công nghệ biến tần điều khiển động cơ

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BIẾN TẦN 1.1. ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1.1.1 Khái niệm chung -Động cơ không đồng bộ ba pha là máy điện xoay chiều,làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Có tốc độ của roto khác với tốc độ của từ trường quay trong máy. - Động cơ không đồng bộ ba pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vì chế tạo đơn giản, giá rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao, dải công suất rất rộng từ vài wat tới 10000 hp. Các động cơ từ 5hp trở lên hầu hết là 3 pha, còn nhỏ hơn 1hp thường là 1 pha (1hp= 0,736 kW ) 1.1.2 Cấu tạo: Cũng như các máy điện quay khác,động cơ không đồng bộ ba pha cũng gồm các bộ phận chính sau: -Phần tĩnh (stator) -Phần quay (rotor) a/Stator: Gồm có vỏ, lõi thép, dây quấn: -Vỏ máy: Làm nhiệm vụ bảo vệ mạch từ và giữ chặt lõi thép stator, vỏ có dạng trụ rỗng, có chân để cố định máy trên bệ và có hai nắp máy ở hai đầu để đỡ trục máy và bảo vệ phần đầu dây quấn. Các máy có công suất bé thì thường là vỏ bằng nhôm, còn các máy có công suất trung bình và lớn thường làm bằng gang. -Lõi thép: Làm nhiệm vụ dẫn từ và được ghép từ các lá thép kĩ thuật điện với nhau (nhằm chống dòng điện xoáy) theo một hình trụ rỗng. Mặt trong của các lá thép được dập thành các rãnh để đặt cuộn dây stator. -Dây quấn stator: Được quấn thành từng các mô bin, mà các cạnh của mô bin đó được đặt vào lõi thép stator. Các mô bin được cách điện nhau và cách điện với lõi thép. b/Rotor: Gồm có lõi thép, trục máy và dây quấn: -Lõi thép roto cũng được dập từ các lá thép kĩ thuật điện có dạng hình tròn và mặt ngoài của các lá thép đó được dập thành các rãnh để đặt cuộn dây, còn ở giữa được dập lỗ tròn để lồng trục máy. Các lá thép nói trên được ghép lại với nhau thành một trụ tròn mà ở giữa là lồng trục máy, mặt ngoài của trụ là cá rãnh để đặt dây quấn rotor. Thường các lá thép rotor được tận dụng phần bên trong các lá thép của stator. -Trục máy làm bằng thép tốt và được lồng cứng với lõi thép rotor. Trục được đỡ bởi hai ổ bi trên hai nắp máy. -Dây quấn rotor có hai loại: loại rotor kiểu lồng sóc và rotor kiểu dây quấn. +Loại rotor kiểu lồng sóc: Dây quấn rotor là các thanh dẫn bằng đồng thau hoặc nhôm được đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bằng hai vành ngắn mạch ở hai đầu. Với động cơ nhỏ dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát. Các động cơ trên 100kw thanh dẫn làm bằng đồng và được đặt vào các rãnh rotor và được gắn chặt vào vành ngắn mạch. +Loại rotor dây quấn: Cũng được quấn thành từng các mô bin như dây quấn stator và có cùng số cực từ dây quấn stator. Dây quấn kiểu này luôn đấu hình sao và có ba đầu ra đấu vào ba vành trượt gắn vào trục quay rotor và cách điện với trục. Ba chổi than cố định và luôn tỳ lên vành trượt này để dẫn điện và một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ. 1.1.3.Nguyên lý hoạt động -Khi có dòng ba pha chạy trong dây quấn stator thì trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay với tốc độ n1=60 f/p (f là tần số lưới điện, p là số cặp cực). Từ trường quay này sẽ quét lên dây quấn, nhiều pha tự ngắn mạch nên trong dây quấn stator xuất hiện dòng I2 chạy qua. Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở. Dòng điện trong dây quấn rotor tác dụng với từ thông tổng khe khí tạo ra momen quay làm quay rotor. 1.2. Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha 1.2.1) Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số f1 Xuất phát từ biểu thức ω= ω0 (1-s) = 2Πf1 (1-s) /p, ta nhận thấy khi thay đổi tần số f1 ta cũng có thể thay đổi được tốc độ động cơ không đồng bộ. Do máy điện được thiết kế để làm việc với tần số nhất định nên việc thay đổi tần số làm ảnh hưởng đến chế độ công tác của máy. Vì U1=E1 = 4,444.f1.Ktp1.W1.Ф.10-8 = KФ.f1 Nếu điện áp U1 = Const thì khi f1 tăng thì từ thông Ф giảm do đó sẽ dẫn đến hiện tượng giảm mô men trong máy. Để giữ cho mô men không đổi thì phải tăng dòngđiện. Như vậy động cơ sẽ bị quá tải về điện. Còn nếu ta giảm f1 thì từ thông Ф sẽ tăng lên, điều này làm đốt nóng lõi thép và làm cho hiện tượng bão hòa từ tăng. Như vậy khi thay đổi tần số thì đồng thời ta phải thay đổi U1 cho phù hợp nhằm giữ cho Ф là không đổi. 1.2.2) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nạp Khi thay đổi điện áp nạp cũng gây nên thay đổi đặc tính cơ Ta có:Mmax ≈ C1.U1 2 Khi U1 giảm nhỏ hơn U1dm → Mth giảm còn Sth=const Dựa vào đặc tính tới hạn Mgh(s) ta suy ra được đặc tính điều chỉnh ứng với giá trị U cho trước nhờ quan hệ Mu= Mgh.U*2 • Nhược điểm của phương pháp: - Khoảng điều chỉnh chỉ đến nth - máy có thể ngường quay nếu như giảm quá điện áp -Khi U1 giảm trong khi đó Mc , Pdt vẫn không thay đổi dẫn tới I2 tăng vì vậy nó ít được sử dụng trong thực tế. Để thực hiện việc giảm điện áp đặt vào stato người ta có thể dùng biến áp tự ngẫu, điện kháng hay điện trở phụ mắc vào mạch stato. 1.2.3) Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ mắc vào mạch roto: Phương pháp này chỉ áp dụng cho động cơ dây quấn. -Khi thay đổi điện trở thì tốc độ không tải lý tưởng không đổi, momen tới hạn không đổi còn độ cứng của đặc tính cơ thay đổi . • Ưu nhược điểm: -Ưu điểm: -Nhược điểm : +có thể điều chỉnh tốc độ láng nếu R có nhiều nấc + chỉ điều chỉ theo chiều tốc độ giảm. +Tổn hao công suất lớn +Không điều chỉnh được khi động cơ không tải. 1.3. CÔNG NGHỆ BIẾN TẦN 1.3.1 khái quát chung của biến tần. Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha. Bộ chỉnh lưu có nhiệm biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều. Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu. Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có tần số có thể thay đổi được. Điện áp một chiều được biến thành điện áp xoay chiều nhờ việc điều khiển mở hoặc khóa các van công suất theo một quy luật nhất định. Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo một luật điều khiển nào đó đưa đến các van công suất trong bộ nghịch lưu. Ngoài ra nó còn có chức năng sau: - Theo dõi sự cố lúc vận hành - Xử lý thông tin từ người sử dụng - Xác định thời gian tăng momen tốc độ - Xử lý thông tin từ các mạch thu thập dữ liệu - Kết nối với máy tính. - … Mạch kích là bộ phận tạo tín hiệu phù hợp để điều khiển trực tiếp các van công suất trong mạch nghịch lưu. Mạch cách ly có nhiệm vụ cách ly giữa mạch công suất với mạch điều khiển để bảo vệ mạch điều khiển. Màn hình hiển thị và điều khiển có nhiệm vụ hiển thị thông tin hệ thống như tần số, dòng điện, điện áp,… và để người sử dụng có thể đặt lại thông số cho hệ thống. Các mạch thu thập tín hiệu như dòng điện, điện áp nhiệt độ,… biến đổi chúng thành tín hiệu thích hợp để mạch điều khiển có thể xử lý được. Ngài ra còn có các mạch làm nhiệm vụ bảo vệ khác như bảo vệ chống quá áp hay thấp áp đầu vào… Các mạch điều khiển, thu thập tín hiệu đều cần cấp nguồn, các nguồn này thường là nguồn điện một chiều 5, 12, 15VDC yêu cầu điện áp cấp phải ổn định. Bộ nguồn có nhiệm vụ tạo ra nguồn điện thích hợp đó. - tốc, giảm tốc hay hãm - Xác định đặc tính –1.2 Hệ truyền động