hệ thống biến tần - động cơ xoay chiều

Lời giới thiệu. Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, ngành công nghiệp có một vai trò hết sức quan trọng nhằm thúc đẩy sự phát triển nền kinh tế. Yêu cầu trước hết là phải đưa kĩ thuật công nghệ để ứng dụng vào thực tế sản xuất. Tự động hóa ngày càng có vai trò quan trọng, bởi hiệu quả làm việc, tính an toàn và tiện dụng của nó. Các dây truyền sản xuất hiện đại mang lại hiệu quả cao được ứng dụng ngày càng rộng rãi. Sự ra đời của động cơ điện vào cuối thế kỷ XIX đã tạo nền tảng quan trọng cho sự phát triển của của ngành điện sau này. Ngày nay, động cơ điện đã được ứng dụng rộng rãi, có vai trò không thể thiếu trong công nghiệp và trong đời sống sinh hoạt. So với tất cả các động cơ điện dùng trong công nghiệp động cơ không đồng bộ được dùng nhiều hơn cả, với kiểu dáng gọn nhẹ, có thể chế tạo với nhiều công suất khác nhau, sử dụng đơn giản, giá thành rẻ đã dần thay thế các loại máy điện một chiều. Để đáp ứng được nhu cầu của sản xuất công nghiệp, người ta đã nghĩ ra các thiết bị điện nhằm phục vụ cho hoạt động của động cơ ở những chế độ làm việc khác nhau. Bộ biến tần ra đời giúp thay đổi tần số của mạng điện cấp cho động cơ. Nhờ đó mà động cơ có thể làm việc dễ dàng làm việc mà không phải thay đổi tần số làm việc của nó. Nội dung các phần trong bài thiết kế như sau: Chương 1: Tổng quan về công nghệ biến Giới thiệu về động cơ Ứng dụng của kĩ thuật xung số để điều khiển hoạt động của mạch không đồng bộ và các hệ thống biến tần. Chương 2: Tính toán và thiết kế 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 1 Em xin chân thành cảm ơn thầy Đoàn Văn Tuân, cùng các thầy cô giáo khoa Điện- Điện tử tàu biển, những người đã tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian vừa qua để em có thể hoàn thành bài thiết kế này. Trong quá trình thiết kế còn tồn tại những sai sót, mong các thầy cô giáo góp ý để bài thiết kế của em hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! 2 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BIẾN TẦN 1.1. ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1.2.1 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 rotor 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 ). 1.2.2 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. 3 - 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 môbin, mà các cạnh của môbin đó được đặt vào lõi thép stator. Các môbin 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 hiệt và cánh quạt làm mát. Các động cơ trên 100kw thanh dẫn làm 4 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 đấu 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. 1.2.3 Nguyên lý hoạt động. - Khi có dòng ba pha chạy trong dây quấn stator thì trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quy với tốc độ n1=60f/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. 5 1.2.4 Ảnh hưởng của tần số lưới điện f1 cấp cho động cơ. +Thay đổi bằng cách sử dụng bộ biến tần dùng cho cả động cơ dây quấn và lồng sóc. Xuất phát từ biểu thức: ω 1 = P f 1 . 