Diễn đàn Biến tần Việt Nam Website: http://bientan.hnsv.com TÀI LIỆU: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ BỘ BIẾN TẦN 3 PHA Diễn đàn Biến tần Việt Nam Website: http://bientan.hnsv.com MỤC LỤC PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 4 CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 14 1. Các yêu cầu đặt ra đối với việc điều khiển động cơ .14 2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha 16 3. Điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn 16 4. Phương pháp điều chỉnh U/f = const .17 CHƯƠNG 3: BIẾN TẦN 21 1. Biến tần và tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp .21 2. Phân loại biến tần 23 3. Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần 25 4. Phương thức điều khiển .27 PHẦN II: THIẾT KẾ SƠ BỘ 45 1. Sơ đồ cấu trúc .46 2. Sơ đồ tính năng .49 PHẦN III: THIẾT KẾ CHI TIẾT 50 CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG .50 1. Tính toán các thông số động cơ .50 2. Thiết kế tầng nghịch lưu và tầng mạch kích 50 2.1. Giới thiệu về module công suất IRAMX16UP60A 51 2.2. Tính chọn tụ boostrap .57 3. Thiết kế mạch theo dõi dòng điện 59 4. Thiết kế mạch điều khiển 63 5. Thiết kế bộ nguồn .66 CHƯƠNG 2: GIẢI THUẬT VÀ LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 70 1. Phân tích khảo sát phương pháp điều chế độ rộng xung SPWM 70 Diễn đàn Biến tần Việt Nam Website: http://bientan.hnsv.com 2. Phương pháp điều chế tín hiệu SPWM ba pha theo luật U/f=const sử dụng PSoC Error! Bookmark not defined. PHỤ LỤC 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO .91 Diễn đàn Biến tần Việt Nam Website: http://bientan.hnsv.com PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG I Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ ba pha 1. Nguyên lý hoạt động Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch nhau 120 o trong không gian thì từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo ra trong là một từ trường quay. Nếu trong từ trường quay này có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ quét qua các thanh dẫn điện và làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng trong các thanh dẫn. Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải. Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo quy tắc ban tay trái và tạo ra momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường quay. Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường qua. Nếu roto quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ quét qua các dây quấn phần cảm nữa nên sdd cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ không còn, momen quay cũng không còn. Do momen cản roto sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫn roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại có momen quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường. Đồng cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không đồng bộ (KDB) hay động cơ xoay chiều. Diễn đàn Biến tần Việt Nam Website: http://bientan.hnsv.com Hình 1-1: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ω o (rad/s) hay n o (vòng/phút) thì tốc độ quay của roto là ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ω < ω o ; n < n o ). Sai lệch tương tối giữa hai tốc độ gọi là độ trượt s: o o s      (1-1) Từ đó ta có: ω = ω o (1 – s) (1-2) hay n = n o (1 – s) (1-3) Với: 2 n 60    (1-4) Diễn đàn Biến tần Việt Nam Website: http://bientan.hnsv.com o 1 o 2 n 2 f 60 p      (1-5) f 1 - tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato. Tốc độ ω o là tốc độ lớn nhất mà roto có thể đạt được nếu không có lực cản nào. Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ. Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1. Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở roto cũng là dòng điện xoay chiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của roto đối với từ trường quay: o 2 1 np(n f 6 ) s 0 f    (1-6) 2. Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha 2.1. Phương trình đặc tính cơ Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba pha của động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình vẽ 1-2 Diễn đàn Biến tần Việt Nam Website: http://bientan.hnsv.com Hình 1-2: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ Trong đó: U 1 – trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V) I µ , I 1 , I ’ 2 – dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện roto đã quy đổi về stato (A) X µ , X 1 , X ’ 2 – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato và điện kháng roto đã quy đổi về stato (Ω) R µ , R 1 , R ’ 2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch roto đã quy đổi về stato (Ω) Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng: ' ' 2 1 2 2 2 o 1 nm 3U M R s R X s R ,[Nm]                  (1-7) Trong đó: X nm – điện kháng ngắn mạch, X nm = X 1 + X ’ 2 2.2. Đường đặc tính cơ Với những giá trị khác nhau của s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho những giá trị của M. Đường biều diễn M = f(s) trên trục tọa độ sOM như hình vẽ 1-4, đó là đường đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha. Diễn đàn Biến tần Việt Nam Website: http://bientan.hnsv.com Hình 1-3: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó: dM 0 ds  (1-8) Giải phương trình ta có: 2 th 2 2 1 nm ' R R s X  (1-9) Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có: 2 1 th 2 2 o 1 1 nm 3U M 2 (R R X )   (1-10) Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 ( chế độ động cơ ) nên giá trị s th và M th của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+). Diễn đàn Biến tần Việt Nam Website: http://bientan.hnsv.com Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KDB là một đường cong phức tạp có hai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần thẳng và cứng. Trên đoạn này momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm việc trên đoạn này sẽ ổn định. Đoạn BK cong với độ dốc dương. Trên đoạn này động cơ làm việc không ổn định. Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = 0 ( s = 1 ) và momen mở máy: 2 1 2 mm 2 2 o 1 2 ' nm ' R R ) 3U X M (R         (1-11) Điểm A ứng với momen cản bằng 0 ( M c = 0 ) và tốc độ đồng bộ: 1 o 2 f p    (1-12) 3. Ảnh hưởng của tần số nguồn f 1 đến đặc tính cơ: Khi thay đổi f 1 thì theo (1-5) tốc độ đồng bộ ω o thay đổi, đồng thời X 1 , X 2 cũng bị thay đổi ( vì X = 2πfL ), kéo theo sự thay đổi của cả độ trượt tới hạn s th và momen tới hạn M th . Quan hệ độ trượt tới hạn theo tần số s th = f(f 1 ) và momen tới hạn theo tần số M th = f(f 1 ) là phức tạp nhưng vì ω o và X 1 phụ thuộc tỷ lệ với tần số f 1 nên có thể từ các biểu thức của s th và M th rút ra: Diễn đàn Biến tần Việt Nam Website: http://bientan.hnsv.com th 1 th 2 1 s 1 1 f M f          (1-13) Khi tần số f giảm, độ trượt tới hạn s th và momen tới hạn M th đều tăng nhưng M th tăng nhanh hơn. Khi giảm tần số f 1 xuống dưới tần số định mức f 1dm thì tổng trở của các cuộn dây giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng điện động cơ tăng mạnh. Vì vậy khi giảm tần số nguồn xuống dưới giá trị định mức cần phải đồng thời giảm điện áp cấp cho động cơ theo quan hệ: 1 1 u const f  (1-14) Như vậy M th sẽ giữ không đổi ở vùng f 1 < f 1dm . Ở vùng f 1 > f 1dm thì không thể tăng điện áp nguồn mà giữ U 1 = U 1dm nên ở vùng này M th sẽ giảm tỉ lệ nghịch với bình phương tần số, đồng thời phải điều chỉnh điện áp theo quy luật f c/ tU ons để giữ cho động cơ không bị quá tải về công suất. Hình 1-4: Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn