Nghiên cứu tổng quan về các bộ biến đổi công suất sử dụng trong truyền động điện xoay chiều ba pha

Việc điềukhiển các bộ biến đổi công suất trong truyển động điện xoay chiều ba pha là mộttrong những kỹ thuật điều khiển tiên tiến được nhiều người ưa chuộng nhất trongcông nghiệp, có đượ

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việc điều khiển các động cơ xoay chiều ba pha đã ra đời cách đây vài thậpniên, nhưng đặc biệt trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của cácphần tử bán dẫn và các mạch điện tử công suất, việc điều khiển động cơ xoay chiều

ba pha đã trở nên dễ dàng và ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp Việc điềukhiển các bộ biến đổi công suất trong truyển động điện xoay chiều ba pha là mộttrong những kỹ thuật điều khiển tiên tiến được nhiều người ưa chuộng nhất trongcông nghiệp, có được điều này là do sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệpchế tạo bán dẫn Các bộ biến đổi công suất thế hệ mới ngày nay càng thể hiện rõđược điểm ưu việt như: kích thước gọn nhẹ, tác động nhanh, làm việc với độ tincậy cao mà giá thành lại hạ…

Việc nghiên cứu và phát triển các bộ biến đổi công suất trong truyền độngđiện xoay chiều ba pha giúpchúng ta hiểu thêm và có kiến thức nhất định về điềukhiển các bộ biến đổi công suất này.Tạo tiền đề để có thể ứng dụng chúng vàotrong các quá trình công nghệ trong thực tế, do đó đem lại ý nghĩa quantrọng trongkhoa học và phát triển kinh tế

Xuất phát từ tình hình thực tế trên, nhằm góp phần thiết thực vào sự nghiệpcông nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước nói chung và ngành điện tự động nóiriêng Chính vì lẽ đó em đã lựa chọn đề tài là:

“ Nghiên cứu tổng quan về các bộ biến đổi công suất sử dụng trong truyềnđộng điện xoay chiều ba pha”

2 Mục đích của đề tài

Nắm được tổng quan về các bộ biến đổi công suất sử dụng trong truyền độngđiện xoay chiều ba pha, phương pháp điều khiển các bộ biến đổi, kiểm chứng được

kết quả của bộ biến đổi và biếtcách sử dụng công cụ Simpower system để xây dựng

hệ thống điều khiển trên Simulink

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Bộ điều áp xoay chiều ba pha, bộ nghịch lưu nguồn áp, nghịch lưu nguồn dòng

4 Phương pháp nghiên cứu khoa học

Nghiên cứu lí thuyết kết hợp với mô phỏng kết quả trên máy tính

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

5.1 Ý nghĩa khoa học

Tổng quan về điều khiển các bộ biến đổi công suất, mô phỏng trên phần mềm Matlab&Simulink

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Giúp sinh viên chuyên ngành có những hiểu biết về các bộ biến đổi công suất

sử dụng trong truyền động điện xoay chiều ba pha, tạo tiền đề để ứng dụng chúng vào trong các lĩnh vực của cuộc sống

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU i

1 Tính cấp thiết của đề tài i

2 Mục đích của đề tài i

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ii

4 Phương pháp nghiên cứu khoa học ii

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ii

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA 1

1.1 CẤU TRÚC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA 1

1.2 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 3

1.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 3

1.2.2 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha 6

1.2.3 Phương trình đặc tính cơ động cơ không đồng bộ 8

1.3 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA 12

1.3.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp 12

1.3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn 13

1.3.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch rotor 15

1.3.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số cặp cực p 16

CHƯƠNG 2 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT SỬ DỤNG TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA 18

