đồ 1.7b, mạch điều khiển cũng đồng bộ theo điện áp pha củanguồn cung cấp

Sơ đồ hình 1.7b,c cũng dùng van ở vị trí dây trung tính, nhưng vanđấu khiểu tam giác Sơ đồ 1.7b dùng sáu van và có các đặc điểm tương tự

sơ đồ 1.2b, nhưng cần chú ý mạch điều khiển phải đồng bộ theo điện ápdây:

Hình 1.7: Các sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha khác

 Cụm van đấu giữa các cực XY đồng bộ theo điện áp dây UAB

 Cụm van đấu giữa các cực YZ đồng bộ theo điện áp dây UBC

 Cụm van đấu giữa các cực ZX đồng bộ theo điện áp dây UCA

Sơ đồ 1.7c tuy số van giảm được một nửa (chỉ cần ba van), nhưngdòng qua van lớn hơn các sơ đồ khác và tuy điện áp các pha vẫn đối xứng,song điện áp hai nửa chu kỳ của một pha lại không đối xứng Phạm vi điềuchỉnh góc điều khiển trong sơ đồ này cũng tăng tới 210°, riêng mạch đồng

bộ khá đặc biệt như sau:

 Thyristor đấu giữa các cực XY đồng bộ theo điện áp ngược pha với

Trên hình 1.8 là đồ thị điện áp với góc điều khiển là 30° khi so sánhvới điện áp đồng bộ Đồ thị thứ hai và thứ ba cho ta thấy: điểm phát xungđiều khiển cho thyristor đấu giữa 2 cực XY của tải tuy đã trùng với điểmqua không của điện áp dây UAB, song điện áp pha ra tải vẫn chưa đạt tớihình sin hoàn chỉnh Vì vậy điện áp đồng bộ cho van này phải sớm hơnđiện áp dây UAB tới 30°, để khi góc điều khiển bằng không sẽ đảm bảo điện

áp ra tải là hình sin hoàn chỉnh như điện áp nguồn vào Trên đồ thị, nếu đốichiếu điện áp đồng bộ này với điện áp nguồn UA thì sớm pha tới 60°, vàtương ứng ngược pha so với điện áp nguồn của pha UB

Trong điều áp xoay chiều ba pha đôi khi người ta dùng mạch vanđiều khiển chỉ đấu ở hai pha hoặc thậm chí một pha, các pha còn lại đấutrực tiếp vào lưới điện, như thể hiện ở hình 1.9a và 1.9b Sơ đồ loại này cấpcho tải hệ điện áp không đối xứng nên phạm vi ứng dụng hạn chế, thườngchỉ được dùng chế độ ngắn hạn như khởi động hoặc dừng

Hình 1.8: Điều áp xoay chiều ba pha, cụm van đấu tam giác ở điểm trung tính tải

Sơ đồ hình 1.9a cho phép điều chỉnh và ngắt hẳn dòng các pha tảikhi góc điều khiển là 180° Trong khi đó sơ đồ hình 1.9b lại không thể cắthẳn dòng tải, vì ngay cả khi đã khóa toàn bộ các van thì hai pha còn lại vẫnđược nối với nguồn, lúc này mỗi pha tải sẽ nhận được điện áp bằng mộtnửa điện áp dây lưới xoay chiều

Hình 1.9: Điều áp xoay chiều ba pha, sơ đồ không đối xứng

Hình 1.10 và 1.11 là thí dụ về dạng điện áp ra tải bị mất đối xứng giữa các pha tải của hai sơ đồ này.

