Thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng IGBT

Thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng IGBT

Đề tài : số33

Thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng

IGBT.tham số động cơ U= 380VAC , P=10kw, f=0- 120Hz, cos=0.82

Điều khiển theo luật U/f

Lời núi đầu

Trong những năm gần đõy, lĩnh vực điều khiển và truyền động điện đó phỏt triển mạnh mẽ

Đặc biệt với sự phỏt triển của khoa học kĩ thuật điện tử tin học núi riờng đó khai thỏc tất cả cỏc ưu điểm nổi bật vốn cú của động cơ khụng đồng bộ và động cơ một chiều

Với đồ ỏn này em đó nờu ra một khớa cạnh nhỏ trong lĩnh vực điều khiển động cơ khụng đồng bộ rụto lồng súc

“Thiết kờ biến tần 3 pha để điều chỉnh tốc độ động cơ khụng đồng bộ”

Nội dung cỏc chương mục như sau :

Chương 1 : Tổng quan về cụng nghệ

Giới thiệu về động cơ khụng đồng bộ, cỏc hệ thống biến tần

Chương 2 : Tớnh chọn mạch cụng suất

Mạch động lực, đi sõu vào nguyờn lớ làm việc của hệ thống thiết bị cũng như cỏc phương phỏp tớnh chọn mạch và bảo vệ mạch

Chương 3 : Thiết kế mạch điều khiển

Ứng dụng của kĩ thuật xung số để điều khiển hoạt động của mạchChương 4 : Kết qủa

Ứng dụng bằng phần mềm để mụ phỏng hệ thống và hiện thực hoỏ nú trờn phần cứng

Em xin chõn thành cảm ơn cỏc thầy cụ trong khoa điện đó tận tỡnh chỉ bảo trong thời gian làm đề tài

Hải Phũng , Ngày Thỏng Năm 2008

Mục Lục

Chương 1 : Tổng quan về công nghệ

§1 Sơ lược về động cơ không đồng bộ

Biến tần gián tiếp nguồn áp

§3 Phần tử bán dẫn công suất lớn IGBT

§4 Điều chỉnh và nâng cao chất lượng bộ điều khiển

Nhắc lại về phương pháp biến tần cổ điển

Biến tần đa bậc

Phương pháp điều biến độ rộng xung PWM

Phương pháp véc tơ không gian SVM

Chương 2:Tính chọn mạch công suất (mạch động lực)

§1 Lựa chọn mạch công suất phù hợp.

Chương 3: Thiết kế mạch điều khiển

§1 Giới thiệu các khâu điều khiển cần thiết

Mạch lái

Mạch cách ly

Mạch giao tiếp với máy tính

Mạch điều khiển

§2.Tính toán phần cứng khâu điều khiển

§3.Lập trình phần mềm cho khối điều khiển

Chương 4: Kết qủa

§1 Ghép nối thàn sơ đồ hoàn chỉnh

§2 Mô phỏng bằng phần mềm

§3 Phần cứng

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ

§1 Sơ lược về động cơ không đồng bộ

A Cấu tạo.

a Phần tĩnh (Stato)

Vỏ máy : Thường làm bằng gang Đối với máy có công suất lớn

(1000 kW), Thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ Vỏ máy có tácdụng cố định và bảo vệ, không dùng để dẫn từ

Lõi sắt : Được làm bằng thép lá kĩ thuật điện dày : 0.35mm đến 0.5

mm ghép lại Vì lõi sắt là phân từ, đồng thời từ trường đi qua lõi sắt là từ trường xoay chiều, nhằm giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên mỗi lá thép kĩ thuật điện đều có phủ lớp sơn cách điện Mặt trong của lõi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn

Dây quấn : Được đặt vào các rãnh của lõi sắt và cách điện tốt với

lõi sắt Dây quấn stato gồm có ba cuộn dây đặt lệch nhau 120º điện

b Phần quay (Rôto)

Trục : làm bằng lõi thép để đỡ lõi sắt rô to.

