Đồ Án thiết kế biến tần 3 pha Điều khiển Động cơ không Đồng bộ

Đồ án thiết kế bộ biến tần 3 pha điều khiển động cơ không đồng bộ Đồ án nêu chi tiết tổng quan nguyên lý động cơ và hướng dẫn chi tiết sinh viên thiết kế

LỜI NÓI ĐẦU



Trong những năm gần đây lĩnh vực điều khiển và truyền động điện đã phát triển mạnh mẽ.Đặc biệt với sự phát triển của khoa học kỹ thuật điện tử tin học nói riêng đã khai thác tất cảcác ưu điểm nổi bật vốn có của động cơ không đồng bộ với động cơ một chiều

Với đồ án này em đã nêu ra một khía cạnh nhỏ trong lĩnh vực điều khiển động cơ không đồngbộ roto lồng sóc

“Thiết kế bộ biến tần 3 pha để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ”

Nội dung và các chương trình mục như sau:

Chương 1: sơ lược về động cơ không đồng bộ

Chương 2: tổng quan về các hệ thống biến tần, nguyên lý làm việc của các bộ biến tần

Chương 3: mạch động lực, đi sâu vào nguyên lý làm việc của các thiết bị cũng như các phươngpháp tính toán chọn mạch và bảo vệ mạch, hệ thống điều khiển ứng dụng kỹ thuật xung số vàomạch điều khiển để điều khiển hoạt động của mạch

Chương 4: hệ thống điều khiển: ứng dụng kĩ thuật xung số vào mạch điều khiển để điều khiểnhoạt động của mạch

Tuy nhiên với trình độ có hạn không tránh khỏi những sai sót, em mong các thầy côthông cảm và đóng góp ý kiến để giúp em tiến bộ hơn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa điện –bộ môn tự động đo lường đã chỉ bảotrong thời gian làm đề tài

Đà Nẵng, Ngày Tháng Năm2004

Sinh viên thực hiện

SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ A- CẤU TẠO VÀ ĐẶC ĐIỂM

I- CẤU TẠO:

I-1: Cấu tạo phần tĩnh (stato)

Gồm vỏ máy, lỏi sắt và dây quấn

I-1.a Vỏ máy:

Thường làm bằng gang Đối với máy có công suất lớn (1000 kw), thường dùng thép tấm hàn lạithành vỏ Vỏ máy có tác dụng cố định và không dùng để dẫn từ

I-1.b Lỏi sắt:

Được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm đến 0,5 mm ghép lại

Lỏi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lỏi sắt là từ trường xoay chiều, nhằm giảm tổn hao dodòng điện xoáy gây nên, mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có phủ lớp sơn cách điện Mặt trong của lõithép có xẻ rảnh để đặt dây quấn

I-1.c Dây quấn :

Dây quấn được đặt vào các rãnh của lỏi sắt và cách điện tốt với lỏi sắt Dây quấn stato gồm có bacuộn dây đặt lệch nhau 120 o điện

I-2 Cấu tạo phần quay (roto):

I-2 a Trục :

Làm bằng thép, dùng để đở lỏi sắt roto

I-2-b Lỏi sắt :

Gồm các lá thép kỹ thuật điện giống như ở phần stato Lỏi sắt được ép trực tiếp lên trục Bên ngoàilỏi sắt có xẻ rảnh để đặt dây quấn

I-2.c Dây quấn roto:

Gồm hai loại: loại roto dây quấn và loại roto kiểu lồng sóc

* Loại roto kiểu dây quấn : dây quấn roto giống dây quấn ở stato và có số cực bằng số cựcstato Dây quấn ba pha của roto thường đấu hình sao (y) Ba đầu kia nối vào ba vòng trượt bằngđồng đặt cố định ở đầu trục Thông qua chổi than và vòng trượt, đưa điện trở phụ vào mạch rotonhằm cải thiện tính năng mở máy và điều chỉnh tốc độ

*Loại roto kiểu lồng sóc: loại dây quấn này khác với dây quấn stato Mỗi rảnh của lỏi sắt đượcđặt một thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạchđồng hoặc nhôm, làm thành một cái lồng, người ta gọi đó là lồng sóc

I-3 Khe hở:

Khe hở trong động cơ không đồng bộ rất nhỏ (0,2 mm  1mm) Do đó roto là một khối trònnên roto rất đều

II- ĐẶC ĐIỂM CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ.

