Thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng IGBT

-Thiết kế biến tần PWM dùng IGBT -Điều khiển theo quy luật U/f Udm = 380V, P = 5,5 kW, f = 0- 120 Hz, cosφ = 0,77

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN

THIẾT KẾ MÔN HỌC

MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ĐỀ BÀI: Đề số 57

Thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng IGBT

Giáo viên hướng dẫn: ĐOÀN VĂN TUÂN

Sinh viên: ĐỖ TOÀN THỊNH

Hải Phòng, năm 2011

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại công nghiệp hóa,hiện đại hóa đất nước,ngành công nghiệp cómột vai trò hết sức quan trọng nhằm thúc đẩy sự phát triển nền kinh tế.Yêu cầutrước hết là phải đưa kĩ thuật công nghệ để ứng dụng vào thực tế sản xuất.Tự độnghóa ngày càng có vai trò quan trọng,bởi hiệu quả làm việc,tính an toàn và tiện dụngcủa nó.Các dây truyền sản xuất hiện đại mang lại hiệu quả cao được ứng dụng ngàycàng rộng rãi.Sự ra đời của động cơ điện vào cuối thế kỷ XIX đã tạo nền tảng quantrọng cho sự phát triển của của ngành điện sau này.Ngày nay,động cơ điện đã đượcứng dụng rộng rãi,có vai trò không thể thiếu trong công nghiệp và trong đời sốngsinh hoạt.So với tất cả các động cơ điện dùng trong công nghiệp động cơ khôngđồng bộ được dùng nhiều hơn cả,với kiểu dáng gọn nhẹ,có thể chế tạo với nhiềucông suất khác nhau,sử dụng đơn giản,giá thành rẻ đã dần thay thế các loại máyđiện một chiều.Để đáp ứng được nhu cầu của sản xuất công nghiệp,người ta đãnghĩ ra các thiết bị điện nhằm phục vụ cho hoạt động của động cơ ở những chế độlàm việc khác nhau.Bộ biến tần ra đời giúp thay đổi tần số của mạng điện cấp chođộng cơ.Nhờ đó mà động cơ có thể làm việc dễ dàng làm việc mà không phải thayđổi tần số làm việc của nó

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 3 PHA SỬ DỤNG IGBT

1.1.Công nghệ biến tần

1.2.1 Khái niệm chung

(a) Bộ biến đổi tần số

Hay còn gọi là các bộ biến tần là thiết bị biến đổi dòng xoay chiều ở tần số nàythành dòng điện xoay chiều có tần số khác mà có thể thay đổi được

Đối với bộ biến tần dùng cho việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều thìngoài việc thay đổi tần số chúng ta còn có thể thay đổi cả điện áp ra khác với điện

áp lưới cấp vào bộ biến tần

(b) Phân loại

 Bộ biến tần gián tiếp

Bộ biến tần gián tiếp có sơ đồ cấu trúc tổng thể như sau:

Thiết bị biến tần gián tiếp gồm có 3 khâu:

-Khâu chỉnh lưu: biến đổi nguốn xoay chiều sang nguốn một chiều

-Khâu trung gian: giữ cho điện áp ra của khâu chỉnh lưu là hằng, hay dòng ra củakhâu chỉnh lưu là hằng

-Khâu nghịch lưu: là một bộ phận rất quan trong bộ biến tần nó biến đổi dòngmột chiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng xoay chiều có tần số f2

Từ sơ đồ cấu trúc ta thấy điện áp xoay chiều có các thông số (U1,f1) được

xoay chiều với điện áp U2 tần số f2 Việc biến đổi năng lượng 2 lần làm giảm hiệusuất biến tần song bù lại loại biến tần này cho phép thay đổi dễ dàng tần sồ f2

không phụ thuộc vào f1 trong dải rộng cả trên và dưới f1 vì tần số ra chỉ phụ thuộcvào mạch điều khiển Có 2 loại biến tần gián tiếp đó là sử dụng nghịch lưu áp vànghịch lưu dòng

- bộ biến tần gián tiếp nguồn áp

Kết quả điện áp dây đầu ra đưa vào động cơ cĩ dạng như sau:

Bằng cách thay đổi khoảng thời gian mở Thyristor ta thay đổi được thời gianchu kỳ của điện áp ra, nghĩa là điều chỉnh được tần số ra Để chuyển mạch giữacác Thyristor người ta dùng các tụ C1-C6

Các diode D1-D6 ngăn tác dụng của các tụ chuyển mạch với phụ tải, làmcho áp trên tải không bị ảnh hưởng bởi sự phóng nạp của tụ

