Đồ án thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều 3 PHA - BKDN

Thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha Trong những năm gần đây lĩnh vực điều khiển và truyền động điện đã phát triển ạnh mẽ. Đặc biệt với sự phát triển của khoa học kỹ thuật điện tử tin học nói riêng đã khai tháctất cả các ưu điểm nổi bật vốn có của động cơ không đồng bộ với động cơ một chiều Với đồ án này em đã nêu ra một khía cạnh nhỏ trong lĩnh vực điều khiển động cơ

Đồ án môn học: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trang 1

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây lĩnh vực điều khiển và truyền động điện đã phát triển mạnh mẽ

Đặc biệt với sự phát triển của khoa học kỹ thuật điện tử tin học nói riêng đã khai thác tất cả các ưu điểm nổi bật vốn có của động cơ không đồng bộ với động cơ một chiều

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

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

Nội dung và các chương trình mục như sau:

Chương 1: sơ lược về động cơ không đồng bộ

tần

Chương 2: tổng quan về các hệ thống biến lý tần, nguyên làm việc của các bộ biến

Chương 3: mạch động lực, đi sâu vào nguyên lý làm việc của các thiết bị cũng như các phương pháp tính toán chọn mạch và bảo vệ mạch, hệ thống điều khiển ứng dụng kỹ thuật xung số vào mạch điều khiển để điều khiển hoạt động của mạch

Chương 4: hệ thống điều khiển: ứng dụng kĩ thuật xung số vào mạch điều khiển để điều khiển hoạt động của mạch

Tuy nhiên với trình độ có hạn không tránh khỏi những sai sót, em mong các thầy cô thông cảm và đóng góp ý kiến để giúp em tiến bộ hơn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa điện –bộ môn tự động đo lường đã chỉ bảo trong thời gian làm đề tài

Đà Nẵng, Ngày Tháng Năm2004

Sinh viên thực hiện

SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

A- CẤU TẠO VÀ ĐẶC ĐIỂM

I- CẤ U TẠ O:

I-1: Cấu tạo phần tĩnh (stato)

Gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy

I-1.a Vỏ máy:

Thường làm bằng gang Đối với máy có công suất lớn (1000 kw), thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ Vỏ máy có tác dụng cố định và không dùng để dẫn từ

I-1.b Lỏi sắt:

Được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm đến 0,5 mm ghép lại

Lỏi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lỏi sắt là từ trường xoay chiều, nhằm giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên, mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có phủ lớp sơn cách điện Mặt trong của lõi thép có xẻ rảnh để đặt dây quấn

I-1.c Dây quấn :

Dây quấn được đặt vào các rãnh của lỏi sắt và cách điện tốt với lỏi sắt Dây quấn stato gồm có ba cuộn dây đặt lệch nhau 120 o điện

I-2 Cấu tạo phần quay (roto): gồm lõi thĩp dđy quấn vă trục

I-2-a Lỏi sắt:

Gồm các lá thép kỹ thuật điện giống như ở phần stato Lỏi sắt được ép trực tiếp lên trục Bên ngoài lỏi sắt có xẻ rảnh để đặt dây quấn

I-2.b Dây quấn roto:

Gồm hai loại: loại roto dây quấn và loại roto kiểu lồng sóc

* Loại roto kiểu dây quấn : dây quấn roto giống dây quấn ở stato và có số cực bằng số

cực stato Dây quấn ba pha của roto thường đấu hình sao (y) Ba đầu kia nối vào ba vòng trượt bằng đồng đặt cố định ở đầu trục Thông qua chổi than và vòng trượt, đưa điện trở phụ vào mạch roto nhằm cải thiện tính năng mở máy và điều chỉnh tốc độ

*Loại roto kiểu lồng sóc: loại dây quấn này khác với dây quấn stato Mỗi rảnh của lỏi

sắt được đặt một thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch đồng hoặc nhôm, làm thành một cái lồng, người ta gọi đó là lồng sóc

với động cơ nhỏ(<100 kw) dđy quấn roto được đúc nguyín khối thănh thanh dẫn, vănh nhắn mạch cânh tản nhiệt văc ânh quạt lăm mât