2.1 BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA 18

2.1.1 Đặc điểm chung 18

2.1.2 Một số dạng sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha 20

2.2 BỘ NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP BA PHA 25

2.3 BỘ NGHỊCH LƯU NGUỒN DÒNG BA PHA 27

2.4 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÁC MẠCH 30

2.4.1 Phương pháp điều chế PWM 30

2.4.2 Phương pháp điều chế vector cho nghịch lưu 33

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI VỚI TẢI 39

3.1 MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA VỚI TẢI 39

3.1.1 Mô phỏng điều áp xoay chiều ba pha với tải là động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha 39

3.1.2 Mô phỏng điều áp xoay chiều ba pha với tải là động cơ đồng bộ xoay chiều ba pha 42

3.2 MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP VỚI TẢI 44

3.2.1 Mô phỏng nghịch lưu nguồn áp với tải là động cơ không đồng bộ xoay chiều

ba pha 44

3.2.2 Mô phỏng nghịch lưu nguồn áp với tải là động cơ đồng bộ xoay chiều ba pha 49

KẾT LUẬN 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY

CHIỀU BA PHA

1.1 CẤU TRÚC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA

Hệ thống truyền động điện xoay chiều 3 pha là tổ hợp các thiết bị điện, điệntử phục vụ cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấucông tác trên máy sản xuất, cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điềukhiển quá trình biến đổi năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ

Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống truyền động điện xoay chiều ba phaTrong đó:

1 BBĐ: Là bộ biến đổi dòng xoay chiều thành một chiều hoặc một chiềuthành xoay chiều, biến đổi nguồn áp hay nguồn dòng, biến đổi mức điện áp, dòngđiện, tần số hay pha

2 Đ: Động cơ xoay chiều ba pha, dùng để biến đổi điện năng thành cơ nănghoặc ngược lại điện năng thành cơ năng trong chế độ hãm Động cơ này sẽ tạo ratốc độ quay, qua thiết bị truyền lực động cơ sẽ truyền cơ năng của mình cho máysản xuất để thực hiện các yêu cầu sản xuất khác nhau

3 TBL: Là thiết bị truyền lực, là thiết bị dùng để truyền lực từ trục động cơđiện tới cơ cấu máy sản xuất hoặc để biến đổi chuyển động quay thành tịnh tiến,hay là biến đổi để phù hợp về tốc độ (hộp số), momen hay lực Để truyền lực có thểdùng bánh răng, trục vít, xích, dây culoa, các bộ hộp số…

4 M: Máy sản xuất, là cơ cấu làm việc, thực hiện các thao tác sản xuất vàcông nghệ (gia công chi tiết, nâng hạ hoặc di chuyển)

5 BĐK: Bộ điều khiển gồm các thiết bị để điều khiển bộ biến đổi, động cơ vàcác thiết bị lực

Bộ điều khiển gồm các thiết bị đo lường, các bộ điều chỉnh tham số

và công nghệ, các khí cụ điện, các thiết bị đóng cắt mạch điện (aptomat, rơle, côngtăc tơ)

Các thiết bị đo lường trong hệ là các cảm biến để lấy tín hiệu phảnhồi, máy phát tốc để lấy tốc độ phản hồi từ động cơ đưa về bộ điều khiển

Cấu trúc của hệ truyền động xoay chiều bap ha gồm hai phần chính là: phầnmạch lực và phần mạch điều khiển

- Phần mạch lực: Là nguồn điện được lấy từ lưới điện cung cấp điện năng tới

bộ biến đổi và động cơ điện truyền động cho phụ tải

- Phần điều khiển: Là các cơ cấu đo lường, các khí cụ điện, các thiết bị điềukhiển đóng cắt

Hệ truyền động điện xoay chiều ba pha sử dụng động cơ không đồng bộ xoaychiều ba pha Động cơ này có ưu điểm là kết cấu đơn giản, dễ dàng chế tạo, vậnhành an toàn, sử dụng nguồn điện trực tiếp từ lưới điện Gần đây do sự tiến bộ củangành công nghiệp chế tạo các thiết bị bán dẫn công suất và sư phát triển của điện

tử tin học nên việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ là khá đơn giản do đóđộng cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha được sử dụng rộng rãi trong các ngànhcông nghiệp

1.2 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

1.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha là loại động cơ điện xoay chiều

mà tốc độ quay của rotor khác với tốc độ quay của từ trường trong máy

Động cơ điện không đồng bộ ba pha gồm có 2 phần:

+ Phần quay gọi là rotor

Hình 1.3 Stator của máy điện không đồng bộ xoay chiều ba pha

- Vỏ máy: thường làm bằng gang hoặc nhôm, làm nhiệm vụ bảo vệ mạch từ vàgiữ chặt lõi thép stator, vỏ có dạng trụ rỗng, có chân để cố định máy trên bệ và cóhai nắp máy ở hai đầu để đỡ trục của máy và bảo vệ phần đầu dây quấn