- Cấu tạo đơn giản

- Đấu trực tiếp vào lưới điện xoay chiều ba pha

- Tốc độ quay của roto nhỏ hơn tốc độ từ trường quay của stato n < n1

Trong đó:

n tốc độ quay của roto

n1 tốc độ quay từ trường quay của stato (tốc độ đồng bộ của động cơ )

B- NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Khi nối dây quấn stato vào lưới điện xoay chiều ba pha, trong động cơ sẽ sinh ra một từ trườngquay Từ trường này quét qua các thanh dẫn roto, làm cảm ứng trên dây quấn roto một sức điện động

e2 sẽ sinh ra dòng điện i2 chạy trong dây quấn Chiều của sức điện động và chiều dòng điện được xácđịnh theo qui tắc bàn tay phải.

Hình.1-1 sơ đồ nguyên lý động cơ không đồng bộ

Chiều dòng điện của các thanh dẫn ở nữa phía trên roto hướng từ trong ra ngoài, còn dòng điệncủa các thanh dẫn ở nữa phía dưới roto hướng từ ngoài vào trong

Dòng điện i2 tác động tương hỗ với từ trường stato tạo ra lực điện từ trên dây dẫn roto vàmômen quay làm cho roto quay với tốc độ n theo chiều quay của từ trường

Tốc độ quay của roto n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay stato n1 Có sự chuyển độngtương đối giữa roto và từ trường quay stato duy trì được dòng điện i2 và mômen Vì tốc độ của rotokhác với tốc độ của từ trường quay stato nên gọi là động cơ không đồng bộ

Đặc trưng cho động cơ không đồng bộ ba pha là hệ số trượt:

Trong đó:

N là tốc độ quay của roto

F1 tần số dòng điện lưới

M

Khi đó công suất điện đưa vào:

Ngoài thành phần công suất điện từ còn có tổn hao trên điện trở dây quấn stato

Tổn hao sắt:

Công suất cơ ở trục là:

Công suất cơ nhỏ hơn công suất điện từ vì còn tổn hao trên dây quấn roto:

Hiệu suất của động cơ:

C- CÁC ĐẠI LƯỢNG VÀ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ.

1 Các đại lượng

1.a Hệ số trượt:

Để biểu thị mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của roto n và tốc độ của từ trường quay stato n1.

Ta có :

Hãy tính theo phần trăm:

1 1

n

n n

n n

S  1 100



cos 3

P 

2 2

M M

2 2 2

P2  ' 2    

) 9 , 0 8 , 0 (

(1-8)(1-9)

(1-10)

(1-11)

(1-12)

(1-13)

Xét về mặt lý thuyết giá trị s sẽ biến thiên từ 0 đến 1 hoặc từ 0 đến 100 o/o

Trong đó :

1.b Sức điện động của mạch roto lúc đứng yên

Trong đó:

K2 là hệ số dây quấn roto của động cơ

F20 tần số xác định ở tốc độ biến đổi của từ thông quay qua cuộn dây, vì roto đứng yênnên:

F20 bằng với tần số dòng điện đưa vào f1

1.c Khi roto quay:

Tần số trong dây quấn roto là:

Vậy f2s = s.f1

Sức điện động trên dây quấn roto lúc đó là:

Với f2s = s.f1 thế vào (1-19), ta được:

) 1 (

60

1

1 1

s n n

p

f n







m W f K

E20  4 , 44 2 20 2 

từ mạch trong thông từ của đạïi cực số trị

)

1

1 1

n

n n p n n

E2s  4 , 44 2s 2 2 

(1-14)(1-15)

(1-16)

(1-17)

(1-18)(1-19)

(1-20)

Khi tốc độ động cơ n = 0 , theo (1-26) ta có s =1.