Các diode D7-D12 tạo một cầu ngược, có tác dụng mở đường cho dòngđiện phản kháng từ phía động cơ chạy về tụ C0 Dòng điện này xuất hiện do sựlệch pha giữa dòng và áp động cơ Tụ C0 có nhiệm vụ chứa năng lượng phảnkháng vì động vơ là một tải đơn giản đối với bộ nghịch lưu mà có tác động mộtcách khác nhau với từng điều hòa của dạng sóng điện áp

Để duy trì từ thông tối ưu trong động cơ không đồng bộ cần giữ tỉ số điệnáp/tần số=const.Biến thiên tần số đầu ra của bộ nghịch lưu phải có biến thiênáp

Để giữ được quan hệ điện áp/tần số=const, ta có thể áp dụng phương phápđiều chế bề rộng xung

Hoạt động mạch như sau:

Trong ½ chu kỳ của điện áp ra ta đóng cắt Thyristor một số lần nhất định giátrị trung bình của điện áp ra phụ thuộc vào tỷ số thời gian đóng mở Trạng thái

qua T1 và T2 pha a và pha c, điện áp Vac=V0 Nếu ta cho T2 ngưng dẫn thì lúc đódòng tải qua T1,D5và Vac=0 Nếu cho T1 ngưng dẫn T2 dẫn thì dòng tải qua T2 và

D4, Vac=0 Nếu T1 và T2 ngưng dẫn Dòng điện tải sẽ qua D5, D4 và ngượcchiều nguồn điện Vac=-V0

Khi T1 và T2 cùng dẫn năng lượng được đưa từ nguồn một chiều vào tải.Khi T1, T2 ngưng dẫn năng lượng từ tải được đưa trở lại nguồn còn khi có moatThyristor dẫn thì giữa nguồn và tải không có trao đổi năng lượng

Để tăng tốc độ và hiệu quả đổi chiều của bộ nghịch lưu và không cần đến bộchuyển mạch phụ như dùng Thyristor thông thường Người ta dùng Thyristorkhóa bằng cực khiển (GTO) trong khâu nghịch lưu của bộ biến tần có điều chếbề rộng xung

Biến tần điều chế bề rộng xung với các Thyristor khóa bằng cực khiển

Dạng sóng điển hình khi có bộ điều chế bề rộng xung Các dạng sóng dòng điệncho thấy rõ việc giảm các điều hòa dòng điện, so với dạng sóng nhận được củabộ nghịch lưu có dạng sóng gần như chữ nhật

Các dạng sóng của bộ nghịch lưu ba pha có điều chế độ rộng xung:

b>Biến tần áp dung Transitor

Về phương diện điều khiển động cơ, những nhận xét về cơng suất của bộnghịch lưu dùng Transitor cũng giống như đối với bộ nghịch lưu dùng Thyristor

Các Transitor làm việc ở chế độ dịch chuyển mạch, cho song đầu ra gần như

là hình chữ nhật Transitor T đĩng vai tro như một bộ điều chỉnh điện áp một chiều

để điều khiển điện áp liên lạc Tần số đĩng cắt cĩ thể lớn hơn và các thành phần bộlọc nhỏ hơn so với trường hợp dùng Thyristor Điều chế bề rộng xung cho phéploại bỏ Transitor này

Các Thyristor Th1 và Th2 có nhiệm vụ bảo vệ ngắn mạch, hay nó bảo vệ choTransitor khi có dòng quá lớn trong bộ nghịch lưu, lúc này Thyristor được mồi,ngắn mạch bộ nghịch lưu và tác động thiết bị bảo vệ

Người ta có thể khóa tất cả Transitor bằng cách khử các tác động lên cực gốccủa nó để loại trừ sự cố

Ưu điển của Transitor so với Thyristor là bỏ được chuyển mạch cưỡng bức,các tổnhao đổi chiều nhỏ hơn cũng có khả năng cho bộ nghịch lưu làm việc tới tần số caohơn

Khuyết điểm của nó là đòi hỏi liên tục tác động vào cực gốc trong chu kỳdẫn của Transitor, nhưng nếu dùng sơ đồ Darlington có thể có hệ số khuếch đạidòng điện tới 400 Một khuyết điểm khác là điện áp định mức hơi thấp hơn điện ápđịnh mức Thyristor

Bộ biến tần gián tiếp có dải điều tần rộng, tần số ra fr có thể lớn hơn hoặcnhỏ hơn tần số vào f1, do đó có thể điều chỉnh vô cấp được