- Lõi thép stator: có dạng trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện được ghépvới nhau theo một hình trụ rỗng Mặt trong của các lá thép kỹ thuật được dập rãnhtheo hướng trục để đặt cuộn dây stator

- Dây quấn stator: thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện, được quấnthành các mô bin và đặt trong các rãnh của lõi thép stator Các mô bin này đượccách điện với nhau và cách điện với lõi thép

b) Rotor

Rotor gồm có: lõi thép, trục máy và dây quấn

- Lõi thép: được làm từ các lá thép kỹ thuật điện ghép lại có dạng hình tròn vàmặt ngoài của các lá thép đó được dập thành các rãnh để đặt cuộn dây, còn ở giữađược dập lỗ tròn để lồng trục máy Thường thì các lá thép rotor được tận dụngphần bên trong các lá thép 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 2 loại là rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lồng sóc

+ Rotor kiểu dây quấn: dây quấn rotor là ba pha giống như dây quấnstator Dây quấn thường đấu hình sao Ba pha của dây quấn này được đưa ra bavành trượt bằng đồng trên trục máy Ba vành trượt này được cách điện với nhau vàvới trục máy

Tỳ lên vành trượt là ba chổi than nối với mạch ngoài qua biến trở Rt.Biến trở này được gọi là biến trở khởi động hay biến trở điều chỉnh tốc độ

Hình 1.4 Rotor dây quấn

+ Rotor kiểu lồng sóc: dây quấn rotor là các thanh dẫn bằng đồng thau hoặc bằng nhôm đặt trong các rãnh của rotor, hai đầu của thanh dẫn được nối với hai vòng ngắn mạch cũng làm bằng đồng thau hoặc nhôm và như vậy dây quấn rotor hình thành một cái lồng con sóc nên gọi là lồng sóc

Hình 1.5 Rotor lồng sóc máy điện không đồng bộ

1.2.2 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Động cơ điện không đồng bộ ba pha làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ.Tức là: khi cho dòng ba pha chạy vào dây quấn ba pha đặt ở stator của động cơ thìtrong máy sinh ra một từ trường quay với tốc độ n1 = 60f1/p, trong đó f1 là tần sốdòng điện lưới, p là số cặp cực trong máy Từ trường này sẽ quét lên dây quấnnhiều pha tự ngắn mạch ở rotor và cảm ứng trong dây quấn đó các sức điện động

và dòng điện Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stator tạothành từ thông khe khí Dòng điện ở dây quấn rotor tác dụng với từ thông tổng khekhí tạo thành momen quay làm quay rotor Đó là nguyên lý làm việc của động cơđiện không đồng bộ ba pha.

Tác dụng nói trên sẽ quan hệ mật thiết với tốc độ quay của rotor Với nhữngphạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ công tác của máy điện không đồng bộ cũngkhác nhau Để chỉ phạm vi tốc độ của máy người ta đưa ra hệ số trượt:

1 1

n -n s=

Khi n = n1 → s = 0, n = 0 thì s = 1, khi n > n1 thì s < 0 và khi n < 0 thì s > 1.a) Xét rotor quay cùng chiều của từ trường quay, nhưng n < n1 hay 0 < S < 1

Hình 1.6 Quá trình tạo momen quay của động cơ không đồng bộ

Khi chiều quay n1 của từ trường khe hở Φ của rotor như hình 1.6a Do n < n1nên từ trường vẫn quét các thanh dẫn rotor theo chiều quay của từ thông Φ Ta xácđịnh chiều sức điện động sinh ra trên các thanh dẫn rotor theo quy tắc bàn tay phải,theo quy tắc bàn tay trái ta xác định được lực F và momen M Chiều của lực Fđtcũng là chiều của momen điện từ Mđt Vậy ta thấy Mđt sẽ làm rotor quay cùng chiềuvới chiều quay của từ trường quay Như vậy điện năng đưa vào lưới sẽ biến thành

cơ năng trên trục máy Tức là máy làm việc ở chế độ động cơ Nhưng máy chỉ làmviệc ở chế độ động cơ khi n < n1 Vì n < n1 thì mới có sự chuyển động tương đối

giữa từ trường và dây quấn rotor và như vậy dây quấn rotor mới có sự cắt của từtrường lên các thanh dẫn và tạo nên dòng điện và momen quay Còn nếu n = n1 thìkhông có sự cắt của từ trường lên các thanh dẫn rotor,làm cho E2 = 0 và I2 = 0 vàmomen quay cũng bằng không… Vậy ở chế độ này máy chỉ làm việc trong khoảng