2 π . Ta thay đổi tần số f1 làm cho tốc độ từ trường quay thay đổi  tốc độ động cơ thay đổi theo. Khi f1>f1đm ta có : ↓ S th = ( ) ↑ + f LL P f R 1 ' 21 1 ' 2 1 . 2 π X 1 = ω 1 L 1 ; X 2 ’= ω 1 L 2 ’ +Mô men tới hạn sẽ giảm theo quy luật : ↓ M th = ( ) ↑ + f LL P f U 2 1 ' 21 2 2 1 1 . 2 1 2 8 π Thực tế khi f1 tăng để đảm bảo đủ Mnm cho động cơ và tốc độ làm việc của động cơ không vượt quá giá trị cự đại cho phép. + Khi f1<f1 dm tức là khi f1 giảm ta có: Khi f1 giảm ω t giảm Sth tăngMth tăngXnm giảm thì Mth giữ ở không đổi. + Khi f1>f1đm thì Mth tỉ lệ nghịch với bình phương tần số. 6 Hình1.Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ H1.2 Đặc tính cơ khi thay đổi tần số lưới điện f1 cấp cho động cơ Khi tăng giảm tần số f1 cấp cho động cơ chủ yếu để điều chỉnh tốc độ động cơ trường hợp mở máy rất ít dùng hoặc có dùng thì dùng trong trường hợp khi nguồn cấp cho động cơ giảm dẫn đến tổng trở của mạch giảm(vì tổng trở của mạch tỉ lệ thuận theo tần số). Điện áp giữ không đổi thì dòng điện khởi động tăng rất nhanh, do vậy khi giảm tần số cần giảm điện áp theo một quy luật nhất định để giữ cho momen theo chế độ với giá trị định mức. Qua đồ thị đặc tính cơ ta thấy rằng: + Khi f 1 < f 1đm với điều kiện f U 1 1 = const thì Mth giữ không đổi. + Khi f1>f1đm thì Mth tỉ lệ nghịch với bình phương tần số. Khi tăng giảm tần số f1 cấp cho động cơ chủ yếu để điều chỉnh tốc độ động cơ trường hợp mở máy rất ít dùng hoặc có dùng thì dùng riêng. 1.2.5 Phương trình đặc tính cơ. Để thành lập phương trình đặc tính cơ ta sử dụng sơ đồ thay thế : Ta có dòng điện stator Ta có dòng điện stator : : 7 Hình 1-2 Hình 1-1 Trong đó : Trong đó : X X nm nm = X = X 1d 1d + X’ + X’ 2d 2d điện kháng điện kháng ngắn mạch ngắn mạch U U 1f 1f trị hiệu dụng của điện áp pha stator trị hiệu dụng của điện áp pha stator . . +Phương trình đặc tính của động cơ : +Phương trình đặc tính của động cơ : Đường đặc tính của động cơ như hình h1-2. Với S th là hệ số trượt tới hạn cửa động cơ. 1.2.6 Ảnh hưởng các thông số đến đặc tính cơ 1.2.6 Ảnh hưởng các thông số đến đặc tính cơ . . a) Ảnh hưởng cửa sự suy giảm điện áp lưới cấp cho động cơ a) Ảnh hưởng cửa sự suy giảm điện áp lưới cấp cho động cơ . . K K hi điện áp lưới suy giảm thì theo (1-4) mômen tới hạn Mth của động cơ sẽ hi điện áp lưới suy giảm thì theo (1-4) mômen tới hạn Mth của động cơ sẽ giảm bình phương lần biên độ suy giảm của điện áp, còn Sth vẫn không đổi giảm bình phương lần biên độ suy giảm của điện áp, còn Sth vẫn không đổi . . 8 Hình 1-3 b) Ảnh hưởng của điện trở điện kháng mạch stator b) Ảnh hưởng của điện trở điện kháng mạch stator . . Khi nối thêm điện trở hoặc điện kháng vào mạch stator thì theo (1-3) và (1- Khi nối thêm điện trở hoặc điện kháng vào mạch stator thì theo (1-3) và (1- 4) cả Sth và Mth đều giảm 4) cả Sth và Mth đều giảm . . c) Ảnh hưởng của điện trở mạch rotor c) Ảnh hưởng của điện trở mạch rotor . . Đ Đ ối với động cơ không đồng bộ người ta mắc thêm điện trở phụ vào mạch ối với động cơ không đồng