Đồ án hoàn chỉnh Thiết kế bộ biến tần 3 pha điện áp 380V50hz, dòng điện định mức là 30A, cos φ = 0.95. Tải là động cơ không đồng bộ 3 pha, biến tần sử dụng van MOSFET Thiết kế bộ biến tần 3 pha điện áp 380V50hz, dòng điện định mức là 30A, cos φ = 0.95. Tải là động cơ không đồng bộ 3 pha, biến tần sử dụng van MOSFET
Chương KHÁI QUÁT BIẾN TẦN GIÁN TIẾP 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BIẾN TẦN 1.1.1 Khái niệm biến tần Biến tần thiết bị biến đổi lượng dòng điện xoay chiều tần số sang lượng dòng điện xoay chiều tần số khác 1.1.2 Sơ đồ khối biến tần U BIẾN TẦN f1 U2 f2 Hình 1.1 Sơ đồ khối biến tần 1.1.3 Phân loại biến tần Biến tần gồm loại là: Biến tần trực tiếp: biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều không thông qua khâu trung gian chiều Biến tần gián tiếp: dùng để biến đổi tần số thông qua khâu trung gian chiều * Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp: Là loại biến tần mà nguồn tạo điện áp chiều nguồn áp (nghĩa điện trở nguồn 0) Dạng điện áp tải tuỳ thuộc vào dạng điện áp nguồn, dạng dịng điện tải phụ thuộc vào thơng số mạch tải quy định Bộ biến tần nguồn áp có ưu điểm tạo dạng dòng điện điện áp sin hơn, dải biến thiên tần số cao nên sử dụng rộng rãi Bộ biến tần nguồn áp có hai phận riêng biệt, phận động lực phận điều khiển Trong đề tài ta xét với biến tần gián tiếp nguồn áp 1.2 BIẾN TẦN GIÁN TIẾP Bộ biến tần gián tiếp thường có cấu trúc sau PAC CHỈNH LƯU PDC LỌC MỘT CHIỀU PDC PAC NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP U2,f2,m2 U1,f1,m1 Hình 1.2 Cấu trúc biến tần gián tiếp [1] Theo tài liệu [1] khâu biến tần gián tiếp hình 1.2: a Khâu chỉnh lưu: Chức khâu chỉnh lưu biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp chiều Chỉnh lưu khơng điều chỉnh có điều chỉnh Trong biến đổi công suất lớn, người ta thường dùng chỉnh lưu bán điều khiển với chức làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ thống tải Tùy theo tầng nghịch lưu yêu cầu nguồn dòng hay nguồn áp mà chỉnh lưu tạo dòng điện hay điện áp tương đối ổn định b Khâu trung gian (lọc chiều): giữ cho điện áp khâu chỉnh lưu hằng, hay dòng khâu chỉnh lưu c Khâu nghịch lưu: phận quan biến tần biến đổi dòng 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 thơng số (U 1,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 số f2 không phụ thuộc vào f1 dải rộng tần số phụ thuộc vào mạch điều khiển 1.3 MẠCH CHỈNH LƯU 1.3.1 Khái niệm chỉnh lưu Chỉnh lưu trình biến đổi lượng dòng điện xoay chiều thành lượng dòng điện chiều 1.3.2 Cấu trúc mạch chỉnh lưu Chỉnh lưu thiết bị điện tử công suất sử dụng rộng rãi thực tế P~ BA U1~ P~ MV U2~ P= LỌC Ud, Id Kđmv P= Ud, Id