Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản. Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0.96. Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ. Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp – tần số là không đổi. Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4. Điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơmquạt do bản thân mô men cũng lại là hàm bậc hai của điện áp. Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại. Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ - BÁO CÁO ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HOÁ TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP PWM Nhóm sinh viên thực : TRỊNH HỒNG NAM NGUYỄN DUY QUỲNH NGUYỄN DUY MẠNH NGUYỄN ĐÌNH THI Lớp : 59K – KTĐK & TĐH Khoá học : 2018 - 2023 Giảng viên hướng dẫn : TS MAI THẾ ANH Nghệ An, 2022 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN 1.1 KHÁI NIỆM 1.2 CÁC BỘ PHẬN CỦA BIẾN TẦN .3 1.3 Nguyên lý hoạt động biến tần .6 1.4 Những lưu ý sử dụng biến tần .7 1.5 PWM .7 1.6 Ứng dụng biến tần công nghiệp 13 CHƯƠNG 15 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA 15 2.1 Khái niệm động không đồng pha 15 2.2 Cấu tạo máy điện không đồng pha 16 2.3 Nguyên lý làm việc động không đồng pha 18 2.4 Điều chỉnh tốc độ động không đồng pha 20 2.5 Đặc tính làm việc máy điện không đồng pha 20 CHƯƠNG 21 MÔ PHỎNG TRÊN MATLAP SIMULINK 21 3.1 Sơ đồ khối điều chỉnh tốc độ động không đồng pha 21 3.2 Khối nguồn 21 3.2 Khối nguồn 24 3.3 Khối điều khiển 26 3.4 Điều chỉnh tốc độ động không đồng pha 26 KẾT LUẬN 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO 28 LỜI MỞ ĐẦU Máy điện không đồng (KĐB) loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động điện Động không đồng ngày sử dụng rộng rãi công nghiệp, nông nghiệp đời sống hàng ngày… có nhiều ưu điểm so với loại động khác Trong công nghiệp, động KĐB pha loại động chiếm tỷ lệ lớn Dải công suất động rộng từ vài trăm W đến hàng ngàn kW Đó động KĐB có ưu điểm: kết cấu đơn giản, gọn, chế tạo dễ, vận hành dễ dàng, nguồn cấp lấy từ lưới điện công nghiệp Tuy nhiên, hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dung động KĐB lại có tỷ lệ nhỏ so với động chiều Đó việc điều chỉnh tốc độ động KĐB gặp nhiều khó khăn dải điều chỉnh hẹp Chỉ có linh kiện bán dẫn công suất lớn (transistor, thyristor…) phát triển với kỹ thuật điện tử tin học hệ thống truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng động KĐB khai thác mạnh Hiện có nhiều hệ thống điều tốc động KĐB, chằng hạn như: điều tốc giảm điện áp, điều tốc ly hợp trượt điện từ, điều tốc thay đổi số đơi cực, điều tốc biến tần… Trong hệ thống điều tốc biến tần có hiệu suất cao nhất, chất lượng tốt nhất, sử dụng rộng rãi phương hướng phát triển chủ yếu điều tốc xoay chiều Trong giới hạn đồ án đề cập đến vấn đề điều chỉnh tốc độ động KĐB biến tần Được hướng dẫn tận tình của TS.Mai Thế Anh chúng em hoàn thành đồ án giao Chúng em mong góp ý thầy cô bạn sinh viên để đồ án làm tốt Chúng em xin chân thành cảm ơn Vinh, tháng 01 năm 2022 Nhóm sinh viên thực CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN 1.1 KHÁI NIỆM Biến tần thiết bị dùng để thay đổi điều chỉnh tốc độ động pha thông qua