Tải bản đầy đủ (.doc) (56 trang)

Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (901.54 KB, 56 trang )

Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha




1
Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
 !
Ngày nay cùng với việc phát trển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa
học kỹ thuật trong công nghiệp nói chung và trong công nghiệp điện tử
nói riêng thì các thiết bị điện tử có công suất lớn được chế tạo ngày càng
nhiều.Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc dân và
đời sống hàng ngày đã và đang phát triển hết sức mạnh mẽ.Qua đó con
người đã khai thác triệt để những ưu điểm vốn có của các loại động cơ
một chiều và xoay chiều phục vụ những nhu cầu ngày càng cao trong lĩnh
vực tự động hóa.
Với đồ án này em đã nêu ra một khía cạnh nhỏ trong lĩnh vực điều khiển
động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc.
“Thiết kê biến tần 3 pha để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ”
Nội dung các chương mục như sau :
"#$%&'()
Giới thiệu về động cơ không đồng bộ và các hệ thống biến tần.
"#*%+, /0.
Mạch động lực, đi sâu vào nguyên lí làm việc của hệ thống thiết bị cũng
như các phương pháp tính chọn mạch và bảo vệ mạch.
"#% 1)
Ứng dụng của kĩ thuật xung số để điều khiển hoạt động của mạch
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa điện đã tận tình chỉ bảo
trong thời gian làm đề tài.
2
Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha


"2345$%657!89:";552<
$)$)2<2=5:!=">? @A5"4BC8D"2:!
Trong các hệ thống điều tốc biến tần cho cả 2 loại động cơ xoay chiều
đồng bộ và không đồng bộ thì bộ biến tần là khâu quan trọng quyết định
đến chất lượng của hệ thống truyền động. Phụ thuộc vào phạm vi điều
chỉnh, vào phạm vi công suất truyền động, vào hướng điều chỉnh mà có
các loại biến tần và phương pháp khống chế biến tần khác nhau. Trong
thực tế các bộ biến tần được chia làm hai nhóm: các bộ biến tần là biến tần
trực tiếp và các bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều. Trước
đây, các hệ truyền động dùng biến tần trực tiếp do chất lượng điện áp đầu
ra thấp nên thường dùng ở lĩnh vực công suất lớn, nơi chỉ tiêu về hiệu suất
được đặt lên hàng đầu. Ngày nay, với sự phát triển của điện tử công suất
và kỹ thuật vi điều khiển, phương pháp điều khiển biến tần kiểu ma trận
cho chất lượng điện áp ra cao, giảm ảnh hưởng xấu đến lưới điện nên
phạm vi ứng dụng đang ngày càng được mở rộng. Được ứng dụng nhiều
nhất hiện nay vẫn là các hệ điều tốc biến tần dùng bộ biến tần gián tiếp,
các bộ biến tần loại này có thể khống chế theo các phương pháp khác
nhau: điều chế độ rộng xung (PWM); điều khiển vector; điều khiển trực
tiếp mô men.
Biến tần điều chế độ rộng xung (PWM) với việc điều khiển điện
áp và tần số theo qui luật U
1
/f
1
= Const dễ thực hiện nhất, đường đặc tính
cơ biến tần của nó về cơ bản là tịnh tiến lên xuống, độ cứng cũng khá tốt,
có thể thoả mãn yêu cầu điều tốc thông thường, nhưng khi tốc độ giảm
thấp thì sụt áp trên điện trở và điện cảm tản cuộn dây ảnh hưởng đáng kể
đến mô men cực đại của động cơ, buộc phải tiến hành bù sụt điện áp cho
3

Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
mạch stator. Điều khiển E
s
/f
1
= const là mục tiêu thực hiện bù điện áp
thông dụng với U
1
/f
1
= const, khi ở trạng thái ổn định có thể làm cho từ
thông khe hở không khí không đổi (Ф
m
= const), từ đó cải thiện được chất
lượng điều tốc ở trạng thái ổn định. Nhưng đường đặc tính của nó vẫn là
phi tuyến, khả năng quá tải về mômen quay vẫn bị hạn chế.
Hệ thống truyền động điều khiển E
r
/f
1
= const có thể nhận được đường đặc
tính cơ tuyến tính giống như ở động cơ một chiều kích thích từ độc lập,
nhờ đó có thể thực hiện điều tốc với chất lượng cao. Dựa vào yêu cầu tổng
từ thông của toàn mạch rotor Ф
rm
= const để tiến hành điều khiển có thể
nhận được E
r
/f
1

