- 1 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay kỹ thuật vi mạch và tin học ngày càng phát triển tạo nên những
thiết bị điện tử công suất có điều khiển với tính năng ngày càng phong phú,đáp
ứng được những đòi hỏicủa thực tế sản xuất. Điều này tạo cho kỹ thuật điện tử
công suất có một vai trò vô cùng quan trọng trong nền sản xuất công ngiệp.
ở nước ta do yêu cầu công nghiệp hoá và hiện đại hoá nền kinh tế, ngày
càng phát triển các nhà máy, khu công nghiệp, nhiều dây chuyền sản xuất hiện
đại, trong đó sử dụng máy móc là công cụ chủ yếu, đặc biệt là các loại động cơ
đồng bộ, động cơ không đồng bộ……. Bởi tác động nhanh và dễ vận hành, sạch
và cho năng suất cao. Chính vì vậy môn học điện tử công suất là môn học quan
trọng trong chương trình của sinh viên khoa Điện.
Để giúp sinh viên có được một cách nhìn đúng đắn về môn học này và để
làm quen với việc thiết kế và ứng dụng trong thực tế em được giao làm đồ án
môn học với đề tài là:" Thiết kế bộ điều chỉnh và ổn định tốc độ quạt thông gió
dùng động cơ không đồng bộ rôto ngắn mạch công suất động cơ là : 43 KW.
Mạch có bảo vệ mất pha lưới và chống quá tải lâu dài". Được sự hướng dẫn tận
tình của thầy Phạm Thị Diễm Hương và các thầy cô trong bộ môn, em đã hoàn
thành đồ án của mình. Song do còn hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm thực
tiễn nên trong đồ án không tránh khỏi những sai sót.
Em xin chân thành cảm ơn cô Phạm Thị Diễm Hương và các thầy cô trong bộ
môn đã tận tình dạy dỗ và hướng dẫn em.Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
- 2 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
Đề tài:
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 dòng không khí trong mặt
phẳng vuông góc với trục quay của quạt.
- Quạt hướng trục : Dịch chuyển dòng không khí song song
với trục quay của quạt.
+ Theo áp suất:
- Quạt áp lực thấp: P < 100mmH
2
0
- Quạt áp lực vừa : P = 100 ÷ 400mmH
2
0
- Quạt áp lực cao: P > 400mmH
2
0
+ Theo mục đích sử dụng:
- Quạt không khí
- Quạt khói
+ Theo tốc độ chạy quạt:
- Quạt cao tốc : > 1500 v/p
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
- 4 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
- Quạt tốc độ trung bình : 800 ÷ 1400 v/p
- Quạt tốc độ chậm : 500 ÷ 700 v/p
Tuy nhiên tất cả các động cơ của quạt đều là động cơ không đồng bộ. Động
cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá
, X
1
, X'
2
: Điện kháng mạch từ hoá, điện kháng tản
stato và rôto đẫ qui dổi về stato.
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
- 5 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
s : Độ trượt của động cơ : s =
1
1
ω
ω−ω
1
ω
: Tốc độ của từ trường quay hay là tốc độ đồng bộ.
1
ω
=
p
f2
1
π
f
1
: Tần số của điện áp nguồn đặt vào stato
ω
: Tốc độ góc của động cơ
11
nm
X
s
R
R
XR
(1)
Trong đó : X
nm
=X
1
+ X'
2
: Điện kháng ngắn mạch
Biểu thức (1) là phương trình đặc tính của dòng điện stato.
Khi
ω
= 0, s = 1 thì I
1
= I
nm
Khi
ω
=
ω
1
, s =1 thì I
1
=
R'
2
/ s
I
2
I
0
Hình 1.1. Sơ đồ thay thế động cơ
không đồng bộ
- 6 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
I
0
: Dòng điện từ hoá có tác dụng tạo ra từ trường quay khi động cơ quay
vớitốc độ đồng bộ.
