Đang tải... (xem toàn văn)
Thiết kế bộ khởi động mềm..................................................................................................................................................................................................
Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ MẠCH BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM 1.1 CÁC ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 1.1.1 Các đặc điểm chung [1] Các bộ điều áp xoay chiều dung để đóng ngắt hoặc thay đổi điện áp xoay chiều ra tải từ một nguồn xoay chiều cố định, trong đó tần số điện áp ra bằng tần số nguồn. Trong máy điện có thiết bị điện là biến áp tự ngẫu cho phép thực hiện yêu cầu này, tuy nhiên việc điều chỉnh phải tiến hành thong qua hệ cơ khí di chuyển chổi than trượt trên các vòng mạch dây biến thế, vì vậy hệ này không bền, phản ứng chậm; nhưng có ưu nhược điểm cơ bản là điện áp ra tải luôn đảm bảo hình sin trong toàn dải điều chỉnh. Điện tử công suất sử dụng các van bán dẫn để chế tạo các bộ điện áp xoay chiều, có đặc điểm sau đây: Điều áp xoay chiều dùng van bán dẫn có đầy đủ ưu điểm của những mạch công suất sử dụng kỹ thuật bán dẫn như: dễ điều chỉnh và tự động hóa, làm việc ổn định, phản ứng nhanh với các đột biến điều khiển, độ tin cậy và tuổi thọ cao, kích thước gọn, dễ thay thế, thích hợp với quá trình hiện đại hóa, tập trung hóa các quá trình công nghệ… Nhược điểm chung và cơ bản nhất của điều áp xoay chiều là điện áp ra tải không sin trong toàn dải điều chỉnh,(điện áp trên tải chỉ đạt hình sin hoàn chỉnh khi đưa toàn bộ điện áp nguồn ra tải), điều chỉnh càng sâu- càng giảm điện áp ra, thì độ méo sẽ càng lớn, tức là thành phần sóng hài bậc cao (là bội số của tần số vào) cũng càng lớn. Với nhưng tải yêu cầu nghiêm ngặt về độ méo và thành phần sóng hài có thể không ứng dụng được điện áp xoay chiều. Phạm vi ứng dụng của điện áp xoay chiều thường là: • Điều chỉnh ánh sáng đèn sợi đốt và ổn định độ phát quang của hệ chiếu sáng. 1 • Điều chỉnh và ổn định nhiệt độ các lò điện trở bằng cách tự động khống chế công suất điện đưa vào lò. • Điện áp xoay chiều cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ đông cơ điện không đồng bộ, nhưng chỉ phù hợp với phụ tải của động cơ dạng quạt gió hoặc máy bơm li tâm với phạm vi điều chỉnh không lớn. Điện áp xoay chiều thích hợp với các chế dộ như khởi động, đóng- ngắt nguồn cho động cơ điện xoay chiều. • Điệp áp xoay chiều cũng được dùng để điều chình điện áp sơ cấp các biến áp lực và thong qua đó điều chỉnh điện áp ra tải, phụ tải có thể dùng dòng điên xoay chiều hoặc một chiều (chỉnh lưu điôt phía thứ cấp) khi rơi vào hai trường hợp sau: 1. Điện áp thứ cấp thấp hơn điện áp sơ cấp nhưng dòng điện thứ cấp rất lớn, thí dụ như thiết bị hàn tiếp xúc. 2. Điện áp thứ cấp mà tải yêu cầu cao hơn nhiêu lần điện áp nguồn, thí dụ như hệ thống nguồn cho điện phân, lọc bụi tĩnh điện… Điều áp xoay chiều làm việc với nguồn vào là điện áp xoay chiều, tức là giống như mạch chỉnh lưu, vì vậy các van được sử dụng cũng như nguyên tắc điều