=const. Trong trạng thái ổn định và trạng thái động đều có
thể duy trì E
r
/f
1
=const là mục đích của điều tốc biến tần điều khiển vec tơ,
đương nhiên hệ thống điều khiển của nó là khá phức tạp. Dựa trên kết quả
từ 2 hạng mục nghiên cứu: “Nguyên lý điều khiển định hướng từ trường
động cơ không đồng bộ” do F. Blaschke của hãng Siemens Cộng hoà Liên
bang Đức đưa ra vào năm 1971, và “Điều khiển biến đổi toạ độ điện áp
stator động cơ cảm ứng” do P.C. Custman và A.A. Clark ở Mỹ công bố
trong sáng chế phát minh của họ, qua nhiều cải tiến liên tục đã hình thành
được hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector mà ngày nay đã trở nên
rất phổ biến.
$)*)E43F"9:"G"2<2=5>? 
$)*)$)HI-)
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
$)*)*)JKLM.
1. Biến tần trực tiếp:
Bộ biến đổi này chỉ dùng một khâu biến đổi là có thể biến đổi nguồn điện
xoay chiều có điện áp và tần số không đổi thành điện áp xoay chiều có
điện áp và tần số điều chỉnh được. Do quá trình biến đổi không phải qua
khâu trung gian nên được gọi là bộ biến tần trực tiếp, còn được gọi là bộ
4
Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
biến đổi sóng cố định (Cycloconverter). Như vậy điện áp xoay chiều
U
1

(f
1
) chỉ cần qua một van là chuyển ngay ra tải với U
2
(f
2
).
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 f
2
khó khăn và phụ thuộc và f
1
.
Ví dụ
H1.3: Sơ đồ biến tần trực tiếp
2.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 f
2
nhờ bộ nghịch lưu độc lập (quá trình thay đổi f
2
không
phụ thuộc vào f
1
).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 :

5
o
o
o
a
b
c
CK
CK
CK
CK
CKck

f
2
T
A
N
A
T
B
N
B
T
C
N
C
~

U

1
,

f
1


B


C

Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
H1.4: Sơ đồ biến tần gián tiếp
H1.5: Sơ đồ khối
• Phân loại biến tần gián tiếp
Do tính chất của bộ lọc nên biến tần gián tiếp lại được chia làm hai loại sử
dụng nghịch lưu dòng và nghịch lưu áp.
a).Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng%
Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn dòng, dạng
của dòng điện trên tải phụ thuộc vào dạng dòng điện của nguồn, còn dạng
áp trên tải tuỳ thuộc vào các thông số của tải quy định.
b). Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp%
Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn áp (nghĩa là
điện trở nguồn bằng 0). Dạng của điện áp trên tải tuỳ thuộc vào dạng của
điện áp nguồn, còn dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào thông số
của mạch tải quy định.
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.
Bộ biến tần nguồn áp có hai bộ phận riêng biệt, đó là bộ phận động lực và

bộ phận điều khiển
• JNLO-PIN/%
6
D 9
o
o
o
T7
T9
T11
T10
T12
T8
T4
T6
T8
T1 T3 T5
D1
D3 D5
D4
D6 D2
D7
D11
D10
D12
D8
Co
C1 C3
C5
C4

C2
C6
L2
L1
Lo
Ñ
K
B
U
2
,

f
2
~
U
1
,

f
1
Chỉnh lưu
Lọc
Nghịch lưu
Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
- Bộ chỉnh lưu: có nhiệm vụ biến đổi dòng xoay chiều có tần số f
1
thành
dòng một chiều.
- Bộ nghịch lưu: là bộ rất quan trọng trong bộ biến tần, nó biến đổi dòng

điện một chiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng điện xoay chiều
có tần số f
2
.
- Bộ lọc: là bộ phận không thể thiếu được trong mạch động lực cho phép
thành phần một chiều của bộ chỉnh lưu đi qua và ngăn chặn thành phần
xoay chiều. Nó có tác dụng san bằng điện áp sau khi chỉnh lưu.
• JN1%
Là bộ phận không thể thiếu được, nó quyết định sự làm việc của mạch
động lực, để đảm bảo các yêu cầu tần số, điện áp ra của bộ biến tần đều do
mạch điều khiển quyết định.

