Thiết kế biến tần ba pha điều khiển theo nguyên tắc PWM

LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, xu thế công nghiệp hóa đã mang lại nhiều thay đổi cho đất nước, đặc biệt là lĩnh vực Tự Động Hóa. Công nghệ tự động hóa đã mang lại nhiều lợi ích cho con người như tăng suất, giảm nhân công lao động, hạ giá thành sản phẩm. Hơn nữa Tự Động Hóa còn giúp con người tránh phải làm việc ở môi trường bất lợi hay khó tham gia. Chính vì vậy tự động hóa đóng vai trò ngày càng quan trọng trong đời sống, cũng như trong công nghiệp. Trong công nghiệp máy điện không đồng bộ ba pha là loại động cơ chiếm một tỷ lệ rất lớn so với các loại động cơ khác. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, nguồn cung cấp lấy ngay trên lưới điện, dải công suất động cơ rất rộng từ vài trăm W đến vài ngàn kW. Tuy nhiên các hệ điều chỉnh tốc độ dùng động cơ không đồng bộ có tỷ lệ nhỏ hơn so với động cơ một chiều. Nhưng với sự ra đời và phát triển nhanh của công cụ bán dẫn công suất như: Điôt, Tranzitor, Thyristor, IGBT… thì các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng động cơ không đồng bộ mới được khai thác mạnh hơn. Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, ngày càng có nhiều xí nghiệp mới, dây chuyền mới sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện những kiến thức về điện tử công suất. Cũng với lý do đó, chúng em được làm đồ án môn học điện tử công suất. Nội dung đồ án này là ‘Thiết kế bộ biến tần điều khiển theo nguyên tắc PWM điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc’. Từ cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, phương pháp điều khiển bằng tần số và qua đó tìm hiều khảo sát các bộ biến tần thực tế hiện nay cũng như đánh giá các phương pháp điều khiển. Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo Khoa Điện đã tận tình dạy dỗ em những kiến thức chuyên môn làm cơ sở để hoàn thành đồ án môn học này.

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, xu thế công nghiệp hóa đã mang lại nhiều thay

đổi cho đất nước, đặc biệt là lĩnh vực Tự Động Hóa Công nghệ tự động hóa đãmang lại nhiều lợi ích cho con người như tăng suất, giảm nhân công lao động,

hạ giá thành sản phẩm Hơn nữa Tự Động Hóa còn giúp con người tránh phảilàm việc ở môi trường bất lợi hay khó tham gia Chính vì vậy tự động hóa đóngvai trò ngày càng quan trọng trong đời sống, cũng như trong công nghiệp

Trong công nghiệp máy điện không đồng bộ ba pha là loại động cơ chiếm một

tỷ lệ rất lớn so với các loại động cơ khác Do kết cấu đơn giản, làm việc chắcchắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, nguồn cung cấp lấy ngay trên lưới điện, dảicông suất động cơ rất rộng từ vài trăm W đến vài ngàn kW Tuy nhiên các hệđiều chỉnh tốc độ dùng động cơ không đồng bộ có tỷ lệ nhỏ hơn so với động cơmột chiều Nhưng với sự ra đời và phát triển nhanh của công cụ bán dẫn côngsuất như: Điôt, Tranzitor, Thyristor, IGBT… thì các hệ truyền động có điềuchỉnh tốc độ dùng động cơ không đồng bộ mới được khai thác mạnh hơn

Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, ngày càng có nhiều xínghiệp mới, dây chuyền mới sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ

sư điện những kiến thức về điện tử công suất Cũng với lý do đó, chúng emđược làm đồ án môn học điện tử công suất

Nội dung đồ án này là ‘Thiết kế bộ biến tần điều khiển theo nguyên tắc

PWM điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc’ Từ

cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, phương pháp điều khiển bằngtần số và qua đó tìm hiều khảo sát các bộ biến tần thực tế hiện nay cũng nhưđánh giá các phương pháp điều khiển

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo Khoa Điện đãtận tình dạy dỗ em những kiến thức chuyên môn làm cơ sở để hoàn thành đồ ánmôn học này

