HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHOA KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN Đồ án môn học Kỹ Thuật Biến Đổi Truyền Động Điện Tự Động Đề bài: Xây dựng sơ đồ mô hệ thống truyền động biến tần - động xoay chiều không đồng ba pha theo phương pháp điều khiển từ thông khe hở không đổi Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Ngọc Tuấn Thành viên nhóm: - Lương Việt Trung - ĐKTĐ 12 - Lương Thế Anh – ĐKTĐ 12 Mục lục LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………… Phần 1:TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA…………………………………………………………………… Nguyên lý hoạt động Đặc tính động điện không đồng ba pha 2.1 Phương trình đặc tính 2.2 Đường đặc tính 3.Ảnh hưởng tần số nguồn f1 đến đặc tính 4.Ứng dụng động không đồng Phần 2:CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA……………………………………………………… 1.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động không đồng ba pha……… 2.Điều chỉnh động không đồng cách thay đổi tần số nguồn …… 3.Phương pháp điều khiển từ thông khe hở không đổi ……………………………………… 1.Khái niệm Nguyên lý điều chỉnh Điều khiển từ thông khe hở điều khiển điện áp- tần số Điều khiển từ thông khe hở điều khiển dùng dòng điện- tần số trượt Phần 3: BIẾN TẦN…………………………………………………… 1.Biến tần tầm quan trọng biến tần công nghiệp…………… 2.Phân loại biến tần……………………………………………………… 3.Cấu trúc biến tần…………………………………… 4.Cấu tạo biến tần………………………………………………… 5.Nguyên lý hoạt động biến tần…………………………………… 6.Ứng dụng biến tần ………………………………… LỜI NÓI ĐẦU Thế kỉ XXI- Thế kỉ công nghệ thông tin, khoa học kĩ thuật công nghệ tự động Nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển, nâng cao nagnw suất chất lượng sản phẩm truyền động điện đời yếu tố quan trọng Truyền động điện có nhiệm vụ thực công đoạn cuối công nghệ sản xuất • Truyền động điện hệ thống máy móc thiết kế với nhiệm vụ biến đổi thành điện • Hệ thống truyền động điện hoạt động với tốc độ khơng đổi thay đổi Hiện khoảng 70-80% hệ truyền động loại không đổi, với hệ thống tốc độ hoạt động động không cần điều khiển, trừ trình khởi động hãm Phần lại 20-25% hệ thống điều khiển tốc độ động để phối hợp đặc tính động với đặc tính tải yêu cầu Với phát triển mạnh mẽ kĩ thuật bán dẫn công suất lớn kĩ thuật vi xử lý, hệ thống điều tốc sử dụng rộng rãi cơng cụ khơng thể thiếu q trình tự động hóa sản xuất Do nội dung tập đồ án chủ yếu tính tốn điều chỉnh tốc độ động không đồng ba pha Tập đồ án làm tài liệu tham khảo cho quan tâm đến vấn đề liên quan đến động khơng đồng ba pha Vì kiến thức thời gian có hạn, kinh nghiệm thực tế khơng nhiều, nên tập đồ án không tránh khỏi thiếu sót Rất mong đóng góp ý kiến quý thầy cô bạn bè Chúng em xin chân thành cảm ơn Phần 1:TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Nguyên lý hoạt động Như biết vật lý, cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch 120o khơng gian từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo từ trường quay Nếu từ trường quay có đặt dẫn điện từ trường quay quét qua dẫn điện làm xuất sức điện động cảm ứng dẫn Nối dẫn với làm trục quay dẫn có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải Từ trường quay lại tác dụng vào dòng điện cảm ứng lực từ có chiều xác định theo quy tắc ban tay trái tạo momen làm quay roto theo chiều quay từ trường quay Tốc độ quay roto