Kđmra Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu [2] Theo tài liệu [2] hình 1.3 khâu sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu, đó: Biến áp làm nhiệm vụ là: chuyển từ điện áp quy chuẩn lưới điện xoay chiều U1 sang điện áp U2 thích hợp với yêu cầu tải Tùy theo tải mà máy biến áp tăng áp hay giảm áp Biến đổi số pha nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu mạch van Thông thường số pha lưới lớn 3, song mạch van cần số pha 6, 12…Trường hợp tải yêu cầu mức điện áp phù hợp với lưới điện mạch van địi hỏi số pha lưới điện bỏ máy biến áp Mạch van van bán dẫn mắc với theo cách để tiến hành q trình chỉnh lưu Mạch lọc nhằm đảm bảo điện áp (hoặc dòng điện) chiều cấp cho tải phẳng theo yêu cầu 1.3.3 Chỉnh lưu có điều khiển ( sơ đồ cầu pha) Hình 1.4 Sơ đồ chỉnh lưu cầu pha có điều khiển [2] Để cấp điện cho tải cần phải đảm bảo có van dẫn: nhóm lẻ, nhóm chẵn Như phát xung mở van cho mạch hoạt động phải đồng thời cho hai tiristo cần dẫn T1 T3 T2 T6 T5 T4 T6 IG1 IG2 IG3 IG4 IG5 IG6 Ud α1 α2 α3 α4 α5 α6 α1 Uab 30˚ 60˚ Hình 1.5 Chỉnh lưu cầu ba pha với α = 30˚ [2] Theo tài liệu [2], phát xung mở van cho mạch hoạt động phải đồng thời cho hai tiristo cần dẫn Trên đồ thị hình 1.5 thể điều chỗ tiristo phát hai xung: xung xác định góc α, xung thứ hai đảm bảo thông mạch tải Nếu α≤60 ta có quy luật U dαα =U dα cosα=2 , 34 U cos Nếu α (1.1) α > 600 dịng điện gián đoạn π U dαα = 1+ cos( α+60 o ) U sin θdθdαθdθ=U √ √ ∫ dα π a+600 1.3.4 Chỉnh lưu không điều khiển (sơ đồ cầu pha) Hình 1.5: Sơ đồ chỉnh lưu cầu pha không điều khiển [2] (1.2) Hình 1.6 Đồ thị dẫn van [2] Theo tài liệu [2], mạch van gồm hai nhóm, Điôt Đ catôt chung, nên hoạt động theo luật l, thế: Đ θdθ3 u nhất, Đ a dương nhất, Đ ,Đ ,Đ θdθ7 u ¿ ,Đ đấu kiểu dẫn khoảng θdθ1 dẫn khoảng θdθ3 dẫn khoảng θdθ5 Các điôt Đ ,Đ ¿ θdθ5 u ¿ dương h dương c đấu kiểu anôt chung nên: +Đ dẫn khoảng θdθ2 ¿ θdθ4 u c âm nhất; +Đ dẫn khoảng θdθ4 ¿ θdθ6 u a âm nhất; +Đ dẫn khoảng θdθ6 ¿ θdθ8 u b âm Điện áp trung bình nhận tải là: U dα = π /6 90 ∫30 ( u a -u b )d θdθ = 2.34U (1.3) Bảng1.1: Tham số mạch chỉnh lưu [2] Tham số Loại sơ đồ ⇒ ⇓ U dα U2 U I v (ku) ngmax I2 I dα k ta I t I dα S ba Pdα ΔUU γ (k h X a I dα f m dαm γ k dαm dαm (Hz) p ) Một pha nửa chu kỳ Một pha có điểm Một pha sơ đị cầu Ba pha hình tia 1.41U 0.45 0.9 I dα I dα /2 0.9 I dα /2 1.17 I dα /3 Ba pha sơ đồ cầu 2.34 I dα /3 Sáu pha hình tia 1.35 I dα /6 1.57 1.21 3.09 0.58 1.11 1.48 1.11 1.11 0.58 0 50 1.57 π 100 0.67 1.23 π 2 100 0.67 0.47 1.35 2π 150 0.25 0.816 0.816 1.05 π 300 0.29 0.58 1.56 2π 300 2.83U 1.41U 2.45U 2.45U 2.83U √3 √3 0.05 0.05 Sáu pha có cuộn kháng cân 1.17 I dα /6 2.45U 0.29 