bộ người ta mắc thêm điện trở phụ vào mạch rotor để hạn chế dòng khởi động thì S rotor để hạn chế dòng khởi động thì S th th = val và M = val và M th th =const =const . . d) Ảnh hưởng của tần số. Xuất phát từ biểu thức trên ta thấy nếu tần số thay đổi sẽ làm thay đổi tốc độ của từ trường quay và từ thay đổi tốc độ động cơ. 9 Hình 1-4 Hình 1-5 Từ (1-3) và (1-4) ta thấy : Nếu Từ (1-3) và (1-4) ta thấy : Nếu X nm = ω 1 1 L L cho nên khi thay đổi tần số S th, M th =const Hình 1-6 e) Ảnh hưởng của số đôi cực p e) Ảnh hưởng của số đôi cực p . . Đ Đ ể thay đổi cực ở stator người ta thường thay đổi cách đấu dây vì ể thay đổi cực ở stator người ta thường thay đổi cách đấu dây vì Vì vậy khi thay đổi số đôi cực p thì tốc độ từ trường quay ω 1 thay đổi dẫn đến tốc ω thay đổi theo. 1.2. Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha. a) Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số f 1 . Xuất phát từ biểu thức ω= ω 0 (1-s) = 2Πf 1 (1-s) /p, ta nhận thấy khi thay đổi tần số f 1 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 U 1 =E 1 = 4,444.f 1 .K tp1 .W 1 .Ф.10 -8 = KФ.f 1 Nếu điện áp U 1 = Const thì khi f 1 tăng thì từ thông Ф giảm do đó sẽ dẫn đến hiện tượng giảm mômen trong máy. Để giữ cho mômen không đổi thì phải tăng dòng điện. Như vậy động cơ sẽ bị quá tải về điện. Còn nếu ta giảm f 1 thì từ thông Ф sẽ tăng lên, điều này làm đốt nóng lõi thép và làm cho hiện tượng bão hòa từ tăng. 10 [...]... anot chung(T 1-T3-T5) v nhúm catot chung (T2-T4-T6) Quỏ trỡnh chuyn mch cng bc ca T1 - Gi thit rng T1 ca nhúm anot v T2 ca nhúm catot ang dn Ngt T1 bng cỏch m T3 Cc tớnh ca cỏc t trc khi chuyn mch kớ hiu trờn t in cũn cc tớnh ca t in sau khi chuyn mch kớ hiu di t in Sau khi T 3 M (ti thi im t1) t C1 chuyn np dao ng trong mch T3-Cx71-D1-L1-DZ1-T3 cũn t C5 trong mch T3-C3-C5-D1-L1-DZ1-T3 - Vỡ nhỏnh C1... DZ4 úng vai trũ ca iụt Zero Dũng I 0 chy trong mch DZ4-L1-pha A-pha CL3-D2-T2-DZ4 Nu cm khỏng ca ti ln nng lng in t trong mch va núi trờn cú th khụng phúng trong khong w2t= iu ú cú ngha l sau 1 gúc k 3 t khi T3 dn nng lng khỏng c a v ngun vỡ khi T 2 ngt, DZ5 bt u phõn cc dn, dũng ti bõy gi chy theo mch sau: DZ 4-L1-pha A-pha C-L3-DZ525 + Ud - Ud -DZ4 ch hóm mỏy phỏt ca ng c nng lng khỏng c chuyn... ph thuc vo ti: - Kiu mỏy tin x =-1 - Kiu mỏy nõng x=0 - Ma sỏt nht x=1 - Qut giú x=2 b) iu chnh tc bng cỏch thay i in ỏp np Khi thay i in ỏp np cng gõy nờn thay i c tớnh c Ta cú: Mmax C1.U1 2 Khi U1 gim nh hn U1dm Mth gim cũn Sth=const 11 Da vo c tớnh ti hn Mgh(s) ta suy ra c c tớnh iu chnh ng vi giỏ tr U cho trc nh quan h Mu= Mgh.U*2 Nhc im ca phng phỏp: - Khong iu chnh ch n nth - Mỏy cú th ngng... lờn u vo b nghch lu: Ud = Utd 380 = = 487 (V) 6 6 + Chn cỏc thụng s ca ng c khụng ng b roto lng súc nh sau: -Cụng sut nh mc: Pdm = Utd.Idm = 380.80 = 30,4 Kw -Tn s : f1 = 0 120 Hz -Tc nh mc : ndm = 3000 vũng/phỳt -H s quỏ ti : M = 2,5 -H s khi ng : kd = 1,3 -H s cụng sut : Cos = 0,78 -Hiu sut : = 0,8 26 +Gi l gúc lch pha gia dũng in v hiu in th ca u ra X l tng cm khỏng ca ng c : Rt cos = Rt... hai cỏch: -Cỏch 1 : Dựng hai t u dõy qun stato riờng bit, mi t cú s ụi cc riờng -Cỏch 2 : Dựng mt t dõy qun stato nhng mi pha c chia lm hai on, thay i cỏch ni dõy gia 2 on ú s thay i c s ụi cc Thụng thng nhng ng c cú t 3 cp tc tr lờn u cú 2 hoc nhiu t dõy qun stato Mi t li cú th phõn on thay i s ụi cc theo cỏch hn hp Trờn thc t ngi ta gii quyt nh sau: -i ni tam giỏc-sao kộp: YY - i ni sao -sao kộp:... 