"2345*%Q2CG9R2?H?ST"2";5E!U
*)$-/#IO
*)$)$>NVO
Bộ biến tần trực tiếp là thiết bị biến đổi tần số vào sang tần số ra một cách
trực tiếp mà không cần có sự can thiệp của một khâu trung gian nào. Bộ
biến tần trực tiếp hay còn gọi là bộ biến tần phụ thuộc thường gồm các
nhóm chỉnh lưu điều khiển mắc song song cho xung lần lượt 2 nhóm
chỉnh lưu trên ta được dòng xoay chiều trên tải. Như vậy điện áp xoay
chiều U
1
(f
1
) chỉ cần qua 1 van là chuyển ngay ra tải với U
2
(f
2
).
H2.1. Biến tần trực tiếp

7
o
o
o
a
b
c
CK
CK
CK
CK
CKck
Ñ
K
B
U
2


f
2
T
A
N
A
T
B
N
B
T

C
N
C
~

U
1
,

f
1
A










B








C



Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
*)$)*)>NI
)>NWXI
H2.2 : Biến tần nguồn dòng sử dung tiristor
Trên sơ đồ ta thấy : sơ đồ gồm cầu chỉnh lưu điều khiển I và cầu biến tần
II. Trong sơ đồ biến tần mỗi thyistor được nối tiếp thêm một diôt. Trong
mỗi nửa cầu có 3 tụ điện.
Cầu chỉnh lưu thông qua điện cảm L
d
cung cấp cho cầu biến tần dòng
điện hằng I
d
. Các thysristor T
1
và T
6
đó cắt dòng điện một chiều I
d
thành 2
khối chữ nhật, một khối dương và một khối âm, mỗi khối kéo dài 120
0
điện. Khối nọ cách khối kia 60
0
độ điện. Tại bất cứ thời điểm nào cũng chỉ
có 2 thysristor cho dòng chảy qua.
Các thyistor được điều khiển mở theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1……

Trên sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển cùng với cuộn cảm tạo nên nguồn
dòng cấp cho nghịch lưu. Nghịch lưu ở đây là sơ đồ nguồn dòng song
song. Hệ thống tụ chuyển mạch được cách ly với tải qua hệ thống diot
cách ly. Dòng ra nghịch lưu có dạng xung hình chữ nhật, điện áp ra có
dạng tương đối sin nếu phụ tải là động cơ.
)>NII
8
A










B







C
Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
H2.3. Biến tần áp gián tiếp dùng Tiristor
Sơ đồ bao gồm cấu hình chỉnh lưu thyristor I, tụ điên C chứa năng lượng

phản kháng, cầu diot II và cầu biến tần III. Tải là động cơ điện 3 pha
không đồng bộ kiều lồng sóc. Các diot đấu song song ngược với các
thyristor cho phép dòng điện tải trả được về nguồn, ở đây là tụ điện C, vì
cầu chỉnh lưu I chỉ cho dòng chảy qua 1 chiều. Trong sơ đồ này mỗi
thyristor dẫn dòng trong 180
0
điện. Trong sơ đồ cầu biến tần, ngoài giai
đoạn trùng dẫn,lúc nào cũng có 3 thyristor dẫn dòng( hai ở nhóm này và 1
ở nhóm kia).
Khi thyristor thuộc nhóm anot chung mở thì dòng điện chảy từ nguồn
dương vào tải, còn khi thyristor thuộc nhóm catot chung mở thì dòng điện
chảy từ tải về nguồn âm.
*)*)K+##Y1-ZI /0
$)3#Y1-ZNVO(I
• Biến tần trực tiếp:
Ưu điểm:
+ Biến đồi trực tiếp điện lưới điện u
1
có tần số cố định f
1
thành một điện
áp u
2
có tần số f
2
với biên độ có thể thay đổi được.
+Hiệu suất cao.
+Cho phép hãm tái sinh năng lượng mà không cần có mạch điện phụ.
+Có thể xây dựng với công suất lớn.
Nhược điểm:

+Sơ đồ mạch van phức tạp,số lượng van lớn.
+Thay đổi tần số f
2
khó khăn và phụ thuộc vào f
1
.
+Chỉ thực hiện trong giới hạn f
2
≤ f
1
.
+ Khó điều khiển ở tần số cận không vì khi đó tổn hao sóng hài trong
động cơ khá lớn.
+ Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển không cao.
+ Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin.
• Biến tần gián tiếp:
Ưu điểm:
+Thay đổi tần số f
2
dễ dàng không phụ thuộc vào f
1.
+Thực hiện được trong dải rộng cả trên và dưới f
1.
+ Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển khá cao.
+ Sóng điện áp đầu ra gần với hình sin.
Nhược điểm:
9
Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
+Việc biến đổi năng lượng hai lần làm giảm hiệu suất biến tần.
*)EM/INII(WX)

- Trong bộ biến tần nguồn dòng, khi hai khoá bán dẫn trong cùng một
nhánh của bộ nghịch lưu cùng dẫn (do kích nhầm hoặc do chuyển mạch),
dòng ngắn mạch qua hai khoá được hạn chế ở mức cực đại. Trong bộ biến
tần nguồn áp, việc này có thể gây ra sự cố ngắn mạch làm hỏng khoá bán
dẫn. Do đó có thể xem biến tần nguồn dòng làm việc tin cậy hơn biến tần
nguồn áp.
- Do mạch chỉnh lưu tạo nguồn dòng có thể hoạt động ở chế độ trả năng
lượng về nguồn, bộ biến tần nguồn dòng có thể làm việc hãm tái sinh. Với
bộ biến tần nguồn áp, việc hãm tái sinh muốn thực hiện cần thêm vào hệ
thống một cầu chỉnh lưu 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.
- Khi hoạt động với nguồn cấp là DC bộ biến tần nguồn áp nhỏ gọn và rẻ
tiền hơn so với 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.
*))", /0[Y
Dựa vào ưu nhược điểm như trên ta lựa chọn bộ biến tần gián tiếp
nguồn áp với cấu chúc như sau:
1) Bộ nghịch lưu áp 3 pha (có thể sử dụng BJT công suất, IGBT,
GTO, ) ở đây ta dùng Mosfet.
2) Bộ chỉnh lưu điều khiển cầu 3 pha sử dụng Tiristor
10
Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
H2.4. Sơ đồ biến tần nguồn áp dùng Mosfet

*)\)Q2CGST"2";5E!U
*)\)$>]L#
a) Sơ đồ nguyên lý:
H2.5. Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu áp ba pha gián tiếp
• Hoạt động:
Tụ C
1
đảm bảo nguồn là nguồn áp và để tiếp nhận năng lượng phản kháng
từ tải.
Phương pháp điều khiển các van mosfet thông thường nhất là điều khiển
cho góc mở của van là
o
180
=
λ

o
120
=
λ
. Ở đây ta xét góc dẫn với tải
đấu sao, ta xác định điện áp trên tải trong từng khoản thời gian 60
0
(vì cứ
60
0
có một trạng thái chuyển mạch) với nguyên tắc van nào dẫn coi như
thông mạch .Nhìn chung sơ đồ này có dạng một pha tải nối với hai pha
đấu song song nhau .Do vậy điện áp 1 pha trên tải sẽ chỉ có hai giá trị là
11

Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
3
E
. Khi một pha đấu song song với 1 trong 2 pha còn lại hoặc
3
2
E
khi
một pha nối tiếp với nhánh song song còn lại.Với giả thiết tải đối xứng
• Nguyên tắc chuyển mạch :
Cho góc mở của mosfet là 180
0
và cứ 60
0
tiếp theo (kể từ khi mosfet trước
đó được mở thì một mosfet khác mở). Như vậy trong cùng một thời gian
có 3 mosfet mở :
Bảng trạng thái đóng mở của các mosfet
S 0 -
60
0
oo
12060
÷
oo
180120
÷
oo
240180
÷

oo
300240
÷
oo
360300
÷
S
$
$ $ $ ^ ^ ^
S
*
^ $ $ $ ^ ^
S

^ ^ $ $ $ ^
S
\
^ ^ ^ $ $ $
S
_
$ ^ ^ ^ $ $
S
`
$ $ ^ ^ ^ $
Xét quá trình chuyển mạch từ T
5
sang T
2
tương ứng với khoảng (
oo

600 ÷
) sang (
oo
12060 ÷
) .
Trong khoảng
oo
600 ÷
thì T
1
,T
5
,T
6
dẫn, chiều dòng điện qua tải được xác
định như hình vẽ 2.6 (a.b,c,d,e,f)
12
Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
T 4
.
+
T 5
.
-
T 2
.
Z A Z B
T 1
.
Z C