0.41 10 1.26 4π √3 300 0.05 Chú thích: U : trị số trung bình điện áp chỉnh lưu điơt hay chỉnh lưu điều khiển dαo α=0 U I : trị số hiệu dụng điện áp pha cuộn thứ cấp biến áp nguồn : trị số trung bình dịng điện qua van v U ngmax : điện áp ngược lớn mà van phải chịu làm việc I : trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp biến áp nguồn I dα : trị số trung bình dịng điện tải I : trị số hiệu dụng dòng điện cuộn sơ cấp biến áp nguồn k ba : hệ số máy biến áp nguồn S ba : cơng suất tính tốn máy biến áp nguồn P dα : công suất chiều tải: P dα =U dαo I dα ΔUU γ : sụt áp điện cảm phí xoay chiều La gây ∆U m f γ dαm =k γ X a I dα =k πf L γ a I dα : số đập mạch điện áp chỉnh lưu chu kỳ lưới xoay chiều :tần số sóng hài bậc điện áp chỉnh lưu, phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu dαm theo quan hệ: f dαm =m dαm f , f tần số lưới điện xoay chiều Số liệu bảng lấy theo tần số lưới điện Việt Nam f k : hệ số đập mạch điện áp chỉnh lưu: k dαm dαm = = 50Hz U 1m U dα , U biên độ sóng hài điện áp chỉnh lưu theo khai triển Furier h γ : hệ số sơ đồ để tính góc trùng dẫn γ theo biểu thức chung cos ( α+ λ )= cos α−h γ X a I dα √2 U (1.4) 1.4 MẠCH NGHỊCH LƯU 11 1m Nghịch lưu độc lập thiết bị biến đổi lượng dòng điện chiều thành lượng dòng điện xoay chiều với tần số cố định thay đổi [2] Mạch nghịch lưu phụ thuộc mạch chỉnh lưu có nguồn chiều đổi dấu so với chỉnh lưu góc mở α tiristo thoả mãn điều kiện (π /2 < α < π ) lúc cơng suất máy phát điện chiều trả lưới xoay chiều.Tần số điện áp nghịch lưu phụ thuộc vào tần số điện áp lưới xoay chiều Nghịch lưu độc lập làm nhiệm vụ biến đổi điện áp chiều từ nguồn độc lập (không phụ thuộc vào lưới xoay chiều) thành xoay chiều với tần số pha tuỳ ý Tần số điện áp nghịch lưu Nói chung điều chỉnh tuỳ ý Có hai dạng sơ đồ nghịch lưu độc lập mạch cầu mạch dùng biến áp có trung tính Sơ đồ nghịch lưu lập chia ba loại bản: + Nghịch lưu độc lập điện áp + Nghịch lưu độc lập dòng điện + Nghịch lưu độc lập cộng hưởng *Nghịch lưu áp ba pha Hình 1.7 Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha [2] Sơ đồ nghịch lưu áp pha ghép từ ba sơ đồ pha có điểm trung tính Để đơn giản hóa việc nghiên cứu ta giả thiết: + Van lý tưởng, đóng mở thì; + Nguồn có nội trở nhỏ vơ dẫn điện theo hai chiều; 12 + Van động lực (T1, T2, T3, T4,T5, T6)T , T , T , T ,T ,T ¿ làm việc với độ dẫn điện λ = 180o; + Za=Zb=Zc Z a=Zb =Z c Các điôt D1, D2, D3, D4, D5, D6 làm chức trả lượng nguồn Tụ C đảm bảo nguồn nguồn áp để tiếp nhận lượng phản kháng từ tải Hình 1.8 Luật điều khiển điện áp tải [2] 13 Với cách điều khiển có đặc điểm hoạt động sau: nửa chu kỳ nhánh van thẳng hàng có van dẫn: van lẻ dẫn pha