biến tần – động cơ không đồng bộ 1.3.2 Khái niệm chung a/ Khái niệm và công dụng :của bộ biến đổi tần số:hay còn gọi là các bộ biến tần là thiết bị biến đổi dòng xoay chiều ở tần số này thành 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 thì ngoài 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 -Biến tần quay Là máy phát điện xoay chiều, khi thay đổi điện áp kích từ, tốc độ quay máy phát thay đổi nên tần số thay đổi. -Biến tần tĩnh -Bộ biến tần trực tiếp là thiết bị biến đổi tần số vào sang tần số ra một cách trực tiếp mà không cần có sự can thiệp của một khâu trung gian nào. Bộ biến tần trực tiếp hay còn gọi là bộ biến tần phụ thuộc thường gồm các nhóm chỉnh lưu điều khiển mắc song song cho xung lần lượt 2 nhóm chỉnh lưu trên ta được dòng xoay chiều 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 có cấu trúc van rất phức tạp chỉ sử dụng cho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp vì sự thay đổi f2 khó khăn và phụ thuộc vào f1. - Bộ biến tần gián tiếp 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 của khâu chỉnh lưu là hằng. -Khâu nghịch lưu: là một bộ phận rất quan trong bộ biến tần nó biến đổi dòng một 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 chuyển thành một chiều nhờ mạch chỉnh lưu, qua một bộ lọc rồi biến trở lại điện áp xoay chiều với điện áp U2 tần số f2. Việc biến đổi năng lượng 2 lần làm giảm hiệu suất 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 thuộc vào mạch điều khiển. Có 2 loại biến tần gián tiếp đó là sử dụng nghịch lưu áp và nghịch lưu dòng. +Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng +Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp c/Điều khiển theo luật U/f +Thay đổi tần số để thay đổi tốc độ động cơ +Tuy nhiên khi tần số f thay đổi thì điện áp cũng thay đổi theo tương ứng để tránh tăng mật độ từ thông gây ra tăng dòng từ hoá 1.3.3: Chỉnh lưu a/Chỉnh lưu là sử dụng mạch điện bao gồm các linh kiện điện - điện tử, dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều gọi là mạch chỉnh lưu. Mạch chỉnh lưu có thể được sử dụng trong các bộ nguồn cung cấp dòng điện một chiều, hoặc trong các mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến điện trong các thiết bị vô tuyến. b/Phân loại: -Chỉnh lưu không điều khiển dùng điôt -Chỉnh lưu bán điều khiển dùng điôt và thyristor -Chỉnh lưu có điều khiển dùng thyristor c/ Ứng dụng • Cấp nguồn cho các thiết bị điện tử • Cấp điện cho các thiết bị điện cơ sử dụng năng lượng DC: động cơ DC, cuộn coil DC cho relay, contactor, nam châm điện DC… • Truyền động thay đổi tốc độ động cơ DC bằng chỉnh lưu có điệu khiển. • Biến đổi năng lượng AC thành DC để giảm giá thành truyền tải điện. 1.3.4: Nghịch lưu a/Nghịch lưu điện một là bộ biến đổi chiều ra xoay chiều với điện áp và tần số đầu ra có thể thay đổi cung cấp cho các tải xoay chiều: •Đầu ra tần số công nghiệp (nhỏ hơn 400 Hz) không đổi: UPS, các bộ đổi tần cho các thiết bị đặc biệt. • Đầu ra tần số công nghiệp thay đổi: điều khiển tốc độ động cơ AC • Đầu ra trung tần hay cao tần: lò nhiệt cao tần, biến áp cao tần. Các sơ đồ nghịch lưu hoạt động rất khác nhau, có thể có cùng mạch động lực nhưng điều khiển khác nhau cũng tạo thành các tính chất khác nhau b/Phân loại • Nghịch lưu song song và nối tiếp + Sử dụng SCR đóng ngắt và có tụ điện để tắt SCR. + Bao gồm nghịch lưu nối tiếp và nghịch lưu song song sơ đồ cầu và sơ đồ biến áp có điểm giữa • Nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp + Nghịch lưu nguồn dòng (1 pha & ba pha) + Nghịch lưu nguồn áp (1 pha & ba