khiển có nhiều điểm tương tự như ở mạch chỉnh lưu. Do tải đòi hỏi điện áp xoay chiều nên van bán dẫn có thể dùng ở đây là: • TRIAC, đây là van bán dẫn duy nhất cho phép dòng điện chảy theo cả hai chiều. • Ghép hai van chỉ cho phép dẫn một chiều, bằng cách đấu song song ngược nhau, lúc đó mỗi van đảm nhận một chiều của dòng tải. Bằng cách này có thẻ ghép hai thyristor với nhau hoặc một thyristor với một điôt. Nguyên tắc điều chỉnh của điều áp xoay chiều tương tự như trong chỉnh lưu điều khiển, tức là điều chỉnh góc mở của van bán dẫn. Xét từ phía mạch van, bộ chỉnh lưu và điện áp xoay chiều có nhưng đặc điểm giống nhau: các van làm việc với điện áp xoay chiều nên được khóa tự nhiên bằng điện áp nguồn và cũng chịu các ảnh 2 hưởng của lưới điện đến van, kiểu điều khiển van cùng là dịch pha điểm xung so với pha nguồn xoay chiều, tức là sử dụng mạch điều khiển xung – pha. 1.1.2 Điều áp xoay chiều ba pha Điều áp xoay chiều ba pha cho phép ứng dụng cho phụ tải đến hang tram kilo Oát. Trường hợp tải đấu ba pha có dây trung tính, hoặc đấu tam giác mà mỗi cụm van đấu nối tiếp với từng pha của phụ tải, thì các pha hoạt động độc lập với nhau, do đó việc tính toán hoàn toàn tương tự như điện áp xoay chiều một pha. Khi tải không dùng dây trung tính, có thể sử dụng các sơ đồ ở hình 1.1; với các tham số tính chọn van trong bảng 1.1. Theo bảng 1.1 ta thấy phạm vi góc điều khiển của các sơ đồ là khác nhau, góc điều khiển nhỏ nhất của các sơ đồ là như nhau, nhưng góc điều khiển lớn nhất không giống nhau, trong đó có 3 sơ đồ có góc điều khiển α max =210 lên cần chú ý thiết kế mạch điều khiển cho phù hợp (thể hiện ở khâu đồng pha và tạo điện áp răng cưa). 3 Hình 1.1: Điều áp xoay chiều ba pha, các pha hoạt động độc lập Bảng 1.1: Các tham số tính toán cho điều áp xoay chiều ba pha Sơ đồ hình 1.1b 1.2a 1.2b 1.2c 1.7a 1.7 b 1.7c 1.9a 1.9b I tbvan /I t 0.45 0 0.45 0.45 0.4 5 0.2 6 0.67 5 0.4 5 0.45 U vanmax /U phamax 1.73 1.5 1.5 1.73 1.5 1.7 3 1.73 1.5 1.5 Α max (độ biên) 180 150 150 210 150 180 210 210 180 Một điểm cần chú ý chung cho tất cả các bộ điều áp xoay chiều là khi điều khiển lớn hơn 0 thì dòng điện tải luôn ở chế độ gián đoạn tức là luôn có nhưng 4 khoảng mà dòng tải bằng không, tải bị ngắt khỏi nguồn và không được cấp năng lượng. Sơ đồ hình 1.2a dùng ba van TRIAC là sơ đồ có ít van và cho phép điều chỉnh điện áp ra tải đối xứng các pha, đồng thời hai nửa chu kỳ của một pha cũng đối xứng. Sơ đồ hình 1.2b dùng cách đấu hai thyristor tương đương với một TRIAC, loại này rấy thong dụng trong thực tế và có tên là sơ đồ sáu thyristor đấu song song ngược, có đặc điểm hoàn toàn tương tự sơ đồ 1.2a. Hình 1.2: Một số sơ đồ điều áp ba pha Hai sơ đồ này đôi khi được sử dụng chỉ để đóng /ngắt nguồn ra tải, mà không điều chỉnh điện áp, và được gọi là bộ công- tắc- tơ điện tử. Các sơ đồ hình 1.2a,b,c ứng dụng cho tải đấu sao hoặc tam giác đều được. Mạch điều khiển của các sơ đồ này đều đồng bộ theo điện áp pha của nguồn. 