nhỏ tốc độ quay từ trường qua Nếu roto quay với tốc độ tốc độ từ trường quay từ trường quét qua dây quấn phần cảm nên sdd cảm ứng dòng điện cảm ứng khơng còn, momen quay khơng Do momen cản roto quay chậm lại sau từ trường dây dẫn roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất lại có momen quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường với tốc độ nhỏ tốc độ từ trường Đồng làm việc theo nguyên lý gọi động không đồng (KDB) hay động xoay chiều Hình 1-1: Nguyên lý làm việc động không đồng ba pha Nếu gọi tốc độ từ trường quay ωo (rad/s) hay no (vòng/phút) tốc độ quay roto ω ( hay n ) nhỏ ( ω < ω o ; n < no ) Sai lệch tương tối hai tốc độ gọi độ trượt s: s= ωo − ω ωo (1-1) Từ ta có: ω = ωo(1 – s) hay (1-2) n = no(1 – s) (1-3) Với: ω= 2πn 60 ωo = f1 (1-4) 2πn o 2πf1 = 60 p - (1-5) tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato Tốc độ ωo tốc độ lớn mà roto đạt khơng có lực cản Tốc độ gọi tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị ≤ s ≤ Dòng điện cảm ứng cuộn dây phần ứng roto dòng điện xoay chiều với tần số xác định tốc độ tương đối roto từ trường quay: f2 = p(n o − n ) = sf1 60 (1-6) Đặc tính động điện khơng đồng ba pha 2.1 Phương trình đặc tính Theo lý thuyết máy điện, coi động lưới điện lý tưởng, nghĩa ba pha động đối xứng, thông số dây quấn điện trở điện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa khơng đổi, bỏ qua tổn thất ma sát tổn thất lõi thép điện áp lưới hồn tồn đối xứng, sơ đồ thay pha động hình vẽ 1-2 Hình 1-2: Sơ đồ thay pha động không đồng Trong đó: U1 – trị số hiệu dụng điện áp pha stato (V) Iµ, I1, I’2 – dòng điện từ hóa, dòng điện stato dòng điện roto quy đổi stato (A) Xµ, X1, X’2 – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato điện kháng roto quy đổi stato (Ω) Rµ, R1, R’2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato mạch roto quy đổi stato (Ω) Phương trình đặc tính động khơng đồng biểu diễn mối quan hệ mômen quay tốc độ động có dạng: M= 3U12 R '2   R '2  sωo  R + + X nm  s ÷    ,[Nm] (1-7) Trong đó: Xnm – điện kháng ngắn mạch, Xnm = X1 + X’2 2.2 Đường đặc tính Với giá trị khác s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho giá trị M Đường biều diễn M = f(s) trục tọa độ sOM hình vẽ 1-4, đường đặc tính động điện xoay chiều khơng đồng ba pha Hình 13: Đường đặc tính động khơng đồng ba pha Đường đặc tính có điểm cực trị gọi điểm tới hạn K Tại điểm đó: dM =0 ds (1-8) Giải phương trình ta có: s th = ± R '2 R12 + X nm (1-9) Thay vào phương trình đặc tính ta có: M th = 3U12 2ωo (R ± R12 + X 2nm ) (1-10) toàn hệ thống tải Tùy theo tầng nghịch lưu yêu cầu nguồn dòng hay nguồn áp mà chỉnh lưu tạo dòng điện hay điện áp tương đối ổn định b) Lọc: Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp sau chỉnh lưu c) Nghịch lưu: Chức khâu nghịch lưu biến đổi dòng chiều thành dòng xoay chiều có tần số thay đổi làm việc với phụ tải độc lập Nghịch lưu ba loại sau: - Nghịch lưu nguồn áp: dạng này, dạng điện áp tải định dạng trước (thường có dạng xung chữ nhật) dạng dòng điện phụ thuộc vào tính chất tải Nguồn điện áp cung cấp phải nguồn sức điện động có nội trở nhỏ Trong ứng dụng điều kiển động cơ, thường sử dụng nghịch lưu nguồn áp - Nghịch lưu nguồn dòng: Ngược với dạng trên, dạng dòng điện tải định hình trước, dạng điện áp phụ thuộc vào tải Nguồn cung cấp