Nếu điện áp đặt lên cuộn stato u1 = const thì biểu thức (1 –29) chính là quan hệ giữa dòng điệnroto đã qui đổi về stato i’2 với độ s hay với tốc độ n

Do đó biểu thức (1-29) chính là phương trình đặc tính tốc độ

2.b Phương trình đặc tính cơ

Biểu thức (1-35) chính là phương trình đặc tính cơ Được biểu diễn quan hệ m = f(n) như hình 1-3Giá trị s sẽ biến thiên từ -  đến +  và mômen quay sẽ có hai giá trị cực đại gọi là mômen tớihạn (mt)

Lấy đạo hàm của mômen theo hệ số trượt và cho dm/ds = 0

Ta có hệ số trượt tương ứng với mômen tới hạn mt gọi là hệ số trượt tới hạn

Do đó ta được biểu thức mômen tới hạn :

Giải các phương trình (1-35), (1-36), (1-37) và đặt :

Ta được dạng đơn giản của phương trình đặc tính cơ:

2 2 1 2 2 1

1 2

) ' ( ) ' (

'

x x S

r r

U I

2 2 1 1

2 1

' '

' 3

x x s

r r

r U M



2 2 1 2 2

2

) ' (

'

x x r

2

3

2 2 1 1

2

n th

x r r

pU M

1 2

M M

th th th

r

2 2 2

'







S S S

M M

th th

th



 2

Hình 1-3 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Nhận thấy dạng gần đúng của phương trình đặc tính cơ như sau:

Đối với động cơ roto lồng sóc, nhất là các động cơ có công suất lớn thì

R1 << xn, nên có thể bỏ qua r1 và  = 0

Ta có:

Nhận xét: từ các biểu thức (1-36) và (1-37), ta thấy đối với động cơ xác lập nếu u1 thay đổithì st = const và mt thay đổi tỉ lệ với u12 Khi thay đổi điện trở mạch roto bằng cách thêm điện trở phụ(đối với động cơ không đồng bộ roto quấn dây) thì:

Mt = const và st tỉ lệ với r’2 Khi xét đến điện trở trên mạch stato r1 thì mômen tới hạn mt sẽ có hai giá trị khác nhau và ứngvới hai trạng thái làm việc của động cơ

* s = 0 , n1 < n là trạng thái hãm tái sinh động cơ làm việc như một máy phát

* s > 0 , n1 > n trạng thái làm việc của động cơ



2 2

r S





)(

2

`3

2 2 1

U p M

x r r

3.b Aûnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato :

Khi nối thêm điện trở hoặc điện kháng vào mạch stato thì theo (1-36) và (1-37) sth và mth đều giảm

3.c Aûnh hưởng của số đôi cực p

3.d Aûnh hưởng của thay đổi tần số lưới f1 cấp cho động cơ không đồng bộ :

Theo (1-47) và (1-48) khi thay đổi f1 thì  1 cũng thay đổi và do đó  cũng thay đổi

- nếu f1 >f1đm , vì mth

2 1

1

f



nên khi mth giảm nên u1 không đổi

- nếu f1 < f1đm , với u1 không đổi thì theo (1-1) dòng i1 tăng nhanh Điều này không cho phép nên khithay đổi f1 thì phải thay đổi u1 theo 1 qui luật nào đó để động cơ không đồng bộ sinh ra được momennhư trong chế độ định mức

4 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ và các luật ;

4.a Điều chỉnh điện áp động cơ :

Momen của động cơ không đồng bộ tỉ lệ với bình phương điện áp stato nên có thể điều chỉnhđược momen và tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp trong khi giữ nguyên tần số

4.b Điều chỉnh điện trở mạch roto :

