Thiết Kế Chế Tạo Bộ Biến Tần Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ 3 Pha

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH II Tên đề tài: THIẾT KẾ - CHẾ TẠO BỘ BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA HƯNG YÊN - 2015 LỜI NÓI ĐẦU Cùng với phát triển kinh tế khoa học kỹ thuật đường công nghiệp hoá đại hoá đất nước Ngành điện tử nói chung có bước tiến vượt bậc mang lại thành đáng kể Để thúc đẩy kinh tế đất nước ngày phát triển, giàu mạnh phải đào tạo cho hệ trẻ có đủ kiến thức để đáp ứng nhu cầu ngày cao xã hội Đòi hỏi phải nâng cao chất lượng đào tạo phải đưa phương tiện dạy học đại vào giảng đường, trường học có trình độ người ngày cao đáp ứng nhu xã hội Trường ĐHSPKT Hưng Yên số trường trú trọng đến việc đại hoá trang thiết bị nhằm nâng cao hiệu giảng dạy giúp sinh viên có khả thực tế cao Để sinh viên có tăng khả tư làm quen với công việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Chúng em giao cho thực đồ án: “Thiết kế - Chế tạo điều khiển động không đồng pha” nhằm củng cố mặt kiến thức trình thực tế Sau nhận đề tài, nhờ sự giúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn Thành Long cùng với sự cố gắng nỗ lực của cả nhóm, sự tìm tòi, nghiên cứu tài liệu Đến đồ án của chúng em về mặt bản đã hoàn thành Trong quá trình thực hiện dù đã rất cố gắng trình độ còn hạn chế, kinh nghiệm còn ít nên không thể tránh khỏi sai sót Chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo, giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo khoa để đề tài của chúng em ngày càn hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Thành Long cùng các thầy cô giáo khoa đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 1.1 Sơ lược động không đồng pha 1.1.1 Cấu tạo đặc điểm a Cấu tạo: Hình 1.1: Mô hình cắt bỏ động không đồng pha Chú thích : 1: Vỏ máy 2: Khung sắt 3: Dây quấn 4: Trục động 5: Lõi sắt Cấu tạo động không đồng pha gồm phần phần tĩnh (Stato) phần quay (Roto)  Phần tĩnh (Stato) Vỏ máy: Thường làm gang Đối với máy có công suất lớn (1000kW), thường dùng thép hàn lại thành vỏ vỏ máy có tác dụng cố định bảo vệ máy Khung sắt: Được làm thép kỹ thuật điện có độ dày từ 0.35 đến 0.5mm ghép lại với Vì khung sắt phần từ, đồng thời từ trường qua khung sắt từ trường xoay chiều, nhằm giảm tồn hao dòng điện xoáy gây nên thép kỹ thuật điện phủ sơn cách điện Mặt khung sắt xẻ rãnh để đặt dây quấn Dây quấn: Được đặt rãnh lõi sắt cách điện tốt với lõi sắt Dây quấn stato gồm có cuộn dây đặt lệch 1200 điện  Phần quay (Roto) Trục: Được làm lõi thép để đỡ lõi sắt roto Lõi sắt: Gồm thép kỹ thuật điện giống phần Stato Lõi sắt ép trực tiếp lên trục b Đặc điểm động không đồng pha: - Cấu tạo đơn giản - Nối trực tiếp với điện lưới xoay chiều pha - Tốc độ quay Roto nhỏ tốc độ quay từ trường quay Stato N < N1 Trong đó: N: Tốc độ quay Roto N1: Tốc độ quay từ trường quay 1.1.2 Nguyên lý làm việc đại lượng đặc trưng: - Nguyên lý làm việc: Khi nối dây quấn Stato vào lưới điện xoay chiều pha, động sinh từ trường quay Từ trường quét qua dẫn Roto, làm cảm ứng dây quấn Roto sức điện động E2, từ sinh dòng điện I2 chạy dây quấn Roto Dòng điện I2 tác động