Thiết kê biến tần 3 pha để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

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 kĩ 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 và 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 rôto lồng sóc. “Thiết kê biến tần 3 pha để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ” Nội dung các chương mục như sau : Chương 1 : Tổng quan về công nghệ. Giới thiệu về động cơ không đồng bộ, các hệ thống biến tần. Chương 2 : Tính chọn mạch công suất.

THIẾT KẾ MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Tài.

Lớp : ĐTĐ48 – ĐH2.

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 kĩ 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 và 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 rôto lồng sóc

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

Nội dung các chương mục như sau :

Chương 1 : Tổng quan về công nghệ

Giới thiệu về động cơ không đồng bộ, các hệ thống biến tần

Chương 2 : Tính chọn mạch công suất

Mạch động lực, đi sâu vào nguyên lí làm việc của hệ thống thiết bị cũng như các phương pháp tính chọn mạch và bảo vệ mạch

Chương 3 : Thiết kế mạch điều khiển

Ứng dụng của kĩ thuật xung số để điều khiển hoạt động của mạch

Chương 4 : Kết qủa

Ứng dụng bằng phần mềm để mô phỏng hệ thống và hiện thực hoá nó trên phần cứng

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa điện đã tận tình chỉ bảo trongthời gian làm đề tài.

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1.Tổng quan về máy điện không đồng bộ

1.1.1 Nguyên lý làm việc:

Khi nam châm điện quay ( tốc độ n1 vòng/ phút ) làm đường sức từ quay cắtqua các

cạnh của khung dây cảm ứng gây nên sức điện động E trên khung dây Sức điệnđộng E sinh

ra dòng điện I chạy trong khung dây Vì dòng điện I nằm trong từ trường nênkhi từ trường

quay làm tác động lên khung dây một lực điện từ F Lực điện từ này làm khungdây chuyển

Vì n < n1 nên gọi là không đồng bộ

ĐCKĐB ba pha có dây quấn ba pha phía stator, Roto của ĐCKĐB là một bộdây quấn ba pha

có cùng số cực trên lõi thép của Roto

Khi Stator được cung cấp bởi nguồn ba pha cân bằng với tần số f, từ trườngquay với tốc độ sẽ được tạo ra Quan hệ giữa từ trường quay và tần số f củanguồn ba pha là :

Trong đó :

p - số đôi cực

- tần số góc của nguồn ba pha cung cấp cho động cơ

Nếu tốc độ quay của roto là , độ sai lệch giữa tốc độ từ trường quay stator vàroto là:

Trong đó gọi là tốc độ trượt

Thông số s gọi là độ trượt, ta có:

Vì có tốc độ tương đối giữa roto và từ trường quay stator , điện áp cảm ứng bapha sẽ được

sinh ra trong roto Tần số của điện áp này sẽ tỉ lệ với độ trượt theo công thức:

Moment động cơ sinh ra:

từ thông trên một cực (Wb)

giá trị đỉnh của sức từ động roto

góc lệch pha giữa sức từ động roto và sức từ động khe hở không khí

1.1.2 Cấu tạo

a)Phần tĩnh (Stato)

Stato có cấu tạo gồm vỏ máy,lỏi sắt và dây quấn

Rotor có 2 loại chính : rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lòng sóc.

Rotor dây quấn :

Rôto có dây quấn giống như dây quấn của stator Dây quấn 3 pha của rôtothường đấu hình

sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ởmột đầu trục

và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài Đặc điểm là có thểthông qua chổi

than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện rôto để cải thiệntính năng mở

máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy Khi máy làmviệc bình thường

dây quấn rotor được nối ngắn mạch Nhược điểm so với động cơ rotor lòng sóc

cao hơn.

1.1.3 Đặc điểm

Cấu tạo đơn giản

Đấu trực tiếp với điện lưới xoay chiều 3 pha

Tốc độ quay của rô to nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay của stato n

< n1

Trong đó :

N : tốc độ quay của rô to

N1: tốc độ quay của từ trường quay

1.1.3 Các đại lượng đặc trưng và phương trình cơ bản

a Hệ số trượt : để biểu thị mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của rô to n và

tốc độ quay của từ trường quay n1

11

n n s

f20 = f1f2s = s * f1W2 : số vòng dây

Tổn hao do dây quân rô to : P2

Công suất cơ ở trục : P'2M* = P dt-P2

2 1

U I

U I

2

2 1

2 1

nm

nm nm

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

Ảnh hưởng của điện áp lưới

Môment tỷ lệ theo bình phương điện áp

Hê số trượt vẫn không thay đổi

Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato

Môment tỷ lệ nghịch với điện trở, hay điện kháng

Hệ số trượt tỷ lệ nghịch với điện trở, hay điện kháng

Ảnh hưởng của số đôi cực p.