Ta cũng tìm được dòng điện roto qui đổi về stato
I
=
'
2
I
'
nm2
=
( )
2
2
'
21
1
2
: Công suất tổn hao đồng trong rôto.
P
12
= P
cơ
+ ∆P
2
M.
ω
1
= M.
ω
+∆P
2
Do đó : ∆P
2
= M.(
ω
1
-
ω
) = M.
ω
1
.s
Mặt khác : ∆P
2
= 3.I
2
2
1
+
+
ω
(3)
Xác định cực trị bằng cách tính:
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
- 7 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
0
M =
( )
th
th
th
thth
s.a
s
s
s
s
s.a1.M.2
++
+
Trong đó : a =
'
2
1
R
R
S
S
th
M
th
M
Hình 1.2 : Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy các thông số ảnh hưởng tớiđặc tính cơ:
tức là đường đặc tính cơ số (3) trên đồ thị . Quạt gió là một trong những thiết bị
sử dụng rôto lồng sóc, nó thường dùng độc lập để thông thoáng khí cho nhà
riêng, xưởng sản xuất, đặc biệt trong hầm mỏ, tuỳ từng trường hợp mà nó có
công suất khác nhau.
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
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
1
2
3
4
- 9 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
thông 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.
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
- 10 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
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
1
). Theo hình 1.2 trên với cách đấu Y/YY ta có :
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
- 11 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
Giả thiết khi đổi tốc độ, hiệu suất và cosϕ không đổi ta có : công suất P
2
/P
1
=
1/2 mà ta lại có P= Mω (ω: tốc độ góc của rôto ; M: momen ; P : công suất đầu
trục cử động cơ)
=>
2
2
2
1
22
11
22
11
2
1
====
M
M
Mn
Mn
M
= 2/
3
= 1.15
Động cơ điện chế tạo theo kiểu này có công suất không 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 công suất không 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 không thích hợp.
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
- 12 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
2. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ BẰNG CÁCH THAY ĐỔITẦN SỐ NGUỒN CẤP
Từ biểu thức
ω
1
= 2
π
f
1
/p mà:
( ) ( )
s
p
f
snn −=−= 1
<=>
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
2
2
2
1
2
1
1
2
max1
max2
1
2
.
.
f
f
U
U
Lớp:
L
ĐC
C
- 13 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
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 không áp dụng cho quạt gió được mà ta sẽ xem dưới đây
sau.
3. ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP CẤP CHO 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 Tiristor đấu song
song ngược.
Khi điện áp lưới giảm, mô men tới hạn sẽ giảm theo bình phương lần độ
suy giảm của điện áp l bộ w
1
ưới. Trong khiđó tốc độ đồng giữ nguyên và độ
trượt tới hạn s
th
không thay đổi.Hệ số trượt bằng 1/α
2
hệ số trượt cũ, khi đó tốc
độ là:
n = n
1
(1 – s/α
3
1
2
ϖ
=
I
r
:dòng điện rôto
R
r
: điện trở rôto
M.s = const nếu I
r
= 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 α của tiristor.
Kết luận :
+ Phương án điều chỉnh tần số nguồn tuy là phương án điều chỉnh bằng
phẳng nhưng trong trường hợp tần số giảm f
1
<f
đm
nếu giữ nguyên điện áp U
1
dòng điện động cơ sẽ tăng 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
∼
∼
b
∼
∼
∼
- 16 -
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PHẦN CÔNG NGHỆ
sao có trung tính, có ưu điểm là sơ đồ giống hệt ba mạch điều áp một pha điều
khiển dịch pha theo điện áp lưới. Do đó điện áp trên các van bán dẫn nhỏ hơn,
vì điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha. Nhược điểm của sơ đồ là trên
dây trung tính có tồn tại dòng điện điều hoà bậc cao, khi góc mở các van khác
0 có dòng tải gián đoạn và loại sơ đồ nối này chỉ thích hợp với loại tải ba pha
có bốn đầu dây ra.
