Điều Khiển Bộ Điều Áp Xoay Chiều Ba Pha

Điều Khiển Bộ Điều Áp Xoay Chiều Ba Pha

Đề tài: Điều Khiển Bộ Điều Áp Xoay Chiều Ba Pha

I- Các số liệu ban đầu:

- Công suất động cơ (Pđc) : 80 KW.

- Điện áp định mức (Uđm) : 380/220 V.

- Hệ số cosφ : 0,68 => θ = 470.

- Tốc độ định mức (n) : 580 v/p.

- Hiệu suất (η) : 0,79

II- Giới thiệu chung:

1- Giới thiệu chung về công nghệ của động cơ không đồng bộ ba pha.

2- Giới thiệu về các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ.

III- Nội dung thiết kế:

1- Giới thiệu và thiết kế mạch lực.

2- Giới thiệu và tính toán mạch điều khiển.

- Nguyên tắc điều khiển.

- Khối đồng pha, dồng bộ.

- Khối tạo luật điều khiển.

- Khối so sánh.

- Khối tạo xung điều khiển và tách xung.

- Khối khuếch đại xung.

- Khối nguồn.

3- Bản vẽ sơ đồ nguyên lý tổng thể.

4- Kết luận.

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA 4

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG MÁY 4

I- GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ: 4

II- CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ: 4

1- Các yêu cầu khởi động động cơ: 4

2- Các phương pháp mở máy: 5

a/ Phương pháp “Khởi động cứng”: 5

b/ Phương pháp “Khởi động mềm”: 5

3- Lựa chọn phương án: 5

CHƯƠNG II: NỘI DUNG THIẾT KẾ 6

I- GIỚI THIỆU VÀ THIẾT KẾ MẠCH LỰC: 6

1- Giới thiệu mạch lực: 6

2- Hoạt động của mạch: 6

3- Tính toán mạch lực: 7

a/ Tính thông số valve: 7

b/ Điều kiện làm mát cho valve: 8

c/ Mạch bảo vệ valve: 8

II- GIỚI THIỆU VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN: 9

1- Khâu đồng bộ: 10

a/ Đồng pha: 10

b/ Đồng bộ: 10

2- Khâu tạo điện áp răng cưa: 11

3- Khâu tạo luật điều khiển: 12

a/ Chức năng: 12

b/ Tính toán linh kiện: 12

4- Khâu so sánh: 13

5- Khâu tạo xung kép: 14

a/ Tạo xung đơn: 14

b/ Tách xung: 15

6- Khâu khuếch đại xung: 16

a/ Phần khuếch đại xung: 16

b/ Biến áp xung: 16

7- Khối nguồn: 17

a/ Mạch cấp nguồn DC (W2): 18

b/ Biến thế nguồn: 18

8- Tổng hợp linh kiện và sơ đồ chi tiết mạch điều khiển: 21

a/ Bảng tổng hợp linh kiện: 21

b/ Sơ đồ chi tiết mạch điều khiển: 22

LỜI MỞ ĐẦU

- Ngày nay, cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật trongcông nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện tử thì các thiết bị điện tử có công suấtlớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều Đặc biệt là các ứng dụng của nó vào cácngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang được phát triển hết sứcmạnh mẽ

- Tuy nhiên, để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công nghiệp thìngành điện tử công suất phải luôn nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưu nhất Đặc biệtvới chủ trương công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước, các nhà máy, xí nghiệp cầnphải thay đổi, nâng cao công nghệ bằng cách đưa công nghệ điều khiển tự động vàotrong sản xuất Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an toàn, chínhxác Đó là nhiệm vụ mà nghành 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 đủnăng 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 sâu rộng Chính vì vậy,

đồ án môn học 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 chosinh 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 hướngdẫn của thầy giáo Qua đây, em xin được gởi lời cám ơn đến thầy Phạm Quốc Hải đãtận tình chỉ dẫn để em có thể hoàn thành đề án này

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG MÁY I- GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ:

- Trong lịch sử máy điện, máy điện không đồng bộ (KĐB) ra đời muộn hơn so với các loạimáy điện khác, nhưng đến hiện nay, nó là loại máy điện được sử dụng rộng rãi nhất trong cácngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng trăm kW

- Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng bộ làm nguuồn động lực cho cácmáy gia công chế tạo sản phẩm

- Trong đời sống hàng ngày, máy điện không đồng bộ cũng dần dần chím một vị trí quantrọng như: quạt gió, động cơ bơm gia dụng …

- Sở dĩ máy điện không đồng bộ được sử dụng và phát triển nhanh chóng như vậy bởinhững tính năng nổi bật và vượt trội so với máy điện một chiều và máy điện đồng bộ như:

• Có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo

• Làm việc chắc chắn, vận hành tin cậy, hiệu suất tương đối cao Chi phí vận hành và bảo trìsửa chữa thấp

• Sử dụng trực tiếp với lưới điện xoay chiều do đó không tốn chi phí cho các bộ biến đổi

• Giá thành thấp, dễ chấp nhận

- Tuy nhiên, máy điện không đồng bộ chủ yếu được sử dụng ở chế độ động cơ nên mộttrong những nhược điểm của nó là dòng khởi động thường cao (thường từ khoảng 4 ÷ 7 lầndòng định mức) Điều này không những làm cho thân máy bị nóng mau giảm tuổi thọ động cơ

mà còn làm cho điện áp lưới điện giảm sút nhiều, nhất là với những lưới điện công suất nhỏ

- Do đó vấn đề đặt ra là ta phải giảm được dòng điện mở máy của động cơ không đồng bộ

và đặc biệt là động cơ không đồng bộ roto ngắn mạch Việc tác động vào động cơ roto ngắnmạch thường khó khăn hơn so với động cơ roto dây quấn, tuy nhiên, hiện nay với việc áp dụngnhững ứng dụng của điện tử công suất thì công việc đó đã trở nên dễ dàng hơn

II- CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ:

- Khi bắt đầu mở máy, roto đang đứng yên, hệ số trượt = 1 nên dòng điện mở máy được tínhtheo mạch điện tương đương với công thức như sau:

2 ' 2 1 1 2 ' 2 1 1

1

) (

) ( r C r x C x

U

Ik

+ + +

=

- Từ công thức trên, ta thấy dòng điện khởi động phụ thuộc vào cấu tạo của động cơ và phụthuộc nhiều vào điện áp lưới

1- Các yêu cầu khởi động động cơ:

Đối với một động cơ, công việc mở máy cần đạt được các yêu cầu sau:

- Momentt mở máy càng lớn càng tốt hoặc đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải

- Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt

- Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng nhỏ càng tốt

- Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng nên đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn

2- Các phương pháp mở máy:

- Hiện nay có khá nhiều phướng pháp khởi động máy, nhưng có thể phân chia thành haiphương pháp chính, đó là phương pháp khởi động cứng và phương pháp khởi động mềm

a/ Phương pháp “Khởi động cứng”:

- Mở máy trực tiếp thông qua các thiết bị đóng cắt như: cầu dao, khởi động từ …

- Hạ điện áp mở máy bằng biến áp tự ngẫu, phương pháp này giảm được dòng mở máynhưng đồng thời cũng làm giảm momentt mở máy Với cách này, bên cao áp được nối với lướiđiện, bên hạ áp nối với động cơ, sau thời gian mở máy, biến áp được loại ra khỏi mạch điện

- Nối điện kháng trực tiếp vào mạch điện stator Khi mở máy, một điện kháng được đặt nốitiếp vào trong mạch điện stator, sau thời gian mở máy thì điện kháng này sẽ bị nối ngắn mạch

- Đổi nối Y-∆

+ Ưu điểm: Thiết bị khởi động đơn giản, dễ lắp đặt, giá thành thấp, dễ bảo trì sửa chữa + Nhược điểm: Chỉ sử dụng cho những động cơ có công suất nhỏ, khó đồng bộ hóa với

việc điều khiển cho toàn hệ thống Khả năng đáp ứng chậm, không thựchiện được việc dừng mềm khi có yêu cầu

b/ Phương pháp “Khởi động mềm”:

- Sử dụng phương pháp Biến tần

- Sử dụng phương pháp Điều áp xoay chiều

+ Ưu điểm: Thiết bị điều khiển nhỏ gọn Khả năng đáp ứng nhanh Đặc tính điều chỉnh trơn.

