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

Đồ án Điện Tử Cơng suất Nguyenvanbientbd47@ gmail.com 1 LỜI NÓI ĐẦU WX#"WX Trong những năm gần đây lónh vực điều khiển và truyền động điện đã phát triển mạnh mẽ. Đặc biệt với sự phát triển của khoa học kỹ thuật điện tử tin học nói riêng đã khai thác tất cả các ưu điểm nổi bật vốn có của động cơ không đồng bộ với động cơ một chiều Với đồ án này em đã nêu ra một khía cạnh nhỏ trong lónh 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 bò 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 kó 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 LƯC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ A- CẤU TẠO VÀ ĐẶC ĐIỂM I- CẤU TẠO: I-1: Cấu tạo phần tónh (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 đònh và không dùng để dẫn từ. Tài liệu này được upload và download tại website: http://hutonline.net Bách Khoa Online Giao lưu - Học hỏi - Chia sẻ kinh nghiệm của các thế hệ sinh viên Bách Khoa hutonline.net Tài liệu này được upload và download tại website: http://hutonline.net Đồ án Điện Tử Cơng suất Nguyenvanbientbd47@ gmail.com 2 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 đònh 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. Tài liệu này được upload và download tại website: http://hutonline.net Đồ án Điện Tử Cơng suất Nguyenvanbientbd47@ gmail.com 3 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 < n 1 . Trong đó: n tốc độ quay của roto. n 1 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 Tài liệu này được upload và download tại website: http://hutonline.net Đồ án Điện Tử Cơng suất Nguyenvanbientbd47@ gmail.com 4 e 2 sẽ sinh ra dòng điện i 2 chạy trong dây quấn. Chiều của sức điện động và chiều dòng điện được xác đònh 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 i 2 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 n 1. Có sự chuyển động tương đối giữa roto và từ trường quay stato duy trì được dòng điện i 2 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: (1-1) 1 1 n nn S − = Trong đó: N là tốc độ quay của roto. F 1 tần số dòng điện lưới. P số đôi cực. N 1 tốc độ quay của từ trường quay (tốc độ đồng bộ của động cơ). p f n 1 60 1 = (1-2) Khi tần số của mạng điện thay đổi thì n 1 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 chòu tác dụng của mômen m thì từ trường quay cũng chòu tác dụng của mômen m theo chiều ngược lại. Muốn cho từ trường quay với tốc độ n 1 thì nó phải nhận một công suất đưa vào gọi là công suất điện từ. 60 2 ω 1 n π MMP 1đt == (1-3) Tài liệu này được upload và download tại website: http://hutonline.net Đồ án Điện Tử Cơng suất Nguyenvanbientbd47@ gmail.com Khi đó công suất điện đưa vào: (1-4) ϕ cos 3 1 IUP = 2 1 2 11 3 IrP d =∆ Ngoài thành phần công suất điện từ còn có tổn hao trên điện trở dây quấn stato. Tổn hao sắt: (1-5) st st PP PPPP đt1đt ∆∆ −−= ∆=∆ (1-6) Công suất cơ ở trục là: 60 2 .' 2 n MMP π ω == (1-7) Công suất cơ nhỏ hơn công suất điện từ vì còn tổn hao trên dây quấn roto: 2 ∆ d P−= đt2 PP Trong đó: (1-8) 2222 rImP d =∆ (1-9) M 2 số pha của dây quấn roto. Vì p’ 2 < p đt do đó n < n 1 Công suất cơ của p 2 đưa ra nhỏ hơn p’ 2 vì còn tổn hao do ma sát trên trục động cơ và tổn hao phụ khác: (1-10) fcơ pPPP ∆−∆== 22 ' Hiệu suất của động cơ: )9,08,0( 1 2 ÷== P P η (1-11) C- CÁC ĐẠI LƯNG VÀ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ. 