Nghiên cứu tính toán thiết kế mạch lực thiết kế và tính toán mạch điều khiển

Mục Lục
LỜI MỞ ĐẦU.................................................................................................................................................................3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ..............................................................................................................4
1.1.

Giới thiệu chung.......................................................................................................................................4

1.2.

Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ.................................................................................................5

1.3.

Phương trình đặc tính cơ..........................................................................................................................7

1.4.

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha.........................................10

1.4.1.

Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực từ..........................................................................10

1.4.2.

Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp..................................................................11

1.4.3.

Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ......................................................................12

CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH LỰC ............................................................................14
2.1 Thiết kế mạch lực...........................................................................................................................................14
2.1.1 Sơ đồ mạch lực với đầy đủ phần tử bảo vệ....................................................................................14
2.2 tính tốn lựa chọn các phần tử trong mạch...............................................................................................15
2.2.1 tính tốn chọn van IGBT và Diode..................................................................................................15
2.1.2 Tính Rư Eư và L ở chế độ định mức...................................................................................................16
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN MẠCH ĐIỀU KHIỂN.................................................................................21
3.1. Đặc điểm của hệ điều khiển phần nghịch lưu ...........................................................................................21
3.2. Sơ đồ khối của mạch điều khiển.................................................................................................................21
3.3. Nguyên tắc điều khiển..................................................................................................................................21
3.3.1. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính.............................................................................22
3.3.2. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Arccos...................................................................................22
3.4 Các khâu cơ bản của mạch điều khiển........................................................................................................24
3.4.1. Khâu tạo xung tam giác.....................................................................................................................24
3.4.2. Khâu so sánh.........................................................................................................................................25
3.4.3. Bộ trộn xung.........................................................................................................................................26

1


3.4.4. Khâu tạo điện áp điều khiển.............................................................................................................27
3.4.5. Khâu khuếch đại xung bằng máy biến áp.....................................................................................30
4.1. Giới thiệu về phần mềm mô phỏng điện tử công suất PSIM...........................................................31
4.2. Tổng quan về phần mềm PSIM...............................................................................................................31
4.3. Mô phỏng mạch lực và mạch điều khiển...............................................................................................32
4.1.3. Kết quả mô phỏng...............................................................................................................................35
Tài liệu tham khảo..................................................................................................................................................39

2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ
1.1. Giới thiệu chung

Hiện nay, trong xã hội hiện đại, nhiều nhà cao tầng mọc lên, các đường ngầm, hầm
ngầm, thanh máy, hầm mỏ khai thác... đều cần có hệ thống thơng gió. Vì vậy quạt thơng gió
là một trong những thiết bị rất cần thiết và phổ biến. Các loại quạt có cơng suất dưới 200 kW
hầu như đều sử dụng loại động cơ không đồng bộ rôto ngắn mạch ( rôto lồng sóc) mở máy
trực tiếp hay gián tiếp qua các phần tử hạn chế ở mạch stato. Hiện nay điện sử dụng trong
sản xuất và dân dụng đều là điện xoay chiều 3 pha vì vậy để đơn giản, tin cậy, giá thành rẻ
mà vẫn đáp ứng yêu cầu của quạt gió ta sử dụng động cơ khơng đồng bộ rơto lồng sóc với
tốc độ quay rơto khác tốc độ quay của từ thông tạo bởi điện lưới.
Vấn đề điều chỉnh tốc độ quay của động cơ không đồng bộ vẫn còn chưa được giải
quyết triệt để mà chúng ta sẽ xem xét một trong những phương pháp điều chỉnh tốc độ quạt
gió trong đồ án này.
Có thể phân quạt gió ra làm nhiều loại như sau:
+

Theo nguyên lý làm việc:

-

Quạt ly tâm : Dịch chuyển dịng khơng khí trong mặt phẳng vng góc với

trục quay của quạt.
-

Quạt hướng trục : Dịch chuyển dịng khơng khí song song với trục quay
của quạt.

