ĐÁNH GIÁ Điểm từng tiêu chí và điểm cuối cùng làm tròn đến 0,5 điểm L1.1 Vận dụng được các kiến thức về thiết kế mạch lực, mạch điều khiển bộ biến đổi công suất, hệ truyền động điện ứng
Tìm hiểu về bộ biến tần và hệ truyền động biến tần động cơ
Khái quát chung về biến tần
1.1 Khái niệm, phân loại, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và chức năng của biến tần
1.2 Khái niệm về biến tần
Biến tần là một loại thiết bị tự động hóa dùng để biến đổi nguồn điện áp với các thông số như điện áp, tần số không đổi thành nguồn điện có điện áp với tần số có thể thay đổi được.
1.3.1 Biến tần 3 pha trực tiếp
Bộ biến tần trực tiếp là thiết bị biến đổi tần số vào sang tần số ra một cách trực tiếp mà không cần có sự can thiệp của một khâu trung gian nào Điện áp xoay chiều U 1(f 1 ) chỉ cần qua 1 van rồi chuyển ngay qua tải với giá trị U 2(f 2 ).
1.3.2 Biến tần 3 pha gián tiếp
Cấu tạo của biến tần gián tiếp gồm 3 khâu chính: Khâu chỉnh lưu, khâu lọc và khâu nghịch lưu.
+ Khâu chỉnh lưu: có chức năng biến đổi điện xoay chiều từ lưới điện với các thông số không đổi thành nguồn điện một chiều Ud bằng cách sử dụng điôt (không điều khiển) hoặc thyristor (điều khiển được).
+ Khâu lọc: có tác dụng làm giảm sự đập mạch của điện áp Ud và dòng điện Id sau chỉnh lưu Nếu dùng nghịch lưu nguồn áp thì khâu lọc có tụ lớn (để giữ điện áp
Ud=const), còn nếu dùng nghịch lưu nguồn dòng thì khâu lọc có cuộn cảm L lớn để giữ Id=const.
+ Khâu nghịch lưu: Có nhiệm vụ biến đổi điện một chiều thành điện xoay xoay chiều ba pha có tần số thay đổi được theo yêu cầu để cấp cho stator của động cơ Trong nhiều trường hợp, khâu nghịch lưu thực hiện cả việc thay đổi điện áp ra U1, mà không cần nhờ đến khâu chỉnh lưu (khi đó dùng chỉnh lưu không điều khiển) Tùy theo sự thuận tiện thực hiện luật điều khiển động cơ, ta có thể dùng nghịch lưu nguồn áp hoặc nghịch lưu nguồn dòng.
1.4 Nguyên lý hoạt động của biến tần Đầu tiên nguồn điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha với các thông số không đổi sẽ được đưa vào bộ chỉnh lưu được biến đổi thành nguồn điện 1 chiều và sau đó sẽ được san bằng bởi tụ điện Tụ điện sẽ lưu trữ điện năng của biến tần.
Sau đó điện áp 1 chiều trong tụ sẽ được nghịch lưu thành nguồn điện xoay chiều 3 pha đối xứng Công đoạn này được thực hiện thông qua quá trình tự kích hoạt thích hợp, bộ biến đổi IGBT (viết tắt của tranzito lưỡng cực có cổng cách điện hoạt động giống như một công tắc bật và tắt cực nhanh để tạo dạng sóng đầu ra của biến tần) sẽ tạo ra một điện áp xoay chiều 3 pha bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM.
1.5 Chức năng của biến tần
+ Dễ dàng thay đổi tốc độ động cơ bằng cách tăng hoặc giảm tần số dòng điện.
+ Đảo chiều quay động cơ.
+ Giảm dòng khởi động so với phương pháp khởi động trực tiếp như khởi động sao- tam giác nên không gây ra sụt áp.
+ Quá trình khởi động thông qua biến tần từ tốc độ thấp giúp động cơ mang tải lớn không phải khởi động đột ngột, tránh hư hỏng phần cơ khí, ổ trục.
+ Tiết kiệm năng lượng so với phương pháp khởi động trực tiếp.
Hệ truyền động biến tần - động cơ
2.1 Khái quát về động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha
2.1.1 Định nghĩa Động cơ không đồng bộ là động cơ xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của rotor khác với tốc độ quay của từ trường quay.
2.1.2 Cấu tạo Động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha gồm 2 phần chính: Phần tĩnh (Stator) và phần quay (Rotor).