Dễ đồng bộ hóa với việc điều khiển toàn hệ thống Phù hợp với nhu cầu hiện đạihóa trong công nghiệp Có thể thực hiện việc dừng mềm khi có nhu cầu Với giáthành hiện nay, chi phí lắp hệ thống khởi động mềm cũng không cao Sử dụngđược cho những động cơ công suất lớn

+ Nhược điểm: Dạng điện áp và dòng điện qua điều khiển cấp cho tải sẽ không còn là hình

sin trong dải điều chỉnh Do mạch điều khiển phức tạp nên người vận hànhcần phải có một trình độ hiểu biết nhất định Việc kiểm tra bảo trì phức tạphơn

3- Lựa chọn phương án:

- So sánh ưu và nhược điểm của hai phương án khởi động động cơ không đồng bộ trên, kếthợp với thời kỳ công nghiệp hóa hiện nay của nước ta và do số liệu của động cơ, đề án này xinchọn phương án khởi động mềm để khởi động cho động cơ mà cụ thể là phương pháp “Điều

áp xoay chiều ba pha” dùng 6 thyristor đấu theo kiểu song song ngược vì đây là phương phápthông dụng nhất hiện nay và có giá thành thấp trong khi yêu cầu chì cần khởi động mềm chođộng cơ

CHƯƠNG II: NỘI DUNG THIẾT KẾ

I- GIỚI THIỆU VÀ THIẾT KẾ MẠCH LỰC:

- Nhược điểm chung và cơ bản nhất của ĐAXC là điện áp ra tải không sin trong toàn dảiđiều chỉnh, điều chỉnh càng sâu – càng giảm điện áp ra thì độ méo càng lớn, tức là thành phầnsóng hài bậc cao cũng càng lớn Nhưng vì phạm vi của đề án này là khởi động động cơ, thờigian khởi động chỉ trong khoảng 3 ÷ 30s và tải là động cơ bơm nên ta có thể chấp nhận đượcphương án này

- Do tải yêu cầu là dòng điện xoay chiều nên valve bán dẫn ở đây có thể dùng là:

• TRIAC, đây là valve bán dẫn duy nhất cho phép dòng điện chảy theo cả hai chiều Tuynhiên loại valve này thường có công suất nhỏ và giá thành tương đối cao

• Ghép hai valve chỉ cho phép dẫn một chiều bằng cách đấu song song ngược nhau, lúc đómỗi valve đảm nhận một chiều của dòng tải Bằng cách này có thể ghép hai thyristor vớinhau hay một thyristor với một diode Trong đề án này, ta chọn theo phương pháp là ghép

6 thyristor theo kiểu song song ngược và đây cũng là phương pháp thông dụng nhất hiệnnay

- Nguyên tắc điều chỉnh của ĐAXC là điều chỉnh góc mở của valve bán dẫn Các valve làmviệc với điện áp xoay chiều nên được khóa tự nhiên bằng điện áp nguồn và cũng chịu ảnhhưởng của lưới điện đến valve, kiểu điều khiển valve là dịch pha điểm phát xung so với phanguồn xoay chiều, tức là sử dụng mạch điều khiển xung - pha

2- Hoạt động của mạch:

- Mạch hoạt động theo quy luật chung:

• Trường hợp 3 valve dẫn: Mỗi pha có 1 valve dẫn => Utải = Unguồn

• Trường hợp 2 valve dẫn: Có 2 pha có valve dẫn và 1 pha không valve nào dẫn => điện áppha tải = ½ điện áp dây nguồn và có 1 pha không có điện áp

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

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

• 0 o > α > 60 o :

- Trong vùng này có hai trạng thái kế tiếp nhau

đó là 3 valve dẫn → 2 valve dẫn Giai đoạn 3

valve dẫn dài 60o ÷ α, giai đoạn 2 valve dẫn

bằng chính α

- Góc dẫn của valve λ = (180o – α), valve ngắt khi

điện áp pha nguồn = 0

• 60 o > α > 90 o :