+

Theo áp suất:

-

Quạt áp lực thấp: P < 100mmH20

-

Quạt áp lực vừa : P = 100 400mmH20

-

Quạt áp lực cao: P > 400mmH20

+

Theo mục đích sử dụng:

-

Quạt khơng khí

-

Quạt khói

+

Theo tốc độ chạy quạt:

4


- Quạt cao tốc

: > 1500 v/p

5


- Quạt tốc độ trung bình : 800
- Quạt tốc độ chậm

: 500

1400 v/p

700 v/p

Tuy nhiên tất cả các động cơ của quạt đều là động cơ không đồng bộ. Động cơ khơng
đồng bộ có kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên được sử
dụng rộng rãi. Nhưng nhược điểm của chúng là điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá
trình quá độ khó khăn.

1.2.

Sơ đồ thay thế động cơ khơng đồng bộ

Khi nghiên cứu ta đưa ra các giả thiết sau :
+)Ba pha động cơ là đối xứng.
+) Các thông số của động cơ không đổi, nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ, tần
số dịng điện rơto, mạch từ khơng bão hồ. Nên điện kháng X 1, X2 khơng đổi.
+) Dịng điện từ hố khơng phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt ở
stato động cơ.
+) Bỏ qua cả tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép.
+) Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng ba pha.
Trong sơ đồ :
U1 : Trị số hiệu dụng của điện áp pha stato.
I0, I1, I2: Các dòng điện từ hoá, stato và roto đã quy đổi về stato.
X0, X1, X'2: Điện kháng mạch từ hoá, điện kháng tản stato và rôto đã quy
dổi về stato.

6


Hình 1.1: Sơ đồ thay thế động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
1

s : Độ trượt của động cơ : s =

−
1

1

: Tốc độ của từ trường quay hay là tốc độ đồng bộ.

=

2f

1

p

1

f1 : Tần số của điện áp nguồn đặt vào stato
: Tốc độ góc của động cơ

Từ sơ đồ thay thế ta có :

I1=U1.

R2+X2
00

(1)

+
(R1

R'
nm

+) s+ X

2

2

2

Trong đó : Xnm=X1+ X'2: Điện kháng ngắn mạch
Biểu thức (1) là phương trình đặc tính của dịng điện stato.
Khi

= 0, s = 1 thì I1 = Inm
1,

s =1 thì I1=

Khi =

R2+X2

=I0

U1
00

I1nm : dòng điện ngắn mạch stato

7


I0 : Dịng điện từ hố có tác dụng tạo ra từ trường quay khi động cơ quay vớitốc độ
đồng bộ.

Ta cũng tìm được dịng điện roto qui đổi về stato

I' = I '

=
U

2

1.3.

1

(R12+ R ' / s)2 + Xnm2

2nm

Phương trình đặc tính cơ.

Để tìm phương trình đặc tính cơ ta dựa vào điều kiện cân bằng công suất trong động
cơ.
Công suất điện từ chuyển từ stato sang roto :
P12=Mđt.

1

Mđt : là mô men điện từ của động cơ
Bỏ qua các tổn thất phụ thì : Mđt= Mcơ = M Cơng suất
đó chia làm hai phần :
Pcơ : Cơng suất cơ đưa ra trên trục động cơ.

P2 : Công suất tổn hao đồng trong rôto.
P12 = Pcơ + P2
M.

1=M.

+P2

1 - ) = M.

Do đó :

P2 = M.(

Mặt khác :

P2 = 3.I '2 .R '
2

1 .s

2

'

R
3.I2 . 2
'2

s

M=

1

Từ đó ta có :

3.U1 2.R2'

M=

2

R'

R.

+

+ X

2
2

(3)
.s


8

1

1

nm

s

9


Xác định cực trị bằng cách tính:

dM
ds

=0

Từ đó suy ra
:

R'

sth =

R2+

X2
1

2

nm

2
1f

Mth =

R2+X2
2. 1.(R1 +

1

nm

)

Thay (3) vào (4) ta có :

M = 2. Mth .(1 + a.sth
s

+

sth

sth

s

)

+ a.s
th

R

1

Trong đó : a =
'2

S
Sth

Mth

M

Hình 1.2 : Đặc tính cơ của động cơ khơng đồng bộ

Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy các thơng số ảnh hưởng tớiđặc tính cơ:
-

ảnh hưởng điện trở, điện kháng mạch stato.

-

ảnh hưởng điện trở mạch rôto.