phải nguồn dòng để đảm bảo giữ dòng chiều ổn định, nguồn sức điện động phải có điện cảm đầu vào đủ lớn đảm bảo điều kiện theo nguyên tắc điều khiển ổn định dòng điện Nghịch lưu cộng hưởng: Loại dùng nguyên tắc cộng hưởng mạch hoạt động, dạng dòng điện (hoặc điện áp) thường có dạng hình sin Cả điện áp dòng điện tải phụ thuộc vào tính chất tải Cấu trúc biến tần Cấu trúc biến tần hình () Tín hiệu vào điện áp xoay chiều pha ba pha Bộ chỉnh lưu có nhiệm biến đổi điện áp xoay chiều thành chiều Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp chiều sau chỉnh lưu Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp chiều thành điện áp xoay chiều có tần số thay đổi Điện áp chiều biến thành điện áp xoay chiều nhờ việc điều khiển mở khóa van công suất theo quy luật định Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo luật điều khiển đưa đến van cơng suất nghịch lưu Ngồi có chức sau: - Theo dõi cố lúc vận hành - Xử lý thông tin từ người sử dụng - Xác định thời gian tăng tốc, giảm tốc hay hãm - Xác định đặc tính – momen tốc độ - Xử lý thông tin từ mạch thu thập liệu - Kết nối với máy tính - … Mạch kích phận tạo tín hiệu phù hợp để điều khiển trực tiếp van cơng suất mạch nghịch lưu Mạch cách ly có nhiệm vụ cách ly mạch công suất với mạch điều khiển để bảo vệ mạch điều khiển Màn hình hiển thị điều khiển có nhiệm vụ hiển thị thơng tin hệ thống tần số, dòng điện, điện áp,… để người sử dụng đặt lại thơng số cho hệ thống Các mạch thu thập tín hiệu dòng điện, điện áp nhiệt độ,… biến đổi chúng thành tín hiệu thích hợp để mạch điều khiển xử lý Ngài có mạch làm nhiệm vụ bảo vệ khác bảo vệ chống áp hay thấp áp đầu vào… Các mạch điều khiển, thu thập tín hiệu cần cấp nguồn, nguồn thường nguồn điện chiều 5, 12, 15VDC yêu cầu điện áp cấp phải ổn định Bộ nguồn có nhiệm vụ tạo nguồn điện thích hợp Sự đời vi xử lý có tốc độ tính tốn nhanh thực thuật toán phức tạp thời gian thực, phát triển lý thuyết điều khiển, công nghệ sản xuất IC có mức độ tích hợp ngày cao với giá thành linh kiện ngày giảm dẫn đến đời biến tần ngày thơng minh có khả điều khiển xác, đáp ứng nhanh giá thành rẻ 4.Cấu tạo biến tần Biến tần phận có chức nhận điện áp đầu vào cố định (với tần số cố định) biến điện áp/tần số thành điện áp/tần số biến thiên ba pha để điều khiển tốc độ động Biến tần gồm mạch chỉnh lưu, mạch chiều trung gian (DC link), mạch nghịch lưu phần điều khiển Từ đó, ta cụ thể hóa thành phận sau: a Bộ chỉnh lưu: Phần trình biến điện áp đầu vào thành đầu mong muốn cho động trình chỉnh lưu Điều đạt cách sử dụng chỉnh lưu cầu đi-ốt sóng tồn phần Bộ chỉnh lưu cầu đi-ốt tương tự với chỉnh lưu thường thấy nguồn, dòng điện xoay chiều pha chuyển đổi thành chiều Tuy nhiên, cầu đi-ốt sử dụng Biến tần cấu hình đi-ốt bổ sung phép chuyển đổi từ điện xoay chiều ba pha thành điện chiều Các đi-ốt cho phép luồng điện theo hướng, cầu đi-ốt hướng dòng electron điện từ Dòng Xoay chiều (AC) thành Dòng Một chiều (DC) b.Tuyến dẫn Một chiều: Tuyến dẫn Một chiều giàn tụ điện lưu trữ điện áp Một chiều chỉnh lưu Một tụ điện trữ điện tích lớn, xếp chúng theo cấu hình Tuyến dẫn Một chiều làm tăng điện dung Điện áp lưu trữ sử dụng giai đoạn IGBT tạo điện cho động b IGBT Thiết bị IGBT công nhận cho hiệu suất cao chuyển mạch nhanh Trong biến tần, IGBT bật tắt theo trình tự để tạo xung với độ rộng khác từ điện áp Tuyến dẫn Một chiều trữ tụ điện Bằng cách sử dụng Điều biến Độ rộng Xung PWM, IGBT bật tắt theo trình tự giống với sóng dạng sin áp dụng sóng mang Trong hình bên dưới, sóng hình tam giác nhiều chấm biểu thị sóng mang đường tròn biểu thị phần sóng dạng sin Nếu IGBT bật tắt điểm giao sóng dạng sin sóng mang, độ rộng xung thay đổi PWM sử dụng để tạo đầu cho động giống hệt với sóng dạng sin Tín hiệu sử dụng để điều khiển tốc độ mô-men xoắn động c Bộ điện kháng xoay chiều Bộ điện kháng Một chiều giới hạn tốc độ thay đổi dòng tức thời tuyến dẫn Một chiều Việc giảm tốc độ thay đổi cho phép truyền động phát cố tiềm ẩn trước xảy hỏng hóc ngắt truyền động Bộ điện kháng Một chiều thường lắp đặt chỉnh lưu tụ điện Biến tần 7,5 kW trở lên Bộ điện kháng Một chiều nhỏ rẻ Bộ điện kháng Xoay chiều Bộ điện kháng Một chiều giúp tượng méo sóng hài dòng chồng không làm hỏng tụ điện, nhiên điện kháng khơng cung cấp bảo vệ chống hỗn xung cho chỉnh lưu f.Điện trở hãm: Tải có lực qn tính cao tải thẳng đứng làm tăng tốc động động cố chạy chậm dừng Hiện tượng tăng tốc động khiến động hoạt động máy phát điện Khi động tạo điện áp, điện áp quay trở lại tuyến dẫn Một chiều Lượng điện thừa cần phải xử lý cách Điện trở sử dụng để nhanh chóng “đốt cháy hết” lượng điện thừa tạo tượng cách biến lượng điện thừa thành nhiệt Nếu khơng có điện trở, lần tượng tăng tốc xảy ra, truyền động ngắt lỗi áp tuyến dẫn chiều 5.Nguyên lý hoạt động cuả biến tần Biến tần gì? - Biến tần thiết bị dung để chuyển đổi điện áp dòng điện xoay chiều đầu vào từ tần số thành điện áp dòng điện có tần số khác đầu - Bộ biến tần thường sử dụng để điều khiển vận tốc động xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số, theo tần số lưới nguồn thay đổi thành tần số biến thiên Sơ đồ tổng quát: Sơ đồ nguyên lý: Nguyên lý hoạt động biến tần: - Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều pha hay pha chỉnh lưu lọc thành nguồn chiều phẳng Công đoạn thực chỉnh lưu cầu diode tụ điện Nhờ vậy, hệ số cơng suất cosphi hệ biến tần có giá trị khơng phụ thuộc vào tải có giá trị 0.96 Điện áp chiều biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều pha đối xứng Công đoạn thực thơng qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Nhờ tiến công nghệ vi xử lý công nghệ bán dẫn lực nay, tần số chuyển mạch xung lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động giảm tổn thất lõi sắt động Dạng sóng điện áp dòng điện đầu biến tần: Hệ thống điện áp xoay chiều pha đầu thay đổi giá trị biên độ tần số vô cấp tuỳ theo điều khiển Theo lý thuyết, tần số điện áp có quy luật định tuỳ theo chế độ điều khiển Đối với tải có mơ men khơng đổi, tỉ số điện áp - tần số không đổi Tuy với tải bơm quạt, quy luật lại hàm bậc Điện áp hàm bậc tần số Điều tạo đặc tính mơ men hàm bậc hai tốc độ phù hợp với yêu cầu tải bơm/quạt thân mô men lại hàm bậc hai điện áp Hiệu suất chuyển đổi nguồn biến tần cao sử dụng linh kiện bán dẫn cơng suất chế tạo theo công nghệ đại Nhờ vậy, lượng tiêu thụ xấp xỉ lượng yêu cầu hệ thống Ngoài ra, biến tần ngày tích hợp nhiều kiểu điều khiển khác phù hợp hầu hết loại phụ tải khác Ngày biến tần có tích hợp PID thích hợp với nhiều chuẩn truyền thơng khác nhau, phù hợp cho việc điều khiển giám sát hệ thống SCADA 6.