Tiểu luận: Thiết kế biến tần ba pha dùng thyristor

Thiết kế biến tần ba pha dùng thyristor GV hướng dẫn: ĐồnVănTn Lời giới thiệu Trong thời đại cơng nghiệp hóa,hiện đại hóa đất nước,ngành cơng nghiệp có vai trò quan trọng nhằm thúc đẩy phát triển kinh tế.Yêu cầu trước hết phải đưa kĩ thuật công nghệ để ứng dụng vào thực tế sản xuất.Tự động hóa ngày có vai trị quan trọng,bởi hiệu làm việc,tính an tồn tiện dụng nó.Các dây truyền sản xuất đại mang lại hiệu cao ứng dụng ngày rộng rãi.Sự đời động điện vào cuối kỷ XIX tạo tảng quan trọng cho phát triển của ngành điện sau này.Ngày nay,động điện ứng dụng rộng rãi,có vai trị khơng thể thiếu công nghiệp đời sống sinh hoạt.So với tất động điện dùng công nghiệp động không đồng dùng nhiều cả,với kiểu dáng gọn nhẹ,có thể chế tạo với nhiều công suất khác nhau,sử dụng đơn giản,giá thành rẻ dần thay loại máy điện chiều.Để đáp ứng nhu cầu sản xuất công nghiệp,người ta nghĩ thiết bị điện nhằm phục vụ cho hoạt động động chế độ làm việc khác nhau.Bộ biến tần đời giúp thay đổi tần số mạng điện cấp cho động cơ.Nhờ mà động làm việc dễ dàng làm việc mà thay đổi tần số làm việc nó.Nội dung phần thiết kế sau : Chương : Tổng quan công nghệ biến Giới thiệu động không đồng hệ thống biến tần Chương : Tính tốn thiết kế mạch cơng suất Mạch động lực, sâu vào nguyên lí làm việc hệ thống thiết bị phương pháp tính chọn mạch bảo vệ mạch Chương : Thiết kế mạch điều khiển Ứng dụng kĩ thuật xung số để điều khiển hoạt động mạch Chương : Kết luận ĐặngTiếnThành_K49_ĐTĐ49ĐH2 Thiết kế biến tần ba pha dùng thyristor GV hướng dẫn: ĐoànVănTuân Em xin chân thành cảm ơn thầy Đoàn Văn Tuân ,cùng thầy cô giáo khoa Điện- Điện tử tàu biển,những người tận tình giúp đỡ em suốt thời gian vừa qua để em hồn thành thiết kế này.Trong q trình thiết kế cịn tồn sai sót ,mong thầy giáo góp ý để thiết kế em hoàn thiện hơn.Em xin chân thành cảm ơn! ĐặngTiếnThành_K49_ĐTĐ49ĐH2 Thiết kế biến tần ba pha dùng thyristor GV hướng dẫn: ĐoànVănTuân Chương 1: Tổng quan công nghệ biến tần 1.1 Công nghệ biến tần 1.1.1 Khái niệm chung a/ Khái niệm công dụng biến đổi tần số:hay gọi biến tần thiết bị biến đổi dòng xoay chiều tần số thành dòng điện xoay chiều có tần số khác mà thay đổi Đối với biến tần dùng cho việc điều chỉnh tốc độ động xoay chiều ngồi việc thay đổi tần số cịn thay đổi điện áp khác với điện áp lưới cấp vào biến tần b/Phân loại -Biến tần quay Là máy phát điện xoay chiều, thay đổi điện áp kích từ, tốc độ quay máy phát 220/ 380V; 50 Hz thay đổi nên tần số thay đổi IKT UKT c) ĐặngTiếnThành_K49_ĐTĐ49ĐH2 Thiết kế biến tần ba pha dùng thyristor GV hướng dẫn: ĐoànVănTuân n.p .p , hay f 60 Trong đó: f tần số ®iƯn ¸p tÝnh b»ng hec Hz; n –tèc ®é quay tính theo vòng/phút; - tốc độ quay tính theo radian/giây; p số đôi cực máy điện f -Bin tn tĩnh H1.2 Bộ biến tần trực tiếp -Bộ biến tần trực tiếp thiết bị biến đổi tần số vào sang tần số cách trực tiếp mà không cần có can thiệp khâu trung gian Bộ biến tần trực tiếp hay gọi biến tần phụ thuộc thường gồm nhóm chỉnh lưu điều khiển mắc song song cho xung nhóm chỉnh lưu ta dịng xoay chiều tải Như điện áp xoay chiều U1(f1) cần qua van chuyển tải với U2(f2) Tuy nhiên loại biến tần có cấu trúc van phức tạp sử dụng cho truyền động điện có cơng suất lớn, tốc độ làm việc thấp thay đổi f2 khó khăn phụ thuộc vào f1 - Bộ biến tần gián tiếp Bộ biến tần gián tiếp có sơ đồ cấu túc tổng thể sau: ĐặngTiếnThành_K49_ĐTĐ49ĐH2 Thiết kế biến tần ba pha dùng thyristor GV hướng dẫn: ĐoànVănTuân Thiết bị biến tần gián tiếp gồm có khâu: -Khâu chỉnh lưu: biến đổi nguốn xoay chiều sang nguốn chiều -Khâu trung gian: giữ cho điện áp khâu chỉnh lưu hằng, hay dòng khâu chỉnh lưu -Khâu nghịch lưu: phận quan biến tần biến đổi dịng chiều cung cấp từ chỉnh lưu thành dịng xoay chiều có tần số f2 Từ sơ đồ cấu trúc ta thấy điện áp xoay chiều có thông số (U1,f1) chuyển thành chiều nhờ mạch chỉnh lưu, qua lọc biến trở lại điện áp xoay chiều với điện áp U2 tần số f2 Việc biến đổi lượng lần làm giảm hiệu suất biến tần song bù lại loại biến tần cho phép thay đổi dễ dàng tần sồ f2 không phụ thuộc vào f1 dải rộng f1 tần số phụ thuộc vào mạch điều khiển Có loại biến tần gián tiếp sử dụng nghịch lưu áp nghịch lưu dòng +Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng +Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp - Phạm vi ứng dụng công nghệ: Người ta thường dùng thiết bị biến tần để điều chỉnh tốc độ động điện xoay chiều: động không đồng động đồng bộ.Có nhiều kích cỡ cơng suất khác phù hợp với loại công suất động c/Điều khiển theo luật U/f +Thay đổi tần số để thay đổi tốc độ động +Tuy nhiên tần số f thay đổi điện áp cũng thay đổi theo tương ứng để tránh tăng mật độ từ thông gây tăng dịng từ hố ĐặngTiếnThành_K49_ĐTĐ49ĐH2 Thiết kế biến tần ba pha dùng thyristor GV hướng dẫn: ĐoànVănTuân 1.1.2 Chỉnh lưu a/Chỉnh lưu sử dụng mạch điện bao gồm linh kiện điện - điện tử, dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện chiều gọi mạch chỉnh lưu Mạch chỉnh lưu sử dụng nguồn cung cấp dịng điện chiều, mạch tách sóng tín hiệu vơ tuyến điện thiết bị vơ tuyến b/Phân loại: -Chỉnh lưu không điều khiển dùng điôt -Chỉnh lưu bán điều khiển dùng điôt thyristor -Chỉnh lưu có điều khiển dùng thyristor c/ Ứng dụng • Cấp nguồn cho thiết bị điện tử • Cấp điện cho thiết bị điện sử dụng lượng DC: động DC, cuộn coil DC cho relay, contactor, nam châm điện DC… • Truyền động thay đổi tốc độ động DC chỉnh lưu có điệu khiển • Biến đổi lượng AC thành DC để giảm giá thành truyền tải điện 1.1.3 Nghịch lưu a/Nghịch lưu điện biến đổi chiều xoay chiều với điện áp tần số đầu thay đổi cung cấp cho tải xoay chiều: Đầu tần số công nghiệp (nhỏ 400 Hz) không đổi: UPS, đổi tần cho thiết bị đặc biệt Đầu tần số công nghiệp thay đổi: điều khiển tốc độ động AC Đầu trung tần hay cao tần: lò nhiệt cao tần, biến áp cao tần Các sơ đồ nghịch lưu hoạt động khác nhau, có mạch