Thiết kế biến tần 3 pha để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

Với đồ án này em đã nêu ra một khía cạnh nhỏ trong lĩnh vực điều khiển động cơ không đồng bộ. “Thiết kê biến tần 3 pha để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ” Nội dung các chương mục như sau : Chương I : Khái quát chung về hệ truyền động điện biến tần động cơ không đồng bộ. Chương II : Tính chọn mạch lực và thiết bị liên quan. Chương III : Thiết kế mạch điều khiển cho bộ biến đổi.

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cùng với việc phát trển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật trong công nghiệp nói chung và trong công nghiệp điện tử nói riêng thì các thiết bị điện tử có công suất lớn được chế tạo ngày càng nhiều.Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang phát triển hết sức mạnh mẽ.Qua đó con người đã khai thác triệt để những ưu điểm vốn có của các loại động cơ một chiều và xoay chiều phục vụ những nhu cầu ngày càng cao trong lĩnh vực tự động hóa

Với đồ án này em đã nêu ra một khía cạnh nhỏ trong lĩnh vực điều khiển động cơ không đồng bộ

“Thiết kê biến tần 3 pha để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ”

Nội dung các chương mục như sau :

Chương I : Khái quát chung về hệ truyền động điện biến tần động cơ không đồng bộ.

Chương II : Tính chọn mạch lực và thiết bị liên quan.

Chương III : Thiết kế mạch điều khiển cho bộ biến đổi.

CHƯƠNG I : KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

I.1 HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN- ĐỘNG CƠ XOAY

CHIỀU

Trong các hệ thống điều tốc biến tần cho cả 2 loại động cơ xoay chiều đồng bộ và không đồng bộ thì bộ biến tần là khâu quan trọng quyết định đến chất lượng của hệ thống truyền động Phụ thuộc vào phạm vi điều chỉnh, vào phạm vi công suất truyền động, vào hướng điều chỉnh mà có các loại biến tần và phương pháp khống chế biến tần khác nhau Trong thực tế các bộ biến tần được chia làm hai nhóm: các

bộ biến tần là biến tần trực tiếp và các bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều Trước đây, các hệ truyền động dùng biến tần trựctiếp do chất lượng điện áp đầu ra thấp nên thường dùng ở lĩnh vực công suất lớn, nơi chỉ tiêu về hiệu suất được đặt lên hàng đầu Ngày nay, với sự phát triển của điện tử công suất và kỹ thuật vi điều khiển, phương pháp điều khiển biến tần kiểu ma trận cho chất lượng điện áp

ra cao, giảm ảnh hưởng xấu đến lưới điện nên phạm vi ứng dụng đang ngày càng được mở rộng Được ứng dụng nhiều nhất hiện nay vẫn là các hệ điều tốc biến tần dùng bộ biến tần gián tiếp, các bộ biến tần loại này có thể khống chế theo các phương pháp khác nhau: điều chế độ rộng xung (PWM); điều khiển vector; điều khiển trực tiếp mô men

Biến tần điều chế độ rộng xung (PWM) với việc điều khiển điện áp và tần số theo qui luật U1/f1 = Const dễ thực hiện nhất, đường đặc tính cơ biến tần của nó về cơ bản là tịnh tiến lên xuống, độ cứng cũng khá tốt, có thể thoả mãn yêu cầu điều tốc thông thường, nhưng

khi tốc độ giảm thấp thì sụt áp trên điện trở và điện cảm tản cuộn dây ảnh hưởng đáng kể đến mô men cực đại của động cơ, buộc phải tiến hành bù sụt điện áp cho mạch stator Điều khiển Es/f1 = const là mục tiêu thực hiện bù điện áp thông dụng với U1/f1 = const, khi ở trạng thái

ổn định có thể làm cho từ thông khe hở không khí không đổi (Фm = const), từ đó cải thiện được chất lượng điều tốc ở trạng thái ổn định Nhưng đường đặc tính của nó vẫn là phi tuyến, khả năng quá tải về mômen quay vẫn bị hạn chế

Hệ thống truyền động điều khiển Er/f1 = const có thể nhận được đường đặc tính cơ tuyến tính giống như ở động cơ một chiều kích thích

từ độc lập, nhờ đó có thể thực hiện điều tốc với chất lượng cao Dựa vào yêu cầu tổng từ thông của toàn mạch rotor Фrm= const để tiến hànhđiều khiển có thể nhận được Er/f1=const Trong trạng thái ổn định và trạng thái động đều có thể duy trì Er/f1=const là mục đích của điều tốc biến tần điều khiển vec tơ

I.2 SƠ LƯỢC VỀ CÁC HỆ THỐNG BIẾN TẦN.