Ta có : r = rr + rf , khi tăng giá trị điện trở tổng r tức là làm tăng độ trượt tới hạn sth cònmomen tới hạn mth của động cơ không đổi

4.c Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ không đồng bộ :

Luật điều khiển tần số Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato thì có thểtính được momen tới hạn :

2

0

2 0

2 2

m th

U K

U L L

M

M M

M

Luật điều chỉnh từ thông không đổi :Từ các quan hệ về dặc tính momen có thể kết luận rằng nếu giữ từ thông máy hoặc từthông của stato s không đổi thì momen sẽ không phụ thuộc vào tần số và mth sẽ không thay đổitrong toàn bộ quá trình điều chỉnh

Luật điều chỉnh tần số không trược

2 2

) ( 1

2

3

s s

s s r

m

I

I R

4.e Phương pháp điều chỉnh biên độ (ud thay đổi unl thay đổi )

4.f Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung :

- Trong phương pháp này góc chuyển mạch được xác định bằng cách so sánh

Giữa tín hiệu hình sin mẫu e(t) với tín hiệu dựa thường dạng răng cưa u(t) Tần số tín hiệu u(t) cànglớn lớn thì điện áp ra tải càng gần hình sin hơn Ưu điểm nổi bật là vừa điều chỉnh được điện áp, vừalàm sin hoá điện áp đặt vào động cơ

- Với số lượng các xung có độ rộng thích hợp phương pháp điều chỉnh độ rộng

Xung có thể làm triệt tiêu các sóng bậc cao

- Do vậy phương pháp này rất hay sử dụng

- Với phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng biến tần thì

Không nhận điện áp từ lưới mà nhận điện áp từ nghịch lưu của biến tần

- Ta nhận thấy rằng sdd của dây quấn của stato trong động cơ không đồng bộ tỉ

Lệ với tần số đặt vào f1 và từ thông  :

 để cho động

cơ hoạt động tối ưu

- Nếu tần số f1 giảm thì từ thông  tăng, dẫn đến dòng điện từ hoá I tăng

ÂĐiều khiển biên độ

- Nếu tần số f1 tăng thì từ thông  giảm, dẫn đến dây quấn roto bị quá dòng

- Mặt khác ta có : M CI2 cos2const

Do đó việc yêu cầu thay đổi tốc độ động cơ là phải thay đổi điện áp và tần số một cách hợp lýnhất để động cơ hoạt động tối ưu

Đối với bộ biến tần nguồn áp điều khiển tốc độ động cơ ta thay đổi điện áp và tần số theo:

- Thay đổi điện áp : u1 =U d bằng các thay đổi góc điều khiển

chỉnh lưu lọc Nghịch lưu

B- PHÂN LOẠI:

Biến tần được chia làm hai loại :

1 Biến tần trực tiếp :

Còn được gọi là biến là biến tần phụ thuộc Thường gồm các nhóm chỉnh lưu điều khiển mắc song songngược cho xung lần lượt hai nhóm chỉnh lưu trên ta có thể nhận được dòng xoay chiều trên tải

Như vậy điện áp xoay chiều u1(f1) chỉ cần qua một van là chuyển ngay ra tải với u2(f2)

Tuy nhiên, đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ vanrất phức tạp chỉ sử dụng cho truyền động điện co công suấtlớn, tốc độ làm việc thấp Vì việc thay đổi tần số f2 khó khănvà phụ thuộc vào f1

2 Biến tần gián tiếp:

Bộ biến tần này còn gọi là biến tần độc lập trong biếntần này đầu tiên điện áp được chỉnh lưu thành dòng một chiều,sau đó qua bộ lọc rồi trở lại dòng xoay chiều với tần số f2 nhờbộ nghịch lưu độc lập (quá trình thay đổi f2 không phụ thuộcvào f1)

Việc biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất biến tần

Tuy nhiên việc ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kỹ thuật vi xử lý nên ta phát huy tối đa các ưuđiểm của biến tần loại này và thường sử dụng nó hơn