Lõi sắt : gồm các lá thép kĩ thuật điện giống như ở phần stato Lõi

sắt được ép trực tiếp lên trục Bên ngoài có xẻ rãnh để đặt dây quấn

Dây quấn Rô to: Gồm hai loại

Rô to kiểu dây quấn:

Rô to kiều lồng sóc :

c Khe hở : của động cơ đồng bộ rất nhỏ (0.2mm đến 1mm) Do dó

rôto là một khối tròn nên rô to rất đều

B Đặc điểm

Cấu tạo đơn giản

Đấu trực tiếp với điện lưới xoay chiều 3 pha

Tốc độ quay của rô to nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay của stato n < n1

Trong đó :

N : tốc độ quay của rô to

N1: tốc độ quay của từ trường quay

C Nguyên lí làm việc.

Khi nối dây quấn stato vào lưới điện xoay chiều 3 pha, trong động cơ sẽ sinh ra một từ trường quay Từ trường này quét qua các thanh dẫn rôto, làm cảm ứng trên dây quấn rôto một sức điện động e2,

từ đó sinh ra dòng điện i2 chạy trong dây quấn rô to

Dòng điện i2 tác động tương hỗ với từ trường stato tạo ra lực điện

từ trên dây dẫn rôto và mômen quay làm cho rô to quay với tốc độ n theo chiều quay của từ trường

Tốc độ quay của rôto n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay Stato n1 Có sự chuyển động tương đối giữa rôto và từ trường quay stato duy trì được dòng điện i2 và môment Vì tốc độ của rôto khác với tốc độ của từ trường quay stato nên gọi là động cơ không đồng bộ

D Các đại lượng đặc trưng và phương trình cơ bản

a Hệ số trượt : để biểu thị mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của rô to

n và tốc độ quay của từ trường quay n1

11

s n



Khi rôto đứng yên : E20 4.44*f20*K W2* 2*m

Khi rôto chuyển động : E2s 4.44* f2s*K W2* 2*m

Trong đó : K2 : Hệ số cuốn dâyf20 = f1

f2s = s * f1W2 : số vòng dây

 (0.8, 0.9)

U I

U I

2 2 2

2 1

2 1

2

2 2 1

1 ' 2

nm

nm nm

e Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ:

Ảnh hưởng của điện áp lưới

Môment tỷ lệ theo bình phương điện áp

Hê số trượt vẫn không thay đổi

Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato

Môment tỷ lệ nghịch với điện trở, hay điện kháng

Hệ số trượt tỷ lệ nghịch với điện trở, hay điện kháng

Ảnh hưởng của số đôi cực p.

Khi thay đổi số đôi cực p thì tần số lưới thay đổi, dẫn đến tốc độ cũng thay đổi

Ảnh hưởng tần số.

Quy tắc điều chỉnh giữ cho khả năng quá tải không đổi

' 2

max max 1

1 ' '2 2 '

max 1 1

2 '2 max 1 1

U const f



Luật điều khirn giữ cho công suất không đổi :P=const

' ' 1 1 ' '

§2 Tổng quan về các hệ thống biến tần

A Khái niệm.

Biến tần là thiết bị tổ hợp các linh kiện điện tử thực hiện chức năng biến đổi tần số và điện áp một chiều hay xoay chiều nhất định thành dòng điện xoay chiều có tần số điều khiển được nhờ khoá điện tử

B Phân loại

Biến tần trực tiếp:

Còn gọi là biến tần phụ thuộc Thường gồm các nhóm chỉnh lưu điều khiển mắc song song ngược, cho xung lần lượt hai nhóm chỉnh lưu trên ta có thể nhận được dòng điện xoay chiều trên tải.Như vậy điện áp xoay chiều U1(f1) chỉ cần qua một van là chuyểnngay ra tải với U2(f2)

Tuy nhiên, đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van rất phức tạp chỉ sử dụng cho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp Vì việc thay đổi tần số f2 khó khăn và phụ thuộc và f1

Ví dụ

Biến tần gián tiếp:

Còn gọi là biến tần độc lập Trong biến tần này đầu tiên điện áp được chỉnh lưu thành dòng một chiều Sau đó qua bộ lọc rồi trở lạidòng xoay chiều với tần số f2 nhờ bộ nghịch lưu độc lập (quá trìnhthay đổi f2 không phụ thuộc vào f1)

