Đồ Án thiết kế hệ thống truyền Động biến tần Động cơ xoay chiều

Đồ án thiết kế hệ thống hệ thống truyền động điện-Biến tần-Động cơ xoay chiều MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU iii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG 4 1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động 4 1.2 Phương trình đặc tính hệ truyền động 4 1.3 Nguyên lý làm việc của hệ truyền động 8 1.3.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 8 1.3.2 Khởi động động cơ không đồng bộ 9 1.3.3 Trạng thái hãm trong động cơ không đồng bộ 10 1.3.4 1.3.4. Đảo chiều quay 12 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠCH ĐỘNG LỰC 14 2.1 Thiết kế mạch động lực 14 2.1.1 Lựa chọn sơ đồ mạch nghịch lưu 14 2.1.2 Sơ đồ mạch động lực 16 2.2 Tính toán các phần tử trong mạch động lực 17 2.2.1 Tính toán các thông số cho động cơ 17 2.2.2 Tính toán thông số biến tần 19 2.2.3 Tính toán các thiết bị bảo vệ mạch động lực 22 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠCH ĐIỀU KHIỂN 24 3.1 Nguyên lý mạch điều khiển 24 3.2 Cấu trúc mạch điều khiển theo phương pháp SinPWM 24 3.2.1 Khâu tạo dao động hình Sin 25 3.2.2 Khâu tạo xung răng cưa 25 3.2.3 Khâu so sánh 27 3.2.4 Khâu tạo trễ mở van 27 3.2.5 Khâu khuếch đại xung 28 CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK 30 4.1 Mô hình mô phỏng 30 4.1.1 Thông số động cơ mô phỏng 30 4.1.2 Kịch bản mô phỏng 31 4.1.3 Mô hình mô phỏng 32 4.2 Kết quả mô phỏng 33 Nhận xét: 34 KẾT LUẬN 35   MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động điện có điều chỉnh tần số 4 Hình 1.2 Sơ đồ thay thế máy điện không đồng bộ hình Ґ 5 Hình 1.3 Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ 7 Hình 1.4 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 9 Hình 1.5 Sơ đồ sử dụng biến tần để khởi động động cơ 9 Hình 1.6 Đặc tính cơ khi hãm động năng 10 Hình 1.7 Đường đặc tính cơ khi hãm tái sinh bằng cách thay đổi tần số f 11 Hình 1.8 Đặc tính cơ khi hãm ngược sử dụng đảo chiều 2 trong 3 pha stator 12 Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý dùng biến tần điều khiển động cơ KĐB 13 Hình 2.1 Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp 3 pha 15 Hình 2.2 Giản đồ xung thời gian của điện áp ra của tải theo thời gian 16 Hình 2.3 Sơ đồ mạch động lực 16 Hình 2.4 Động cơ Siemens kiểu FS 160M 18 Hình 2.5 Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha sử dụng diode 19 Hình 2.6 Cầu 3 pha Diode DF100LB160 của hãng Sanrex 20 Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý mạch lọc điện áp DC của biến tần 20 Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu sử dụng IBGT 21 Hình 2.9 IGBT FF100R12KS4 của hãng infineon 22 Hình 3.10 Sơ đồ mạch hãm điện trở DC 23 Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu theo SinPWM 24 Hình 3.2 Sơ đồ khâu tạo điện áp hình Sin 25 Hình 3.3 Sơ đồ khâu tạo điện áp răng cưa 2 cực tính 26 Hình 3.4 Sơ đồ mạch phát xung và tạo điện áp răng cưa 2 cực tính 26 Hình 3.5 Sơ đồ khâu so sánh sử dụng OpAm 27 Hình 3.6 Khâu tạo trễ mở van 27 Hình 3.7 Khâu khếch đại xung 28 Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển cho 1 nhánh van IGBT 29 Hình 4.2 Thông số bộ nghịch lưu 3 pha IGBT 32 Hình 4.3 Thông số động cơ mô phỏng 33 Hình 4.4 Tốc độ động cơ vòng/phút 33 Hình 4.5: điện áp , tốc độ roto , momen điện từ . 34 LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của thế giới. Trong điều kiện công cuộc kiến thiết nước nhà đang bước vào thời kỳ công nghiệp hoá hiện đại hoá với những cơ hội thuận lợi và những khó khăn thách thức lớn. Điều này đặt ra cho thế hệ trẻ, những người chủ tương lai của đất nước những nhiệm vụ nặng nề. Sự phát triển nhanh chóng của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật nói chung và trong lĩnh vực điện - điện tử - tin học nói riêng làm cho bộ mặt của xã hội thay đổi từng ngày. Trong hoàn cảnh đó, để đáp ứng được những điều kiện thực tiễn của sản xuất đòi hỏi những người Kĩ Sư Điện tương lai phải được trang bị những kiến thức chuyên ngành một cách sâu rộng. Trong quá trình học bộ môn điều khiển và tự động hóa em nhận được đề tài “ Thiết kế hệ thống truyền động điện điều áp – Động cơ điện xoay chiều 3 pha” . Tuy nhiên, do kiến thức còn hạn chế, trong phạm vi thời gian có hạn, lượng kiến thức lớn nên bản đồ án không khỏi có những sai sót. Em mong nhận được sự góp xây dựng của các thầy, cô giáo cũng như bè bạn để bản đồ án được hoàn thiện hơn. Trong quá trình làm đồ án em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình của các thầy, cô giáo cũng như sự góp ý xây dựng của các bạn bè. Đặc biệt là sự giúp đỡ của cô giáo và các thầy cô giáo công tác trong khoa điện. Em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG 1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản. Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0.96. Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ. Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động điện có điều chỉnh tần số Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp – tần số là không đổi. Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4. Điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men cũng lại là hàm bậc hai của điện áp. Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại. Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống. Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau. Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT VINHKHOA ĐIỆN

