thiết kế biến tần ba pha

BÁO CÁO ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Đề Tài: Biến Tần Ba Pha CHƯƠNG Tổng quan động không đồng ba pha 1.1 - - Giới thiệu động không đồng bộ: Động cớ không đồng pha máy điện xoay chiều làm việc dựa ngun lí cảm ứng điện từ ,có tôc độ roto khác với tốc độ từ trường quay máy -Nhờ vào cấu tạo đơn giản ,dể chế tạo vận hành an toàn ,sửu dụng nguồn cung cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha nên laoij động sử dụng rộng rãi công nghiệp 1.2 CẤU TẠO: -Giống loại máy điện quay khác ,động không đồng ba pha gồm có phận sau : - Phần tĩnh ( stato) - Phần quay( roto) 1.2.1 Phần tĩnh( Stato): 1.2.1.1 Lõi thép: Lõi thép phần dẫn từ Vì từ trường qua lõi thép từ trường quay nên để giảm bớt tổn hao, lõi thép làm thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm ép lại Khi đường kính ngồi lõi thép nhỏ 990mm dùng thép trịn ép lại Khi đường kính ngồi lớn trị số phải dùng thép hình rẻ quạt ghép lại thành khối trịn Mỗi lõi thép kỹ thuật điện có phủ sơn cách điện bề mặt để giảm hao tổn dòng điện xốy gây nên Nếu lõi thép ngắn ghép thành khối lõi thép dài ghép thành ngắn thép dài từ đến cm đặt cách 1cm để thơng gió cho tốt Mặt cùa thép có rảnh để dặt dây quấn 1.2.1.2 Dây quấn: Dây quấn đặt vào rãnh lõi sắt cách điện với lõi sắt Dấy quấn stato gồm ba cuộn dây đặt lệch 120o điện 1.2.2 Phần quay( Roto): Phần gồm phận chính: - lõi thép - dây quấn rotor: 1.2.2.1 Lõi thép: Nói chung người ta dùng thép kỹ thuật điện stator lõi thép ép trực tiếp lên trục máy lên giá rotor máy Phía ngồi thép có rãnh để đặt dây quấn 1.2.2.2 Dây quấn roto: Phân loại làm hai loại rotor kiểu dây quấn va roto kiểu lồng sóc: - Loại rotor kiểu dây quấn : rotor kiểu dây quấn giống dây quấn ba pha stato có số cực từ dây quấn stator Dây quấn kiểu ln đấu hình ( Y ) có ba đấu đấu vào ba vành trượt gắn vào trục quay roto cách điện với trục Ba chổi than cố định tỳ vành trượt để dẫn điện biến trở nối nằm động để khởi động điều chỉnh tốc độ - Rotor kiểu lồng sóc: Gồm đồng nhôm đặt rãnh bị ngắn mạch hai vành ngắn mạch hai đấu.Với động nhỏ ,dây quấn rotor đúc nguyên khối gồm dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt cánh quạt làm mát Các động công suất 100kw dẫn làm đồng đặt vào rãnh rotor gắn chặt vành ngắn mạch 1.2.2.3 Khe hở: Khe hở máy điện không đồng nhỏ,đều ( từ 0,2mm đến 1mm máy điện cở nhỏ vừa ) để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới vào ,và làm cho hệ số công suất máy tăng cao 1.