việc thay đổi tần số dòng điện xoay chiều pha Hình 1.1 Biến tần 1.2 CÁC BỘ PHẬN CỦA BIẾN TẦN 1.2.1 Chỉnh lưu Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu Nguyên lí hoạt động: Ở chu kì dương (đầu dây phía dương, phía âm): dòng điện từ cực dương (+) nguồn Vi qua diode D2, sau qua Rtai đến diode D3 đầu cực âm (-) nguồn Ở chu kì âm: điện áp cuộn thứ cấp đảo chiều (đầu dây phía âm, phía âm): dịng điện qua diode D4, sau qua Rtai, đến diode D1 đầu cực âm (-) nguồn 1.2.2 Bộ nghịch lưu Để chuyển đổi điện áp chiều thành xoay chiều Trong biến tần, IGBT điều khiển kích mở theo trình tự để tạo xung với độ rộng khác từ điện áp DC Bus trữ tụ điện 1.2.2.1 Bộ nghịch lưu pha Hình 1.3 Mạch nghịch lưu pha Khi công tắc S1 S4 bật lên, dòng điện qua theo hướng định Khi công tắc S3 S2 bật lên, dòng điện qua theo hướng ngược lại Trong trường hợp mà hoạt động công tắc lặp lại theo chu kỳ định sẵn trước hướng dịng điện thay đổi qua lại để tạo thành dòng điện xoay chiều 1.2.2.2 Mạch nghịch lưu pha Chuyển đổi nguồn chiều thành nguồn xoay chiều ba pha, Sử dụng IGBT Hình 1.4 Mạch nghịch lưu pha Trong trường hợp bạn thay đổi thứ tự sáu công tắc từ S1 đến S6 BẬT/TẮT, kết thu thay đổi U-V, V-W W-U Bằng cách này, thay đổi chiều quay động không đồng Tuy vậy, bạn cần lưu ý thực tế phận bán dẫn sử dụng để thay cho công tắc biến đổi điện áp hình minh họa viết này, thiết bị bán dẫn cho phép cơng tắc BẬT/TẮT tốc độ cao 1.2.3 Phần điều khiển Phần điều khiển kết nối với mạch ngoại vi nhận tín hiệu đưa vào IC để điều khiển biến tần theo cấu hình cài đặt người sử dụng Phần điều khiển bao gồm: - IC để xử lý thông tin điều khiển hoạt động biến tần - Ngõ vào analog: nhận tín hiệu điện áp – 20 mA hay điện áp – 10 V - Ngõ vào số: để kích cho biến tần chạy - Ngõ analog: kết nối với thiết bị ngoại vi khác để giám sát hoạt động biến tần - Ngõ số: xuất tín hiệu chạy, cảnh báo… 1.3 Nguyên lý hoạt động biến tần Nguyên lý làm việc biến tần đơn giản Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều pha hay pha chỉnh lưu lọc thành nguồn chiều phẳng Công đoạn thực chỉnh lưu cầu diode tụ điện Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi hệ biến tần có giá trị khơng phụ thuộc vào tải có giá trị 0.96 Điện áp chiều biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều pha đối xứng Công đoạn thực thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Nhờ tiến công nghệ vi xử lý công nghệ bán dẫn lực nay, tần số chuyển mạch xung lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động giảm tổn thất lõi sắt động Hệ thống điện áp xoay chiều pha đầu thay đổi giá trị biên độ tần số vô cấp tuỳ theo điều khiển Theo lý thuyết, tần số điện áp có quy luật định tuỳ theo chế độ điều khiển Đối với tải có mơ men khơng đổi, tỉ số điện áp – tần số không đổi Tuy với tải bơm quạt, quy luật lại hàm bậc Điện áp hàm bậc tần số Điều tạo đặc tính mơ men hàm bậc hai tốc độ phù hợp với yêu cầu tải bơm/quạt thân mô men lại hàm bậc hai điện áp Hiệu suất chuyển đổi nguồn biến tần cao sử dụng linh kiện bán dẫn công suất chế tạo theo công nghệ đại Nhờ vậy, lượng tiêu thụ xấp xỉ lượng yêu cầu hệ thống 1.4 Những lưu ý sử dụng biến tần - Tùy theo ứng dụng mà bạn lựa chọn biến tần cho phù hợp - Đảm bảo điều kiện môi trường lắp đặt nhiệt độ, độ ẩm, vị trí - Đọc kỹ hướng dẫn sử dụng - Nhờ chuyên gia hãng cung cấp hướng dẫn lắp đặt, cài đặt để có chế độ vận hành tối ưu cho ứng dụng bạn - Khi biến tần báo lỗi, tra cứu mã lỗi tài liệu tìm hiểu nguyên nhân gây lỗi, khắc phục lỗi khởi động lại - Chắc chắn biến tần nhiệt đới hố, phù hợp với mơi trường khí hậu Việt Nam - Mỗi biến tần có tài liệu tra cứu nhanh Bạn nên ghi chép chi tiết thông số thay đổi lỗi mà bạn quan sát vào tài liệu 1.5 PWM 1.5.1 Khái niệm PWM PWM loại tín hiệu tạo từ vi mạch kỹ thuật số vi điều khiển định thời 555 Do đó, tín hiệu tạo có nhóm xung xung dạng sóng vng Có nghĩa là, thời điểm cụ thể nào, sóng cao thấp Để dễ hiểu, xem xét tín hiệu 5V PWM, trường hợp tín hiệu PWM 5V (cao) mức mặt đất 0V (thấp) Khoảng thời gian mà tín hiệu trì mức cao gọi “đúng giờ” khoảng thời gian tín hiệu trì mức thấp gọi “thời gian tắt” Điều chế độ rộng xung (PWM) kỹ thuật điều khiển dòng điện tiện lợi cho phép bạn kiểm soát tốc độ động cơ, sản lượng nhiệt máy sưởi theo cách tiết kiệm lượng (và thường êm hơn) Các ứng dụng có cho PWM bao gồm, không giới hạn: - Bộ điều khiển quạt tản nhiệt tốc độ thay đổi - Hệ thống truyền động máy nén VRF HVAC - Mạch truyền động động xe hybrid điện - Bộ điều chỉnh độ sáng LED Điều biến độ rộng xung thay đổi giới cách cắt giảm mức tiêu thụ điện thiết bị sử dụng động máy điều hịa khơng khí biến tần, tủ lạnh biến tần, máy giặt biến tần, số nhiều thiết bị khác Ví dụ, máy điều hịa khơng khí biến tần tiêu thụ nửa lượng so với máy điều hịa khơng khí biến tần số trường hợp Trong thời đại ngày nay, thiết bị quảng cáo có máy nén tốc độ thay đổi quạt tốc độ thay đổi (điều không bao gồm hai ba tốc độ quạt), có khả đáng kể sử dụng PWM 1.5.2 Cách thức hoạt động PWM PWM hoạt động cách tạo xung dòng điện chiều thay đổi khoảng thời gian mà xung trạng thái “bật” để kiểm soát lượng dòng điện chạy đến thiết bị chẳng hạn đèn LED PWM kỹ thuật số, có nghĩa có hai trạng thái: bật tắt (tương ứng với ngữ cảnh nhị phân, trở nên phù hợp với bạn sử dụng vi điều khiển) Mỗi xung bật lâu, đèn LED sáng Do khoảng thời gian xung ngắn nên đèn LED không thực tắt Nói cách khác, nguồn điện đèn LED bật tắt nhanh (hàng nghìn lần giây) đến mức đèn LED thực sáng mà không nhấp nháy Điều gọi làm mờ PWM, mạch gọi mạch điều chỉnh độ sáng LED PWM Nếu chu kỳ làm việc nguồn PWM đặt thành 70%, xung bật 70% thời gian tắt 30% thời gian Chu kỳ nhiệm vụ đề cập đến lượng thời gian bật Ở chu kỳ hoạt động 70%, độ sáng đèn LED phải gần 70% Mối tương quan chu kỳ nhiệm vụ độ sáng tuyến tính 100%, hiệu suất đèn LED thay đổi theo lượng dòng điện cung cấp Nếu chu kỳ nhiệm vụ 0%, tồn tín hiệu phẳng Chu kỳ nhiệm vụ PWM 0% có nghĩa nguồn bị tắt Trong trạng thái vậy, đèn LED không hoạt động Lý khiến mạch PWM hiệu chúng khơng cố gắng hạn chế phần dịng điện sử dụng điện trở mà chúng bật tắt hoàn toàn dòng điện 1.5.6 Cách điều chế độ rộng xung Điều chế độ rộng xung (PWM) nói xác điều chỉnh điện áp tải gọi phương pháp điều chế dựa thay đổi độ rộng chuỗi xung vuông, dẫn đến thay đổi điện áp đầu Có cách điều chế độ rộng xung: - Kỹ thuật điều chế độ rộng xung đơn - Điều chế độ rộng xung tiêm hài bậc ba - Điều chế