Thiết kế bộ băm xung 3 pha công suất nhỏ

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 [...]... jsin(2 π / 3) ) + u c ( cos( −2π / 3) + jsin( −2 π / 3) )   3 2  u x = [ u a + u bcos(2π / 3) + u ccos( −2π / 3) ]   3 ⇒ u = 2 [ u sin(2π / 3) − u sin( −2π / 3) ] (3- 8) c  y 3 b  1 1   1 − − ÷ u a   ux  2  2 2  ÷ ÷ ub ⇒  ÷=  3 3 ÷ ÷  uy  3  0  ÷ −  ÷ u c   2 2  u(t) = Tiếp theo hình thành tọa độ quay α-β bằng cách cho hệ tọa độ x-y quay với vận tốc góc ωt Ta có công thức... phương trình (3- 8) như sau: 1  1 − 2  VLα  2 3 V  ÷= VLβ  3 2 s  3  0 2  Trong đó 1   q1  2 ÷ ÷ ÷ q3 3 ÷ ÷  ÷ − ÷ q 5  2  − 2 để chuyền từ giá trị biên độ sang giá trị hiệu dụng, (3- 11) 3 để chuyển giá trị điện áp pha thành điện áp dây Vectơ điện áp dây sẽ sớm pha hơn vectơ điện áp pha một góc π/6 Nếu lồng ghép các trạng thái có thể có của q 1, q3 và q5 vào phương trình (3- 11) ta thu... điều khiển Hình 3- 3 miêu tả nguyên lý của của phương pháp điều chế SPWM một pha: Hình 3- 3: Nguyên lý điều chế SPWM một pha Khi: vc > vtri , VA0 = Vdc/2 vc < ttri , VA0 = -Vdc/2 Đối với nghịch lưu áp ba pha có sơ đồ như hình 3- 4 Để tạo ra điện áp sin ba pha dạng điều rộng xung, ta cần ba tín hiệu sin mẫu SVTH: Vũ Quang Trình 28 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt Hình 3- 4: Nghịch lưu áp ba pha Nguyên lý điều... + u b e 3 + u c e 3 ÷ 3  (3- 6) Trong đó 2 /3 là hệ số biến hình Phân tích u(t) trong phương trình trên thành phần thực và phần ảo SVTH: Vũ Quang Trình 32 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt u t = u x + ju y (3- 7) Ta xây dựng được công thức chuyển đổi hệ tọa độ từ ba pha abc sang hệ tọa độ phức x-y bằng cách cân bằng phần thực và phần ảo trong phương trình (3- 6), ta có: 2  u a + u b ( cos(2π / 3) + jsin(2... y   sin(ωt) cos(ωt)   u y   ÷ 2   (3- 9) Nguồn áp ba pha tạo ra là cân bằng và sin nên ta có thể viết lại phương trình điện áp pha như sau: u a = Vmsin(ωt) u b = Vmsin(ωt − 2π / 3) (3- 10) u c = Vmsin(ωt + 2π / 3) SVTH: Vũ Quang Trình 33 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt Từ phương trình (3- 9) ta xây dựng được phương trình sau: u(t) = Vr e jθ = Vr e jωt (3- 11) Thể hiện vectơ không gian có biên độ... 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 công nghiệp có liên... Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm như sau: 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 bộ được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kW Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ thường được dùng... tăng hệ số công suất cũng lên Khi động cơ làm việc với hệ số công suất nhở hơn 1, dòng điện trong động cơ không hoàn toàn sin Điều này cũng làm giảm chất lượng công suất nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khẩn cấp hoặc đảo chiều động cơ Độ chính xác trong tốc độ, khả năng dừng chính xác, đảo chiều tốt làm tăng năng suất lao... − 1π)   e = ÷+ jsin  ÷ cos  6 6 3 3     (3- 12) Với n = 0,1,2,…,6 ta thành lập được 6 vectơ không gian V 1 – V6 và hai vectơ 0 là V0 và V7 như hình sau: SVTH: Vũ Quang Trình 34 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt Hình 3- 7: Các vectơ không gian từ 1 đến 6 Hình 3- 8: Trạng thái đóng ngắt của các van SVTH: Vũ Quang Trình 35 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt Bảng 3- 1: Giá trị điện áp các trạng thái đóng... chế độ rộng xung khác Với phương pháp điều chế PWM khác, bộ nghịch lưu được xem như ba bộ biến đổi đẩy kéo riêng biệt với ba điện áp pha độc lập nhau Đối với phương pháp điều chế vectơ không gian, bộ nghịch lưu được xem như một khối duy nhất với 8 trạng thái đóng ngắt từ 0 đến 7 4.1.2.1 Thành lập vectơ không gian SVTH: Vũ Quang Trình 31 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt Đối với nguồn áp ba pha cân bằng, . 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. 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. && & ( 2 -3 ) SVTH: Vũ Quang Trình 16 Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp Từ ( 2 -3 ) nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở stato Z 1 , ta có E 1 ≈ U 1 , do đó: 1 1 1 U K f Φ = ( 2-4 ) Như vậy để giữ