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA: -Khi cho dòng điện bap vào cuộn dây đặt lệch 1200 khơng gian sẻ tạo từ trường quay Nếu từ trường quay đặt dẫn tạo sức điện động dẫn làm suất dòng điện rotor Sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải -Đồng thời từ trường quay tác động lên dẫn mang dòng điện sinh ram omen quay làm quay rotor +Tốc độ từ trường quay (tốc độ không đồng ,tốc độ không tải lý tưởng ): n0= (vòng /phút ) == (rad/s) : tần số dong điện stator : số cặp cực từ động +Hệ số trượt s máy : s= = =>Như n = n1 s = 0, cịn n = s = 1, n > n ,s < rotor quay ngược chiều từ trường quay n < s > -Dịng điện cảm ứng rotor củng dòng xoay chiều với tần số xác định qua tốc độ tương đối rotor với từ trường quay : ==(Hz) 1.4 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG DỒNG BỘ PHA: 1.4.1 Phương trình đặc tính cơ: Ta sử dụng sơ đồ thay để thành lập phương trình đặc tính động khơng đồng Ta đưa số giả thiết sau: - Ba pha động đối xứng - Các thông số mạch không phụ thuộc vào nhiệt độ ,tần số ,điện kháng không thay đối … - Tổng dẫn mạch vịng từ hóa khơng thay đổi ,dịng từ hóa khơng phụ thuộc tải mà phụ thuộc điện áp đặt vào stator - Bỏ qua tổn hao ma sát ,tổn thất lõi thép - Điện áp lưới hoàn toàn sin đối xứng Hình 1-1 Sơ đồ thay thê pha động không đồng Với già thiết ta có sơ đồ thay pha động Trong đó: - U1 - trị sổ hiệu dụng điện áp pha stato - I, I1 ,I’2 - dịng điện từ hóa, dịng điện stato dịng điện roto quy đổi vể stato - Xµ , X, X’ - điện kháng mạch từ hoá, điện kháng tản stato điện kháng tản rôto quy đồi stato - Rµ, R1, R’2, R’2f - điện trở tác dụng mạch từ hóa cuộn dây stato mạch roto quy đổi stato - Phương trình đặc tính điện : = (1.4) Đế tìm phương trình đặc tính động ta dựa vào điều kiện cân công suất động cơ: Công suất điện từ chuyển từ stato sang roto: = Pcơ + = Mđl mômen điện từ động Nếu bỏ qua tổn thất phụ thì: Cơng suất chia thành phần: +Công suất đưa trục động cơ: =M Công suất tổn hao đồng rotor: =3 Momen động xác định từ vận tốc : M() = M=  Phương trình đặc tính cơ: M= =+ Điện kháng ngắn mạch (1.6) Ta có hệ sô trượt ứng với momen tới hạn Mth gọi hệ số trượt tới hạn = Mth = Hình 1-2 Đặc tính ĐK 1.4.2 Ảnh hưởng thơng số đến đặc tính ĐK: Phương trình đặc tính tự nhiên: M= Các thơng số ảnh hưởng đến đặc tính : -Điện áp stator U1 : +Ứng dụng để khởi động điều khiển tốc độ động với hai loại roto dây quấn rotor lồng sóc -Tần số dịng điện stator f1: +Là phương pháp phổ biến để điều khiển tốc độ động không đồng -Điện trở mạch rotor : +Phương pháp sử dụng rotor dây quấn ,ứng dụng để khởi động điều khiển tốc độ động rotor dây quấn -Điện trở điện kháng mạch stator X1 R1: +Thường ứng dụng sử dụng khởi động động rotor lồng sóc -Số đối cặp cực p: +Phương pháp khơng sử dụng thường số cập cực từ động cố định,ở tốc độ cao khó thay đổi =>Chọn phương pháp điều chỉnh tốc đọ động không đồng pha điều chỉnh tần số : • • • • Có khả điều chỉnh tốc độ động dễ dàng Không cần thay đổi phần cứng mà thay đổi phần mềm Làm việc nhiều môi trường khác nhau, kết cấu đơn giản Đáp ứng cầu làm việc thiết bị có tốc độ cao 1.4.2.1 Ảnh hưởng tần số lưới cung cấp cho động cơ: Hình 1-6 Ảnh hưởng f1 Khi thay đổi tần số f1 : - thay đổi -X1 X2 thay đổi : +sth thay đổi +Mth thay đổi == Mth = Với giả thiết R1 Biến tần trực tiếp sử dụng 2.2.2 Biến tần gián tiếp -Biến điện áp xoay chiều tần số thành điện áp chiều(khâu trung gian ), biến điện áp chiều thành điện áp xoay chiều tần số khác - Khâu trung gian chiều đóng vai trị khâu tích luỹ lượng dạng nguồn áp dùng tụ địên nguồn dòng dùng cuộn cảm tạo khâu cách ly định phụ tải nguồn điện áp lưới -Thường người ta chia làm hai loại +Biến tần gián tiếp nguồn áp +Biến tần gián tiếp nguồn dòng 2.2.2.1 Biến tần gián tiếp nguồn áp Sơ đồ tham số biến tần gián tiếp nguồn áp -Là Loại biến tần mà nguồn tạo điện áp chiều nguồn áp -Bộ biến tần nguồn áp có ưu điểm tạo dịng điện điện áp sin dãi biến tần cao nên sử dụng rộng rãi Sơ đồ biến tần gián tiếp nguồn áp pha -Mạch trung gian chiều :có chứa tụ lục có điện dung lớn (khoảng vài ngàn ) mắc vòa ngõ vào ngịch lưu ,giúp mạch hoạt động nguồn áp -Bộ ngịch lưu : dạng ba pha ,quá trình chuyển đổi thường chuyển đổi cưỡng -Bộ chỉnh lưu : thồng thường ta hay gặp mạch cầu ba pha nhờ hiệu suất vượt trội +Nguyên tắc điều khiển - F2 ;phát tần số xung vào điều khiển ngịch lưu Có thể dung chỉnh lưu có điều khiển , khơng điều khiển biến đổi xung áp 2.2.2.2 Biến tần gián tiếp nguồn dòng Sơ đồ tham số biến tần gián tiếp nguồn dòng -Là loại biến tần dung cuộn cảm tạo nên nguồn dòng cung cấp cho ngịch lưu nguồn song song - Ưu điểm loại dung với động khơng đồng có khả trả lại lượng lưới ,thích hợp cho động hiệu suất 100KW -Nhược điểm loại khơng thích hợp cho động cơng suất nhỏ Sơ đồ biến tần gián tiếp nguồn dòng ba pha -Mạch trung gian : có cuộn cảm ( khoảng vài mH) làm chức nguồn dòng cho ngịch lưu -Bộ ngịch lưu dòng : pha ba pha ,có thể cưỡng phụ thuộc -Bộ chỉnh lưu :thường chỉnh lưu mạch cầu ba pha + Nguyên tắc điều khiển 10 UA=sin UB=sin ) UC=sin -) iA ==sin iB ==sin ) iC ==sin -) Với Z= Để có biểu đồ điện áp tải theo thời gian ,ta xét chu kì làm việc mạch xét ngun lí hoạt động IGBT 14 Q trình chuyển mạch đặc tính dịng điện : -Bằng cách xác định điện áp tải theo khoảng lại có đập mạch Điệp áp dây tải có dạng xung hình chữ nhật ,độ rộng 1200 điều hịa Điện áp pha tải có dạng bậc thang Dịng điện tải có dạng xoay chiều khơng điều hịa ,tang giảm theo hàm mũ 15 2.3.4 rMạch điều khiển cho ngịch lưu 2.3.4.1 Nhiệm vụ -Tạo xung điều khiển để kích mở IGBT ,mỗi xung kích có pha cách chu kì điện áp nghịch lưu -Độ rộng xung điều khiển phải thời gian IGBT trạng thái dẫn ,hay chu kì điện áp nghịch lưu -Khơng kích mở IGBT pha làm việc đồng thời 2.3.4.2 Chức -Tạo xung có độ rộng định ,hình dạng định ,phân phối xung theo pha tương ứng thay đổi thời điểm đặt xung vào cực điều khiển van - Sơ đồ khối mạch điều khiển : Phát xung chủ đạo Phân phối xung Khuếch đại xung Van +Khâu phát xung chủ đạo: khâu dao động có nhiệm vụ tạo xung điều khiển đưa đến phân phối xung để điều khiển