tương hỗ với từ trường Stato tạo lực điện từ dây dẫn Roto momen quay làm cho Roto quay với tốc độ N theo chiều quay từ trường Tốc độ quay Roto N luôn nhỏ tốc độ từ trường quay Stato N Có chuyển động tương đối Roto từ trường quay Stato trì dòng điện I momen tốc độ Roto khác với tốc độ từ trường quay Stato nên gọi động không đồng - Các đại lượng đặc trưng Hệ số trượt: Để biểu thị mức độ đồng tốc độ quay Roto N tốc độ quay từ trường quay N1 S= (0 (1-1) N1 = (1-2) N = N1*(1 – S) (1-3) Sức điện động: Khi Roto đứng yên: E20 = 4.44*f20*K2*W2* Khi Roto chuyển động: E2S = 4.44*f2S*K2*W2* Trong đó: K2: Hệ số cuộn dây f20 = f1 f2S = S*f1 W2: Số vòng dây m : Từ thông Công suất: (1-4) m m (1-5) Công suất điện đưa vào: P1 = *U*I*cos (1-6) Tổn hao điện từ: Pdt Tổn hoa sắt: Pst Công suất điện từ: Pdt = M* = M* = P1 - Pdt - Pst (1-7) Tổn hao dây quấn Roto: Pd2 Công suất trục: P'2 = M* = Pdt - Pd2 (1-8) Tổn hao ma sát: Pms Công suất đưa ra: P2 = P'2 - Pms (1-9) P2 = P1 - Pdt - Pst - Pd2 - Pms (1-10) Hiệu suất: η = (1-11) (0.8 , 0.9) 1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động không đồng pha 1.2.1 Điều chỉnh tốc độ động phương pháp thay đổi điện trở phụ Khi thay đổi điện trở phụ mạch rôto động làm cho S th thay đổi tỷ lệ Mth không thay đổi, thay đổi tốc độ động Hình 1.3 Nguyên lý điều chỉnh tốc độ đặc tính tốc độ động phương pháp thay đổi giá trị điện trở phụ Nguyên lý điều chỉnh: thay đổi R2f với giá trị khác nhau, sth thay đổi tỷ lệ, Mth = const, ta họ đặc tính có chung ω , Mth, có tốc độ khác có tốc độ làm việc xác lập tương ứng Qua hình 1.1, ta có: Mth = const Và: < R2f1 < R2f2 < … < R2f.Ic < … Sth.TN < Sth1 < Sth2 < … < Sth.Ic < … ΔωTN < Δω1 < Δω2 < … < ΔωIc < … ωTN > ω1 > ω2 > … > ωIc > … Như vậy, cho R2f lớn để điều chỉnh tốc độ nhỏ, độ cứng đặc tính dốc, sai số tĩnh lớn, tốc độ làm việc ổn định, chí R2f = R2f.Ic, dẫn đến Mn = Mc cho động không quay Và thay đổi giá trị R2f.I > R2f.Ic tốc độ động không nghĩa không điều chỉnh tốc độ, hay gọi điều chỉnh không triệt để * Các tiêu chất lượng phương pháp: Phương pháp có sai số tĩnh lớn, điều chỉnh sâu s% lớn, s% > s% cp Phù hợp với phụ tải năng, điều chỉnh mà giữ dòng điện rôto không đổi mômen không đổi (M ~ Mc) * Ưu điểm: Phương pháp thay đổi điện trở phụ mạch rôto để điều chỉnh tốc độ động điều khiển có ưu điểm đơn giản, rẻ tiền, dễ điều chỉnh tốc độ động Hay dùng điều chỉnh tốc độ cho phụ tải dạng (Mc = const) * Nhược điểm: Tuy nhiên, phương pháp có nhược điểm điều chỉnh không triệt để, điều chỉnh sâu sai số tĩnh lớn, phạm vi điều chỉnh hẹp, điều chỉnh mạch rôto, dòng rôto lớn nên phải thay đổi cấp điện trở phụ, công suất điều chỉnh lớn, tổn hao lượng trình điều chỉnh lớn Mặc dù vậy, phương pháp thường áp dụng cho điều chỉnh tốc độ động điều khiển truyền động cho máy nâng - vận chuyển có yêu cầu điều chỉnh tốc độ không cao Muốn nâng cao tiêu chất lượng dùng phương pháp “ xung điện trở ” 1.2.2 Điều chỉnh tốc độ điều khiển cách thay đổi điện áp Stato Mômen động điều khiển tỉ lệ với bình phương điện áp stato, nên điều chỉnh mômen tốc độ động điều khiển cách thay đổi điện áp stato giữ tần số không đổi nhờ biến đổi