1. Các đại lượng 1.a Hệ số trượt: Để biểu thò mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của roto n và tốc độ của từ trường quay stato n 1. Ta có : 1 1 n nn s − = (1-12) Hãy tính theo phần trăm: 5 o o o o n nn S 100 1 1 − = (1-13) Tài liệu này được upload và download tại website: http://hutonline.net Đồ án Điện Tử Cơng suất Nguyenvanbientbd47@ gmail.com 6 Xét về mặt lý thuyết giá trò s sẽ biến thiên từ 0 đến 1 hoặc từ 0 đến 100 o / o Trong đó : (1-14) )1( 60 1 1 1 snn p f n −= = (1-15) 1.b Sức điện động của mạch roto lúc đứng yên. Trong đó: (1-16) m WfKE Φ= 220220 44,4 từ mạch trong thông từ của đạïi cực số trò m φ K 2 là hệ số dây quấn roto của động cơ. F 20 tần số xác đònh ở tốc độ biến đổi của từ thông quay qua cuộn dây, vì roto đứng yên nên: 60 1 20 pn f = (1-17) F 20 bằng với tần số dòng điện đưa vào f 1 1.c Khi roto quay: Tần số trong dây quấn roto là: Vậy f 2s = s.f 1 Sức điện động trên dây quấn roto lúc đó là: Với f 2s = s.f 1 thế vào (1-19), ta được: 2. Phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha. 6060 )( 1 1 11 2 pn n nnpnn f Xs − = − = (1-21) (1-20) (1-19) (1-18) SKWfE ms Φ= 2212 44,4 mKWfE ss Φ= 2222 44,4 Tài liệu này được upload và download tại website: http://hutonline.net Đồ án Điện Tử Cơng suất Nguyenvanbientbd47@ gmail.com 7 2.a Phương trình đặc tính tốc độ. Theo sơ đồ đẳng trò một pha như hình (1-2), ta có biểu thức dòng điện roto đã qui đổi về stato. 2 21 2 2 1 1 2 )'() ' ( ' xx 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 u 1 = 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 21 2 2 1 1 21 ' ' '3 xx s r r rU 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 trò s sẽ biến thiên từ - ∞ đến + ∞ và mômen quay sẽ có hai giá trò cực đại gọi là mômen tới hạn (m t ). 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 m t gọi là hệ số trượt tới hạn. 2 21 2 2 2 )'( ' xxr r S th ++ = (1-36) Do đó ta được biểu thức mômen tới hạn : )(2 3 22 11 1 2 1 n th xrr pU M ++ = ω (1-37) Giải các phương trình (1-35), (1-36), (1-37) và đặt : n xr r 22 1 2 ' + = ε (1-38) Ta được dạng đơn giản của phương trình đặc tính cơ: (1-39) s = 0 +s n 1 n đm Tài liệu này được upload và download tại website: http://hutonline.net Đồ án Điện Tử Cơng suất Nguyenvanbientbd47@ gmail.com 8 ( ) ε ε 2 12 ++ + = 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 R 1 << x n , nên có thể bỏ qua r 1 và ε = 0. Ta có: ε S S S S M M th th th + = 2 Nhận xét: từ các biểu thức (1-36) và (1-37), ta thấy đối với động cơ xác lập nếu u 1 thay đổi thì s t = const và m t thay đổi tỉ lệ với u 1 2 . Khi thay đổi điện trở mạch roto bằng cách thêm điện trở phụ (đối với động cơ không đồng bộ roto quấn dây) thì: M t = const và s t tỉ lệ với r’ 2 . Khi xét đến điện trở trên mạch stato r 1 thì mômen tới hạn m t sẽ có hai giá trò khác nhau và ứng với hai trạng thái làm việc của động cơ. * s = 0 , n 1 < n là trạng thái hãm tái sinh động cơ làm việc như một máy phát. 22 2 ' ' n tF xr r S + −= (1- 43) )(2 `3 22 11 1 1 n tF xrr Up M ++ −= ω (1- 44 ) * s > 0 , n 1 > n trạng thái làm việc của động cơ. (1-45) 22 1 2 ' n xr r s + = tđ )(2 3 22 11 1 2 1 n xrr pU M ++ = ω tđ (1-46) Tài liệu này được upload và download tại website: http://hutonline.net Đồ án Điện Tử Cơng suất Nguyenvanbientbd47@ gmail.com 9 3. nh hương của các thông số đến đặc tính cơ : 3.a nh hưởng của suy giảm điện áp lưới cấp động cơ không đồng bộ Khi điện áp lưới suy giảm, theo (1-37) m th giảm bình phương lần độ suy giảm của điện áp lưới theo (1-36) thì s th vẫn không thay đổi. 3.b nh 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) s th và m th đều giảm. 3.c nh hưởng của số đôi cực p Ta có : p f 1 1 2 π ω = (1-47) suy ra : )1( 1 s−= ωω (1-48) khi thay đổi số đôi cực thì tốc độ từ trường quay 1 ω thay đổi, do đó tốc độ động cơ cũng thay đổi . 