Đang tải... (xem toàn văn)
Thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng IGBT
esq1366789485.doc Phm Ngc Sn ti : s33 Thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng IGBT.tham số động cơ U= 380VAC , P=10kw, f=0- 120Hz, cos=0.82 Điều khiển theo luật U/f Li núi u Trong nhng nm gn õy, lnh vc iu khin v truyn ng in ó phỏt trin mnh m. c bit vi s phỏt trin ca khoa hc k thut in t tin hc núi riờng ó khai thỏc tt c cỏc u im ni bt vn cú ca ng c khụng ng b v ng c mt chiu. Vi ỏn ny em ó nờu ra mt khớa cnh nh trong lnh vc iu khin ng c khụng ng b rụto lng súc. Thit kờ bin tn 3 pha iu chnh tc ng c khụng ng b Ni dung cỏc chng mc nh sau : Chng 1 : Tng quan v cụng ngh. Gii thiu v ng c khụng ng b, cỏc h thng bin tn. Chng 2 : Tớnh chn mch cụng sut. Mch ng lc, i sõu vo nguyờn lớ lm vic ca h thng thit b cng nh cỏc phng phỏp tớnh chn mch v bo v mch. Chng 3 : Thit k mch iu khin . ng dng ca k thut xung s iu khin hot ng ca mch Chng 4 : Kt qa ng dng bng phn mm mụ phng h thng v hin thc hoỏ nú trờn phn cng Em xin chõn thnh cm n cỏc thy cụ trong khoa in ó tn tỡnh ch bo trong thi gian lm ti. Hi Phũng , Ngy Thỏng Nm 2008 - 1 - esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn Mục Lục Chương 1 : Tổng quan về công nghệ §1. Sơ lược về động cơ không đồng bộ Cấu tạo Đặc điểm Nguyên lí họat động Các đại lượng đặc trưng và phương trình cơ bản §2. Tổng quan về các hệ thống biến tần Khái niệm Phân loại. Biến tần nguồn áp. Biến tần gián tiếp nguồn áp §3. Phần tử bán dẫn công suất lớn IGBT Cấu tạo Nguyên lí hoạt động Chế độ đóng ngắt. Vùng làm việc an toàn Bảo vệ §4. Điều chỉnh và nâng cao chất lượng bộ điều khiển. Nhắc lại về phương pháp biến tần cổ điển. Biến tần đa bậc Phương pháp điều biến độ rộng xung PWM Phương pháp véc tơ không gian SVM - 2 - esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn Chương 2:Tính chọn mạch công suất (mạch động lực) §1. Lựa chọn mạch công suất phù hợp. §2. Mạch nghịch lưu . Tính chọn các Van IGBT. Tính chọn Điôde. Tính chọn tụ C. §3. Mạch lọc. Một số mạch Lọc đã biết. Tính chọn mạch lọc. §4. Mạch chỉnh lưu. Tính chọn DIODE Tính chọn máy biến áp Chương 3: Thiết kế mạch điều khiển §1. Giới thiệu các khâu điều khiển cần thiết. Mạch lái Mạch cách ly Mạch giao tiếp với máy tính Mạch điều khiển §2.Tính toán phần cứng khâu điều khiển. §3.Lập trình phần mềm cho khối điều khiển. Chương 4: Kết qủa §1. Ghép nối thàn sơ đồ hoàn chỉnh §2. Mô phỏng bằng phần mềm §3. Phần cứng - 3 - esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ §1. Sơ lược về động cơ không đồng bộ A. Cấu tạo. a. Phần tĩnh (Stato) Vỏ máy : Thường làm bằng gang. Đối với máy có công suất lớn (1000 kW), Thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ. Vỏ máy có tác dụng cố định và bảo vệ, không dùng để dẫn từ. Lõi sắt : Được làm bằng thép lá kĩ thuật điện dày : 0.35mm đến 0.5 mm ghép lại. Vì lõi sắt là phân từ, đồng thời từ trường đi qua lõi sắt là từ trường xoay chiều, nhằm giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên mỗi lá thép kĩ thuật điện đều có phủ lớp sơn cách điện. Mặt trong của lõi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn. Dây quấn : Được đặt vào các rãnh của lõi sắt và cách điện tốt với lõi sắt. Dây quấn stato gồm có ba cuộn dây đặt lệch nhau 120º điện. b. Phần quay (Rôto) Trục : làm bằng lõi thép để đỡ lõi sắt rô to. Lõi sắt : gồm các lá thép kĩ thuật điện giống như ở phần stato. Lõi sắt được ép trực tiếp lên trục. Bên ngoài có xẻ rãnh để đặt dây quấn. - 4 - esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn Dây quấn Rô to: Gồm hai loại Rô to kiểu dây quấn: Rô to kiều lồng sóc : c. Khe hở : của động cơ đồng bộ rất nhỏ (0.2mm đến 1mm). Do dó rôto là một khối tròn nên rô to rất đều. B. Đặc điểm Cấu tạo đơn giản Đấu trực tiếp với điện lưới xoay chiều 3 pha. Tốc độ quay của rô to nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay của stato n < n1 . Trong đó : N : tốc độ quay của rô to N1: tốc độ quay của từ trường quay C. Nguyên lí làm việc. Khi nối dây quấn stato vào lưới điện xoay chiều 3 pha, trong động cơ sẽ sinh ra một từ trường quay. Từ trường này quét qua các thanh dẫn rôto, làm cảm ứng trên dây quấn rôto một sức điện động e2, từ đó sinh ra dòng điện i2 chạy trong dây quấn rô to. Dòng điện i2 tác động tương hỗ với từ trường stato tạo ra lực điện từ trên dây dẫn rôto và mômen quay làm cho rô to quay với tốc độ n theo chiều quay của từ trường. Tốc độ quay của rôto n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay Stato n1. Có sự chuyển động tương đối giữa rôto và từ trường quay stato duy trì được dòng điện i2 và môment. Vì tốc độ của rôto khác với tốc độ của từ trường quay stato nên gọi là động cơ không đồng bộ D. Các đại lượng đặc trưng và phương trình cơ bản a. Hệ số trượt : để biểu thị mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của rô to n và tốc độ quay của từ trường quay n1. - 5 - esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn 1 1 n n s n − = 0 1s≤ ≤ 60* 1 1 f p n = 1*(1 )n n s= − b. Sức điện động Khi rôto đứng yên : 20 20 2 2 4.44* * * * m f K WE = Φ Khi rôto chuyển động : 2 2 2 2 4.44* * * * m s s f K WE = Φ Trong đó : K2 : Hệ số cuốn dây f20 = f1 f2s = s * f1 W2 : số vòng dây Φm : Từ thông c. Công suất Công suất điên đưa vào : * * *cos 1 3 U I P ϕ = Tổn hao điện từ : dt P ∆ Tổn hao sắt : st P∆ Công suất điện từ : 2 * 1 * 1 * 60 dt n M MP π ω = = = P1 - dt P ∆ - st P∆ Tổn hao do dây quân rô to : 2d P∆ Công suất cơ ở trục : '2 *P M ω = = dt P - 2d P∆ Tổn hao do ma sát : ms P∆ Công suất cơ đưa ra :P2 = P’2 - ms P∆ P2 = 1P - dt P ∆ - st P∆ - 2d P∆ - 2d P∆ - ms P∆ Hiệu suất : 1 2 P P η = (0.8, 0.9) - 6 - esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn d. Các phương trình cơ bản Phương trình đặc tính cơ điện ' 1 1 2 2 2 ' 2 2 2 1 1 1 * ( ) nm I U I I R X R R X s µ µ µ = + = + + + + 1 2 2 ' 1 2 ' 2 2 2 1 ( ) nm U I R X U I R R X s µ µ µ = + = + + Với : 1 2 X X X µ σ σ = + Phương trình đặc tính cơ '2 ' 1 2 ' 2 2 2 1 1 2 1 2 1 ' ' 2 2 2 2 2 1 1 ' 2 3* * 2* *(1 ) 2* 2* * * ( ) 3* 2* 1*( 1 ) 0 f th th th th nm th th f th nm nm nm U R M M S S S S R S R X S S S S s U R R X R R Sth X R X R R M M ε ε ω ω ε + = ≈ + + + + + = + + = ± ≈ + ≈ = = e. Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ: - 7 - esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn Ảnh hưởng của điện áp lưới Môment tỷ lệ theo bình phương điện áp Hê số trượt vẫn không thay đổi Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato Môment tỷ lệ nghịch với điện trở, hay điện kháng Hệ số trượt tỷ lệ nghịch với điện trở, hay điện kháng Ảnh hưởng của số đôi cực p. Khi thay đổi số đôi cực p thì tần số lưới thay đổi, dẫn đến tốc độ cũng thay đổi Ảnh hưởng tần số. Quy tắc điều chỉnh giữ cho khả năng quá tải không đổi. ' 2 max max 1 max 2 ' 1 ' '2 2 ' max 1 1 2 '2 max 1 1 * * * M M U C const f M M M U f M const M M U f M = = ⇒ = = = = ' ' ' 1 1 1 1 * U f M U f M = Luật điều khiển giữ cho Môment không đổi : M=const ' ' 1 1 1 1 1 1 U f U f U const f = = Luật điều khirn giữ cho công suất không đổi :P=const ' ' 1 1 ' ' 1 1 1 1 M f M f U f U f = = - 8 - esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn §2. Tổng quan về các 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: Còn gọi là biến tần phụ thuộc. Thường gồm các nhóm chỉnh lưu điều khiển mắc song song ngược, cho xung lần lượt hai nhóm chỉnh lưu trên ta có thể nhận được dòng điện xoay chiều trên tải. Như vậy điện áp xoay chiều U1(f1) chỉ cần qua một van là chuyển ngay ra tải với U2(f2) 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 f2 khó khăn và phụ thuộc và f1. Ví dụ - 9 - esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn 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 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. Ví dụ : - 10 - o o o a b c CK CK CK CK CKck ÑKB U 2 f 2 T A N A T B N B T C N C ~ U 1 , f 1 A B C • • • [...]