Thiết kế bộ biến tần 3 pha để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

Thiết kế bộ biến tần 3 pha để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

Với đồ án này em đã nêu ra một khía cạnh nhỏ trong lĩnh vực điều khiển động cơ không đồng bộ roto lồng sóc

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

Nội dung và các chương trình mục như sau:

Chương 1: sơ lược về động cơ không đồng bộ

Chương 2: tổng quan về các hệ thống biến tần, nguyên lý làm việc của các bộ biến tần

Chương 3: mạch động lực, đi sâu vào nguyên lý làm việc của các thiết bị cũng như các phương pháp tính toán chọn mạch và bảo vệ mạch, hệ thống điều khiển ứng dụng kỹ thuật xung số vào mạch điều khiển để điều khiển hoạt động của mạch

Chương 4: hệ thống điều khiển: ứng dụng kĩ thuật xung số vào mạch điều khiển để điều khiển hoạt động của mạch

Tuy nhiên với trình độ có hạn không tránh khỏi những sai sót, em mong các thầy cô thông cảm và đóng góp ý kiến để giúp em tiến bộ hơn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa điện –bộ môn tự động đo lường đã chỉ bảo trong thời gian làm đề tài

Đà Nẵng, Ngày Tháng Năm2004

Sinh viên thực hiện

SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

A- CẤU TẠO VÀ ĐẶC ĐIỂM

I- CẤU TẠO:

I-1: Cấu tạo phần tĩnh (stato)

Gồm vỏ máy, lỏi sắt và dây quấn

I-1.a 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 tác dụng cố định và không dùng để dẫn từ

Bách Khoa Online Giao lưu - Học hỏi - Chia sẻ kinh nghiệm

của các thế hệ sinh viên Bách Khoa

hutonline.net

I-1.b Lỏi sắt:

Được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm đến 0,5 mm ghép lại

Lỏi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lỏi sắt là từ trường xoay chiều, nhằm giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên, mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có phủ lớp sơn cách điện Mặt trong của lõi thép có xẻ rảnh để đặt dây quấn

I-1.c Dây quấn :

Dây quấn được đặt vào các rãnh của lỏi sắt và cách điện tốt với lỏi sắt Dây quấn stato gồm có ba cuộn dây đặt lệch nhau 120 o điện

I-2 Cấu tạo phần quay (roto):

I-2 a Trục :

Làm bằng thép, dùng để đở lỏi sắt roto

I-2-b Lỏi sắt:

Gồm các lá thép kỹ thuật điện giống như ở phần stato Lỏi sắt được ép trực tiếp lên trục Bên ngoài lỏi sắt có xẻ rảnh để đặt dây quấn

I-2.c Dây quấn roto:

Gồm hai loại: loại roto dây quấn và loại roto kiểu lồng sóc

* Loại roto kiểu dây quấn : dây quấn roto giống dây quấn ở stato và có số cực bằng số cực stato Dây quấn ba pha của roto thường đấu hình sao (y) Ba đầu kia nối vào ba vòng trượt bằng đồng đặt cố định ở đầu trục Thông qua chổi than và vòng trượt, đưa điện trở phụ vào mạch roto nhằm cải thiện tính năng mở máy và điều chỉnh tốc độ

*Loại roto kiểu lồng sóc: loại dây quấn này khác với dây quấn stato Mỗi rảnh của lỏi sắt được đặt một thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch đồng hoặc nhôm, làm thành một cái lồng, người ta gọi đó là lồng sóc

I-3 Khe hở:

Khe hở trong động cơ không đồng bộ rất nhỏ (0,2 mm ÷ 1mm) Do đó roto là một khối tròn nên roto rất đều

II- ĐẶC ĐIỂM CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

- Cấu tạo đơn giản

- Đấu trực tiếp vào lưới điện xoay chiều ba pha

- Tốc độ quay của roto nhỏ hơn tốc độ từ trường quay của stato n < n1

Trong đó:

n tốc độ quay của roto

n1 tốc độ quay từ trường quay của stato (tốc độ đồng bộ của động cơ )

B- NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

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

e2 sẽ sinh ra dòng điện i2 chạy trong dây quấn Chiều của sức điện động và chiều dòng điện được xác định theo qui tắc bàn tay phải

M

Hình.1-1 sơ đồ nguyên lý động cơ không đồng bộ

Chiều dòng điện của các thanh dẫn ở nữa phía trên roto hướng từ trong ra ngoài, còn dòng điện của các thanh dẫn ở nữa phía dưới roto hướng từ ngoài vào trong

Dòng điện i2 tác động tương hỗ với từ trường stato tạo ra lực điện từ trên dây dẫn roto và mômen quay làm cho roto quay với tốc độ n theo chiều quay của từ trường

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

Đặc trưng cho động cơ không đồng bộ ba pha là hệ số trượt:

Trong đó:

N là tốc độ quay của roto

F1 tần số dòng điện lưới

Khi tần số của mạng điện thay đổi thì n1 thay đổi làm cho n thay đổi

Khi mở máy thì n = 0 và s = 1 gọi là độ trượt mở máy

Dòng điện trong dây quấn và tư ø trường quay tác dụng lực tương hổ lên nhau nên khi roto chịu tác dụng của mômen m thì từ trường quay cũng chịu tác dụng của mômen m theo chiều ngược lại Muốn cho từ trường quay với tốc độ n1 thì nó phải nhận một công suất đưa vào gọi là công suất điện từ

Khi đó công suất điện đưa vào:

(1-4)ϕ

cos 3

P =

2 2

P d =

∆Ngoài thành phần công suất điện từ còn có tổn hao trên điện trở dây quấn stato

st

st P P

PP

60

2

M M

P

P 2 = '2 = ∆ − ∆Hiệu suất của động cơ:

) 9 , 0 8 , 0

C- CÁC ĐẠI LƯỢNG VÀ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ

1 Các đại lượng

1.a Hệ số trượt:

Để biểu thị mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của roto n và tốc độ của từ trường quay stato n1

Hãy tính theo phần trăm:

1

1 1

s n

n

p

f n

E20 = 4 , 44 2 20 2 Φ

từmạchtrong

thông

từcủađạïicựcsốtrị

m

φ

K2 là hệ số dây quấn roto của động cơ

F20 tần số xác định ở tốc độ biến đổi của từ thông quay qua cuộn dây, vì roto đứng yên nên:

60

1

F20 bằng với tần số dòng điện đưa vào f1

1.c Khi roto quay:

Tần số trong dây quấn roto là:

Vậy f2s = s.f1

Sức điện động trên dây quấn roto lúc đó là:

Với f2s = s.f1 thế vào (1-19), ta được:

2 Phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha

60 60

)

1

1 1

n

n n p n n

(1-21)(1-20)

(1-19) (1-18)

S K

W f

E 2s = 4,44 1 2 2Φ m

m K W f

E2s = 4,44 2s 2 2Φ

2.a Phương trình đặc tính tốc độ

Theo sơ đồ đẳng trị một pha như hình (1-2), ta có biểu thức dòng điện roto đã qui đổi về stato

2 2 1 2 2 1

1 2

) ' (

)

' (

'

x x S

r r

U I

+ + +

=

Khi tốc độ động cơ n = 0 , theo (1-26) ta có s =1

Nếu điện áp đặt lên cuộn stato u1 = const thì biểu thức (1 –29) chính là quan hệ giữa dòng điện roto đã qui đổi về stato i’2 với độ s hay với tốc độ n

(1-29)

Do đó biểu thức (1-29) chính là phương trình đặc tính tốc độ

2.b Phương trình đặc tính cơ

2 2 1 1

2 1

''

'3

x x s

r r

r U M

ω

(1-35)

Biểu thức (1-35) chính là phương trình đặc tính cơ Được biểu diễn quan hệ m = f(n) như hình 1-3 Giá trị s sẽ biến thiên từ - ∞ đến + ∞ và mômen quay sẽ có hai giá trị cực đại gọi là mômen tới hạn (mt)