I-2 c Trục :

Làm bằng thép, trên đó gắn lõi thĩp rôto

Đồ án môn học: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trang 3

II- ĐẶC Đ IỂM CỦ A ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

- Cấu tạo đơn giản

- Đấu trực tiếp vào lưới điện xoay chiều ba pha

- Tốc độ quay của roto nhỏ hơn tốc độ từ trường quay của stato n < n1

Trong đó:

n tốc độ quay của roto

n1 tốc độ quay từ trường quay của stato (tốc độ đồng bộ của động cơ )

B- NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘ NG CƠ KHÔNG ĐỒ NG BỘ

Khi nối dây quấn stato vào lưới điện xoay chiều ba pha, trong động cơ sẽ sinh ra một

từ trường quay Từ trường này quét qua các thanh dẫn roto, làm cảm ứng trên dây quấn roto một sức điện động e2 sẽ sinh ra dòng điện i2 chạy trong dây quấn Chiều của sức điện động và chiều dòng điện được xác định theo qui tắc bàn tay phải

M

Hình.1-1 sơ đồ nguyên lý động cơ không đồng bộ

Chiều dòng điện của các thanh dẫn ở nữa phía trên roto hướng từ trong ra ngoài, còn dòng điện của các thanh dẫn ở nữa phía dưới roto hướng từ ngoài vào trong

Dòng điện i2 tác động tương hỗ với từ trường stato tạo ra lực điện từ trên dây dẫn roto

và mômen quay làm cho roto quay với tốc độ n theo chiều quay của từ trường

Tốc độ quay của roto n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay stato n1 Có sự chuyển động tương đối giữa roto và từ trường quay stato duy trì được dòng điện i2 và mômen Vì tốc độ của roto khác với tốc độ của từ trường quay stato nên gọi là động cơ không đồng bộ

Đặc trưng cho động cơ không đồng bộ ba pha là hệ số trượt:

N1 tốc độ quay của từ trường quay (tốc độ đồng bộ của động cơ).

n1 60 f1

p (1-2)

Khi tần số của mạng điện thay đổi thì n1 thay đổi làm cho n thay đổi

Khi mở máy thì n = 0 và s = 1 gọi là độ trượt mở máy

Dòng điện trong dây quấn và tư ø trường quay tác dụng lực tương hổ lên nhau nên khi roto chịu tác dụng của mômen m thì từ trường quay cũng chịu tác dụng của mômen m theo chiều ngược lại Muốn cho từ trường quay với tốc độ n1 thì nó phải nhận một công suất đưa vào gọi là công suất điện từ

Khi đó công suất điện đưa vào:

Đồ án môn học: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trang 5

P2

P1

C- CÁC ĐẠI LƯỢ NG VÀ PHƯƠ NG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘ NG CƠ

K2 là hệ số dây quấn roto của động cơ

F20 tần số xác định ở tốc độ biến đổi của từ thông quay qua cuộn dây, vì roto đứng yên nên:

Đồ án môn học: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trang 7

2

r

Vậy f2s = s.f1 Sức điện động trên dây quấn roto lúc đó là:

E 2 s 4,44 f 2 s W 2K 2 m

Với f2s = s.f1 thế vào (1-19), ta được:

E 2 s 4,44 f 1W 2 K 2 m S

(1-20) (1-21)

Khi tốc độ động cơ n = 0 , theo (1-26) ta có s =1

Nếu điện áp đặt lên cuộn stato u1 = const thì biểu thức (1 –29) chính là quan hệ giữa dòng điện roto đã qui đổi về stato i’2 với độ s hay với tốc độ n

Lấy đạo hàm của mômen theo hệ số trượt và cho dm/ds = 0

Ta có hệ số trượt tương ứng với mômen tới hạn mt gọi là hệ số trượt tới hạn

(1-37)

Đồ án môn học: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trang 9

Hình 1-3 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Nhận thấy dạng gần đúng của phương trình đặc tính cơ như sau:

Đối với động cơ roto lồng sóc, nhất là các động cơ có công suất lớn thì

Nhận xét: từ các biểu thức (1-36) và (1-37), ta thấy đối với động cơ xác lập nếu u1 thay đổi thì st = const và mt thay đổi tỉ lệ với u12 Khi thay đổi điện trở mạch roto bằng cách thêm điện trở phụ (đối với động cơ không đồng bộ roto quấn dây) thì:

Mt = const và st tỉ lệ với r’2 Khi xét đến điện trở trên mạch stato r1 thì mômen tới hạn mt sẽ có hai giá trị khác nhau và ứng với hai trạng thái làm việc của động cơ

* s = 0 , n1 < n là trạng thái hãm tái sinh động cơ làm việc như một máy phát

S tF r'2

r'2 x n 2

3 Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ :

3.a Ảnh hưởng của suy giảm điện áp lưới cấp động cơ không đồng bộ

Khi điện áp lưới suy giảm, theo (1-37) mth giảm bình phương lần độ suy giảm của điện áp lưới theo (1-36) thì sth vẫn không thay đổi

3.b Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato :

Khi nối thêm điện trở hoặc điện kháng vào mạch stato thì theo (1-36) và (1-37) sth và mth đều giảm

3.c Ảnh hưởng của số đôi cực p

thay đổi, do đó tốc độ động cơ

3.d Ảnh hưởng của thay đổi tần số lưới f1 cấp cho động cơ không đồng bộ :

Theo (1-47) và (1-48) khi thay đổi f1 thì 1 cũng thay đổi và do đó cũng thay đổi

- nếu f1 >f1đm , vì mth 1

2

1

nên khi mth giảm nên u1 không đổi

- nếu f1 < f1đm , với u1 không đổi thì theo (1-1) dòng i1 tăng nhanh Điều này không cho phép nên khi thay đổi f thì phải thay đổi u theo 1 qui luật nào đó để động cơ không đồng bộ sinh

Đồ án môn học: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trang 11

còn momen tới hạn mth của động cơ không đổi

4.c Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ không đồng bộ :

Luật điều khiển tần số Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato thì có thể tính được momen tới hạn :

M th M th

(1-50)

M M dm

Luật điều chỉnh từ thông không đổi :

Từ các quan hệ về dặc tính momen có thể kết luận rằng nếu giữ từ thông máy hoặc

từ thông của stato s không đổi thì momen sẽ không phụ thuộc vào tần số và mth sẽ khôngthay đổi trong toàn bộ quá trình điều chỉnh

Luật điều chỉnh tần số không trược

Đồ án môn học: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trang 13

U

ÂĐiều khiển biên độ

4.f Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung :

- Trong phương pháp này góc chuyển mạch được xác định bằng cách so sánh

Giữa tín hiệu hình sin mẫu e(t) với tín hiệu dựa thường dạng răng cưa u(t) Tần số tín hiệu u(t) càng lớn lớn thì điện áp ra tải càng gần hình sin hơn Ưu điểm nổi bật là vừa điều chỉnh được điện áp, vừa làm sin hoá điện áp đặt vào động cơ

- Với số lượng các xung có độ rộng thích hợp phương pháp điều chỉnh độ rộng

Xung có thể làm triệt tiêu các sóng bậc cao

- Do vậy phương pháp này rất hay sử dụng

- Với phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng biến tần thì

Không nhận điện áp từ lưới mà nhận điện áp từ nghịch lưu của biến tần

- Ta nhận thấy rằng sdd của dây quấn của stato trong động cơ không đồng bộ tỉ

Lệ với tần số đặt vào f1 và từ thông :

E1 k f1 (1-52)

- Mặt khác, ta có phương trình cân bằng điện áp :

U1 E1 I1Z1 (1-53)Nếu coi sụt áp trên dây quấn phản ứng phần ứng là không đánh kể thì ta có :

U1 = - e1

- Nếu tần số f1 giảm thì từ thông tăng, dẫn đến dòng điện từ hoá I tăng.