Hình 1.11: Điều áp xoay chiều ba pha không đối xứng, pha B và C nối trực tiếp

với nguồn

1.2 BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM

Trong thực tế, có một số phụ tải điện, do yêu cầu công nghệ hay tínhchất tải, khi bắt đầu chạy không được phép đóng toàn bộ điện áp lưới vàongay mà buộc phải tăng dần từ điện áp theo thời gian từ giá trị thấp nhấtđến đạt giá trị số định mức

Như vậy cần có thiết bị đóng tải với lưới điện nhưng đặc điểm làm việccần điều chỉnh tăng điện áp (điều áp) trong quá trình khởi động theo quiluật phù hợp và kết thúc quá trình ở 100% điện áp nguồn, tức là sau khởiđộng nó trở thành một công - tắc – tơ Thiết bị như vậy phải cho phép điềuchỉnh được các tham số khởi động mềm dẻo theo yêu cầu kỹ thuật cụ thể

và do đó được gọi là bộ khởi động mềm “ Soft – Starter ”

Thời gian khởi động thường nhanh (dưới 1 phút), tức là nhở hơn nhiềuthời gian máy chạy.Vì vậy tính chất của bộ khởi động là lai giữa điều ápxoay chiều và công – tắc – tơ điện tử, tuy nhiên nhiệm vụ chính của nó làphải điều chỉnh điện áp nên thực chất nó là điều áp xoay chiều, trong đóngoài khối phát xung đã nói mở mục điều áp xoay chiều ba pha thì khâuquan trọng là khâu tạo điện áp điều khiển sao cho đáp ứng được luật tăng

áp trong quá trình khởi động và khả năng thay đổi luật này một cách

“mềm”

Dùng khởi động mềm nhiều nhất là động cơ không đồng bộ ba pha rôtongắn mạch hình 1.12a, do động cơ nếu đóng thẳng vào nguồn có dòng khởiđộng lớn hơn nhiều lần giá trị định mức,vì vậy nếu công suất động cơ đánh

kể so với công suất nguồn thì quá trình khởi động sẽ gây ảnh hưởng mạnhlên đường dây lưới điện và các phụ tải khác dùng chung lưới đó Tuy nhiên

do đặc điểm của động cơ loại này có mômen tỉ lệ thuận với bình phươngđiện áp đặt vào động cơ, nên khi khởi động với điện áp thấp dẫn đếnmômen giảm mạnh, vì vậy khởi động mềm động cơ không đồng bộ chỉ phùhợp với phụ tải cơ dạng máy bơm (hình 1.12b)

Nếu “Soft – Starter” chỉ thực hiện đúng quá trình khởi động thì sau khiđiện áp tải đạt định mức động cơ sẽ được đóng thẳng vào lưới nhờ công –tắc – tơ K như hình 1.12c và bộ khởi động được nghỉ (ngắt xung điều khiểnvan), như thế bộ khởi động làm việc nhẹ nhàng hơn

a)

c)

Hình 1.12: Khởi động động cơ không đồng bộ ba pha

Một số “ Soft – Starter” phải thực hiện cả hai quá trình khởi động vàdừng máy theo yêu cầu của công nghệ cụ thể, lúc đó bộ khởi động phảichạy lien tục toàn bộ quá trình máy chạy nên mạch phải hoạt động nặng nềhơn, chế độ phát nhiệt van cần tính toán cẩn thận

Bộ điều khiển khởi động phải gồm có các khối chức năng chính sau:

 Khối phát xung mở van có thể dùng các sơ đồ điều áp xoay chiều đãtrình bày ở trên.

 Khối bảo vệ: bảo vệ mất pha hay quá dòng phải ngắt khởi động, cácbảo vệ này đã đề cập ở phần ảnh hưởng của điện áp nguồn

 Khối tạo luật điều khiển khởi động (và dừng nếu yêu cầu).Các đặctính khởi động và dừng ở hình 1.13: đặc tính dạng hình 1.13a là đơngiản nhất, dạng hình 1.13b phức tạp hơn nhưng tối ưu hơn, dạng hình1.13c dùng cho tải có mômen cản ban đầu lớn

Hình 1.13: Các đặc tính làm việc của bộ khởi động mềm

Biểu đồ khởi động nêu quan hệ điện áp đặt vào động cơ theo thờigian, tuy nhiên cần thấy rằng khi dùng phương pháp xung – pha đẻ điềukhiển thì quan hệ giữa điện áp điều khiển và điện áp động cơ không tỉ lệtuyến tính mà là một hàm phi tuyến Điều này có nghĩa các biểu đồ trênhình 1.13 không phải là đồ thị điện áp điều khiển khởi động Nhưng trongcác bài toán đơn giản người ta coi hai đồ thị này như nhau.