Nghệ An, 11/202

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU iii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG 4

1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động 4

1.2 Phương trình đặc tính hệ truyền động 4

1.3 Nguyên lý làm việc của hệ truyền động 8

1.3.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 8

1.3.2 Khởi động động cơ không đồng bộ 9

1.3.3 Trạng thái hãm trong động cơ không đồng bộ 10

1.3.4 1.3.4 Đảo chiều quay 12

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN CÁC PHẦN TỬ TRONGMẠCH ĐỘNG LỰC 14

2.1 Thiết kế mạch động lực 14

2.1.1 Lựa chọn sơ đồ mạch nghịch lưu 14

2.1.2 Sơ đồ mạch động lực 16

2.2 Tính toán các phần tử trong mạch động lực 17

2.2.1 Tính toán các thông số cho động cơ 17

2.2.2 Tính toán thông số biến tần 19

2.2.3 Tính toán các thiết bị bảo vệ mạch động lực 22

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN CÁC PHẦN TỬ TRONGMẠCH ĐIỀU KHIỂN 24

3.1 Nguyên lý mạch điều khiển 24

3.2 Cấu trúc mạch điều khiển theo phương pháp SinPWM 24

3.2.1 Khâu tạo dao động hình Sin 25

3.2.2 Khâu tạo xung răng cưa 25

3.2.3 Khâu so sánh 27

3.2.4 Khâu tạo trễ mở van 27

3.2.5 Khâu khuếch đại xung 28

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK 30

4.1 Mô hình mô phỏng 30

4.1.1 Thông số động cơ mô phỏng 30

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động điện có điều chỉnh tần số 4

Hình 1.2 Sơ đồ thay thế máy điện không đồng bộ hình Ґ 5

Hình 1.3 Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ 7

Hình 1.4 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 9

Hình 1.5 Sơ đồ sử dụng biến tần để khởi động động cơ 9

Hình 1.6 Đặc tính cơ khi hãm động năng 10

Hình 1.7 Đường đặc tính cơ khi hãm tái sinh bằng cách thay đổi tần số f 11

Hình 1.8 Đặc tính cơ khi hãm ngược sử dụng đảo chiều 2 trong 3 pha stator 12

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý dùng biến tần điều khiển động cơ KĐB 13

Hình 2.1 Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp 3 pha 15

Hình 2.2 Giản đồ xung thời gian của điện áp ra của tải theo thời gian 16

Hình 2.3 Sơ đồ mạch động lực 16

Hình 2.4 Động cơ Siemens kiểu FS 160M 18

Hình 2.5 Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha sử dụng diode 19