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn PGS.TS Đoàn Quang

Vinh đã tận tình chỉ bảo, gợi ý, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện và nhiệt tình giúp đỡ

em hoàn thành tốt đồ án môn học này

Đà Nẵng, ngày 23 tháng 12 năm 2015 Sinh viên thực hiện

VÕ XUÂN THỦY

MỤC LỤC

Lời nói đầu 1

MỤC LỤC 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ 5

1.1 Tổng quan về máy điện không đồng bộ 5

1.1.1 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ 5

1.1.1.1 Stator 5

1.1.1.1 Rotor 5

1.1.2 Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ 6

1.1.2.1 Rotor quay cùng chiều từ trường quay có tốc độ n < n 1 6

1.1.2.2 Rotor quay cùng chiều từ trường quay có tốc độ n > n 1 6

1.1.2.3 Rotor quay ngược chiều từ trường quay tức tốc độ n<0 6

1.1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện 7

1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ 7

1.2.1 Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi số đôi cực từ 8

1.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp nguồn điện 8

1.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở rotor 9

1.2.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn điện 10

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN 14

2.1 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển 14

2.1.1 Sơ đồ nguyên lý 14

2.1.2 Phân tích nguyên lý hoạt động 15

2.1.2.1 Nhóm Anode 15

2.1.2.2 Nhóm Cathode 16

2.1.2.3 Tổng hợp kết quả phân tích 18

2.2 Mạch lọc 20

2.3 Bộ nghịch lưu áp ba pha điều khiển theo nguyên tắc PWM 20

2.3.1 Sơ đồ nguyên lý 21

2.3.2 Nguyên lý làm việc 21

2.3.2.1 Tỉ số điều biến m 21

2.3.2.2 Tỉ số điều biến tần số m f 22

2.3.2.3 Tỉ số điều biến biên độ m a 22

CHƯƠNG 3: TÍNH MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 24

3.1 Tính mạch động lực 24

3.1.1 Tính mạch nghịch lưu 24

3.1.1.1 Chọn van bán dẫn 25

3.1.1.2 Tính chọn van IGBT 25

3.1.1.2.1 Chọn tỉ số điều biến biên độ 25

3.1.1.2.2 Chọn tỉ số điều biến tần số 26

3.1.1.2.3 Tính các thông số IGBT 27

3.1.2 Tính mạch chỉnh lưu cầu ba pha 28

3.1.3 Tính chọn máy biến áp 29

3.1.3.1 Tính sơ bộ kích thước mạch từ 30

3.1.3.2 Tính toán dây quấn 31

3.1.3.3 Kết cấu dây quấn 32

3.1.3.4 Kết cấu dây quấn thứ cấp 33

3.2 Mạch điều khiển 34

3.2.1 Mạch phát dạng sóng sin và sóng vuông 34

3.2.2 Mạch lọc 35

3.2.3 Mạch tạo sóng sin ba pha 36

3.2.4 Mạch tạo sóng tam giác 38

3.2.5 Mạch só sánh 39

CHƯƠNG 4: TÍNH MẠCH LỌC VÀ MẠCH BẢO VỆ 40

4.1 Tính toán mạch lọc 40

4.2 Tính chọn mạch bảo vệ 41

4.2.1 Bảo vệ quá áp 41

4.2.1.1 Bảo vệ quá áp trong 41

4.2.1.2 Bảo vệ quá áp ngoài 42

4.2.2 Bảo vệ quá dòng điện 43

4.2.3 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn 44

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG MATLAB - SIMULINK .46

5.1 Sơ đồ mạch mô phỏng hệ thống 46

5.2 Các thông số mô phỏng 47

5.2 Kết quả mô phỏng 49

KẾT LUẬN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

PHỤ LỤC 55

Phụ lục 1

Phụ lục 2

Phụ lục 3

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA

PHA-CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ.

1.1 Tổng quan về máy điện không đồng bộ.

1.1.1 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ.

Cấu tạo của máy điện không đồng bộ gồm 2 bộ phận chủ yếu là stator và

rotor, ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy và trục máy Trục làm bằng thép, trên

đó gắn rotor, ổ bi và phía cuối trục có gắn một quạt gió để làm mát máy dọctrục.

