Tài liệu Thiết kế bộ điều chỉnh và ổn định quạt quay thông gió dùng động cơ không đồng bộ roto ngắn mạch

Đồ án môn học điện tử công suất. Tr ường ĐHBK Hà Nội TÊN ĐỀ TÀI (ĐỀ SỐ 12- PHƯƠNG ÁN 3) Thiết kế bộ điều chỉnh và ổn định tốc độ quạt thông gió dùng động cơ không đồng bộ rôto ngắn mạch. Mạch có bảo vệ mất pha và chống quá tải lâu dài. * Thông số động cơ: - Công suất: P = 50 kW. Điện áp định mức: Uđm = 380/220 kV. Cosϕ = 0,82. Hiệu suất: η = 0,85. - Phạm vi điều chỉnh tốc độ: D= ωmax/ωmin = 2,5/1. - Tần số f = 50 Hz. *Yêu cầu: 1. Tìm hiểu về công nghệ và yêu cầu kỹ thuật của thiết bị cần thiết kế. 2. Đề xuất các phương án tổng thể, phân tích ưu nhược điểm của từng phương án để đi đến lựa chọn phương án phù hợp thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật. 3. Xây dựng chi tiết toàn bộ sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế (cả mạch lực và mạch điều khiển), thuyết minh sự hoạt động của sơ đồ với đồ thị minh hoạ. 4. Tính toán mạch lực. 5. Tính toán mạch điều khiển. 6. Lập bảng trị số toàn bộ các phần tử và linh kiện tính toán được trong mục 4 và 5. 7. Tài liệu tham khảo. SV: Đoàn Thế Thuận 2 L ớp Tự Động Hoá K39-09 Đồ án môn học điện tử công suất. Tr ường ĐHBK Hà Nội Nội dung đồ án gồm 04 phần: PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ 3 PHA RÔTO LỒNG SÓC VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG Trang 6 1. Quá trình áp dụng động cơ không đồng bộ 3 pha lồng sóc: 1.1. Động cơ điện rôto lồng sóc rãnh sâu: 1.2. Động cơ điện rôto lồng sóc kép: 2. Đặc tính mở máy và điều chỉnh tốc độ bằng p/pháp thay đổi điện áp: 2.1. Đặc tính mở máy: 2.1.a Mở máy trực tiếp: 2.1.b Mở máy bằng cách dùng điện kháng nối tiếp và mạch stato: 2.1.c Mở máy bằng cách dùng máy biến áp tự ngẫu nối tiếp và mạch stato: 2.1.d Mở máy bằng cách chuyển đổi nối sao - tam giác: 2.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc bằng cách thay đổi điện áp: 3. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc tải quạt gió: PHẦN 2: GIỚI THIỆU, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG MẠCH LỰC Trang 13 1. Giới thiệu các van điện tử công suất: 1.1. Thyristor: 1.2. Triac (Tridiode alternative current): 2. Giới thiệu các sơ đồ cơ bản để ĐAXC 3 pha và chọn sơ đồ thiết kế: 2.1. Sơ đồ số 1 dùng Triac: 2.3. Sơ đồ số 2 dùng Diôt và Thyristor: 2.4. Sơ đồ số 3 dùng Thyristor: 2.2. Sơ đồ số 4 dùng Thyristor: 2.5. Sơ đồ số 5 dùng Thyristor: 2.6. Sơ đồ số 6 dùng Thyristor: 2.7. Sơ đồ số 7 dùng Thyristor: 2.8. Chọn sơ đồ thiết kế: SV: Đoàn Thế Thuận 3 L ớp Tự Động Hoá K39-09 Đồ án môn học điện tử công suất. Tr ường ĐHBK Hà Nội 3. Nguyến lý hoạt động của mạch động lực – sơ đồ ĐAXC 3 pha dùng 06 Thyristor dấu song song ngựơc cấp nguồn cho động cơ 3 pha rôto lồng sóc: 4. Phương pháp tính toán các thông số khi thay đổi điện áp: PHẦN 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC Trang 25 1. Tính toán các thông số của động cơ không động bộ 3 pha rôto lồng sóc: 2. Tính chọn Thyristor và các thiết bị bảo vệ: 2.1. Tính chọn Thyristor: 2.2. Tính chọn các thiết bị bảo vệ: PHẦN 4: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN I. Mục đích: Trang 30 II. Yêu cầu: III. Thiết kế mạch điều khiển: 1. Nguyên lý thiết kế mach điều khiển: 2. Cấu trúc mạch điều khiển Thyristor: 2.1. Khâu đồng pha: 2.2. Khâu so sánh: 2.3. Khâu khuếch đại tạo xung: 2.4. Mạch tạo xung chùm: 3. Lựa chọn sơ đồ mạch điều khiển: 4. Thiết kế mạch khởi động và có chức năng hạn chế dòng điện trong quá trình khởi động bằng cách tăng dần điện áp: 5. Thiết kế mạch bảo vệ chống quá tải lâu dài: 6. Thiết kế mạch bảo vệ chống mất pha: 7. Tính toán các thông số linh