IGBT +Khâu phân phối xung : làm nhiệm vụ phân phối xung tới khâu khuếch đại xung theo trình tự định tần số phụ thuốc vào khâu phát xung chủ đạo +Khâu khếch đại xung :Khuếch đại xung từ khâu phân phối xung đến kích mở IGBT ,sử dụng ghép quang để cách li mạch điều khiển với mạch động lực 2.3.4.3 Phân tích mạch điều khiển a)Khâu phát xung chủ động : -Ở ta chọn mạch ASTABLE dùng vi mạch định thời IC 555 làm nguồn phát xung chủ đạo -Cấu tạo vi mạch IC555 +Chân 1:Nối mass +Chân 2:chân kích khởi (trigger) +Chân 3: đầu +Chân 4:chân reset ( reset mức thấp ) +Chân 5:chân điều khiển +Chân 6:chân ngưỡng 16 +Chân 7:chân xả +Chân 8:chân nguồn Vcc -Sơ đồ nguyên lí mạch: -Nguyên lí hoạt động + 0t t1 Mạch tồn trạng thái bền ban đầu V0=1 => Q= ,BJT tắt tụ C nạp qua R1 R2 hướng đến giá trị Vcc Tụ nạp đến Vc =V6 =V2 Vcc SS1 :V- V+ => V- => R=0 SS2 :V+ V- => V+ => S=1  Q=1 V0 = chấm dứt trạng thái không bền ban đầu chuyển sang trạng thái không bền thứ 17 +t1 tt2 t=t1 mạch trạng thái không bền thứ hai Q=1 V0=0 BJT dẫn tụ C xả qua R2 chân xuống mass Điện áp tụ C giảm đến Vcc Vc Vcc : SS1 :V- V+ => V- => R=0 SS2 :V- V+ => V- => S=0  Q giữ nguyên trạng thái Tụ C tiếp tục xả Vc Vcc Vc =V6 =V2 SS1 :V+ V- => V+ => R=1 SS2 :V- V+ => V- => S=0  Q=0 V0 =1  Mạch chuyển trạng thái không bền thứ hai trạng thái không bền ban đầu +Độ dài xung T1 = 0,7 C(R1+R2) T2 = 0,7 CR2) T=T1+T2 = 0,7 C(R1+2R2) b) Khâu phân phối xung : -Khi T1 có xung điều khiển dẫn dịng T4 khơng có xung điều khiển (khóa ) -Khi T3 có xung điều khiễn dẫn T6 khóa -Khi T5 có xung điều khiển dẫn T2 khóa + Để tạo xung điều khiển ta sử dụng trigo đảo không đảo Ta cần trigo (tức 23=8 trạng thái ), với xung đầu vào đầu có xung ( xung cách 600 điện) + Các trạng thái điêù khiển sau : 18 => Từ trạng thái của điều khiển ta xây dựng đếm sở D –FF -Ta có bảng chức D –Flip-Flop sau : Với Qn=D Từ bảng ta có bảng đầu vào kích D-Flip-Flop: Tại thời điểm ngịch lưu ln có IGBT mở nên cần phải phân phối xung đến IGBT phù hợp yêu cầu mở Trạng thái cần có D-Flip_Flop sau : 19 Theo bảng ta tìm phụ thuộc đại lượng đầu ,tối thiểu hóa hàm logic dùng bảng kananugh: +Với đầu vào D1 -Với đầu vào D2 -Với đầu vào D3 Vậy ta hệ ddeensm dùng để phân phối xung với so đồ : 20 c)Khâu khuếch đại xung : Khâu khuếch đại xung Khối khuếch đại xung dùng để tang dịng áp để kích vào cực B Transistor cơng suất.Ngồi cịn có tác dụng cách ly mạch động lực mạch điều khiển.Để làm việc người ta dùng OPTOCOUPLERS Các tín hiệu xung báo đèn led phát quang để kích Transistor dẫn Sơ đồ khuếch đại xung cho tầng cơng suất -Ngun lí hoạt động sơ đồ ,đưa tín hiệu vào chân b transistor Q2 từ trigo mức Q1 ngừng dẫn đầu khồn có dịng Q1 ngừng dẫn Transistor khơng kích ,khi có tín hiệu vào Q2 mức dẫn làm Q1 dẫn kích transisitor cơng suất 21 3Tính tốn chọn phần tử mạch a Các thông số ban đầu -Các thông số động khơng