Thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha Trong những năm gần đây lĩnh vực điều khiển và truyền động điện đã phát triển ạnh mẽ. Đặc biệt với sự phát triển của khoa học kỹ thuật điện tử tin học nói riêng đã khai tháctất 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 lĩnh vực điều khiển động cơ
Sinh viên thực : TƯỞNG MINH SÍU Lớp 12D2-GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần lĩnh vực điều khiển truyền động điện phát triển mạnh mẽ Đặc biệt với phát triển khoa học kỹ thuật điện tử tin học nói riêng khai thác tất ưu điểm bật vốn có động khơng đồng với động chiều Với đồ án em nêu khía cạnh nhỏ lĩnh vực điều khiển động khơng đồng roto lồng sóc “Thiết kế biến tần pha để điều chỉnh tốc độ động không đồng bộ” Nội dung chương trình mục sau: Chương 1: sơ lược động không đồng Chương 2: tổng quan hệ thống biến lý tần, nguyên làm việc biến tần Chương 3: mạch động lực, sâu vào nguyên lý làm việc thiết bị phương pháp tính tốn chọn mạch bảo vệ mạch, hệ thống điều khiển ứng dụng kỹ thuật xung số vào mạch điều khiển để điều khiển hoạt động mạch Chương 4: hệ thống điều khiển: ứng dụng kĩ thuật xung số vào mạch điều khiển để điều khiển hoạt động mạch Tuy nhiên với trình độ có hạn khơng tránh khỏi sai sót, em mong thầy thơng cảm đóng góp ý kiến để giúp em tiến Em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa điện –bộ môn tự động đo lường bảo thời gian làm đề tài Đà Nẵng, Ngày Tháng Năm2004 Sinh viên thực Đồ án môn học: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trang Sinh viên thực : TƯỞNG MINH SÍU Lớp 12D2-GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ A- CẤU TẠO VÀ ĐẶC ĐIỂM I- CẤ U TẠ O: I-1: Cấu tạo phần tĩnh (stato) Gồm hai phận lõi thép dây quấn ngồi cịn có vỏ máy nắp máy I-1.a Vỏ máy: Thường làm gang Đối với máy có cơng suất lớn (1000 kw), thường dùng thép hàn lại thành vỏ Vỏ máy có tác dụng cố định không dùng để dẫn từ I-1.b Lỏi sắt: Được làm thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm đến 0,5 mm ghép lại Lỏi sắt phần dẫn từ Vì từ trường qua lỏi sắt từ trường xoay chiều, nhằm giảm tổn hao dịng điện xốy gây nên, thép kỹ thuật điện có phủ lớp sơn cách điện Mặt lõi thép có xẻ rảnh để đặt dây quấn I-1.c Dây quấn : Dây quấn đặt vào rãnh lỏi sắt cách điện tốt với lỏi sắt Dây quấn stato gồm có ba cuộn dây đặt lệch 120 o điện I-2 Cấu tạo phần quay (roto): gồm lõi thĩp dđy quấn vă trục I-2-a Lỏi sắt: Gồm thép kỹ thuật điện giống phần stato Lỏi sắt ép trực tiếp lên trục Bên lỏi sắt có xẻ rảnh để đặt dây quấn I-2.b Dây quấn roto: Gồm hai loại: loại roto dây quấn loại roto kiểu lồng sóc * Loại roto kiểu dây quấn : dây quấn roto giống dây quấn stato có số cực số cực stato Dây quấn ba pha roto thường đấu hình (y) Ba đầu nối vào ba vòng trượt đồng đặt cố định đầu trục Thơng qua chổi than vịng trượt, đưa điện trở phụ vào mạch roto nhằm cải thiện tính mở máy điều chỉnh tốc độ *Loại roto kiểu lồng sóc: loại dây quấn khác với dây quấn stato Mỗi rảnh lỏi sắt đặt dẫn đồng nhôm nối tắt lại hai đầu hai vòng ngắn