kiện của sơ đồ mạch điều khiển: 7.1. Tính chọn biến áp xung: 7.2. Tính tầng khuếch đại cuối cùng: 7.3. Chọn cổng AND và OR: SV: Đoàn Thế Thuận 4 L ớp Tự Động Hoá K39-09 Đồ án môn học điện tử công suất. Tr ường ĐHBK Hà Nội 7.4. Chọn IC khuếch đại thuật toán: 7.5. Tính chọn bộ tạo xung chùm: 7.6. Tính chọn tầng so sánh: 7.7. Tính chọn khâu đồng pha: 7.8. Tính chọn mạch khởi động và có chức năng hạn chế dòng điện trong quá trình khởi động bằng cách tăng dần điện áp: 7.9. Tính chọn mạch bảo vệ chống quá tải lâu dài: 7.10. Tính chọn mạch bảo vệ chống mất pha: 7.11. Tạo nguồn nuôi: 7.12. Tính toán máy biến áp đồng pha làm nguồn nuôi cho mạch điều khiển: 5. Bảng trị số toàn bộ các phần tử và linh kiện tính toán được ở trên: SINH VIÊN ĐÃ HOÀN THÀNH VÀ NỘP ĐỒ ÁN MÔN HỌC Ngày……….Tháng………….Năm 2007. (ký và họ tên) Đoàn Thế Thuận KẾT QUẢ ĐIỂM ĐÁNH GIÁ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN - Quá trình thiết kế:……………. - Điểm duyệt:………………….. - Điểm bảo vệ:………………… Phạm Quốc Hải SV: Đoàn Thế Thuận 5 L ớp Tự Động Hoá K39-09 Đồ án môn học điện tử công suất. Tr ường ĐHBK Hà Nội LỜI NÓI ĐẦU Tự Động Hoá là một trong những ngành quan trọng hàng đầu trong công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Sự giáo dục đóng vai trò quan trọng trong công cuộc này đặc biệt là đào tạo ra đội ngũ cán bộ có tay nghề cao biết kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết và thực tiễn lao động sản xuất. Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện, điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hoá đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới. Tự động hoá quá trình sản xuất đang được phổ biến rộng rãi trong các hệ thống công nghiệp trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Tự động hoá không những làm giảm nhẹ sức lao động cho con người mà còn góp phần rất lớn trong việc nâng cao năng suất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm. Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, ngày càng có thêm nhiều xí nghiệp mới sử dụng kỹ thuật cao, đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện phải nắm vững những kiến thức về Điện tử công suất, Truyền động điện, Vi mạch để xứng đáng trong vai trò kỹ thuật hiện tại. Qua môn học điện tử công suất này để liên hệ giữa lý thuyết đã được học với ứng dụng vào thực tiễn Thầy giáo Phạm Quốc Hải đã giao nhiệm vụ cho tôi "Thiết kế bộ điều chỉnh và ổn định tốc độ quạt thông gió dùng động cơ không đồng bộ rôto ngắn mạch, có bảo vệ mất pha và chống quá tải lâu dài". Việc làm đồ án môn học Điện tử công suất đã giúp tôi ôn lại phần lý thuyết đã được học ở trường, đem kiến thức trong sách vở đi liên hệ tới thực tiễn lao động sản xuất thật là bổ ích cho bản thân. Sau một thời gian được sự hướng dẫn của thầy giáo Phạm Quốc Hải, đồ án của tôi đã hoàn thành nhưng vì khả năng và thời gian còn hạn chế nên chắc chắn vẫn có nhiều sai sót. Bản thân tôi rất mong được sự chỉ bảo và tạo điều kiện thuận lợi của Thầy giáo. Tôi xin chân thành cảm ơn. Tác giả SV: Đoàn Thế Thuận 6 L ớp Tự Động Hoá K39-09 Đồ án môn học điện tử công suất. Tr ường ĐHBK Hà Nội PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ 3 PHA RÔTO LỒNG SÓC VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG 1. Quá trình áp dụng động cơ không đồng bộ 3 pha lồng sóc: Ðộng cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc là loại máy điện được dùng rộng rãi nhất trong thực tế. Ưu điểm nổi bậc của động cơ này là: cấu tạo đơn giản, so với động cơ một chiều thì động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc có giá thành hạ, vận hành tin cậy, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, ngoài