0 < s < 1

b) Xét n > n1, rotor quay cùng chiều với chiều của từ trường quay: n > n1, s < 0

Giả thiết ta dùng một động cơ sơ cấp quay rotor của máy không đồng bộ vớimột tốc độ n > n1 Lúc này chiều quét của từ trường quay lên các thanh dẫn sẽngược lại Dùng quy tắc bàn tay phải ta xác định chiều sức điện động trên các thanhdẫn của rotor như hình 1.6b Từ hình ta thấy chiều của nó ngược với trường hợpban đầu do đó chiều của Fđt và Mđt cũng ngược với chiều của rotor Mđt trongtrường hợp này là momen cản Như vậy máy đã biến đổi cơ năng thành điện năngđưa vào lưới Tức là máy điện làm ở chế độ máy phát

c) Xét rotor quay ngược chiều từ trường quay, tức là n < 0 hay s > 1

Giả thiết vì một lý do nào đó mà rotor quay ngược chiều quay của từ trườngquay như hình 1.6c Khi đó chiều sức điện động, dòng điện và momen ở thanh dẫnrotor có chiều giống như chiều của sức điện động, dòng điện và momen ở chế độđộng cơ Vì momen điện từ có chiều ngược với chiều quay của rotor nên có tácdụng hãm rotor đứng lại Trong trường hợp này máy vừa lấy điện năng từ lưới vàovừa lấy cơ năng từ động cơ sơ cấp lai Chế độ làm việc của máy điện không đồng

bộ như vậy gọi là chế độ hãm điện từ

1.2.3 Phương trình đặc tính cơ động cơ không đồng bộ

Khi coi ba pha của động cơ là đối xứng, các thông số của mạch không thayđổi nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở mạch rotor không phụ thuộcvào tần số dòng điện trong nó,mạch từ không bão hòa…Tổng dẫn của mạch vòng

từ hóa không thay đổi, dòng điện từ hóa chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stator

của động cơ Bỏ qua các tổn thất do ma sát, tổn thất trong lõi thép Điện áp vào làhoàn toàn hình sin và đối xứng.

Với các giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ ba phanhư sau:

Hình 1.7 Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ ba phaTrong đó:

U1: Trị số hiệu dụng điện áp ba pha ở stator

I1, Iµ, I2: Trị số dòng điện stator, dòng từ hóa, dòng điện rotor quy đổi vềstator

r1, rµ, r’2: Trị số điện trở stator, điện trở mạch từ hóa, điện trở rotor quyđổi về stator

R’f: Điện trở phụ thêm vào mỗi pha của rotor

s: Độ trượt của động cơ

Từ sơ đồ thay thế ta có trị số hiệu dụng gần đúng của dòng điện stator:

Đặc tính dòng điện stator được trình bày như sau:

Để tìm phương trình đặc tính cơ ta xuất phát từ điều kiện cân bằng công suấttrong động cơ, công suất điện chuyển từ stator sang rotor:

Pđt = Mđt.ω0 (1.6)Với Mđt: momen điện từ của động cơ Nếu bỏ qua các tổn thất phụ, ta có Mđt =

Suy ra: M =

2

2 2 1

Phương trình trên biểu diễn mối quan hệ M = f(ω) gọi là phương trình đặc tính

cơ của động cơ không đồng bộ ba pha Với các giá trị khác nhau của s (với 0 ≤ s ≤1) ta có thể suy ra các giá trị khác nhau của M Đồ thị M = f(ω) là một đường cong

2 (1 as )

2

th th

th th

M M

2

'

r a R



(1.16)Với những động cơ mà có công suất lớn thì r1 << xnm nên ta coi r1 = 0, khi đó:

2 th

th

th

M M

'

th

nm

R s

x



(1.18)2

1 0

32

th

nm

U M

Ta thấy đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha là đường cong đượcphân ra thành hai đoạn chính: đoạn một từ điểm ω1 tới điểm tới hạn và đoạn hai từđiểm tới hạn tới điểm Mkđ

Đoạn một đặc tính gần như là đường thẳng và cứng, đoạn này momen động cơtăng thì tốc độ giảm, động cơ làm việc trên đoạn này sẽ ổn định Động cơ làm việc

sẽ không ổn định trên đoạn hai

1.3 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU

BA PHA

Trong thực tế công nghiệp người ta rất cần các động cơ điện mà có thể thayđổi tốc độ được theo ý muốn Ví dụ như trong các máy gia công cắt gọt kim loại,

khi gia công thô ta cần có momen lớn và tốc độ thấp, còn khi gia công tinh ta cần

có tốc độ cao và momen quay nhỏ

Hay dưới tàu thủy như các thiết bị nâng hạ hàng Khi nâng ta cần có tốc độcao, khi hạ thì cần có tốc độ nhỏ…

Vì vậy vấn đề điều chỉnh tốc độ trong thực tế là vấn đề rất cấp bách và cầnthiết Điều chỉnh tốc độ động cơ điện là làm cho tốc độ quay của động cơ theo ýmuốn của con người

Những yêu cầu khi nghiên cứu vấn đề điều chỉnh tốc độ động cơ điện:

+ Giới hạn điều chỉnh phải rộng

+ Độ trơn điều chỉnh phải tốt

+ Phải đảm bảo tính kinh tế cao

1.3.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp

Điều chỉnh điện áp và giữ nguyên tần số của nguồn ta dùng bộ biến đổi điện

áp xoay chiều Khi điện áp thay đổi thì độ trượt tới hạn của động cơ không đổi, cònmomen tới hạn thay đổi tỷ lệ với bình phương của điện áp

x



2 1 th

1 nm

3U

M =±

Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ của phương pháp như sau:

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý khi thay đổi điện áp

Hình 1.10 Đặc tính cơ khi thay đổi điện ápNhận xét:

Thay đổi điện áp chỉ được thực hiện theo chiều giảm điện áp đặt dưới giá trịđịnh mức nên momen tới hạn giảm nhanh theo bình phương của điện áp

Động cơ có thể dừng quay nếu điện áp bị giảm quá thấp, vì điện áp giảm thìmomen cũng giảm và vì vậy động cơ sẽ bị dừng

1.3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn

Ta xuất phát từ công thức:

 = 0(1-s) =

12(1 )

f s p

1

ar2

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý khi thay đổi tần số nguồnMomen tới hạn của động cơ thay đổi theo sự thay đổi của tỷ số U1/f1 Nếu talàm tỷ số này không thay đổi thì momen tới hạn cũng không thay đổi.

Hình 1.12 Đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồnNhận xét:

+ Khi tần số giảm và điện áp là hằng số thì từ thông Φ sẽ tăng lên, sẽ gây rahiện tượng đốt nóng lõi thép của động cơ và làm cho hiện tượng bão hòa từ trongmáy tăng lên

+ Khi tăng tần số thì từ thông Φ sẽ giảm, momen trong máy giảm Để giữ chomomen không đổi thì ta phải tăng dòng điện Dẫn tới động cơ sẽ bị quá tải về điện.Với phương pháp điều chỉnh tần số này thì khi điều chỉnh ta phải giữ cho tỷ số

U1/f1 = const nhằm mục đích giữ cho từ thông Φ là không đổi

Phương pháp này có ưu điểm là phạm vi điều chỉnh rộng, độ điều chỉnh láng,không tổn hao về nhiệt Tuy nhiên phương pháp này không kinh tế vì bộ biến đổiphức tạp,cồng kềnh.

1.3.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch rotor

Đây là phương pháp chỉ được sử dụng để thay đổi tốc độ của động cơ khôngđồng bộ rotor dây quấn và được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực do sự đơn giảncủa nó Khi thay đổi điện trở phụ mạch rotor thì sth thay đổi còn Mth không đổi:

2

'ar

1 nm

3U

M =±

Sơ đồ nguyên lý và dạng đặc tính cơ của động cơ như sau:

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý khi thay đổi Rp

Hình 1.14 Đặc tính cơ khi thay đổi Rp mạch phần ứng

Phương pháp này chỉ cho phép ta điều chỉnh tốc độ về phía giảm.