1 Khái niệm.

Biến tần là thiết bị tổ hợp các linh kiện điện tử thực hiện chức năng biến đổi tần số và điện áp một chiều hay xoay chiều nhất định thành dòng điện xoay chiều có tần số điều khiển được nhờ khoá điện tử

2 Phân loại

1 Biến tần trực tiếp:

Bộ biến đổi này chỉ dùng một khâu biến đổi là có thể biến đổi nguồn điện xoay chiều có điện áp và tần số không đổi thành điện áp xoay chiều có điện áp và tần số điều chỉnh được Do quá trình biến đổi không phải qua khâu trung gian nên được gọi là bộ biến tần trực tiếp, còn được gọi là bộ biến đổi sóng cố định (Cycloconverter) Như vậy

điện áp xoay chiều U1(f1) chỉ cần qua một van là chuyển ngay ra tải vớiU2(f2).

Tuy nhiên, đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van rất phức tạpchỉ sử dụng cho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp Vì việc thay đổi tần số f2 khó khăn và phụ thuộc và f1

Ví dụ

H1.3: Sơ đồ biến tần trực tiếp

2.Biến tần gián tiếp:

Còn gọi là biến tần độc lập Trong biến tần này đầu tiên điện áp được chỉnh lưu thành dòng một chiều Sau đó qua bộ lọc rồi trở lại dòng xoay chiều với tần số f2 nhờ bộ nghịch lưu độc lập (quá trình thayđổi f2 không phụ thuộc vào f1).Việc biến đổi hai lần làm giảm hiệu suấtbiến tần.Tuy nhiên việc ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kĩ thuật vi xử línên ta phát huy tối đa các ưu điểm của biến tần loại này và thường sử dụng nó hơn

1

, f

1

B C



H1.4: Sơ đồ biến tần gián tiếp

H1.5: Sơ đồ khối

Phân loại biến tần gián tiếp

Do tính chất của bộ lọc nên biến tần gián tiếp lại được chia làm

hai loại sử dụng nghịch lưu dòng và nghịch lưu áp

a) Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng:

Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn

dòng, dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào dạng dòng điện của

nguồn, còn dạng áp trên tải tuỳ thuộc vào các thông số của tải quy

định

b) Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp:

Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn áp

(nghĩa là điện trở nguồn bằng 0) Dạng của điện áp trên tải tuỳ thuộc

vào dạng của điện áp nguồn, còn dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc

vào thông số của mạch tải quy định

D10 D12 D8 Co

C1 C3 C5

C4 C2 C6

L2

Ñ K B

U2, f

Bộ biến tần nguồn áp có ưu điểm là tạo ra dạng dòng điện và điện áp sin hơn, dải biến thiên tần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn.

Bộ biến tần nguồn áp có hai bộ phận riêng biệt, đó là bộ phận động lực và bộ phận điều khiển

- Bộ lọc: là bộ phận không thể thiếu được trong mạch động lực cho phép thành phần một chiều của bộ chỉnh lưu đi qua và ngăn chặn thành phần xoay chiều Nó có tác dụng san bằng điện áp sau khi chỉnh lưu

Phần điều khiển:

Là bộ phận không thể thiếu được, nó quyết định sự làm việc của mạch động lực, để đảm bảo các yêu cầu tần số, điện áp ra của bộ biến tần đều do mạch điều khiển quyết định

CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN MẠCH LỰC VÀ

THIẾT BỊ LIÊN QUAN

I.1 TÍNH TOÁN MẠCH CÔNG SUẤT

600 (vì cứ 600 có một trạng thái chuyển mạch) với nguyên tắc van nào dẫn coi như thông mạch Nhìn chung sơ đồ này có dạng một pha tải nốivới hai pha đấu song song nhau Do vậy điện áp 1 pha trên tải sẽ chỉ cóhai giá trị là E3 Khi một pha đấu song song với 1 trong 2 pha còn lại

hoặc 2 E3 khi một pha nối tiếp với nhánh song song còn lại.Với giả thiết tải đối xứng

dm dm

U

R I

+) Tính toán các thông số điện áp ở chế độ điều chỉnh cực đại

-Ta có điện áp cực đại trên một pha tải:

Uma = 2Umax-Điện áp đầu vào cực đại của bộ nghịch lưu:

+) Tính toán các thông số dòng điện ở chế độ điều chỉnh cực đại

-Dòng điện hiệu dụng pha tải ở chế độ điều chỉnh cực đại

Vậy cần chọn Mosfet chịu được dòng điện trung bình:

ITBM = 1,8.IM = 1,8 10,85 = 19,53 (A)

Từ đó ta chọn: Mosfet SKM284F với thông số:

IDmax=20 AUDSmax= 1500 V

ID 2 (cos 1)

2 ) 1 (cos

 Trong đó:

I0 : Là dòng điện cơ sở ( I0 f

d R

3 1

a a

a Q

Q = 1 0 , 992

71 , 0



a

A = 0,842Khi đó:

 2.115, 22 0,842 2

54, 45 3

Vậy dòng điện tải và điện áp tải cực đại của bộ chỉnh lưu là:

Ud = Udmax = 1120 (V)

Idmax = Iv = 54,45 (A

Vậy phải chọn Tiristor ít nhất chịu được điện áp ngược:

Với điều kiện đó ta chọn hệ số dự trữ dòng điện ki = 2,5

Vậy cần chọn dòng định mức của van là:

Idmv = 2,5 Ilv = 2,5 31,43 = 78,59 (A) Với các thông số Unv , Idmv ta chọn Tiristor: T60N1000VOF có:

Điện áp ngược cực đại của van : Un = 1300 V

Dòng điện định mức của van : Idmmax = 90 A

Dòng điện đỉnh cực đại : Ipik = 1400 A

Dòng điện xung điều khiển : Ig = 150 mA

Điện áp xung điều khiển : Ug = 1,4 V

Dòng điện duy trì : Ih =0,2 A

Dòng điện rò : Ir = 25 mA

Sụt áp của Tiristor ở trạng thái dẫn : ΔU = 1,8 VU = 1,8 V

Tốc độ biến thiên điện áp : du/dt = 1000 V/s

Thời gian chuyển mạch : tcm = 180 μss

Nhiệt độ làm việc cực đại : Tmax = 125 0C

c Tính toán máy biến áp chỉnh lưu

Chọn máy biến áp ba pha ba trụ đấu ΔU = 1,8 V /Y làm mát bằng không khí tự nhiên

Tính các thông số cơ bản

Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:

Ud0 = Ud + ΔU = 1,8 VUv + ΔU = 1,8 VUba + ΔU = 1,8 VUdn

Trong đó:

Sụt áp trên các van :

ΔU = 1,8 VUv = 2 ΔU = 1,8 VU

Sụt áp trên máy biến áp khi có tải chọn sơ bộ

ΔU = 1,8 VUba = 6%Ud

sụt áp trên dây nối

508,82 64,16 85,91 380

U

I U

Tính sơ bộ mạch từ

Tiết diện trụ được tính theo biểu thức kinh nghiệm:

f c

S k

Q

.

Trong đó:

k : Hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát chọn k =6

S : Công suất biểu kiến của máy biến áp

= 4.153,56

 = 13,89 (cm) Chọn: d = 14 (cm)

Chọn từ cảm B=1 Tesla

Tính toán dây quấn

Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp

508,82 112 149,96 380

U n U

Chọn tỉ số n  0 5

d

c

suy ra c = 0,5.11 =5,5 cmChọn c =6 cm

Chọn tỉ số l  1

d

b

suy ra b = d =11 cmChiều rộng toàn bộ mạch từ C = 2c + 3d = 45 cm

Chiều cao mạch từ H = h + 2d = 50 cm

+) Kết cấu dây quấn sơ cấp

Số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp

W1 =

1

2

n

g d

dn1 :đường kính dây quấn sơ cấp kể cả cách điện

hg :khoảng cách cách điện với gông, chọn hg = 2.dn1

Số lớp dây của cuộn sơ cấp

N11 = 1

1

112 1,8 60

n

Chọn N11 = 2 lớp

Như vậy 112 vòng chia thành 2 lớp,mỗi lớp có 56 vòng

Chiều cao thực tế của cuộn dây sơ cấp

h1= 1. n1

c

d k

W

= 0 , 42 95 , 0

60

=26,53 (cm)

