Thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng IGBT

-Thiết kế biến tần PWM dùng IGBT -Điều khiển theo quy luật U/f Udm = 380V, P = 5,5 kW, f = 0- 120 Hz, cosφ = 0,77

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN THIẾT KẾ MÔN HỌC MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỀ BÀI: Đề số 57 Thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng IGBT Yêu cầu công nghệ Thông số thiết kế - Thiết kế biến tần PWM dùng IGBT - Điều khiển theo quy luật U/f U dm = 380V, P = 5,5 kW, f = 0- 120 Hz, cosφ = 0,77 Giáo viên hướng dẫn: ĐOÀN VĂN TUÂN Sinh viên: ĐỖ TOÀN THỊNH Hải Phòng, năm 2011 GVHD: ĐOÀN VĂN TUÂN SV: Đỗ Toàn Thịnh 1 LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại công nghiệp hóa,hiện đại hóa đất nước,ngành công nghiệp có một vai trò hết sức quan trọng nhằm thúc đẩy sự phát triển nền kinh tế.Yêu cầu trước hết là phải đưa kĩ thuật công nghệ để ứng dụng vào thực tế sản xuất.Tự động hóa ngày càng có vai trò quan trọng,bởi hiệu quả làm việc,tính an toàn và tiện dụng của nó.Các dây truyền sản xuất hiện đại mang lại hiệu quả cao được ứng dụng ngày càng rộng rãi.Sự ra đời của động cơ điện vào cuối thế kỷ XIX đã tạo nền tảng quan trọng cho sự phát triển của của ngành điện sau này.Ngày nay,động cơ điện đã được ứng dụng rộng rãi,có vai trò không thể thiếu trong công nghiệp và trong đời sống sinh hoạt.So với tất cả các động cơ điện dùng trong công nghiệp động cơ không đồng bộ được dùng nhiều hơn cả,với kiểu dáng gọn nhẹ,có thể chế tạo với nhiều công suất khác nhau,sử dụng đơn giản,giá thành rẻ đã dần thay thế các loại máy điện một chiều.Để đáp ứng được nhu cầu của sản xuất công nghiệp,người ta đã nghĩ ra các thiết bị điện nhằm phục vụ cho hoạt động của động cơ ở những chế độ làm việc khác nhau.Bộ biến tần ra đời giúp thay đổi tần số của mạng điện cấp cho động cơ.Nhờ đó mà động cơ có thể làm việc dễ dàng làm việc mà không phải thay đổi tần số làm việc của nó. GVHD: ĐOÀN VĂN TUÂN SV: Đỗ Toàn Thịnh 2 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 3 PHA SỬ DỤNG IGBT 1.1.Công nghệ biến tần 1.2.1. Khái niệm chung (a) Bộ biến đổi tần số Hay còn gọi là các bộ biến tần là thiết bị biến đổi dòng xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều có tần số khác mà có thể thay đổi được Đối với bộ biến tần dùng cho việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều thì ngoài việc thay đổi tần số chúng ta còn có thể thay đổi cả điện áp ra khác với điện áp lưới cấp vào bộ biến tần. (b)Phân loại  Bộ biến tần gián tiếp Bộ biến tần gián tiếp có sơ đồ cấu trúc tổng thể như sau: Thiết bị biến tần gián tiếp gồm có 3 khâu: -Khâu chỉnh lưu: biến đổi nguốn xoay chiều sang nguốn một chiều -Khâu trung gian: giữ cho điện áp ra của khâu chỉnh lưu là hằng, hay dòng ra của khâu chỉnh lưu là hằng. -Khâu nghịch lưu: là một bộ phận rất quan trong bộ biến tần nó biến đổi dòng một chiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng xoay chiều có tần số f 2 Từ sơ đồ cấu trúc ta thấy điện áp xoay chiều có các thông số (U 1 ,f 1 ) được chuyển thành một chiều nhờ mạch chỉnh lưu, qua một bộ lọc rồi biến trở lại điện áp GVHD: ĐOÀN VĂN TUÂN SV: Đỗ Toàn Thịnh U 2 ~ f 2 U 1 ~ Chỉnh lưu Lọc Nghịch lưu 3 f 1 xoay chiều với điện áp U 2 tần số f 2 . Việc biến đổi năng lượng 2 lần làm giảm hiệu suất biến tần. song bù lại loại biến tần này cho phép thay đổi dễ dàng tần sồ f 2 không phụ thuộc vào f 1 trong dải rộng cả trên và dưới f 1 vì tần số ra chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển. Có 2 loại biến tần gián tiếp đó là sử dụng nghịch lưu áp và nghịch lưu dòng. - bộ biến tần gián tiếp nguồn áp a>Biến tần áp dùng Thyristor Nhóm chỉnh lưu gồm 6 Thyristor T 7 đến T 12 vừa làm chức năng biến đổi dạng điện áp từ xoay chiều thành một chiều vừa có nhiệm vụ điều chỉnh giá trị điện áp V 0 . Bộ lọc phẳng gồm có các cuộn kháng ĐK và tụ C 0 . Phần chỉnh lưu của nhóm nghịch lưu là các Thyristor T 1 đến T 6 . Chúng được mở theo thứ tự T 1 -T 2 -T 3 -T 4 -T 5 - T 6 . Cách nhau 1/6 chu kỳ áp ra. Như vậy tại mọi thời điểm có hai Thyristor mở, một nối với cực dương và một nối với cực âm của điện áp V 0 . Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần gián tiếp dùng Thyristor GVHD: ĐOÀN VĂN TUÂN SV: Đỗ Toàn Thịnh 4 Kết quả điện áp dây đầu ra đưa vào động cơ có dạng như sau: Bằng cách thay đổi khoảng thời gian mở Thyristor ta thay đổi được thời gian chu kỳ của điện áp ra, nghóa là điều chỉnh được tần số ra. Để chuyển mạch giữa các Thyristor người ta dùng các tụ C 1 -C 6 . Các diode D 1 -D 6 ngăn tác dụng của các tụ chuyển mạch với phụ tải, làm cho áp trên tải không bò ảnh hưởng bởi sự phóng nạp của tụ. Các diode D 7 -D 12 tạo một cầu ngược, có tác dụng mở đường cho dòng điện phản kháng từ phía động cơ chạy về tụ C 0 . Dòng điện này xuất hiện do sự lệch pha giữa dòng và áp động cơ. Tụ C 0 có nhiệm vụ chứa năng lượng phản kháng vì động vơ là một tải đơn giản đối với bộ nghòch lưu mà có tác động một cách khác nhau với từng điều hòa của dạng sóng điện áp. Để duy trì từ thông tối ưu trong động cơ không đồng bộ cần giữ tỉ số điện áp/tần số=const.Biến thiên tần số đầu ra của bộ nghòch lưu phải có biến thiên áp. Để giữ được quan hệ điện áp/tần số=const, ta có thể áp dụng phương pháp điều chế bề rộng xung. Hoạt động mạch như sau: Trong ½ chu kỳ của điện áp ra ta đóng cắt Thyristor một số lần nhất đònh giá trò trung bình của điện áp ra phụ thuộc vào tỷ số thời gian đóng mở. Trạng thái một tương ứng với tất cả hai Thyristor T 1 và T 2 cùng dẫn. Dòng điện đi từ nguồn GVHD: ĐỒN VĂN TN SV: Đỗ Tồn Thịnh 5 qua T 1 và T 2 pha a và pha c, điện áp V ac =V 0 . Nếu ta cho T 2 ngưng dẫn thì lúc đó dòng tải qua T 1 ,D 5 và V ac =0. Nếu cho T 1 ngưng dẫn T 2 dẫn thì dòng tải qua T 2 và D 4 , V ac =0. Nếu T 1 và T 2 ngưng dẫn. Dòng điện tải sẽ qua D 5 , D 4 và ngược chiều nguồn điện V ac =-V 0 . Khi T 1 và T 2 cùng