- Nếu tần số f1 tăng thì từ thông giảm, dẫn đến dây quấn roto bị quá dòng

- Thay đổi điện áp : u1 = U d bằng các thay đổi góc điều khiển : T T1

- Thay đổi tần số bằng cách thay đổi chu kỳ phát xung điều khiển nghịch lưu

Đồ án mơn học: ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Trang 15

CHƯƠNG II

TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG BIẾN TẦN

A- KHÁI NIỆM :

Biến tần là một thiết bị tổ hợp các linh kiên điện tử thực hiện chức năng biến đổi tần số

và điện áp một chiều hay xoay chiều cĩ tần số nhất định thành dịng điện xoay chiều cĩ tần số điều khiển được nhờ các khố điện tử

2 Biến tần gián tiếp:

Bộ biến tần này cịn gọi là biến tần độc lập trong biến tần này đầu tiên điện áp được chỉnh lưu thành dịng một chiều, sau đĩ qua bộ lọc rồi trở lại dịng xoay chiều với tần số f2 nhờ bộ nghịch lưu độc lập (quá trình thay đổi f2 khơng phụ thuộc vào f1)

chỉ nh l ưu l ọc Nghị ch lưu

Việc biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất biến tần

Tuy nhiên việc ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kỹ thuật vi xử lý nên ta phát huy tối đa các ưu điểm của biến tần loại này và thường sử dụng nĩ hơn

Do tính chất của bộ lọc nên biến tần gián tiếp lại được chia làm hai loại sử dụng nghịch lưu áp và nghịch lưu dịng

2.a Bộ biến tần gián tiếp nguồn dịng:

Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn dịng, dạng của động điện trên tải phụ thuộc vào dạng dịng điện của nguồn, cịn dạng áp trên tải phụ thuộc là tuỳ thuộc vào các thơng số của tải quy định

2.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

Bộ biến tần nguồn áp có ưu điểm là tạo ra dạng dòng điện và điện áp sin hơn, dãi 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,

+ Phần điều khiển:

Là bộ phận không thể thiếu được 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

Bộ điều khiển nghịch lưu gồm 3 phần:

- Khâu phát xung chủ đạo : là khâu tự dao động tạo ra xung điều khiển đưa đến bộ phận phân phối xung điều khiển đến từng tranzito Khâu này đảm nhận điều chỉnh xung một cách dễ dàng, ngoài ra nó còn thể đảm nhận luôn chức năng khuếch đại

Phân phối xung

Khuyếch đại xung

Van

Đồ án môn học: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trang 17

CHƯƠNG III

MẠCH ĐỘNG LỰC

Chỉnh Lưu Lọc Nghịch lưu Tại

I BỘ NGHỊCH LƯ U:

Các van bán dẫn trong bộ nghịch lưu có thể là thyristo hoặc tranzito Nhưng phù hợp và

ưu việt hơn ta dùng tranzito Ưu điểm dễ thấy là bỏ được chuyển mạch cưỡng, hơn nữa các tổn hao đổi chiều nhỏ hơn Bộ nghịch lưu dùng tranzito có kích thước nhỏ và nhẹ hơn bộ nghịch lưu tương đương dùng thyristo Khuyết điểm của nó là đòi hỏi tác động liên tục vào cực gốc trong chu kỳ dẫn của tranzito, một khuyết điểm nữa là điện áp định mức thấp hơn của thyristo Tuy nhiên dùng tranzito công suất mở rộng được phạm vi và phát huy các ưu điểm hơn thyristo do cải thiện được đại lượng định mức và giá thành Vì vậy, dưới đây chủ yếu xem xét nghịch lưu điện áp sơ đồ cầu dùng van an toàn

I-1 Sơ đồ nguyên lý và quá trình chuyển mạch:

trị là uz /3 (khi một pha đấu song song, với 1 trong 2 pha còn lại) hoặc

là tải đối xứng

Nguyên tắc chuyển mạch :

2U z / 3 Với giả thiết

Cho góc mở của mỗi tranzito là 180o và cứ 60o tiếp theo ( kể từ khi tranzito trước đó

mở thì cho 1 tranzito khác mở) Như vậy trong cùng 1 thời gian co 3 tranzito mở

Bảng trạng thái quá trình mở các tranzito

Cũng lý luận tương tự ta được chuyển mạch h.b đến h e.

