ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 1 PHA THEO PHƯƠNG PHÁP TẦN SỐ

Khoa Điện_Điện Tử ĐH SPKT Hưng Yên BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA : ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ PHA THEO PHƯƠNG PHÁP TẦN SỐ Giảng viên hướng dẫn : Đỗ Công Thắng SV thực đồ án : Hoàng Huy Huynh - 12220368 Phạm Đức Hải - 12220357 Lớp : 122201.5 Năm học : 2022-2023 Đề tài : Thiết kế mạch điều chỉnh tốc độ động theo phương pháp điều chỉnh tần số GVHD: Đỗ Công Thắng Khoa Điện_Điện Tử ĐH SPKT Hưng Yên Yêu cầu : - Dải điều chỉnh tốc độ : (0,1 đến 1) n đm - Tham số động pha P = 370w xưởng thực tập - Có bảo vệ tải ngắn mạch - Nguồn vào 12vDC GVHD: Đỗ Công Thắng Khoa Điện_Điện Tử ĐH SPKT Hưng Yên NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Hưng Yên, Ngày Tháng Năm 2021 Giáo viên hướng dẫn Đỗ Công Thắng GVHD: Đỗ Công Thắng Khoa Điện_Điện Tử ĐH SPKT Hưng n LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay, điện tử cơng suất đóng vai trị quan trọng q trình cơng nghiệp hố đất nước Sự ứng dụng điện tử công suất hệ thống truyền động điện lớn nhỏ gọn phần tử bán dẫn việc dễ dàng tự động hố cho q trình sản xuất Các hệ thống truyền động điều khiển điện tử cơng suất đem lại hiệu suất cao Kích thước, diện tích lắp đặt giảm nhiều so với hệ truyền động thông thường như: khuếch đại từ, máy phát - động Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, nội dung mơn học Điện tử công suất chúng em giao thực đề tài: “Thiết kế mạch điều chỉnh tốc độ động pha theo phương pháp điều chỉnh tần số” Với hướng dẫn thầy Đỗ Công Thắng, chúng em tiến hành nghiên cứu thưc đề tài Trong trình thực đề tài khả kiến thức thực tế có hạn nên khơng tránh khỏi sai sót, kính mong thầy đóng góp ý kiến để đề tài chúng em hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn ! Nhóm sinh viên thực : Hoàng Huy Huynh Phạm Đức Hải GVHD: Đỗ Công Thắng Khoa Điện_Điện Tử ĐH SPKT Hưng Yên MỤC LỤC BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA : ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ PHA THEO PHƯƠNG PHÁP TẦN SỐ .1 Năm học : 2022-2023 MỤC LỤC CHƯƠNG I : ĐỘNG CƠ PHA 1.1 Điều khiển tốc độ quay động xoay chiều 1.1.1 Khái quát động không đồng 1.1.2 Động không đồng pha 11 1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động không đồng 14 a Điều chỉnh điện áp đặt vào stator động 15 b Điều khiển công suất trượt mạch rotor .15 c Điều khiển điện trở mạch rotor 15 d Điều khiển tần số điện áp nguồn cung cấp cho động 16 2.1 Biến tần áp 19 2.1.1 Định nghĩa chung biến tần 19 Hình 2.2 Sơ đồ biến tần gián tiếp 19 2.2 Mạch nghịch lưu pha nguồn dòng dùng máy biến áp có điểm .23 a) Sơ đồ nguyên lý 23 b) Nguyên lý làm việc 23 2.3 Mạch nghịch lưu nguồn dòng dùng sơ đồ cầu H 23 b) Nguyên lý làm việc 24 c) Dạng sóng dòng điện, điện áp mạch .25 2.4 Nghịch lưu độc lập