Báo cáo thiết kế biến tần

Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp LỜI NÓI ĐẦU Nội dung đồ án này là tìm hiểu và thiết kế bộ biến tần truyền thống ba pha điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp U/f = const và điều chế SPWM. Từ cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, phương pháp điều khiển bằng tần số và qua tìm hiều khảo sát các bộ biến tần thực tế hiện nay cũng như đánh giá các phương pháp điều khiển, nội dung của đồ án đã đề xuất ra mô hình biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng trong các hệ truyền động với giá thành thấp, đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của thực tế. Do hạn chế về mặt thời gian nên trong phạm vi đồ án này chỉ dừng lại ở điều khiển vòng hở động cơ không đồng bộ ba pha và hi vọng đề tài sẽ được tiếp tục phát triển trong tương lai. Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô trong bộ môn Trang thiết bị Điện - Điện Tử trong công nghiệp và giao thông vận tải cùng các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử đã tận tình dạy dỗ em những kiến thức chuyên môn làm cơ sở để em hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp và đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn tất khóa học. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Văn Nghĩa, đã tận tình chỉ bảo, gợi ý, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện và nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành đề tài này. Hà nội, ngày 16 tháng 5 năm2009 SVTH: Vũ Quang Trình 1 Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYẾT SVTH: Vũ Quang Trình 2 Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG I Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ ba pha 1. Nguyên lý hoạt động Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch nhau 120 o trong không gian thì từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo ra trong là một từ trường quay. Nếu trong từ trường quay này có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ quét qua các thanh dẫn điện và làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng trong các thanh dẫn. Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải. Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo quy tắc ban tay trái và tạo ra momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường quay. Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường qua. Nếu roto quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ quét qua các dây quấn phần cảm nữa nên sdd cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ không còn, momen quay cũng không còn. Do momen cản roto sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫn roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại có momen quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường. Đồng cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không đồng bộ (KDB) hay động cơ xoay chiều. SVTH: Vũ Quang Trình 3 Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp Hình 1-1: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ω o (rad/s) hay n o (vòng/phút) thì tốc độ quay của roto là ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ω < ω o ; n < n o ). Sai lệch tương tối giữa hai tốc độ gọi là độ trượt s: o o s ω − ω = ω (1-1) Từ đó ta có: ω = ω o (1 – s) (1-2) hay n = n o (1 – s) (1-3) Với: 2 n 60 ω = π (1-4) SVTH: Vũ Quang Trình 4 Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp o 1 o 2 n 2 f 60 p ω = π π = (1-5) f 1 - tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato. Tốc độ ω o là tốc độ lớn nhất mà roto có thể đạt được nếu không có lực cản nào. Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ. Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1. Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở roto cũng là dòng điện xoay chiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của roto đối với từ trường quay: o 2 1 np(n f 6 ) s 0 f − = = (1-6) 2. Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha 2.1. Phương trình đặc tính cơ 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 1-2 Hình 1-2: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ SVTH: Vũ Quang Trình 5 Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp Trong đó: U 1 – trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V) I µ , I 1 , I ’ 2 – dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện roto đã quy đổi về stato (A) X µ , X 1 , X ’ 2 – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato và điện kháng roto đã quy đổi về stato (Ω) R µ , R 1 , R ’ 2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch roto đã quy đổi về stato (Ω) Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng: ' ' 2 1 2 2 2 o 1 nm 3U M R s R X s R ,[Nm]=     ω +    ÷       + (1-7) Trong đó: X nm – điện kháng ngắn mạch, X nm = X 1 + X ’ 2 2.2. Đường đặc tính cơ Với những giá trị khác nhau của s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho những giá trị của M. Đường biều diễn M = f(s) trên trục tọa độ sOM như hình vẽ 1-4, đó là đường đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha. SVTH: Vũ Quang Trình 6 Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp Hình 1-3: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó: dM 0 ds = (1-8) Giải phương trình ta có: 2 th 2 2 1 nm ' R R s X+ ±= (1-9) Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có: 2 1 th 2 2 o 1 1 nm 3U M 2 (R R X )+ω ± = (1-10) Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 ( chế độ động cơ ) nên giá trị s th và M th của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+). SVTH: Vũ Quang Trình 7 Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KDB là một đường cong phức tạp có hai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần thẳng và cứng. Trên đoạn này momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm việc trên đoạn này sẽ ổn định. Đoạn BK cong với độ dốc dương. Trên đoạn này động cơ làm việc không ổn định. Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = 0 ( s = 1 ) và momen mở máy: 2 1 2 mm 2 2 o 1 2 ' nm ' R R ) 3U X M (R =   ω +  +  (1-11) Điểm A ứng với momen cản bằng 0 ( M c = 0 ) và tốc độ đồng bộ: 1 o 2 f p ω = π (1-12) 3. Ảnh hưởng của tần số nguồn f 1 đến đặc tính cơ: Khi thay đổi f 1 thì theo (1-5) tốc độ đồng bộ ω o thay đổi, đồng thời X 1 , X 2 cũng bị thay đổi ( vì X = 2πfL ), kéo theo sự thay đổi của cả độ trượt tới hạn s th và momen tới hạn M th . Quan hệ độ trượt tới hạn theo tần số s th = f(f 1 ) và momen tới hạn theo tần số M th = f(f 1 ) là phức tạp nhưng vì ω o và X 1 phụ thuộc tỷ lệ với tần số f 1 nên có thể từ các biểu thức của s th và M th rút ra: SVTH: Vũ Quang Trình 8 Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp th 1 th 2 1 s 1 1 f M f        : : (1-13) Khi tần số f giảm, độ trượt tới hạn s th và momen tới hạn M th đều tăng nhưng M th tăng nhanh hơn. Khi giảm tần số f 1 xuống dưới tần số định mức f 1dm thì tổng trở của các cuộn dây giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng điện động cơ tăng mạnh. Vì vậy khi giảm tần số nguồn xuống dưới giá trị định mức cần phải đồng thời giảm điện áp cấp cho động cơ theo quan hệ: 1 1 u const f = (1-14) Như vậy M th sẽ giữ không đổi ở vùng f 1 < f 1dm . Ở vùng f 1 > f 1dm thì không thể tăng điện áp nguồn mà giữ U 1 = U 1dm nên ở vùng này M th sẽ giảm tỉ lệ nghịch với bình phương tần số, đồng thời phải điều chỉnh điện áp theo quy luật f c/ tU ons= để giữ cho động cơ không bị quá tải về công suất. Hình 1-4: Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn SVTH: Vũ Quang Trình 9 Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp Hình 1-5: Đặc tính cơ của động cơ KDB khi thay đổi tần số nguồn kết hợp với thay đổi điện áp 4. Ứng dụng của động cơ không đồng bộ Ngày nay các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các thiết bị hoặc dây truyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải và trong các thiết bị điện dân dụng… Ước tính có khoảng 50% điện năng sản xuất ra được tiêu thụ bởi các hệ thống truyền động điện. Hệ thống điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc tốc độ thay đổi được. Hiện nay có khoảng 75 – 80% các hệ truyền động là loại hoạt động với tốc độ không đổi. Với các hệ thống này, tốc độ của động cơ hầu như không cần điều khiển trừ các quá trình khởi động và hãm. Phần còn lại là các hệ thống có thể điều chỉnh được tốc độ để phối hợp đặc tính động cơ với đặc tính tải theo yêu cầu. Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật vi xử lý, các hệ thống điều tốc sử dụng kỹ thuật điện tử ngày càng được sử dụng rộng rãi và công cụ không thể thiếu trong quá trình tự động hóa. SVTH: Vũ Quang Trình 10 [...]... nghiệp Đồ án tốt 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 ( f1 < flưới ) Loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng 2.2 Biến tần gián tiếp Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau: Hình 3-1: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp Như vậy để biến đổi tần số cần thông... lõi thép máy biến áp Ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám sát như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải … mà chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trường hợp này 2 Phân loại biến tần Biến tần thường được chia làm hai loại: - Biến tần trực tiếp - Biến tần gián tiếp 2.1 Biến tần trực tiếp... của tần số theo thời gian CHƯƠNG 3 BIẾN TẦN 1 Biến tần và tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp Với sự phát triển như vũ bão 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 chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ điện Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong... khiển động cơ ở tần số lớn hơn tần số định mức bằng cách tiếp tục tăng tần số Tuy nhiên do điện áp đặt không thể tăng trên điện áp định mức Do đó chỉ có thể tăng tần số dẫn đến momen giảm Ở vùng trên vận tốc cơ bản các hệ số ảnh hưởng đến momen trở nên phức tạp - Việc tăng tốc giảm tốc có thể được thực hiện bằng cách điều khiển sự thay đổi của tần số theo thời gian CHƯƠNG 3 BIẾN TẦN 1 Biến tần và tầm quan... bản của một bộ biến tần Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần như hình () SVTH: Vũ Quang Trình 24 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt 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... chức năng chính là thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều phương thức khác, không dùng mạch điện tử Trước kia, khi công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy biến áp Ưu điểm chính của các thiết bị dạng này là sóng dạng... gọi là biến tần gián tiếp Chức năng của các khối như sau: a) Chỉnh lưu: Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều Chỉnh lưu có thể là không điều chỉnh hoặc có điều chỉnh Ngày nay đa số chỉnh lưu là không điều chỉnh, vì điều chỉnh điện áp một chiều trong phạm vi rộng sẽ làm tăng kích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất bộ biến đổi Nói chung chức năng biến đổi... pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ: • Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất • Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện Phương pháp này làm giảm tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển tốc... nếu điện áp một chiều đầu vào không đổi, để điều chỉnh biên độ và tần số của điện áp đầu ra ta chỉ việc điều chỉnh biên độ và tần số của tín hiệu sin chuẩn vc Đặc trưng cơ bản của phương pháp này là thành phần sóng điều hòa của điện áp ra Muốn giảm các sóng điều hòa bậc cao cần phải tăng tần số sóng mang hay tần số PWM Tuy nhiên càng tăng tần số PWM thì tổn hao chuyển mạch lại tăng lên 4.1.2 Phương pháp... thay đổi tần số nguồn f1 3 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 và số đôi cực từ theo công thức: SVTH: Vũ Quang Trình 15 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt ωo = 2πf1 p (2-1) Mà ta lại có, tốc độ của roto động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo công thức: ω = ωo (1 − s) (2-2) Do đó bằng việc thay đổi tần số nguồn . cao. Điều này làm tăng tổn thất trong động cơ dẫn đến giảm tuổi thọ của động cơ. Momen sinh ra bởi động cơ bị gợn sóng. Các thành phần điều hòa bậc cao có thể loại bỏ khi hoạt động ở tần số cao bởi. kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi trường độc hại hoặc nơi có khả năng cháy nổ cao. Vì những ưu điểm này nên động cơ không đồng. tích hợp cao cho ra đời những bộ vi xử lý có tốc độ xử lý ngày càng nhanh và sự phát triển của kỹ thuật tính toán đã dẫn đến việc điều khiển động cơ không đồng bộ có thể đạt được chất lượng cao. 2.