- Vùng điều khiển này luôn chỉ có 2 valve dẫn và

không phụ thuộc vào góc điều khiển α

- Valve trong cùng nhóm (chẳn hoặc lẽ) thay

nhau dẫn, valve sau mở thì valve trước mới

khóa lại Lúc đó góc dẫn của valve λ = 120o

- Điện áp ra tải không còn đoạn bằng điện áp

nguồn mà chỉ có thể = ½ điện áp dây

• 90 o > α > 150 o :

- Trong vùng điều khiển này có 2 trạng thái thay

thế nhau là 2 valve dẫn và không valve nào

dẫn

- Valve không dẫn liên tục mà dẫn thành 2 giai

đoạn xen giữa một khoản nghỉ

- Valve ngắt dòng mỗi khi điện áp dây nguồn về

10 80 cos

3

3

A I

U Pd

t

ϕη

- Theo cách đấu của mạch lực này (6 thyristor đấu song song – ngược), tra theo bảng “Cáctham số tính toán cho ĐAXC ba pha” (Trang 188 – Tài liệu hướng dẫn thiết kế ĐTCS) ta có:

Itb valve = 0,45.It.klv = 0,45 226 1,6 = 362 (A)

(Chọn thông số klv = 1.6 là hệ số dự trữ dòng)

b/ Điều kiện làm mát cho valve:

Qua thực nghiệm cho ta thấy:

- Ở điều kiện làm mát tự nhiên, valve làm việc tốt với 25% dòng điện định mức

- Ở điều kiện làm mát cưỡng bức, valve làm việc với 30%-60% dòng điện định mức

=> Ta chọn điều kiện làm mát cưỡng bức để valve có thể làm việc tốt với 40% dòng điệnđịnh mức

4,0

- Chọn hệ số dự trữ điện áp cho valve: Chọn kuv = 1.6

Ung valve = kuv Ung max = 1,6 537,4 = 860 (V)

- Theo điều kiện Itb valve thực = 565A và Ung valve = 860V, tra theo bảng 2.2.2 (Trang 437 - Tài liệu

hướng dẫn thiết kế ĐTCS), ta có thể chọn valve T588N là loại của Tây Âu có dãy điện áp trong

lúc này sẽ tương đương:

Uv max = 2.1,05 220 = 326,7 (V)

- Xét quá trình quá độ trong mạch:

dt

di L iR

- Tốc độ tăng dòng lớn nhất khi

L

U dt

=> Chọn cuộn kháng L có trị số sao cho van

dt

di L

U van dt

di dt

=> max 200326.10,76 1.6( H)

dt di

U

L> van = = µ => Chọn L = 3µH.

- Các cuộn cảm này thường có lỏi là không khí, với giá trị cuộn cảm là 3µH, ta chọn kíchthước cuộn dây là: D = h = 0,15m Tra theo đồ thị “Hệ số điều chỉnh k” của cuộn cảm là lõikhông khí ta có: tương ứng với h/D = 1 thì k = 0,68

- Vậy ta có số vòng dây là:

)(768

,0

10.10.5.15,015,0

110

vòng k

hL D

ππ

► Bảo vệ quá áp:

- Gồm các phần tử là R và C tạo thành mạch RC mắc song song với valve Thông số cácphần tử này được tính như sau:

)(10.1140220

.2.564,0

10.200

564,0

3 6

1

6 2 6 2

0

F L

3928,1928

311.10.25,02

2

2 6 2

max 2

2 max

.10

012,0012,0

3 2

t

W W

- Do công suất phát nhiệt trên valve lớn nhất không thể vượt quá tổng 2 công suất vừa tính:

PR < (PR khóa + PR) = 0,007 + 2,4 = 2,407(W)

=> Chọn điện trở có công suất từ 3W đến 5W.