Việc biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất biến tần

Tuy nhiên việc ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kĩ thuật vi xử lí nên

ta phát huy tối đa các ưu điểm của biến tần loại này và thường sử dụng nó hơn

C Phân loại biến tần gián tiếp

Do tính chất của bộ lọc nên biến tần gián tiếp lại được chia làm hai loại

Biến tần gián tiếp nguồn áp :

Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn dòng, dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc và dạng của dòng điện của nguồn, còn dạng điện áp trên tải phụ thuộc và các thông số của tải quy định

Biến tần gián tiếp nguồn dòng :

Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn áp,dạng của điện áp trên tải phụ thuộc và dạng của điện áp của nguồn, còn dạng dòng điện trên tải phụ thuộc và các thông số của tải quy định

So sánh hai loại biến tần:

Trong bộ biến tần nguồn dòng, khi hai khoá bán dẫn trong cùngmột nhánh của bộ nghịch lưu cùng dẫn (do kích nhầm hoặc do chuyển mạch), dòng ngắn mạch qua hai khoá được hạn chế ở mức cực đại Trong bộ biến tần nguồn áp, việc này có thể gây

C1 C3

C5

C4

C2 C6

L2

L1 Lo

ra sự cố ngắn mạch làm hỏng khoá bán dẫn Do đó có thể xem biến tần nguồn dòng làm việc tin cậy hơn biến tần nguồn áp.

Do mạch chỉnh lưu tạo nguồn dòng có thể hoạt động ở chế độ trả năng lượng về nguồn, bộ biến tần nguồn dòng có thể làm việc hãm tái sinh Với bộ biến tần nguồn áp, việc hãm tái sinh muốn thực hiện cần thêm vào hệ thống một cầu chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn

Trong trường hợp mất nguồn lưới khi đang hoạt động, bộ biến tần nguồn áp có thể hoạt động ở chế độ hãm động năng, nhưng

bộ biến tần nguồn dòng không thể hoạt động ở chế độ này khi đó

Bộ biến tần nguồn dòng được sử dụng cuộn kháng L khá lớn trong mạch chỉnh lưu tạo ra nguồn dòng, điều này làm đáp ứng quá độ của hệ thống chậm hơn so với bộ biến tần nguồn áp kiểuPWM

Với bộ biến tần nguồn áp, dễ dàng áp dụng kĩ thuật PWM để điều khiển đóng ngắt các khoá bán dẫn Kĩ thuật PWM cho phép giảm tổn thất do sóng hài bậc cao gây nên trên động cơ, không gây ra môment đạp làm rung động cơ ở tốc độ thấp Tuy nhiên, kĩ thuật điều chế kiểu PWM khó áp dụng cho biến tần nguồn dòng, nếu có cũng chỉ áp dụng cho tần số hoạt động thấp

Khi hoạt động với nguồn cấp là DC bộ biến tần nguồn áp nhỏ gọn và rẻ tiền hơn so với biến tần nguồn dòng thường cồng kềnh do phải sử dụng cuộn kháng L lớn và các tụ chuyển mạch

có giá trị cao

Dải điều chỉnh biến tần nguồn dòng thấp hơn dải điều chỉnh củabiến tần nguồn áp

D Cấu trúc của bộ biến tần nguồn áp

Bộ biến tần nguồn áp có ưu điểm là tạo ra dạng dòng điện và điện áp sin hơn, dải biến thiên tần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn

Bộ biến tần nguồn áp có hai bộ phận riêng biệt.

Bộ nghịch lưu:Là bộ phận rất quan trọng của bộ biến tần, nó biến đổi dòng điện một chiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng điện xoay chiều có tần số f2

b Phần điều khiển

Là bộ phận không thể thiếu quyết định sự làm việc của mạch động lực, để đảm bảo yêu cầu về tần số, hình dáng điện áp ra của bộ biến tần đều do mạch điều khiển quyết định

Bộ điều khiển thông thường gồm 3 phầnKhâu phát xung chủ đạo : là khâu tự dao động tạo ra xung điều khiển đưa đến bộ phận phân phối xung điều khiển đến từng trazitor Khâu này đảm nhận điều chỉnh xung một cách dễ dàng,ngoài ra còn có thể đảm nhận chức năng khuếch đại xung

Khâu phân phối xung: làm nhiệm vụ phân phối các xung điều khiển vào khâu phát xung chủ đạo

Khâu khuếch đại trung gian: có nhiệm vụ khuếch đại xung nhậnđược từ bộ phân phân xung đưa đến đảm bảo kích thích mở van:

Ngày nay với sự phát triển của kĩ thuật vi điều khiển Cấu trúc

bộ điều khiển đã có sự thay đổi Điều này sẽ đượ nói kĩ ở phần sau

§3 Phẩn tử bán dẫn công suất lớn IGBT.