1


- ảnh hưởng của điện áp lưới cấp cho động cơ.
-

ảnh hưởng của tần số lưới cấp cho động cơ f1.
Trong mỗi trường hợp ứng dụng động cơ KĐB vào thực tế mà có các đường đặc tính cơ
khác nhau đối với từng loại tải.
Công thức tổng quát:
Mc = Mco + (Mđm – Mco)( / đm) Mc
: Momen ứng vớitốc độ
Mđm, Mco : mômen ứng vớitốc độ định mức và ứng với =0.
= 0, Mc = Mđm = const _ các cơ cấu nâng hạ tải(đường1) =
1, Mc tỉ lệ bậc nhất với -> ít gặp
= 2, Mc tỉ lệ bậc haivới -> trường hợp trong máy bơm quạt gió (đường 3) =
1, Mc tỉ lệ nghịch với -> máy cuộn giấy...

đ

Hình 1.3: Đặc tính cơ của động cơ ứng với mỗi trường hợp.
Trong đồ án này, ta nghiên cứu động cơ khơng đồng bộ trong quạt gió, tức là
đường đặc tính cơ số (3) trên đồ thị . Quạt gió là một trong những thiết bị sử dụng rơto
lồng sóc, nó thường dùng độc lập để thơng thống khí cho nhà riêng, xưởng sản xuất, đặc
biệt trong hầm mỏ, tuỳ từng trường hợp mà nó có cơng suất khác nhau.

1

Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ hiện nay vẫn còn là một vấn đề chưa được
giải quyết triệt để bởi mỗi phương pháp chỉ thoả mãn một yêu cầu, một phạm vi nào đấy, nó
vẫn có những hạn chế nhất định. Riêng đối với quạt thơng gió với yêu cầu cụ thể, ta có
phương pháp điều chỉnh tốc độ khá đạt yều cầu sẽ được trình bày ở phần sau của đồ án.
1.4.

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha.

Hiện nay có nhiều phương pháp được đưa ra để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
nhưng mỗi phương pháp đều có ưu khuyết điểm của nó mà chưa giải quyết được toàn bộ vấn
đề như năng lượng tiêu thụ, phạm viđiều chỉnh, thiết bị sử dụng...Có 2 hướng tác động để
điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ là : Tác động vào stato như thay đổi số đôi cực,
thay đổi điện áp, biền đổi tần số nguồn điện vào ; tác động vào roto như thay đổi điện trở
roto hoặc nối tiếp điện trở phụ.
Vì động cơ sử dụng là động cơ không đồng bộ roto lồng sóc nên những phương pháp
điều chỉnh tốc độ theo hướng thứ nhất. Ta sẽ tìm hiểu sơ lược về các phương pháp điều chỉnh
này:
1.4.1. Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đơi cực từ.

Nói chung, trong điều kiện bình thường, động cơ điện có hệ số trượt khá nhỏ, vì vậy tốc
độ của roto gần bằng tốc độ đồng bộ n 1 = 60f1/p. Do đó khif1 = const thì thay đổi p (số đơi
cực của đây quấn stato) có thể thay đổi được tốc độ.
Dễ thấy, khi thay đổi số đôi cực p là số tự nhiên nên tốc độ chỉ có thể thay đồi từng cấp,
điều chỉnh tốc độ không phẳng. Để thay đổi số đôi cực ta có thể đồi cách nối các bối dây hay
lắp sẵn các bối dây có số đơi cực khác nhau hoặc phối hợp cả cách trên.
Ngồi ra người ta cịn chế tạo động cơ điện 2 tốc độ thành loại mômen không đổi và
loại công suất không đổi tuỳ theo cách đấu Y hay và đấu dây quấn pha song song hay nối
tiếp
Gọi công suất động cơ điện 2 tốc độ với số đơi cực ít (p1), với số đơi cực gấp đơi(p2=2

p1). Theo hình 1.2 trên với cách đấu Y/YY ta có :
Giả thiết khi đổi tốc độ, hiệu suất và cos
ta lại có P= M

khơng đổi ta có : cơng suất P2/P1 = 1/2 mà

( : tốc độ góc của rôto ; M: momen ; P : công suất đầu trục cử động cơ)
=>

P

P

1

2

2

= 1 M1

1

M2


nM
1

= n2 M

1

2M
2

=
=2

1

M2

1

<=>
M2


Máy có mơmen khơng đổi khi ta thay đổi tốc độ quay. Với loại máy có sơ đồ đấu dây ở
hình 1.2b ta có:

P2 =

3U 3I f

cos 1

1

3
P2 =

3U1.2.I

cos

f

=>P1 /P2 = 2/

1

= 1.15

Động cơ điện chế tạo theo kiểu này có cơng suất khơng đổi.
Trong phương pháp này có ưu điểm : Thực hiện khá đơn giản, có thể thay đổi tốc độ mà
vẫn giữ được mômen không đổi hoặc cơng suất khơng đổi. Tuy nhiên nó có khuyết điểm là
chỉ ứng dụng với động cơ roto lồng sóc, thay đổi tốc độ theo cấp và chỉ ít cấp thay đổi, vận
hành và thay đổi tốc độ khá nhỏ bởi phải có kiến thức đấu dây, khó sửa chữa khi hỏng hóc.
Đối với quạt gió mà ta cần điều chỉnh trơn thì phương pháp này là khơng thích hợp.

1.4.2. Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp
Từ biểu thức

1=

n = n (1 − s) =

60 f

1

2 f1/p mà:

(1 − s)

p

1

Ta thấy rằng s ít thay đổi tần số sẽ làm tốc độ n tỉ lệ thuận với tần số nguồn cấp.
Khi bỏ qua điện trở nhỏ roto r1
Mmax=c.(U1/f1)2
Vớic là hệ số.
'

Giả sử U2 M' là điện áp và momen lúc tần số là f2 ; ta có
; M2max/M2 = M1max/M1
M

<=>

M
2

U 1. f 2

=

U

2

max

f

1

2

M=

M
1

2

1

2

2

=
2

U

f

1

Nếu yêu cầu Pcơ không đổi thì từ biểu thức trên ta suy ra

f

M1

=
U2.f2

U

M2

1

U

f
1

1


1


(U2 /U1)2=f2/f1

1


Như vậy khi thay đổi tần số thì đồng thời ta lại thay đổi điện áp cung cấp vào cho động
cơ để đảm bảo momen không đổi hay công suất khơng đổi. Điều này khơng đơn giản và
thường có giá thành thiết bị điều chỉnh đắt.
Ưu điểm của phương pháp này là bộ điều chỉnh có thể đặt ở vị trí bất kì, đem lại hiệu
quả kinh tế cao khi có nhiều động cơ điện làm việc đồng thời, có thể điều chỉnh trơn, dải
điều chỉnh rộng có khả năng hãm tái sinh. Tuy nhiên nó có những nhược điểm khơng áp
dụng cho quạt gió được mà ta sẽ xem dưới đây sau.

1.4.3.

Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ.

Mômen động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp Stato, do đó có thể
điều chỉnh được momen và tốc độ ĐKB bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp Stato trong khi
giữ nguyên tần số. Để điều chỉnh điện áp ĐKB phải dùng các bộ biến đổi điện áp xoay
chiều(ĐAXC) mà ta thường dùng bộ 6 van IGBT mắc dạng chỉnh lưu cầu 3 pha.
Khi điện áp lưới giảm, mô men tới hạn sẽ giảm theo bình phương lần độ suy giảm của
điện áp l bộ w1ưới. Trong khiđó tốc độ đồng giữ nguyên và độ trượt tới hạn s th không thay
2

đổi.Hệ số trượt bằng 1/ hệ số trượt cũ, khi đó tốc độ là:
n = n1(1 – s/ 2).
Như vậy ta có thể điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua việc điều chỉnh điện áp nguồn
cấp vào động cơ. Đặc biệt đối với phương pháp này tổn thất để điều chỉnh là khá nhỏ đối với
tải là quạt gió tương ứng với số mũ bằng 2 trong phương trình đặc tính cơ. Tuy nhiên :
momen động cơ được tính theo:
3.I 2.R

rr

M=

Ir :dịng điện rôto
.S

1

Rr : điện trở rôto
M.s = const nếu Ir = cosnt => M và s bị trói buộc nên phạm vi điều chỉnh nhỏ chỉ phù
hợp với quạt gió bởi phạm vi điều chỉnh cỡ 3 :1.
Bộ điều áp xoay chiều thường dùng van bán đẫn hơn cả bởi nó vừa đảm bảo chỉ tiêu kĩ
thuật và giá thành hợp lí. Điện áp được qua bộ van bán dẫn phụ thuộc vào góc mở của
tiristor.