pha) c/ Ứng dụng của nghịch lưu - Biến tần công nghiệp điều khiển tốc độ động cơ - Các bộ nguồn tần số cao - Bộ nguồn xung có sử dụng nghịch lưu - Bộ nguồn xoay chiều không gián đoạn 1.3.5: Yêu cầu và các phương pháp điều khiển biến tần. a/ yêu cầu: - Đáp ứng điều kiện tải: Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khẩn cấp hoặc đảo chiều động cơ. Độ chính xác trong tốc độ, khả năng dừng chính xác, đảo chiều tốt làm tăng năng suất lao động cũng như chất lượng sản phẩm. Trong nhiều ứng dụng, công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc vào tốc độ như quạt, máy bơm Ở những tải loại này, momen cản tỷ lệ với bình phương tốc đô, công suất tỷ lệ với lập phương của tốc độ. Do đó việc điều chỉnh tốc độ, điều này phụ thuộc vào tải, có thể tiết kiệm điện năng. Tính toán cho thấy việc giảm 20% tốc độ động cơ có thể tiết kiệm được 50% công suất đầu vào. - Dễ điều khiển, vận hành. - Thỏa mãn tiêu chuẩn quốc tế. - Dễ dàng bảo dưỡng, sửa chữa đối với các máy biến tần. - Thiết kế máy biến tần nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí sản xuất. b/ Các phương pháp điều khiển +) Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Nội dung của phương pháp điều chế độ rộng xung là tạo ra một tín hiệu sin chuẩn có tần số bằng tần số ra và biên độ tỷ lệ với biên độ điện ra nghịch lưu. Tín hiệu này sẽ được so sánh với một tín hiệu răng cưa có tần số lớn hơn rất nhiều tần số của tín hiệu sin chuẩn. Giao điểm của hai tín hiệu này xác định thời điểm đóng mở van công suất. Điện áp ra có dạng xung với độ rộng thay đổi theo từng chu kỳ.Trong quá trình điều chế, người ta có thể tạo xung hai cực hoặc một cực, điều biến theo độ rộng xung đơn cực và theo độ rộng xung lưỡng cực. Trong quá trình điều chế, người ta có thể tạo xung hai cực hoặc một cực, điều biến theo độ rộng xung đơn cực và điều biến theo độ rộng xung lưỡng cực. Có hai phương pháp điều chế cơ bản là: - Điều chế theo phương pháp sin PWM (SPWM) - Điều chế vectơ không gian (SVM) Đề 5 : Thiết kế biến tần điều khiển động cơ xoay chiều ba pha dùng thyristor. Thông số:U=380 VAC;I=60 A;f=0-120 Hz, cosφ=0,78. Điều khiển theo luật U/f Chương 2: Tính chọn mạch công suất 2.1 Phương án chọn mạch công suất 2.1.1 Biến tần nguồn dòng gián tiếp [...]... chế ở mức cực đại Trong bộ biến tần nguồn áp, việc này có thể gây ra sự cố ngắn mạch làm hỏng khoá bán dẫn Do đó có thể xem biến tần nguồn dòng làm việc tin cậy hơn biến tần nguồn áp Trong trường hợp mất nguồn lưới khi đang hoạt động, bộ biến tần nguồn áp có thể hoạt động ở chế độ hãm động năng, nhưng bộ biến tần nguồn dòng không thể hoạt động ở chế độ này khi đó Bộ biến tần nguồn dòng được sử dụng... chỉnh lưu tạo ra nguồn dòng, điều này làm đáp ứng quá độ của hệ thống chậm hơn so với bộ biến tần nguồn áp Khi hoạt động với nguồn cấp là DC bộ biến tần nguồn áp nhỏ gọn và rẻ tiền hơn so với biến tần nguồn dòng thường cồng kềnh do phải sử dụng UA = cuộn kháng L lớn và các tụ chuyển mạch có giá trị cao Dải điều chỉnh biến tần nguồn dòng thấp hơn dải điều chỉnh của biến tần nguồn áp 2.2.2 Lựa chọn phương... trên ta lựa chọn bộ biến tần gián tiếp nguồn áp Với bộ biến tần loại này có 2 bộ phân riêng : mạch động lực và mạch điều khiển Hình 2.5 Mạch động lực: Bộ chỉnh lưu : có nhiệm vụ biến đổi dòng xoay chiều có tần số f1 thành dòng 1 chiều - Bộ nghịch lưu : là bộ phận rất quan trọng trong bộ biến tần, nó biến đổi dòng 1 chiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng điện xoay chiều có tần số f2 - Bộ lọc... được điều khiển mở theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1…… Trong sơ đồ đang xét, tải là động cơ điện không đồng bộ lồng sóc Giây quấn được quấn theo hình sao Các pha stator của động cơ M lệch nhau 1200 về thời gian lần lượt nhận dòng điện I d lệch nhau 1200 về thời gian để tạo ra từ trường quay mà tốc độ quay quyết định bởi mạch điều khiển cầu biến tần Động cơ điện sản sinh ra ở các pha các sức điện động. .. 