Điện trở phụ càng lớn thì đặc tính cơ càng mềm, tốc độ của động cơ càng kém

ổn định

Với phương pháp này ta có thể điều chỉnh tốc độ láng nếu Rp có nhiều nấc.Tuy nhiên phương pháp này không cho ta điều chỉnh tốc độ theo chiều tăng, khôngđiều chỉnh tốc độ được khi không tải và tổn hao điện trở lớn

1.3.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số cặp cực p

Đối với những động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc nhiều cấp tốc độ, đểđiều chỉnh tốc độ người ta hay dùng phương pháp thay đổi số cặp cực p

Xuất phát từ công thức sau:

 = 0(1-s) =

12(1 )

f s p





(1.27)Trong đó p là số cặp cực

Để có thể thay đổi số cặp cực của động cơ thì máy điện phải được chế tạo một cách đặc biệt Máy điện đó gọi là máy điện đa tốc Có hai cách để thay đổi số cặp cực của máy:

+ Dùng hai tổ dây quấn statorr riêng biệt, mỗi tổ có số cặp cực riêng

+ Dùng một tổ quấn dây statorr nhưng mỗi pha được chia làm hai đoạn, tat hay đổi cách nối dây giữa hai đoạn đó ta sẽ thay đổi được số cặp cực

Khi thay đổi số cặp cực ta có:

1 1

2

ar

f v p

x



(1.29)

2 1 th

1 nm

3U

M =±

Khi ta thay đổi số cặp cực p, ta thu được các đường đặc tính có tốc độ khôngtải lý tưởng thay đổi, còn sth và Mth không thay đổi Khi thay đổi số cặp cực thì tốc

độ của động cơ sẽ thay đổi một cách nhảy bậc

Họ đặc tính cơ khi thay đổi với p = 1 và p = 2 và Mth = const:

Hình 1.15 Đặc tính cơ khi thay đổi số cặp cựcNhận xét:

Phương pháp này có phạm vi điều chỉnh rộng, không cồng kềnh Tuy nhiênđiều chỉnh tốc độ nhảy bậc vì do số cặp cực là số nguyên dương, vì vậy động cơthường phải kết hợp với bộ giảm tốc

CHƯƠNG 2 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT SỬ DỤNG TRONG

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA

Hiện nay rất nhiều những thiết bị điện tử công suất được đề xuất để phục vụnhững yêu cầu ngày càng cao của đời sống Các linh kiện điện tử công suất được sửdụng trong vấn đề điều chỉnh cũng như điều khiển công suất, có hiệu quả cao vàtổn hao thấp

Sử dụng các bộ biến đổi công suất trong các lĩnh vực của đời sống đã gópphần tạo đà phát triển kinh tế rất lớn Đặc biệt là các bộ biến đổi công suất để điềukhiển hệ thống truyền động điện xoay chiều ba pha Kỹ thuật để phát triển các bộbiến đổi là ngành khoa học rất trẻ và rất tiềm năng, tuy nhiên vấn đề quan trọngnhất là phải giải quyết rất nhiều bài toán được đặt ra phía trước

Việc nghiên cứu và phát triển các bộ biến đổi công suất trong truyền độngđiện xoay chiều ba pha góp phần rất lớn để phát triển ngành công nghiệp đó Đặcbiệt là trong xu thế hiện nay, do sử dụng rất nhiều các hệ truyền động xoay chiều bapha sử dụng động cơ xoay chiều ba pha

2.1 BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA

2.1.1 Đặc điểm chung

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ điều áp xoay chiều ba pha

Các bộ điều áp xoay chiều dùng để đóng cắt hoặc thay đổi điện áp xoay chiều

ra tải từ nguồn xoay chiều cố định, trong đó tần số điện áp ra bằng tần số nguồn.Trong máy điện có thiết bị là biến áp tự ngẫu cho phép thực hiện điều này, tuynhiên việc điều chỉnh này phải tiến hành qua hệ cơ khí di chuyển chổi than trượttrên các vòng dây biến thế, vì vậy nó không bền, phản ứng chậm, nhưng cơ bản làđiện áp ra tải luôn đảm bảo hình sin trong toàn dải điều chỉnh