3.d nh hưởng của thay đổi tần số lưới f 1 cấp cho động cơ không đồng bộ : Theo (1-47) và (1-48) khi thay đổi f 1 thì 1 ω cũng thay đổi và do đó ω cũng thay đổi. - nếu f 1 >f 1đm , vì m th 2 1 1 f ≈ nên khi m th giảm nên u 1 không đổi - nếu f 1 < f 1đm , với u 1 không đổi thì theo (1-1) dòng i 1 tăng nhanh. Điều này không cho phép nên khi thay đổi f 1 thì phải thay đổi u 1 theo 1 qui luật nào đó để động cơ không đồng bộ sinh ra được momen như trong chế độ đònh 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 = r r + r f , khi tăng giá trò điện trở tổng r tức là làm tăng độ trượt tới hạn s th còn momen tới hạn m th 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 22 2 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ =∗= ω ω s m s Bss m th U K U LL L M (1-49) Điều kiện giữ cho khả năng quá tải không đổi là: dm thth M M M M = (1-50) Luật điều chỉnh từ thông không đổi : Tài liệu này được upload và download tại website: http://hutonline.net [...]... ϕ 2 = 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: - T Thay đổi điện áp : u1 = α U d bằng các thay đổi góc điều khiển α : α = 1 - Thay đổi tần số bằng cách thay đổi chu kỳ phát xung điều khiển nghòch lưu T 12 Tài liệu này... quy đònh 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, U1 , f1 Bộ biến đổi ( mạch động lực ) U2 , f2 Điều khiển + Phần động lực gồm có các phần sau : - Bộ chỉnh lưu : có nhiệm vụ biến đổi dòng xoay chiều có tần số f1 thành... 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. .. chiều - Bộ nghòch 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. .. a )( − 2 a ) − θ Q ⎤ e ⎢1 + ⎥ 1 + a3 ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ (1) (2) (3) = tanϕ = 0 .33 3 * 0 33 = 0 36 Tại θ = θ1 , dòng qua tải pha A bằng 0: ia = 0 ⎡ −θ ⎤ Từ (1) ta có i A = E N ⎢1 − (1 + a )( 2 − a ) e Q ⎥ = 0 3 3R ⎢ ⎣ 1+ a ⎥ ⎦ θ 1 + a3 1 + a3 − 1 = ln ⇒ θ 1 = − Q ln Q (1 + a )( 2 − a ) (1 + a )( 2 − a ) 1 + 0 36 3 θ 1 = − 0 33 ln = 0 25 (1 + 0 36 )( 2 − 0 36 ) ⇒ θ 1 = 14 3 o Trạng thái chuyển mạch Diod, tại... điện áp Uc = Uz = 446,7 (V) nếu chọn hệ số về áp để tụ hoạt động an toàn là 1 ,3 thì Uc' =446,7*1 ,3 = 580,7 Vậy phải dùng loại tụ có điện dung 0.23uF và chòu điện áp là 600 v II- BỘ ĐIỀU CHỈNH XUNG ĐIỆN ÁP : Bộ điều chỉnh xung điện áp một chiều được sử dụng khi có sẵn nguồn một chiều cố đònh mà không cần điều chỉnh điện áp ra tải Bộ điều chỉnh này hoạt động theo nguyên tắc đóng, cắt nguồn tải 22 Tài... đổi tần số f2 khó khăn T2 T1 và phụ thuộc vào f1 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, Z tả i sau đó qua bộ lọc rồi trở lại dòng xoay chiều với tần số f2 nhờ bộ nghòch lưu độc lập (quá trình thay đổi f2 không phụ thuộc vào f1) chỉ h lưu n lọ c N g h òc h l ư u Việc biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất biến. .. phận không thể thiếu được quyết đònh 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 đònh Bộ điều khiển nghòch 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... http://hutonline.net Đồ án Điện Tử Cơng suất Nguyenvanbientbd47@ gmail.com Từ các quan hệ về dặc tính momen có thể kết luận rằng nếu giữ từ thông máy hoặc từ thông của stato φ s 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 3 L2 m ωsIs µ= 2 Rr 1 + (ω s I s ) 2 (1-51) Nếu giữ tần số f không trược ws = const thì... cho đặt tính cơ có độ cứng cao và khả năng qua tải lớn, đồng U thời điều chỉnh điện áp u1 sao cho từ thông φ không đổi, nghóa là thay đổi φ = 1 để cho động f1 cơ hoạt động tối ưu 11 Tài liệu này được upload và download tại website: http://hutonline.net Đồ án Điện Tử Cơng suất - Nguyenvanbientbd47@ gmail.com Nếu tần số f1 giảm thì từ thông φ tăng, dẫn đến dòng điện từ hoá I µ tăng Nếu tần số f1 tăng