nguồn áp pha 26 a) Sơ đồ nguyên lý 26 b) Nguyên lý làm việc 26 c) Dạng sóng dịng điện, điện áp mạch .27 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP PHA 28 Sơ đồ khối toàn mạch 28 28 3.1.Tính chọn máy biến áp pha tần số 50Hz 28 3.2.Mạch động lực 31 3.2.1 MOSFET công suất IRF 3205 .31 34 GVHD: Đỗ Công Thắng Khoa Điện_Điện Tử ĐH SPKT Hưng Yên 3.3.1 Sơ đồ chân 34 3.3.2 Tính tốn tần số đầu mạch điều khiển .36 3.4.Mạch cách ly 38 CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT THỰC TẾ 42 CHƯƠNG I : ĐỘNG CƠ PHA 1.1 Điều khiển tốc độ quay động xoay chiều 1.1.1 Khái quát động không đồng Động không đồng sử dụng cách rộng rãi công nghiệp chiếm tỷ lệ lớn so với loại động khác Sở dĩ động không đồng có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn trực tiếp từ lưới điện Trước hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ sử dụng động không đồng chiếm tỷ lệ nhỏ khó khăn việc điều chỉnh tốc độ Trong thời gian gần với phát triển vũ bão kỹ thuật điện tử, động không đồng khai thác triệt để ưu điểm thay cho động điện chiều hệ truyền động hình 1.1 Sơ đồ ngun lý động khơng đồng GVHD: Đỗ Công Thắng Khoa Điện_Điện Tử ĐH SPKT Hưng n Động khơng đồng có cấu tạo gồm hai phần stator rotor Phần cảm (stator) có dây quấn đặt vào rãnh lõi thép cách điện với lõi thép Phần ứng (rotor) chia làm hai loại là: rotor dây quấn rotor lồng sóc Động khơng đồng rotor dây quấn có kết cấu giống dây quấn stator Đặc điểm loại động không đồng rotor GVHD: Đỗ Công Thắng Khoa Điện_Điện Tử ĐH SPKT Hưng Yên dây quấn thông qua chổi than đưa điện trở phụ vào mạch điện rotor để cải thiện tính mở máy, điều chỉnh tốc độ cải thiện hệ số công suất máy Động khơng đồng rotor lồng sóc kết cấu khác với dây quấn stator Trong rãnh lõi thép rotor người ta đặt vào dẫn đồng hay nhôm nối với vịng ngắn mạch Dây quấn lồng sóc khơng cần cách điện với lõi sắt Động không đồng làm việc theo nguyên lý từ trường quay Khi ta đưa dòng điện xoay chiều vào dây quấn stator động khơng đồng dây quấn stator sinh từ trường quay với tốc độ n1 f1 tần số nguồn cung cấp; p số đôi cực stato Từ trường quét qua dây quấn rotor cảm ứng sức điện động cảm ứng e 21 Khi dây quấn rotor nối kín mạch sinh dịng điện I Từ thơng dịng điện stator dịng điện rotor tạo nên từ thơng khe hở khơng khí stator rotor Sự tương tác từ thơng dịng điện rotor tạo mômen quay Mq Nếu mômen Mq > Mc roto quay (Mc mơmen cản) Gọi tốc độ quay rotor n n ln nhỏ tốc độ từ trường quay n1, ví n = n1 lúc e21 = 0; I2 = 0; Mq = rotor giảm tốc độ Để đánh giá khác n n1 ta đưa khái niệm độ trượt s s= n -n n Khi bắt đầu mở máy n = nên s = 0, n ≈ n độ trượt s ≈ Trong chế độ động < n < n1 < s < Trong chế độ máy phát ta phải quay rotor với n > n - ∞ < s < Ngoài quay rotor với tốc độ n ngược chiều từ trường n1 lúc máy điện khơng đồng làm việc chế độ hãm điện từ < s < + ∞ Như chế độ làm việc máy điện khơng đồng có GVHD: Đỗ Cơng Thắng Khoa Điện_Điện Tử ĐH SPKT Hưng Yên thể biiêủ diễn thang độ trượt hình sau: Người ta chia động khơng đồng làm hai loại là: động rotor dây quấn động rotor lồng sóc Với kết cấu đơn giản, làm việc chắn, có đặc tính làm việc tốt, song đặc tính mở máy động rotor lồng sóc lại khơng động rotor dây quấn Tuy nhiên với phát triển mạnh mẽ kỹ thuật điện từ bán dẫn cho phép thực thành công kỹ thuật điều khiển phức tạp loại động rotor lồng sóc Vì lý động khơng đồng rotor lồng sóc ngày sử dụng cách rộng rãi hệ truyền động công nghiệp Quan hệ điện từ động điện khơng đồng Ta có phương trình cân điện áp viết cho dây quấn stator: U =-E1+I1 ( r1 + jx1 ) (1.1) Trên dây quấn rotor: , = -E2-I2 ( r2 /s + jx2 ) , E2=E1 , (1.2) I1 + I = Io E = − I o zm ’ r1 r2 điện trở stator rotor quy đổi mạch stator; x1 x2’ điện kháng tản stator rotor quy đổi mạch stator; GVHD: Đỗ Công Thắng rm điện trở từ hoá đặc trưng cho tổn hao sắt từ, x m điện kháng từ hoá biểu thị hỗ cảm stator rotor; Từ phương trình nêu ta có sơ đồ thay đồ thị vectơ động khơng đồng bộ: Hình 1.2 Sơ đồ thay động không đồng Công suất điện từ mô men điện từ Pdt = P1 − p Cu1 − p Fe = m ( I'2 ) r2' /s Pco = Pdt − p Cu2 = m ( I '2 ) r2' ( − s )/s Mô men điện từ động cơ: P m U pr ' /s dt ' M = w = 2ππ [(r + r /s) + (x + x ' s s1 )2 (1.3) 12 Đặc tính động khơng đồng ω = f(M) Từ phương trình mô men động (1.3) ta xây dựng đường đặc tính động quan hệ tốc độ mô men động hình vẽ sau: ω s=0 sth n= Mt Mth CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP PHA Sơ đồ khối toàn mạch NGUỒN 220VAC KHỐI CHỈNH LƯU KHỐI LỌC KHỐI CÔNG SUẤT TẢI KHỐI KHUẾCH ĐẠI KHỐI ĐIỀU KHIỂN NGUỒN ĐIỀU KHIỂN 3.1.Tính chọn máy biến áp pha tần số 50Hz Máy biến thay đổi hiệu điện xoay chiều, tăng hạ thế, đầu cho hiệu điện tương ứng với nhu cầu sử dụng Máy biến áp sử dụng quan trọng việc truyền tải điện xa Ngồi cịn có máy biến có cơng suất nhỏ hơn, máy biến áp (ổn áp) dùng để ổn định điện áp nhà, hay cục biến thế, cục xạc, dùng cho thiết bị điện với hiệu điện nhỏ (230 V sang 24 V, 12 V, V, ).Ở mạch ta lựa chọn máy biến áp điểm so sánh mặt kinh tế mặt kĩ thuật phương án lựa chọn tối ưu 28 Máy biến áp có thơng số: U1 =Uv = 12V, Ur = 220V, f = 50HZ, S= 370VA Dòng điện sơ cấp: I= S/U1 = 370/12 =30,83=31 (A) Thiết diện day sơ cấp A1 = 2.5/I1 = 2.5/31=0.08 (mm) (2.5 mật độ dịng điện ) Đường kính day sơ cấp : A1 =( π *d12)/4 >> d1 = = 0.279 cm chọn dây 3mm Lõi thép S = 1.2 370 = 23.08 (cm2) Số vòng cần quấn cho cuộn sơ cấp N sơ = (K x U sơ) /S +sai số =( 45.12)/ 20.7 = 26 (vòng) Số vòng bên thứ cấp: N thứ = (K x U thứ) /S +sai số = (45.220)/20.7 = 478 (vịng) Vì ta chọn máy biến áp có N1=30(vòng), N2=500(vòng) Với :N1 số vòng dây quấn cuộn dây sơ cấp N2 số vòng dây quấn dây thứ cấp Từ ta tính được:N11=N12=N1/2=30/2=15(vịng) Do