Khi chế tạo các bộ điều áp xoay chiều ta sử dụng các van bán dẫn, sẽ cónhững đặc điểm sau:

+ Ưu điểm: dễ dàng điều chỉnh và tự động hóa, làm việc ổn định, có độ tincậy và tuổi thọ tương đối cao, dễ dàng sửa chữa và thay thế các linh kiện

+ Nhược điểm: điện áp ra tải không sin trong toàn bộ dải điều chỉnh, ta càngđiều chỉnh giảm điện áp ra thì thành phần song hài bậc cao càng lớn

Trong điều áp xoay chiều ba pha làm việc với nguồn là xoay chiều và tải cũng

là xoay chiều nên ta sử dụng van bán dẫn là van TRIAC, van TRIAC là van duynhất có thể cho dòng điện chạy theo cả chiều ngược và chiều thuận Ta có thể ghéphai van tiristor đấu song song ngược nhau hoặc ghép một tiristor với một diode.Nguyên tắc điều chỉnh của điều áp xoay chiều là: điều chỉnh góc mở của van,các van được khóa bằng điện áp nguồn, điều khiển van theo nguyên tắc là dịch phađiểm phát xung so với pha nguồn xoay chiều Khi ở trạng thái xác lập các tiristor

mở các góc không đổi và bằng nhau, trong đó T1, T3, T5 mở ở nửa chu kỳ dươngcòn T2, T4, T6 mở ở nửa âm của chu kỳ điện áp lưới Khi đó điện áp ra của bộ biếnđổi sẽ là những đường hình sin

Dạng điện áp ra: giả sử điện áp pha A được tạo bởi hai tiristor là T1 và T4 mở,góc α0 tính từ góc của đường hình sin đó từ π ÷ π + δ nó vẫn thông nhờ năng lượngđiện từ tích lũy trong cuộn cảm của mạch Van T4 thông ở giữa chu kỳ âm, góc δphụ thuộc vào góc φ của động cơ ba pha , tức là nó phụ thuộc tùy vào độ trượt Scủa động cơ

Nguyên lý hoạt động của hệ là ta đưa một điện áp đặt vào bộ điều khiển, điện

áp ra của bộ điều khiển sẽ điều khiển góc mở của van từ đó ta sẽ điều khiển đượcđiện áp ra cấp cho động cơ Tốc độ của động cơ tỷ lệ bình phương với điện áp, khi

ta thay đổi điện áp thì tốc độ động cơ cũng thay đổi theo

Hình 2.2 Điện áp ra của bộ điều áp tiristor

2.1.2 Một số dạng sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha

Điều áp xoay chiều ba pha dùng chủ yếu để khởi động động cơ không đồng bộ

ba pha hay điều khiển nhiệt độ hoặc chiếu sáng

Một số dạng sơ đồ đấu dây của điều áp xoay chiều ba pha:

+ Điều áp xoay chiều ba pha với sáu van tiristor nối thành ba nhóm và có dâytrung tính:

Hình 2.3 Sơ đồ phụ tải đấu sao mạch sáu van tiristor có dây trung tính

Sơ đồ hình 2.3 dùng cách đấu hai tiristor giống như một TRIAC, sơ đồ đấu nốikiểu này rất phổ biến trong thực tế, đặc điểm của nó tương đương như trong mạchđấu ba TRIAC Với mạch này ta có thể điều khiển riêng từng pha một, tải ở đây cóthể là tải đối xứng hoặc không Do mạch đấu là có dây trung tính cho nên điện ápđặt vào các van là điện áp pha

+ Điều áp xoay chiều ba pha tải đấu sao và không có dây trung tính:

Hình 2.4 Mạch sáu van tiristor không có dây trung tính

Điều chỉnh điện áp ra tải phụ thuộc vào góc α Trong trường hợp tổng quát cósáu đoạn xung điều khiển không đối xứng, đối xứng khi cả ba van dẫn, không đốixứng khi hai van dẫn.