... 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. .. cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng điện xoay chiều có tần số f2 b Phần điều khiển Là 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... 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN - 35 - esq 136 6789485.doc Phạm Ngọc Sơn §1 Giới thiệu các khâu điều khiển cần thiết A Mạch lái Nói chung, những động cơ mà sử dụng các khoá đóng ngắt (trong đó có IGBT) để điều khiển thì đều dùng đến thì đều cần dùng đến mạch lái (gate driver sheme) Có hai thành phần cơ bản để điều khiển đóng ngắt các mạch điện công suất là : điều khiển phía cao (high side – Q1) và điều khiển. .. Sơn 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 xoay chiều có tần số f1 thành dòng điện một chiều Bộ lọc : cho phép thành phân một chiều của mạch động lực đi qua và ngăn chặn các thành phân xoay chiều Nó có tác dụng san bằng điện áp tải khi chỉnh lưu Bộ nghịch lưu:Là bộ phận rất quan trọng của bộ biến tần, nó biến đổi dòng điện một chiều. .. biến tần nguồn dòng thường cồng kềnh do phải sử dụng cuộn kháng L lớn và 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 D 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 - 12 - esq 136 6789485.doc Phạm Ngọc Sơn Bộ. .. nghiệp là mạng điện 3 pha nên ta sử dụng chỉnh lưu 3 pha Phương pháp SVM giúp điều chỉnh biên độ của điện áp ra nên ta chỉ cần sử dụng mạch chỉnh lưu không điều khiển Tức là mạch chỉnh lưu là mạch cầu 3 pha gồm 6 ĐIÔĐE - Cuối cùng cần phải sử dụng thêm điện áp ở biến tần, do mạng điện công nghiệp nước ta là 38 0V/220V §2 Mạch nghịch lưu Theo đề cho các thông số cơ bản: Điện áp dây : Ud = 38 0VAC, Công suất... collector là điều cần thiết khi thiết kế IGBT E Yêu cầu với tín hiệu điều khiển IGBT là phần tử điều khiển bằng điện áp, giống như MOSFET, nên yêu cầu điện áp có mặt liên tục trên cực điều khiển và emitơ để xác định chế độ khoá, mở Mạch điều khiển cho IGBT có yêu cầu tối thiểu như được biểu diễn qua sơ đồ sau: - 16 - esq 136 6789485.doc F Phạm Ngọc Sơn Vấn đề bảo vệ IGBT Thông thường IGBT được sử dụng trong... nguồn áp, dễ dàng áp dụng kĩ thuật PWM để điều khiển đóng ngắt các khoá bán dẫn Kĩ thuật PWM cho phép giảm tổn thất do sóng hài bậc cao gây nên trên động cơ, không gây ra môment đạp làm rung động cơ ở tốc độ thấp Tuy nhiên, kĩ thuật điều chế kiểu PWM khó áp dụng cho biến tần nguồn dòng, nếu có cũng chỉ áp dụng cho tần số hoạt động thấp Khi hoạt động với nguồn cấp là DC bộ biến tần nguồn áp nhỏ gọn... thuộc và bậc của biến tần Thuận lợi của biến tần đa bậc so với biến tần 2 bậc truyền thống là điện áp ngõ ra sẽ được cải thiện tốt hơn do số bậc điện áp ra nhiều hơn Vì vậy biến tần có bậc càng cao thì điện áp ngõ ra càng giảm, bộ lọc điện áp ở ngõ ra biến tần sẽ nhỏ hơn, điện áp chịu đựng và tần số đóng cắt của biến tần sẽ giảm Tuy nhiên mức độ phức tạp của biến tần cũng tăng lên Biến tần đa bậc thường... số điều khiển : m = 0.78 Dựa theo luật điều khiển SVM Lúc đó ta có hệ số điều khiển m = 0.908 Vì những ưu điểm không thể từ chối được của Luật điều khiển SVM nên chúng ta quyết định tính chọn mạch lực Điện áp pha cực đại đặt vào động cơ : U fmax = 220* 2 = 31 1.1(V ) Điện áp đầu vào của bộ nghịch lưu : U fmax = 0.907 2 Uz 3 3* U fmax Uz = = 466.7(V ) 2 * 0.907 m= Điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi IGBT . khiển cho IGBT có yêu cầu tối thiểu như được biểu diễn qua sơ đồ sau: - 16 - esq1366789485.doc Phạm Ngọc Sơn F. Vấn đề bảo vệ IGBT Thông thường IGBT được. khác IGBT cũng là phần tử điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ. B. Cấu tạo nguyên lý hoạt dộng Về cấu trúc bán dẫn, IGBT