thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều ba pha sử dụng thyristor

Lời nói đầu 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. 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 sản xuất công nghiệp, người ta 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. Đối với sinh viên tự động hóa, môn học điện tử công suất là một môn hết sức quan trọng. Để có thể nắm vững lí thuyết để áp dụng vào thực tế, học kì này em được các thầy giao cho đồ án môn học với đề tài : “Thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều ba pha sử dụng thyristor” 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! Hải Phòng, ngày 06 tháng 10 năm 2011 Sinh viên Lê Thế Bảo Chương 1: Tổng quan về công nghệ biến tần 1.1 Cấu trúc chung của biến tần: Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần như hình sau: Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản 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 tốc, giảm tốc hay hãm - Xác định đặc tính – 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. 1.2 Hệ truyền động biến tần – động cơ không đồng bộ 1.2.1 Giới thiệu chung Trong nhiều năm của thế kỷ XX, khoảng 80% các hệ thống truyền động điện không yêu cầu điều chỉnh tốc độ đều dùng động cơ xoay chiều, còn khoảng 20% truyền động điện có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ dùng động cơ một chiều. Phương án điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều mặc dù đã được phát minh và đưa vào ứng dụng khá sớm, nhưng chất lượng của nó lại khó bề sánh kịp với hệ thống truyền động điện một chiều. Mãi tận tới thập kỷ 70 của thế kỷ XX, các nước công nghiệp tiên tiến mới tập trung vào việc nghiên cứu hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều hiệu suất cao, hy vọng coi đó là con đường tiết kiệm nguồn năng lượng. Qua hơn 10 năm cố gắng nỗ lực, đến thập kỷ 80 hướng nghiên cứu ấy đã đạt được thành tựu lớn và đã được coi là bước đột phá thần kỳ trong truyền động điện xoay chiều. Từ đó tỷ lệ ứng dụng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều ngày một tăng lên. Trong các ngành công nghiệp đã có trào lưu thay thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều. Trong các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều thì phương pháp điều tốc biến tần được ứng dụng rộng rãi nhất vì nó cho phép điều chỉnh trơn với phạm vi rộng, có khả năng xây dựng được các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có chất lượng cao, có thể thay thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều và do đó có tiền đồ phát triển hơn cả. Hệ thống điều tốc biến tần động cơ không đồng bộ có phạm vi ứng dụng rộng cả về lĩnh vực và công suất, từ công suất cực nhỏ đến công suất rất lớn (hàng MW). Trong hệ thống điều tốc biến tần cho động cơ xoay chiều không đồng bộ thì bộ biến tần là khâu quan trọng quyết định đến chất lượng của hệ thống truyền động. +/ Ta tìm hiểu sơ lược về động cơ không đồng bộ : a) Khái quát 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 ) b) Cấu tạo Động cơ không đồng bộ ba pha gồm các phần chính sau: Phần tĩnh và phần quay. 2 1 1- Quạt làm mát 4 2- Hộp đấu dây 3 3-Vỏ máy 4- Stato 5 5-Chân đế lắp cố định 6 6-Roto Hình 1-2 .Động cơ không đồng bộ roto dây quấn - Phần tĩnh (stato): Gồm có vỏ,lõi thép,dây quấn. + Vỏ máy : Làm nhiệm vụ bảo vệ mạch từ và giữ chặt lõi thép stato, 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 môbin đó được đặt vào lõi thép stator. Các mô bin được cách điện nhau và cách điện với lõi thép. - Phần quay (roto) : 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 roto. Thường các lá thép roto được tận dụng phần bên trong các lá thép của stato. + Trục máy làm bằng thép tốt và được lồng cứng với lõi thép roto. Trục được đỡ bởi hai ổ bi trên hai nắp máy. + Dây quấn roto có hai loại : loại roto lồng sóc và roto 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 roto 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 bằng đồng và được đặt vào các rãnh roto và được gắn chặt vào vành ngắn mạch. ìHình 1.3 Dây quấn roto kiểu lồng sóc Loại roto dây quấn: Cũng được quấn thành từng các môbin như dây quấn stato và có cùng số cực từ dây quấn stato. Dây quấn kiểu này luôn đấu hình sao và có ba đầu ra đấu vào ba vành trượt gắn vào trục quay roto 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. c) Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba pha của động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình vẽ 1-4. Hình 1-4. Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ Trong đó U 1 : trị số hiệu dụng của điện áp ba pha stato R th , R 1 , R 2 ’ là điện trở tác dụng từ hoá , điện trở stato và điện trở rôto đã quy đổi về phía stato . X th , X 1 , X 2 ’ , là điện kháng mạch từ hoá điện kháng tản stato và điện kháng roto đã quy đổi về phía stato. I th ,I 1 , I 2 ’ là các dòng điện từ hoá , dòng điện stato, dòng điện rôto đã quy đổi về stato Với hệ số quy đổi như sau : X ’ 2 = K u 2 .X 2 ; I ’ 2 = K i I 2 ; R 2 ’ = K u 2 R 2 Trong đó : K dq1 , K dq2 : hệ số dây quấn stato và roto U 1 điện áp định mức đặt vào dây quấn stato E w : sức điện động định mức của roto Độ trượt động cơ : s = ω ωω 1 1 − Ta tính được dòng điện qua rô to : I 2 ’ = ( ) 2 ' 21 2 ' 2 1 1 XX R R U S ++         + S = 0 ⇒ I 2 ’ = 0 ( ω = ω 1 ) S = 1 ⇒ I 2 ’ = ( ) XRR U nm 22 21 1 ++ = dòng điện max (I 2 ’ max ) , ω = 0 với : X nm = X 1 +X 2 ’ : điện kháng ngắn mạch Dòng khởi động phía rôto của động cơ. Hình 1-5. Đặc tính dòng điện rôto Thông thường ta có I 2 ’ max = (4 ÷ 7)I đm . Vì thế khi khởi động động cơ cần chú ý giảm dòng mở máy phía rôto bằng cách mắc thêm điện trở phụ phía rôto. Ta có dòng điện phía stato là : Khi S = 0 → I 1 = I th (dòng phía stato bằng dòng từ hoá ) S = 1 → I 1 = ( ) 1 2 21 11 U XRR XR nm thth         ++ + + Hình 1-6 . Đặc tính dòng điện stato của động cơ không đồng bộ . - Để xây dựng phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta dựa vào điều kiện cân bằng công suất trong động cơ Ta có công suất điện từ chuyển từ stato sang roto là : P đt = M.ω 1 (1) M : Là mômen điện từ của động cơ Giả sử bỏ qua tổn thất phụ thì : M = M cơ Công suất P đt chia làm hai phần P cơ :Công suất cơ đưa ra trên trục động cơ P cơ = M cơ .ω (2) ∆P ω 2 : Công suất tổn hao đồng trong rôto : ∆P ω 2 = 3.I 2 ’2 .R 2 ’ (3) Với I 2 ’ = ( ) XRR U nm 22 21 1 ++ Ta có : P đt = P cơ + ∆P ω 2 (4) Thay (1) ,(2) ,(3) vào phương trình (4) ta có M.ω 1 = M.ω + 3. R X R R U nm S ' 2 2 2 ' 2 1 2 1 . +         + M (ω 1 - ω ) = 3. R X R R U nm S ' 2 2 2 ' 2 1 2 1 . +         + (5) [...]... Khái niệm biến tần : 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 thường... loại: - Biến tần trực tiếp - Biến tần gián tiếp b.1) Biến tần trực tiếp Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều không thông qua khâu trung gian một chiều Tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp và nhỏ hơn tần số lưới ( f 1 < flưới ) Loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng b.2) Biến tần gián tiếp +/ Khái niệm: Bộ biến tần gián tiếp là bộ biến đổi nguồn điện xoay chiều. .. chọn bộ biến tần gián tiếp nguồn áp Với bộ biến tần loại này có 2 bộ phận 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 f 1 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 : là bộ phận... ứng dụng của biến tần Với sự phát triển về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần, ngày càng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ phận đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến là bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ điện Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độ động cơ điện Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang... 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 cuộn kháng L khá lớn trong mạch 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 Dải điều chỉnh biến tần nguồn dòng thấp hơn dải điều chỉnh của biến tần nguồn... cầu của phụ tải cơ và người ta thường dùng thiết bị biến tần để điều chỉnh tốc độ động cơ 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 1.3 Yêu cầu và các phương pháp điều khiển biến tần 1.3.1 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... chỉnh động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng Ngày nay các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ điều chỉnh tần số đang ngày càng phát triển Sau đây xin trình bày phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn +/ Điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn... là động cơ Trong sơ đồ đang xét, tải là động cơ điện không đồng bộ lồng sóc Dây 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 +/ Nhận xét Sơ đồ bộ biến tần dòng ba pha. .. của bộ chỉnh lưu - Khâu nghịch lưu : Chức năng của khâu nghịch lưu là biến đổi dòng một chiều thành dòng xoay chiều có tần số có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập để đặt vào động cơ Thiết bị nghịch lưu có thể là Thyristor hoặc Transistor công suất +/ Có 2 loại biến tần gián tiếp đó là sử dụng nghịch lưu nguồn áp và nghịch lưu nguồn dòng + Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng + Bộ biến tần. .. nghịch với bình phương tần số, đồng thời phải điều chỉnh điện áp theo quy luật U/f = const để giữ cho động cơ không bị quá tải về công suất 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 1.2.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như : - Điều chỉnh bằng cách . của các bộ biến tần, ngày càng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ phận đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến là bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ điện nghệ biến tần 1.1 Cấu trúc chung của biến tần: Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần như hình sau: Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của biến tần Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha. Bộ. chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều. Trong các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều thì phương pháp điều tốc biến tần được ứng dụng rộng