Điều khiển tần số động cơ đồng bộ công suất lớn

Điều khiển tần số động cơ đồng bộ công suất lớn Điều khiển tần số động cơ đồng bộ công suất lớn Điều khiển tần số động cơ đồng bộ công suất lớn luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội Luận văn thạc sĩ khoa học ĐIềU KHIểN BIếN TầN ĐộNG CƠ ĐồNG Bộ CÔNG SUấT LớN Ngành: điều khiển tự động hoá Mà số: Nguyễn thị tâm Người hướng dẫn khoa học: TS Phạm văn diễn Hà nội 2008 -1- Mục lục Trang1 Lời cam đoan Mục lục Lời nói đầu Chương Tổng quan máy điện đồng & Bộ biến tần bán dẫn.1 1.1 Máy điện đồng 1.1.1 KÕt cấu Máy điện đồng 1.1.2 Từ trường Máy điện ®ång bé 1.1.3 Sơ đồ thay máy điện đồng 11 1.1.4 Quan hƯ ®iƯn tõ Máy điện đồng 13 1.2 Động đồng ba pha 18 1.2.1 Giíi thiÖu chung 18 1.2.2 Các đặc tính làm việc ®éng c¬ ®ång bé 19 1.2.3 Mô men điện từ động đồng ba pha 20 1.2.4 Khởi động hÃm động đồng kích từ quấn dây 22 1.2.5 Phân loại hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động đồng 25 1.3 Sơ lược biến tần bán dẫn 26 1.3.1 Khái niệm biến tần bán dẫn 26 1.3.2 BiÕn tÇn trùc tiÕp 28 1.3.3 BiÕn tần gián tiếp 31 1.3.4 KÕt luËn 37 -2Ch­¬ng Hệ truyền động động đồng - biến tần nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên 38 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch lực hệ truyền động động đồng với biến đổi tần số nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên 38 2.2 Quá trình chuyển mạch 39 2.3 M«men cđa ®éng c¬ 43 2.4 Giíi h¹n cđa chun m¹ch tù nhiên vấn đề khởi động 45 2.5 Quy lt ®iỊu khiĨn 47 2.6 KÕt luËn 48 Chương Mô hệ truyền động động đồng -Biến Tần nguồn dòng chuyển mạch tù nhiªn 49 3.1 Mơc ®Ých m« pháng 49 3.2 Ph©n tÝch lùa chän cÊu tróc hƯ trun ®éng 50 3.2.1 Mạch chỉnh lưu tạo nguồn dòng chiều 50 3.2.2 Mạch nghịch lưu dòng điện 51 3.2.3 §éng đồng 52 3.3 Sơ đồ mô hệ truyền động động đồng biến tần nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên 53 3.3.1 Khi động làm việc tần số định mức f = 50Hz 54 3.3.2.Khi điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động 61 3.3.3 BiƯn ph¸p më réng phạm vi làm việc tốc độ thấp 75 Kết luận Tài liệu tham khảo -1Chương Tổng quan máy điện đồng Bộ biến tần bán dẫn 1.1 Máy điện đồng Máy điện đồng sử dụng rộng rÃi công nghiệp Phạm vi sử dụng Máy điện đồng biến đổi thành điện năng, nghĩa làm máy phát điện Tuy nhiên, máy điện đồng có phát công suất phản kháng nên dùng làm máy bù công suất phản kháng cho lưới điện Đặc biệt, đà biết, máy điện đồng nghiên cưú ứng dụng sử dụng ngày rộng rÃi với chức động - từ động công suất nhỏ sử dụng trang bị tự động điều khiển đến động đặc biệt sử dụng thiết bị có công suất lớn Máy điện đồng máy điện xoay chiều có tốc độ quay roto (n) b»ng tèc ®é quay cđa tõ tr­êng (n1), chÝnh máy điện gọi Máy ®iƯn ®ång bé” 1.1.1 KÕt cÊu cđa M¸y ®iƯn ®ång Theo kết cấu, chia Máy điện đồng (MĐĐB) làm loại: máy đồng cực ẩn (số cực 2p = 2); máy đồng cực lồi (số cực 2p 4) Mỗi loại máy có đặc điểm kết cấu khác nhau: 1.1.1.1 Kết cấu máy điện pha cực ẩn Máy điện pha cực ẩn roto làm thép chất lượng cao, đúc thành khối hình trụ, sau gia công phay rÃnh để lắp đặt cuộn dây kích từ Phần không phay rÃnh roto hình thành mặt cực từ Mặt cắt ngang