mạch đồng nhôm, làm thành lồng, người ta gọi lồng sóc với động nhỏ(f1đm , mth f 12 nên mth thay đổi giảm nên u1 không đổi - f1 < f1đm , với u1 không đổi theo (1-1) dịng i1 tăng nhanh Điều khơng cho phép nên thay đổi f1 phải thay đổi u1 theo qui luật để động không đồng sinh momen chế độ định mức Các phương pháp điều khiển tốc độ động luật ; 4.a Điều chỉnh điện áp động : Momen động khơng đồng tỉ lệ với bình phương điện áp stato nên điều chỉnh momen tốc độ động cách thay đổi điện áp giữ nguyên tần số 4.b Điều roto : Đồ án mơnchỉnh học: điện ĐIỆNtrở TỬmạch CƠNG SUẤT Trang 10 Sinh viên thực : TƯỞNG MINH Lớp 12D2-GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC Dòng chảy Diod dòng chỉnh lưu : I D I d SÍU Giá trị trung bình dịng tải : Đồ án mơn học: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trang 42 Sinh viên thực : TƯỞNG MINH SÍU 6U f cos E I Ud E d d Lớp 12D2-GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC R R Giá trị trung bình dịng chảy Diod : 6U f cos I d D Id R R CHƯƠNG IV MẠCH ĐIỀU KHIỂN Sơ đồ khối hệ thống điều khiển: Phát xung điều khiển I- PHÁT XUNG CHỦ ĐẠO : Phân phối xung Đồ án môn học: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Khuyếch đại xung Trang 43 Sinh viên thực : TƯỞNG MINH SÍU Lớp 12D2-GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC Khâu phát xung chủ đạo dùng IC555 làm việc chế độ phi ổn có tác dụng tạo dãy xung có tần số mong muốn Đồ án mơn học: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trang 44 Sinh viên thực : TƯỞNG MINH Lớp 12D2-GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC SÍU I-1 Giới thiệu IC555: Vi mạch IC555 hãng Signetics chế tạo gồm khuyếch đại thuật toán OA1, OA2 thực chức so sánh Trigơ, Transitor điện trở 5kΩ Vi mạch có chân hình vẽ 5k OA1 5k Nối với cực âm nguồn ni Kích lật V2=2E /3 V3 = Cổng V(3) = 0,1v , V(3)mã = 0.5v, I3max =0.2A OA2 Chân khoá V(4) = V(3) = 0, khơng cần5 kkhố nối vào Lọc nhiễu, thường gắn tụ điện 0,01 chân xuống mass Nguồn lật V6 = 2E/3 V3 = Chân phóng điện thường đấu với tụ C mạch Nối với cực dương nguồn ni E =5-18v tiêu thụ dịng điện 0,7 mA/1V nguồn nuôi I-2 Sơ đồ mạch phát xung chủ đạo : I-2.a Sơ đồ mạch : Vcc (5-15v) Ra Rb LM 555 Vc C 0.01uF I-2.b Nguyên lí làm việc : Đồ án mơn học: ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Trang 45 Sinh viên thực : TƯỞNG MINH SÍU Lớp 12D2-GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC Ở trạng thái ban đầu cấp điện, điện áp tụ Uc = Do điện áp chân nên đầu chân điện áp mức cao ( Uc = 17v ) đầu chân mức thấp ( = ) Tụ C bắt đầu nạp điện từ +Vcc qua Ra , Rb điện áp tụ tăng Khi điện áp tụ C 2Ucc/3 bắt đầu chuyển trạng tháivề mức thấp chân mức cao, lúc tụ C phóng điện, điện áp tụ giảm Khi điện áp tụ giảm đến giá trị Uc ≤Ucc /3 đầu đổi mức trạng thái chuyển lên mức cao chân chuyển mức thấp, tụ điện C lại nạp điện trở lại, trình dao động tiếp diễn, đầu chân dãy xung điều khiển sau đưa đến khâu phân phối xung * Dạng xung sau : II- KHÂU PHÂN PHỐI XUNG : Yêu cầu phân phối xung tạo xung điều