đồng roto lồng sóc: o Cơng suất định mức: Pdm = Kw o Điện áp định mức: Ufdm = 220 V o Hệ số công suất: Cos = 0.8 o Hiệu suất: o Tốc độ định mức: η= 0.8 nđm= 1500 v/phút Tính chọn phần tử mạch ngịch lưu -Công suất tác dụng động tiêu thụ P1= Pđm/= 3000/0.8= 3750 W -Từ thơng số ta tính được: • Dịng điện định mức: • Điện trở pha tải: Ω • Điện cảm tải : Lt H 1.1.1 Tính chọn Transistor: Điện áp pha động cơ: Uf = 220 V Điện áp đầu vào nghịch lưu: từ Uf = Ud Ud= Uf = 220= 466.65 V Chọn hệ số áp ku= 1.6, ta cần chọn transistor chịu áp định mức UT = ku Ud= 1.6 466.65= 746.64 V Dòng trung bình qua van transistor: ITr = = 2,87 A Chọn hệ số dòng ki= 1.2, transistor chịu dòng lớn là: IT= 2,87 1.2= 3,444 A Ta phải chọn transistor có giá trị vượt hơn, tra bảng ta chọn BUX47 với thông số: UCE = 850 (V)., UCE0 = 400(V) , IC = (A) 22 1.1.2 Tính chọn diod ngược nghịch lưu Diod cho nghịch lưu phải chịu điện áp ngược tải hoạt động chế độ động Về điện áp, diode phải chịu điện áp có giá trị Ud -Điện áp ngược cực đại đặt lên điôt: Ungm = Ud = 466,65 -Chọn hệ số an tồn điện áp ku = 1.8 Vậy điơt phải chịu điện áp: Udiode = 1.6 = 1.8 466.65= 839.97 V -Dịng trung bình chảy qua điốt: IDiode = = 0,32 A -Chọn hệ số dự trữ dịng điện: ki = 1,6 Vậy cần chọn điốt chịu dịng trung bình: ITBDiode = 1,6.0,32 = 0,512 (A) Từ ta chọn điốt: Điơt 1N2287 với thơng số Imax= 20 A Ung=1000 V 1.1.3 Tính chọn tụ C0: 1.2 Bộ băm điện áp Phương pháp điều khiển ta điều khiển độ rộng xung : Gọi T1 thời gian mở T2 thời gian đóng T chu kì đóng mở xung Xét động tải R- L Ta có : Điện áp trung bình sau biến đổi : Chọn tần số băm xung biến đổi f = 400Hz ⇒ T = T1 + T2 = = 2500 ( µs ) Phạm vi điều khiển điện áp : = 0,2 ; max = 0,8 23 Nếu coi sụt áp cuộn dây lọc phía trước nghịch lưu khơng đáng kể giá trị điện áp phía trước điều chỉnh xung thời điểm cực đại dãy điều chỉnh : Chọn hệ số áp ku = 1,6 Vậy cần chọn Tranzistor phải chịu điện áp : UTr = 1,6.583,3 = 933,28 (V) Một cách tương đối ta xem hiệu suất nghịch lưu bảo tồn lượng : η = 0,9 theo định luật Ud.Id = Chọn hệ số dự trữ dòng điện ki = 1,2 Vậy Tranzistor chọn làm băm phải thoả mãn hai điều kiện sau : UT = 933,28 (V) IT = 8,56 (A) Tra bảng ta chọn Tranzistor loại BUX 47A có : VCE = 1000(V) ; IC = 9(A) µ µ ton = 1( s) ; toff = 0,8( s) 1.3 Bộ chỉnh lưu Đối với máy biến áp công suất nhỏ điện áp rơi điện trở cuộn dây tương đối lớn khoảng 4% cuộn kháng bé khoảng 1,5% , điện áp rơi Diod khoảng 2V Điện áp chỉnh lưu =U+U = 583,3 + 583,3*(1.5% + 4%) + = 617,38 (V) Giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp máy biến áp = = 264 (V) Tỉ số máy biến áp k= = 24 Điện áp lớn Diode phải chịu : = = 264= 646,8 (V) Giá trị trung bình dịng qua Diode : = = = 2,38 (A) Giá trị dòng điện chạy qua pha thứ cấp mba : = Id = 0,816.7,14 = 5,82(A) Trị hiệu dụng dòng chảy pha sơ cấp mba : = k = 0,69.5,82= 