động lực điều khiển khác cũng tạo thành tính chất khác b/Phân loại Nghịch lưu song song nối tiếp ĐặngTiếnThành_K49_ĐTĐ49ĐH2 Thiết kế biến tần ba pha dùng thyristor GV hướng dẫn: ĐoànVănTuân + Sử dụng SCR đóng ngắt có tụ điện để tắt SCR + Bao gồm nghịch lưu nối tiếp nghịch lưu song song sơ đồ cầu sơ đồ biến áp có điểm Nghịch lưu nguồn dịng nguồn áp + Nghịch lưu nguồn dòng (1 pha & ba pha) + Nghịch lưu nguồn áp (1 pha & ba pha) c/Ứng dụng nghịch lưu - Biến tần công nghiệp điều khiển tốc độ động - Các nguồn tần số cao - Bộ nguồn xung có sử dụng nghịch lưu - Bộ nguồn xoay chiều không gián đoạn 1.2 Động không đồng ba pha 1.2.1 Khái niệm chung -Động không đồng ba pha máy điện xoay chiều,làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ.Có tốc độ roto khác với tốc độ từ trường quay máy - Động không đồng ba pha dùng nhiều sản xuất sinh hoạt chế tạo đơn giản,giá rẻ,độ tin cậy cao,vận hành đơn giản,hiệu suất cao,dải công suất rộng từ vài wat tới 10000 hp.Các động từ 5hp trở lên hầu hết pha,còn nhỏ 1hp thường pha (1hp= 0,736 kW ) ĐặngTiếnThành_K49_ĐTĐ49ĐH2 Thiết kế biến tần ba pha dùng thyristor GV hướng dẫn: ĐoànVănTuân 1.2.2 Cấu tạo Cũng máy điện quay khác,động không đồng ba pha cũng gồm phận 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 giữ chặt lõi thép stator,vỏ có dạng trụ rỗng,có chân để cố định máy bệ có hai nắp máy hai đầu để đỡ trục máy bảo vệ phần đầu dây quấn.Các máy có cơng suất bé thường vỏ nhơm,cịn máy có cơng suất trung bình lớn thường làm gang -Lõi thép:Làm nhiệm vụ dẫn từ ghép từ thép kĩ thuật điện với nhau(nhằm chống dịng điện xốy) theo hình trụ rỗng.Mặt thép dập thành rãnh để đặt cuộn dây stator -Dây quấn stator:Được quấn thành mô bin,mà cạnh mô bin đặt vào lõi thép stator.Các mơ bin cách điện cách điện với lõi thép b/Rotor ĐặngTiếnThành_K49_ĐTĐ49ĐH2 Thiết kế biến tần ba pha dùng thyristor GV hướng dẫn: ĐồnVănTn Gồm có lõi thép,trục máy dây quấn -Lõi thép roto cũng dập từ thép kĩ thuật điện có dạng hình trịn mặt ngồi thép dập thành rãnh để đặt cuộn dây,còn dập lỗ tròn để lồng trục máy.Các thép nói ghép lại với thành trụ trịn mà lồng trục máy,mặt ngồi trụ cá rãnh để đặt dây quấn rotor.Thường thép rotor tận dụng phần bên thép stator -Trục máy làm thép tốt lồng cứng với lõi thép rotor.Trục đỡ hai ổ bi hai nắp máy -Dây quấn rotor có hai loại:loại rotor kiểu lồng sóc rotor kiểu dây quấn +Loại rotor kiểu lồng sóc:Dây quấn rotor dẫn đồng thau nhôm đặt rãnh bị ngắn mạch hai vành ngắn mạch hai đầu.Với động nhỏ dây quấn rotor đúc nguyên khối gồm dẫn,vành ngắn mạch,cánh tản hiệt cánh quạt làm mát.Các động 100kw dẫn làm đồng đặt vào rãnh rotor gắn chặt vào vành ngắn mạch +Loại rotor dây quấn:cũng quấn thành mơ bin dây quấn stator có số cực từ dây quấn stator.Dây quấn kiểu đấu hình có ba đấu đấu vào ba vành trượt gắn vào trục quay rotor cách điện với trục.Ba ĐặngTiếnThành_K49_ĐTĐ49ĐH2 Thiết kế biến tần ba pha dùng thyristor GV hướng dẫn: ĐoànVănTuân chổi