Khâu tạo luật khởi động theo hình 1.13a có thể xây dựng trên cơ sởmạch PI, trên hình 1.14a chính là mạch này, có quan hệ vào/ra như sau:

Ura = -( R0

R1uv + C R1

1∫u v dt+Uc(0), nếu điện áp vào không đổi uv

= const và lấy giá trị âm, thì biểu thức trở thành:Ura = R0

Hình 1.14: Đặc tính PI đơn giản tạo luật khởi động

Biểu thức cho thấy nếu khi bắt đầu khởi động Uc(0) =0 thì điện áp ra

sẽ có dạng như mong muốn: ở t=0 sẽ có bước nhảy điện áp U0= a; sau đóđiện áp tăng theo thành phần biên thiên tuyến tính bt.Tuy nhiên để có thểđiều chỉnh “mềm” theo yêu cầu thực tế, mạch phải có các biến trở chỉnhđịnh như hình 1.15a, trong đó có nhiệm vụ của các phần tử là:

 Mạch có hai tiếp điểm Rkđ của role điều khiển khởi động, khi chưachạy các tiếp điểm này mở: làm cho transistor T thông nổi ngắnmạch tụ C để đảm bảo điều kiện đàu của mạch Uc(0)= 0 Mặt khácđiện áp Uv = 0, do đó điện áp ra cũng bằng không.

 Khi ấn nút khởi động máy, role đóng các tiếp điểm Rkđ lại: một mặtđưa điện áp nguồn âm – E qua R5 vào bazo transistor T để khóa bóngnày lại, cho phép tụ C tiến hành nạp điện; mặt khác đưa nguồn –Evào cụm phân áp R2, R3 để tạo điện áp vào của OA với Uv = const, vàmạch bắt đầu hoạt động như mạch PI

 Điốt ổn áp Dz nhằm hạn chế điện áp điều khiển tối đa sao cho phùhợp với điện áp răng cưa đã thiết kế

Chức năng chỉnh đinh của các biến trở:

 R0 để chỉnh U0, điện áp khởi động ban đầu

 R1 để điều chỉnh tốc độ tăng áp chính là đặt thời gian khởi động

 R2 để đặt điện áp Uv, thường điện áp đặt giá trị thấp xấp xỉ 1v

Hình 1.15: Khâu tạo điện áp khởi động

Chương 2 TÍNH TOÁN MẠCH CÔNG SUẤT

 Chỉ tiêu điện áp, vẫn theo bảng 1.1 có:

Uvan max = 1,5Upha max = 1,5 √2.220 = 446,7 V

Vậy cần chọn thyristor chịu được điện áp khoảng:

UThy 2.Uvan max = 2.466,7 = 933,4 V

a)

b)

Hình 2.2: Công –tắc –tơ điện tử ba pha

Tra phụ lục 2 chọn loại T10-50 cấp điện áp 12 với Itbmax = 50 A và

Umax = 1200 V , tham số điều khiển Ug = 4 V, Ig = 150 mA, nên điện trởtương đương của cực điểu khiển:

Rg = U g

I g = 0,154 = 26,7 ΩTrong mạch ba pha không có dây trung tính, để thông mạch cần haivan ở hai pha khác nhau cùng mở, vì vậy khi khởi động dòng điều khiểnphải đi qua hai van ( xem hình 2.2b ) và điện áp tạo dòng điều khiển là điện

áp dây, nên biểu thức sau trở thành:

Khi mạch đã hoạt động với đầy đủ điện áp nguồn, mạch luôn hoạtđộng ở chế độ van dẫn, nên:

Rg = R1 + Rg + Rtai =100 + 26,7 + 4,83 = 141,53 ΩSuy ra : θ vandan = arcsin(U g

U m

R Σ

R g) = arcsin(√2 2204

141,53 26,7 ¿ = 3,91°

Điôt chọn loại 1N4007 theo phụ lục 5 với I = 1A và Ungmax = 1000VĐiôt ổn áp Dz chọn loại có chuẩn điện áp (2 ÷ 3)Ug = (8÷ 12 )V, theophụ lục 5 chọn loại KC191A có Uổn áp = 9,1V