Do tính chất của bộ lọc nên biến tần gián tiếp lại được chia làm hai loại sử dụng nghịch lưu ápvà nghịch lưu dòng

2.a Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng:

Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn dòng, dạng của động điện trên tảiphụ thuộc vào dạng dòng điện của nguồn, còn dạng áp trên tải phụ thuộc là tuỳ thuộc vào các thôngsố của tải quy định

2.b Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp :

T1

Z tải T2

Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn áp ( nghĩa là điện trở nguồn bằng

0 ) Dạng của điện áp trên tải tuỳ thuộc vào dạng của điện áp nguồn, còn dạng của dòng điện trên tảiphụ thuộc vào thông số của mạch tải quy định

Bộ biến tần nguồn áp có ưu điểm là tạo ra dạng dòng điện và điện áp sin hơn, dãi biến thiêntần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn

Bộ biến tần nguồn áp có hai bộ phận riêng biệt, đó là bộ phận động lực và bộ phận điều khiển,

+ Phần động lực gồm có các phần sau :

- Bộ chỉnh lưu : có nhiệm vụ biến đổi dòng xoay chiều có tần số f1 thành dòng một chiều

- Bộ nghịch lưu : là bộ rất quan trọng trong bộ biến tần, nó biến đổi dòng điện một chiềuđược cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng điện xoay chiều có tần số f2

- Bộ lọc : là bộ phận không thể thiếu được trong mạch động lực cho phép thành phần mộtchiều của bộ chỉnh lưu đi qua và ngăn chặn thành phần xoay chiều Nó có tác dụng sang bằngđiện áp tải sau khi chỉnh lưu

+ Phần điều khiển:

Là bộ phận không thể thiếu được quyết định sự làm việc của mạch động lực, để đảmbảo các yêu cầu tần số, điện áp ra của bộ biến tần đều do mạch điều khiển quyết định

Bộ điều khiển nghịch lưu gồm 3 phần:

- Khâu phát xung chủ đạo : là khâu tự dao động tạo ra xung điều khiển đưa đến bộ phậnphân phối xung điều khiển đến từng tranzito Khâu này đảm nhận điều chỉnh xung một cách dễdàng, ngoài ra nó còn thể đảm nhận luôn chức năng khuếch đại xung

- Khâu phân phối xung :làm nhiệm vụ phân phối các xung điều khiển vào khâu phát xungchủ đạo

- Khâu khuếch đại trung gian: có nhiệm vụ khuếch đại xung nhận được từ bộ phận phânphối xung đưa đến đảm bảo kích thích mở van

Sơ đồ của hệ thống điều khiển như sau:

Bộ biến đổi( mạch động lực )Điều khiển

Chỉnh Lưu Lọc Nghịch lưu Tải

CHƯƠNG III

MẠCH ĐỘNG LỰC

I

II BỘ NGHỊCH LƯU:

Các van bán dẫn trong bộ nghịch lưu có thể là thyristo hoặc tranzito Nhưng phù hợp và ưu việthơn ta dùng tranzito Ưu điểm dễ thấy là bỏ được chuyển mạch cưỡng, hơn nữa các tổn hao đổi chiềunhỏ hơn Bộ nghịch lưu dùng tranzito có kích thước nhỏ và nhẹ hơn bộ nghịch lưu tương đương dùngthyristo Khuyết điểm của nó là đòi hỏi tác động liên tục vào cực gốc trong chu kỳ dẫn của tranzito,một khuyết điểm nữa là điện áp định mức thấp hơn của thyristo Tuy nhiên dùng tranzito công suất mởrộng được phạm vi và phát huy các ưu điểm hơn thyristo do cải thiện được đại lượng định mức và giáthành Vì vậy, dưới đây chủ yếu xem xét nghịch lưu điện áp sơ đồ cầu dùng van an toàn

I-1 Sơ đồ nguyên lý và quá trình chuyển mạch:

Tụ co có nhiệm vụ đảm bảo điện áp nguồn ít bị thay đổi, mặt khác nó trao đổi năng lượng phảnkháng với cuộn cảm

Phương pháp điều khiển các van tranzito thông thường nhất là điều khiển cho góc mở của vanlà   180o và  120o Ơû đây ta xét góc dẫn ới tải đấu sao như thiết kế bằng cách xác định điệnáp trên tải trong từng khoảng thời gian 60o (vì cứ 60o có một sự chuyển tạng thái mạch ) với nguyêntắc van nào dẫn coi là thông mạch Nhìn chung sơ đồ này có dạng một pha tải nối tiếp với 2 pha đấusong song nha Do vậy điện áp trên tải sẽ chỉ có giá trị là uz /3 (khi một pha đấu song song, với 1trong 2 pha còn lại) hoặc 2U z/ 3 Với giả thiết là tải đối xứng

 Nguyên tắc chuyển mạch :

Cho góc mở của mỗi tranzito là 180o và cứ 60o tiếp theo ( kể từ khi tranzito trước đó mở thìcho 1 tranzito khác mở) Như vậy trong cùng 1 thời gian co 3 tranzito mở

Za

Uv

T1Co

Bảng trạng thái quá trình mở các tranzito

Cũng lý luận tương tự ta được chuyển mạch h.b đến h e

Ta tính điện áp trên từng pha tải, trước tiên là pha a

Tương tự ta tính được các pha b, c

 Bảng chuyển trạng thái của diod:

I-3 Tính toán và chọn các phần tử trong mạch nghịch lưu :

Theo đề cho :

Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc

Công suất định mức : pdm = 1kw,

Tốc độ định mức n = 1450 (v/p)

Hệ số cos = 0.95

Điện áp lưới : 220/380 v

1000

1



dm P

) ( 77 1 95 0

* 220

* 3

1 111

cos 3

P I

I U P

dm dm

dm dm

dm dm

U

77 1

Tranzito đã chọn có mã hiệu BUX - 47 Có các thông số sau :

- V CE=850 V :Điện áp Vce cực đại khi cực badơ bị khoá bởi điện áp âm

- V CE0 =400V :Điện áp Vce khi cực badơ để hở

- V CEsat =1.5V : Điện áp Vce khi tranzito ở trạng thái bảo hoà

- I C = 9A : Dòng colectơ mà tranzito có thể chịu được

- I B= 1.2 A : Dòng badơ mà tranzito có thể chịu được

- T f = 0.8  :Thời gian cần thiết để V CE, I C tư goá trị I C giảm xuống 0

- T s = 3  s : Thời gian cần thiết để V CE từ giá trị V CEsattăng đến điện áp nguồn

- P m = 125(w) :Công suất tiêu tán cực đại bên trong tranzito

E i



3

1

) 2 )(

1 ( 1

E

1

) 2 )(

1 ( 1

) 2 )(

1 (

1 ln )

2 )(

1 (

1

1

a a

a Q

a a

36 0 1 (

36 0 1 ln

33

1 ( 1 3 ) 0 (

a

a a R

U i

36 0 1

) 36 0 2 )(

36 0 1 ( 1 9 117

* 3

7 466

* 2

Điện áp đặt ngược đặt lên mỗi Diod là:

) ( 2 311 7 466

* 3

2 3

2 3

2

V U

U

Chọn hệ số quá áp là Kv = 1.6, thì Diod chọn phải chịu được điện áp ngược là

) ( 498 2

311

* 6 1

v ng

1 1

R > 0.66 thì không cần đến tụ C

o và dòng do điện cảm tải pha này sẽ không trả về nguồn mà chạy qua pha khác (quẩn trong hệ ba pha tải )

Trường hợp tỷ số

LX

R < 0.66 ta cần đưa tụ C

o vào với hệ số là :

) 1 2 ln 2 ( 3

U R

L E