2.1.2.1 Phần tĩnh (Stator) a, Lõi thép
+ Được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 ÷ 0,5 mm, bên trong xẻ rãnh để đặt dây quấn
+ Bề mặt lõi thép có phủ sơn cách điện để giảm tổn hao do dòng điện xoáy. b, Dây quấn
+ Là phần dẫn điện, được làm bằng đồng có bọc cách điện.
+ Dây quấn stator của máy điện không đồng bộ ba pha gồm ba dây quấn (A-X; B-Y; C-Z) đặt lệch nhau trong không gian 120˚. c, Vỏ máy
+ Được dùng để cố định lõi thép stator và dây quấn.
+ Vỏ máy thường làm bằng gang hay thép tấm hàn lại Ngoài ra, trên vỏ máy còn có gân tản nhiệt để làm mát.
2.1.2.2 Phần quay (Rotor) a, Lõi thép Được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện, mặt ngoài xẻ rãnh, ở giữa có lỗ để lắp trục b, Dây quấn
Dây quấn rotor được chia thành hai loại: Rotor dây quấn và rotor lồng sóc.
+ Dây quấn được đặt trong rãnh lõi thép rotor.
+ Đối với máy điện ba pha: Dây quấn rotor thường đấu sao, ba đầu còn lại được nối với hệ thống vành trượt, chổi than.
+ Thông qua hệ thống vành trượt, chổi than có thể ghép thêm điện trở phụ hay đưa sức điện động phụ vào mạch rotor để cải thiện đặc tính làm việc của động cơ: mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cosφ.
+ Trong rãnh của lõi thép rotor đặt các thanh dẫn đồng hoặc bằng nhôm.
+ Các thanh dẫn được nối ngắn mạch hoặc bằng hai vòng ngắn mạch.
+ Trong máy điện cỡ nhỏ, rãnh rotor thường làm nghiêng đi một góc so với tâm trục.
2.1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ
+ Khi có dòng điện ba pha chạy trong dây quấn stator thì trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay.
PHẦN 2 + Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rotor, cảm ứng sinh ra các sức điện động Dây quấn rotor nối ngắn mạch, nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra các dòng trong các thanh dẫn rotor.
+ Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện sẽ kéo rotor quay cùng chiều với từ trường với tốc độ n.
2.2 Hệ truyền động biến tần – động cơ không động bộ xoay chiều 3 pha
Hệ truyền động điện là một tập hợp các thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết bị điện tử, phục vụ cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho cơ cấu chấp hành trên các máy sản xuất và đồng thời điều khiển quá trình biến đổi năng lượng đó.
Trong truyền động điện có điều chỉnh, tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ mà ta có truyền động điều chỉnh tốc độ, truyền động điều chỉnh momen, lực kéo và truyền động điều chỉnh vị trí Trong cấu trúc hệ truyền động có điều chỉnh có thể là truyền động nhiều động cơ Ngoài ra, tùy thuộc vào cấu trúc và tín hiệu điều khiển ta có hệ truyền động điều khiển số, điều khiển tương tự hoặc truyền động điều khiển theo chương trình.
Trong đề tài này, chúng em sẽ tìm hiểu về hệ truyền động biến tần – động cơ Hệ biến tần – động cơ không đồng bộ có được sự hoàn thiện về lý thuyết cũng như thực tiễn như ngày nay một phần lớn nhờ sự phát triển mạnh của kỹ thuật điện tử công suất và kỹ thuật tính toán Nhờ đó người ta tạo ra được các bộ nguồn biến tần với tần số f1 biến đổi tùy ý và điện áp ra U1 hoặc dòng I1 thay đổi theo các quy luật yêu cầu Khối điều khiển có khả năng tính toán, chuyển đổi từ hệ phương trình này sang phương trình khác để xử lý tín hiệu đặt Ud và các tín hiệu phản hồi Uph1, Uph2… thành hai tín hiệu cơ bản để điều khiển tần số Udf và điều khiển duy trì từ thông động cơ UdΦ Sơ đồ khái quát như hình vẽ cho ta thấy đa phần hệ BT-Đ là hệ tự động vòng kín, chỉ một số ít có luật điều khiển đơn giản đặt trước là hệ điều khiển vòng hở.