Việc điều chỉnh Vr, fr có dạng bậc thang nên gây ra các sóng hài bậc cao vìvậy khi làm việc động cơ sẽ sinh ra từ trường có tần số cao tạo ra trong động cơmột hệ thống dòng điện, moment có hại đốt nóng động cơ làm tăng tổn hao sắt vàlàm giảm tính ổn định động cơ

- bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng

4/ Biến tần dòng

a>Biến tần dòng dùng Thyristor

Cầu chỉnh lưu điều khiển gồm 6 Thyristor T7 đến T12 cầu biến tần gồm 6Thyristor T1 đến T6 Mỗi Thyristor được nối tiếp qua một Diode và trongmỗi cửa cầu có 3 tụ điện

Cầu chỉnh lưu thông qua điện cảm ĐK san bằng cung cấp cho cầu biếntần dòng điện Id Ở mọi thời điểm có hai Thyristor dẫn điện, cácThyristor được điều khiển mở theo thứ tự 1,2,…,6, ở mỗi Thyristor dẫntrong khoảng 1200

Sơ đồ nguyên lý

Dạng sóng dòng điện và điện áp ra trên một pha

Dịng điện ra cĩ dạng gần như bậc thang Điện áp ra cĩ dạng như hình sin nhưngmang các đỉnh nhọn tại các thời điểm chuyển mạch.

Ta biết rằng các Diode nối ngược ở bộ nghịch lưu áp ngăn cản điện áp liên lạcmột chiều đổi cực tính và cho dịng điện ngược chạy qua Khi vượt quá tốc độ cĩthể động cơ trở thành máy phát Do đổi cực tính điện áp gĩc mở cĩ thể làm bộ biếntần làm việc ở chế độ nghịch lưu và trả năng lượng về nguồn

Dạng sĩng dịng điện hình bậc thang gây khĩ khăn khi làm việc ở tốc đọ rấtthấp Cuộn dây liên lạc một chiều ngăn cản biến thiên đột ngột của dịng điện Một

ưu điểm khác của bộ nghịch lưu dịng là ngăn mạch đầu cực động cơ khơng gây hưhỏng bộ nghịch lưu vì dịng điện cĩ xu hướng giữ khơng đổi

b>Biến tần dịng dùng Transitor

Bộ nghịch lưu dòng Transistor cũng sử dụng 6 Transistor và 6 diode Nhưngtrong sơ đồ nghịch lưu dòng các diode được mắc nối tiếp với các Transistor vàcác diode này có nhiệm vụ ngăn dòng ngược bảo vệ cho tất cả các transistor.Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng biến tần dòng gián tiếp dùng cácThyristor thông thường với chuyển mạch đơn giản chỉ có tụ điện ngăùn mạch tứcthời đầu ra không gây ảnh hưởng gì nhờ cuộn dây liên lạc ngăn tất cả các độtbiến của dòng điện và tái sinh tương đối dễ dàng, có khả năng cung cấp chonhiều động cơ làm việc song song có hiệu suất cao

Việc dùng ngày càng nhiều các Thyristor khóa bằng cực khiển hayTransistor công suất trong các bộ nghịch lưu áp chứng tỏ rằng bộ nghịch lưudòng không được sử dụng rộng rãi với truyền động công suất nhỏ vì gây ramoment và va đập lớn, các cuộn dây có kích thước lớn và việc điều chỉnh tốc độkhó

 Bộ biến tần trực tiếp

Bộ biến tần trực tiếp là thiết bị biến đổi tần số vào sang tần số ra một cách trựctiếp mà khơng cần cĩ sự can thiệp của một khâu trung gian nào Bộ biến tần trựctiếp hay cịn gọi là bộ biến tần phụ thuộc thường gồm các nhĩm chỉnh lưu điềukhiển mắc song song cho xung lần lượt 2 nhĩm chỉnh lưu trên ta được dịng xoaychiều trên tải Như vậy điện áp xoay chiều U1(f1) chỉ cần qua 1 van là chuyển ngay

ra tải với U2(f2) Tuy nhiên đây là loại biến tần cĩ cấu trúc van rất phức tạp chỉ sửdụng cho truyền động điện cĩ cơng suất lớn, tốc độ làm việc thấp vì sự thay đổi f2

khĩ khăn và phụ thuộc vào f1

1.2.2 Phạm vi ứng dụng của công nghệ

Phạm vi ứng dụng của công nghệ: Người ta thường dùng thiết bị biến tần đểđiều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều: động cơ không đồng bộ và động cơđồng bộ

1.2.3 Đặc tính hệ TĐĐ biến tần – động cơ

Xuất phát từ biểu thức: 1 = 2 P.f 1 và  =  1 (1 - s) Ta thấy khi thay đổi tần số

f1 thì làm 1 thay đổi và do đó  cũng thay đổi

 Nếu f1>f1 đm , vì Mth ≈ 2

1

f nên khi m th giảm thì u 1 không đổi.

