Đang tải... (xem toàn văn)
Em hy vọng khi đề tài hoàn thành sẽ là một công cụ hữu ích để các bạn sinh viên khoá sau yêu thích về biến tần có thể học tập nghiên cứu và nâng cao nó trên cơ sở sẵn có để có thể tạo ra một bộ biến tần có nhiều tính năng tiện dụng hơn phục cho quá trình học tập thêm phong phú và trực quan. Với những kiến thức học được trong trường và chưa có nhiều kiến thức thực tế trong lắp ráp chế tạo đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em mong có sự chỉ bảo hướng dẫn của các thẩy cô để bản đồ án có thể hoàn thiện hơn.
LỜI NÓI ĐẦU Trong quá trình học tập bốn năm dưới mái trường Đại Học Hàng Hải được sự hướng dẫn dạy bảo nhiệt tình của các thầy cô giáo đặc biệt là các thầy cô giáo bộ môn Điện Tự Động Công Nghiệp - Khoa Điện-Điện Tử Tàu Biển. Em đã trang bị cho mình được những kiến thức cơ bản và những hành trang cần thiết cho mình để sẵn sàng chở thành những kĩ sư trẻ phục vụ cho đất nước trong thời kì hội nhập. Trong quá trình học tập em nhận thấy biến tần đang được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy, xí nghiệp hiện nay và đối với bản thân em nghiên cứu về biến tần cũng là một niềm đam mê trong quá trình học tập. Chính vì vậy trong lễ nhận đồ án tốt nghiệp em đã xin nhận đề tài: “Thiết kế mạch điều khiển biến tần ba pha”. Nội dung cơ bàn của đề tài: + Nghiên cứu tổng quan động cơ không đồng bộ + Nghiên cứu các Phương Pháp Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Điện Xoay Chiểu + Tìm hiểu Cấu Trúc Các Bộ Biến Tần + Đi sâu tìm hiểu bộ Biến Tần Điều Biến Độ Rộng Xung (PWM) + Tìm hiểu về Họ Vi Điều Khiển dsPic + Ứng dụng vi điều khiển dsPic 30F4011 để xây dựng biến tần Em hy vọng khi đề tài hoàn thành sẽ là một công cụ hữu ích để các bạn sinh viên khoá sau yêu thích về biến tần có thể học tập nghiên cứu và nâng cao nó trên cơ sở sẵn có để có thể tạo ra một bộ biến tần có nhiều tính năng tiện dụng hơn phục cho quá trình học tập thêm phong phú và trực quan. Với những kiến thức học được trong trường và chưa có nhiều kiến thức thực tế trong lắp ráp chế tạo đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em mong có sự chỉ bảo hướng dẫn của các thẩy cô để bản đồ án có thể hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Điện-Điện Tử Tàu Biển đặc biệt là các thầy giáo: Ths. Vũ Ngọc Minh đã dành thời gian tận tình hướng dẫn cho em để có hoàn thành được đồ án này. 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 1.1 SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1.1 Cấu tạo: Động cơ không đồng bộ gồm hai phần chính: phần tĩnh và phần quay. 1 2 3 4 5 6 Hình 1.1: Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn. Trong đó: 1) Quạt làm mát 2) Hộp đấu dây 3) Võ máy 4) Stato 5) Chân đế lắp cố định 6) Rôto a. Cấu tạo phần tĩnh ( stato ): Gồm võ máy, lõi sắt và dây quấn Vỏ máy: Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc bằng gang, dùng để giữ chặt lõi thép và cố định máy trên bệ và không dùng để dẫn từ. Đối với máy có công suất lớn (1000KW) thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ. 