T 6
.
C 1
.
T 3
.
T 2
.
T 4
.
Z A
T 3
.
T 1
.
T 5
.
-
Z CZ B
+
C 1
.
T 6
.
T 6
.
C 1
.
Z B
T 5

.
Z A
T 2
.
+
T 4
.
T 1
.
T 3
.
-
Z C
13
H 2.6.a
H 2.6.b
H 2.6.c
Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
T 6
.
T 5
.
T 3
.
C 1
.
-
T 1
.
T 2

.
Z C
T 4
.
+
Z BZ A
Z A
-
T 1
.
+
T 3
.
T 2
.
Z C
C 1
.
T 5
.
T 4
.
Z B
T 6
.
14
H 2.6.d
H 2.6.e
H 2.6.f
Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha

b) Dạng sóng mạch nghịch lưu:
H2.7. Dạng sóng mạch nghịch lưu
c)Tính chọn các phần tử trong mạch:
+ Các thông số của động cơ không đồng bộ roto lồng sóc:
-Công suất định mức: P
dm
= 7,5 Kw
-Điện áp định mức: U
fdm
= 220 V
-Hệ số công suất: Cos
ϕ
= 0,78
-Hiệu suất:
=
η
0,8
Từ các thông số trên dễ dàng tính được các đại lượng cần thiết:
-Dòng điện định mức:
3
7,5.10
18,2
3. . .cos 3.220.0,8.0,78
dm
dm
Y
P
I
U
η φ

= = =
(A) (2.1)
-Điện trở mỗi pha tải:
15
T4
i
o
Uc
Ub
T5
T6
Ua
T3
T1
T2
Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
220
.cos .0,78 9,42
18,2
fdm
f
dm
U
R
I
φ
= = =
(Ω) (2.2)
L
t

2
2
2 2
1 1 220
9,72 0,022
2.50.3,14 18,2
fdm
dm dm
U
R
I
ω
 
 
= − = − =
 ÷
 ÷
 
 
(H)
(2.3)
a+,SM/bc%
Để lựa chọn được van ta cần tính được điện áp cực đại đặt lên van và dòng
điện trung bình chảy qua van.
Bộ biến tần điều chỉnh theo quy luật = Const, mà dải điều chỉnh tần số
của động cơ là f= 0 - 120Hz
Do đó ta có
=
(2.4)
Vậy U

max

==
max
. f
f
U
dm
dm

220
50
.120= 528 (V)
+) Tính toán các thông số điện áp ở chế độ điều chỉnh cực đại
-Ta có điện áp cực đại trên một pha tải:
U
ma
=
2
U
max
(2.5)
-Điện áp đầu vào cực đại của bộ nghịch lưu:
U
dmax

2
3
=
U

mza
2
3
=
.528.
2
= 1120 (V) (2.6)
- Điện áp cực đại đặt lên mỗi Mosfet: U
ng
= U
dmax
=1120 (V) (2.7)
+) Tính toán các thông số dòng điện ở chế độ điều chỉnh cực đại
- Dòng điện hiệu dụng pha tải ở chế độ điều chỉnh cực đại
I
hd

( ) ( )
max
2 2
2 2
max
380
19,77
2 . 2.3,14.120.0,022 9,72
t
U
f L R
π
= = =

+ +
(2.8)
-Hệ số:
cos
max
ϕ

( ) ( )
2 2
2 2
max
9,72
0,50
2 . 2.3,14.120.0,022 9.72
t
R
f L R
π
= = =
+ +
(2.9)
16
Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
-Dòng trung bình qua Mosfet:
I
M

)1(cos
2
2

)1(cos
2
maxmax
+=+=
ϕ
π
ϕ
π
hdm
II
(2.10)
Thay số ta được: I
M

2.9,72
(0,022 1) 10,85
2
π
= + =
(A)
- Chọn hệ số dự trữ dòng điện: k
i
= 1,8
Vậy cần chọn Mosfet chịu được dòng điện trung bình:
I
TBM
= 1,8.I
M
= 1,8. 10,85 = 19,53 (A)
Từ đó ta chọn: Mosfet SKM284F với thông số:

I
Dmax
=20 A
U
DSmax
= 1500 V
a+,#Y%
+) Điện áp:
-Điện áp cực đại đặt lên điôt: U
ngm
= U
dmax
(2.11)
-Chọn hệ số an toàn điện áp k
ud
= 1,8
Vậy điôt ít nhất phải chịu được điện áp:
U
lv
= 1,8.
max
1,8.1120 2016
d
U = =
(V)
+) Dòng điện:
-Dòng trung bình chảy qua điốt:
I
D
)1(cos

2
2
)1(cos
2
maxmax
−=−=
ϕ
π
ϕ
π
hdm
II
(2.12)
Thay số ta được: I
D
84,1)171,0(
2
17,28.2
=−=
π

(A)
-Chọn hệ số dự trữ dòng điện: k
i
= 3,2
Vậy cần chọn điốt ít nhất chịu được dòng trung bình:
I
TBD
= 3,2.1,84 = 5,888 (A)
Từ đó ta chọn điốt: Điôt BYX38 với thông số

I
dm
= 6 A
17
Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
U
ngm
=2300 V
*)*)* >L#
$)deLf
Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng có thể coi như hai sơ đồ
chỉnh lưu tia ba pha mắc ngược chiều nhau, ba Tiristo T1,T3,T5 tạo thành
một chỉnh lưu tia ba pha cho điện áp (+) tạo thành nhóm anod, còn
T2,T4,T6 là một chỉnh lưu tia cho ta điện áp âm tạo thành nhóm catod, hai
chỉnh lưu này ghép lại thành cầu ba pha. Theo hoạt động của chỉnh lưu
cầu ba pha điều khiển đối xứng, dòng điện chạy qua tải là dòng điện chạy
từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời điểm cần mở Tiristo chúng ta cần
cấp hai xung điều khiển đồng thời (một xung ở nhóm anod (+), một xung
ở nhóm catod (-)). Ví dụ tại thời điểm t1 trên hình 2.8b cần mở Tiristo T1
của pha A phía anod, chúng ta cấp xung X1, đồng thời tại đó chúng ta cấp
thêm xung X4 cho Tiristo T4 của pha B phía catod các thời điểm tiếp theo
cũng tương tự. Cần chú ý rằng thứ tự cấp xung điều khiển cũng cần tuân
thủ theo đúng thứ tự pha.
Khi chúng ta cấp đúng các xung điều khiển, dòng điện sẽ được chạy từ
pha có điện áp dương hơn về pha có điện áp âm hơn. Ví dụ trong khoảng
t1 ÷ t2 pha A có điện áp dương hơn, pha B có điện áp âm hơn, với việc
mở thông T1, T4 dòng điện dược chạy từ A về B.
18
Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
Khi góc mở van nhỏ hoặc điện cảm lớn, trong mỗi khoảng dẫn của một

van của nhóm này (anod hay catod) thì sẽ có hai van của nhóm kia đổi chỗ
cho nhau. Điều này có thể thấy rõ trong khoảng t1 ÷ t3 như trên hình 2.8.b
Tiristo T1 nhóm anod dẫn, nhưng trong nhóm catod T4 dẫn trong khoảng
t1 ÷ t2 còn T6 dẫn tiếp trong khoảng t2 ÷ t3.
Điện áp ngược các van phải chịu ở chỉnh lưu cầu ba pha sẽ bằng 0 khi
van dẫn và bằng điện áp dây khi van khoá. Ta có thể lấy ví dụ cho van T1
(đường cong cuối cùng của hình 2.8b) trong khoảng t1 ÷ t3 van T1 dẫn
điện áp bằng 0, trong khoảng t3 ÷ t5 van T3 dẫn lúc này T1 chịu điện áp
ngược U
BA
, đến khoảng t5 ÷ t7 van T5 dẫn T1 sẽ chịu điện áp ngược U
CA
.
Khi góc mở các Tiristo lớn lên tới góc α > 60
0
và thành phần điện cảm của
tải quá nhỏ, điện áp tải sẽ bị gián đoạn như các đường nét đậm trên hình
2.8d (khi góc mở các Tiristo α =90
0
với tải thuần trở). Trong các trường
hợp này dòng điện chạy từ pha này về pha kia, là do các van bán dẫn có
phân cực thuận theo điện áp dây đặt lên chúng (các đường nét mảnh trên
giản đồ Ud của các hình vẽ 2.8b, c, d), cho tới khi điện áp dây đổi dấu, các
van bán dẫn sẽ có phân cực ngược nên chúng tự khoá.
Sự phức tạp của chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng như đã nói trên
là cần phải mở đồng thời hai van theo đúng thứ tự pha, do đó gây không ít
khó khăn khi chế tạo vận hành và sửa chữa.
*)+,V/MV
Dòng điện và điện áp tải chính là dòng điện và điện áp đầu vào của bộ
nghịch lưu.