 Nếu f1 < f 1 đm , với u 1 không đổi thì dòng i1 tăng nhanh Điều này không chophép nên khi thay đổi f1thì phải thay đổi cả u1 theo 1 quy luật nào đó để

động cơ không đồng bộ sinh ra đuợc momen như trong chế độ định mức

Hình1.2.Đặc tính cơ khi thay đổi tần số lưới điện f 1 cấp cho động cơ

1.2.4 Yêu cầu & các phương pháp điều khiển biến tần

Các phương pháp điều khiển biến tần:

 Phương pháp điều biến độ rộng xung (PWM)

Trong biến tần nguồn áp 3 pha cùng một lúc có 3 van mạch lực dẫn dòng, các

tín hiệu đặt mang thông tin về điện áp 3 pha gọi là các sóng sin chuẩn U a * , U b * , U c *

được so sánh với sóng mang Urc có dạng răng cưa tam giác lưỡng cực Đầu ra của

các bộ so sánh U a ’ điều khiển các van S1 và S4, U b ’ điều khiển các van S3 và S6,

U c ’ điều khiển các van S5 và S2 Chuyển động như trên tạo ra điện áp pha có 6

bước trong 1 chu kì với biên độ của sóng bậc 1 U 1.6b = 2 U d /π

Nếu như thành phần sóng bậc 1 là U 1 thì chỉ số điều chế được xác định như sau:

M= U 1 / U 1.6b

Phương pháp điều biến độ rộng xung tồn tại các nhược điểm sau:

- Không sử dụng hết khả năng của điện áp môt chiều

- Đáp ứng của nghịch lưu không đủ nhanh

Để giải quyết các vấn đề trên thường sử dụng các thuật toán điều chế biến thể,quá điều chế hoặc điều chế vectơ điện áp không gian

Hình 1.3: Sơ đồ điều biến độ rộng xung (PWM)

 Vectơ điện áp không gianTrong sơ đồ biến tần trên nếu ta thêm vào trong mạch 2 trạng thái chuyển mạchđặc biệt của biến tần, đó là trạng thái mà chỉ có các khóa lẻ dẫn điện (S1,S3,S5)hoặc chỉ có các khóa chẵn dẫn điện (S2,S4,S6) thì trong dây quấn động cơ khôngxuất hiện dòng điện và do đó điện áp trên các pha cũng bằng không.

Hệ thống điện áp đặt lệch pha U a (t),U b (t),U c (t) lệch nhau 1/3 chu kỳ, dây quấn

pha đặt lệch nhau 1/3 vòng tròn tạo thành điện áp không gian, về mặt hình thức tồntại một vectơ điện áp không gian với định nghĩa như sau:

U s = [U a (t),U b (t),U c (t)]

Trong đó độ dài U s =1,5 U am với U am là biện độ điện áp pha

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT CHO

BỘ BIẾN TẦN 3 PHA

2.1.Thiết kế mạch chỉnh lưu dòng 3 pha

- Bộ chỉnh lưu có chức năng biến đổi biến nguồn xoay chiều thành nguồn

1 chiều, ở đây ta dùng mạch chỉnh lưu cầu, ở đây ta dùng mạch cầuchỉnh lưu không điều khiển Bộ chỉnh lưu bao gồm: các nhóm van chỉnhlưu và máy biến áp

- van có tác dụng đóng mở tạo thành dòng 1 chiều

- máy biến áp có tác dụng biến đổi điện áp nguồn phù hợp với yêu cầu cầnthiết của phụ tải, cách ly phụ tải với lưới điện để vận hành an toàn, cảithiện được dạng sóng nguồn điện lưới Ngoài ra còn có tác dụng hạn chếtốc độ tăng của dòng anot

2.1.1 Lựa chọn mạch chỉnh lưu 3 pha dùng Thyristor

Tiristor (Thyristor hoặc SCR (silicon controller Rectifier) là linh kiệnđiện tử công suất có điều khiển do phòng thí nghiệm Bell Telephonesáng chế, tên gọi thyristor có liên quan đến đèn 3 cực có khí thyratron