-Vậy giá trị các phần tử mạch bảo vệ valve là:

II- GIỚI THIỆU VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN:

► Yêu cầu chung của mạch điều khiển:

- Phát xung điều khiển đến các valve lực theo đúng thứ tự pha và theo đúng góc điều khiển

α cần thiết

- Đảm bảo phạm vi điều khiển αmin ÷ αmax tương ứng với phạm vi thay đổi điện áp ra tải củamạch lực

- Cho phép bộ điều áp làm việc bình thường với các chế độ khác nhau do tải yêu cầu

- Góc điều khiển mọi valve không được lệch quá (1 ÷ 3)o điện

- Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện xoay chiều dao động cả về giá trịđiện áp và tần số

- Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt

- Độ tác động của mạch điều khiển nhanh, dưới 1ms

- Đảm bảo xung điều khiển phát tới các valve phù hợp để mở chắc chắn valve

► Sơ đồ khối mạch điều khiển:

- Nguyên tắc điều khiển dọc:

- Hoạt động: Khâu ĐB thường tạo ra điện áp hình sin có góc lệch pha cố định so với điện áplực Utựa tạo ra điện áp tựa có dạng cố định (thường có dạng răng cưa, đôi khi có dạng hình sin)theo chu kỳ do nhịp đồng bộ của Uđb Khâu so sánh (SS) xác định điểm cân bằng của hai điện

áp Utựa và Uđk để phát động khâu tạo xung DX Như vậy trong nguyên tắc này thời điểm phátxung mở valve hay góc điều khiển thay đổi do sự thay đổi trị số của Uđk

1- Khâu đồng bộ:

a/ Đồng pha:

- Tại phần đồng pha này, ta có thể sử dụng theo cách đơn giản là sử dụng biến áp đồng pha

Có thể dùng 3 biến áp 1 pha cho mỗi pha Tuy nhiên, vì trong mạch điều khiển còn có nhữngkhâu khác cũng cần dùng đến biến áp nên thường chỉ dùng chung một biến áp có nhiều cuộndây thứ cấp, mỗi cuộn thực hiện nột chức năng riêng trong đó có cuộn dành cho việc lấy tínhiệu đồng pha

- Khâu tạo điện áp đồng bộ cho bộ ĐAXC 3 pha để điều chỉnh 6 thyristor thường cần một hệđiện áp 6 pha làm điện áp đồng bộ Góc α được tính từ góc “0” Hệ điện áp pha này bao gồm 6điện áp đồng bộ hình sin lệch nhau một góc = π/3 Do đó ta cần phải đấu cuộn sơ cấp của biến

áp đồng pha với điện áp pha của nguồn lực, điểm trung tính được nối với điểm “0” của mạchđiều khiển Các điện áp lấy ra từ thứ cấp a, a’, b, b’, c, c’ sau khi qua chỉnh lưu được dùng làmđiện áp đồng pha của các pha A, B, C tương ứng

2

=> Chọn D1 và D2 kà loại 1N4002 với tham số Itb = 1A và Ungmax = 100V

- Mạch so sánh tạo xung đồng bộ, chọn OA là loại TL082 là loại chứa hai vỏ trong cùng một

IC do đó 1 vỏ còn lại sẽ dùng cho mạch tạo xung răng cưa IC có sơ đồ chân như sau:

- Chọn R1 = 15K.

- Để có phạm vi điều chỉnh góc điều khiển 150o => góc điều khiển nhỏ nhất là:

Αmin = 0,5(180o – 150o) = 15o

=> Điện áp ngưỡng là: U 2 U sin min 2 10 sin 15o 3 , 66 ( V )

Udf

-10.00 50.00

Udb

-20.00 20.00

- Biểu đồ trên là kết quả mô phỏng với các thông số linh kiện đã tính toán

2- Khâu tạo điện áp răng cưa:

ms f

T= = = trong khi đó, tại mỗi ½ chu kỳ của điện áp lực ta phải tạo được 1

xung răng cưa

=> trc = tp + tn =10ms

- Thời gian tụ C1 phóng điện chính là thời gian tương ứng phạm vi điều chỉnh góc điều khiển

α, do đó, góc 150o được quy đổi thành thời gian là:

) ( 33 , 8 180

) ( 10 150

22 , 0 10

10 33 , 8 15 1

t E R

DZ p

=> Chọn R3 = 56K và 1 biến trở nối tiếp là P2 = 100K (chỉnh P2 = 50K) Cụm điện trở

R3 và P2 này dùng để chỉnh thời gian phóng của tụ, do vậy chỉnh P2 cũng sẽ chỉnh được thờigian phục hồi cho tụ