trục lõi thép roto hình (1.1) -2- Hình 1.1- Mặt cắt ngang trục lõi thép roto MĐĐB đại cực ẩn thường chế tạo với số cực 2p = 2, tốc độ quay roto 3.000 vòng/phút, để hạn chế lực ly tâm, phạm vi an toàn thép hợp kim chế tạo lõi thép roto, đường kính D roto không (1,1 1,15)m Do đó, để tăng công suất MĐĐB tăng chiều dài roto Chiều dài tối đa roto vào khoảng 6,5m Dây quấn kích từ đặt rÃnh roto chế tạo từ dây đồng trần tiết diện hình chữ nhật, quấn theo chiều mỏng thành bối dây đồng tâm Các vòng dây bối dây cách điện với lớp mêca mỏng Để cố định ép chặt cuộn dây kích từ rÃnh, miệng rÃnh nêm kín thép không từ tính, đầu nối (nằm rÃnh) dây quấn kích từ đai chặt ống thép không từ tính Hai đầu dây quấn kích từ luồn trụ nối với hai vành trượt đầu trục thông qua hai chổi ®iƯn ®Ĩ nèi víi dßng kÝch tõ mét chiỊu Stato MĐĐB 3pha cực ẩn gồm lõi thép, đặt dây quấn 3pha thân máy, nắp máy Lõi thép stato ép chặt tôn silic dày 0,5mm, hai mặt có phủ sơn cách điện Dọc chiều dài lõi thép stato, cách (3 ữ 6) cm lại -3có rÃnh thông gió ngang trục rộng 10mm Lõi thép stato đặt cố định thân máy Trong động công suất trung bình lớn, thân máy chế tạo theo kết cấu khung thép, mặt bọc thép dát dầy Thân máy phải thiết kế chế tạo để cho hình thành hệ thống đường thông gió làm lạnh cho máy Nắp máy chế tạo từ thép từ gang đúc máy công suất trung bình lớn, ổ trục không đặt nắp máy mà đặt giá đỡ ổ trục đặt cố định bệ máy 1.1.1.2 Kết cấu máy điện đồng pha cực lồi MĐĐB 3pha cực lồi thường sử dụng trường hợp yêu cầu tốc độ quay thấp, khác với MĐĐB 3pha cực ẩn, đường kính roto D cã thĨ lín tíi 15m, chiỊu dµi l lại nhỏ, với tỷ lệ l/D = (0,12 ữ 0,2) Roto MĐĐB 3pha cực lồi công suất nhỏ trung bình có lõi thép chế tạo thép đúc gia công thành khối lăng trụ khối hình trụ, mặt có đặt cực từ Các máy lớn, lõi thép hình thành từ thép dày (1 ữ 6)mm, dập định hình sẵn để ghép thành khối lăng trụ, lõi thép thường không trực tiếp lồng vào trục máy mà đặt vào giá đỡ roto, giá lồng vào trục máy Cực từ đặt lõi thép roto ghép nhiều thép dày (1 ữ 1,5)mm Việc cố định cực từ lõi thép thực nhờ đuôi hình chữ T bulông xuyên qua mặt cực từ vít chặt vào lõi thép roto (hình 1.2) -41 H×nh 1.2- Cùc tõ máy đồng cực lồi Lá thép cực từ Dây quấn kích thích Đuôi hình T Nêm Lõi thép roto Dây quấn kích từ đồng tiết diện hình chữ nhật, quấn theo chiều mỏng thành cuộn dây Cách điện vòng dây lớp mêca amiăng Các cuộn dây sau gia công luồn vào thân cực Dây quấn khởi động đặt đầu cực giống dây quấn kiểu lồng sóc máy điện không đồng bộ, nghĩa làm đồng đặt vào rÃnh đầu cực nối hai đầu hai vòng ngắn mạch MĐĐB 3pha cực lồi có cấu tạo stato tương tự MĐĐB 3pha cực ẩn 1.1.2 Từ trường Máy điện đồng Từ trường MĐĐB dòng điện dây quấn stato roto sinh Khi máy điện làm việc không tải, dây quấn xoay chiều stato dòng điện (I = 0) nên từ trường máy điện dòng điện chiều it -5chạy dây quấn kích thích đặt cực từ sinh Nếu roto quay, từ trường quét qua dây quấn stato cảm ứng dây quấn sức điện động (s.đ.