Thiết kê biến tần 3 pha để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay cùng với việc phát trển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật trong công nghiệp nói chung và trong công nghiệp điện tử nói riêng thì các thiết bị điện tử có công suất lớn được chế tạo ngày càng nhiều.Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang phát triển hết sức mạnh mẽ.Qua đó con người đã khai thác triệt để những ưu điểm vốn có của các loại động cơ một chiều và xoay chiều phục vụ những nhu cầu ngày càng cao trong lĩnh vực tự động hóa. Với đồ án này em đã nêu ra một khía cạnh nhỏ trong lĩnh vực điều khiển động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc. “Thiết kê biến tần 3 pha để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ” Nội dung các chương mục như sau : Chương 1 : Tổng quan về công nghệ. Giới thiệu về công nghệ biến tần Chương 2 : Tính chọn mạch công suất. Mạch động lực, đi sâu vào nguyên lí làm việc của hệ thống thiết bị cũng như các phương pháp tính chọn mạch và bảo vệ mạch. Chương 3 : Thiết kế mạch điều khiển . Ứng dụng của kĩ thuật xung số để điều khiển hoạt động của mạch Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa điện đã tận tình chỉ bảo trong thời gian làm đề tài. 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BIẾN TẦN 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BIẾN TẦN: 1.1.1 Giới thiệu chung: Trong các hệ thống điều tốc biến tần cho cả 2 loại động cơ xoay chiều đồng bộ và không đồng bộ thì bộ biến tần là khâu quan trọng quyết định đến chất lượng của hệ thống truyền động. Phụ thuộc vào phạm vi điều chỉnh, vào phạm vi công suất truyền động, vào hướng điều chỉnh mà có các loại biến tần và phương pháp khống chế biến tần khác nhau. Trong thực tế các bộ biến tần được chia làm hai nhóm: các bộ biến tần là biến tần trực tiếp và các bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều. Trước đây, các hệ truyền động dùng biến tần trực tiếp do chất lượng điện áp đầu ra thấp nên thường dùng ở lĩnh vực công suất lớn, nơi chỉ tiêu về hiệu suất được đặt lên hàng đầu. Ngày nay, với sự phát triển của điện tử công suất và kỹ thuật vi điều khiển, phương pháp điều khiển biến tần kiểu ma trận cho chất lượng điện áp ra cao, giảm ảnh hưởng xấu đến lưới điện nên phạm vi ứng dụng đang ngày càng được mở rộng. Được ứng dụng nhiều nhất hiện nay vẫn là các hệ điều tốc biến tần dùng bộ biến tần gián tiếp, các bộ biến tần loại này có thể khống chế theo các phương pháp khác nhau: điều chế độ rộng xung (PWM); điều khiển vector; điều khiển trực tiếp mô men. Biến tần điều chế độ rộng xung (PWM) với việc điều khiển điện áp và tần số theo qui luật U 1 /f 1 = Const dễ thực hiện nhất, đường đặc tính cơ biến tần của nó về cơ bản là tịnh tiến lên xuống, độ cứng cũng khá tốt, có thể thoả mãn yêu cầu điều tốc thông thường, nhưng khi tốc độ giảm thấp thì sụt áp trên điện trở và điện cảm tản cuộn dây ảnh hưởng đáng kể đến mô men cực đại của động cơ, buộc phải tiến hành bù sụt điện áp cho mạch stator. Điều khiển E s /f 1 = const là mục tiêu thực hiện bù điện áp thông dụng với U 1 /f 1 = const, khi ở trạng thái ổn định có thể làm cho từ thông khe hở không khí không đổi (Ф m = const), từ đó cải thiện được chất lượng 2 điều tốc ở trạng thái ổn định. Nhưng đường đặc tính của nó vẫn là phi tuyến, khả năng quá tải về mômen quay vẫn bị hạn chế. Hệ thống truyền động điều khiển E r /f 1 = const có thể nhận được đường đặc tính cơ tuyến tính giống như ở động cơ một chiều kích thích từ độc lập, nhờ đó có thể thực hiện điều tốc với chất lượng cao. Dựa vào yêu cầu tổng từ thông của toàn mạch rotor Ф rm = const để tiến hành điều khiển có thể nhận được E r /f 1 =const. Trong trạng thái ổn định và trạng thái động đều có thể duy trì E r /f 1 =const là mục đích của điều tốc biến tần điều khiển vec tơ, đương nhiên hệ thống điều khiển của nó là khá phức tạp. Dựa trên kết quả từ 2 hạng mục nghiên cứu: “Nguyên lý điều khiển định hướng từ trường động cơ không đồng bộ” do F. Blaschke của hãng Siemens Cộng hoà Liên bang Đức đưa ra vào năm 1971, và “Điều khiển biến đổi toạ độ điện áp stator động cơ cảm ứng” do P.C. Custman và A.A. Clark ở Mỹ công bố trong sáng chế phát minh của họ, qua nhiều cải tiến liên tục đã hình thành được hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector mà ngày nay đã trở nên rất phổ biến. 1.1.2 Sơ lược về hệ thống biến tần: a) Khái niệm: Biến tần là thiết bị tổ hợp các linh kiện điện tử thực hiện chức năng biến đổi tần số và điện áp một chiều hay xoay chiều nhất định thành dòng điện xoay chiều có tần số điều khiển được nhờ khoá điện tử b) Phân loại: • Biến tần trực tiếp • Biến tần gián tiếp 1.2 CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TÍNH HỆ TĐĐ BIẾN TẦN VÀ ĐỘNG CƠ: 1.2.1 Biến tần trực tiếp: Bộ biến đổi này chỉ dùng một khâu biến đổi là có thể biến đổi nguồn điện xoay chiều có điện áp và tần số không đổi thành điện áp xoay chiều có điện áp và tần số điều chỉnh được. Do quá trình biến đổi không phải qua khâu trung gian nên được gọi là bộ biến tần trực tiếp, còn được gọi là 3 bộ biến đổi sóng cố định (Cycloconverter). Như vậy điện áp xoay chiều U 1 (f 1 ) chỉ cần qua một van là chuyển ngay ra tải với U 2 (f 2 ). Tuy nhiên, đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van rất phức tạp chỉ sử dụng cho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp. Vì việc thay đổi tần số f 2 khó khăn và phụ thuộc và f 1 . Ví dụ: H1.3: Sơ đồ biến tần trực tiếp 1.2.2 Biến tần gián tiếp: Còn gọi là biến tần độc lập. Trong biến tần này đầu tiên điện áp được chỉnh lưu thành dòng một chiều. Sau đó qua bộ lọc rồi trở lại dòng xoay chiều với tần số f 2 nhờ bộ nghịch lưu độc lập (quá trình thay đổi f 2 không phụ thuộc vào f 1 ).Việc biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất biến tần.Tuy nhiên việc ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kĩ thuật vi xử lí nên ta phát huy tối đa các ưu điểm của biến tần loại này và thường sử dụng nó hơn. Ví dụ : 4 o o o a b c CK CK CK CK CKck f 2 T A N A T B N B T C N C ~ U 1 , f 1 B C • H1.4: Sơ đồ biến tần gián tiếp H1.5: Sơ đồ khối • Phân loại biến tần gián tiếp: Do tính chất của bộ lọc nên biến tần gián tiếp lại được chia làm hai loại sử dụng nghịch lưu dòng và nghịch lưu áp. a) Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng: Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn dòng, dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào dạng dòng điện của nguồn, còn dạng áp trên tải tuỳ thuộc vào các thông số của tải quy định. b) Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp: Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn áp (nghĩa là điện trở nguồn bằng 0). Dạng của điện áp trên tải tuỳ thuộc vào dạng của điện áp nguồn, còn dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào thông số của mạch tải quy định. Bộ biến tần nguồn áp có ưu điểm là tạo ra dạng dòng điện và điện áp sin hơn, dải biến thiên tần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn. Bộ biến tần nguồn áp có hai bộ phận riêng biệt, đó là bộ phận động lực và bộ phận điều khiển • Phần động lực gồm có các phần sau: - Bộ chỉnh lưu: có nhiệm vụ biến đổi dòng xoay chiều có tần số f 1 thành dòng một chiều. 