điện áp xoay chiều (ĐAXC) hình 1.2: Hình 1.4 Nguyên lý điều chỉnh tốc độ đặc tính tốc độ động phương pháp thay đổi điện áp Stato Nếu coi ĐAXC nguồn lí tưởng (Z b = 0), Ub = Uđm mômen tới hạn (Mth.U) tỉ lệ với bình phương điện áp, (Sth.U) = Const Mth.U = Mth.gh ( )2 = Mth.Ub2 Sth.U = Sth.gh = Const (1-12) (1-13) Để cải thiện dạng đặc tính điều chỉnh giảm bớt mức phát nóng động cơ, người ta mắc thêm điện trở R 2f (hình 1.1) Khi đó, điện áp đặt vào stato định mức (Ub = U1) ta đặc tính mềm đặc tính tự nhiên, gọi đặc tính giới hạn Rõ ràng là: (Mth.gh) = Mth Trong đó: Mth.gh, Sth.gh mômen hệ số trượt tới hạn đặc tính giới hạn Mth, Sth mômen hệ số trượt tới hạn đặc tính tự nhiên Phương pháp điều chỉnh điện áp thích hợp với truyền động mà mômen tải hàm tăng theo tốc độ như: máy bơm, quạt gió, … Có thể dùng máy biến áp tự ngẫu, điện kháng, biến đổi bán dẫn làm ĐAXC cho động 1.2.3 Điều chỉnh tốc độ điều khiển cách thay đổi số đôi cực Theo quan hệ: ω = ω0(1 − s) = (1-14) Trong đó: f1 tần số lưới điện, P số đôi cực Vậy thay đổi số đôi cực P, điều chỉnh ω điều chỉnh ω Để thay đổi số đôi cực P, người ta phải chế tạo động đặc biệt, có tổ dây quấn stato khác để tạo P khác nhau, gọi máy đa tốc + Ưu điểm phương pháp điều chỉnh tốc độ động ĐK cách thay đổi số đôi cực thiết bị đơn giản, rẻ tiền, đặc tính cứng khả điều chỉnh triệt để (điều chỉnh tốc độ không tải lý tưởng) 2.3 Tính toán chọn thiết bị 2.3.1 Lựa chon mạch công suất  - Phân loại mạch công suất: Phân loại theo đầu vào, đầu + Biến tần đầu vào pha, đầu pha H ình 2.1: Sơ đồ biến tần đầu vào pha đầu pha + Biến tần đầu vào pha, đầu pha Hình 2.2: Sơ đồ biến tần đầu vào pha, đầu pha - Phân loại biến tần theo dòng áp (đã trình bày chương 1) + Biến tần nguồn dòng 34 + Biến tần nguồn áp - Phân loại theo phụ thuộc (đã trình bày chương 1) + Biến tần trực tiếp + Biến tần gián tiếp  Lựa chọn mạch công suất: -Áp dụng phương pháp điều biến độ rộng xung PWM, yêu cầu đề tài đầu vào pha, đầu pha Để có đầu pha, nên mạch nghịch lưu mạch cầu pha gồm IGBT -Vì biến tần nguồn áp nên mạch lọc cần phải có thành phần tụ C -Đáp ứng yêu cầu đầu vào pha nên ta cần sử dụng cầu chỉnh lưu pha Phương pháp điều biến độ rộng xung PWM giúp điều chỉnh biên độ điện áp đầu nên ta cần sử dụng mạch cầu chỉnh lưu không điều khiển Tức mạch chỉnh lưu pha gồm có diode KẾT LUẬN: Sử dụng biến tần đầu vào pha đầu pha để thực đề tài 2.3.2 Tính toán phần tử mạch 2.3.2.1 Mạch nghịch lưu tính toán chọn van IGBT  Tính toán mạch nghịch lưu Theo đề cho thông số sau: Điện áp dây (Ud) : 220V/AC Công suất (P): 0.6 kW Tần số: (f): đến 120Hz Hệ số cosφ: 0.82 Tần số nguồn (f1): 50Hz 35 Từ thông số ta có thông số dẫn suất: - Dòng điện: P=   I= = Ud.Id.cosφ = 1,92 (A) Tính chọn van IGBT Dựa theo luật điều biến độ rộng xung PWM, ta có hệ số điều khiển m = 0.78 - Điện áp pha cực đại đặt vào động cơ: UMax = ( 220V - Điện áp đầu vào nghịch lưu: M= UZ = - ) = 311V = 1.28 = 363V Điện áp ngược cực đại đặt lên IGBT: Chọn hệ số áp: KV = 1.6  Điện áp ngược đặt lên IGBT: Ung max = KV UZ = 1,6 363 = 580 V  Dòng điện cực đại qua IGBT: Ing Max = I = 1,92 = 2,71 A Căn vào kết tính toán, kết hợp với