ra động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc còn dùng trực tiếp với lưới điện xoay chiều 3 pha nên không cần trang bị thêm các trang thiết bị biến đổi. là một loại thiết bị huyết mạch không thể thiếu được trong các nghành công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp cụ thể : Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho các máy gia công cơ khí...vv.Trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió. Trong nông nghiệp dùng làm máy bơm, máy chế biến nông sản. Trong đời sống hàng ngày, máy điện không đồng bộ cũng dần dần chiếm một vị trí quan trọng như quạt gió, máy quay đĩa, động cơ trong tủ lạnh... Tóm lại theo sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa, tự động hóa và sinh hoạt hàng ngày, phạm vi ứng dụng các máy điện không đồng bộ rôto lồng sóc ngày càng rộng rãi, Động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc có đặc tính làm việc tốt, nhưng do đặc tính mở máy không được như động cơ điện rôto dây quấn, dòng điện mở máy lớn mà mômen mở máy lại không lớn lắm. Để cải thiện được đặc tính mở máy động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc, nguời ta đã chế tạo ra nhiều kiểu đặc biệt, trong đó hiện nay dùng nhiều nhất là động cơ điện rôto rãnh sâu và rôto hai lòng sóc hay lồng sóc kép chúng có đặc tính mở máy tương đối tốt. 1.1. Động cơ điện rôto lồng sóc rãnh sâu: Loại động cơ này rãnh rôto hẹp và sâu (chiều sâu bằng 10÷12 lần chiều rộng rãnh). Khi có dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn rôto, từ thông tản Φt2 phân bố như trên hình vẽ bên, từ thông tản móc vòng dưới thanh dẫn nhiều hơn đoạn trên. Khi mở máy rôto chưa quay, dòng điện rôto có tần số lớn bằng tần số Stato f. Điện kháng tản của rôto sẽ lớn hơn điện trở và có tác dụng quyết định đến sự phân bố dòng điện rôto. Lúc mở máy điện kháng tản phía dưới lớn, dòng điện tập trung phía trên thanh dẫn gần miệng rãnh. Do sự phân bố dòng điện tập trung nhiều ở phía miệng rãnh, tiết diện dẫn điện của thanh coi như bị nhỏ đi, điện trở rôto R2 tăng lên sẽ làm tăng mômem mở máy. Khi mở máy xong, tần số, dòng điện rôto nhỏ, tác dụng trên bị yếu đi, điện trở rôto bị giảm xuống như lúc bình thường. SV: Đoàn Thế Thuận 7 Φt2 L ớp Tự Động Hoá K39-09 Đồ án môn học điện tử công suất. Tr ường ĐHBK Hà Nội 1.2. Động cơ điện rôto lồng sóc kép : Rôto của động cơ có hai lồng sóc như hình bên các thanh dẫn của lồng sóc ngoài (còn gọi là lồng sóc mở máy) có tiết diện nhỏ và điện trỏ suất lớn. Lồng sóc trong có tiết diện lớn, điện trở nhỏ. Như ở trên, khi mở máy dòng điện tập trung ở lồng sóc ngoài có điện trở R2 lớn, mômem mở máy lớn. Khi làm việc bình thường, dòng điện lại phân bố đều ở cả hai lồng sóc, điện trở R2 nhỏ xuống. Động cơ điện không đồng bộ rôto rãnh sâu và lồng sóc kép có đặc tính mở máy tốt, nhưng vì từ thông tản lớn, nên cosφ thấp hơn lồng sóc thường. 2. Đặc tính mở máy và điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi điện áp: 2.1. Đặc tính mở máy: Trong quá trình mở máy của động cơ điện không đồng bộ, mômen mở máy là đặc tính chủ yếu nhất trong những đặc tính mở máy của động cơ điện. Muốn cho máy quay được thì mômen mở máy của động cơ điện phải lớn hơn mômen tải tĩnh. Theo yêu cầu của nhà sản xuất, động cơ điện không đồng bộ lúc làm việc thường phải mở máy và ngừng máy nhiều lần. Tùy theo tính chất của tải và tình hình của lưới điện mà yêu cầu về mở máy đối với động cơ điện cũng khác nhau. Có khi chỉ mở máy trực tiếp với công suất máy nhỏ, có khi yêu cầu mở máy với công suất lớn thì phải dùng kháng điện hay máy biến áp tự ngẫu nối tiếp vào mạch stato, có khi dùng phương pháp chuyển đổi sao - tam giác để mở máy. Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ điện phải có tính năng mở máy thích ứng. Trong nhiều trường hợp, do phương pháp mở máy hay do chọn động cơ điện có tính năng mở máy không thích đáng nên thường làm hỏng máy. Nói chung khi mở máy một động cơ cần xét đến những yêu cầu cơ bản sau: Ø Phải có mômen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải. Ø Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt. Ø Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẽ tiền, chắc chắn. Ø Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng nhỏ càng tốt. SV: Đoàn Thế Thuận 8 L ớp Tự Động Hoá K39-09 Đồ án môn học điện tử công suất. Tr ường ĐHBK Hà Nội 2.1.a Mở máy trực tiếp: Đây là phương pháp đơn giản nhất, chỉ việc đóng trực tiếp động cơ vào lưới điện. Khuyết điểm của phương pháp này là dòng điện mở máy lớn, làm sụt điện áp lưới điện rất nhiều, nếu quán tính của máy lớn thời gian mở máy lâu, có thể làm chảy cầu chì bảo vệ, vì vậy phương pháp này chỉ dùng được khi công suất mạng điện lớn hơn động cơ rất nhiều. Dòng điện mở máy trực tiếp của động cơ lồng sóc lấy nguồn từ mạng điện vào khoảng 6 lần dòng điện định mức: Imở=6*Iđịnhmức. 2.1.b Mở máy bằng cách dùng điện kháng nối tiếp và mạch stato: Điện áp mạng điện đặt vào động cơ qua kháng điện lúc mở khởi động từ K2 mở khởi động từ K1 đóng khi động cơ đã quay ổn định thì đóng khởi động từ K2 đồng thời cắt khởi động từ K1, nhờ có điện áp rơi trên kháng điện, điện áp đặt vào động cơ giảm đi K lần, dòng điện sẽ giảm đi K lần, song mômem giảm đi K2 lần vì mômem tỉ lệ với bình phương điện áp. 2.1.c Mở máy bằng cách dùng máy biến áp tự ngẫu nối tiếp và mạch stato: Điện áp mạng điện đặt vào sơ cấp máy biến áp tự ngẫu như hình bên, điện áp thứ cấp máy biến áp tự ngẫu đặt vào động cơ, thay đổi vị trí con chạy để cho lúc mở máy điện áp đặt vào động cơ nhỏ sau đó tăng lên dần bằng điện áp định mức. Gọi K là hệ số biến áp của máy biến áp tự ngẫu, U1 là điện áp pha lưới điện, Z là tổng trở lúc mở máy. - Điện áp đặt vào động cơ lúc mở máy là: U dc =U1 K - Dòng điện đặt vào động cơ lúc mở máy là: = U dc = U Z K *Z - Dòng điện I1 của mạng điện cung cấp cho động cơ lúc có máy biến áp tự ngẫu là dòng điện sơ cấp máy biến áp tự ngẫu: I dc n SV: Đoàn Thế Thuận 1 n 9 L ớp Tự Động Hoá K39-09 Đồ án môn học điện tử công suất. I 1 = I K dc = U K 2*Z Tr ường ĐHBK Hà Nội (2.1.c1) 1 n - Khi mở máy trực tiếp thì dòng điện I1 là: I 1 = U1 (2.1.c2) Z So sánh (2.1.c1) và (2.1.c2) ta th ấy lúc có máy biến áp tự ngẫu, dòng điện của lưới điện giảm đi K2 lần, đây là một ưu điểm so với phương pháp dùng điện kháng (dòng điện chỉ giảm đi K lần). Vì thế phương pháp dùng máy biến áp tự ngẫu được dùng nhiều đối với động cơ công suất lớn. Điện áp đặt vào động cơ giảm đi K lần, nên mômem giảm đi K2 lần. n 2.1.d Mở máy bằng cách chuyển đổi nối sao - tam giác: Phương pháp này chỉ dùng được với những động cơ khi làm việc bình thường dây quấn stato nối hình tam giác. Khi mở máy ta nối sao K1 đóng lúc này điện áp đặt vào mỗi pha giảm đi 3 lần, sau khi mở máy xong ta đổi nối lại thành tam giác K 2 đóng đồng thời K1 mở ra. Stato-ĐC - Dòng điện dây khi nối tam giác: 3*U Z - Dòng điện dây khi nối sao: I d∆ = (2.1.d1) 1 n I dΥ = U 3*Z (2.1.d2) 1 n So sánh (2.1.d1) và (2.1.d2) ta th ấy lúc mở máy kiểu đổi nối sao-tam giác dòng điện dây mạng điện giảm đi 3 lần, mômem giảm đi ( 3 )2 = 3 lần. Qua các nghiên cứu trên ta thấy rằng mômem mở máy giảm nhiều, để khắc phục hiện tượng này người ta đã chế tạo ra: động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc kép và động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc rãnh sâu, hai loại này có đặc tính mở máy tốt hơn nhiều so với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc thường. SV: Đoàn Thế Thuận 10 L ớp Tự Động Hoá K39-09 Đồ án môn học điện tử công suất. Tr ường ĐHBK Hà Nội 2.