5ωt + sin 7ωt +  3  5 7  2.2 Lựa chọn phương án mạch công suất phù hợp 2.2.1 So sánh hai loại biến tần Biến tần nguồn áp có ưu điểm là tạo ra dạng dòng điện và điện áp sin hơn, dải biến thiên tần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn Còn bộ gián tiếp nguồn dòng có dạng áp trên tải phụ thuộc vào các thông số của tải quy định Trong bộ biến tần nguồn dòng, khi hai khoá bán dẫn trong cùng một nhánh... nghịch lưu có dạng xung chữ nhật, điện áp ra có dạng tương đối sin nếu phụ tải là động cơ Trên sơ đồ ta thấy : sơ đồ gồm cầu chỉnh lưu điều khiển I và cầu biến tần II Trong sơ đồ biến tần mỗi thyristor được nối tiếp thêm một diot Trong mỗi nửa cầu có 3 tụ điện.Cầu chỉnh lưu thông qua điện cảm Ld cấp cho cầu biến tần dòng hằng Id Các thyristor T1 và T6 đã cắt dòng một chiều I d thành 2 khối chữ nhật,... Biến tần nguồn dòng gián tiếp Biến tần nguồn dòng dùng chỉnh lưu có điều khiển, nghịch lưu thyristor Trên sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển cùng với cuộn cảm tạo nên nguồn dòng cấp cho nghịch lưu Nghịch lưu ở đây là sơ đồ nguồn dòng song song Hệ thống tụ chuyển mạch được cách ly với tải qua hệ thống diot cách ly Dòng ra nghịch lưu có dạng xung chữ nhật, điện áp ra có dạng tương đối sin nếu phụ tải là động. .. của sóng cơ bản: I = Π 2 2.1.2 Biến tần nguồn áp gián tiếp Sơ đồ bao gồm cấu hình chỉnh lưu diot I, tụ điên C chứa năng lượng phản kháng, cầu diot II và cầu biến tần III Tải là động cơ điện 3 pha không đồng bộ kiều lồng sóc Các diot đấu song song ngược với các thyristor cho phép dòng điện tải trả được về nguồn, ở đây là tụ điện C, vì cầu chỉnh lưu I chỉ cho dòng chảy qua 1 chiều 1 Hình 2.4 Biến tần nguồn... Để lựa chọn được van ta cần tính được điện áp cực đại đặt lên van và dòng điện trung bình chảy qua van Bộ biến tần điều chỉnh theo quy luật = Const, mà dải điều chỉnh tần số của động cơ là f = 0 - 120Hz Do đó ta có = Vậy Umax = U dm f max = 120= 528 (V) f dm Điện áp cực đại trên một pha của động cơ: U f max = 528 * 2 = 746.7V Điện áp đầu vào bộ nghịch lưu: 2 3 3 Vì U f max = U z ⇒ U z = U f max = *... chọn các phần tử trong mạch nghịch lưu: Theo đề ta có: Động cơ không đồng bộ 3 pha Điện áp lưới : U = 380VAC Dòng điện : I = 60A Tần số : f = 0 ÷ 120 Hz, chọn fdm = 50 Hz Hệ số công suất : cos φ = 0.78 Chọn hiệu suất : η =0.9 Điện áp định mức : Uđm = 220 V Ta tính được : Công suất đưa vào động cơ : P1 = 3UdmIdmcosφ = 3*220*60*0.78 = 30.888 kW Công suất định mức : Pdm = ηP1 = 0.9*30.888 =27.8kW Điện . truyền động biến tần – động cơ không đồng bộ 1.3.2 Khái niệm chung a/ Khái niệm và công dụng :của bộ biến đổi tần số:hay còn gọi là các bộ biến tần là thiết bị biến đổi dòng xoay chiều ở tần số. bị đặc biệt. • Đầu ra tần số công nghiệp thay đổi: điều khiển tốc độ động cơ AC • Đầu ra trung tần hay cao tần: lò nhiệt cao tần, biến áp cao tần. Các sơ đồ nghịch lưu hoạt động rất khác nhau,. tần số ra chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển. Có 2 loại biến tần gián tiếp đó là sử dụng nghịch lưu áp và nghịch lưu dòng. +Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng +Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp c/Điều