Lấy đạo hàm của mômen theo hệ số trượt và cho dm/ds = 0

Ta có hệ số trượt tương ứng với mômen tới hạn mt gọi là hệ số trượt tới hạn

2 2 1

2 2

2

) ' (

'

x x r

r

Sth

+ +

=

(1-36)

Do đó ta được biểu thức mômen tới hạn :

) (

2

3

2 2 1

pU M

+ +

=

Giải các phương trình (1-35), (1-36), (1-37) và đặt :

n x r

r

2 2 2'+

=

Ta được dạng đơn giản của phương trình đặc tính cơ:

(1-39)

+

=

s

s s s

M M

th th th

Hình 1-3 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Nhận thấy dạng gần đúng của phương trình đặc tính cơ như sau:

Đối với động cơ roto lồng sóc, nhất là các động cơ có công suất lớn thì

R1 << xn, nên có thể bỏ qua r1 và ε = 0

Ta có: ε

S

S S S

M M

th th

Mt = const và st tỉ lệ với r’2 Khi xét đến điện trở trên mạch stato r1 thì mômen tới hạn mt sẽ có hai giá trị khác nhau và ứng với hai trạng thái làm việc của động cơ

* s = 0 , n1 < n là trạng thái hãm tái sinh động cơ làm việc như một máy phát

2 2

2'

'

n

tF

x r

r S

+

−

(1-43))

(2

`3

2 2 1

U p M

++

2

'

n

x r

r s

+

=

tđ

)(

2

3

2 2

1 1

2

n x r

r

pU M

++

=ω

3 Aûnh hương của các thông số đến đặc tính cơ :

3.a Aûnh hưởng của suy giảm điện áp lưới cấp động cơ không đồng bộ

Khi điện áp lưới suy giảm, theo (1-37) mth giảm bình phương lần độ suy giảm của điện áp lưới

theo (1-36) thì sth vẫn không thay đổi

3.b Aûnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato :

Khi nối thêm điện trở hoặc điện kháng vào mạch stato thì theo (1-36) và

(1-37) sth và mth đều giảm

3.c Aûnh hưởng của số đôi cực p

3.d Aûnh hưởng của thay đổi tần số lưới f1 cấp cho động cơ không đồng bộ :

Theo (1-47) và (1-48) khi thay đổi f1 thì ω cũng thay đổi và do đó ω cũng thay đổi 1

- nếu f1 >f1đm , vì mth 2

1

1

f

≈ nên khi mth giảm nên u1 không đổi

- nếu f1 < f1đm , với u1 không đổi thì theo (1-1) dòng i1 tăng nhanh Điều này không cho phép nên khi

thay đổi f1 thì phải thay đổi u1 theo 1 qui luật nào đó để động cơ không đồng bộ sinh ra được momen

như trong chế độ định mức

4 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ và các luật ;

4.a Điều chỉnh điện áp động cơ :

Momen của động cơ không đồng bộ tỉ lệ với bình phương điện áp stato nên có thể điều chỉnh

được momen và tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp trong khi giữ nguyên tần số

4.b Điều chỉnh điện trở mạch roto :

Ta có : r = rr + rf , khi tăng giá trị điện trở tổng r tức là làm tăng độ trượt tới hạn sth còn

momen tới hạn mth của động cơ không đổi

4.c Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ không đồng bộ :

Luật điều khiển tần số Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato thì có thể

tính được momen tới hạn :

2

0

2 0

2 2

s m s Bs s

m th

U K U L L

M

M M

M

= (1-50) Luật điều chỉnh từ thông không đổi :

Từ các quan hệ về dặc tính momen có thể kết luận rằng nếu giữ từ thông máy hoặc từ thông của stato φs không đổi thì momen sẽ không phụ thuộc vào tần số và mth sẽ không thay đổi trong toàn bộ quá trình điều chỉnh

Luật điều chỉnh tần số không trược

2

22

) (

1

2

3

s s

s s r

m

I

I R

L

ω

ω µ

4.e Phương pháp điều chỉnh biên độ (ud thay đổi→ unl thay đổi )