2.2.2 Các luật điều khiển tần số Đặc điểm làm việc của động cơ không đồng bộ là khi nối nó vào nguồn điện áp Uđm và tần số fđm thì từ thông là định mức Φđm và mạch từ ở trạng thái bắt đầu bão hòa Như vậy mạch từ đã phát huy hết công suất, và động cơ làm việc ở chế độ tối ưu Sức điện động của cuộn dây stator E1 tỷ lệ với từ thông Φ1 và tần số f1 theo biểu thức: Ė1 = Kϕ ´f1 = U ´ 1 - İ1 Z1 (*)
Khi điều khiển động cơ bằng cách thay đổi tần số f1 thì từ thông có thể bị thay đổi và động cơ không đảm bảo được chế độ tối ưu nói trên Vì vậy người ta đặt ra vấn đề tìm kiếm các luật điều khiển sao cho khi f1 thay đổi, từ thông động cơ vẫn giữ được giá trị Φ=Φđm Nó có thể là từ thông của stator Φ1 hoặc từ thông của rotor Φ2 hoặc từ thông tổng của mạch từ hóa Φμ Có một số luật điều khiển sau:
Từ (*) nếu bỏ qua sự sụt áp trên tổng trở stator Z1, ta có E1 ≈ U1, do đó: Φ1=K U f 1
Như vậy để giữ Φ1=Φđm=const, khi điều chỉnh f1, ta phải thay đổi U1 một cách tỷ lệ:
Luật (**) rất đơn giản, có thể thực hiện vòng hở, bằng cách lấy tín hiệu đặt tần số
Uđf làm chủ đạo, suy ra tín hiệu đặt điện áp Uđu qua khâu tỷ lệ để cùng điều chỉnh tần số và điện áp ra của bộ biến tần như trên sơ đồ sau
Luật hệ số quá tải không đổi (λ = M th /M c = const)
- Luật U/f = const nêu trên với Mth=const khi điều chỉnh tốc độ chỉ thích hợp nhất với phụ tải có Mc = const Nếu căn cứ vào điều kiện về sự phù hợp giữa momen cho phép của động cơ và momen cản, thì quy luật λ = const sẽ ưu việt hơn Từ quan hệ:
Do đó: U U 1 đm = f f 1 đm √ M M c dm c hoặc U 1 ¿ = f 1 ¿ √ M c ¿
Trong đó: Mc = f ( ω ) – phụ thuộc vào tốc độ theo đặc tính cơ của phụ tải.
Luật dòng điện tải không đổi (I 0 = const): Nếu coi dòng điện tải xấp xỉ dòng từ hóa (I0 = Iμ ), thì giữ nó không đổi khi thay đổi tần số cũng có nghĩa duy trì từ thông tổng Φμ = const Luật điều khiển này cho phép tạo ra những đặc tính cơ gần như thẳng và có momen tới hạn lớn, nhưng việc lấy tín hiệu điều khiển tỷ lệ với I0 hoặc I μ (vốn là một thành phần trong dòng điện stator I1) là rất khó khăn.
Luật điều khiển dòng stator theo hàm của độ sụt tốc (I 1 = f ( Δ ω ))
- Trong quá trình biến đổi và tính toán các quan hệ điện từ của động cơ không đồng bộ, người ta đã tìm ra quan hệ sau:
Trong đó: ϕ 2 – từ thông của rotor;
L12 – hệ số hỗ cảm giữa cuộn dây stator và cuộn dây rotor;
T2 = L2/R2 – hằng số thời gian của mạch rotor; Δ ω = ω 1 - ω là độ sụt tốc hoặc tốc độ trượt của rotor.
- Biểu thức trên cho thấy rằng, nếu giữ ϕ 2 = ϕ 2 đm = const thì I1 phụ thuộc vào Δ ωtheo quan hệ như trên hình vẽ.
- Từ các luật điều khiển đã nêu, ta nhận xét rằng, việc điều khiển động cơ sẽ là chính xác nhất nếu ta có được những thông tin về giá trị tức thời và vị trí không gian của từ thông rotor ϕ 2, rồi điều khiển để giữ véc tơ ϕ 2 = ϕ 2 đm const Đó chính là ý tưởng của luật điều khiển vectơ;
- Ngày nay, lý thuyết “máy điện tổng quát” kết hợp với các thiết bị tính toán điều khiển cho phép ta thực hiện được ý tưởng đó Trước hết, lấy tín hiệu về giá trị tức thời của 3 dòng điện 3 pha và từ thông trong khe hở không khí (hoặc thành phần dòng điện tỉ lệ với nó), thực hiện biến đổi chúng về các đại lượng tương ứng của máy điện hai pha đẳng trị, sau đó tiến hành biến đổi tọa độ hai pha (phép chuyển vị) mang các thành phần của các đại lượng trên về các trục định hướng theo từ trường (quay với tốc độ ω 0) Các thành phần dòng điện trên trục này sẽ được lưu lại để so sánh với các giá trị đặt của chúng Nhờ đó ta nhận được các tín hiệu điều khiển từ thông và mômen trong hệ trục hai pha Cuối cùng ta nhận được tín hiệu biến đổi ngược lại từ hệ trục hai pha về ba pha và sẽ nhận được các tín hiệu thực để điều khiển bộ biến tần ba pha.