khiển mở Transitor theo quy luật đóng mở động cơ, từ bảng dẫn điện van Transitor ta có nhận xét sau: + Khi T1 dẫn T4 khóa, tức T1 có xung điều khiển T4 hồn tồn khơng có xung điều khiển + Khi T3 có xung T6 hồn tồn khơng có xung điều khiển + Khi van T5 có xung điều khiển T2 hồn tồn khơng có xung điều khiển Để tạo phân phối xung cần sử dụng Trigơ với đầu đảo không đảo Theo phân tích có Trigơ ( Trigơ đếm tối đa trạng thái tức có xung đầu vào đầu nhận xung ra, chu kì điện áp có xung ( xung cách 600 ) nên xây dựng đếm Modul mà thơi tức đầu vào có xung đầu có xung, xung cung cấp từ đầu khâu phát xung chủ đạo IC555 Bộ đếm xây dựng sở Trigơ D ( Flip Flop D ) Bảng chức Flip Flop D Qn 0 1 D 1 Qn+1 1 Với Qn+1 = D Đồ án mơn học: ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Trang 46 Sinh viên thực : TƯỞNG MINH Lớp 12D2-GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC SÍU Từ bảng ta có bảng đầu vào kích Flip Flop D Qn → Qn+1 → 0 → 1 → → D 1 Tại thời điểm nghịch lưu ln có Transitor ( Transitor ) mở nên cần phải phân phối xung đến Transitor phù hợp với yêu cầu mở → trạng thái cần có Flip Flop D sau Ck Q1 Q2 Q3 Q1 Q2 Q3 Từ ta thành lập bảng trạng thái Flip Flop D M M1 M2 M3 M4 M5 xung Q 2hiện Q Trạng thái n n n Q 0 1 1 1 1 0 Đồ án mơn học: ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Q Trạng Q Q thái 2kế tiếp n+1 n+1 n+1 1 1 1 0 1 0 Đầu vào Flip Flop D D3 D2 D1 1 1 1 1 0 0 Trang 47 Sinh viên thực : TƯỞNG MINH Lớp 12D2-GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC SÍU M6 0 0 0 Dựa vào bảng trạng thái cho Flip Flop D ta tìm liên hệ đại lượng đầu vào cần tối giản theo phương pháp Karnaugh 00 01 11 10 0 x x 1 00 01 11 10 x 0 0 T1 00 01 11 10 0 1 x x T2 T3 CLOCK T4 Đồ án môn học: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT T5 T6 Trang 48 Sinh viên thực : TƯỞNG MINH SÍU Lớp 12D2-GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC III - KHÂU KHUYẾ CH ĐẠI XUNG: Khâu khuyếch đại dùng linh kiện bán dẫn, sử dụng phần tử ghép quang (Optocoptcur ) nhằm cách ly mạch động lực mạch điều khiển Sơ đồ khuyếch đại xung cho tầng cơng suất thuộc nhóm chẵn Nguồn tạo xung + 5v Nguồn phụ +Ua 12v R6 R5 Đi đến động Transitor công suất nhóm lẻ kề TPL-521 Từ Flip Flop tới Transitor cơng suất nghịch lưu T nhóm chẵn R4 Q2 Q1 Sơ đồ khuyếch đại xung cho tầng cơng suất thuộc nhóm lẻ -E Âm nguồn nghịch lưu Nguồn tạo xung +5v Nguồn phụ -Ub 12v R5 R6 +E Dương nguồn nghịch lưu TPLTừ Flip Flop tới R4 Q2 Q1 T Transitor cơng suất nghịch lưu nhóm lẻ Đi đến động Transitor nhóm lẻ kề Đồ án mơn học: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trang 49 Sinh viên thực : TƯỞNG MINH Lớp 12D2-GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC SÍU Nguyên lí làm việc: Khi tín hiệu đưa vào chân B Transitor Q1 từ Trigơ mức logic ‘0’ Q1 ngưng dẫn , đầu vào đầu Optocoptaur khơng có dịng, Q2 ngưng dẫn Transitor T khơng kích thích cực B tín hiệu đầu vào chân B Q1 từ Trigơ mức logic ‘1’ Q1 dẫn dịng , làm cho Q2 dẫn kích Transitor cơng suất dẫn IV - TÍNH TỐN MẠ CH Đ IỀU KHIỂN: IV-1 Xác định tần số xung IC555 Trigơ: Vi mạch IC555 làm việc chế độ tự dao động, tần số dao động phụ thuộc vào phóng nạp tụ C Khi tụ C nạp qua điện trở R1 R2: từ sơ đồ mạch điện ta có phương trình cân điện áp mạch điện: iR +Uc = Vcc i: dòng điện nạp cho tụ, i = C Đồ án mơn học: ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT duc dt Trang 50 Sinh viên thực : TƯỞNG MINH Lớp 12D2-GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC SÍU Phương trình mơ tả q trình nạp cho tụ Cr duc + u c = Vcc Viết hệ phương trình dạng tốn tử Laplace dt L T duc n dt + L = u L với Tn = V c cc C.R Hay Tn [PUc(p) - Uc(0) ] + Uc(p) = Vcc p Vcc + TnUc(0) p Uc(p)(Tnp +1) = Tại thời điểm ban đầu trình nạp điện Uc(0) = Vcc/3 Vậy phương trình viết lại : Uc(p) [ Tnp + 1] = V cc Uc(p) = + P(Tn P 1) Uc(p) = V cc Tn ( Tn Vcc Tn P 3(P V cc = Tn P Tn p V ccTn Vcc +TnVcc/3 p ) Tn pTn (P ) = Vcc[ ) Tn V ccT n + P 3Tn (P 3(P ) Tn ] ) Tn Từ ảnh ta tìm gốc toán tử Laplace : Uc(t) = Vcc (1 - e t Tn ) (1) Khi kết thúc trình nạp Uc (T1) = 2Vcc/3 , thay vào (1) ta có 2V cc V cc (1 e 3 T1 Tn ) từ phương trình (2) giải ta (2) T1 = 0,7.C.(RA +RB ) Tương tự phương trình phóng điện tụ Uc(p) (TnP + ) = V cc TnU c (0) P Đồ án mơn học: ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT (*) Trang 51 Sinh viên thực : TƯỞNG MINH SÍU Lớp 12D2-GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC Tại thời điểm ban đầu, cho q trình tụ phóng là: Uc(0)=2Vcc/3,thay vào (*) ta Uc(p) (TnP +1 ) = v cc P TV n cc Đồ án môn học: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trang 52 Sinh viên thực : TƯỞNG MINH V cc Lớp 12D2-GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC SÍU V cc Uc(p) = P Tn P 1 ) Tn 3(P V cc P Tn P(P ) Tn Uc(p) = Vcc [ V cc Tn [( P T ) Tn n P ] Tn Tn ] Từ ảnh ta tìm gốc Uc(t) = Vcc(1 - e t Tn ) (3) Kết thúc q trình phóng điện : Uc(T1) = Vcc/3, thay vào (3) ta V cc V cc (1 e 3 T2 Tn ) T2 = 0,7Tn = 0,7CR q trình phóng điện phóng qua RB chu kì xung là: T = T1 + T2 = 0,7C(R1 +2R2 ) Tần số xung vi mạch IC555 : f555 = 1 = T 0,7C (R1 2R2 ) Vì có xung đầu vào (xung CLOCK ) lấy từ IC555 đầu Trigơ có xung, tần số xung Trigơ xũng tần số điện áp xoay chiều tải f = f 555 = = 6.0,7C (R1 2R2 ) 4,2C (R1 2R2 ) Muốn thay đổi tần số nguồn ta phải thay đổi tần số mạch phát xung chủ đạo IC555 tức điều chỉnh giá trị C,R1,R2 để đơn giản ta chọn trước giá trị tụ C điều chỉnh cách thay đổi giá trị điện trở R1, R2 Với tải động không đồng rôto lồng sóc, yêu cầu điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho tải từ 15-50hz Ta chọn giái trị tụ C 0,1 f Giá trị điện trở R1 tương ứng với tần số 50hz R2 = 50 = 4,2.0,1.10 R1 R1 = 47600 lấy R1 = 47k Giá trị điện trở R2 tương ứng với tần số 15hz R1 = 47k 15 = Đồ án mơn học: ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT 4,2.0,1.10 (47 2R ).103 Trang 53 Sinh viên thực : TƯỞNG MINH SÍU Lớp 12D2-GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC R2 = 55,8k lấy R2 = 50k Đồ án mơn học: ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Trang 