than cố định tỳ lên vành trượt để dẫn điện biến trở cũng nối nằm động để khởi động điều chỉnh tốc độ 1.2.3 Ngun lý hoạt động -Khi có dịng ba pha chạy dây quấn stator khe hở khơng khí xuất từ trường quy với tốc độ n1=60f/p(f tần số lưới điện,p số cặp cực).Từ trường quay quét lên dây quấn,nhiều pha tự ngắn mạch nên dây quấn stator xuất dòng I2 chạy qua.Từ thơng dịng điện sinh hợp với từ thông stator tạo thành từ thông tổng khe hở.Dòng điện dây quấn rotor tác dụng với từ thơng tổng khe khí tạo momen quay làm quay rotor Hình1.Sơ đồ nguyên lý hoạt động động không đồng 1.2.4 Ảnh hưởng tần số lưới điện f1 cấp cho động +Thay đổi cách sử dụng biến tần dùng cho động dây quấn lồng sóc Xuất phát từ biểu thức:1 = 2 f P ta thay đổi tần số f1 làm cho tốc độ từ trường quay thay đổi  tốc độ động thay đổi theo Khi f1>f1đm ta có : ' R f  2 f L  L  P  Sth = ' 1 X1 = 1L1 ; X2’= 1L2’ +Mô men tới hạn giảm theo quy luật : 10 ĐặngTiếnThành_K49_ĐTĐ49ĐH2 Thiết kế biến tần ba pha dùng thyristor  Mth U 2 = 8 f P 2 L  L  ' GV hướng dẫn: ĐoànVănTuân f  +Thực tế f1 tăng để đảm bảo đủ Mnm cho động tốc độ làm việc động không vượt giá trị cự đại cho phép max bị hạn chế độ bền khí động +Khi f1f1đm Mth tỉ lệ nghịch với bình phương tần số H1.2 Đặc tính khithay đổi tần số lưới điệnf1 cấp cho động Khi tăng giảm tần số f1 cấp cho động chủ yếu để điều chỉnh tốc độ động trường hợp mở máy dùng có dùng dùng trường hợp nguônnf cấp cho động giảm dẫn đến tổng trở mạch giảm(vì tổng trở mạch tỉ lệ thuận theo tần số) Điện áp giữ không đổi dịng điện khởi động tăng nhanh,do giảm tần số cần giảm điện áp theo quy luật định để giữ cho momen theo chế độ với giá trị định mức Qua đồ thị đặc tính ta thấy rằng: 11 ĐặngTiếnThành_K49_ĐTĐ49ĐH2 Thiết kế biến tần ba pha dùng thyristor +Khi f1< f1đm với điều kiện U f GV hướng dẫn: ĐoànVănTuân = const Mth giữ khơng đổi +Khi f1>f1đm Mth tỉ lệ nghịch với bình phương tần số Khi tăng giảm tần số f1 cấp cho động chủ yếu để điều chỉnh tốc độ động trường hợp mở máy dùng có dùng dùng riêng 1.2.5 Phương trình đặc tính Để thành lập phương trình đặc tính ta sử dụng sơ đồ thay : Hình 1-1 Ta có dịng điện stator : Hình 1-2 Trong : Xnm = X1d + X’2d điện kháng ngắn mạch U1f trị hiệu dụng điện áp pha stator +Phương trình đặc tính động : Đường đặc tính động hình h1-2 Với 12 ĐặngTiếnThành_K49_ĐTĐ49ĐH2 Thiết kế biến tần ba pha dùng thyristor GV hướng dẫn: ĐoànVănTuân Sth hệ số trượt tới hạn cửa động 1.2.6 Ảnh hưởng thơng số đến đặc tính a) Ảnh hưởng cửa suy giảm điện áp lưới cấp cho động điện áp lưới suy giảm theo (1-4) mơmen tới hạn Mth động giảm bình phương lần biên độ suy giảm điện áp, Sth khơng đổi Hình 1-3 b) Ảnh hưởng điện trở điện kháng mạch stator Khi nối thêm điện trở điện kháng vào mạch stator theo (1-3) (1-4) Sth Mth giảm 13 ĐặngTiếnThành_K49_ĐTĐ49ĐH2 Thiết kế biến tần ba pha dùng thyristor GV hướng dẫn: ĐoànVănTuân c) Ảnh hưởng điện trở mạch rotor Hình 1-4 động khơng đồng người ta mắc