Ta giả thiết là tải đối xứng và khi điều khiển đảm bảo tạo ra các xung mở vàgóc mở van lệch nhau một góc 1200 Khi ta đóng hay mở một van của pha nào đó

sẽ làm thay đổi dòng điện của hai pha kia Khi dòng qua cả ba pha thì điện áp trênmỗi một pha đúng bằng điện áp pha, còn khi dòng qua hai pha thì điện áp bằng mộtnửa điện áp dây

Xét trường hợp tải là thuần trở:

+ Với góc 0o ≤ α ≤ 60o thì chỉ có ba van hoặc hai van cùng dẫn

+ Với góc 60o ≤ α ≤ 90o thì chỉ có hai van cùng dẫn hoặc không van nào dẫn.+ Với góc 90o ≤ α ≤ 150o thì có hai van dẫn hoặc không có van nào dẫn

 Xét với trường hợp: 0o ≤ α ≤ 60o

Ta có dạng điện áp của pha A với α = 30o là:

Hình 2.5 Đồ thị điện áp với α = 30oNguyên lý hoạt động:

Trong khoảng thời gian từ θ = θ1 ÷ θ2: Van T1 dẫn ở pha a, van T6 dẫn ởpha b còn van T5 dẫn ở pha c Ta có UZA = UA

Trong khoảng thời gian θ = θ2 ÷ θ3: Pha a có van T1 dẫn, pha b có van T6dẫn còn pha c không có van nào dẫn cả Ta có UZA = UAB/2.

Trong khoảng thời gian θ = θ3 ÷ θ4: van T1, T2 và T6 dẫn Ta có UZA = UA.Trong khoảng θ = θ4 ÷ θ5: van T1, T2 dẫn và không có van nào dẫn ở pha c

Hình 2.7 Đồ thị điện áp pha a với α = 120o

Để hệ thống làm việc ta cần:

+ Điều khiển van với tín hiệu có độ rộng lớn hơn π/3

+ Gửi các xung điều khiển lên 1, gửi tín hiệu để mở một van, ta bắt đầugửi một xung lên cực điều khiển của van vừa bị khóa Do đó van T1 nhận xung đầutiên ở Φ = α và xung khẳng định tại điểm θ = α + π/3

Khi α < θ < các van T1 và T3 dẫn

Khi 5π/6 < θ < α + π/3 thì không có van nào dẫn tại thời gian này

Cách để phân bố điện áp lên các cực của van khi chúng bị khóa, ta cầnnối vào các cực của van các giá trị điện trở lớn hơn và có trị số bằng với nhau

Khi θ ≤ 5π/6 kích mở đồng thời hai van T1 và T6, khi α = α + π/3 sẽ rađược điện áp âm Các van khi này không dẫn và mạch làm việc như một khóachuyển mạch luôn hở mạch

+ Điều áp xoay chiều ba pha mạch diode đấu song song ngược với tiristor:

Hình 2.8 Sơ đồ phụ tải đấu sao không có dây trung tínhTrên hình 2.8 ta thấy khác với hình 2.4 là mỗi nhánh có một tiristor bị thay thếbằng một diode Mạch không có dây trung tính nên tổng trung bình dòng điện pha

ở tải và điện áp trên cực của nó luôn bằng không

Xét trường hợp tải là thuần trở:

+ Khi 0 < α < π/2: có hai hoặc ba van dẫn

+ Khi π/2 < α < 2π/3: có thể có ba hoặc hai hoặc không van nào dẫn

+ Khi 2π/3 < α < 7π/6: có hai hoặc không có van nào dẫn

2.2 BỘ NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP BA PHA

Bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha là thiết bị biến đổi nguồn điện áp một chiềuthành điện áp xoay chiều ba pha, tần số ra có thể thay đổi tùy ý

Bộ nghịch lưu ba pha gồm sáu cặp tranzitor ghép song song ngược với diode,tải đấu sao

Để đơn giản trong việc nghiên cứu cũng như tính toán ta giả thiết là:

+ Van lý tưởng, đóng mở bão hòa

+ Nguồn điện có nội trở vô cùng nhỏ và dẫn điện theo cả chiều thuận vàngược

+ Các van T1 đến T6 làm việc với độ dẫn điện là λ = 180o

+ Za = Zb = Zc

Các diode từ D1 đến D6 làm nhiệm vụ là trả năng lượng về nguồn