A Giới thiệu.

Transistor có cực điều khiển cách ly(Insulated Gate Bipolar

Transistor),hay IGBT là một linh kiện bán dẫn công suất 3 cực được phát minh bởi Hans W Beck và Carl F Wheatley vào năm 1982.IGBT

kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thường Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ.

B Cấu tạo nguyên lý hoạt dộng

Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là

có thêm lớp nối với collector tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa

emiter( tương tự cực gốc) với collector(tuơng tự với cực máng), mà không phải là n-n như ở MOSFET Vì thế có thể coi IGBT tương đương với một transistor p-n-p với dòng base được điều khiển bởi một MOSFET

Dưới tác dụng của áp điều khiển Uge>0, kênh dẫn với các hạt mang điện là các điện tử được hình thành, giống như ở cấu trúc

MOSFET.Các điện tử di chuyển về phía collector vượt qua lớp tiếp giáp n-p như ở cấu trúc giữa base và collector ở transistor thường,tạo nên dòng Collector

C Quá trình đóng cắt

Do có cấu trúc đặc thù mà điện áp thuận giữa C và E trong chế độ dẫn

ở dòng IGBT thấp hơn so với ở MOSFET Tuy nhiên cũng do cấu trúcnày mà thời gian đóng cắt của IGBT chậm hơn so với MOSFET, đặc biệt là khi khoá lại

D Vùng làm việc an toàn

Vùng làm việc an toàn được thể hiện dưới dạng đồ thị quan hệ giữa điện áp và giá trị dòng điện lớn nhất mà phần tử có thể hoạt động được trong mọi chế độ, khi dẫn, khi khóa, cũng như trong các quá trình đóng cắt SOA của IGBT được biểu diễn ở hình bên

Ở hình đầu tiên biểu diễn khi điện áp đặt lên cực điều khiển và emitor

là dương và hình thư hai thì điện áp này là âm Khi điện áp điều khiển dương, SOA có dạng hình chữ nhật với góc hạn chế ở phía trên, bên phải, tương ứng với chế độ dòng điện và điện áp lớn Điều này có nghĩa

là khi chu kì đóng cắt càng ngắn, ứng với tần số làm việc càng cao thì khả năng đóng cắt công suất càng suy giảm Khi đặt điện áp điều khiển

âm lên cực điều khiển và emitor, SOA lại bị giới hạn ở vùng công suất lớn do tốc độ tăng điện áp quá lớn sẽ dẫn đến xuất hiện dòng điện lớn đưa vào vùng p của cực điều khiển, tác dụng giống như dòng điều khiển làm IGBT mở trở lại như tác dụng đối với cấu trúc của thyristor Tuy nhiên khả năng chịu đựng tốc độ tăng áp ở IGBT lớn hơn nhiều so với ở các phần tử bán dẫn công suất khác

Giá trị lớn nhất của dòng cho phép collector cho phép Icm được chọn sao cho tránh được hiện tượng chốt giữ dòng, không khóa lại được, giống như ở thyristor Hơn nữa, điện áp điều khiển lớn nhất Uge cũng phài được chọn để có thể giới hạn được dòng điện Ice trong giới hạn lớn nhất cho phép này trong điều kiện sự có ngắn mạch bằng cách chuyển đổi bắt buộc từ chế độ bão hòa sang chế độ tuyến tính Khi đó dòng Ice được giới hạn không đổi, không phụ thuộc vào điện áp Uce lúc đó Tiếp theo IGBT phải được khóa lại trong điều kiện đó, càng nhanh càng tốt để tránh phát nhiệt quá mạnh Tránh được hiện tượng chốt giữ dòng bằng cách liên tục theo dõi dòng collector là điều cần thiết khi thiết kế IGBT

E Yêu cầu với tín hiệu điều khiển

IGBT là phần tử điều khiển bằng điện áp, giống như MOSFET, nên yêu cầu điện áp có mặt liên tục trên cực điều khiển và emitơ để xác định chế độ khoá, mở Mạch điều khiển cho IGBT có yêu cầu tối thiểu như được biểu diễn qua sơ đồ sau:

F Vấn đề bảo vệ IGBT

Thông thường IGBT được sử dụng trong những mạch đóng cắt tần số cao, từ 2 đến hàng chục kHz Ở tần số đóng cắt cao như vậy, những sự

cố có thể phá hủy phần tử rất nhanh và dẫn đến phá hỏng toàn bộ thiết

bị Sự cố thường xảy ra nhất là quá dòng do ngắn mạch từ phía tải hoặc từ các phần tử có lỗi do chế tạo hoặc lắp ráp

Có thể ngắt dòng IGBT bằng cách đưa điện áp điều khiển về giá trị

âm Tuy nhiên quá tải dòng điện có thể đưa IGBT ra khỏi chế độ bão hòa dẫn đến công suất phát nhiệt tăng đột ngột, phá hủy phần tử sau vài chu kỳ đóng cắt Mặt khác khi khóa IGBT lại trong một thời gian rất ngắn khi dòng điện rất lớn dấn đến tốc độ tăng dòng quá lớn, gây quá áp trên collector, emiter, lập tức đánh thủng phần tử Trong sự cố quá dòng, không thể tiếp tục điều khiển IGBT bằng những xung ngắn theo qui luật như cũ, cũng không đơn giản là ngắt xung điều khiển để dập tắt dòng điện được

Có thể ngăn chặn hậu quả của việc tắt dòng đột ngột bằng cách sử dụng các mạch dập RC (snubber circuit), mắc song song với các phần

tử Tuy nhiên các mạch dập có thể làm tăng kích thước và giảm độ tin cậy của thiết bị Giải pháp tối ưu được đưa ra là làm chậm lại quá

trình khóa của IGBT, hay còn gọi là khóa mềm (soft turn-off) khi pháthiện có sự cố dòng tăng quá mức cho phép.

§4 Điều chỉnh và nâng cao chất lượng điện áp của Bộ biến đổi

A Nhắc lại về phương pháp điều chế cổ điển (điều khiển 6 nấc)

Nghịch lưu áp ba pha được ghép từ 3 sơ đồ nghịch lưu một pha có điêmtrung tính Để đơn giản hoá nghiên cứu ta giả thiết

Van lý tưởng đóng mở tức thì

Nguồn có nội trở nhỏ vô cùng và dẫn điện theo hai chiều

Van động lực cơ bản (T1, T2, T3, T4, T5, T6) làm việc với chế độ dẫn điện  =180

Như vậy T1,T4 lệch nhau 180 để tạo ra pha A

Như vậy T3,T6 lệch nhau 180 để tạo ra pha B

Như vậy T5,T2 lệch nhau 180 để tạo ra pha C

Các pha lệch nhau 120

Giá trị hiệu dụng của điện áp pha là :

2 2 0

Khi khai triển Fourier ta có biên độ sóng hài cơ bản là : 2

E



B Phương pháp điều biến độ rộng xung ( PWM 1: Pulse Width

Modules)

Chỉ số điều chế : là tỉ số giữa biên độ V1m của thành phần cơ bản

(Hài bậc 1) của áp ra bộ nghịch lưu được khảo sát và biên độ thành phần cơ bản của áp ra khi điều khiển 6 nấc thang

Điều chế độ rộng xung một pha

Phương pháp so sánh áp chuẩn hình sinh (sóng điều chế) Uvef tần số

Fo và sóng mang Uc tần số Fc để có luật đóng ngắt các nhánh cầu nghịch lưu

Chỉ số điều chế m trở nên phi tuyến khi Vpm >Vrm (khi biên độ sóng mang lớn hơn sóng điều chế) Hệ thống chỉ tuyến tính khi m < 0.785

Điều chế độ rộng xung ba pha