2 Lõi sắt: Được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35mm đến 0,5mm ghép lại. Lõi sắt là phần dẫn từ vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường xoay chiều, nhằm giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên, mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có phủ lớp sơn cách điện. Mặt trong của lõi thép có xẻ rãnh để đặc dây quấn. stato a b c Hình 1.2: a/. Mặt cắt ngang của stato b/. lá thép kỹ thuật điện c/. Stato của động cơ không đồng bộ Dây quấn: Dây quấn stato làm bằng dây dẫn bọc cách điện (dây điện từ) được đặt trong rãnh của lõi sắt. Dây quấn stato gồm có ba cuộn dây đặt lệch nhau 120 0 điện. b. Cấu tạo phần quay ( Rôto ): Trục: Làm bằng thép, dùng để đỡ lõi sắt rôto. Lõi sắt: Gồm các lá thép kỹ thuật điện giống như ở phần stato được dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục, ở giữa có lỗ để lắp trục. 3 Dây quấn rôto: Gồm hai loại: loại rôto dây quấn và loại rôto ngắn mạch ( còn gọi là rôto lồng sóc ) * Loại rôto kiểu dây quấn: Dây quấn rôto giống dây quấn ở stato và có số cực bằng số cực stato. Các động cơ công suất trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu song hai lớp để giảm được những đầu nối dây và kết cấu dây quấn rôto chặc chẽ hơn. Các động cơ công suất nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp. Dây quấn rôto thường nối sao ( Y ). Ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng, cố định trên trục rôto và được cách điện với trục nhờ 3 chổi than tỳ sát vào 3 vòng tiếp xúc, dây quấn rôto được nối với 3 biến trở bên ngoài để mở máy hay điều chỉnh tốc độ. * Loại rôto kiểu lồng sóc: Loại dây quấn này khác với dây quấn stato, mỗi rãnh của lõi sắt được đặt một thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch đồng hoặc nhôm, làm thành 1 cái lồng người ta gọi là lồng sóc. Hình 1.3 Dây quấn của rôto kiểu lồng sóc Ngoài ra dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi thép, rãnh rôto có thể làm thành dạng rãnh sâu hoặc thành hai rãnh gọi là lồng sóc kép dung cho máy có công suất lớn để cải thiện tính năng mở máy. Với động cơ công suất nhỏ rãnh rôto thường đi chéo một góc so tâm trục. 4 c. Khe hở: Khe hở trong động cơ không đồng bộ rất nhỏ (0,2mm ÷ 1mm). Do đó rôto là một khối tròn nên rôto rất đều. 1.1.2. Đặc điểm của động cơ không đồng bộ: Cấu tạo đơn giản đặc biệt là động cơ rôto lồng sóc Vận hành tin cậy, chắc chắn, giá thành hạ Đấu trực tiếp vào lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị các thiết bị kèm theo Tốc độ quay của rôto nhỏ hơn tốc độ từ trường quay của stato ( n < n 1 ) Trong đó: n : Tốc độ quay của rôto n 1 : Tốc độ quay từ trường quay của stato (tốc độ đồng bộ của động cơ ). 1.1.3. Những đại lượng ghi trên động cơ không đồng bộ: Công suất định mức P đm là công suất cơ hay công suất điện máy đưa ra. Điện áp định mức U đm và dòng điện định mức I đm Vd: Trên nhãn máy có ghi ∆/Y 220v/380v - 7.5/4.3A ta sẽ hiểu như sau khi điện áp lưới điện là 220v thì ta nối dây quấn stato theo hình ∆. Và dòng điện định mức là 7.5 A. Khi điện áp lưới điện là 380v thì ta đấu dây quấn stato theo hình Y, dòng điện định mức là 4.3 A. Hệ số công suất định mức : cosϕ đm Tốc độ quay định mức n đm (vòng/ phút ). Tần số định mức f đm (hz) 1.1.4. Cách đấu dây của động cơ: Tuỳ theo điện áp của lưới điện mà ta đấu dây stato theo hình Y hay hình ∆. Mỗi động cơ điện ba pha gồm có ba dây quấn pha. Khi thiết kế người ta đã quy định điện áp định mức cho mỗi dây quấn .