Thiết kế bộ điều áp xoay chiều điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ 3 pha

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 1.1 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 loại máy điện khác, nhưng đến hiện nay, nó là loại máy điện được sử dụng rộng rãi nhất trong các ngành 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 các máy gia công chế tạo sản phẩm. Trong đời sống hàng ngày, máy điện không đồng bộ cũng dần dần chím một vị trí quan trọng 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 bởi những 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 trì sửa 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 một trong những nhược điểm của nó là dòng khởi động thường cao (thường từ khoảng 4 ÷ 7 lần dòng 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 ngắn mạch thường khó khăn hơn so với động cơ roto dây quấn, tuy nhiên, hiện nay với việc áp dụng những ứng dụng của điện tử công suất thì công việc đó đã trở nên dễ dàng hơn.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG

- -

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTO LỒNG SÓC

Giáo viên hướng dẫn : TS NGUYỄN NGỌC KHOÁT

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THỊ XOAN

Hà Nội, tháng 4 năm 2017

KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc -o0o -

ĐỀ ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Giáo viên hướng dẫn: TS NGUYỄN NGỌC KHOÁT

Sinh viên: Nguyễn Thị Xoan

Ikd/Idm = 4,8; J = 1,5kg/m2; U1 = 220/380V Yêu cầu :

1 Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc

2 Lựa chọn bộ biến đổi công suất khả thi

3 Thiết kế và tính toán mạch lực

4 Thiết kế và tính toán mạch điều khiển

5 Mô phỏng kiểm chứng mạch

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, trên tất cả các nước trên thế giới nói chung và nước ta nói riêng ở đó

các thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp, nông nghiệp và

cả trong lĩnh vực sinh hoạt Các nhà máy, xí nghiệp đã ứng dụng ngày càng nhiều

những thành tựu của công nghiệp điện tử công suất

Ứng dụng Điện tử công suất trong truyền động điện – điều khiển tốc độ động cơ điện là

lĩnh vực quan trọng và ngày càng phát triển Các nhà sản xuất không ngừng cho ra đời

các sản phẩm và công nghệ mới về các phần tử bán dẫn công suất và các thiết bị điều

khiển đi kèm Được thầy giao cho đồ án với đề tài “Thiết kế bộ điều áp xoay chiều để

chiều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ ba pha roto lồng sóc ”, chúng em đã cố

gắng tìm hiểu kĩ về các phương án công nghệ sao cho bản thiết kế vừa đảm bảo yêu

cầu kĩ thuật , vừa đảm bảo yêu cầu kinh tế với hy vọng đồ án điện tử công suất này là

một bản thiết kế kĩ thuật có thể áp dụng được trong thực tế nên chúng em đã cố gắng

mô tả cụ thể , tỉ mỉ và tính toán cụ thể các thông số

Để hoàn thành tốt đề này,chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Ngọc

Khoát và các thầy cô trong khoa Công Nghệ Tự Động trường đại học Điện Lực, đã

giúp đỡ chúng em trong thời gian làm đề tài Và hơn nữa, cảm ơn thầy đã dìu dắt, trang

bị kiến thức cả chuyên môn.Đồng thời nhóm cũng cảm ơn các bạn trong lớp

D9-CNTD1 đã có những góp ý quý báu cho nhóm

Do thời gian có hạn nên cũng không thể tránh được những sai sót trong quá trình

làm đề tài Nhóm mong được những ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn để có

thể hoàn thiện đề tài tốt hơn

Xin chân thành cảm ơn

Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Xoan

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA 7

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 7

1.1 Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ 7

1.2 Vấn đề về điều chỉnh tốc độ động cơ 7

1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ 11

1.3.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch rôto(R2f) 11

1.3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp stator 12

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 14

2.1: Giới thiệu chung 14

2.2 Các sơ đồ van 15

2.3 Điều áp xoay chiều một pha 16

2.4 Điều áp xoay chiều 3 pha 17

2.4.1 Các sơ đồ ứng dụng 17

2.4.2 Phân tích sự hoạt động của sơ đồ 18

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC 22

3.1 Tính thông số van 22

3.2 Điều kiện làm mát cho van 22

3.3 Mạch bảo vệ van 23

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 25

4.1 Yêu cầu chung của mạch điều khiển 25

4.1.1 Nguyên tắc điều khiển ngang 25

4.1.2 Nguyên tắc điều khiển dọc 26

4.2 Khâu đồng bộ 26

4.2.1 Đồng pha 26

4.2.2 Đồng bộ 27

4.3 Khâu tạo điện áp răng cưa 29

4.3 Khâu so sánh 30

4.4 Khâu tạo xung chùm 31

4.4.1 Bộ tạo dao động 31

4.4.2 Tách xung 31

4.5 Khuếch đại xung 32

4.6 Khối tạo nguồn một chiều 33

CHƯƠNG V : MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG MẠCH THIẾT KẾ 35