Hình 2.6 Cầu 3 pha Diode DF100LB160 của hãng Sanrex 20

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý mạch lọc điện áp DC của biến tần 20

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu sử dụng IBGT 21

Hình 2.9 IGBT FF100R12KS4 của hãng infineon 22

Hình 3.10 Sơ đồ mạch hãm điện trở DC 23

Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu theo SinPWM 24

Hình 3.2 Sơ đồ khâu tạo điện áp hình Sin 25

Hình 3.3 Sơ đồ khâu tạo điện áp răng cưa 2 cực tính 26

Hình 3.4 Sơ đồ mạch phát xung và tạo điện áp răng cưa 2 cực tính 26

Hình 3.5 Sơ đồ khâu so sánh sử dụng OpAm 27

Hình 3.6 Khâu tạo trễ mở van 27

Hình 3.7 Khâu khếch đại xung 28

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển cho 1 nhánh van IGBT 29

Hình 4.2 Thông số bộ nghịch lưu 3 pha IGBT 32

Hình 4.3 Thông số động cơ mô phỏng 33

Hình 4.4 Tốc độ động cơ vòng/phút 33

Hình 4.5: điện áp , tốc độ roto , momen điện từ 34

ii

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của thế giới Trong điều kiện công cuộc kiến thiếtnước nhà đang bước vào thời kỳ công nghiệp hoá hiện đại hoá với những cơ hộithuận lợi và những khó khăn thách thức lớn Điều này đặt ra cho thế hệ trẻ,những người chủ tương lai của đất nước những nhiệm vụ nặng nề

Sự phát triển nhanh chóng của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật nóichung và trong lĩnh vực điện - điện tử - tin học nói riêng làm cho bộ mặt của xãhội thay đổi từng ngày Trong hoàn cảnh đó, để đáp ứng được những điều kiệnthực tiễn của sản xuất đòi hỏi những người Kĩ Sư Điện tương lai phải được trangbị những kiến thức chuyên ngành một cách sâu rộng

Trong quá trình học bộ môn điều khiển và tự động hóa em nhận được đề tài“ Thiết kế hệ thống truyền động điện điều áp – Động cơ điện xoay chiều 3 pha” Tuy nhiên, do kiến thức còn hạn chế, trong phạm vi thời gian có hạn, lượng kiếnthức lớn nên bản đồ án không khỏi có những sai sót Em mong nhận được sự gópxây dựng của các thầy, cô giáo cũng như bè bạn để bản đồ án được hoàn thiệnhơn

Trong quá trình làm đồ án em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảonhiệt tình của các thầy, cô giáo cũng như sự góp ý xây dựng của các bạn bè Đặc

biệt là sự giúp đỡ của cô giáo Nguyễn Minh Thư và các thầy cô giáo công tác

trong khoa điện

Em xin chân thành cảm ơn!

Vinh, ngày tháng năm 2023Sinh Viên

Nguyễn Văn Nho

CHƯƠNG 1 111Equation Chapter 1 Section 1TỔNG QUAN VỀ HỆTRUYỀN ĐỘNG

1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động

Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản Đầu tiên, nguồnđiện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằngphẳng Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện Nhờ vậy,hệ số công suất cosphi của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giátrị ít nhất 0.96 Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoaychiều 3 pha đối xứng Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT(transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung(PWM) Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần sốchuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơvà giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ.

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động điện có điều chỉnh tần số

Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tầnsố vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quyluật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điệnáp – tần số là không đổi Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4.Điện áp là hàm bậc 4 của tần số Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai củatốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men cũng lại là hàm bậchai của điện áp.

Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linhkiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại Nhờ vậy, năng lượngtiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống.

Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phùhợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ PID vàthích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển vàgiám sát trong hệ thống SCADA.

1.2 Phương trình đặc tính hệ truyền động

Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba phacủa động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng không đổi, tổng4

trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong lõi thép và điện áp lướihoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình vẽ 1.2

ω1−ωω1

p - số đôi cực từ của máy.

Từ sơ đồ thay thế hình Ґ ta dễ dàng tính được quan hệ của mômen điện từ của

máy so với hệ số trượt theo biểu thức ( 1 3):

Đây chính là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ.