5 D 9 o o o T7 T9 T11 T1 0 T12 T8 T4 T6 T8 T1 T3 T5 D1 D3 D5 D4 D6 D2 D7 D11 D1 0 D12 D8 Co C1 C3 C5 C4 C2 C6 L2 L1 Lo Ñ K B U 2 , f 2 ~ U 1 , f 1 Chỉnh lưu Lọc Nghịch lưu - Bộ nghịch lưu: là bộ rất quan trọng trong bộ biến tần, nó biến đổi dòng điện một chiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng điện xoay chiều có tần số f 2 . - Bộ lọc: là bộ phận không thể thiếu được trong mạch động lực cho phép thành phần một chiều của bộ chỉnh lưu đi qua và ngăn chặn thành phần xoay chiều. Nó có tác dụng san bằng điện áp sau khi chỉnh lưu. • Phần điều khiển: Là bộ phận không thể thiếu được, nó quyết định sự làm việc của mạch động lực, để đảm bảo các yêu cầu tần số, điện áp ra của bộ biến tần đều do mạch điều khiển quyết định. 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN TẦN: 1.3.1. Phương pháp điều chế cổ điển (điều khiển 6 nấc) Nghịch lưu áp ba pha được ghép từ 3 sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm trung tính. Để đơn giản hoá nghiên cứu ta giả thiết: -Van lý tưởng đóng mở tức thì. -Nguồn có nội trở nhỏ vô cùng và dẫn điện theo hai chiều -Van động lực cơ bản (T1, T2, T3, T4, T5, T6) làm việc với chế độ dẫn điện λ =180. - Za = Zb = Zc. Các Điốt. D1, D2, D3, D4, D5, D6 làm chức năng trả năng lượng về nguồn . Tụ C đảm bảo nguồn là nguồn áp và để tiếp nhận năng lượng phản kháng từ tải. Như vậy T1,T4 lệch nhau 180 để tạo ra pha A. Như vậy T3,T6 lệch nhau 180 để tạo ra pha B. Như vậy T5,T2 lệch nhau 180 để tạo ra pha C. Các pha lệch nhau 120. Giá trị hiệu dụng của điện áp pha là : 2 2 0 1 2 ( ) 2 3 pha pha U U d E π θ θ π = = ∫ Suy ra: 2 ( ) sin 3 A U t E t ω = 6 2 ( ) sin( 120) 3 C U t E ω = − 2 ( ) sin( 120) 3 C U t E t ω = + 1.3.2. Phương pháp điều chế PWM trong nghịch lưu áp 3 pha Các bộ nghịch lưu áp thường điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế độ rộng xung –PWM và qui tắc kích đóng đối nghịch. Qui tắc kích đóng đối nghịch đảm bảo dạng điện áp tải được điều khiển tuân theo giản đồ kích đóng công tắc và kỹ thuật điều chế độ rộng xung có tác dụng hạn chế tối đa các ảnh hưởng bất lợi của các sóng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải. Phụ thuộc vào phương pháp thiết lập giản đồ kích đóng các công tác trong bộ nghịch lưu áp ta có thể phân biệt các dạng điều chế độ rộng xung khác nhau. Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu. • Chỉ số điều chế m : là tỉ số giữa biên độ thành phần hài cơ bản tạo nên bởi phương pháp điều khiển và biên độ thành phần hài cơ bản đạt được trong phương pháp điều kiển 6 bước. d m stepsm m V u u u m π 2 1 1 1 == −− • Trị hiệu dụng các thành phần sóng hài bậc cao dòng điện: ( ) ( ) [ ] ∫ −= T hRMS dttiti T I 0 2 1 1 Đại lượng hRMS I phụ thuộc không những vào phương pháp PWM mà còn vào thông số tải. Để đánh giá chất lượng PWM không phụ thuộc vào tải,ta có thể sử dụng đại lượng độ méo dạng dòng điện: ∑ ∞ = = 2 2 11 1 n n hRMS I II I Giả sử tải xoay chiều gồm sức điện động cảm ứng và cảm kháng tản mắc nối tiếp, độ méo dạng dòng điện có thể viết lại dưới dạng: 7 ∑∑∑ ∞ = ∞ = ∞ =       =         == 2 2 1 2 2 11 1 2 2 11 1 . 1 n n n n n n hRMS n U ULn U U L I II I σ σ ω ω Kết quả đạt được không phụ thuộc vào tham số của tải. Khi sử dụng phương pháp điều khiển 6 bước , độ méo dạng dòng điện có thể xác định bằng giá trị sau: 0464,0 1 = − I I sixstephRMS Để sử dụng phương pháp PWM , có thể sử dụng độ méo dạng chuẩn hóa theo phương pháp 6 bước, lúc đó hệ số méo dạng dòng điện qui chuẩn cho bởi hệ thức: d = SixstephRMS hRMS I I − Với phương pháp điều chế 6 bước,hệ số méo dạng dòng điện bằng 1. Nếu sử dụng phương pháp điều chế vector không gian,hệ số méo dạng tín hiệu có thể tính theo tích phân của tích vô hướng vector sau đây: ( ) ( ) [ ] ( ) ( ) [ ] ∫ −−= T hRMS dttitititi T I 0 11 *. 