tải nối với cực dương nguồn E, van chẵn dẫn pha tải nối với cực âm nguồn E Ở thời điểm có van dẫn làm cho mạch có hai pha tải đấu song song (do hai van dẫn nhóm lẻ nhóm chẵn khác pha), nối tiếp van thứ ba thuộc nhóm Do hai pha đầu song song nhận 1/3 E pha lại nhận 2/3 E, điện áp pha tải có dạng bậc lệch 120 điện hình 1.8 U pha Giá trị hiệu dụng điện áp pha là: 2 2 ∫U pha ( )d E (1.5) Suy ra: U A (t ) E sin t UB(t) = E sin(ω.t-120°) (1.6) U C (t ) E sin(t 120) 14 Chương THIẾT KẾ MẠCH LỰC 2.1 THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU + E C T1 D1 T3 D3 T5 D5 T4 D4 T6 D6 T2 D2 _ Za Zb Zc Hình 2.1 Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha[1] U = 380V Iđm= 30A f = 50 Hz cosφ = 0,95 Từ liệu đề tài cung cấp ta tính cơng suất: P= √ U I cosφφ ≈ 18758 (W) Do có quan hệ U m 380 π U1m π √2 = π E => Nguồn chiều E = = √ ≈ 490 (V) 2 => E = U dα = 490V Rt = Z cosφ = 380 U cosφ = 0,95 ≈ 6.95 (Ω) I √ 30 380 Lt = ( U ) −R2t = ( ) −¿ ¿ ≈ 0.007 (H) π 50 √ 30 πf I √ √ 2.1.1 Tính chọn MOSFET Điện áp ngược đặt lên MOSFET: U ng = U dα = 490V Chọn hệ số dự trữ điện áp cho van k u = 2,2 U ngmax = k u U dα = 2,2 490 = 1078 (V) Trong thực tế công nghiệp, van làm việc lưới điện 380-440V ta hay chọn cấp điện áp van lớn 1200V 15 Với thơng số đề tài cho ta tính dịng trung bình qua MOSFET: I M= => I M = √ I 1m √ I hdα (1 + cosφ) = (1 + cosφ) 2π 2π 2.30 (1 + 0,95) ≈ 13,17 (A) 2π Thực tế công nghiệp van ln phải làm việc mơi trường hồn tồn khác biệt so với mơi trường thử nghệm, việc chọn van cần đảm bảo cho van hoạt động ổn định lâu dài.Ta chọn hệ số dự trữ dòng điện cho van k i = Vậy MOSFET phải chịu dòng: I tbM = k i I M = 13,17 = 39,51 (A) Do từ thơng số tính tốn ta chọn MOSFET IXBH42N170 với thông số bảng 2.1 Bảng 2.1 Các tham số MOSFET IXBH42N170 Ký hiệu VCES VCGR VGES VGEM IC25 ILRMS IC90 ICM SSOA RBSOA Pc Td TdM Tstg TL TSOLD 2.1.2 Tính chọn điơt Điều kiện kiểm ttra Tc=25° C đến 150° C TJ=25° C đến 150° C, RGE=1MΩ Liên tiếp Tạm thời Tc=25° C Dòng giới hạn cuối Tc=90° C Tc=25° C, 1ms VGE=15V, TVJ=125° C, RG=10Ω Gắn tải TC=25° C Giữ hình dáng nhựa 10s Chọn hệ số dự trữ điện áp k u = 2,2 U lv = k u U dα = 2,2 490 = 1078 (V) Dịng trung bình chảy qua điơt: I D= Im 30 ( 1−cosφφ ) = √ (1- 0,95) ≈ 0.34 (A) 2π 2π Chọn hệ số dự trữ dòng điện k i = 16 Thông số tối đa 1700V 1700V ± 20V ± 30V 80A 75A 42A 300A ICM=100A VCES≤1350V 360W -55…+150° C 100° C -55…+150° C 300° C 260° C => Vì điơt cần chọn phải chịu dòng: I tbD =k i I D = 0,34 = 1,02 (A) Cũng giống van, môi trường làm việc điôt phức tạp, khắc nghiệt khác hoàn toàn so với điều kiện thử nghiệm Chính lí với thơng số tính ta chọn điơt 1N4530 với thông số cho