Dòng trung bình bộ nghịch lưu tiêu thụ từ nguồn
I
v
3
.2
2
0
AI
=
(2.13)
Trong đó:
19
Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
I
0
: Là dòng điện cơ sở ( I
0
f
d
R
U
max
=

) (2.14)
A









+−

−=
2
2
1
1
.
2
3
1
aa
aQ
π
(2.15)
Q = tgφ
max
=









−1
cos
1
max
2
ϕ
(2.16)
Q
ea
3
1−
=
Thay số ta được:
I
0

1120
115,22
9,72
= =
(A)
Q =
992,01
71,0
1
2
=








715,0=a
A = 0,842
Khi đó:
I
v

3
.2
2
0
AI
=
( )
2
2.115,22. 0,842
54,45
3
= =
(A)
Vậy dòng điện tải và điện áp tải cực đại của bộ chỉnh lưu là:
U
d
= U
dmax
= 1120 (V)
I

dmax
= I
v
= 54,45 (A
a) Điện áp
Giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp máy biến áp:
20
Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
U
2
.
3,14.1120
478,57
3 6 3 6
d
U
π
= = =
(V)
(2.17)
Điện áp ngược cực đại trên mỗi Tiristor:
U
ngmax

2
6. 6.478,57 1172,2U
= = =
(V) (2.18)
Chọn hệ số dự trữ về điện áp k
u

= 1,4
Vậy phải chọn Tiristor ít nhất chịu được điện áp ngược
U
nv
= 1,4 . 1172,2 = 1641,17 (V)
b) Dòng điện
Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng
I
lv
=
I
hd

54,45
31,43
3 3
d
I
= = =
(A) (2.19)
Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt với đầy đủ diện tích
tản nhiệt, có quạt đối lưu không khí.
Với điều kiện đó ta chọn hệ số dự trữ dòng điện k
i
= 2,5
Vậy cần chọn dòng định mức của van là:
I
dmv
= 2,5 . I
lv

= 2,5 . 31,43 = 78,59 (A)
Với các thông số U
nv
, I
dmv
ta chọn Tiristor: T60N1000VOF có:
Điện áp ngược cực đại của van : U
n
= 1300 V
Dòng điện định mức của van : I
dmmax
= 90 A
Dòng điện đỉnh cực đại : I
pik
= 1400 A
Dòng điện xung điều khiển : I
g
= 150 mA
Điện áp xung điều khiển : U
g
= 1,4 V
Dòng điện duy trì : I
h
=0,2 A
Dòng điện rò : I
r
= 25 mA
Sụt áp của Tiristor ở trạng thái dẫn : ΔU = 1,8 V
Tốc độ biến thiên điện áp : du/dt = 1000 V/s
Thời gian chuyển mạch : t

cm
= 180 μs
Nhiệt độ làm việc cực đại : T
max
= 125
0
C
)+MI-IdIL#
21
Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
Chọn máy biến áp ba pha ba trụ đấu Δ /Y làm mát bằng không khí
tự nhiên.
a) Tính các thông số cơ bản
Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:
U
d0
= U
d
+ ΔU
v
+ ΔU
ba
+ ΔU
dn
(2.20)
Trong đó:
Sụt áp trên các van :
ΔU
v
= 2. ΔU

(2.21)
Sụt áp trên máy biến áp khi có tải chọn sơ bộ
ΔU
ba
= 6%U
d

(2.22)
sụt áp trên dây nối
ΔU
dn

0

Thay số ta có :
U
d0

1120 2.1,8 0,06.1120 1190,8= + + =
V
• Công suất biểu kiến của biến áp
S = k
s
.P
dmax
=1,05.78,59.1190,8 = 98,26 (kVA) (2.23)
• Điện áp pha sơ cấp biến áp
U
1
= 380 V

• Vậy điện áp pha thứ cấp máy biến áp:
U
2
0
.
3,14.1190,8
508,82
3 6 3 6
d
U
π
= = =