Khi thay đổi số đôi cực p thì tần số lưới thay đổi, dẫn đến tốc độ cũng thay đổi

Ảnh hưởng tần số.

Quy tắc điều chỉnh giữ cho khả năng quá tải không đổi

' 2

max max 1





Luật điều khirn giữ cho công suất không đổi :P=const

' ' 1

B Phân loại

B.1 Biến tần trực tiếp:

Còn gọi là biến tần phụ thuộc Thường gồm các nhóm chỉnh lưu điều khiển mắc song song ngược, cho xung lần lượt hai nhóm chỉnh lưu trên ta có thể nhận được dòng điện xoay chiều trên tải

Như vậy điện áp xoay chiều U1(f1) chỉ cần qua một van là chuyển ngay ra tải với U2(f2)

Tuy nhiên, đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van rất phức tạp chỉ

sử dụng cho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp

Vì việc thay đổi tần số f2 khó khăn và phụ thuộc và f1

Ví dụ

B.2.Biến tần gián tiếp:

Còn gọi là biến tần độc lập Trong biến tần này đầu tiên điện áp được chỉnh lưu thành dòng một chiều Sau đó qua bộ lọc rồi trở lại dòng xoay chiều với tần số f2 nhờ bộ nghịch lưu độc lập (quá trình thay đổif2 không phụ thuộc vào f1)

Việc biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất biến tần

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

nó hơn

Ví dụ :

Phân loại biến tần gián tiếp

Bộ biến tần này còn gọi là biến tần độc lập Trong biến tần này, đầu tiênđiện áp được chỉnh lưu thành dòng một chiều, sau đó qua bộ lọc rồi trở lại dòngxoay chiều với tần số f2 nhờ bộ nghịch lưu độc lập (quá trình thay đổi f2 khôngphụ thuộc vào f1)

L2

L1 Lo

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 taphát huy tối đa các ưu điểm của biến tần loại này và thường sử dụng nó hơn

Do tính chất của bộ lọc nên biến tần gián tiếp lại được chia làm hai loại

sử dụng nghịch lưu dòng và nghịch lưu áp

1 Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng:

Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn dòng, dạngcủa dòng điện trên tải phụ thuộc vào dạng dòng điện của nguồn, còn dạng áptrên tải tuỳ thuộc vào các thông số của tải quy định

2 Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp:

Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn áp (nghĩa làđiện 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 tảiquy định

Bộ biến tần nguồn áp có ưu điểm là tạo ra dạng dòng điện và điện áp sinhơn, 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 động lực gồm có các phần sau:

- Bộ chỉnh lưu: có nhiệm vụ biến đổi dòng xoay chiều có tần số f1 thành dòngmột chiều

- Bộ nghịch lưu: là bộ rất quan trọng trong bộ biến tần, nó biến đổi dòng điệnmột chiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng điện xoay chiều có tần số

Là bộ phận không thể thiếu được, nó 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 điềukhiển 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 để đưađến bộ phận phân phối xung Khâu này đảm nhận điều chỉnh xung, ngoài ra nócòn có thể đảm nhận luôn chức năng khuyếch đại xung

- Khâu phân phối xung: làm nhiệm vụ phân phối các xung điều khiển vào khâukhuyếch đại xung

- Khâu khuyếch đại trung gian: có nhiệm vụ khuyếch đại xung nhận được từ bộphận phân phối xung đưa đến đảm bảo kích thích mở van

Sơ đồ của hệ thống điều khiển như sau:

D-Sơ lược về MOSFET công suất.

Van

Phát xung

chủ đạo

Phân phối xung

Khuếch đại xung

1 Cấu tạo.

Tranzitor trường FET được chế tạo theo công nghệ MOS (metal semiconductor) thường được sử dụng như những chuyển mạch có công suấtlớn.Khác với transitor lưỡng cực được điều khiển bằng dòng điện ,transitorMOS được điều khiển bằng điện áp Tranzitor MOS gồm các cực chính :cựcmáng (drain ),cực nguồn (source)và cửa Gate(G).Dòng điện máng - nguồn đượcđiều khiển bằng điện áp cửa - nguồn

–oxid- MOSFET công suất

Hình 3.1 a)Họ đặc tính ra

b)ký hiệu thông thường kênh N

2.Ưu nhược điểm.