1


Kết luận :
+

Phương án điều chỉnh tần số nguồn tuy là phương án điều chỉnh bằng phẳng nhưng

trong trường hợp tần số giảm f1tăng rất lớn (vì tổng trở của động cơ sẽ giảm theo tần số). Do vậy khigiảm tần số cần
phảigiảm điện áp theo quy luật nhất định. Vì vậy khinào có nhiều động cơ điện cũng thay
đổitốc độ theo một quiluật chung thì cách điều chỉnh này mới thực hiện tốt. Hơn nữa nó chỉ
cho giá trị kinh tế khi điều chỉnh nhiều động cơ một lúc mà quạt gió thì lại hoạt động độc lập.
Phương pháp điều chỉnh bằng đổi số đôi cực không điều chỉnh trơn được tốc độ và phụ thuộc

nhiều vào công đoạn chế tạo động cơ.
+

Do quạt thơng gió dùng động cơ khơng đồng bộ roto lồng sóc với cơng suất nhỏ

hơn 200KW vớiyêu cầu điều chỉnh trơn, vùng điều chỉnh khơng q rộng (cỡ 3:1) thì áp dụng
phương pháp điều áp xoay chiều 3 pha là hợp lý bởi nó áp dụng cho động cơ làm việc độc lập,
tổn thất nhỏ hiệu suất cao.

Vậy ta sẽ dùng phương pháp điều áp xoay chiều 3 pha dùng 6 van IGBT mắc dạng chỉnh
lưu cầu 3 pha điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh góc mở để điều chỉnh điện áp cấp cho
động cơ.

1


CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH LỰC

2.1 Thiết kế mạch lực
2.1.1 Sơ đồ mạch lực với đầy đủ phần tử bảo vệ Sơ đồ mạch lực

T1

T3

I2I3V

I6

V Vout1

A

Vout2

VVout3

IM

A
T5

A

VDC2

Hình 2.1 Sơ đồ mạch lực
2.1.2 Chức năng của các phần tử trong mạch lực
-

4 van IGBT : làm nhiệm vụ khóa khơng tiếp điểm .

-

4 Diode : dùng để trả năng lượng phản kháng về nguồn và thực hiện quá trình hãm tái sinh

.
-

Điện cảm L1 , và Tụ điện C : bảo vẹ quá điện áp đầu vào , giảm hệ số đập mạch và nâng cao

chất lượng điện áp .
-

Điện cảm L : để duy trì dịng liên tục ra tải khi động cơ thưc hiện quá trình hãm tái sinh để

đảo chiều .
-

Các mạch R-C mắc song song với các Van bán dẫn : để bảo vệ xung điện áp cho q trình
đóng cắt các van , tạo mạch vịng phóng điện tích q độ trong quá trình chuyển mạch .

1


2.2 tính tốn lựa chọn các phần tử trong mạch
Chọn tần số băm xung f = 5000 Hz
2.2.1 tính tốn chọn van IGBT và Diode
a. Tính chọn Diode
Qua phân tích các mạch lực trên ta thấy:
+Dịng điện trung bình chạy qua Diode ID = (1- )It Với
giá trị dòng điện định mức động cơ là Itđm =15(A)
Chọn chế độ làm mát là van có cánh toả nhiệt với đủ diện tích bề mặt và có quạt thơng gió,
khi đó dịng điện làm việc cho phép chạy qua van lớn tới 60 % I v .
Lúc đó dịng điện qua van cần chọn
Iđmv = ki Imax =15/0.6=25(A)
Qua các biểu đồ ta thấy: Điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi Diode (bỏ qua sụt áp trên các
van) là
Ungmax= E = 220(V)
Chọn hệ số quá điện áp ku = 2.5 → Ungv =ku.Ungmax = 2.5*220=550(V).
Từ hai thụng số trờn ta chọn 4 Diode với các thông số sau :

Ký hiệu
VTA600/T

Imax (A)
25

Un (V)
600

Ith ( A)
25

Trong đó
Imax dịng điện làm việc cực đại cho phép qua van
Ungv điện áp ngược cực đại cho phép đặt lên van
Ipik đỉnh xung dòng điện
∆U tổn hao điện áp ở trạng thái mở của Diode
Ith dòng điện thử cực đại
Ir dòng điện rò ở nhiệt độ 250 C

1

∆U (V)
1,64

Ir (A)

Tcp (°C )
150

Ipik
250