Ứng dụng biến tần Lợi ích nhìn thấy tiết kiệm điện: hiệu suất chuyển đổi nguồn biến tần cao sử dụng linh kiện bán dẫn công suất chế tạo theo công nghệ đại Chính vậy, lượng tiêu thụ xấp xỉ lượng yêu cầu hệ thống Qua tính toán với liệu thực tế, với chi phí thực tế với động sơ cấp khoảng 100 kW, thời gian thu hồi vốn đầu tư cho biến tần khoảng từ tháng đến tháng Hiện Việt nam có số xí nghiệp sử dụng máy biến tần có kết rõ rệt Với giải pháp tiết kiệm lượng bên cạnh việc nâng cao tính điều khiển hệ thống, biến tần coi ứng dụng chuẩn cho hệ truyền động cho bơm quạt Nhờ tính kỹ thuật cao với công nghệ điều khiển đại (điều khiển tối ưu lượng) biến tần làm hài lòng nhiều nhà đầu tư nước, khu vực giới Các loại tải nên sử dụng biến tần để tiết kiệm điện: + Phụ tải có mơ mem thay đổi (điều hòa trung tâm, bơm cấp nước, bơm quạt mát, ) + Động chạy non tải mà khơng thể thay động phải lắp thêm biến tần - Điểm đặc biệt hệ truyền động biến tần - động bạn điều chỉnh vô cấp tốc độ động Tức thơng qua việc điều chỉnh tần số bạn điều chỉnh tốc độ động thay đổi theo ý muốn dải rộng - Sử dụng biến tần bán dẫn, có nghĩa bạn hưởng nhiều tính thơng minh, linh hoạt tự động nhận dạng động cơ; tính điều khiển thơng qua mạng; thiết lập 16 cấp tốc độ; khống chế dòng khởi động động giúp trình khởi động êm (mềm) nâng cao độ bền kết cấu khí; giảm thiểu chi phí lắp đặt, bảo trì; tiết kiệm khơng gian lắp đặt; chế độ tiết kiệm lượng,… - Bạn khơng nỗi lo việc khơng làm chủ, khống chế lượng q trình truyền động từ bạn kiểm sốt thơng qua chế độ bảo vệ tải, nhiệt, dòng, áp, thấp áp, lỗi pha, lệch pha,… biến tần Một số điều lưu ý sử dụng biến tần: - Tùy theo ứng dụng mà bạn lựa chọn biến tần cho phù hợp, theo cách bạn phải trả chi phí thấp mà lại đảm bảo độ tin cậy làm việc - Bên biến tần linh kiện điện tử bán dẫn nên nhậy cảm với điều kiện môi trường, mà Việt Nam có khí hậu nóng ẩm nên lựa chọn bạn phải chắn biến tần nhiệt đới hố, phù hợp với mơi trường khí hậu Việt Nam - Bạn phải đảm bảo điều kiện môi trường lắp đặt nhiệt độ, độ ẩm, vị trí Các biến tần khơng thể làm việc ngồi trời, chúng cần lắp đặt tủ có khơng gian rộng, thơng gió tốt (tủ phải có quạt thơng gió), vị trí đặt tủ nơi khơ phòng có nhiệt độ nhỏ 50 độC, khơng có chất ăn mòn, khí gas, bụi bẩn - Đọc kỹ hướng dẫn sử dụng, không hiểu không chắn khơng tự ý mắc nối thay đổi tham số thiết đặt - Nhờ chuyên gia kỹ thuật hãng cung cấp biến tần cho bạn hướng dẫn lắp đặt, cài đặt để có chế độ vận hành tối ưu cho ứng dụng bạn - Khi biến tần báo lỗi tra cứu mã lỗi tài liệu tìm hiểu nguyên nhân gây lỗi, khắc phục lỗi khởi động lại - Mỗi biến tần có tài liệu tra cứu nhanh, bạn nên ghi chép chi tiết thông số thay đổi lỗi mà bạn quan sát vào tài liệu này, thông tin quan trọng cho chuyên gia khắc phục cố cho bạn ... sf1 60 (1- 6) Đặc tính động điện khơng đồng ba pha 2 .1 Phương trình đặc tính Theo lý thuyết máy điện, coi động lưới điện lý tưởng, nghĩa ba pha động đối xứng, thông số dây quấn điện trở điện kháng... lõi thép điện áp lưới hồn tồn đối xứng, sơ đồ thay pha động hình vẽ 1- 2 Hình 1- 2: Sơ đồ thay pha động khơng đồng Trong đó: U1 – trị số hiệu dụng điện áp pha stato (V) Iµ, I1, I’2 – dòng điện từ... đồng thời giảm điện áp cấp cho động theo quan hệ: u1 = const f1 (1- 14) Như Mth giữ không đổi vùng f1 < f1dm Ở vùng f1 > f1dm khơng thể tăng điện áp nguồn mà giữ U1 = U1dm nên vùng Mth giảm tỉ lệ