Đồ án môn học: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trang 16

I-2.Dạng sóng mạch nghịch lưu:

Đồ án môn học: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trang 18

Ta tính điện áp trên từng pha tải, trước tiên là pha a

1Trong khoảng 0o – 60o (h a)

Tương tự ta tính được các pha b, c

Bảng chuyển trạng thái của diod:

Vậy điện áp ngược đặt lên mỗi tranzito :Ung max U z = 466.7 (v) Chọn hệ số quá

áp của tranzito là Kv = 1.6, thì cần phải chọn tranzito chịu được áp ngược là

Tranzito đã chọn có mã hiệu BUX - 47 Có các thông số sau :

- V CE =850 V :Điện áp Vce cực đại khi cực badơ bị khoá bởi điện áp âm

- V CE0 =400V :Điện áp Vce khi cực badơ để hở

- V CEsat =1.5V : Điện áp Vce khi tranzito ở trạng thái bảo hoà

- I = 9A : Dòng colectơ mà tranzito có thể chịu được

Đồ án môn học: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trang 20

- P m = 125(w) :Công suất tiêu tán cực đại bên trong tranzito

b Tính chọn diod:

Dòng điện pha tải có ba đoạn khác nhau trong nữa chu kỳ :

Đồ án môn học: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trang 22

sẽ không trả về nguồn mà chạy qua pha khác (quẩn trong hệ ba pha tải )

Trường hợp tỷ số R < 0.66 ta cần đưa tụ Co vào với hệ số là :

Đồ án môn học: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trang 24

z

đó là các van bán dẫn, do chúng làm việc trong mạch một chiều nên chỉ dùng thyristo thông thường nó không được khoá lại 1 cách tự nhiên ở giai đoạn âm của điện áp nguồn như khi làm việc với dòng xoay chiều Nên ở đây có mạch chuyên dùng để khoá thyristo gọi là “ mạch khoá cưỡng bức” gây nhiều khó khăn trong thực tế Vì vậy hiện nay người ta các van điều khiển cả đóng và ngắt như tranzito bilolar

II-1 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp điều chỉnh điện áp :

Sơ đồ mạch và dạng sóng :

Trong khoảng thời gian

trong khoảng thời gian, T1 T

ra tải là:

0 T1 ta cho van T mở toàn bộ điện áp được đưa đến tải, còn

ta cắt nguồn ra khỏi tải, lúc này giá trị trung bình của điện áp

Theo biểu thức trên, suy ra 3 phương pháp điều chỉnh điện áp Ud :

+ T = const , T1 = var :Phương pháp độ rộng xung + T = var, T1 = const : Phương pháp tần số xung + T = var, T1 = var : Phương pháp xung thời gian

Trong 3 phương pháp trên thì phương pháp tần số xung và phương pháp xung thời gian có nhiều nhược điểm Tần số phải thay đổi trên một phạm vi rộng lớn mới có thể cung cấp một dải điện áp đầu ra Việc thiết kế bộ lọc với tần số thay đổi được gặp nhiều khó khăn

Đồ án môn học: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trang 26

z

Gọi T1 : thời gian mở

T2 : thời gian khoá của Tranzito

Ud : điện áp trước bộ biến đổi

Ta có điện áp trung bình sau bộ biến đổi là :

Vậy chọn dòng điện cực đại qua Tranzito là Imax 2,49 (A) Chọn hệ số dự trữ dòng

K I 1,2 Vậy phải chọn Tranzito sao cho thoả mãn dòng qua đó là:

I T K I * Imax 1,2 * Imax 1.2 * 2.38 2.868 ( A)

Khi sụt áp trên bộ lọc cuôn dây phái trước nghịch lưu là không đáng kể, do đó giá tri điện áp phía sau bộ biến đổi tại thời điểm cực đại của dãi điều chỉnh Z là :

U z max 466 7(V )