1.1.1.1 Stator(sơ cấp hay phần ứng)

Lõi thép stator là phần dẫn từ, có dạng hình trụ, được làm bằng các lá thép kỹthuật điện để giảm tổn hao vì từ trường đi qua lõi thép là từ trường quay Phíatrong lõi thép được dập rãnh rồi ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theohướng trục Lõi thép được ép vào trong vỏ máy

Dây quấn sator được làm bằng dây đồng có bọc cách điện và đặt trong cácrãnh của lõi thép và được cách điện tốt với lõi sắt Dòng điện xoay chiều ba phatrong dây quấn ba pha stator sẽ tạo nên từ trường quay

Vỏ máy gồm có thân và nắp thường làm bằng gang

1.1.1.2 Rotor (thứ cấp hay phần quay).

Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy

+ Lõi thép: Lõi thép rotor gồm các lá thép kỹ thuật điện được lấy từ phần bêntrong của lõi thép stator ghép lại, mặt ngoài lõi thép dập rãnh để đặt dây quấn, ởgiữa có dập lỗ để lắp trục

+Dây quấn: Dây quấn rotor của máy điện không đồng bộ có hai kiểu: rotor ngắnmạch còn gọi là rotor lồng sóc và rotor dây quấn

Rotor lồng sóc gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh và bịngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu Với động cơ nhỏ dây quấn rotorđược đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và quạtlàm mát Các động cơ động cơ công suất trên 100kW thanh dẫn làm bằng đồngđược đặt vào các rãnh rotor và gắn chặt vào vành ngắn mạch

Rotor dây quấn cũng quấn giống như dây quấn ba pha stator và có cùng sốcực từ như dây quấn stator Dây quấn kiểu này luôn luôn đấu sao và có ba đầu

ra đấu vào ba vành trượt Vành trượt gắn vào trục quay của rotor và cách điệnvới trục Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vành trượt này để dẫn điện vào

một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốcđộ.

1.1.2 Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ.

Khi có hệ thống dòng điện xoay chiều 3 pha, tần số f1, chảy trong dây quấnstator, hệ thống dòng điện này sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ n1 =60f1/p Từtrường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rotor và cảm ứng trong đó các suấtđiện động E2 Vì dây quấn rotor nối ngắn mạch nên suất điện động cảm ứng E2

sẽ sinh ra dòng điện I2 trong các thanh dẫn rotor Từ thông dò dòng điện nàysinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở Dòng điệntrong dây quấn rotor I2 tác dụng với từ thông khe hở sinh ra moment Tác dụng

đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của rotor

Hệ số trượt s của máy: Sự khác nhau giữa tốc độ từ trường quay n1 và tốc độcủa rotor n được gọi là tốc độ trượt n2 và tỉ số của tốc độ trượt trên tốc độ đồng

bộ gọi là hệ số trượt s Các biểu thức tương ứng là:

n2=n1-n; s=(n1-n)/n

Như vậy khi tốc độ của rotor bằng tốc độ từ trường quay n=n1 thì hệ số trượts=0, còn n=0 thì s=1; khi n>n1, s<0 và khi rotor quay ngược chiều từ trườngquay n<0 thì s>1

1.1.2.1 Rotor quay cùng chiều từ trường quay có tốc độ n<n 1

Lực F cùng chiều quay của rotor, nghĩa là điện năng đưa tới stator, thông qua

từ trường đã biến đổi thành cơ năng trên trục làm quay rotor theo chiều từtrường quay với tốc độ n, như vậy máy làm việc ở chế độ động cơ điện

1.1.2.2 Rotor quay cùng chiều từ trường quay nhưng có tốc độ n>n 1 (s<0).

Dùng động cơ sơ cấp quay rotor của máy điện không đồng bộ vượt trước tốc

độ đồng bộ, n>n1 Lúc đó chiều từ trường quay quét qua dây dây quấn rotor sẽngược lại, suất điện động và dòng điện trong dây quấn rotor cũng đổi chiều nênchiều của moment hãm Như vậy máy đã biến cơ năng tác dụng lên trục động

cơ, do động cơ sơ cấp kéo thành điện năng cung cấp cho lưới điện, nghĩa là máyđiện không đồng bộ làm việc ở chế độ máy phát điện.