1  Để đánh giá ảnh hưởng từng sóng hài trong phương pháp PWM , ta có thể sử dụng tham số phổ từng sóng hài dòng điện. Nếu sử dụng phương pháp điều chế đồng bộ với tần số kích đóng linh kiện f s bằng số nguyên lần(N) tần số sóng hài cơ bản f 1 ( tức f s =Nf 1 ). Hệ sô sóng hài bậc k qui chuẩn, tính qui đổi theo phương pháp 6 bước và cho bởi hệ thức: SixstephRMS hRMS I kfI kfh − = )( )( 1 1 Hệ số sóng hài không phụ thuộc vào tham số tải. Hệ số méo dạng biểu diễn qua các hệ số sóng hài như sau: ∑ ≠ = 1 1 2 )( k kfhd 8 Nếu sử dụng kỹ thuật PWM không đồng bộ,ta có thể phân tích Fourier phổ dòng điện theo các biến tần số rời rạc khi mà sóng hài dòng điện xuất hiện theo biến tần số liên tục.Trường hợp này ta có thể sử dụng khái niệm phổ mật độ dòng điện theo hệ thức : ∫ ∞ ≠ = 1 ,0 2 ).( ff d dffhd Tần số đóng ngắt và công suất tổn hao do đóng ngắt: Công suất tổn hao xuất hiện trên linh kiện bao gồm hai thành phần: tổn hao công suất khi linh kiện ở trạng thái dẫn điện P on và tổn hao công suất động P dyn. Tổn hao công suất động tăng lên khi tần số đóng ngắt của linh kiện tăng lên. Tần số đóng ngắt của linh kiện khôn thể tăng lên tùy ý vì những lý do sau: -Công suất tổn hao linh kiện tăng lên tỉ lệ với tần số đóng ngắt -Linh kiện công suât lớn tổn hao đóng ngắt lớn hơn • Điều chế độ rộng xung ba pha: Đối với nghịch lưu áp ba pha luật điều chế sẽ như sau: Pha A: (∆t 1A – ∆t 2A )/T s =µ sinωt Pha B: (∆t 1B – ∆t 2B )/T s =µ sin(ωt-2π/3) Pha C: (∆t 1C – ∆t 2C )/T s =µ sin(ωt+2π/3) ∆t 1 tương ứng với thời gian dẫn điện của nhóm van anot chung(T 1 ,T 3 ,T 5) ∆t 2 là thời gian dẫn điện của nhóm van catot chung(T 2 ,T 4 ,T 6 ) Đối với PWM luật điều khiển sẽ như sau: Các van trong cùng một nhóm sẽ được mở cùng một lúc ở thời điểm ban đầu của chu kỳ T s . Nhưng các van sẽ cùng được đóng lại ở những thời điểm khác nhau tương ứng với luật điều biến(tương ứng với độ rộng ∆t 1 và ∆t 2 ). Điều này đảm bảo trong mỗi chu kỳ tần số chuyển mạch luôn có những đoạn mà điện áp ra bằng không. Do đó dạng điện áp ra sẽ không phụ thuộc vào đặc tính của tải và các sóng điều hòa bậc cao là bội số của tần số chuyển mạch sẽ không tồn tại trong điện áp ra của nghịch lưu. 1.3.3 Phương pháp điều biến độ rộng vector ( PWM 2, hay còn gọi là SVM : Space Vector Modules) • Khái niệm về véc tơ không gian 9 Vector không gian của áp ba pha : là cơ sở của kĩ thuật điều chế vector không gian, mô tả hoạt động hệ thống ba pha dưới dạng véctor. Ta có các nhận xét sau: Hệ ba pha hình sin đối xứng Vm*sin(wt), Vm*sin(wt - 120), Vm*sin(wt + 120) có thể biểu diễn bằng vector V quay góc w Nghịch lưu 6 nấc thang có thể biểu diễn bằng bộ 6 véctơ mô tả trạng thái của các van trong bộ nghịc lưu. Nhận thấy áp ra được miêu tả bằng véctơ không gian có biên độ không đổi, quay gián đoạn, di chuyển nhảy cấp (6 cấp) làm sóng hài bậc cao có biên độ lớn. Kỹ thuật điều chế rộng xung hình sin (đã nêu ở trên)với tần số sóng mang là Fc= N* Fo, hệ thống gồm N véctơ trạng thái nằm trên đường tròn có bán kính thay đổi theo điện áp ra mong muốn. Kĩ thuật điều chế rộng xung vecto không gian là mô tả các vector trạng thái này theo các véctơ của nghịch lưu sáu nấc thang. Để có được biên độ áp ra mong muốn, ta bổ sung thêm hai trạng thái tương ứng với ba van S1,S3,S5 cùng đóng và cùng ngắt, tương ứng với hai véctơ V0 và V7 (có độ lớn bằng 0). Kết quả là chúng ta tạo được véctơ chuyển mạch V* (hay Vs). 10 . sin(ωt+2π/3) ∆t 1 tương ứng với thời gian dẫn điện của nhóm van anot chung(T 1 ,T 3 ,T 5) ∆t 2 là thời gian dẫn điện của nhóm van catot chung(T 2 ,T 4 ,T 6 ) Đối. đồng bộ” do F. Blaschke của hãng Siemens Cộng hoà Liên bang Đức đưa ra vào năm 1971, và “Điều khiển biến đổi toạ độ điện áp stator động cơ cảm ứng” do P.C.