thêm điện trở phụ vào mạch rotor để hạn chế dịng khởi động Sth = val Mth=const Hình 1-5 d) Ảnh hưởng tần số Xuất phát từ biểu thức ta thấy tần số thay đổi làm thay đổi tốc độ từ trường quay từ thay đổi tốc độ động Từ (1-3) (1-4) ta thấy : Nếu Xnm =  1L thay đổi tần số Sth,Mth =const 14 ĐặngTiếnThành_K49_ĐTĐ49ĐH2 Thiết kế biến tần ba pha dùng thyristor GV hướng dẫn: ĐồnVănTn Hình 1-6 e) Ảnh hưởng số đôi cực p để thay đổi cực stator người ta thường thay đổi cách đấu dây Vì thay đổi số đơi cực p tốc độ từ trường quay  thay đổi dẫn đến tốc  thay đổi theo 1.3 Máy biến áp 1.3.1 Khái niệm chung a/Khái niệm Máy biến hay máy biến áp thiết bị điện gồm hai nhiều cuộn dây, hay cuộn dây có đầu vào đầu từ trường Cấu tạo máy biến thường hay nhiều cuộn dây đồng cách điện quấn lõi sắt hay sắ từ ferit Máy biến thay đổi hiệu điện xoay chiều, tăng hạ thế, đầu cho hiệu điện tương ứng với nhu cầu sử dụng Máy biến đóng vai trị quan trọng truyền tải điện b/Phân loại 15 ĐặngTiếnThành_K49_ĐTĐ49ĐH2 Thiết kế biến tần ba pha dùng thyristor GV hướng dẫn: ĐoànVănTuân Có nhiều cách phân loại máy biến áp, theo công dụng, máy biến áp chia thành loại sau:  Máy biến áp điện lực (cịn gọi máy biến áp công suất: dùng để truyền tải phân phối công suất hệ thống điện lực  M.b.a chuyên dùng cho lò luyện kim, cho thiết bị chỉnh lưu; máy biến áp hàn điện;  M.b.a tự ngẫu biến đổi điện áp phạm vi không lớn dùng để mở máy động điện xoay chiều  M.b.a thí nghiệm dùng để thí nghiệm điện áp cao (thí nghiệm cao áp) Máy biến áp có nhiều loại, song thực chất tượng xảy chúng giống Dưới chủ yếu xét đến máy biến áp điện lực pha ba pha 1.3.2 Nguyên tắc hoạt động Máy biến hoạt động tuân theo tượng vật lí:  Dịng  Sự điện chạy qua dây dẫn tạo từ trường (từ trường) biến thiên từ thông cuộn dây tạo hiệu điện cảm ứng (cảm ứng điện) Dòng điện tạo cuộn dây sơ cấp nối với hiệu điện sơ cấp, từ trường biến thiên lõi sắt Từ trường biến thiên tạo mạch điện thứ cấp hiệu điện thứ cấp Như hiệu điện sơ cấp thay đổi hiệu điện thứ cấp thông qua từ trường Sự biến đổi điều chỉnh qua số vòng quấn lõi sắt 16 ĐặngTiếnThành_K49_ĐTĐ49ĐH2 Thiết kế biến tần ba pha dùng thyristor GV hướng dẫn: ĐoànVănTuân Khi NP, UP, IP, ΦP NS, US, IS, ΦS số vòng quấn, hiệu điện thế, dịng điện từ thơng mạch điện sơ cấp thứ cấp (primary secondary) theo Định luật Faraday ta có: Nếu ΦS = ΦP Ngồi : Như : (máy biến lí tưởng) 1.4 Giới thiệu thyristor điôt 1.4.1 Thyristor a/Thyristor phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn,ví dụ P-N-P-N, tạo ba lớp tiếp giáp P-N: J1,J2,J3 Thyristor có ba cực: anode (A), catode (K) cực điều khiển (G) biểu diễn hình vẽ b/Đặc tính Volt-Ampere thyristor gồm hai phần Phần thứ nằm góc phần tư thứ I đồ thị Descartes, ứng với trường hợp điện áp Uak > 0, 17 ĐặngTiếnThành_K49_ĐTĐ49ĐH2 Thiết kế biến tần ba pha dùng thyristor GV hướng dẫn: ĐồnVănTn phần thứ hai nằm góc phần tư thứ III, gọi đặc tính ngược, tương ứng với trường hợp Uak