bảng sau: Bảng 2.2 Các tham số điôt 1N4530 Ký hiệu VRSM max VRRM max VRWM max IF(AV) max IF(RMS) IFSM Tstg TJ max Thông số tối đa 1200V 1200V 800V 30A 40A 800A 25…+150° C 150° C 2.1.3 Tụ điện C max= E Lt Eτ −¿ 1) ≈ 0,13 (2ln2 Rτ ∆U C R t ∆U C Nếu lấy theo thơng thường ∆ U C = 0,1E ta có biểu thức đơn giản C max=1,3 Lt R t = 1,3 0,007 ≈ 1.88 10−4 (F) 6.95 2.2 THIẾT KẾ MẠCH CHỈNH LƯU 2.2.1 Mạch chỉnh lưu Với đề tài ta lựa chọn sử dụng cầu chỉnh lưu pha không điều khiển 17 Hình 2.2 Sơ đồ cầu chỉnh lưu ba pha khơng điều khiển Có U dα = 2.34U =>U = U dα 490 = 2,34 ≈ 210 (V) 2,34 Nên U ngmax =√ 6U 2=√ 6.210 = 210√ (V) Chọn hệ số dự trữ điện áp k u = 1,8 => Cần chọn điôt chịu U = k u U ngmax = 1,8 210√ 6≈ 926 (V) U 490 I dα Lại có I dα= R = 6.95 =70.5 => I tbv= dα ≈ 23.5 (A) dα Chọn hệ số dự trữ dòng điện k i = 1,4 => Dòng van I van=k i I tbv = 1,4 23.5 = 32.9 (A) Từ số liệu tính tốn cho mạch chỉnh lưu ta chọn cầu điôt 90MT168KB với thông số cho dạng bảng sau đây: 18 Bảng 2.3 Các tham số cầu điôt 90MT168KB Ký hiệu VINS IO IFSM VFM Thông số 4000V 90A 810A 1.6 Điều kiện kiểm tra Tj = 25° C, f=50Hz 120° C t=8.3ms, tj=tjmax Ipk=150A, tj=25° C 2.2.2 Biến áp nguồn cho mạch chỉnh lưu Điện áp sơ cấp U = 380V Điện áp thứ cấp U = 210V Hệ số biến áp: k ba= U 38 = U 21 Dòng điện thứ cấp I 2=1,57 I dα = 1,57 70,5 ≈ 110,685 (A) Dòng điện sơ cấp I 1=I dα 1,21 1,21 38 ≈ 47,14 (A) k ba = 70,5 21 Nên công suất biến áp Sba= U I +U I = 20578,5 (VA) 2.2.3 Tính chọn thiết bị bảo vệ mạch động lực a Bảo vệ nhiệt độ cho van bán dẫn Khi dòng điện chảy qua van, có tổn hao cơng suất ΔUP Tổn hao làm nóng van Trong van bán dẫn phép làm việc với nhiệt độ cho phép Tcp, vượt q nhiệt độ van bị hỏng Chính để đảm bảo an toàn cho van, độ tin cậy mạch ta cần thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lí Ta có: ΔUP=ΔUU I lv = 1,8 14 = 25,2 (w) Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: ΔUP S = km.τ 19 đó: τ độ chênh lệch nhiệt độ tản nhiệt so với môi trường: τ = Tc - Tm km hệ số tỏa nhiệt Giả sử van làm việc mơi trường có nhiệt độ Tm = 35 °C Nhiệt độ cho phép van Tmax = 125 °C Chọn nhiệt độ cánh tản nhiệt Tc = 80 °C Chọn: km = (W/m2 °C ) Vậy 25 ,2 S= 8(80−35 ) =0,07 m2 b.Bảo vệ q dịng điện cho van + Chọn aptomat đóng cắt mạch động lực, bảo vệ tải, ngắn mạch, có thơng số: Idm= 1,1.Idn = 1,1 √3 40 = 77 (A) Udm= 220 (V) Dòng ngắn mạch Inm = 2,5Idn = 174 (A) Dòng tải Iqt = 1,5Idn = 104 (A) Chọn cầu chì tác động nhanh bảo vệ đầu chỉnh lưu Icc = 1,1.Idmax= 1,1 32,9=37 (A) c.Bảo vệ điện áp Ta có hệ số áp van chọn: Ucp 1700 k = Utt = 1078 = 1,57 Ucp : điện áp lớn cho phép đặt lên van Utt : điện áp thực tế van làm việc + Bảo vệ áp