4.f Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung :

ÂĐiều khiển biên độ

- Trong phương pháp này góc chuyển mạch được xác định bằng cách so sánh

Giữa tín hiệu hình sin mẫu e(t) với tín hiệu dựa thường dạng răng cưa u(t) Tần số tín hiệu u(t) càng lớn lớn thì điện áp ra tải càng gần hình sin hơn Ưu điểm nổi bật là vừa điều chỉnh được điện áp, vừa làm sin hoá điện áp đặt vào động cơ

- Với số lượng các xung có độ rộng thích hợp phương pháp điều chỉnh độ rộng

Xung có thể làm triệt tiêu các sóng bậc cao

- Do vậy phương pháp này rất hay sử dụng

- Với phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng biến tần thì

Không nhận điện áp từ lưới mà nhận điện áp từ nghịch lưu của biến tần

- Ta nhận thấy rằng sdd của dây quấn của stato trong động cơ không đồng bộ tỉ

Lệ với tần số đặt vào f1 và từ thông φ :

φ để cho động

cơ hoạt động tối ưu

- Nếu tần số f1 giảm thì từ thông φ tăng, dẫn đến dòng điện từ hoá Iµ tăng

- Nếu tần số f1 tăng thì từ thông φ giảm, dẫn đến dây quấn roto bị quá dòng

- Mặt khác ta có : M =CφI2 cosϕ2 =const

Do đó việc yêu cầu thay đổi tốc độ động cơ là phải thay đổi điện áp và tần số một cách hợp lý nhất để động cơ hoạt động tối ưu

Đối với bộ biến tần nguồn áp điều khiển tốc độ động cơ ta thay đổi điện áp và tần số theo:

- Thay đổi điện áp : u1 =αU d bằng các thay đổi góc điều khiển

T

T1: α = α

- Thay đổi tần số bằng cách thay đổi chu kỳ phát xung điều khiển nghịch lưu

B- PHÂN LOẠI:

Biến tần được chia làm hai loại :

1 Biến tần trực tiếp :

Còn được gọi là biến 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 xoay chiều trên tải

Như vậy điện áp xoay chiều u1(f1) chỉ cần qua một van là chuyển ngay ra tải với u2(f2)

2 Biến tần gián tiếp:

Bộ biến tần này 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 lại dòng xoay chiều với tần số f2 nhờ bộ nghịch lưu độc lập (quá trình thay 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 kỹ thuật vi xử lý nên ta phát huy tối đa các ưu điểm của biến tần loại này và thường sử dụng nó hơn

Do tính chất của bộ lọc nên biến tần gián tiếp lại được chia làm hai loại sử dụng nghịch lưu áp và nghịch lưu dòng

2.a Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng:

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

2.b Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp :

Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn áp ( nghĩa là điện trở nguồn bằng

0 ) Dạng của điện áp trên tải tuỳ thuộc vào dạng của điện áp nguồn, còn dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào thông số của mạch tải quy định

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

Bộ biến tần nguồn áp có hai bộ phận riêng biệt, đó là bộ phận động lực và bộ phận điều khiển,

+ Phần động lực gồm có các phần sau :

Bộ biến đổi ( mạch động lực )

Điều khiển

U2 , f2

U1 , f1

- Bộ chỉnh lưu : có nhiệm vụ biến đổi dòng xoay chiều có tần số f1 thành dòng một chiều

- Bộ nghịch lưu : là bộ rất quan trọng trong 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

- Bộ lọc : là bộ phận không thể thiếu được trong mạch động lực cho phép thành phần một chiều của bộ chỉnh lưu đi qua và ngăn chặn thành phần xoay chiều Nó có tác dụng sang bằng điện áp tải sau khi chỉnh lưu

+ Phần điều khiển:

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

Bộ điều khiển nghịch lưu gồm 3 phần:

- Khâu 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 tranzito Khâu này đảm nhận điều chỉnh xung một cách dễ dàng, ngoài ra nó còn thể đảm nhận luôn 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 nhận được từ bộ phận phân phối xung đưa đến đảm bảo kích thích mở van