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc bằng cách thay đổi điện áp. Đối với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc, để tạo nên từ trường trong khe hở không khí phải có dòng điện từ hoá, dòng điện chậm sau điện áp 900. Từ trường quay quét quanh các thanh dẫn làm cảm ứng trong dây quấn rôto lồng sóc khép kín (ngắn mạch), một sức điện động và tạo nên dòng điện. Vì tính chất điện cảm của dây quấn nên dòng điện sẽ chậm sau điện áp, dòng điện Stato phải chịu một biến đổi để cân bằng với ảnh hưởng từ của dòng điện rôto. Tương tác giữa dòng điện rôto và từ thông tạo nên mômem cùng chiều với từ trường quay. Tốc độ quay của rôto phải luôn khác với tốc độ đồng bộ vì cần có dòng điện cần được cảm ứng trong rôto. Dòng điện đó tạo nên mômem quay. Độ lệch tương ứng giữa tốc độ của từ trường quay (từ trường stato) và tốc độ rôto gọi là hệ số trượt S. - Khi thay đổi điện áp thì đường đặc tính mômem M=f*S sẽ thay đổi (hình M bên) do đó hệ số trượt thay đổi, tốc độ động cơ thay đổi, hệ số trượt S1, S2, S3 tương ứng với điện áp U1đm, 0.85U1đm, 0.7U1đm. - Nhược điểm của phương pháp điều U1=U1đm chỉnh tốc độ bằng cách giảm điện áp U2=0.85*U1đm là làm giảm khả năng quá tải của U3=0.7*U1đm động cơ, dải điều chỉnh hẹp, tăng tổn Mc hao ở dây quấn rôto: S ∆Pđt=S*Pđt=S*M*ω1 - Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp được dùng chủ yếu với các động cơ công suất nhỏ có hệ số trượt tới hạn lớn, phù hợp với tải quạt gió. 0 S1,S2,S3 3. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc tải quạt gió. Để thành lập đặc tính của động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc ta sử dụng sơ đồ thay thế: Khi nghiên cứu ta phải giả thiết: - 3 pha của động cơ là đối xứng. - Các thông số của động cơ không đổi nghĩa là phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở của rôto không phụ thuộc vào tần số của dòng điện rôto, mạch từ không bảo hoà nên điện kháng X1, X2 không đổi. SV: Đoàn Thế Thuận 11 L ớp Tự Động Hoá K39-09 Đồ án môn học điện tử công suất. Tr ường ĐHBK Hà Nội - Tổng dẫn của mạch từ không đổi, dòng điện từ hoá không phụ thuộc vào vào tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stato của động cơ. - Bỏ qua các tổn thất ma sát và tổn thất thép. - Điện áp lưới hoàn toàn sin. - U1 trị số hiệu dụng của của điện áp pha stato. - Iµ, I1, I2 dòng điện từ hoá, dòng điện stato, dòng điện rôto qui đổi về stato. - Xµ, X1, X2 điện kháng từ hoá, điện kháng stato, điện kháng rôto qui đổi về stato. - Rµ, R1, R2 điện trở tác dụng lên mạch từ hoá của cuộn dây stato và rôto đã qui đổi về stato. - S là độ trượt của động cơ: S = ω _ ω ω - ϖ 1 tốc độ góc của từ trường quay còn gọi là tốc độ đồng bộ. ω = 2*π * f 1 P + f 1 tần số của điện áp lưới. + P số đôi cựu từ của động cơ. + ω tốc độ góc của động cơ. Dựa vào sơ đồ thay thế ta xác định được dòng điện stato: 1 1 1 I 1 =     1     U 1 R 2 µ + X 1 + 2             µ R 1 + R S 2     2 + X 2 nm (3.1) Trong đó: Xnm = X1 + X2 Từ (3.1) ta thấy: Khi ω = 0 thì S = 1, I1 = I1nm (dòng ngắn mạch stato) Khi ω = ω1 thì S = 0 ta có: I 1 =U   1  1 R 2 µ + X 2 nm   =   I (3.2) µ - I m là dòng từ hóa có tác dụng tạo ra từ trường quay khi động cơ quay với vận tốc đồng bộ. Ta cũng có thể tính được dòng điện rôto khi quy đổi về stato: I ' 2    =          R 1 + U R S 1 2     2 + X 2 nm         (3.3) - Khi ω = ω1 thì S = 0, I 2' = 0 ' - Khi ω = 0 thì S = 1 ⇒ I 2 = I 2 nm = SV: Đoàn Thế Thuận U1 2 ( R1 + R2 ) 2 + X nm ' 12 (3.4) L ớp Tự Động Hoá K39-09 Đồ án môn học điện tử công suất. Tr ường ĐHBK Hà Nội Để tìm phương trình đặc tính cơ của động cơ ta dựa vào điều kiện cân bằng công suất trong động cơ. Công suất điện chuyển từ stato sang rôto: P12 = M ñt .