máy biến áp điểm nên điện áp U1 = 2.U11 = 2.12 = 24( V ) Công suất máy biến áp: S = η U2.I2 29 Trong đó: S cơng suất máy biến áp U2 điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp I2 dòng điện cuộn thứ cấp máy biến áp η hiệu suất máy biến áp Chọn η = 0,85 ta tính dịng điện thứ cấp máy biến áp I2 =S/(η U2 )=370/(0.85*220) = 1.978 ( A ) Áp dụng tỉ số máy biến áp U I2 I = U I ⇒ = U1 U2 I1 I1 = 220.1.978 = 18,131( A ) 24 Công suất tối đa mà tải chiu đượclà: P1 = U1 I1cos ϕ = 24 18,131.0.85 = 369,8 (W) Mặt khác ta có: Pdmax=ηU2I2 Áp dụng tỉ số máy biến áp U I2 I = U I ⇒ = U1 U2 I1 Do máy biến áp điểm nên điện áp sơ cấp tính U1 = 24(V ) I1 = 220.1,978 24 = 18,131( A) Vậy ta chọn máy biến áp có cơng suất Sba = 400 VA với I = 20A 30 3.2.Mạch động lực 3.2.1 MOSFET công suất IRF 3205 a) Tính chọn MOSFET u1=12v, u2=220v, P=370VA Dịng làm việc van là I=18,131A I Chọn MOSFET có dịng làm việc 0.6 =30,2A Điện áp ngược đặt lên van: Ungmax = Kdc.12 = (1.6-2)*12 = 24 (V) Vậy chọn van có điện áp làm việc > 24V Vậy ta chọn MOSFET có dịng làm việc lớn 30,2A Như tính ta chọn MOSFET cơng suất IRF3205 dịng Thơng số bảng: Hình dạng Transistor MOSFEST có ba cực : D - cực máng ( drain ) : điện tích đa số từ bán dẫn chảy máng S - cực nguồn ( source ) : điện tích đa số từ cực nguồn chảy vào bán dẫn G - cực cổng ( gate ) : cực điều khiển b)Thông số đặc tính 31 32 * Tính tốn tản nhiệt - Theo datasheet hãng chế tạo IRF540 ta biết nhiệt độ TJmax = 1750C RJV = 1.3 (0C/W) Với giả thiết nhiệt độ môi trường làm việc tối đa 400C Như nhiệt độ cánh tản nhiệt xác định Tr = Tj – RJV ∆P Trong Theo datasheet hãng chế tạo IRF3205 ta biết tổn hao cực đại 200W Tr = Tj – RJV ∆P = 1,3*200 - 175 = 85 (0C) ⇒ Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường : τ = 85 − 40 = 45 ( C ) Trong đó: Km hệ số toả nhiệt đối lưu xạ Chọn Km = w/m2 0C ∆ 200 = 0.55(m ) ⇒ Diện tích cánh tản nhiệt : Stảnnhiệt = P = K m τ 8.45 * Tính chọn cầu chì - Mạch điện tính tốn với dịng làm việc tối đa bên mạch sơ cấp MBA 2A Để tránh tượng làm việc tải hay ngắn mạch gây cố phá hỏng thiết bị ta nên 33 chọn thiết bị bảo vệ cầu chì cắt nhanh, với dịng điện làm việc xác định ICC = K.I = 1,5* 18= 30 (A) Vậy chọn cầu chì có dịng điện làm việc 30A ; điện áp 250V loại cắt nhanh Sơ đồ mạch điều khiển 3.3.1 Sơ đồ chân Hình 1.6: Sơ đồ chân IC SG 3525 34 - Điện áp hoạt động đến 35VDC - Dải tần số dao động từ 100HZ tới 400 KHz IC SG3525 có tính ưu việt so với IC 4047 IC TL494 như: lấy nguồn mà không cần biến đổi nguồn nuôi cho IC, dễ điều chinh độ rộng xung ra, khoảng deal time vừa đủ để tạo chu kì âm mà khơng gây tượng trùng dẫn Hình 1.7: Sơ đồ khối IC SG3525 Chức chân: Chân 1: Đầu vào đảo Chân 2: Đầu vào không đảo Chân 3: Chân đồng hóa., cho phép đồng xung với dao động gắn Chân 4: Đầu xung dao động Chân 5: Mắc với tụ điện CT=0.1uF- 