54 Sinh viên thực : TƯỞNG MINH Lớp 12D2-GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC SÍU Bộ phân phối xung dùng vi mạch 4013 chứa Trigơ D loại CMOS có điện áp mức logic ‘1’ 4,9v dòng khoảng 500 A IV-2 Tính chọn phần tử mạch khuyếch đại xung: Theo tính tốn trước, Transitor cơng suất T phần nghịch lưu chọn loại BUX-48 có thơng số =8, IC max=15A với dịng làm việc IClv=6,73A dịng Bazơ T IB= 6,73 = 0,84A IV-2.a Tính chọn phần tử mạch khuyếch đại xung * Chọn Transitor Q1: chọn theo điều kiện Ic = Iop = 5mA, VCE>VCC loại NPN Vậy ta chọn loại 2SC828 Thông số P (mw) FT(MHz) t0C UCB max C828 250 200 125 30 UCE max UBE max Ic max 30 50 Type 220 SN Điện trở R5 chọn theo điều kiện V V CC R5 = V LEP 0,5 CE(Q1 ) I op = = 500 ( ) Chọn R5 = 470 Vì Q1 chưa bão hồ nên hệ số khuyếch đại dịng lớn, ví dụ IB = Ic = 200 dòng = 5.10 = 25 A 200 Dòng nhỏ dòng cung cấp mạch CMOS 4013 nên ta cho thêm điện trở hạn dòng V R4 = cc V CEsat(Q1 ) IB V D V BE (Q1 ) 0,2 0,7 0,7 136000 =136K 2,5.10 Trên thực tế nên dùng trị số nhỏ hơn, ví dụ 68K để đảm bảo LED optocopteur cung cấp đủ dòng Chọn R4 = 68K *Chọn Transitor Q2: theo điều kiện IC (Q2) > IBT = 0,84A UCE(Q2) > UCE = 30v loại NPN Vậy chọn Q2 loại C2275 có thơng số sau Thông số học:P(w) UCE max (v ) IC max T(MHz)SUẤTt C Đồ án mơn ĐIỆN TỬfCƠNG Trang 55 Type Sinh viên thực : TƯỞNG MINH Lớp 12D2-GVHD: LÂM TĂNG ĐỨC SÍU C2275 25 200 150 150 1,5 A 40 SN *OPTOCOPTEUR: chọn loại TLP-521 Nhật Bản chế tạo có thơng số sau: Điện trở cách ly: RCL =1011 Điện áp cách ly: 2500v dòng điện XXXXXXXX phát quang 5mA Tỉ số truyền dòng 50-100 lần lấy tỉ số truyền dịng 50 ta có IOP = 5.50 = 250 mA = IB (Q2) IC (Q2) = IB(Q2) = 40.0,25 = 10A, dòng điện lớn so với dòng điện cần I BQ2 I CQ2 Chọn R6 = 0,84 0,021A nên ta gắn thêm R6 để hạn chế dòng điện 40 V CC V BE (Q2 ) V BE (T ) 15 0,7 1,5 690 chọn R6 =560 1/8W, 0,021 I BQ2 điện áp ni mạch kín 15v IV-3 Chọn mạch điều khiển điều chỉnh xung điện áp: Như ta tính tốn trên, Transitor điều chỉnh xung làm việc tần số 500hz ta phải chọn điều khiển Transitor cho tần số xung điều khiển phải 500hz Ơí ta chọn vi mạch tạo xung IC555 với tần số xung f555 = 500hz tính tốn ta có tần số xung IC555 là: f555 = 1 T 0,7C (R1 2R2 ) Ta chọn tụ C= 0,047 F, ta có f555 = 500 R1+2R2 =60790 0,7.0,047.10 (R1 2R2 ) Chọn R1 = 18K R2 = 47K 1/8W Đồ án mơn học: ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Trang 56 ... đổi tần số f2 T1 khó khăn phụ thuộc vào f1 Biến tần gián tiếp: Bộ biến tần gọi biến tần độc lập biến tần điện áp chỉnh lưu thành dịng Z tải chiều, sau qua lọc trở lại dòng xoay chiều với tần. .. o (1 a)( iA iA (1 a)2 a3 3R - 120 180 EN o (1 3R với L R Q tan Q e a)( 2a) e iA (1) a3 N E Q e 3R - 60 120o a) (2) Q (3) a3 0 .33 a Tại e 13Q 3* 0 .33 e 0 .36 , dòng qua tải pha A 0: ia = EN Từ (1)... Biến tần thiết bị tổ hợp linh kiên điện tử thực chức biến đổi tần số điện áp chiều hay xoay chiều có tần số định thành dịng điện xoay chiều có tần số điều khiển nhờ khoá điện tử B- PHÂN LOẠI: Biến