ω 1 Trong đó: Mñt là momen điện từ của động cơ, nếu bỏ qua các tổn thất phụ thì: M dt = M co = M (3.5) Công suất P12 chia thành hai thành phần: P12 = Pcô + ∆P2 - Pcô : công suất cơ đưa ra trên trục động cơ - ∆P2 : công suất tổn hao đồng trong rôto hay: Mω1 = Mω1 + ∆P2 ⇒ ∆P2 = M * (ω1 − ω) = M *ω * S ∆ P2 = 3 I Mặt khác: Thay giá trị '2 2 ' 2 .R ⇒ M = 2I '2 2 ω (3.6) R 2' . s (3.7) 1 I 2' đã tính được ở trên và biến đổi ta có mômem của động cơ: M = 3 .U 12 .R2' 2   R2'  2  + X nm  .S ω1  R1 + s    Khi điện áp lưới giảm mômem sẽ giảm bình phương lần so với độ suy phải của điện áp. Trong khi tốc độ đồng bộ ω1 vẫn giữ nguyên. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc tải quạt gió SV: Đoàn Thế Thuận 13 L ớp Tự Động Hoá K39-09 Đồ án môn học điện tử công suất. Tr ường ĐHBK Hà Nội PHẦN 2: GIỚI THIỆU, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG MẠCH LỰC 1. Giới thiệu các van điện tử công suất: Điều áp nhờ các thiết bị bán dẫn hiện nay được sử dụng rộng rãi do có nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp điều áp trên. Sử dụng phương pháp này cho phép hệ thống có thể tự động hóa một cách dễ dàng và cải thiện được các đặc tính điều chỉnh. Để nghiên cứu về nguyên lý làm việc của các Thyristor, Triac... ta phải tìm hiểu về mặt ghép P-N: Gọi P là vật liệu bán dẫn, dẫn điện theo lỗ, gọi N là vật liệu bán dẫn, dẫn điện theo điện tử. Đem vật liệu P hàn vào vật liệu N, ta có mặt ghép P-N, là nơi xảy ra các hiện tượng cực kỳ quan trọng: - Các lỗ của vùng P tràn sang vùng N là nơi có ít lỗ. - Các điện tử của vùng N chạy sang vùng P là nơi có ít điện tử. Đó là hiện tượng khuếch tán. Kết quả là miền -0, Thyristor ở tình trạng sẵn sàng mở cho dòng chảy qua, nhưng nó còn đợi lệnh, tín hiệu Ig từ cực điều khiển: ⇔ UAK> 0 và Ig > Igst →Thyristor mở. - Igst là giá trị dòng điện điều khiển ghi trong sổ tay tra cứu Thyristor . SV: Đoàn Thế Thuận 15 L ớp Tự Động Hoá K39-09 Đồ án môn học điện tử công suất. Tr ường ĐHBK Hà Nội - Thời gian mở Thyristor ton là thời gian cần thiết để thiết lập dòng điện chính chảy trong Thyristor, tính từ thời điểm phóng dòng Ig vào cực điều khiển. Thời gian mở Thyristor kéo dài khoảng 10µs. v Khóa Thyristor: Một Thyristor đã mở thì sự hiện diện của tín hiệu điều khiển Ig không còn cần thiết nữa. Để khoá Thyristor có hai cách: + Giảm dòng điện làm việc xuống dưới giá trị dòng duy trì H ở trên. + Đặt một điện áp ngược lên Thyristor. Khi đặt điện áp ngược lên Thyristor: UAK<0, hai mặt ghép J1,J3 bị phân cực ngược, J2 phân cực thuận. Những điện tử trước thời điểm đảo tính cực UAK đang có mặt tại P1,N1,P2 bây giờ đảo chiều hành trình, tạo nên dòng điện ngược chảy từ catôt về anôt, về cực âm của nguồn điện áp ngoài. Lúc đầu của quá trình, từ t0→t1, dòng điện ngược khá lớn, sau đó J1, rồi J3 trở nên cách điện. Còn lại một ít điện tử bị giữ lại giữa hai mặt ghép J1 và J3, hiện tượng khuếch tán sẽ làm chúng ít dần đi cho đến hết và J2 khôi phục lại tính chất của mặt ghép điều khiển. Thời gian khoá toff tính từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược I0 cho đến khi dòng điện ngược bằng 0 (t2). Đấy là khoảng thời gian mà ngay sau đó nếu đặt điện áp thuận lên Thyristor, Thyristor cũng không mở, toff kéo dài khoảng vài chục µs. Trong bất cứ trường hợp nào cũng không được đặt Thyristor dưới điện áp thuận khi Thyristor chưa bị