đ) không tải E máy điện Khi máy làm việc có tải (I 0), từ trường cực từ có từ trường dòng điện tải ba pha chạy dây quấn ba pha sinh ra, lµ mét tõ tr­êng quay Tõ tr­êng quay nµy cã thể phân tích thành từ trường từ trường bậc cao có chiều quay tốc độ quay khác Trong số từ trường này, từ trường quan trọng có tốc độ chiều quay giống từ trường cùc tõ T¸c dơng cđa nã víi tõ tr­êng cùc từ gọi phản ứng phần ứng Phản ứng phần ứng Máy điện đồng có ảnh hưởng nhiều đến từ trường cực từ mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào tính chất tải cấu tạo cực ẩn cực lồi máy Kết máy làm việc có tải, däc khe hë tån t¹i mét tõ tr­êng thèng nhÊt ChÝnh tõ tr­êng ®ã sÏ sinh søc ®iƯn ®éng lúc có tải dây quấn stato Trong trường hợp mạch từ máy không bÃo hòa, lúc phân tích ta xét riêng rẽ từ trường cực từ, từ trường phần ứng s.đ.đ từ trường sinh ra, sau đó, dùng nguyên lý xếp chồng để có từ trường tổng khe hở, s.đ.đ dây quấn phần ứng máy làm việc có tải 1.1.2.1 Từ trường dây qn kÝch thÝch (cđa cùc tõ) D©y qn kÝch thÝch MĐĐB 3pha cực ẩn MĐĐB 3pha cực lồi có cấu tạo khác nên từ trường chúng sinh có dạng khác a Đối với máy cực lồi Đối với máy cực lồi, khe hở mặt cực phần ứng không nên mật độ từ thông không đều, cụ thể: mật độ từ thông mặt cực lớn -6ở mỏm cực Đường biểu diễn từ cảm Bt dọc theo bước cực biểu diễn cách gần hình 1.3 a) + bc = ατ δm τ Bt B tm b) −π /2 B tm1 π /2 H×nh 1.3- Tõ tr­êng d©y qn kÝch thÝch ë khe hë cđa Máy điện đồng cực lồi Người ta tạo phân bố từ cảm Bt theo dạng hình sin (do khó khăn gia công độ cong mặt cực) Nhưng đường phân bố từ cảm không sin phân tích thành sóng sóng bậc cao Trong Máy điện đồng bộ, sóng chủ yếu tạo nên s.đ.đ có tần số dây quấn stato, từ trường bậc cao cực từ thường nhỏ, s.đ.đ chúng sinh bị giảm chọn thích đáng bước ngắn y số rÃnh pha cực q dây quấn stato -7b Đối với máy điện cực ẩn trường hợp Máy điện đồng cực ẩn, đường biểu diễn từ cảm Bt cực từ có dạng hình thang hình + δ a) + + + τ B tm1 B tm Bt b) α γπ / (1 − γ )π γπ / Hình 1.4- Từ trường khe hở Máy điện ®ång bé cùc Èn 1.1.2.2 Tõ tr­êng cđa phÇn øng Khi máy điện làm việc có tải, dòng điện d©y qn stato sÏ sinh tõ tr­êng cđa d©y quấn stato, gọi từ trường phần ứng Tùy theo tính chất tải mà trục từ trường phần ứng làm thành góc định với trục tõ tr­êng cùc tõ Nh­ vËy t¸c dơng cđa tõ trường phần ứng với từ trường cực từ hay phản ứng phần ứng mang tính chất khác tùy theo tÝnh chÊt trë, dung hay c¶m - 64 3.3.2.2 tần số f = 40Hz Hình 3.19- Dòng điện sau nghịch lưu Hình 3.20- Chuyển mạch Thy nghịch lưu NX: tần số nghịch lưu làm việc bình thường - 65 3.3.2.3 Khi tần số f = 35 Hz Hình 3.21- Dòng điện sau nghịch lưu Hình 3.22- Chuyển mạch Thy nghịch lưu NX: tần số nghịch lưu làm việc bình thường - 66 3.2.4 tần số f = 30 Hz Hình 3.23- Dòng điện sau nghịch lưu Hình 3.24- Điện áp sau nghịch lưu - 67 - Hình 3.25- Chuyển mạch Thy1 nghịch lưu NX: tần số nghịch lưu làm việc bình thường Giai đoạn ổn định điện áp kéo dài so với tÇn sè 50Hz, 45 Hz - 68 3.2.5 Khi tần số f = 25 Hz Hình 3.26- Dòng điện sau nghịch lưu Hình 3.27- Chuyển mạch Thy tần số 25 Hz NX: tần số nghịch lưu làm việc bình thường - 69 3.3.2.6 Khi tần số f = 20 Hz Hình 3.28- Dòng điện sau nghịch lưu Hình 3.29- Chuyển mạch Thy1 nghịch lưu - 70 Như vậy, tần số nguồn cấp cho động giảm xuống 20Hz việc chuyển mạch cho Tiristor thực bình thường Hệ làm việc ổn