5 Trên hình 1.3 cho dạng điện áp trên một pha của tải là chung cho các sơ đồ hình 1.2a; 1.2b và biên độ các sóng hài ở một số góc điều khiển khác nhau, tải thuần trở. Qua các đồ thị sóng hài thấy suất hiện các sóng hài có Hình 1.3: Điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song- ngược , tải thuần trở đấu sao bậc lẻ, gần nhất là bậc 5 và 7, mặt khác cũng cho thấy khi tăng góc điều khiển thì biên độ sóng hài bậc cao tăng nhanh đến xấp xỉ với sóng hài cơ bản( bằng tần số nguồn điện,ở đây là 50Hz). Như vậy khi điều chỉnh điện áp ra sâu, tương ứng góc điều khiển càng lớn, thì dạng điện áp ra sẽ càng méo nhiều hơn. Khi tải có tính cảm kháng, hoạt động của sơ đồ bị ảnh hưởng mạnh bởi góc φ của tải như đã xét ở phần điện áp xoay chiều một pha, tức là cả phạm vi điều chỉnh và dạng điện áp ra đều không còn như trường hợp tải thuần trở. Hình 1.4 là đồ thị minh 6 họa cho tải cảm kháng với α = 30, ta có thể so sánh với đồ thị khi tải thuần trở có cùng góc điều khiển ở hình 1.3 để thấy sự khác biệt giữa chúng. Tuy nhiên với tải RL dạng dòng điện sẽ không bị đột biến theo điện áp như tải thuần trở, vì vậy biên độ sóng hài cũng sẽ giảm đi, tức là dạng dòng tải ít méo hơn dạng điện áp tải. Hình 1.4: Điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song- ngược , tải RL 7 Sơ đồ hình 1.2c sử dụng cụm van không đối xứng, mỗi nhám gồm một thyristor đấu song song ngược với một điôt. Do các điôt là các van không điều khiển nên chúng ta có thể dẫn tự động, làm cho phạm vi góc điều khiển cho thyristor tăng lên đến 120 mới có thể ngắt tải khỏi nguồn để cắt dòng tải. Đồ thị hình 1.5 cho thấy với góc điều khiển 180, điện áp trên tải vẫn còn và nhìn theo trục hoành ta thấy cần tăng góc điều khiển thêm 30 nữa mới ngắt được điện áp ra tải. Như vậy mách điều khiển cần lưu ý điều này, vì mạch thông dụng thường chỉ có phạm vi điều chỉnh góc lớn nhất là 180. Hình 1.5: Điều áp xoay chiều ba pha, sơ đồ thyristor và điôt Dạng điện áp trên các pha tải vẫn đảm bảo đối xứng (giống nhau và lệch nhau đúng 120 điện), song điện áp của mỗi pha thì không đối xứng ở hai nửa chu kỳ. Điều này có thể thấy trên đồ thị hình 1.6; phổ sóng hài cho thấy nhiều hơn hai sơ đồ trên, ngoài các sóng hài lẻ bậc 5 và 7… còn có thêm các sóng hài bậc chẵn bậc 2,4,8… 8 Hình 1.6: Điều áp xoay chiều ba pha, sơ đồ thyristor và điôt song song, tải thuần trở Khi đấu sao mà lại có thể đưa ra cả sáu đầu của phụ tải ra ngoài ta có thể đưa bộ van xuống vị trí điểm trung tính như hình 1.7a, lúc đó ta có ba thyristor đấu chung katôt nên có thuận lợi là: giảm được số dây điều khiển hoặc có thể đấu trực tiếp mạch điều khiển với mạch lực cho nhóm van này; có ba van có thể dùng chung tản nhiệt nên việc gá lắp sẽ dễ dàng hơn và giảm được kích thước thiết bị. Đặc điểm điều chỉnh và dạng điện áp ra giống sơ đồ 1.7b, mạch điều khiển cũng đồng bộ theo điện áp pha của nguồn cung cấp. Sơ đồ hình 1.7b,c cũng dùng van ở vị trí dây trung tính, nhưng van đấu khiểu tam giác. Sơ đồ 1.7b dùng sáu van và có các đặc điểm tương tự sơ đồ 1.2b, nhưng cần chú ý mạch điều khiển phải đồng bộ theo điện áp dây: 9 Hình 1.7: Các sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha khác • Cụm van đấu giữa các cực XY đồng bộ theo điện áp dây U AB . • Cụm van đấu giữa các cực YZ đồng bộ theo điện áp dây U BC . • Cụm van đấu giữa các cực ZX đồng bộ theo điện áp dây U CA . Sơ đồ 1.7c tuy số van giảm được một nửa (chỉ cần ba van), nhưng dòng qua van lớn hơn các sơ đồ khác và tuy điện áp các pha vẫn đối xứng, song điện áp hai nửa chu kỳ của một pha lại không đối xứng. Phạm vi điều chỉnh góc điều khiển trong sơ đồ này cũng tăng tới 210, riêng mạch đồng bộ khá đặc biệt như sau: • Thyristor đấu giữa các cực XY đồng bộ theo điện áp ngược pha với U B . (tức là U B đảo). • Thyristor đấu giữa các cực YZ đồng bộ theo điện áp ngược pha với U C . (tức là U C đảo). • Thyristor đấu giữa các cực XY đồng bộ theo điện áp ngược pha với U A . (tức là U A đảo). Trên hình 1.8 là đồ thị điện áp với góc điều khiển là 30 khi so sánh với điện áp đồng bộ. Đồ thị thứ hai và thứ ba cho ta thấy: điểm phát xung điều khiển cho thyristor đấu giữa 2 cực XY của tải tuy đã trùng với điểm qua không của điện áp dây U AB , song điện áp pha ra tải vẫn chưa đạt tới hình sin hoàn chỉnh. Vì vậy điện áp đồng bộ cho van này phải sớm hơn điện áp dây U AB tới 30, để khi góc điều khiển bằng không sẽ đảm bảo điện áp ra tải là hình sin hoàn chỉnh như điện áp nguồn vào. 10 [...]... với lưới điện nhưng đặc điểm làm việc cần điều chỉnh tăng điện áp (điều áp) trong quá trình khởi động theo qui luật phù hợp và kết thúc quá trình ở 100% điện áp nguồn, tức là sau khởi động nó trở thành một công tắc – tơ Thiết bị như vậy phải cho phép điều chỉnh được các tham số khởi động mềm dẻo theo yêu cầu kỹ thuật cụ thể và do đó được gọi là bộ khởi động mềm “ Soft – Starter ” Thời gian khởi động thường... cách mềm Dùng khởi động mềm nhiều nhất là động cơ không đồng bộ ba pha rôto ngắn mạch hình 1.12a, do động cơ nếu đóng thẳng vào nguồn có dòng khởi động lớn hơn nhiều lần giá trị định mức,vì vậy nếu công suất động cơ đánh kể so với công suất nguồn thì quá trình khởi động sẽ gây ảnh hưởng mạnh lên đường dây lưới điện và các phụ tải khác dùng chung lưới đó Tuy nhiên do đặc điểm của động cơ loại này có... thuận với bình phương điện áp đặt vào động cơ, nên khi khởi động với 13 điện áp thấp dẫn đến mômen giảm mạnh, vì vậy khởi động mềm động cơ không đồng bộ chỉ phù hợp với phụ tải cơ dạng máy bơm (hình 1.12b) Nếu “Soft – Starter” chỉ thực hiện đúng quá trình khởi động thì sau khi điện áp tải đạt định mức động cơ sẽ được đóng thẳng vào lưới nhờ công – tắc – tơ K như hình 1.12c và bộ khởi động được nghỉ (ngắt... van), như thế bộ khởi động làm việc nhẹ nhàng hơn a) c) 14 Hình 1.12: Khởi động động cơ không đồng bộ ba pha Một số “ Soft – Starter” phải thực hiện cả hai quá trình khởi động và dừng máy theo yêu cầu của công nghệ cụ thể, lúc đó bộ khởi động phải chạy lien tục toàn bộ quá trình máy chạy nên mạch phải hoạt động nặng nề hơn, chế độ phát nhiệt van cần tính toán cẩn thận Bộ điều khiển khởi động phải gồm... phải ngắt khởi động, các bảo vệ này • đã đề cập ở phần ảnh hưởng của