Là linh kiện điện tử công suất chủ yếu và tạo nên bước phát triển nhảyvọt trong kỹ thuật điện tử công suất Cho đến nay người ta đã chế tạođược các thyristor làm việc với điện áp hàng KV và chịu dòng tới KA.Khi điện áp không ổn định thì ta có thể thay đổi góc mở để điềuchỉnhđiện áp, vì vậy mạch chỉnh lưu 3 pha ta sẽ sử dụng thyristor

2.1.2 Thiết kế và vẽ mạch chỉnh lưu 3 pha sử dụng Thyristor

Có 2 kiểu mạch chỉnh lưu 3 pha chính là chỉnh lưu 3 pha cầu và chỉnhlưu 3 pha tia Ta sẽ lựa chọn mạch chỉnh lưu cầu vì dạng điện áp ra trêntải đập mạch với tần số cao hơn, ít nhấp nhô hơn so với chỉnh lưu hìnhtia, do đó việc lọc sẽ dễ dàng hơn

Dạng điện áp trên tải của chỉnh lưu cầu 3 pha dùng thyristor khi để góc mở α=0 o

Sơ đồ nguyên lý CL cầu 3 pha bằng SCR

2.2.Khối lọc

Bộ lọc là phần tử trung gian giữa nguồn chỉnh lưu và phụ tải điện mộtchiều nhằm san phẳng điện áp và dòng điện chỉnh lưu Đặc tính của bộ

lọc là cho phép dòng điện có tần số nào đó thông qua và ngăn trở cácdòng điện có tần số khác.

2.2.1 Lọc bằng tụ

Điện dung C được đấu song song với tải Tác động lọc khác với điệncảm Do tụ C đấu song song với tải nên sự phân chia dòng xoay chiềutheo quy tắc: Xc càng nhỏ hơn Rt thì dòng xoay chiều càng bị hút vàođường đi qua tụ điện, càng ít dòng xoay chiều qua tải tức là hiệu quả lọccàng cao

Lọc điện dung rất khó thực hiện với tải công suất lớn, vì khi Rt càngnhỏ ta càng khó thực hiện điều kiện lọc tốt Xc<<Rt , do giá trị của Cphải rất lớn Do đó lọc tụ chỉ dùng cho những tải công suất nhỏ

- Nguồn xoay chiều là các sóng hài U ~: sẽ bị sụt áp trên L, trước

khi đưa đến tải theo quan hệ chia điện áp (X L càng lớn hơn R t thì

thành phần xoay chiều trên R t càng nhỏ, và điều này càng tốt bởithành phần xoay chiều gây nên độ đập mạch của điện áp

Lọc bằng điện cảm phù hợp với tải công suất lớn, vì công suất lớn thì

R t sẽ càng nhỏ

2.2.3 Lọc bằng tụ và cuộn cảm

Thực chất là kết hợp của 2 loại lọc trên, do vậy để lọc hiêu quả vẫn

phải tuân thủ theo nguyên tắc X L >>R t ,X C <<R t

2.3.Thiết kế bộ nghịch lưu 3 pha

2.3.1 Lựa chọn phương án nghịch lưu sử dụng IGBT

Tranzitor lưỡng cực cổng cách ly IGBT là một linh kiện bán dẫn côngsuất, trong đó phối hợp 2 tranzitor lưỡng cực NPN, PNP và mộtMOSFET

Trong khoảng 10 năm gần đây IGBT đã có bước phát triển mạnh vàchuyển từ IGBT thế hệ thứ nhất sang thế hệ thứ ba với tôc độ chuyểnmạch cao và tổn hao chuyển mạch tốt hơn Linh kiện thế hệ thứ tư khaithác công nghệ litô (lithographic technnology) và công nghệ rãnh(trench technology) để tạo nên MOSFET có điện trở dẫn nhỏ Ưu điểmchính của bộ biến đổi sử dụng IGBT là đơn giản, môđun hóa, điều khiểnđơn giản, không cần mạch suy giảm, cách ly về điện giữa các môđun

Vì những ưu điểm này IGBT thích dụng trong các bộ chuyển mạch cócông suất dưới 1 MW

Với những ưu điểm trên và đề bài ra ta chọn sử dụng IGBT cho mạchnghịch lưu

2.3.2 Thiết kế và vẽ mạch nghịch lưu sử dụng IGBT

Có 2 bộ nghịch lưu chính: bộ nghịch lưu áp 3 pha và nghịch lưu dòng

ba pha Ta chọn sử dụng mạch nghịch lưu áp 3 pha điều biến độ rộngxung