4,016 (A) Chọn Diode có hệ số dự trữ áp : = 1.6 Chọn Diode có hệ số dự trữ dịng : = 1.2 Vậy diode chịu : = 1,6.646,8= 1034,88 V = 1,2.2,38= 2,856 A Tuy nhiên, máy điện không đồng chủ yếu sử dụng chế độ động động điện Chúng có số nhược điểm dịng điện khởi động động không đồng thường lớn(từ đến lần dòng điện định mức) Vậy lúc mở máy dòng tăng lên lần Idiode/kđ= 4*Idiođe= 4.2,856 = 11,424 (A) Chọn Diod : SKR20/12 có Imax= 20A, Ung= 1200 V 1.4 Chọn máy biến áp Công suất biểu kiến máy biến áp : S2 = mU2f.I2 = 3.264.5,82 = 4609,44 (W) S1 = mU12.I1 = 3.380.4,016 = 4578,24 (W) Mạch từ máy gồm trụ có tiết diện trụ tính tốn theo cá cơng thức kinh nghiệm , với thông số công suất điện áp định mức phía sơ thứ cấp tra bảng ta tìm thơng số phù hợp máy 1.5 Chọn tụ loc sau chỉnh lưu 1.6 Chọn thông số mạch điều khiển 1.6.1 Khâu phát xung Chu kì xung 25 T= T1 + T2= 0.7C(R1+ 2R2) Tần số xung f555= = Như muốn thay đổi tần số điện áp đầu ta chi cần thay đổi thông số mạch phát xung chủ đạo IC555 , cụ thể ta thay đổi giá trị R , R2 C Thường để đơn giản ta chọn giá trị điện dung tụ C trước giữ nguyên điều chỉnh giá trị điện trở R1 , R2 Với tải động điện khơng đồng rơto lồng sóc u cầu điều chỉnh tốc độ cách thay đổi tần số nguồn cung cấp cho tải từ 15 – 50 Hz Chọn tụ C = 0,1µF Vì tần số chu kì điện áp lưới gấp lần xung kích D-FF nên ta có f= = Giả trị điện trở R1 tương ứng với tần số 50Hz R2 = Ω : Giả trị điện trở R2 tương ứng với tần số 15Hz điện trở R1 = 48 kΩ : Chọn R2 biến trở 100 Khâu phân phối xung -Ta dùng mã xoắn D-Flip-Flop nên chọn Ic7474 với Vcc=5v đầu vào 1.6.2 Khâu khuếch đại xung Theo tính tốn trước Tranzistor cơng suất T chọn loại BUX 47 có thơng số , Icmax = 15 (A) β =8 Với dòng làm việc Ic = 10= Id (A) dịng bazơ Tranzistor : Chọn van T’ theo điều kiện ICT > IBT = 1,25 (A) Vậy chọn van T’ phải thoã mãn điều kiện trên: 2SB626 26 β ICmax = (A) ; = 40 , UCE = 120 (V) Optocopleur chọn loại 4N38 có thơng số : Điện áp cách li : (kV) Dòng chịu đựng : 60 (mA) Điện trở R21 tính theo điều kiện : Điện trở R31 tính theo : Tranzistor T” chọn theo điều kiện : Tranzistor T” loại BUP48 có thơng số sau : VCE0 = 60(V) , Icmax = 100(mA) , β = 10 Với dòng Iop = 60(mA) = ICT” : Điện trở R3 chọn theo điều kiện : 27 28 ... •Phân loại theo số lượng pha -Một pha -Ba pha -m -pha •Phân loại theo sơ đồ -Trực tiếp -Gián tiếp + Nguồn áp + Nguồn dòng 2.2.1 Biến tần trực tiếp Biến tần trực tiếp biến đổi tần số trực tiếp từ lưới... ta chia làm hai loại +Biến tần gián tiếp nguồn áp +Biến tần gián tiếp nguồn dòng 2.2.2.1 Biến tần gián tiếp nguồn áp Sơ đồ tham số biến tần gián tiếp nguồn áp -Là Loại biến tần mà nguồn tạo điện... trung gian chiều Tần số điều chỉnh nhảy cấp nhỏ tần số lưới ( f1 < flưới ) Sơ đồ biến tần trực tiếp pha Dạng song điện áp đầu biến tần trực tiếp pha +Các đại lượng đầu - Chu kì tần số - T2=T1 +2(n-1)