Thiết kế hệ thống điều khiển điện tử công suất

Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao công nghệ bằng cách đưa công nghệ điều khiển tự động vào trong sản xuấ

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU 4

1.1 Động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc 4

1.1.1 Đại cương về động cơ không đồng bộ 4

1.1.2 Cấu tạo 4

1.1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ 5

1.1.4 Phương trình đặc tính cơ 6

1.2 Điều áp xoay chiều 3 pha 8

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC 11

2.1.Sơ đồ mạch lực 11

2.2.Tính toán chọn van mạch lực 11

2.3. Tính chọn phần tử bảo vệ van 12

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG 13

3.1 Xây dựng đặc tính khởi động của động cơ 13

3.2 Khởi động trực tiếp động cơ với lưới 15

3.3 Khởi động mềm 16

3.3.1 Khởi động mềm điều khiển 2 cặp van 16

3.3.2 Khởi động mềm điều khiển 3 cặp van 19

KẾT LUẬN 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

ĐỀ BÀI:

Các số liệu ban đầu:

- Công suất động cơ (Pđc) : 215 Hp

Tuy nhiên, để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công nghiệp thì ngành điện tử công suất phải luôn nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối

ưu nhất Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao công nghệ bằng cách đưa công nghệ điều khiển tự động vào trong sản xuất Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an toàn, chính xác.Đó là nhiệm vụ mà ngành điện tử công suất cần phải giải quyết

Để giải quyết được vấn đề này, nhà nước ta cần có đội ngũ thiết kế đông đảo và

đủ năng lực.Sinh viên ngành Tự động hóa tương lai không xa sẽ đứng trong đội ngũ này, do đó cần phải tự trang bị cho mình một trình độ và tầm hiểu biết sau rộng.Chính vì vậy, bài tập lớn môn học Thiết kế hệ thống điều khiển điện tử công suất là yêu cầu cấp thiết cho mỗi sinh viên Tự động hóa Đó là bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên và cũng là điều kiện cho sinh viên

tự tìm hiểu, nghiên cứu kiến thức về điện tử công suất

Mặc dù vậy do kinh nghiệm thực tế chưa nhiều nên vẫn cần đến sự giúp đỡ và hướng dẫn của thầy giáo Qua đây, em xin được gửi lời cám ơn đến thầy Vũ Hoàng Phương đã tận tình chỉ dẫn để em có thể hoàn thành bài tập lớn này

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2014

Sinh viên

Lê Văn Thanh

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ

ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU

1.1 Động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc

1.1.1 Đại cương về động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ ba pha có kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, sử dụng

và bảo quản thuận tiện nên được sử dụng rất rộng rãi

Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc có cấu tạo đơn giản nhất nên chiếm số lượng khá lớn trong loại động cơ công suất nhỏ và trung bình Nhược điểm của động

cơ này là điều chỉnh tốc độ khó khăn và dòng điện khởi động lớn, thường bằng 7-8 lần dòng điện định mức

Hình 1.1.Động cơ không đồng ba pha bộ roto lồng sóc

1.1.2 Cấu tạo

 Phần tĩnh (stator)

Stato có cấu tạo gồm vỏ máy, lõi sắt và dây quấn

Hình 1.2 Cấu tạo của stato

1.1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ

Khi nối dây quấn stato vào lưới điện xoay chiều ba pha, trong dây quấn có các dòng điện Hệ thống dòng điện này tạo thành từ trường quay với tốc độ:

1 =60 1Trong đó: f1 là tần số của lưới điện

P là số cặp cực

Phần quay, nằm trên trục quay bao gồm lõi thép roto Dây quấn roto bao gồm một số thanh dẫn đặt trong các rãnh của mạch từ và nối với nhau bằng vòng ngắn mạch Từ trường quay của stato cảm ứng lên roto một sức điện động E, sự tác động tương hỗ

= 1 −1Trong đó:

s: hệ số trượt

n1: tốc độ quay của từ trường

n: tốc độ quay của roto

Hệ số trượt của động cơ không đồng bộ có trị số nằm trong khoảng từ 0÷1

1.1.4 Phương trình đặc tính cơ

Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta dựa vào sơ đồ thay thế với các giả thiết sau:

- Ba pha của động cơ là đối xứng

- Các thông số của động cơ không đồng bộ không đổi

- Tổng dẫn mạch từ hoá không thay đổi, dòng điện từ hoá không phụ thuộc tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stato động cơ

Hình 1.6 đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 1.2 Điều áp xoay chiều 3 pha

Các bộ điều áp xoay chiều dùng để điều chỉnh giá trị điện áp xoay chiều bằng cách

thay đổi góc mở của các van Để điều chỉnh điện áp ba pha, có thể sử dụng ba sơ đồ:

-Bộ điều áp xoay chiều chủ yếu sử dụng các thyristor mắc ngược hoặc Triac để

thay đổi giá trị điện áp trong nửa chu kỳ của điện áp lưới theo góc mở α, từ đó đổi được

giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải

-Nối tam giác ba bộ điều áp một pha

-Nối hỗn hợp ba thyristor và ba diode

Nhưng phương pháp sử dụng cặp thyristor mắc song song ngược được dùng khá

phổ biến trong thực tế và ứng dụng nhiều trong các bộ khởi động mềm của động cơ

không đồng bộ

 Hoạt động của mạch (xét với tải thuần trở)

-Mạch hoạt động theo quy luật chung:

+Trường hợp 3 van dẫn: Mỗi pha có 1 van dẫn=>Utải =Unguồn

+Trường hợp 2 van dẫn: Có 2 pha có van dẫn và 1 pha không van nào dẫn

=> điện áp pha tải =1/2 điện áp dây của hai pha có van dẫn và có 1 pha không có điện

áp

+Trường hợp không có van dẫn: Toàn bộ tải bị ngắt khỏi nguồn(Utải=0)

-Các trường hợp dẫn của van phụ thuộc vào góc điều khiển α.Gồm 3 vùng

điều khiển:

 00 < α < 600:

-Trong vùng này có hai trạng thái kế tiếp nhau đó là 3 van dẫn -> 2 van dẫn.Giai đoạn 3 van dẫn dài 600 ÷ α, giai đoạn 2 van dẫn bằng chính α

-Góc dẫn của van λ =(1800- α), van ngắt khi điện áp pha nguồn =0

Hình 1.7 Dạng điện áp đầu ra trong trường hợp 00 < α < 600

-Van không dẫn lien tục mà dẫn thành 2 giai đoạn xen giữa một khoảng nghỉ

-Van ngắt dòng mỗi khi điện áp dây nguồn về 0 V

Hình 1.9 Dạng điện áp đầu ra trong trường hợp 900 < α < 1200

Hình 2.1 Sơ đồ mạch lực 2.2.Tính toán chọn van mạch lực

Dòng điện hiệu dụng chạy trong mỗi pha

 Chọn van theo chỉ tiêu dòng điện

Dòng điện trung bình chạy qua van là :

 Chọn van theo chỉ tiêu điện áp

Điện áp ngược đặt lên van có giá trị lớn nhất là

Ungmax= √2 = √2 380 = 537 ( ) Vậy cần chọn van tiristor chịu được điện áp khoảng:

Uvmax= Ku Ungmax= 1,8 537 = 967 (V) (Ku=1.8 : hệ số dự trữ điện áp)

Từ các số liệu tính toán ở trên, ta chọn được van Tiristor : T14-320 do Nga sản xuất

có các thông số như sau:

Ungmax=1000 V; Itbmax= 320A; Ipicmax= 7000 A; U=1.6V; Iro =25mA; Udk=3.5V; Idk= 200mA (theo bảng 2.2.1-trang 443 hướng dẫn thiết kế ĐTCS- Phạm Quốc Hải)

2.3 Tính chọn phần tử bảo vệ van

Van làm việc thường chịu ảnh hưởng của các xung dòng điện từ lưới và xung áp cao trong qua trình chuyển mạch giữa các van Từ đó, ta thêm vào mạch 2 thành phần điện trở và tụ điện đấu song song với van nhằm mục đích bảo vệ

Mạch RC bảo vệ: R= (5÷30), C= (0.5÷4)uF => chọn R= 20, C= 4uF

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG

3.1 Xây dựng đặc tính khởi động của động cơ

Thông số.Động cơ 3 pha không đồng bộ P=160KW, điện áp U=400V, tần số f=50hz, tốc độ định mức nđm=1487(V/ phút) p=2

Điện trở Stato: R₁=13.79mΩ , Điện cảm L₁=0.152mH

Điện trở Roto: R₂’=7.728mΩ, điện cảm L₂’=0.152mH

Mth2 = Mth ( )²= 60630 ( . )² = 30314 N.m

Mkđ2 = Mkđ ( )²= 9639 ( . )² =4819 N.m

Hình 3.1 Đặc tính khởi động của động cơ

Hình 3.2 Các cấp khởi động dựa theo dòng điện Imax

Với động cơ 215Hp (160kW), khởi động mềm với phụ tải bơm hay quạt gió

Đặc tính cơ của loại phụ tải này biểu diễn dưới biểu thức tổng sau:

Từ phương trình trên, trong mô phỏng ta lấy Mc = Mdm đặt vào động cơ

3.2 Khởi động trực tiếp động cơ với lưới

Khi khởi động trực tiếp với lưới ta thu được đồ thị dòng điện khởi động như hình sau:

Hình 3.3 Dòng điện khởi động tức thời[1]

Hình 3.4 Dòng điện hiệu dụng tương ứng

Ta có nhận xét dòng điện khởi động khá lớn, dòng điện đỉnh 4800A, giá trị hiệu

dụng tầm 3000A gấp gần 10 lần dòng điện định mức (Idm = 314A)

3.3 Khởi động mềm

 Đặc tính điều chỉnh điện áp điều khiển trong khởi động mềm

Hình 3.5 Đặc tính điều chỉnh điện áp Dựa vào hình trên để khởi động mềm cho động cơ ta tăng điện áp đặt vào động cơ theo

từng nấc nhỏ để được một dải dốc như trên Do động cơ có công suất lớn nên điện áp

ban đầu đặt vào động cơ bằng khoảng 60% giá trị đinh mức

3.3.1 Khởi động mềm điều khiển 2 cặp van

Hình 3.6 Sơ đồ mạch khởi động không đối xứng Theo phương pháp tài liệu [3], để ổn định dòng điện khi khởi động ta sẽ dùng bộ PI

Hình 3.7 Sơ đồ các vòng điều khiển của động cơ khi khởi động mềm

Theo đó ta có mô hình sau điều khiển sau:

Với các hàm truyền của động cơ[3] :

Đối với mô hình đóng cắt ta có xấp xỉ[3]: Vrms = f( ) , với là góc mở thyristor

Còn với các bộ điều khiển PI được tổng hợp sao cho hệ kín có độ dự trữ pha 120o

với tần số cắt fc =500Hz Với các công thức trong tài liệu[3] kết hợp với thông số của động cơ, từ đó ta thu được các thông số Kp_V, Ki_V, Kp_I, Ki_I như sau:

Kp_V = 0.0009 Ki_V = 5.0731 Kp_I = 0.0018 Ki_I = 0.0808

Hình 3.8 Sơ đồ mô phỏng trong matlab[1]

Hình 3.9 Sơ đồ điều khiển xung đóng cắt van trong mô phỏng matlab[1]

Kết quả thu được:

Hình 3.10 Dạng dòng điện hiệu dụng khi khởi động[1]

Nhận xét:

Ta thấy dòng điện khởi động đã nhỏ hơn so với khởi động trực tiếp

Nhược điểm: thời gian đầu dòng điện vẫn lớn, chưa được khống chế, dòng điện giữa 3 pha không cân bằng khi khởi động

3.3.2 Khởi động mềm điều khiển 3 cặp van

Giới hạn dòng điện I <= 3Idm ( 3Idm ≈ 1030A)

Với ý tưởng, khi Irms <= 3Idm giữ Udk sao cho khi Irms <= 3Idm, lại tăng Udk

Ta có Ux = 60%Udm= 132 (V)

Ux = 0 => Cosa = 2 - 1

Từ đây ta thấy nếu Ux = U0 thì a = 0

Vậy với Ux=132V thì ta có a= 780

Mặt khác, sử dụng điện áp tựa răng cưa sườn lên nên ta có

Hình 3.11 Sơ đồ mô phỏng trong matlab[2]

Chi tiết cụ thể các khối có thể xem trong file mô phỏng [2]

Kết quả mô phỏng

Hình 3.12 Dạng dòng điện hiệu dụng khi khởi động [2]

KẾT LUẬN

Sau quá trình học tập và nghiên cứu, cùng với sự hướng dẫn của thầy Vũ Hoàng Phương, em cơ bản đã hoàn thành được bài tập lớn môn học “Thiết kế

hệ thống điều khiển điện tử công suất ”

-Tìm hiểu công nghệ và yêu cầu đối với việc khởi động động cơ

-Áp dụng được kiến thức đã được giảng dạy để thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển hệ thống

-Áp dụng bài học vào việc tính toán và chọn linh kiện cho việc thiết kế

Tuy vậy, do kinh nghiệm của nhóm chưa được nhiều nên chắc chắn sẽ có nhiều thiếu sót trong thiết kế Em mong rằng sẽ nhận được sự góp ý của thầy và các bạn để đồ án có thể hoàn thiện hơn và bản thân mỗi cá nhân trong nhóm cũng có them kinh nghiệm trong thiết kế

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Phạm Quốc Hải- Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất

[2] Florin Iov, Anca Daniela Hansen, Poul Sorensen , Frede Blaabjerg - Wind Turbine Blockset in Matlab Simulink

[3] Jose de Oliveira, Ademir Nied, Mario Henrique Farias Santos and Rogerio Pinho Dias – Study on the Energy Efficiency of Soft Starting of an Induction Motor with Torque Control

[4] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn- Cơ sở truyền động điện