Thiết kế mạch động lực và tính chọn thiết bị cho mạch động lực
Lựa chọn biến tần
1.1 Biến tần 3 pha trực tiếp a, Ưu điểm:
+ Biến đồi trực tiếp điện lưới điện u1 có tần số cố định f1 thành một điện áp u2 có tần số f2 với biên độ có thể thay đổi được.
+Cho phép hãm tái sinh năng lượng mà không cần có mạch điện phụ.
+Có thể xây dựng với công suất lớn. b, Nhược điểm:
+Sơ đồ mạch van phức tạp, số lượng van lớn.
+Thay đổi tần số f2 khó khăn và phụ thuộc vào f1.
+Chỉ thực hiện trong giới hạn f2 ≤ f1.
+ Khó điều khiển ở tần số cận không vì khi đó tổn hao sóng hài trong động cơ khá lớn. + Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển không cao.
+ Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin.
1.2 Biến tần 3 pha gián tiếp a, Ưu điểm:
+Thay đổi tần số f2 dễ dàng không phụ thuộc vào f1.
+Thực hiện được trong dải rộng cả trên và dưới f1.
+ Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển khá cao.
+ Sóng điện áp đầu ra gần với hình sin. b, Nhược điểm:
+Việc biến đổi năng lượng hai lần làm giảm hiệu suất biến tần.
Dựa trên những ưu nhược điểm của 2 bộ biến tần, chúng em quyết định chọn biến tần 3 pha gián tiếp.
Tính chọn thiết bị cho mạch lực
3.1.1 Nguyên lý hoạt động Để tạo ra điện áp xoay chiều 3 pha có cùng biên độ nhưng lệch pha nhau một góc 120 ° , các van được điều khiển theo thứ tự như được kí hiệu như trên sơ đồ nguyên lý, mỗi van sẽ vào dẫn cách nhau 60 ° như trong bảng sau:
Xét quá trình chuyển mạch từ V5 sang V2 tương ứng khoảng từ (0° ÷60°) sang
(6 0° ÷120°): trong khoảng (0° ÷60°) V1, V5, V6 dẫn Chiều dòng điện được xác định theo chiều mũi tên, đến thời điểm 60 ° thì đảo trạng thái từ V5 sang V2 Do tải Zc mang tính cảm nên dòng điện không đảo ngay lập tức mà năng lượng tích luỹ trong Zc duy trì theo chiều cũ một thời gian Lúc đó buộc dòng điện phải thoát qua diode D2. Qua tải về âm nguồn đến lúc dòng điện đổi chiều thì D2 khoá Kết thúc quá trình chuyển mạch.
Ta lập được sơ đồ tương đương mạch với các góc mở van từ 0 ° ÷360 ° :
Ta tính điện áp trên pha a:
Tương tự với pha b và pha c.
Dựa vào kết quả tính toán, ta lập được biểu đồ dạng sóng mạch nghịch lưu:
3.1.2 Tính toán và chọn các phần tử cho mạch nghịch lưu:
- Công suất định mức: P đm =6,2Kw ;
- Tần số định mức: f đm PHz ;
- Tốc độ quay: n đm 20 V ph;
- Hệ số cos phi: cos đm =0,8;
- Điện áp ngược lớn nhất mà van IGBT phải chịu:
Trong đó: K nv = √ 6 ; K u = 3 √ 6 π Điện áp ngược của van cần chọn:
Trong đó: K đtU là hệ số dự trữ điện áp, chọn K đtU = 1,8.
- Dòng làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng:
I lv = I hd = K hd I đm = I đm
Trong đó hệ số dòng hiệu dụng: K hd = 1
Với các thông số làm việc của van ở trên, chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tỏa nhiệt với đầy đủ diện tích tỏa nhiệt, ở đây chọn I lv = 25% I đmv
Dòng điện định mức van cần chọn:
Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha trên được cấu tạo từ 6 diode: V1, V3, V5 mắc catot chung; V4, V6, V2 mắc anot chung Thứ tự đánh dấu các van trên sơ đồ có ý nghĩa quan trọng vì nó phù hợp với thứ tự làm việc của các van sau mỗi 60° để tạo ra dòng 1 chiều Ud Thứ tự dẫn của các van được thể hiện trong bảng: θ Pha dương nhất Pha âm nhất Van dẫn U d
- Điện áp ngược lớn nhất mà diode phải chịu:
Trong đó: K nv = √ 6 ; K u = 3 √ 6 π Điện áp ngược của van cần chọn:
Trong đó: K đtU là hệ số dự trữ điện áp, chọn K đtU = 1,8.