Giữa hai lớp đặt một tờ giấy cách điện dày 0,1mm

Bề dày của của cuộn dây sơ cấp:

e1=N11.dn1 + 0,1.N11 =17,2 mm

Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày s01=0,1mmKhoảng cách từ trụ tới cuộn sơ cấp a01 =1 cm

Đường kính trong của ống cách điện

Dt = d + 2a01 – 2s01 = 11 + 2.1 - 2.0,01 = 12,98 cm Đường kính trong của cuộn sơ cấp

Dt1 = d + 2s01 = 11 + 2.0,01 = 11,02 cmĐường kính ngoài của cuộn sơ cấp

Dn1 = Dt1 + 2e1 = 11,02 + 2.1,72 = 14,46 cmĐường kính trung bình của cuộn sơ cấp

+) Kết cấu dây quấn thứ cấp

Chọn chiều cao cuộn thứ cấp h2 = h1 = 26,53

Số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp

dn2 :đường kính dây quấn thứ cấp kể cả cách điện

Số lớp dây của cuộn thứ cấp

N12 = 2

2

1502,560

n

Như vậy 150 vòng chia thành 3 lớp mỗi lớp có 50 vòng

-Giữa hai lớp đặt một tờ giấy cách điện dày 0,1mm

Bề dày của của cuộn dây thứ cấp:

e2=N12.dn2 + 0,1.N12 =12,9 mmChọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày s02=0,1mmKhoảng cách từ trụ tới cuộn thứ cấp a02 =1 cm

Đường kính trong của ống cách điện

Dt = d + 2a02 – 2s02 = 11 + 2.1 - 2.0,01 = 12,98 cm

Đường kính trong của cuộn thứ cấp

Dt2 = d + 2s02 = 11 + 2.0,01 = 11,02 cmĐường kính ngoài của cuộn thứ cấp

Dn2 = Dt2 + 2e2 = 11,02 + 2.1,29 = 13,6 cm Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp

kdm      1

2

6 cos 1 6

Ta nhận thấy rằng hệ số đập mạch phụ thuộc vào góc điều khiển α

Khi điều chỉnh α sẽ làm cho hệ số này xấu đi.Chính vì thế để thỏa mãn yêu cầu của tải cần đưa thêm bộ lọc

Hiệu quả của bộ lọc được đánh giá bằng hệ số san bằng:

U R

L U

Thường nhận: ∆UC = 0,1Udmax

2 2 ln 2 1 3 , 67 10

37 , 653 1 , 0 81 , 7 3

0174 , 0 37 ,

Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn

Khi dòng điện chảy qua các van, sẽ có tổn hao công suất ∆P Tổn hao này sẽ làm nóng các van Trong khi đó các van bán dẫn chỉ được phép làm việc với một nhiệt độ cho phép Tcp, nếu vượt quá nhiệt

độ này van sẽ bị hỏng Chính vì vậy để đảm bảo an toàn cho các van, cũng như độ tin cậy của mạch ta cần thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý.

km hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ

Giả thiết van làm việc trong môi trường có nhiệt độ Tmt = 350C

Nhiệt độ cho phép của van Tmax = 1250C

Chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt là Tc = 800C

Chọn: km = 8 ( W/m2.0C )

Vậy S   0 , 11

35 80 8

094 , 41





Bảo vệ quá dòng điện cho van

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

Chọn cầu chì tác động nhanh bảo vệ ngắn mạch Tiristor, ngắn mạch đầu ra chỉnh lưu

Từ đó ta chọn được loại cầu chì thích hợp

Bảo vệ quá điện áp cho van

Bảo vệ quá áp do chuyển mạch

Trong quá trình chuyển mạch các Tiristor, các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo thành dòng điện ngược biến thiên trong khoảng thời gian ngắn Dòng điện biến thiên này tạo ra mộtsức điện động rất lớn làm quá áp Tiristor Khi có mạch R-C mắc song song với Tiristor sẽ tạo thành mạch vòng phóng điện nên bảo vệ được Tiristor