1.1.2.3 Rotor quay ngược chiều từ trường quay tức tốc độ n<0 (s<1).

Vì nguyên nhân nào đó mà rotor của máy quay ngược chiều từ trường quay,lúc này chiều suất điện động, dòng điện và moment giống như ở chế độ động

cơ Vì moment sinh ra ngược chiều quay với rotor nên có tác dụng hãm rotorlại Trong trường hợp này, máy vừa lấy điện năng từ lưới điện vào, vừa lấy cơnăng từ động cơ sơ cấp Chế độ làm việc này gọi là chế độ hãm điện từ

Mma x

nm n1

Mc

U1 <

U2

Hình 1.2 Đặc tính cơ theo quan hệ n=f(M)

1.1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện.

Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ n=f(M2) hoặc M2=f(n) Mà ta cóM=M0+M2, ở đây ta xem M0=0 hoặc chuyển M0 về moment cản tĩnh Mc , vì vậy

M2=M=f(n)

Hình 1.1: Đặc tính cơ của động cơ điện với theo quan hệ M = f(n)

Nhận xét: +Đoạn 0-a (0<s<sm): Động cơ làm việc ổn định

+Đoạn a-b: Động cơ làm việc không ổn định.

1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ.

Người ta đã nghiên cứu nhiều việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ,nhưng nhìn chung thì các phương pháp này đểu có những ưu nhược điểm của

nó và chưa giải quyết được toàn bộ vấn đề như phạm vi điều chỉnh, năng lượng

tiêu thụ, độ trơn điều chỉnh, thiết bị sử dụng Mặc dầu việc điều chỉnh tốc độđộng cơ điện không đồng bộ còn một số khó khăn nhất định, nhưng trong nhữngtrường hợp cụ thể nào đó thì phương pháp điều chỉnh tốc độ thích hợp có đượcthõa mãn được yêu cầu.

Tốc độ của động cơ điện không đồng bộ được cho bởi công thức:

Muốn thay đổi s ta cần điều chỉnh:

⟹Thay đổi điện áp U1

⟹Thay đổi điện trở mạch rotor

⟹Nối cấp các động cơ

1.2.1 Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi số đôi cực từ.

Số đôi cực của từ trường quay stator tùy thuộc vào cách đấu dây quấn stator.Bằng cách đấu lại dây quấn, một động cơ hai cực (p=1) có thể thành bốn cực (p=2) Động cơ không đồng bộ có cấu tạo dây quấn để thay đổi số đôi cực từđược là động cơ nhiều cấp tốc độ Phương pháp này chỉ dùng cho loại động cơrotor lồng sóc

Nhược điểm của phương pháp này là tốc độ thay đổi không bằng phẳng

1.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp nguồn điện.

Thay đổi điện áp nguồn bằng ba cặp thyristor đấu song song ngược như sơ đồhình 1.3 a Ứng với góc mở khác nhau của thyristor, điện áp trung bình đặt vàođộng cơ khác nhau, nói cách khác ta thay đổi được điện áp đặt vào động Đây làphương pháp đơn giản nhờ kỹ thuật điện tử phát triển

Khi U1=xUđm (x<1) thì M=x2Mđm và n giảm từ na ⟶nb

Hệ số trượt tới hạn không phụ thuộc vào điện áp đặt vào đặt vào dây quấnstator U1 Nếu điện trở R’2 không đổi thì khi giảm điện áp nguồn U1, hệ số trượttới hạn s sẽ không đổi còn M giảm tỉ lệ với U 2 Vậy họ đặc tính thay đổi

làm cho tốc độ thay đổi theo Phương pháp này chỉ thực hiện khi máy mang tải,còn khi máy không tải giảm điện áp nguồn, tốc độ của động cơ gần như khôngđổi.

1.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở rotor.