nhiều xung độ rộng - Điều chế độ rộng xung hình sin - Điều chế độ rộng xung dải trễ - Điều chế độ xung vector không gian 1.6 Ứng dụng biến tần công nghiệp Hình 1.7 Ứng dụng biến tần băng tải tự động 14 CHƯƠNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA 2.1 Khái niệm động không đồng pha Hình 2.1 Động khơng đồng pha Động không đồng ba pha máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ Động không đồng ba pha loại động mà làm việc có tốc độ quay roto n (tốc độ máy) khác với tốc độ quay từ trường Động không đồng ba pha so với loại động khác có cấu tạo vận hành khơng phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên sử dụng nhiều sản xuất sinh hoạt Các thông số động không đồng pha: - Công suất trục: - Điện áp dây Stato: - Dòng điện dây Stato: - Tần số dòng điện Stato: - Tốc độ quay Roto: - Hệ số công suất: 15 - Hiệu suất: 2.2 Cấu tạo máy điện khơng đồng pha Hình 2.2 Mặt cắt ngang hai bộ động khơng đồng ba pha Cấu tạo máy điện không đồng pha gồm hai phận Stato roto Ngồi cịn có vỏ máy nắp máy 2.2.1 Stato Stato phần tĩnh gồm hai phần lõi thép dây quấn, ngồi cịn có vỏ máy nắp máy a Lõi thép Hình 2.3 Lõi thép Stato có rãnh hướng trục 16 Lõi thép stato hình trụ thép kỹ thuật điện dập rãnh bên trong, ghép lại với tạo thành rãnh theo hướng trục Lõi thép ép bên vỏ máy b Dây quấn Hình 2.4 Sơ đồ triển khai dây quấn ba pha đặt 12 rãnh Dây quấn stato làm dây quấn bọc cách điện (dây điện từ) đặt rãnh lõi thép Hình sơ đồ triển khai dây quấn ba pha đặt 12 rãnh stato, dây quấn pha A rãnh 1, 4, 7, 10, pha B đặt rãnh 3, 6, 9,12, pha C đặt rãnh 2, 5, 8, 11 Dòng điện xoay chiều ba pha chạy ba dây quấn stato tạo từ trường quay 2.2.2 Roto Roto phần quay gồm lõi thép, dây quấn trục máy a Lõi thép Hình 2.5 Mặt cắt ngang lõi thép 17 Lõi thép gồm thép kỹ thuật điện dập rãnh mặt ghép lại, tạo thành rãnh theo hướng trục, có lỗ để lắp trục b Dây quấn Hình 2.6 Roto lồng sóc có cơng suất lớn Hình 2.7 Roto lồng sóc có cơng suất nhỏ Dây quấn roto có hai kiểu: roto ngắn mạch (còn gọi roto KĐB lồng sóc) roto dây quấn Động lồng sóc loại phổ biến giá thành rẻ làm việc đảm bảo Động roto dây quấn có ưu điểm mở máy điều chỉnh tốc độ song giá thành đắt vận hành tin cậy động lồng sóc, nên dùng động lồng sóc khơng đáp ứng u cầu truyền động 18 2.3 Nguyên lý làm việc động khơng đồng pha Hình 2.8 Nguyên lý làm việc động không đồng ba pha 2.3.1 Nguyên lý làm việc Khi ta cho dòng điện ba pha tần số vào ba pha dây quấn stato, tạo từ trường quay p đôi cực, quay với tốc độ Từ trường quay cắt dẫn dây quấn roto, cảm ứng sức điện động Vì dây quấn roto nối ngắn mạch, nên sức điện động cảm ứng sinh sinh dòng điện chạy dẫn roto Lực tác dụng tương hỗ từ trường qua máy với dẫn mang dòng điện roto, kéo roto quay chiều quay với từ trường với tốc độ n 2.3.2 Xác định chiều sức điện động Khi xác định chiều sức điện động cảm ứng theo quy tắc bàn tay phải, ta vào chiều chuyển động tương đối dẫn với từ trường Nếu coi từ trường đứng yên, chiều chuyển động tương đối dẫn ngược với chiều , từ áp dụng quy tắc bàn tay phải, xác định chiều suất điện động hình vẽ (dấu ⨂ chiều từ vào trang giấy) Chiều lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái, trùng với chiều quay 19