1 2 Mc.cp=Mc.cpYY u khuyt im: - u im : phm vi iu chnh rng, khụng cng knh - Khuyt im : iu chnh l nhy bc vỡ p l s nguyờn e) iu chnh bng cỏch thay i in tr ph mc vo mch roto: -Phng phỏp ny ch ỏp dng cho ng c dõy qun -Khi thay i in tr thỡ tc khụng ti lý tng khụng i, momen ti hn khụng i cũn cng ca c tớnh c thay i u nhc im: -u im: cú th iu chnh tc lỏng nu R cú nhiu nc -Nhc im: +Ch iu ch n.p .p , hay... dũng xoay chiu trờn ti Nh vy in ỏp xoay chiu U 1(f1) ch cn qua 1 van l chuyn ngay ra ti vi U2(f2) Tuy nhiờn õy l loi bin tn cú cu trỳc van rt phc tp ch s dng cho truyn ng in cú cụng sut ln, tc lm vic thp vỡ s thay i f 2 khú khn v ph thuc vo f1 - B bin tn giỏn tip B bin tn giỏn tip cú s cu tỳc tng th nh sau: Thit b bin tn giỏn tip gm cú 3 khõu: -Khõu chnh lu: bin i ngun xoay chiu sang ngun mt chiu -Khõu... ( 0,8 + 1 ) = 32,43 (A) 2. Giỏ tr t in cc i : 27 Cmax= 1,3 Lt = 1,3 Rt 2,62 10 2,19 -3 = 1.56.10 -3 F Chn cỏc phn t cho mch nghch lu ỏp ba pha: - Chn iụt mó hiu B-10 do Liờn Xụ c ch to (Da theo bng 1.1 sỏch TCS ca Nguyn Bớnh) Cú cỏc thụng s nh sau : Itb = 10 A Um = 100 ữ 1000 V U = 0,7 V - Chn thyristor mó hiu T-50 do Liờn Xụ c ch to (Da theo bng 1.1 sỏch TCS ca Nguyn Bớnh) Cú cỏc thụng s nh sau :... lu a/Chnh lu l s dng mch in bao gm cỏc linh kin in - in t, dựng bin i dũng in xoay chiu thnh dũng in mt chiu gi l mch chnh lu Mch chnh lu cú th c s dng trong cỏc b ngun cung cp dũng in mt chiu, hoc trong cỏc mch tỏch súng tớn hiu vụ tuyn in trong cỏc thit b vụ tuyn b/Phõn loi: -Chnh lu khụng iu khin dựng iụt -Chnh lu bỏn iu khin dựng iụt v thyristor -Chnh lu cú iu khin dựng thyristor 16 c/ ng dng Cõp... iờm gia Nghich lu nguụn dong va nguụn ap + Nghich lu nguụn dũng (1 pha & ba pha) + Nghich lu nguụn ap (1 pha & ba pha) 17 c/ng dng ca nghch lu - Biờn tõn cụng nghiờp iờu khiờn tục ụ ụng c - Cac bụ nguụn tõn sụ cao - Bụ nguụn xung co s dung nghich lu - Bụ nguụn xoay chiờu khụng gian oan CHNG II: TNH TON THIT K MCH CễNG SUT CHO B BIN TN BA PHA 2.1 CC PHNG PHP LA CHN MCH CễNG SUT 2.1.1 B bin tn trc tip . khi động cơ không tải. 1.3. CÔNG NGHỆ BIẾN TẦN 1.1.1 Khái niệm chung. 13 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. thiết bị biến tần để điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều: động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộ. Có nhiều kích cỡ công suất khác nhau phù hợp với từng loại công suất động cơ. c/Điều. bình phương tần số. 6 Hình1.Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ H1.2 Đặc tính cơ khi thay đổi tần số lưới điện f1 cấp cho động cơ Khi tăng giảm tần số f1 cấp cho động cơ chủ yếu