chuyển mạch 20 Trong trình chuyển mạch tiristor, điện tích tích tụ lớp bán dẫn phóng ngồi tạo thành dịng điện ngược biến thiên khoảng thời gian ngắn Dòng điện biến thiên tạo sức điện động lớn làm áp Tiristor Khi có mạch R-C mắc song song với Tiristor tạo thành mạch vịng phóng điện bảo vệ Tiristor Trường hợp ta chọn R=(5 ¿ 30) Ω C=(0,25 ¿ 4) μ F +Bảo vệ van bán dẫn khỏi đánh thủng xung áp từ lưới Để bảo vệ xung áp từ lưới điện, mắc song song với tải đầu vào mạch R-C nhằm lọc xung Khi xuất xung điện áp đường dây, nhờ có mạch lọc mà đỉnh xung gần nằm lại hoàn toàn điện trở đường dây Trị số R,C phụ thuộc nhiều vào tải Chọn R= (5-20) Ω , C= μ F 21 Chương HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 YÊU CẦU ĐIỀU KHIỂN 3.2 ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU Vì phần chỉnh lưu sử dụng đồ án chỉnh lưu khơng điều khiển nên khơng có phần điều khiển, phần điều khiển không đề cập đến phần 3.3 ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU THEO PHƯƠNG PHÁP SPWM 3.3.1 Khái quát phương pháp SPWM Nguyên tắc SPWM khoảng dẫn van, van khơng dẫn liên tục mà đóng cắt nhiều lần với độ rộng xung bám theo giá trị tức thời hình sin có tần số sóng hài So sánh Dao động hình sin lệch pha 120o Khuếch đại xung Khuếch đại xung So sánh Khuếch đại xung Khuếch đại xung So sánh Khuếch đại xung T1 T4 T3 T6 T5 T2 Khuếch đại xung Xung đồng Tạo xung tam giác Hình 3.1: Cấu trúc điều khiển nghịch lưu độc lập kiểu SPWM + Mạch tạo dao động hình sin dùng sơ đồ cầu Vien có tần số ω = RC , nhiên mạch đơn giản thường hoạt động không ổn định Trong thực tế mạch 22 phức tạp phải giải vấn đề tự động ổn định tần số biên độ điện áp + Khâu tạo xung tam giác mạch chuẩn có gài cơng tắc điện tử “SW” điều khiển xung đồng xuất vào đầu chu kỳ điện áp hình sin + Khâu so sánh điện áp hình sin tam giác cho đầu điện áp PWM để điều khiển van lực + Hệ số điều chỉnh nhờ biến trở P1 + Khâu khuếch đại sử dụng Driver M57958L Driver điều khiển van 200A-1400V M57958L +15V +15V 47uF DC Rg 16mA 47uF DC -10V Hình 3.2: Cấu trúc Drive M57958L 23 18V ... suất: P= √ U I cos? ?φ ≈ 18758 (W) Do có quan hệ U m 38 0 π U1m π √2 = π E => Nguồn chiều E = = √ ≈ 490 (V) 2 => E = U dα = 490V Rt = Z cos? ? = 38 0 U cos? ? = 0,95 ≈ 6.95 (Ω) I √ 30 38 0 Lt = ( U... Tj = 25° C, f=50Hz 120° C t=8.3ms, tj=tjmax Ipk=150A, tj=25° C 2.2.2 Biến áp nguồn cho mạch chỉnh lưu Điện áp sơ cấp U = 38 0V Điện áp thứ cấp U = 210V Hệ số biến áp: k ba= U 38 = U 21 Dòng điện. .. trữ điện áp k u = 1,8 => Cần chọn điôt chịu U = k u U ngmax = 1,8 210√ 6≈ 926 (V) U 490 I dα Lại có I d? ?= R = 6.95 =7 0.5 => I tbv= dα ≈ 23. 5 (A) dα Chọn hệ số dự trữ dòng điện k i = 1,4 => Dòng