khoá, nếu không có thể có nguy cơ gây ngắn mạch nguồn. Đặc tính Vôn-Ampe của Thyristor gồm bốn đoạn: SV: Đoàn Thế Thuận 16 L ớp Tự Động Hoá K39-09 Đồ án môn học điện tử công suất. Tr ường ĐHBK Hà Nội v Đoạn 1 ứng với trạng thái khoá của Thyristor, chỉ có dòng điện rò chảy qua Thyristor. Khi tăng điện áp đến Uch (điện áp chuyển trạng thái), bắt đầu quá trình tăng nhanh chóng của dòng điện, Thyristor chuyển trạng thái mở. v Đoạn 2 ứng với giai đoạn phân cực thuận của J2, trong giai đoạn này mỗi một lượng tăng nhỏ của dòng điện ứng với một lượng giảm lớn của điện áp đặt lên Thyristor. Đoạn 2 còn được gọi là đoạn điện trở âm. v Đoạn 3 ứng với trạng thái mở của Thyristor. Khi này cả 3 mặt ghép đã trở thành dẫn điện. Dòng điện chạy qua Thyristor chỉ còn hạn chế bởi điện trở mạch ngoài. Điện áp rơi trên Thyristor rất nhỏ, khoảng 1Volt. Thyristor được giữ ở trạng thái mở chừng nào dòng điện còn lớn hơn dòng điện duy trì H. v Đoạn 4 ứng với trạng thái Thyristor bị đặt dưới điện áp ngược, dòng điện ngược rất nhỏ, khoảng vài chục mA. Nếu tăng điện áp đến UZ thì dòng điện ngược tăng lên mãnh liệt, mặt ghép bị chọc thủng- Thyristor hỏng. Bằng cách cho chững Ig>0, sẽ nhận được một họ đặc tính Vôn-Ampe với các Uch nhỏ dần đi như hình vẽ trên. 1.2 Triac (Tridiode alternative current): Triac là thiết bị bán dẫn ba cực, bốn lớp, có đường đặc tính Vôn-Ampe đối xứng, nhận góc mở α trong cả hai Cấu trúc và ký hiệu: chiều. Như vậy Triac được chế tạo để làm việc trong mạch điện xoay chiều, có tác dụng như hai Thyristor đấu song song ngược. Đối với triac người ta không dùng thuật ngữ anôt và catôt như ở Thyristor mà dùng thuật ngữ “đầu nối” B1 và B2. Về hình dáng bề ngoài Triac giống như một Thyristor, vậy phải căn cứ vào mã hiệu để phân biệt. Có bốn tổ hợp điện thế có thể mở Đặc tính Vôn-Ampe của Triac có Triac cho dòng chảy qua: dạng đối xứng qua trục: B2 + + - SV: Đoàn Thế Thuận G + + 17 L ớp Tự Động Hoá K39-09 Đồ án môn học điện tử công suất. Tr ường ĐHBK Hà Nội * Nguyên lý làm việc của Triac: Trường hợp B2(+), G(+), Triac T mở cho dòng chảy qua như một Thyristor thông thường. Trường hợp B2(-), G(-), các điện tử từ N3 phóng vào P2, chúng phần lớn bị trường nội tại Ei1 hút vào khiến cho barie này giảm thấp, gần như toàn bộ điện áp ngoài được đặt lên J2 khiến cho barie này cao lên. Nếu điện áp ngoài đủ lớn làm cho barie này cao đến mức hút vào những điện tích thiểu số (các điện tử của P1) và làm động năng của chúng đủ lớn để bẻ gẫy các nguyên tử của Si trong vùng, kết quả là một phản ứng dây chuyền thì T’mở cho dòng chảy qua. 2. Giới thiệu các sơ đồ cơ bản để ĐAXC 3 pha và chọn sơ đồ thiết kế: 2.1. Sơ đồ số 1 dùng Triac: Điều khiển đơn giản có 3 van. Tải có thể đấu Υ hoặc ∆. 2.2. Sơ đồ số 2 dùng Thyristor: -Sơ đồ dùng 06 Thyristor đấu song song ngược- (hình 2.2) -Thuận lợi cho những phụ tải có thể đấu Υ hoặc ∆. 2.3. Sơ đồ số 3 dùng Diôt và Thyristor: -Sơ đồ dùng 03 Diôt và 03 Thyristor đấu song song ngược. -Mạch điều khiển đơn giản hơn, nhưng điện áp đầu ra không đạt được đối xứng cần thiết. SV: Đoàn Thế Thuận 18 L ớp Tự Động Hoá K39-09 Đồ án môn học điện tử công suất. Tr ường ĐHBK Hà Nội 2.4. Sơ đồ số 4 dùng Thyristor: -Sơ đồ dùng 01 trong 03 ba pha có điều khiển các pha còn lại nối trực tiếp với nguồn nên điện áp đầu ra mất đối xứng mạnh. Thường dùng điều khiển trong thời gian ngắn như dùng ở chế độ khởi động hoặc dùng để điều áp trong các máy hàn xung (hàn điểm). 