tra cứu datasheet linh kiện ta chọn IGBT sau: 36 Loại: SGL60N100DTU Nhà sản xuất: FAIR Kiểu đóng vỏ: TO-264 3L ICmax: 60A VCES: 1000V Pdmax: 180 W VCE (SAT): 2.5V ICES: 1mA Internal Diode: yes (tra theo datasheet ) 37 Hình 2.3: datasheet IGBT SGL60N100DTU 2.3.2.2 Tính toán Diode mạch chỉnh lưu 38 Hình 2.5: Mạch chỉnh lưu - Tính chọn van: Điện áp ngược đặt lên van: Ung = Ud0 = 311V Dòng điện trung bình chạy qua van: = Kt = Ta có công suất tiêu thụ Pd = 0.6kW Dòng điện tải Id là: Pd/Ud0 = 600/311 = 1,92A Vậy ta chọn Diode chịu điện áp 600V, dòng 3A 2.4 Lập trình phần mềm cho mạch điều khiển 39 2.4.1 Lưu đồ thuật toán phát xung PWM Hình 1.13: Lưu đồ thuật toán chương trình phát xung PWM 40 2.4.2 Chương trình điều khiển #include "avr/pgmspace.h" #include "avr/io.h" int PWM1 =10; // đầu PWM cho pha tai chân số 10 int PWM2 =11; // đầu PWM cho pha tai chân số 11 int PWM3 =12; // đầu PWM cho pha tai chân số 12 int PotPin = A0;// dọc liệu anolog chân A0 const char sine256[] = { 127,130,133,136,139,143,146,149,152,155,158,161,164,167,170,173,176,178,181, 184,187,190,192,195,198,200,203,205,208,210,212,215,217,219,221,223,225,227, 229,231,233,234,236,238,239,240, 242,243,244,245,247,248,249,249,250,251,252,252,253,253,253,254,254,254,254 ,254,254,254,253,253,253,252,252,251,250,249,249,248,247,245,244,243,242,240, 239,238,236,234,233,231,229,227,225,223, 221,219,217,215,212,210,208,205,203,200,198,195,192,190,187,184,181,178,176 ,173,170,167,164,161,158,155,152,149,146,143,139,136,133,130,127,124,121,118, 115,111,108,105,102,99,96,93,90,87,84,81,78, 76,73,70,67,64,62,59,56,54,51,49,46,44,42,39,37,35,33,31,29,27,25,23,21,20,18,1 6,15,14,12,11,10,9,7,6,5,5,4,3,2,2,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,2,2,3,4,5,5,6,7,9,10,11,1 2,14,15,16,18,20,21,23,25,27,29,31, 33,35,37,39,42,44,46,49,51,54,56,59,62,64,67,70,73,76,78,81,84,87,90,93,96,99,1 02,105,108,111,115,118,121,124}; void setup () { pinMode (PWM1,OUTPUT); 41 pinMode (PWM2,OUTPUT); pinMode (PWM3,OUTPUT); pinMode (PotPin,INPUT); } void loop () { int i,h,g; int delay_value = analogRead(PotPin); for (i=0;i[...]... 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 được cần thêm vào hệ thống một cầu chỉnh lưu có điều khiển hoàn toàn 15 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 được ở chế độ. .. 2) thì điều chỉnh tần số và điện áp stato theo quy luật: = const Kết luận: Sử dụng phương pháp biến đổi tần số để điều chỉnh tốc độ động cơ 1 .3 Tổng quan về hệ thống biến tần 1 .3. 1 Khái niệm, phân loại biến tần - 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. .. ứng tần số lên tới 1MHz Do đó chọn Optocoupler (cách ly quang) cho đề tài 31 Hình 2.12: Mạch cách ly và đảo xung 32 Hình 2. 13: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 33 2 .3 Tính toán chọn thiết bị 2 .3. 