Hình 1.3: Điều chỉnh điện trở rotor để thay đổi tốc độ

Thay đổi điện trở dây quấn rotor, bằng cách mắc thêm biến trở ba pha vàomạch rotor để điều chỉnh tốc độ động cơ rotor dây quấn như trên hình 1.3a

Do biến trở điều chỉnh phải làm việc lâu dài nên có kích thước lớn hơn biếntrở khởi động Họ đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ rotor dây quấn khidùng biến trở điều chỉnh tốc độ trình bày trên hình 1.3b Khi tăng điện trở, tốc

độ quay của động cơ giảm Phương pháp này gây tổn hao trong biến trở nênhiệu suất động cơ giảm Tuy vậy, đây là phương pháp khá đơn giản, tốc độ đượcđiều chỉnh liên tục trong phạm vi tương đối rộng nên được dùng nhiều trong cácđộng cơ công suất cở trung bình Phương pháp này chỉ thực hiện khi máy mangtải, còn khi máy không tải thay đổi biến trở lớn, tốc độ động cơ gần như khôngđổi Do tổn hao nên thay biến trở bằng bộ đóng cắt như trên hình 1.3c và cóphản hồi hình 1.3d

Tần số đóng cắt và điện trở tương đương của mạch:

1.2.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn điện.

Khi điều chỉnh tốc độ ta muốn khả năng quá tải là không đổi nên năng lựcquá tải của động cơ là:

Với Mmax, M, U1 các mômen và điện áp khi f = f1đm

M’max, M’, U’1 các mômen và điện áp khi f = f’¿f1đm

⇒ Vậy khi điều chỉnh tần số ta phải đồng thời điều chỉnh điện áp để khả năngquá tải là không đổi

Nếu ta giảm f1 mà U1 không đổi thì từ thông sẽ lớn lên do đó làm cho mạch

từ chóng bảo hoà và dòng điện từ hoá sẽ tăng lên làm cho các chỉ tiêu nănglượng của động cơ giảm xuống

Nếu tăng f1 mà U1 không đổi thì từ thông sẽ giảm xuống nếu như lúc làmviệc mômen của phụ tải là không đổi thì dòng điện trong rôto sẽ tăng lên làmcho rôto nóng lên và khả năng quá tải của động cơ giảm xuống

Để thay đổi tần số của nguồn xoay chiều ta sử dụng các bộ biến tần (trực tiếphay gián tiếp qua trung gian điện một chiều dùng nghịch lưu dòng hay áp) Bởi

ưu điểm của các bộ biến tần như sau:

- Với biến tần trực tiếp thì điện áp ra gần hình sin, hiệu suất cao và khả nănghãm tái sinh động cơ điện Nhưng mà có nhược điểm là mạch điều khiển phứctạp và đắt mà tần số ra hạn chế khoảng từ 0 → f/3 nên chỉ thích hợp với truyềnđộng tốc độ thấp và công suất lớn ( ít phổ biến )

- Với biến tần trung gian sử dụng bộ nghịch lưu dòng thì cho phép điềuchỉnh tần số từ 0→f dùng cho động cơ có công suất vài kW đến hàng ngàn kW

Bộ biến tần nghịch lưu áp thì cho phép điều chỉnh tần số từ 0→f và cho động cơdưới 100kW

f giảm

M

Tóm lại là nên thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số nguồn mà

tỷ số giữa điện áp và tần số của nguồn không đổi và điều chỉnh tần số bằng các

bộ biến tần gián tiếp

Để tạo ra tần số biến đổi ta có thể dùng sơ đồ:

Hình 1.4: Sơ đồ khối sử dụng biến tần gián tiếp để thay đổi tần số

Hình 1.5: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số

∎ Trường hợp Mc tỉ lệ với bình phương tần số f1:

O ω1< ω1đm ω1đm ω1>

ω1đm ω1đm

n

∎ Uđm là điện áp định mức, fđm tần số định mức và X20 là điện kháng khi rotorđứng yên quy đổi về stator Vậy với tần số f:

∎Đặc tính n=f(M) khi điều chỉnh U/f:

+ Với : U/f=const, Mmax=const và động cơ có thể truyền động cho tải

có Mc =const

Hình 1.6: Đặc tính cơ khi điều chỉnh U/f

+ Với ω1 > ω1đm, U<Uđm Vậy U/f trong vùng này giảm và M giảm tỉ lệ (U/f)2.Động cơ có thể truyền động cho tải có Pt=const

∎Quy luật biến đổi điện áp theo tần số:

Với mong muốn khi điều chỉnh tốc độ của động cơ là khả năng quá tải khôngđổi tức là ta cố gắng điều chỉnh sao cho tỉ số giữa mômen định mức của động cơ

và mômen phụ tải tĩnh là không đổi Ứng với mỗi loại phụ tải tĩnh nhất định tađược một quy luật biến đổi điện áp tương ứng

Khi phụ tải tĩnh là không đổi thì :

Với động cơ không đồng bộ ta có phương trình đặc tính cơ như sau :

Trong đó : R1 , R2 là điện trở dây quấn stato và rôto

ωo là tốc độ đồng bộ của động cơ

Xmm = x1 + x2 điện kháng ngắn mạch của một pha

Khi thay đổi tần số với hệ số không đổi: k=f/fđm

Dòng điện mở máy trực tiếp của động cơ rôto lồng sóc thường rất lớn thì chỉ

có thể giảm điện áp đặt vào stato thì mới có thể giảm được dòng điện mở máy.Tuy nhiên với bộ biến tần sẽ cho phép ta mở máy ở những tần số nhỏ và tăngdần tần số để đạt được tốc độ mong muốn

Đặc tuyến cơ cho thấy nguồn có tần số nhỏ thì mômen mở máy lớn song tần

số mở máy cảm kháng lên rôto nhỏ nên dòng cảm ứng trong rôto gần trùng phavới điện áp tạo nên momen mở máy lớn, hệ số công suất và biên độ dòng mởmáy nhỏ, đó là một chỉ số thuận lợi khi mở máy động cơ và đó thể hiện ưu điểmcủa phương pháp điều chỉnh bằng bộ biến tần

V5

V2 V6

V4 V3

u1

u d id

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN.

 Khái niệm: Bộ biến tần dùng để chuyển đổi điện áp hoặc dòng điện xoay

chiều ở đầu vào từ một tần số này thành điện áp và dòng điện có một tần

số khác ở đầu ra

 Ứng dụng: Bộ biến tần thường được sử dụng để điều khiển vận tốc động

cơ xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số, theo đó tần số củalưới nguồn sẽ thay đổi thành tần số biến thiên

 Sơ đồ khối của bộ biến tần:

Hình 2.1: Sơ đồ khối của bộ biến tần gián tiếp điều khiển theo nguyên tắc PWM

2.1 Bộ chỉnh cầu 3 pha không điều khiển.

2.1.1 Sơ đồ nguyên lý (hình 2.2)

Hình 2.2 : Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển

2.1.2 Phân tích nguyên lý hoạt động.

Mạch chỉnh lưu cầu tách thành hai nhóm mạch tia ba pha:

Chỉnh lưu cầu

3 pha

Nghịch lưu PWM

Mạch

U 1 f 1

Mạch điều khiển

V1 V3 V5

Z

udA

+ Nhóm Anode (V1,V3,V5)

+ Nhóm Cathode (V4,V6,V2)

2.1.2.1 Nhóm Anode.

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu tia 3 pha nhóm Anode

Nhịp : u1 có trị tức thời lớn nhất so với hai pha còn lại nên V1 mở,V3, V5 đóng

V4 V6 V2

Z

udK

Hình 2.4 : Dạng sóng điện áp chỉnh lưu của nhóm Anode

2.1.2.2.Nhóm Cathode.