Động cơ làm việc phải đúng với 5 điện áp quy định ấy. Để thuận tiện cho việc đấu động cơ, người ta ký hiệu 6 đầu dây của ba dây cuốn động cơ AX, BY, CZ và đưa 6 đầu dây nối ra 6 bu lông ( 1….6 ) ở hộp dây trên vỏ động cơ. Cách đấu 6 đầu dây như thế nào để điện áp vào động cơ luôn là định mức. - Động cơ ba pha có điện áp định mức cho mỗi pha dây quấn là 220V ( U P = 220V ), trên nhãn động cơ ghi là ∆ /Υ 220V/380V . Nếu động cơ làm việc ở mạng điện có U d = 380V, thì động cơ phải đấu theo hình sao (Y). Muốn nối hình sao ta nối ba điểm cuối của pha với nhau tạo thành điểm trung tính. Ba điểm đầu nối với nguồn. Cách đấu như hình vẽ: Hình 1.4. Hộp đấu dây quấn stato hình sao Trong cách nối hình Y I d = I p ; U d = 3 U p Khi đó điện áp vào mỗi dây quấn là: U p = 220 3 380 = V bằng đúng điện áp quy định. - Trường hợp động cơ làm việc ở mạng điện có điện áp 220v thì động cơ phải đấu theo hình ∆. Muốn nối hình tam giác, ta lấy đầu pha này nối với cuối của pha kia. Cách nối tam giác không có dây trung tính. 6 A B C X Y Z Hộp đấu dây Nguồn Hình 1.5: Hộp đấu dây quấn stato theo hình tam giác Trong cách nối tam giác U d = U p I d = 3 I p Khi đó điện áp vào mỗi dây quấn là 220v 1.1.5. Vai trò của động cơ không đồng bộ: Máy điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơ điện. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu quả cao, giá thành hạ nên động cơ không đồng bộ là loại máy được dùng rộng rãi nhất trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến vài nghìn KW . Trong công nghiệp thường dùng động cơ không đồng bộ là bộ phận động lực cho máy cán thép vừa và nhỏ, động lực cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ, vv… Trong hầm mỏ dùng làm máy tưới hay quạt gió. Trong công nghiệp dùng để làm máy bơm hay máy gia công nông sản. Tuy vậy, máy điện không đồng bộ có những nhược điểm sau: đó là cos ϕ của máy thường không cao và đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt nên ứng dụng của máy điện không đồng bộ có phần bị hạn chế. 1.1.6 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ: Khi nối dây quấn stato vào lưới điện xoay chiều ba pha, trong dây quấn có các dòng điện. Hệ thống dòng điện này tạo ra từ trường quay với tốc độ: 7 A B C X YZ Hộp đấu dây R 1 Nguồn F dt n 1 1 60 f n P = ( 1. 1) Trong đó: f 1 : tần số dòng điện lưới p : Số đôi cực Nếu tần số f 1 = 50 Hz: ta có P n 3000 1 = Từ trường quay của stato cảm ứng trong dây quấn rôto một suất điện động E (chiều suất điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải), vì vậy dây quấn rôto nối ngắn mạch nên trên thanh dẫn rôto hình thành 1 dòng điện lớn. Sự tác đụng tương hỗ giữa dòng điện của rôto với từ trường của stato tạo nên một lực điện từ tác dụng lên thanh dẫn theo phương tiếp tuyến với bề mặt rôto tạo ra mômen làm cho rôto quay. Chiều quay của rôto theo quy tắc của từ trường được minh họa theo hình 1.6 Hình 1.6: Nguyên lý làm việc của ĐCKĐB. Tốc độ rôto n được gọi là tốc độ làm việc và luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường n 1 . Vì nếu tốc độ quay của