1 Lựa chon mạch công suất  - Phân loại mạch công suất: Phân loại theo đầu vào, đầu ra + Biến tần đầu vào 1 pha, đầu ra 3 pha H ình 2.1: Sơ đồ biến tần đầu vào 1 pha đầu ra 3 pha + Biến tần đầu vào 3 pha, đầu ra 3 pha. .. Sơ đồ biến tần đầu vào 3 pha, đầu ra 3 pha - Phân loại biến tần theo dòng và áp (đã trình bày ở chương 1) + Biến tần nguồn dòng 34 + Biến tần nguồn áp - Phân loại theo sự phụ thuộc (đã trình bày ở chương 1) + Biến tần trực tiếp + Biến tần gián tiếp  Lựa chọn mạch công suất: -Áp dụng phương pháp điều biến độ rộng xung PWM, yêu cầu của đề tài là đầu vào 1 pha, đầu ra 3 pha Để có được đầu ra 3 pha, nên... thuật điều chế PWM lại 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 Biến tần nguồn dòng thường cồng kềnh do sử dụng cuộn cảm lớn và các tụ chuyển mạch có giá trị cao Dải điều chỉnh của biến tần nguồn dòng thấp hơn so với dải điều chỉnh của biến tần nguồn áp Kết... tính cơ cứng, nên độ chính xác duy trì tốc độ cao và tổn thất trượt khi điều chỉnh thực tế không đáng kể + Nhược điểm lớn của phương pháp này là có độ tinh kém, giải điều chỉnh không rộng và kích thước động cơ lớn 1.2.4 Điều chỉnh tốc độ ĐK bằng cách thay đổi tần số - Vấn đề thay đổi tần số của điện áp stato Về nguyên lý, khi thay đổi tần số f1 thì ω0 = 2pf1/p sẽ thay đổi và sẽ điều chỉnh được tốc độ động. .. này Bộ biến tần nguồn dòng sử dụng cuộn cảm 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 kiểu PWM Với bộ biến tần nguồn áp, dễ dàng áp dụng kỹ thuật PWM để điều khiển đóng ngắt các khóa bán dẫn Kỹ thuật PWM cho phép giảm tổn thất sóng hà bậc cao gây nên trên động cơ, không gây ra momen đạp làm rung động cơ ở tốc độ thấp... sau chỉnh lưu Bộ nghịch lưu: là bộ quan trọng nhất của biến tần Nó có nhiệm vụ biến đổi dòng điện 1 chiều nhận từ khối chỉnh lưu sang dòng xoay chiều với tần số f2 + Phần điều khiển: 16 Là bộ phận không thể thiếu, quyết định sự làm việc của mạch động lực Để đảm bảo yêu cầu về tần số, hình dạng điện áp ra của bộ biến tần đều do mạch điều khiển quyết định Bộ điều khiển thông thường gồm 3 phần: Khâu phát... độ phức tạp của biến tần cũng tăng lên 1.5 .3 Phương pháp điều biến độ rộng xung PWM (Pulse Width Modules) + Chỉ số điều chế: là tỷ số giữa biên độ V 1m 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 mức M= = + Điều chế độ rộng xung 1 pha: Phương pháp so sánh áp chuẩn hình sin UCE tần số f0 sóng mang UC tần số fC để có... dụng biến tần gián tiếp nguồn áp cho đề tài 1 .3. 3 Cấu trúc biến tần gián tiếp nguồn áp Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp có ưu điểm tạo ra dạng dòng điện và điện áp dạng sin hơn, dải biến thiên tần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn Biến tần gián tiếp nguồn áp có 2 bộ phận riêng biệt: + Phần động lực: Bộ phận chỉnh lưu: Có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều có tần số f 1 về dòng điện 1 chiều Bộ ... cầu chỉnh lưu có điều khiển hoàn toàn 15 Trong trường hợp nguồn lưới hoạt động, biến tần nguồn áp hoạt động chế độ hãm động năng, biến tần nguồn dòng hoạt động chế độ Bộ biến tần nguồn dòng sử... lược động không đồng pha 1.1.1 Cấu tạo đặc điểm a Cấu tạo: Hình 1.1: Mô hình cắt bỏ động không đồng pha Chú thích : 1: Vỏ máy 2: Khung sắt 3: Dây quấn 4: Trục động 5: Lõi sắt Cấu tạo động không đồng. .. vào, đầu + Biến tần đầu vào pha, đầu pha H ình 2.1: Sơ đồ biến tần đầu vào pha đầu pha + Biến tần đầu vào pha, đầu pha Hình 2.2: Sơ đồ biến tần đầu vào pha, đầu pha - Phân loại biến tần theo dòng