2.1.Ưu điểm

Mosfet là loại van có rất nhiều ưu điểm ở công suất vừa và nhỏ,đượcchọn để sử dụng trong thiết kế này Hiểu rõ những ưu,nhược điểm và thông sốcủa mosfet rất quan trọng Ta sẽ tìm hiểu các thông số quan trọng của mosfet vànhững ảnh hưởng đến quá trình thiết kế

Những ưu điểm của mosfet:

1-Tốc độ chuyển mạch nhanh, tổn hao chuyển mạch nhỏ hơn BJT và IGBT.2-Tổn hao dẫn bé hơn BJT và IGBT ở vùng dòng điện nhỏ và vừa

3-Không tốn công suất điều khiển như BJT, ở các mức công suất khác nhau thìmạch điều khiển không khác nhau nhiều,giúp đơn giản hoá việc thiết kế

4-Có tuổi thọ rất cao nếu được tính toán tốt

5-Với vùng điện áp thấp(dưới 50V) và dòng lớn( cỡ trăm Ampe) thì mosfet là

điện

máng

Điện trở hằng số Điện áp máng - nguồn

2.2 Nhược điểm của mosfet:

1- Bị hạn chế về điện áp (<1000V) và dòng điện( cỡ vài trăm Ampes đổ lại).2- Khi dòng điện tăng thì tổn hao tăng nhanh hơn BJT và IGBT

3- Chịu quá tải kém, nhậy cảm với nhiệt độ

4- Giá thành cao hơn BJT và IGBT ở cùng điện áp và dòng điện định mức

Vì những lý do trên mà mosfet thường được sử dụng ở cấp điện áp320VDC( 220VAC sau chỉnh lưu) và dòng điện vài trăm Ampes trở lại

Các thông số quan trọng của mosfet

1- Drain-to-Source Breakdown Voltage: đây là điện áp một chiều lớn nhất chophép trên cực Drain và Source Khi tính toán thường lấy hệ số an toàn về điện

4- Gate-to-Source Voltage: Điện áp điều khiển giữa cực Gate và Souce, thườnglớn nhất là 20V,thực tế hay đặt khoảng 10V,khi mosfet hoạt động xảy ra hiệntượng điện áp điều khiển bị tăng cao do ảnh hưởng của điện dung ký sinh giữacực Drain và Gate,khi tính toán nếu thấy điện áp này tăng cao cần thêm mộtdiode zener mắc giữa cực Gate và Souce

5- Max Power Dissipation:Công suất tiêu tán lớn nhất trong điều kiện làm máttốt nhất và ở một nhiệt độ nhất định, thường cho ở 25°C , dựa vào LinearDerating Factor có thể tính ra công suất tiêu tán nhiệt ở các nhiệt độ khác

công suất tiêu tán trên thực tế phụ thuộc chủ yếu vào dạng đóng vỏ và điều kiệnlàm mát, và bé hơn nhiều giá trị định mức

Vd: Loại IRF-540N, dạng vỏ TO-220, datasheet cho Max Power Dissipation

=130W tại 25°C,nhưng trong điều kiện làm mát cánh tản nhiệt và quạt cưỡngbức tốt nhất thì thường chỉ nên lấy tối đa 50W Tất cả các loại van khác có cùngdạng đóng vỏ này cũng không được chọn quá 50W

6-Linear Derating Factor: Hệ số suy giảm công suất toả nhiệt theo nhiệt độ,khoảng 0.7-2.5W/°C

nghịch lưu có thể là BJT công suất ,IGBT, GTO Ở đây ta dùng mosfet

T 1

T 4

+ C 1

.

Z B

T 2

Z C

Z A

T 3

-T 5

T 6

H4.1 Sơ đồ nguyên lí của bộ nghịch lưu.

Tụ C0 đảm bảo nguồn là nguồn áp và để tiếp nhận năng lượng phản kháng từ tải.Phương pháp điều khiển các van mosfet thông thường nhất là điều khiển chogóc mở của van là   180ovà   120o Ở đây ta xét góc dẫn với tải đấu saonhư thiết băng cách xác định điện áp trên tải trong từng khoản thời gian 600 (vì

cứ 600 có một trạng thái chuyển mạch) với nguyên tắc van nào dẫn coi nhưthông mạch Nhìn chung sơ đồ này có dạng một pha tải nối với hai pha đấu songsong nhau Do vậy điện áp 1 pha trên tải sẽ chỉ có hai giá trị là U3z (Khi một

pha đấu song song với 1 trong 2 pha còn lại )hoặc 2U3z

khi một pha nối tiếpvới nhánh song song còn lại.Với giả thiết tải đối xứng :

 Nguyên tắc chuyển mạch :

Cho góc mở của mosfet là 1800 và cứ 600 tiếp theo (kể từ khi mosfet trước đóđược mở thì một mosfet khác mở) Như vậy trong cùng một thời gian có 3mosfet

6

Bảng trạng thái đóng mở của các mosfet

Xét quá trình chuyển mạch từ T5 sang T2 tương ứng với khoảng (0 o 60o) sang (

+

T 5

-T 2

T 1

Z C

T 6

C 1

T 3

H.a

T 2

T 4

Z A

T 3

T 1

T 5

H.b

T 6

C 1

Z B

T 5

Z A

T 2

+

T 4

-Z C

T 6

T 5

T 3

C 1 -

T 1

T 2

Z C

T 4 +

Z B

Z A

H.c

H.d

Z C

C 1

T 5

T 4

Z B

T 6

H.e

T 2

C 1

T 5

T 4

Z A

T 6

.