rôto bằng tốc độ của từ trường có thể xem cuộn dây của rôto và từ trường đứng yên nên không xãy ra hiện tượng cảm ứng điện từ trên cuộn dây rôto. Vì vậy chỉ trong trường hợp tốc độ quay của rôto nhỏ 8 hơn tốc độ quay của từ trường mới xảy ra cảm ứng sức điện động trong dây quấn rôto. Đặc trưng cho động cơ không đồng bộ ba pha là hệ số trượt 1 1 n nn s − = ( 1.2 ) Trong đó: s : hệ số trượt n 1 : tốc độ quay n : tốc độ quay của rôto Hệ số trượt của động cơ không đồng bộ có trị số nằm trong khoãng từ 0 ÷ 1 Khi s = 0 : tốc độ rôto bằng tốc độ từ trường ở chế độ không tải lý tưởng Khi s = 1 : rôto đứng yên ( n = 0) mômen trên trục bằng mômen mở máy Khi động cơ quay ở tải định mức, có hệ số trượt định mức tương ứng có tốc độ quay của rôto đinh mức. Hệ số trượt định mức nằm trong khoảng 0,01 ÷ 0,06 Từ công thức ( 1 – 1) ta có thể tính được tốc độ quay của động cơ không tải n = n 1 ( 1 – s ) (1.3 ) Dòng điện trong dây quấn và từ trường quay tác dụng lực tương hổ lên nhau nên khi rôto chịu tác dụng của mômen M thì từ trường quay cũng chịu tác dụng của mômen theo chiều ngược lại. Muốn cho từ trường quay với tốc độ n 1 thì nó phải nhận một công suất đưa vào gọi là công suất điện từ. 60 2 1 n MMP dt π ω == (1 . 4 ) Trong đó: 60 2 1 1 n π ω = ( ) s rad ( 1.5 ) 1 ω : tốc độ gốc của từ tường quay, còn gọi là tốc độ đồng bộ 9 Khi đó công suất điện đưa vào P 1 = 3 .U.I.Cos ϕ ( 1.6 ) Ngoài thành phần công suất điện từ có tổn hao trên điện trở dây quấn stato. 2 1 2 1 3 IRP dt =∆ ( 1.7 ) Tổn hao sắt từ: PP st ∆=∆ ( 1.8 ) Do vậy: stdtdt PPPP ∆−∆−= 1 ( 1.9 ) Công suất cơ ở trục là: 60 .2 ' 2 n MMP π ω == ( 1.10 ) Công suất cơ nhỏ hơn công suất điện từ vì có tổn hao trên dây quấn rôto: 22 ddt PPP ∆−= ( 1.11 ) Trong đó: ' 2 ' 222 IRmP d =∆ ( 1.12 ) R 2 ’ : điện trở quy đổi của rôto I 2 ’ : dòng điện quy đổi của rôto m 2 = 3 : số pha của dây quấn rôto Vì P 2 ’ < P dt do đó n < n 1 Công suất cơ của P 2 đưa ra nhỏ hơn P 2 ’ vì tổn thất trên trục động cơ và các tổn thất phụ khác: Do vậy: fc PPPP ∆−∆−= ' 22 ( 1.13 ) Trong đó: c P ∆ : tổn hao cơ 10 [...]... các tụ chuyển mạch có giá trị cao Dải điều chỉnh biến tần nguồn dòng thấp hơn dải điều chỉnh của biến tần nguồn áp 1.2.4 Cấu trúc của bộ biến tần nguồn áp 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 a Phần động lực: Bộ phận chỉnh lưu: có nhiệm vụ biến đổi dòng... tín hiệu số, đo lường và điều khiển tự động, v v Họ vi điều khiển dsPic được chia ra làm ba loại tùy theo mục đích của người sử dụng : - Bộ điều khiển số cho điều khiển motor và biến đổi nguồn (DSC Motor Control &Power Conversion Family) - Bộ điều khiển số cho sensor (DSC Sensor Family) - Bộ điều khiển số đa mục đích (DSC General Purpose Family) 3.1.2 Đặc điểm chung của vi điều khiển DsPic30f4011 a Khối... kĩ thuật Hình 2.7 Đặc tính kĩ thuật của IGBT CM100DU-34KA 33 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.1 VI ĐIỀU KHIỂN DSPIC30F4011 3.1.1 Giới thiệu chung về họ vi điều khiển DsPic30f4011 Họ vi điều khiển 16 bit dsPic do công ty công nghệ Microchip Technology Inc sản xuất, được phát triển trên nền họ vi điều khiển 8 bit Pic.Vi điều khiển dsPic là một chip xử lý mạnh với bộ xử lý 16 bit (có khả năng xử lý... điều khiển hoàn toàn Trong trường hợp mất nguồn lưới khi đang hoạt động, bộ biến tần nguồn áp có thể hoạt động ở chế độ hãm động năng, nhưng bộ biến tần nguồn dòng không thể hoạt động ở chế độ này khi đó Bộ biến tần nguồn dòng được sử dụng cuộn kháng L khá lớn trong mạch chỉnh lưu tạo ra nguồn dòng, điều này làm đáp ứng quá độ của hệ thống chậm hơn so với bộ biến tần nguồn áp kiểu PWM Với bộ biến tần. .. 