dẫn năng lượng được đưa từ nguồn một chiều vào tải. Khi T 1 , T 2 ngưng dẫn năng lượng từ tải được đưa trở lại nguồn còn khi có moat Thyristor dẫn thì giữa nguồn và tải không có trao đổi năng lượng. Để tăng tốc độ và hiệu quả đổi chiều của bộ nghòch lưu và không cần đến bộ chuyển mạch phụ như dùng Thyristor thông thường. Người ta dùng Thyristor khóa bằng cực khiển (GTO) trong khâu nghòch lưu của bộ biến tần có điều chế bề rộng xung. Biến tần điều chế bề rộng xung với các Thyristor khóa bằng cực khiển. Dạng sóng điển hình khi có bộ điều chế bề rộng xung. Các dạng sóng dòng điện cho thấy rõ việc giảm các điều hòa dòng điện, so với dạng sóng nhận được của bộ nghòch lưu có dạng sóng gần như chữ nhật. GVHD: ĐỒN VĂN TN SV: Đỗ Tồn Thịnh 6 Các dạng sóng của bộ nghòch lưu ba pha có điều chế độ rộng xung: b>Biến tần áp dung Transitor Về phương diện điều khiển động cơ, những nhận xét về cơng suất của bộ nghịch lưu dùng Transitor cũng giống như đối với bộ nghịch lưu dùng Thyristor. Các Transitor làm việc ở chế độ dịch chuyển mạch, cho song đầu ra gần như là hình chữ nhật. Transitor T đóng vai tro như một bộ điều chỉnh điện áp một chiều để điều khiển điện áp liên lạc. Tần số đóng cắt có thể lớn hơn và các thành phần bộ lọc nhỏ hơn so với trường hợp dùng Thyristor. Điều chế bề rộng xung cho phép loại bỏ Transitor này. GVHD: ĐỒN VĂN TN SV: Đỗ Tồn Thịnh 7 Các Thyristor Th 1 và Th 2 có nhiệm vụ bảo vệ ngắn mạch, hay nó bảo vệ cho Transitor khi có dòng quá lớn trong bộ nghịch lưu, lúc này Thyristor được mồi, ngắn mạch bộ nghịch lưu và tác động thiết bị bảo vệ. Người ta có thể khóa tất cả Transitor bằng cách khử các tác động lên cực gốc của nó để loại trừ sự cố. Ưu điển của Transitor so với Thyristor là bỏ được chuyển mạch cưỡng bức,các tổn hao đổi chiều nhỏ hơn cũng có khả năng cho bộ nghịch lưu làm việc tới tần số cao hơn. Khuyết điểm của nó là đòi hỏi liên tục tác động vào cực gốc trong chu kỳ dẫn của Transitor, nhưng nếu dùng sơ đồ Darlington có thể có hệ số khuếch đại dòng điện tới 400. Một khuyết điểm khác là điện áp định mức hơi thấp hơn điện áp định mức Thyristor. Bộ biến tần gián tiếp có dải điều tần rộng, tần số ra f r có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn tần số vào f 1 , do đó có thể điều chỉnh vô cấp được. Việc điều chỉnh V r , f r có dạng bậc thang nên gây ra các sóng hài bậc cao vì vậy khi làm việc động cơ sẽ sinh ra từ trường có tần số cao tạo ra trong động cơ một hệ thống dòng điện, moment có hại đốt nóng động cơ làm tăng tổn hao sắt và làm giảm tính ổn định động cơ. - bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng 4/ Biến tần dòng a>Biến tần dòng dùng Thyristor Cầu chỉnh lưu điều khiển gồm 6 Thyristor T 7 đến T 12 cầu biến tần gồm 6 Thyristor T 1 đến T 6 . Mỗi Thyristor được nối tiếp qua một Diode và trong mỗi cửa cầu có 3 tụ điện. Cầu chỉnh lưu thông qua điện cảm ĐK san bằng cung cấp cho cầu biến tần dòng điện I d . Ở mọi thời