Nếu ta biểu diễn đặc tính ( 1 3) trên đồ thị sẽ là đường cong như Hình 1 Cóthể xác định các điểm cực trị của đường cong này bằng cách giải phương trình

ds =0 , ta sẽ có của trị số của mômen và hệ số trượt tại điểm cực trị ký hiệu là

ththMs

Hình 1.3 Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ

Ngoài ra khi nghiên cứu hệ truyền động không đồng bộ người ta quan tâmnhiều tới trạng thái động cơ nên đường đặc tính cơ lúc này thường biểu diễn trongkhoảng tốc độ 0<s<sth , gọi là đoạn đặc tính là việc

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ có thể biểu diễnthuận tiện hơn bằng cách lập tỷ số giữa ( 1 3) và ( 1 5) và biến đổi ta có biểu thức( 1 7):

M =2 Mth(1+ a sth)

Trong các động cơ điện không đồng bộ thường r1≈r2¿

và sth=0,1÷0,2 nên

asth rất nhỏ so với các số hạng đứng trước nó, ta có thể viết công thức ( 1 7) như

sau:

M =2 Mthsth

Trong đó: M0 - mômen không tải.

Do M0 rất nhỏ so với mômen trên đầu trục M2 nên đặc tính cơ của động cơkhông đồng bộ M2=f (n ) ó thể coi bằng Mđt=f (n ) , do đó đường đặc tính cơ của

động cơ không đồng bộ có dạng như đường đặc tính M=f (s) vẽ ở Hình 1

1.3 Nguyên lý làm việc của hệ truyền động1.1.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ( 1 3) Ta có thể dựavào đó để điều khiển mômen bằng cách thay đổi các thông số như điện áp cung cấp,điện trở phụ, tốc độ trượt và tần số nguồn.

Hiện nay có các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ chủyếu sau:

8

Hình 1.4 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ

Từ Hình 1 ở trên, ta thấy có bốn phương pháp hay sử dụng.

Nếu đứng trên phương diện tổn thất khi điều chỉnh ta có hai phương pháp: Điềuchỉnh tổn thất và điều chỉnh kinh tế

Còn phân loại theo sơ đồ bố trí mạch lực ta có mạch tác động nên stator vàmạch tác động vào rotor.

1.1.2 Khởi động động cơ không đồng bộ

a) Khởi động dùng biến tần.

Hình 1.51 Sơ đồ sử dụng biến tần để khởi động động cơ

 Chỉ áp dụng với biến tần đặc biệt.

1.1.3 Trạng thái hãm trong động cơ không đồng bộ

Các đường (1) và (2) là các đường đặc tính khi hãm mà có cùng giá trị điện trởphụ nhưng dòng điện 1 chiều thay đổi, khi đó tốc độ tại momen tới hạn không đổi(=ω*ω*th1), nhưng momen tới hạn thay đổi (Mth1; Mth2).

10

Các đường (2) và (3) là các đường đặc tính khi cùng giá trị dòng điện 1 chiềunhưng khác giá trị điện trở phụ, khi đó tốc độ tại momen tới hạn thay đổi (ω*th1; ω*th2),nhưng momen tới hạn không thay đổi (=ω*Mth2).

1.3.1.2 Hãm tái sinh

Khi hãm tái sinh với ωh > ɷ0 lúc này tải là nguồn động lực làm quay rotor độngcơ, động cơ khi đó trở thành máy phát phát năng lượng trả về nguồn Đối với sử dụng

biến tần thì quá trình hãm xảy ra khi ta thay đổi tần số f.

Hình 1.7 Đường đặc tính cơ khi hãm tái sinh bằng cách thay đổi tần số f

1.3.1.3 Hãm ngược

Khi động cơ làm việc, ta đổi thứ tự hai trong ba pha điện áp đặt vào stato độngcơ.

Hình 1.8 Đặc tính cơ khi hãm ngược sử dụng đảo chiều 2 trong 3 pha stator

Đoạn BC là đoạn hãm ngược, động cơ làm việc như 1 máy phát nối tiếp vớilưới điện.

1.1.4 1.3.4 Đảo chiều quay

Dùng biến tần cho phép mở máy ở tần số thấp rồi tăng dần tần số để tăng tốcđộng cơ Khởi động bằng tần số thấp thì mômen mở máy lớn vì khi khởi động, cảmkháng rôto nhỏ và dòng điện cảm ứng ở rôto gần trùng pha với điện áp Điều này tạonên mômen lớn, hệ số công suất lớn và biên độ dòng điện khởi động nhỏ nhất.