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý mạch tia nhóm Cathode

Tương tự ta cũng phân tích cho nhóm (V4 V6 V2):

Nhịp : Điện áp u3 nhỏ nhất so với 2 pha còn lại nên V2 mở V4, V6đóng

uV2 =0; uV4 = u3 – u1; uV6 = u3 – u2

udk = u3; idk = iV2 ; iV4 = iV6 = 0

Nhịp : Điện áp chuyển mạch (u3 – u1)bắt đầu dương Điện áprơi trên V4 phân cực thuận nên V4 mở, V6, V2 đóng.

uV4 =0; uV2 = u1 – u3; uV6 = u1 – u2

udk = u1; idk = iV4 ; iV2 = iV6 = 0

Nhịp : Điện áp u3 – u1 bắt đầu âm Điện áp trên V4 phân cựcngược nên V4 đóng Điện áp chuyển mạch (u1 – u2) bắt đầu dương nên V6 phâncực thuận V6 mở Do đó trong nhịp này V6 mở, V4, V2 đóng

Trị trung bình điện áp chỉnh lưu:

+ Cuộn kháng có tác dụng lọc dòng điện chỉnh lưu

Hình 2.9: Mạch nghịch lưu áp ba pha điều khiển theo nguyên tắc PWM.

Tần số cơ bản được điều khiển bằng biên độ sóng điều khiển

Khi u control > u tri thì công tắc lẻ S1, S3, S5 được kích mở :

Khi u control < u tri thì công tắc chẵn S2, S4, S6 được kích mở:

2.3.2.1 Chỉ số điều biến (m)

+ mf nên là bội của ba.

2.3.2.3 Tỉ số điều biến biên độ (ma)111Equation Chapter (Next) Section 1

Trong đó: là thành phần sóng hài cơ bản của

Hình 2.10: Giản đồ kích đóng các van

S1

S4

Hình 2.11: Dạng sóng điện áp đầu ra

uz1 2

uz2 3 uz3

Chọn van IGBT:

 Kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET

 Khả năng chịu tải lớn của transistor BJT

 Điều khiển bằng điện áp công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ

3.1.1.2 Tính chọn van IGBT.

3.1.1.2.1 Chọn tỉ số điều biến biên độ (m a ).

Mạch nghịch lưu PWM đồng bộ m a 1 u control u tri.

Quan hệ giữa biên độ thành phần cơ bản của điện áp ra và điện áp điều khiển là

tuyến tính

Trong quá trình điều khiển m a thay đổi trong miền [0;1].

Chọn biên độ sóng điều khiển (U control ) peak =30 V (lớn nhất trong quá trình điều

 Nếu mf không phải là số nguyên thì điện áp có thể có các hài với tần

số không phải là bội của tần số cơ bản

 Nếu mf không phải số lẻ thì thành phần một chiều và có thể cả hài bậcchẵn cũng tồn tại ở điện áp đầu ra.

 mf nên là bội của 3 đối với bộ nghịch lưu PWM ba pha

Như vậy hài bội lẻ của 3 và các hài chẵn sẽ bị khử

Vì PWM đồng bộ mf 21

Vậy trong quá trình điều khiển m f = 3; 6; 9; 12; 15; 18; 21.

Chọn tần số sóng mang fs được giữ nguyên trong quá trình hoạt động và f s =3600 Hz.

Tần số sóng điều khiển trong quá trình hoạt động thay đổi trong dãi:

0 f 1 200 Hz

3.1.1.2.3 Tính các thông số của IGBT.

Vì nên trong quá trình điều khiển ta dùng chế độ điều khiển tuyến

tính nên điện áp xuất hiện trên van lớn nhất khi m a = 1.

Đầu ra lớn nhất của bộ nghịch lưu (điện áp dây) chính là điện áp Uđm củađộng cơ:

Vì tải được đấu hình sao nên dòng chảy qua mỗi IGBT lúc cực đại là bằng dòngchỉnh lưu:

+Thời gian đáp ứng khi kích dẫn linh kiện: t=150 ns

Các thông số còn lại được tra phụ lục 1

3.1.2 Tính mạch chỉnh lưu cầu ba pha.

Các thông số để chọn :

+ Điện áp ra của chỉnh lưu : U d = 359.26 V

+ Dòng điện đầu ra của chỉnh lưu : I d = I đm = 7,3 A

Điện áp thứ cấp của máy biến áp :

Điện áp ngược đặt lên diode : UNmax = KNV.U2

trong đó: KNV là hệ số điện áp ngược đặt lên diode, trong chỉnh lưu cầu thì :

Thay vào, ta có:

Điện áp ngược để chọn diode có giá trị :