Sơ đồ của hệ thống điều khiển như sau:

Phân phối xung

Khuyếch đại xung

Van Phát

xung chủ đạo

I-1 Sơ đồ nguyên lý và quá trình chuyển mạch:

¾ Nguyên tắc chuyển mạch :

Cho góc mở của mỗi tranzito là 180o và cứ 60o tiếp theo ( kể từ khi tranzito trước đó mở thì cho 1 tranzito khác mở) Như vậy trong cùng 1 thời gian co 3 tranzito mở

Cũng lý luận tương tự ta được chuyển mạch h.b đến h e

θ

θ

Ta tính điện áp trên từng pha tải, trước tiên là pha a

Trong khoảng 0o – 60o (h a) U f A U Z

3

1

=Trong khoảng 60o – 120o (h b) U f A U Z

3

2

=Trong khoảng 120o – 180o (h c) U f A U Z

3

1

=Trong khoảng 180o – 240o (h d) U f A U Z

3

1

−

=Trong khoảng 240o – 300o (h e) U f A U Z

3

2

−

=Trong khoảng 300o – 360o (h f) U f A U Z

3

1

−

=Tương tự ta tính được các pha b, c

¾ Bảng chuyển trạng thái của diod:

I-3 Tính toán và chọn các phần tử trong mạch nghịch lưu :

Theo đề cho :

Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc

Công suất định mức : pdm = 1kw,

Tốc độ định mức n = 1450 (v/p)

Hệ số cosϕ = 0.95

Điện áp lưới : 220/380 v

1000

1 ηdm

P

P 111.1 (w)

)(77.195.0

*220

*3

1.111

cos3

P I

I U P

dm dm

dm dm

dm dm

I

U

77 1

Vậy điện áp ngược đặt lên mỗi tranzito :U ngmax =U z= 466.7 (v) Chọn hệ số quá áp của

tranzito là Kv = 1.6, thì cần phải chọn tranzito chịu được áp ngược là

Tranzito đã chọn có mã hiệu BUX - 47 Có các thông số sau :

- V CE=850 V :Điện áp Vce cực đại khi cực badơ bị khoá bởi điện áp âm

- V CE0 =400V :Điện áp Vce khi cực badơ để hở

- V CEsat =1.5V : Điện áp Vce khi tranzito ở trạng thái bảo hoà

- I C = 9A : Dòng colectơ mà tranzito có thể chịu được

- I B= 1.2 A : Dòng badơ mà tranzito có thể chịu được

- T f = 0.8µ :Thời gian cần thiết để V CE, I C tư goá trị I C giảm xuống 0

- = T s 3 µ s : Thời gian cần thiết để từ giá trị tăng đến điện áp

E i

θ

3

1

)2)(

1(1

E i

θ

3

21

)1(2

a

a a R

E i

θ

3

1

)2)(

1(1

với =ω =tanϕ=0.33

R

L Q

36 0 3

−

Q e

R

E i

θ

3

1

) 2 )(

1 ( 1

)2)(

1(

1ln)

2)(

1(

1

1

a a

a Q

a a

36.01(

36.01ln

33

−+

+

−

=θ

⇒θ1 =14.3o

Trạng thái chuyển mạch Diod, tại thời điểm θ= 0, Diod D1 dẫn và dòng qua Diod cũng là dòng

qua tải, lúc này dòng qua Diod cũng là dòng cực đại của Diod:

1(13)0

(

a

a a

R

U i

36 0 1

) 36 0 2 )(

36 0 1 ( 1 9 117

* 3

7 466

−

nếu chọn hệ số quá tải dòng điện qua Diod là 1.2 thì Diod chọn phải chịu dòng là:

)(8.149.1

*2

Điện áp đặt ngược đặt lên mỗi Diod là:

) ( 2 311 7 466

* 3

2 3

2 3

2

V U

U

U ng = z = d = =

Chọn hệ số quá áp là Kv = 1.6, thì Diod chọn phải chịu được điện áp ngược là

) ( 498 2 311

* 6 1

v ng