1nF Chân 6: Gắn với điện trở RT=2kΩ - 150kΩ Chân 7: Chân tụ CT xả điệp áp mắc với trở RD Chân 8: Chân nối với tụ để khởi động êm chế độ soft – start kích hoạt so sánh với điện áp Vref Chân 9: Chân bù hồi tiếp chân đầu đảo góp phần điều chỉnh xung ra bù có sai lệch xung 35 Chân 10: Chân shutdown- ngừng Khi chân mức thấp PWM kích hoạt cịn mức cao PWM thiếp thời Chân 11 chân 14: chân tín hiệu điều khiển.Dịng định mức 100mA dịng đỉnh 500mA Hai xung lệch pha 1800 Chân 12: chân mass IC Chân 13:Điện áp colector transistor NPN nối bên IC Điện áp cấp cho chân nên từ đến 18V mosfet làm việc với điện áp thấp 8V bị đánh thủng 20V Chân 15: Chân cấp nguồn cho IC hoạt động từ đền 35V Chân 16: Điện áp tham chiếu có giá trị thấp 5V cao 5.2 V thông thường 5.1 V 3.3.2.2 Chức Tạo xung điều khiển lệch pha 180o để điều khiển cặp MOSFET mạch công suất Tần số PWM phụ thuộc vào tụ định thời trở định thời Tụ định thời (CT) kết nối chân mass Điện trở định thời (RT) kết nối chân mass Điện trỏ chân chân ( RD) xác định deadtime f = CT (0.7.R T + 3RD ) Giá trị RD dải đến 500 Ω RT phải nằm dải 2k đến 150K Ω Tụ CT phải nằm dải 1nF(102) tới 0.2uF(224) Tần số công thức tần số dao động muốn tính tần số nghịch lưu 50Hz ta phải tính 100HZ theo cơng thức 3.3.2 Tính tốn tần số đầu mạch điều khiển Tần số nghịch lưu f=50Hz ta phải tính tốn tần số xung IC SG3525 cho có tần số 50Hz 36 Hình 2.9: Sơ đồ khối IC SG3525 Tần số dao động IC SG3525 tính theo công thức (theo datasheet): f = CT (0.7.R T + 3RD ) Như tần số dao động phụ thuộc vào CT, RT RD Tần số dao động gấp đôi tần số đầu nên để muốn tần số đầu 50Hz fosc=100Hz Ta chọn CT=0.1uF RD=220 Ω thay vào công thức trên: 100 = 0.1.10 (0.7.R T + 3.220) −6 ta suy RT=141.9 kΩ  Chúng ta chọn RT biến trở 150k trở thường 120k (20hz ÷ 50hz) 37 3.4.Mạch cách ly - Điện áp đầu SG3525 12 V mức cao 0.05 V mức thấp Dòng điện điện áp làm việc IC nhỏ, mạch động lực dòng làm việc lớn Để cáchly mạch điều khiển mạch động lực ta sử dụng PC817 có cấu trúc thông số sau: 38 39 Khi cấp nguồn SG3525 hoạt động tạo xung 50Hz xung SG3525 phụ thuộc vào điện trở RT ,RD, CT Để điều chỉnh tần số phát ta mắc biến trở 150k chân ta thay đổi dài tần số Tín hiệu xung chân 11 chấn 14 ln lệch pha 180 độ Tín hiệu hai chân đưa vào chân PC817 khuếch đại cách ly với mạch điều khiển Tín hiệu PC817 chân E kích cho cặp IGBT mạch Q1 Q2 Q3 Q4 Khi có xung điều khiển vào van Giả sử nửa chu kì đầu Q1 Q2 mở cho dòng chạy qua tải Q3 Q4 bị khóa lại, dịng điện qua Q1 Q2 biến áp Nửa chu kì sau Q3 Q4 mở cịn Q1 Q2 khóa lại dịng từ Q3 Q1 biến áp Khi đóng cắt liên tục van đảo chiều cách đột 40 ngột Nên diode nội bên van có nhiệm dẫn dòng suy giảm dần, khiến van kịp thời khóa lại Q trình đóng cắt liên tục tạo dòng điện qua tải biến thiên ngược chiều 41 CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT THỰC TẾ 42