V
(2.24)
• Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp:
22
Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
I
2

max
2
64,16
3
d
I= =
A (2.25)
• Dòng điện hiệu dụng sơ cấp của máy biến áp:
I

1

2
2
1
508,82
. .64,16 85,91
380
U
I
U
= = =
A (2.26)
b) Tính sơ bộ mạch từ
• Tiết diện trụ được tính theo biểu thức kinh nghiệm:
fc
S
kQ
.
.=
cm
2
(2.27)
Trong đó:
k. : Hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát chọn k =6
S : Công suất biểu kiến của máy biến áp
c : Số trụ
f : Tần số nguồn xoay chiều
Vậy ta tính được:


98260
6. 153,56
3.50
Q = =
cm
2
• Đường kính trụ
d =
π
Q.4
=
4.153,56
π
= 13,89 (cm) (2.28)
Chọn d = 14 (cm)
• Chọn từ cảm B=1 Tesla
c) Tính toán dây quấn
• Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp
n
1

1
4
380
111,46
4,44. . . 4,44.50.153,56.10 .1
U
f Q B

= = =


(2.29)
23
Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
lấy n
1
= 112 vòng
• Số vòng dây mỗi pha thứ cấp
n
2

2
1
1
508,82
. .112 149,96
380
U
n
U
= = =
(2.30)
lấy n
2
= 150 vòng
• Chọn mật độ dòng điện J
1
= J
2
= 2,75 A/mm

2
• Đường kính dây dẫn phía sơ cấp (chọn dây tiết diện tròn)
d
1

1 1
1
4 4. 4.85,91
6,3
.2,75
S I
J
π π π
= = = =
mm (2.31)
• Đường kính dây dẫn phía thứ cấp
d
2

2 2
2
4 4. 4.64,16
5,45
.2,75
S I
J
π π π
= = = =
mm
(2.32)

d) Tính toán mạch từ
-Chọn trụ nhiều bậc
-Diện tích cửa sổ cần có:
Q
cs
= k
ld
.n
1
.S
1
+ k
ld
.n
2
.S
2
(2.33)
Chọn k
ld
= 2
Vậy :
Q
cs
=2.112.13,2 + 2.150.13,2 = 6916,8 mm
2
• Chọn loại thép
330∃
lá thép có độ dày 0,5
• Chọn tỉ số m

5,2==
d
h
suy ra h= 2,5.d = 2,5 . 11 = 27,5 cm
Chọn h = 28 cm
• Chọn tỉ số n
5.0
==
d
c
suy ra c = 0,5.11 =5,5 cm
Chọn c =6 cm
• Chọn tỉ số l
1
==
d
b
suy ra b = d =11 cm
• Chiều rộng toàn bộ mạch từ C = 2c + 3d = 45 cm
• Chiều cao mạch từ H = h + 2d = 50 cm
24
Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
+) Kết cấu dây quấn sơ cấp
• Số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp
W
1
=
1
.2
n

g
d
hh −
. k
c
=
42,0
42,0.2.228 −
.0,95 = 59,5 (2.34)
Chọn W
1
= 60 vòng
Trong đó:
d
n1
:đường kính dây quấn sơ cấp kể cả cách điện
h
g
:khoảng cách cách điện với gông, chọn h
g
= 2.d
n1
• Số lớp dây của cuộn sơ cấp
N
11
=
1
1
112
1,8

60
n
W
= =
(2.35)
Chọn N
11
= 2 lớp
Như vậy 112 vòng chia thành 2 lớp,mỗi lớp có 56 vòng
• Chiều cao thực tế của cuộn dây sơ cấp
h
1
=
1
1
.
n
c
d
k
W
=
42,0.
95,0
60
=26,53 (cm) (2.36)
Giữa hai lớp đặt một tờ giấy cách điện dày 0,1mm
• Bề dày của của cuộn dây sơ cấp:
e
1

=N
11
.d
n1
+ 0,1.N
11
=17,2 mm
(2.37)
• Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày
s
01
=0,1mm
• Khoảng cách từ trụ tới cuộn sơ cấp a
01
=1 cm
• Đường kính trong của ống cách điện
D
t
= d + 2a
01
– 2s
01
= 11 + 2.1 - 2.0,01 = 12,98 cm
(2.38)
• Đường kính trong của cuộn sơ cấp
25

×