điểm có hai Thyristor dẫn điện, các Thyristor được điều khiển mở theo thứ tự 1,2,…,6, ở mỗi Thyristor dẫn trong khoảng 120 0 . GVHD: ĐOÀN VĂN TUÂN SV: Đỗ Toàn Thịnh 8 Sơ đồ nguyên lý Dạng sóng dòng điện và điện áp ra trên một pha GVHD: ĐOÀN VĂN TUÂN SV: Đỗ Toàn Thịnh 9 Dòng điện ra có dạng gần như bậc thang. Điện áp ra có dạng như hình sin nhưng mang các đỉnh nhọn tại các thời điểm chuyển mạch. Ta biết rằng các Diode nối ngược ở bộ nghịch lưu áp ngăn cản điện áp liên lạc một chiều đổi cực tính và cho dòng điện ngược chạy qua. Khi vượt q tốc độ có thể động cơ trở thành máy phát. Do đổi cực tính điện áp góc mở có thể làm bộ biến tần làm việc ở chế độ nghịch lưu và trả năng lượng về nguồn. Dạng sóng dòng điện hình bậc thang gây khó khăn khi làm việc ở tốc đọ rất thấp. Cuộn dây liên lạc một chiều ngăn cản biến thiên đột ngột của dòng điện. Một ưu điểm khác của bộ nghịch lưu dòng là ngăn mạch đầu cực động cơ khơng gây hư hỏng bộ nghịch lưu vì dòng điện có xu hướng giữ khơng đổi. b>Biến tần dòng dùng Transitor Bộ nghòch lưu dòng Transistor cũng sử dụng 6 Transistor và 6 diode. Nhưng trong sơ đồ nghòch lưu dòng các diode được mắc nối tiếp với các Transistor và các diode này có nhiệm vụ ngăn dòng ngược bảo vệ cho tất cả các transistor. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng biến tần dòng gián tiếp dùng các Thyristor thông thường với chuyển mạch đơn giản chỉ có tụ điện ngăùn mạch tức thời đầu ra không gây ảnh hưởng gì nhờ cuộn dây liên lạc ngăn tất cả các đột biến của dòng điện và tái sinh tương đối dễ dàng, có khả năng cung cấp cho nhiều động cơ làm việc song song có hiệu suất cao. Việc dùng ngày càng nhiều các Thyristor khóa bằng cực khiển hay Transistor công suất trong các bộ nghòch lưu áp chứng tỏ rằng bộ nghòch lưu dòng không được sử dụng rộng rãi với truyền động công suất nhỏ vì gây ra moment và va đập lớn, các cuộn dây có kích thước lớn và việc điều chỉnh tốc độ khó.  Bộ biến tần trực tiếp Bộ biến tần trực tiếp là thiết bị biến đổi tần số vào sang tần số ra một cách trực tiếp mà khơng cần có sự can thiệp của một khâu trung gian nào. Bộ biến tần trực tiếp hay còn gọi là bộ biến tần phụ thuộc thường gồm các nhóm chỉnh lưu điều khiển mắc song song cho xung lần lượt 2 nhóm chỉnh lưu trên ta được dòng xoay chiều trên tải. Như vậy điện áp xoay chiều U 1 (f 1 ) chỉ cần qua 1 van là chuyển ngay ra tải với U 2 (f 2 ). Tuy nhiên đây là loại biến tần có cấu trúc van rất phức tạp chỉ sử dụng cho truyền động điện có cơng suất lớn, tốc độ làm việc thấp vì sự thay đổi f 2 khó khăn và phụ thuộc vào f 1 . GVHD: ĐỒN VĂN TN SV: Đỗ Tồn Thịnh 10 . lưới cấp vào bộ biến tần. (b)Phân loại  Bộ biến tần gián tiếp Bộ biến tần gián tiếp có sơ đồ cấu trúc tổng thể như sau: Thiết bị biến tần gián tiếp gồm. lưu: là một bộ phận rất quan trong bộ biến tần nó biến đổi dòng một chiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng xoay chiều có tần số f 2 Từ sơ đồ cấu trúc