5.1 Mô phỏng hệ thống bằng Simulink 35

5.1.1 Sơ đồ khối phát xung 1 kênh điều khiển 35

5.1.2 Sơ đồ khối phát xung 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

PHẦN MỀM MÔ PHỎNG 40

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

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

1.1 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 loại máy điện khác, nhưng đến hiện nay, nó là loại máy điện được sử dụng rộng rãi nhất trong các ngành 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 các máy gia công chế tạo sản phẩm

- Trong đời sống hàng ngày, máy điện không đồng bộ cũng dần dần chím một vị trí quan trọng 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 bởi những 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 trì sửa chữa thấp

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

- 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 ngắn mạch thường khó khăn hơn so với động cơ roto dây quấn, tuy nhiên, hiện nay với việc áp dụng những ứng dụng của điện tử công suất thì công việc đó đã trở nên

dễ dàng hơn

1.2 VẤN ĐỀ VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

- Động cơ không đông bộ ba pha được sử dụng rộng rãi trong thực tế Ưu điểm nổi bật của nó là: cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy, vốn đầu tư ít, giá thành hạ, trọng lượng, kích thước nhỏ hơn khi dùng công suất định mức so với động cơ một chiều.Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều 3 pha…

- Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn hơn, các động cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu, (dòng khởi động lớn, mômen khởi động nhỏ)

- Trong thời gian gần đây, do phát triển công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tin học, động cơ ĐK mới được khai thác các ưu điểm của chúng Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả so với hệ Tiristor - Động cơ điện một chiều

Sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ:

Hình 1.1: Sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ

- Uf1 trị số hiệu dụng của điện áp pha stato

- Iµ , I1 , I’2 các dòng điện từ hóa stato và dòng điện roto đã quy đổi về stato

- Xµ , , điện kháng mạch từ hóa, điện kháng tản stato và điện kháng tản roto đã quy đổi về stato

- Rµ, R1, R’2 các điện trở tác dụng của mạch từ hóa của cuộn dây stato và roto đã quy đổi về stato

- s – hệ số trượt tốc độ : s =

- tốc độ góc của từ trường quay, còn gọi là tốc độ đồng bộ

- = trong đó:- f1 là tần số của điện áp nguồn đặt vào stato

- p là số đôi cực của động cơ

S

𝝎𝟏

𝑺𝒕𝒉

𝑺đ𝒎

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

1.3.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch rôto(R 2f )

Khi thay đổi điện trở phụ trong mạch rôto động cơ sẽ làm cho sth thay đổi tỷ lệ còn

Mth thì không thay đổi, vì vậy sẽ thay đổi được tốc độ của động cơ như hình vẽ

Hình 1.3: a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ b) Các đặc tính điều chỉnh tốc độ động cơ

Nguyên lý điều chỉnh: khi thay đổi R2f với các giá trị khác nhau, thì sth sẽ thay đổi tỷ

lệ, còn Mth = const, ta sẽ được một họ đặc tính cơ có chung Mth, có tốc độ khác nhau và

Như vậy, khi cho R2f càng lớn để điều chỉnh tốc độ càng nhỏ, thì độ cứng đặc tính

cơ càng dốc, sai số tĩnh càng lớn, tốc độ làm việc càng kém ổn định, thậm chí khi R2f

= R2f.ic, dẫn đến Mn = Mc cho động cơ không quay được

Và khi thay đổi các giá trị R2f.i > R2f.ic thì tốc độ động cơ vẫn bằng không, nghĩa là không điều chỉnh được tốc độ, hay còn gọi là điều chỉnh không triệt để

Ưu điểm: Phương pháp thay đổi điện trở phụ mạch rôto để điều chỉnh tốc độ động

cơ như trên có ưu điểm là đơn giản, rẻ tiền, dễ điều chỉnh tốc độ động cơ Hay dùng điều chỉnh tốc độ cho các phụ tải dạng thế năng (Mc = const)