1 R 2 2 C 2

H 2.9 Mạch bảo vệ quá áp do chuyển mạch

Theo kinh nghiệm chọn R = (5 30)  ; C = (0,25  4) F

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

1CC 1CC

C2 C2

R2

c b

a

1CC

H2.10 Mạch bảo vệ quá điện áp từ lưới

Để bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, chúng ta mắc song song với tải ở đầu vào một mạch R - C, nhằm lọc xung Khi xuất hiện xung điện áp trên đường dây, nhờ có mạch 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 µF

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

I CẤU TRÚC SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỔNG QUÁT

1 Mạch điều khiển nghịch lưu

Sơ đồ khối

Nhiệm vụ của các khâu:

- Khâu phát xung chủ đạo: là khâu tự dao động tạo ra xung điều khiển

để đưa đến bộ phận phân phối xung Khâu này đảm nhận điều chỉnh xung, ngoài ra nó còn có thể đảm nhận luôn chức năng khuyếch đại xung

- Khâu phân phối xung: làm nhiệm vụ phân phối các xung điều khiển vào khâu khuyếch đại xung

- Khâu khuyếch đại trung gian: có nhiệm vụ khuyếch đại xung nhận được từ bộ phận phân phối xung đưa đến đảm bảo kích thích mở van

II TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN

1 Tính mạch điều khiển nghịch lưu

H3.9: Cấu tạo IC555

Cấu tạo của vi mạch 555 như trên hình H3.9 gồm ba điện trở 5 K mắc nối tiếp từ VCC xuống mass tạo điện thế tham chiếu 2VCC/3 cho mạch so sánh 1(upper comp) và VCC/3cho mạch so sánh 2 (lower Comp) Flip-Flop RS và transistor T1 ,T2 là các bộ phận chuyển mạch tạo xung ra Các chân của IC 555 như sau:

H3.10: Sơ đồ khâu phát xung chủ đạo

3 sẽ đổi trạng thái về thấp ,còn chân 7 sẽ chuyển lên cao, tụ C lại nạp điện Quá trình dao động cứ tiếp tục diễn ra như thế tạo ra xung chữ nhật

ở đầu ra 3

+ Dạng xung đầu ra và điện áp trên tụ C :

c Tính toán tần số xung ra của IC555 và các trigơ

Vi mạch IC555 làm việc ở chế độ tự dao động, tần số dao động phụ thuộc vào sự phóng nạp của tụ C

2 , 4

1 )

2 ( 7 0

* 6

1

555

R R

C R

R C

Muốn thay đổi tần số của tải thì phải thay đổi tần số xung của bộ phát xung chủ đạo IC555 tức là điều chỉnh giá trị C,R1,R2.Với tải là động cơ không đồng bộ roto lồng sóc yêu cầu điều chỉnh tần số từ 0-70HZ Ta chọn giá trị của tụ C là 0.1 f, giá trị của R1 được chọn sẽ tương ứng với tần số f = 70Hz vàR2=0 :

16 6

10

Giá trị điện trởR17 được chọn tương ứng với f=0 Hz và R16= 34 k khi

đó R17 phải đạt vô cùng, trên thực tế điều đó là không thể Vậy điều chỉnhR17 để tần số = 0 ta chỉ có thể điều chỉnh RC đến một giá trị nào đó để tần

số gần bằng 0 rồi ngắt R17 khỏi mạch.Từ đó ta chọn R2 = 50k

2 Khâu phân phối xung.

Yêu cầu phân phối xung để điều khiển các mosfet kích mở theo luật:

+Khi M1 dẫn thì M4 khóa, tức M1 có xung điều khiển thì M4 hoàn toàn không có xung điều khiển

+ Khi M3 có xung thì M6 không có xung

+ Khi M5 có xung thì M2 không có xung

Để tạo được phân phối xung như vậy ta dùng các Flip-Flop Theo như phân tích trên ta dùng 3 Flip-Flop D để phân phối xung Mỗi xung ra cách nhau 600

Bảng chức năng của FF-D:

Với : Qn+1 = D