Ta tính điện áp trên từng pha tải:

2.Tính chọn các phần tử và các van bán dẫn trong bộ nghịch lưu:

Theo đề :Động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc :

dm

P P

16.19 ( ) 3*220*0.78

Vậy điện áp ngược đặt lên mỗi mosfet là : U ngmax U z=466,7(V)

Chọn hệ số quá áp là kv = 1,6 thì cần chọn mosfet chịu được điện áp ngược là :

1

) 2 )(

1 ( 1 3

E

1

) 1 ( 2 3

E

1

) 2 )(

1 ( 1 3

E

1

) 2 )(

1 ( 1 3

) 2 )(

1 (

1 ln )

2 )(

1 (

1 ln

3 1

3 1

a a

a Q

a a

Trạng thái chuyển mạch của Diot tại  =0 ,Diot D1 dẫn và dòng qua Diot cũng

là dòng qua tải ,lúc này dòng qua Điot cũng là dòng cực đại:

1

) 2 )(

1 ( 1 3 ) 0 (

a

a a R

U i

2 3

L E

C

thường lấy U c  0 1E n

 là biến thiên điện áp nguồn một chiều

Tụ C0 phải chịu được điện áp UC = UZ =446,7 V

Nếu chọn hệ số về áp để tụ hoạt động an toàn là 1,3 thì :

UC = 1,3*446,7 = 580,7 V

Vậy cần chọn tụ C có điện dung 309 F và chịu được điện áp 600V

3.Bộ biến đổi xung áp :

Để điều chỉnh điện áp cấp cho bộ nghịch lưu ta dùng bộ biến đổi xung áp mộtchiều nối tiếp

3.1.Khái quát:

Bộ biến đổi xung áp là bộ biến đổi mà điện áp nguồn được đóng cắt vàophụ tải một cách có chu kỳ do đó điện áp trên tải là những xung áp một chiềuhoặc xoay chiều phụ thuộc vào điện áp nguồn là một chiều hay xoay chiều

Để thực hiện việc đóng cắt nguồn người ta dùng các khóa điện tử công suất Ởđây ta dùng BJT công suất

Người ta phân loại bộ biến đổi xung áp thành nhiều loại khác nhau tùy thuộcvào cách mắc khóa bán dẫn ( nối tiếp hay song song ) hoặc tùy thuộc vào điện

áp ra ở đây ta dùng bộ biến đổi xung áp một chiều nối tiếp

3.2.Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi xung áp :

T dt U

T

dt U

với Z =

T

T1

Theo biểu thức trên ta có 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 trường hợp trên thì phương pháp tần số xung và xung thời gian cónhiều nhược điểm ,tần số phải thay đổi trên một phạm vi rộng lớn mới có thểcung cấp một dải điện áp đầu ra Việc thiết kế bộ lọc với tần số thay đổi gặpnhiều khó khăn Trong trường hợp điện áp ra thấp ta điều khiển theo phươngpháp này sẽ làm cho thời gian Toff lớn gây ra hiện tượng dòng điện trên tải bịgián đoạn

Việc sử dụng phương pháp độ rộng xung tránh được phần lớn nhược điểmtrên nên dùng phương pháp này điều khiển là thích hợp hơn cả

3.3.Tính chọn các phần tử trong bộ biến đổi xung áp :

t1 t2

H4.5 Dạng sóng điện áp ra

Gọi T1 là thời gian mở của BJT

T2 là thời gian khóa của BJT

U d là điện áp trước khi biến đổi

Điện áp trung bình trên tải :

d

T

d d

T

T dt U

T  1 2 1  0 002



Phạm vi điều chỉnh điện áp :Zmin = 0,2 và Zmax = 0,8

Nếu cho sụt áp trên cuộn dây của bộ biến đổi là không đáng kể ,thì điện ápcực đại sau biến đổi là:

583 4 ( )

8 0

7 466

* 6 1

Vậy chọn dòng điện cực đại qua BJT là Imax= 17.86 A Với hệ số dự trữ dòng

KI= 1,2 Vậy phải chọn được BJT chịu được dòng là:

Đồ thị biểu diễn quá trình dòng điện và điện áp sau chỉnh lưu :

Giá trị trung bình dòng điện chạy trong điôt là:

T

T T idt T

0 ) 2 1 (