điện áp nguồn Khối tạo luật điều khiển khởi động (và dừng nếu yêu cầu).Các đặc tính khởi động và dừng ở hình 1.13: đặc tính dạng hình 1.13a là đơn giản nhất, dạng hình 1.13b phức tạp hơn nhưng tối ưu hơn, dạng hình 1.13c dùng cho tải có mômen cản ban đầu lớn 15 Hình 1.13: Các đặc tính làm việc của bộ khởi động mềm Biểu đồ khởi động nêu... thường điện áp đặt giá trị thấp xấp xỉ 1v Hình 1.15: Khâu tạo điện áp khởi động 17 Chương 2 TÍNH TOÁN MẠCH CÔNG SUẤT 2.1 TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ Thông số bộ khởi động mềm S =30KW; U= 380, f= 50Hz Ta lựa chọn mạch động lực là mạch điện áp xoay chiều 3 pha bằng sáu thyristor đấu song song ngược Hình 2.1: Sơ đồ điều áp ba pha 2.1.1 Chọn van bán dẫn Dòng điện mỗi pha của phụ tải: It = = = 45,58 A Điện trở... hệ điện áp đặt vào động cơ theo thời gian, tuy nhiên cần thấy rằng khi dùng phương pháp xung – pha đẻ điều khiển thì quan hệ giữa điện áp điều khiển và điện áp động cơ không tỉ lệ tuyến tính mà là một hàm phi tuyến Điều này có nghĩa các biểu đồ trên hình 1.13 không phải là đồ thị điện áp điều khiển khởi động Nhưng trong các bài toán đơn giản người ta coi hai đồ thị này như nhau Khâu tạo luật khởi động. .. nạp điện; mặt khác đưa nguồn –E vào cụm phân áp R 2, R3 để tạo • điện áp vào của OA với Uv = const, và mạch bắt đầu hoạt động như mạch PI Điốt ổn áp Dz nhằm hạn chế điện áp điều khiển tối đa sao cho phù hợp với điện áp răng cưa đã thiết kế Chức năng chỉnh đinh của các biến trở: • • • R0 để chỉnh U0, điện áp khởi động ban đầu R1 để điều chỉnh tốc độ tăng áp chính là đặt thời gian khởi động R2 để đặt điện. .. bộ khởi động là lai giữa điều áp xoay chiều và công – tắc – tơ điện tử, tuy nhiên nhiệm vụ chính của nó là phải điều chỉnh điện áp nên thực chất nó là điều áp xoay chiều, trong đó ngoài khối phát xung đã nói mở mục điều áp xoay chiều ba pha thì khâu quan trọng là khâu tạo điện áp điều khiển sao cho đáp ứng được luật tăng áp trong quá trình khởi động và khả năng thay đổi luật này một cách mềm Dùng khởi. .. , nếu điện áp vào không đổi u v = const và lấy giá trị âm, thì biểu thức trở thành:Ura = v + =v + = a+bt+UC(0) a) b) Hình 1.14: Đặc tính PI đơn giản tạo luật khởi động Biểu thức cho thấy nếu khi bắt đầu khởi động U c(0) =0 thì điện áp ra sẽ có dạng như mong muốn: ở t=0 sẽ có bước nhảy điện áp U 0= a; sau đó điện áp tăng theo thành phần biên thiên tuyến tính bt.Tuy nhiên để có thể điều chỉnh mềm theo . có dòng khởi động lớn hơn nhiều lần giá trị định mức,vì vậy nếu công suất động cơ đánh kể so với công suất nguồn thì quá trình khởi động sẽ gây ảnh hưởng mạnh lên đường dây lưới điện và các phụ. do đặc điểm của động cơ loại này có mômen tỉ lệ thuận với bình phương điện áp đặt vào động cơ, nên khi khởi động với 13 điện áp thấp dẫn đến mômen giảm mạnh, vì vậy khởi động mềm động cơ không. để đặt điện áp U v, thường điện áp đặt giá trị thấp xấp xỉ 1v. Hình 1.15: Khâu tạo điện áp khởi động 17 Chương 2 TÍNH TOÁN MẠCH CÔNG SUẤT 2.1 TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ Thông số bộ khởi động mềm S