Trong biến tần, lúc mở máy bộ phát sung được điểu chỉnh với góc mở (α) lớn) lớnđể hạn chế dòng điện khởi động, sau đó góc mở (α) lớn) được giảm dần để tăng tốc độ, quátrình tăng tốc độ do IC điểu khiển tự động do đặc tính khởi động có độ dốc lớn nênđộng cơ khởi động nhanh nhưng vẫn đảm bảo êm, không giật, tránh cho phần cơ khỏichịu ứng suất đột ngột, đảm bảo vòng bi bền máy khởi động dễ dàng.

Ta đã biết muốn điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ thị điều chỉnhtần số F Trong máy biến tần (Hình 1.9)

12

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý dùng biến tần điều khiển động cơ KĐB

Mọi biến thiên tần số đầu ra chỉ cần điều chỉnh điện áp vào của nghịch lưu, vậybiến đổi điện áp một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu sẽ điều chỉnh được tốc độ độngcơ điện.

Muốn thay đổi chiều quay của động cơ có thể thay đổi thứ tự mở cửa mỗi bộnghịch lưu và do đó đổi được thứ tự pha cung cấp vào động cơ mà không phải đổi dâymạch động lực động cơ sẽ quay thuận F (ForWard) hoặc quay ngược R (Revert) theoyêu cầu.

Biến tần hiện nay được nhiều nước sản xuất với nhiều sơ đồ khác nhau để có

thể lập trình cài đặt các thông số theo yêu cầu chuyển động.

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN CÁC PHẦN TỬ TRONGMẠCH ĐỘNG LỰC

1.4 Thiết kế mạch động lực

Cấu trúc hệ biến tần động cơ không đồng bộ ba pha

Biến tần là các bộ biến đổi dùng để biến đổi nguồn điện áp với các thông số như điệnáp và tần số không đổi, thành nguồn điện với các thông số thay đổi được Thôngthường biến tần làm việc với nguồn đầu vào lấy từ lưới điện, nhưng vể nguyên tắc biếntần có thể làm việc với bất cứ nguồn điện xoay chiều nào.

Biến tần được phân chia làm hai loại: biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp Biến tầngián tiếp, hay còn gọi là biến tần có khâu trung gian một chiều, dùng bộ chỉnh lưu đểbiến nguồn điện áp xoay chiều thành nguổn điện một chiểu, tích trữ trong các kho từ,dùng cuộn cảm, hoặc trong các kho điện, dùng tụ điện, sau đó lại dùng bộ nghịch lưuđể biến nguồn một chiều thành nguồn điên xoay chiều Khâu trung gian một chiều tạora một khâu độc lập nhất định, biến đổi chậm, tách phần phụ tải ra khỏi lưới điện.Biến tần gián tiếp được cấu tạo từ bộ chỉnh lưu, khâu lọc trung gian và bộ nghịch lưu.Các bộ biến đổi cấu tạo nên biến tần gián tiếp đã được nghiên cứu kỹ ở các chươngtrên Ở đây sẽ chỉ giới thiệu khái quát một số sơ đồ để thấy được các đặc điểm của cácbiến tần trong thực tế.

Biến tần gián tiếp chia ra làm ba loại chính:- Biến tần nguồn dòng,

- Biến tần nguồn áp với nguồn một chiều đầu vào có điều chỉnh,- Biến tần nguồn áp với nguồn một chiều đầu vào không điểu chỉnh.

Biến tần trực tiếp, khác với biến tần gián tiếp, tạo ra điện áp trên tải bằng các phần củađiện áp lưới, mỗi lần nối tải vào nguồn bằng một phần tử đóng cắt, không thông quamột kho năng lượng trung gian nào Biến tần trực tiếp có khả năng trao đổi năng lượngvới lưới theọ cả hai chiều Đây là đặc tính ưu việt nhất của biến tần trực tiếp so vớibiến tần gián tiếp, nhất là đối với các hệ điện cơ công suất lớn và rất lớn, từ hàng trămkW đến vài MW Ngoài ra, tổn hao công suất trong biến tần trực tiếp cũng ít hơn vìphụ tải chỉ nối với nguồn qua phần tử đóng cắt, không thông qua khâu trung gian nào.Tuy nhiên số lượng van ở biến tần trực tiếp lớn hơn và hệ thống điều khiển cũng phứctạp hơn rất nhiều.