- Dòng làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng:
I lv = I hd = K hd I đm = I đm
Trong đó hệ số dòng hiệu dụng: K hd = 1
Với các thông số làm việc của van ở trên, chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tỏa nhiệt với đầy đủ diện tích tỏa nhiệt, ở đây chọn I lv = 25% I đmv
Dòng điện định mức van cần chọn:
- Sử dụng tụ điện có giá trị điện dung: C = 2 10 −3 F
- Sử dụng cuộn cảm có giá trị: L = 2 10 −3 H
Thiết kế mạch điều khiển điện tử công suất và tính chọn thiết bị cho mạch điện tử công suất 21 1 Tổng quan phương pháp điều rộng xung SinPWM
Đánh giá phương pháp SinPWM
- Tiêu thụ điện năng ít
- Công suất xử lý năng lượng cao
- Biên độ và tần số có thể được kiểm soát độc lập
- Giảm đáng kể THD của dòng tải
- Băng thông phải lớn để sử dụng trong giao tiếp
- Suy hao chuyển mạch cao do tần số PWM cao
- Công suất tức thời của máy phát thay đổi
Tính toán điện áp đầu ra
Đối với phương pháp SinPWM, tại mỗi thời điểm mà một trong hai khoá trên cùng một nhánh ở trạng thái ON thì biểu thức điện áp giữa mỗi pha và điểm trung tính ảo (O) có dạng như sau:
2 ∗(m∗sin( θ + 43 π ) ) Điện áp giữa 2 pha được tính toán như sau:
Từ công thức trên ta thấy giá trị điện áp lớn nhất giữa hai pha đạt được trong vùng tuyến tính khi m = 1:
2 ∗V DC Vậy đối với phương pháp SinPWM, điện áp do bộ chỉnh lưu cung cấp chỉ được sử dụng tối đa là 86,67% trong vùng điểu khiển tuyến tính.
Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ cho toàn hệ truyền động điện
Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ
Ta có từ phương trình momen của động cơ: M 3U 1 2 R´ 2 s ω 1 [ ( R 1 + R ´ s 2 ) + X 2 nm ] ta có thể dựa vào đó để điều khiển moomen bằng cách thay đổi các thông số như điện trở phụ, tốc độ trượt, và tần số nguồn cấp.
Điều khiển điện áp stator
Do momen động cơ không đồng bộ tỷ lệ bình phương điện áp stato, do đó có thể điều chỉnh được momen và tốc độ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện áp stato trong khi giử nguyên tần số Đây là phương pháp đơn giản nhất Chỉ sử dụng một bộ biến đổi điện năng (biến áp, triristor) để điều chỉnh điện áp đặt vào các cuộn stator Phương pháp này kinh tế nhưng đặc tính cơ thu được không tốt, thích hợp với phụ tải máy bơm, quạt gió.
Điều khiển điện trở roto
Sử dụng trong cơ cấu dịch chuyển cầu trục, quạt gió, bơm nước; bằng việc điều khiển tiếp điểm hoặc trisistor làm ngắn mạch/hở mạch điện trở phụ của roto ta điều khiển được tốc độ động cơ, phương pháp này có ưu điểm mạch điện an toàn, giá thành rẻ Nhược điểm: đặc tính điều chỉnh không tốt, hiệu suất thấp, vùng điều chỉnh không rộng.
Điều chỉnh công suất trượt
Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách làm mềm đặc tính và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt Δ ps= δ pđt được tiêu tán trên điện trở mạch roto.ở các hệ thống truyền động điện công suất lớn,tổn hao này là đáng kể.vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động điện,vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ công suất trượt (sơ đồ nối tầng / nối cấp)
Nếu lấy Ps trả lại lưới thì tiết kiệm được năng lượng
-khi điều chỉnh với ω< ω 1: được gọi là điều chỉnh nối cấp dưới đồng bộ (lấy năng lượng Ps ra phát lên lưới).
- khi điều chỉnh với ω >ω 1 (s