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 1.2.2 Phân loại a Biến tần trực tiếp: o TA CK ~ U1, f1 o a b NA ck o c TB CK TC NB CK CK NC CK A U2 f2 C • B • • ÑKB 24 Còn gọi là biến tần phụ thuộc Thường gồm các nhóm chỉnh lưu điều khiển mắc... bộ phận không thể thiếu quyết định sự làm việc của mạch động lực, để đảm bảo yêu cầu về tần số, hình dáng điện áp ra của bộ biến tần đều do mạch điều khiển quyết định Bộ điều khiển thông thường gồm 3 phần Khâu phát xung chủ đạo : là khâu tự dao động tạo ra xung điều khiển đưa đến bộ phận phân phối xung điều khiển đến từng trazitor Khâu này đảm nhận điều chỉnh xung một cách dễ dàng, ngoài ra còn có thể... với tần số f2 nhờ bộ nghịch lưu độc lập (quá trình thay đổi f2 không phụ thuộc vào f1) 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 25 1.2.3 Phân loại biến tần gián tiếp Do tính chất của bộ lọc nên biến tần gián tiếp lại được chia làm hai loại Biến tần. .. hoặc do chuyển mạch) , dòng ngắn mạch qua hai khoá được hạn chế ở mức cực đại Trong bộ biến tần nguồn áp, việc này có thể gây ra sự cố ngắn mạch làm hỏng khoá bán dẫn Do đó có thể xem biến tần nguồn dòng làm việc tin cậy hơn biến tần nguồn áp Do mạch chỉnh lưu tạo nguồn dòng có thể hoạt động ở chế độ trả năng lượng về nguồn, bộ biến tần nguồn dòng có thể làm việc hãm tái sinh Với bộ biến tần nguồn áp,... áp ra khi điều khiển 6 nấc thang m= V1m V1six− step = V1m 2 E π Điều chế độ rộng xung một pha Phương pháp so sánh áp chuẩn hình sinh (sóng điều chế) Uvef tần số F o và sóng mang Uc tần số Fc để có luật đóng ngắt các nhánh cầu nghịch lưu Chỉ số điều chế m trở nên phi tuyến khi Vpm >Vrm (khi biên độ sóng mang lớn hơn sóng điều chế) Hệ thống chỉ tuyến tính khi m < 0.785 Điều chế độ rộng xung ba pha 28 CHƯƠNG... tần gián tiếp nguồn áp : Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn dòng, dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc và dạng của dòng điện của nguồn, còn dạng điện áp trên tải phụ thuộc và các thông số của tải quy định Biến tần gián tiếp nguồn dòng : Là loại biến tần mà nguồn cấp cho khâu nghịch lưu là nguồn dòng So sánh hai loại biến tần: Trong bộ biến tần nguồn dòng, khi hai khoá bán . nghiên cứu về biến tần cũng là một niềm đam mê trong quá trình học tập. Chính vì vậy trong lễ nhận đồ án tốt nghiệp em đã xin nhận đề tài: Thiết kế mạch điều khiển biến tần ba pha . Nội dung. Phương Pháp Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Điện Xoay Chiểu + Tìm hiểu Cấu Trúc Các Bộ Biến Tần + Đi sâu tìm hiểu bộ Biến Tần Điều Biến Độ Rộng Xung (PWM) + Tìm hiểu về Họ Vi Điều Khiển dsPic. dsPic + Ứng dụng vi điều khiển dsPic 30F4011 để xây dựng biến tần Em hy vọng khi đề tài hoàn thành sẽ là một công cụ hữu ích để các bạn sinh viên khoá sau yêu thích về biến tần có thể học tập