2.1.1 Lựa chọn sơ đồ mạch nghịch lưu

Ta lựa chọn sơ đồ nghịch lưu nguồn áp 3 pha như Hình 2 2.

14

Hình 2.2 Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp 3 pha

Sơ đồ gồm 6 van IGBT mắc thành hình cầu, đầu vào là nguồn điện 1 chiều từbộ chỉnh lưu hoặc pin, acquy,….

Các IGBT mở lần lượt T1 ÷ T6 với góc lệch pha giữa các IGBT là 60o Như vậyở bất kỳ thời điểm nào cũng có ba transistor dẫn (hai của nhóm này và một của nhómkia) cho dòng chảy qua.

Ở mỗi thời điểm sơ đồ đều có một pha mắc nối tiếp với hai pha đấu song song,do vậy điện áp trên tải chỉ có hai giá trị hoặc Ed/3 (khi pha đó đấu song song với mộtpha khác) hoặc 2Ed/3 (khi nó đấu nối tiếp với hai pha khác đấu song song) Giả thiếttải đối xứng ZA =ω* ZB =ω* ZC theo dạng điện áp ra ta có trị số hiệu dụng của nó.

UBCUAB

1.5 Tính toán các phần tử trong mạch động lực1.5.1 Tính toán các thông số cho động cơ

 Thông số bài toán: tải ở chế độ dài hạn được cho trong bảng sau:

Công suất đẳng trị của động cơ:

Pdt=√1 02.2+82.1+152.2+132.2+1 02.0,5+12.0,5

Ta chọn công suất động cơ với hệ số dự trữ là kdt =ω* 1,1 so với công suất

Pdc≥ kdt Pdt=1,1 11,74=12,91 (kW )

Chọn động cơ làm việc ở chế độ dài hạn của hãng Siemens như sau:

 Hãng sản xuất Siemens, kiểu FS 160M, mã hiệu 1LE1004-1DA3.

 Công suất định mức: P = 15 kW

1.5.2 Tính toán thông số biến tần

1.5.2.1 Tính chọn linh kiện mạch chỉnh lưu

-Hình 2.6 Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha sử dụng diode

Điện áp mỗi pha đầu vào: U1 =ω* 220VĐiện áp ngược mỗi diode phải chịu:

Lựa chọn tụ có điện áp: Vtụ > V2 =ω* 514,8V.

 Chọn tụ của hãng NICHICON chế tạo có các thông số:

o C =ω* 3300 uF.o Vtụ =ω* 600VDC. Thiết kế mạch nạp tụ

Để hạn chế dòng nạp tụ ban đầu khi cấp nguồn cho biến tần, đơn giản ta sửdụng 1 diện trở R như như trên Hình 2 8 nối tiếp với mạch Sau 1 khoảng thờigian được cài đặt sẵn, điện trở này được loại bỏ bởi khóa bán dẫn nhằm tránh tổnhao công suất trên điện trở này.

Giá trị điện trở R được chọn là: R =ω* 5 Ω.

1.5.2.3 Tính chọn van IGBT

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu sử dụng IBGT

Để chọn van IGBT ta cần tính toán dòng Ivmax (dòng trung bình lớn nhất quavan) và điện áp ngược lớn nhất Uvmax.

Vì mỗi van IGBT đều có 1 diode nối ngược chiều nên nó không phải chịu điệnáp ngược

Các giá trị dòng áp lớn nhất sẽ đạt được khi mạch hoạt động ở các chế độ khắcnghiệt nhất đối với từng van, do vậy ta xét đến trường hợp hoạt động nặng nề nhất.Ta có dòng điện lớn nhất qua van là Imax =ω* 26A

Chọn hệ số dự trữ điện áp: Ku =ω* 1,5Chọn hệ số dự trữ dòng điện: Ki =ω* 1,3

Chọn điều kiện làm mát bằng gió cưỡng bức với hiệu suất làm mát 40%