2.5. Sơ đồ số 5 dùng Thyristor: -Sơ đồ dùng 06 Thyristor, chỉ ứng dụng cho tải đấu sao, trường hợp thiết bị loại này 06 đầu dây tải phải được đưa ra ngoài để đấu mạch điều chỉnh ở điểm trung tính của tải. 2.6. Sơ đồ số 6 dùng Thyristor: -Sơ đồ dùng 03 Thyristor, đơn giản hơn, số lượng van giảm đi phân nửa nên các van làm việc nặng nề hơn. SV: Đoàn Thế Thuận 19 L ớp Tự Động Hoá K39-09 Đồ án môn học điện tử công suất. Tr ường ĐHBK Hà Nội 2.7. Sơ đồ số 7 dùng Thyristor: -Sơ đồ dùng 06 Thyristor, tải nối tam giác. -Các van điều chỉnh được đưa vào từng pha của tải do vậy các pha độc lập nhau, không ảnh hưởng với nhau. 2.8. Chọn sơ đồ thiết kế Qua nghiên cứu cụ thể tính ưu việc của các sơ đồ trên ta nhận thấy: sơ đồ hình 2.2 (dùng 06 Thyristor đấu song song ngược) là sơ đồ có đặc tính làm việc tốt nhất, đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật, nên chọn thiết kế cho đồ án này. 3. Nguyên lý hoạt động của mạch động lực - sơ đồ ĐAXC 3 pha dùng 06 Thyristor đấu song song ngựơc cấp nguồn cho động cơ 3 pha rôto lồng sóc: Ngày nay nhờ sự phát triển nhanh của thiết bị điện tử công suất nên dùng van điện tử như Thyristor, Triac…để điều chỉnh tốc độ động cơ nói chung và động cơ không đồng bộ rôto rồng sóc nói riêng bằng cách giảm trị số hiệu dụng của điện áp nguồn một cách đơn giản. Nhờ các xung điều khiển các Thyristor làm cắt từng đoạn điện áp nguồn hình sin do đó trị số hiệu dụng của điện áp đặt vào stato sẽ giảm đi. Việc điều chỉnh tốc độ bằng di pha có nhiều khuyết điểm, nhất là giảm hiệu suất khi hệ số trượt lớn, vì rằng khi tốc độ giảm các tổn hao tăng lên do đó cần phải giảm mômem để tránh cho rôto bị phát nóng, phương pháp điều chỉnh tốc độ này chỉ dùng cho một số tải có mômem giảm theo tốc độ như quạt gió. Ở các góc mở đặc biệt các sóng hài điều hoà bậc (3m-1) ngược với sóng cơ bản, như sóng điều hoà bậc 5 (m=2) tạo ra mômem cản nếu nguồn đầu vào có chứa thành phần này. Mặc dù biến đổi điện áp là phương pháp điều chỉnh tốc độ trong giới hạn hẹp nhưng nó cho phép mở máy động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc dễ dàng, thường dòng điện mở máy trực tiếp ban đầu bằng 6 lần dòng điện định mức. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha trình bày sau được điều chỉnh với góc mở α lớn để hạn chế dòng điện mở máy, sau đó góc mở được giảm dần để tăng tốc độ động cơ, do đó hạn chế được biên độ dòng điện, việc tăng dần điện áp để mở máy có hai ưu điểm: một là duy trì dòng điện trong giới hạn cho phép, hai là cho SV: Đoàn Thế Thuận 20 L ớp Tự Động Hoá K39-09 Đồ án môn học điện tử công suất. Tr ường ĐHBK Hà Nội phép điều chỉnh được mômem tăng tốc tránh cho trục phải chịu được các ứng suất cơ học lớn giữa các phần quay. Ưu điểm khác nữa là điều chỉnh điện áp là khi động cơ làm việc với tải nhỏ thì hiệu suất cao. Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ 3 pha rôto lồng sóc bằng bộ biến đổi điện áp xoay chiều dùng 06 Thyristor dấu song song ngựơc. Động cơ không đồng bộ 3 pha rô to lồng sóc là tải mang tính chất trở kháng nên sơ đồ bên có 3 chế độ làm việc: Phạm vi thay đổi góc điều khiển phụ thuộc vào phạm vi điều chỉnh tốc độ. Góc điều khiển nhỏ nhất αmin góc này tương ứng với tốc độ cao nhất, do đó bằng tốc độ định mức, nên điện áp đặt vào động cơ lúc này là Uđm và bằng điện áp nguồn, điện áp và dòng điện tải là hình sin hoàn chỉnh. Lý thuyết đã chứng minh rằng trong trường hợp này góc điều khiển phải bằng góc pha tải φ (tức là αmin =φ). Như vậy theo đề bài phạm vi điều chỉnh tốc độ là 2,5:1 tức là tốc độ thấp nhất là: n = ndm min 2,5 a. Nếu α<φ dòng tải là điện áp trên tải sẽ là hình sin vì lúc này cán van đều dẫn điện trong một nửa chu kỳ (λ=π) và ở bất cứ thời điểm nào cũng có 3 van của 3 pha dẫn điện. U ZA = U a =U m * Sin θ ; i ZA = U m * Sin θ Za Ta có giản đồ điện áp: SV: Đoàn Thế Thuận 21 L ớp Tự Động Hoá K39-09