Nhược điểm: Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhược điểm là điều chỉnh không triệt để; khi điều chỉnh càng sâu thì sai số tĩnh càng lớn; phạm vi điều chỉnh hẹp, điều chỉnh trong mạch rôto, dòng rôto lớn nên phải thay đổi từng cấp điện trở phụ, công suất điều chỉnh lớn, tổn hao năng lượng trong quá trình điều chỉnh lớn

Phương pháp này thường được áp dụng cho điều chỉnh tốc độ các động cơ ĐK truyền động cho các máy nâng - vận chuyển có yêu cầu điều chỉnh tốc độ không cao Muốn nâng cao các chỉ tiêu chất lượng thì dùng phương pháp “ xung điện trở ”

1.3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp stator

Mômen động cơ tỉ lệ với bình phương điện áp stato, nên có thể điều chỉnh mômen

và tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp stato và giữ tần số không đổi nhờ bộ biến đổi điện áp xoay chiều (ĐAXC) như vẽ:

Sth.g h

ĐK

Ubf1Uđk

Rf2

Hình 1.4: a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ bằng Ustato

b) Các đặc tính điều chỉnh bằng Ustato

Nếu coi bộ ĐAXC là nguồn lí tưởng (Zb = 0), khi ub < uđm thì mômen tới hạn Mth.u

tỉ lệ với bình phương điện áp

đ , hay Mth.u*= ub* 2

Nếu tốc độ quay của động cơ là không đổi :

Mth.u*= ub* 2 , = const , Mu =

Uđm - điện áp định mức của động cơ

ub - điện áp đầu ra của ĐAXC

Mth - mômen tới hạn khi điện áp là định mức

Mu - mômen động cơ ứng với điện áp điều chỉnh

Mgh - mômen khi điện áp là định mức, điện trở phụ Rf

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

2.1: Giới thiệu chung

Các bộ điều áp xoay chiều (ĐAXC) dùng để đóng ngắt hoặc thay đổi điện áp xoay hiều

ra tải từ một nguồn xoay chiều cố định,trong đó tần số điện áp ra bằng tần số nguồn Trong máy điện có các thiết bị điện là biến áp tự ngẫu cho phép thực hiện yêu cầu này, tuy nhiên việc điều chỉnh phải tiến hành thông qua hệ cơ khí di chuyển chổi than trượt trên các vòng dây biến thế, vì vậy hệ này không bền,phản ứng chậm Nhưng có các ưu điểm cơ bản là điện áp ra tảu luôn đảm bảo hình sin trong toàn dải điều chỉnh

Điện tử công suất sử dụng các van bán dẫn để chế tạo các bộ điều áp xoay chiều,có đặc điểm sau đây:

 Ưu điểm

ĐAXC dùng van bán dẫn có đầu đủ ưu điểm của những mạch công suất sử dụng kỹ thuật bán dẫn như:dễ điều chỉnh và tự động hóa,làm việc ổng định, phản ứng nhanh với xác đột biến điều khiển,độ tin cậy và tuổi thọ cao,kích thước gọn,dễ thay thế,thích hợp với quá trình hiện đại hóa tập trung hóa các quá trình công nghệ……

 Nhược điểm

Nhược điểm chung và cơ bản nhất của ĐAXC là điện áp ra tải không sin trong toàn dải điều chỉnh (điện áp ra tải chỉ đạt hình sin hoàn chỉnh khi đưa toàn bộ điện áp ra nguồn tải),điều chỉnh càng sâu – điện áp ra càng giảm thì độ méo sẽ càng lớn, tức là thành phần sóng hài bậc cao( là bội của tần số vào) cũng càng lớn Với những tải yêu cầu nghiêm ngặt về độ méo và thành phần song hài có thể không ứng dụng được ĐAXC Phạm vi ứng dụng ĐAXC thường là:

+ Điều chỉnh ánh sáng đèn sợi đốt và ổn định độ phát quang hệ chiếu sáng

+ Điều chỉnh và ổn định nhiệt độ các lò điện trở bằng cách tự động khống chế công suất đưa vào lò

+ ĐAXC cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ, nhưng chỉ phù hợp với tải của động cơ dạng quạt gió và máy bơm li tâm với phạm vi điều chỉnh không lớn ĐAXC thích hợp với các chế độ như khở động, đóng –ngắt nguồn cho động cơ điện xoay chiều

+ ĐAXC cũng được dùng để điều chỉnh điện áp sơ cấp các biến áp lực và thông qua đó điều chỉnh điện áp ra tải,phụ thuộc có thể dùng dòng điện xoay chiều hoặc một chiều ( chỉnh lưu điot phía thứ cấp khi rơi vào hai trường hợp sau:

- Điện áp thứ cấp thấp hơn nhiều điện áp sơ cấp nhưng dòng điện thứ cấp rất lớn thí dụ như thiết bị hàn tiếp xúc

- Điện áp thứ cấp mà tải yêu cầu cao hơn nhiều lần điện áp nguồn, thí dụ như hệ thống nguồn điện phân,lọc bụi tĩnh điện…

ĐAXC làm việc với nguồn vào điện áp xoay chiều, tức là giống như mạch chỉnh lưu, vì vậy các van được sử dụng cũng như nguyên tắc điều khiển có nhiều điểm tương tự như

ở mạch chỉnh lưu

Do tải đòi hỏi dòng điện xoay chiều nên van bán dẫn có thể dùng ở đây là:

- TRIAC,đây là van bán dẫn duy nhất cho phép dòng điện chảy theo cả hai chiều

- Ghép hai van chỉ cho phép dẫn dòng một chiều,bằng cách đấu song song ngược nhau,lúc đó mỗi van đảm nhận một chiêu của dòng tải Bằng cách này có thể ghép hai thyristor với một điot

2.3 Điều áp xoay chiều một pha

Để thay đổi giá trị của điện áp xoay chiều, ngoài phương pháp cổ điển là máy biến áp, người ta có thể sử dụng các bộ thyristor đấu song song ngược Nhờ biện pháp này việc điều chỉnh điện áp được linh hoạt hơn (vô cấp ,nhanh,dễ tạo các mạch vòng tự động điều chỉnh) Kích thước của bộ biến đổi gọn ,nhẹ và có giá thành thấp hơn nhiều so với dùng biến áp Nhược điểm cơ bản của phương pháp này là chất lượng điện áp không được tốt và cần sử dụng thêm bộ lọc xoay chiều để khắc phục nhược điểm này

Viêc điều khiển thời điểm đóng mở của thyristor sẽ tạo ra những xung áp trên tải nên

bộ biến đổi được gọi là bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều

Sơ đồ bộ biến đổi một pha bao gồm thyristor đấu song song ngược (T1 và T2 ) và được mắc nối tiếp với tải Đối với bộ biến đổi công suất nhỏ và trung bình (khoảng vài kW)

có thể thay thế bộ thyristor bằng triac

2.4 Điều áp xoay chiều 3 pha

Các sơ đồ trên hình 2.1 còn có thể dùng nhƣ những công tắc tơ tĩnh, nghĩa là đóng cắt tải không tiếp điểm Khi đó các tiristor làm việc với góc điều khiển bằng 0

T1

T2 T3

T4

T5 T6

Hình 2.1 : Các dạng sơ đồ xung áp xoay chiều ba pha

Ƣu nhƣợc điểm của sơ đồ

- Các sơ đồ ĐAXC nói chung đều đơn giản, do đó cho hiệu quả cao trong quá trình điều chỉnh điện áp xoay chiều

- Dạng điện áp ra phụ thuộc nhiều vào góc điều khiển và tính chất của tải Dạng điện

- Có thể cải thiện đáng kể đặc tính của ĐAXC nếu sử dụng các van điều khiển hoàn toàn Khi đó việc điều chỉnh sẽ áp dụng phương pháp điều chế độ rộng xung ở mỗi nữa chu kỳ điện áp lưới

2.4.2 Phân tích sự hoạt động của sơ đồ

Ta xét sơ đồ 2.1a với tải thuần trở đấu sao, ZA = ZB = ZC với góc điều khiển α = 30o

Để đảm bảo lượng sóng hài là tối thiểu, các góc mở của thyristor phải bằng nhau, do

đó mỗi van mở lần lượt cách nhau 60

Góc điều khiển trong ĐAXC được tính từ thời điểm điện áp nguồn qua không Cần lưu rằng trong hệ thống điện áp 3 pha dòng có thể chạy qua cả 3 pha hoặc chỉ chảy qua

2 pha Khi dòng chảy qua cả 3 pha thì điện áp trên mỗi pha đúng bằng điện áp pha Khi dòng chỉ chảy qua hai pha thì điện áp trên các pha tương ứng sẽ bằng một nữa điến áp dây

Các khoảng góc còn lại kết quả thể hiện như bảng dưới



Hình 2.2: Dạng điện áp ra tải thuần trở với góc α = 30o