định Ta thấy tần số giảm dần điện áp ngược đặt lên Tiristor có giá trị nhỏ dần 3.3.2.7 Khi tần số f = 15 Hz Hình 3.30- Dòng điện sau nghịch lưu Hình 3.31- Điện áp sau nghịch lưu - 71 - Hình 3.32- Chuyển mạch Thy1 nghịch lưu * Khi tần số điện áp đầu nghịch lưu giảm xuống 15 Hz việc chuyển mạch không thực Hệ không làm việc Đến ta thực việc điều chỉnh tần số theo bước nhỏ để tìm giới hạn chuyển mạch tự nhiên - 72 3.3.2.8 Khi tÇn sè f = 17 Hz Hình 3.33- Dòng điện sau nghịch lưu Hình 3.34- Chuyển mạch Thy1 nghịch lưu Hình 3.35- Điện áp sau nghịch lưu - 73 3.3.2.9 Khi tần số f = 18 Hz Hình 3.36- Chuyển mạch Thy1 nghịch lưu Hình 3.37 Dòng điện sau nghịch lưu Hình 3.38- Điện áp sau nghịch lưu - 74 3.3.2.10 Khi tần số f = 18.5 Hz Hình 3.39- Dòng điện sau nghịch lưu Hình 3.40- Chuyển mạch Thy1 nghịch l­u - 75 3.3.2.11 Khi tÇn sè f = 18.75 Hz Hình 3.41- Chuyển mạch Thy1 nghịch lưu Hình 3.42- Dòng điện sau nghịch lưu - 76 Nhận xét: Hệ truyền động động đồng dùng biến tần nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên tức chuyển mạch nhờ vào sức điện động động cơ: Khi động làm việc sinh sức điện động cảm ứng đủ lớn để đặt điện áp ngược lên anốt-catôt Tiristor, làm cho Tiristor khóa lại, trì khóa Tiristor thời gian khóa an toàn đảm bảo cho Tiristor không bị dẫn dòng trở lại Khi điều chỉnh tần số điện áp nghịch lưu cho động hệ truyền động ta thấy đến giới hạn tần số nguồn cấp cho động f = 18.5 Hz hệ làm việc sức điện động động không đủ lớn để khóa Tiristor Kết luận: Với hệ truyền động cụ thể giới hạn chuyển mạch tự nhiên từ tần số nguồn cấp cho động khoảng18.5 Hz trở xuống 3.3.3 Biện pháp mở rộng phạm vi làm việc tốc độ thấp * Khi tần số điện áp nghịch lưu 18.5 Hz, tăng dung lượng tụ điện chuyển mạch: Hình 3.43- Chuyển mạch Thy1 nghịch lưu NX: Giai đoạn đầu, Thy1 chuyển mạch được, sau thời gian độ trình chuyển mạch không ổn định - 77 - Hình 3.44- Dòng điện điện áp sau nghịch lưu NX: Điện áp, dòng điện mạch stato động đối xứng * Vẫn tần số 18.5 Hz, tăng thời gian chuyển mạch cưỡng cho mạch khởi động: Hình 3.45- Chuyển mạch Thy1 nghịch lưu điện áp sau nghịch lưu - 78 - Hình 3.46- Dòng điện điện áp sau nghịch lưu NX: Thời gian làm việc ổn định tăng lên ổn định đóng vào chuyển mạch tự nhiên Như muốn hệ làm việc tần số thấp phải có tụ điện chuyển mạch cưỡng cho Tiristor nghịch lưu Kết luận: Để cho hệ làm việc vùng tần số thấp (tương ứng tốc độ thấp) biện pháp dùng chuyển mạch cưỡng suốt trình làm việc tốc độ thấp động Tóm lại, sau mô hệ truyền động ta thấy kết thu giống với lý thuyết đà phân tích ... dụng động đồng có điều chỉnh tốc độ biện pháp sử dụng điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ, việc điều chỉnh tần số thực nhờ biến tần bán dẫn Bộ biến tần (BBT) thiết bị biến đổi lượng điện từ tần. .. với xung hình tam giác Tần số chuyển mạch nghịch lưu tần số xung tam giác có giá trị không đổi (gọi tần số mang), tần số tín hiệu điều khiển (tần số điều biến) xác định tần số điện áp nghịch lưu... Hz) Do đó, biến tần cho hệ truyền động công suất lớn công nghiệp đại lựa chọn biến tần nguồn dòng, tải biến tần lại động đồng công suất lớn nên biến tần nguồn dòng lựa chọn biến tần nguồn dòng