Các sơ đồ không trung tính hình 3.1 b, c có nhiều điểm khác so với sơ đồ
có trung tính. Dòng điện chạy giữa các pha vớinhau, nên đồng thời phải cấp
xung điều khiển cho hai Tiristor của hai pha một lúc. Việc cấp xung điều
khiển như thế, đôi khi gặp khó khăn trong mạch điều khiển, ngay cả việc đổi
thứ tự pha nguồn lưới cũng có thể làm ảnh hưởng tới hoạt động của sơ đồ.
Hiện nay, với những tải có công suất trung bình, các sơ đồ điều áp ba
pha bằng các cặp tiristor như hình 3.1 được thay thế bằng các sơ đồ triac như
hình 3.2.
Như đã giới thiệu ở trên, triac về nguyên lí điều khiển giống hệt các cặp
tiristor mắc song song ngược. Vì vậy, sử dụng các sơ đồ hình 3.1 hay hình
3.2 tuỳ thuộc vào khả năng linh kiện có loại nào. Ngoài ra, hình 3.2 có ưu
điểm hơn về mặt điều khiển đối xứng và đơn giản về cách ghép.
Đối với những tải không có yêu cầu về điều khiển đối xứng người ta có
thể sử dụng sơ đồ cặp tiristor - điốt. Mặc dù vậy, sơ đồ này ứng dụng thực tế
không nhiều. Bởi vì khi không có xung điều khiển vẫn có dòng điện chạy qua
tải.
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
∼
∼
∼
Hình 3.4: Sơ đồ điều áp ba pha có đổithứ tự pha
∼
∼
A
1
B
1
T
1
T
2
T
3
T
4
T
5
T
6
T
7
T
8
A B
∼
3
,T
4
,T
5
,T
6
,T
9
,T
10
. Các pha
lướiA
1
, B
1
, C
1
được nối tương ứng B, A, C của động cơ.
Với bộ điều chỉnh tốc độ quạt thông gió ở đây, không yêu cầu đảo chiều
thích hợp nhất ta sẽ chọn sơ đồ Tiristor đấu song song ngược 3 pha không có
điểm trung tính. Nếu chọn sơ đồ Triac thì phải tăng cấp làm mát sẽ làm cồng
kềnh mạch.
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
- 19 -
§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt PhÇn c«ng nghÖ
II. SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC
III. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
+ Đóng cầu dao của áptômát AT cấp điện cho mạch. Lúc này bộ
C
1
C
1
C
1
R
1
R
1
R
1
AT
C
BA
- 20 -
§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt PhÇn c«ng nghÖ
góc mở α của bộ Tiristor. Tín hiệu phản hồi để điều chỉnh là điện áp lấy từ
bộ phát tốc đưa về mạch điều khiển.
+ Khi muốn dừng máy ta ấn nút dừng D, rơle R
tđ
bị mất điện làm
cuộn hút nhả, các tiếp điểm R
tđ
mở ra cắt điện cấp vào mạch điều khiển.
Bộ biến đổi bị khoá, các Tiristor không dẫn, động cơ được cắt khỏi lưới.
+ Các điện trở R,C bảo vệ bộ Tiristor, các cầu chì CC bảo vệ
ngắn mạch dòng quá tải lớn. Bộ biến dòng cấp điện cung cấp cho các rơle
nhiệt RN. Các rơle nhiệt RN để bảo vệ quá tảilâu dài. Khi quá tải lâu dài
nhiệt độ tăng quá nhiệt độ cho phép làm rơle nhiệt tác động mở các tiếp
P
= 91,58(A)
Như vậy I
t
=91,58(A)
Dòng hiệu dụng qua van : I
v
=1/2I
t
=45,78 (A)
Dòng trung bình qua van : I
tb
=
dttIv
∫
Π
Π
0
)sin(.2
1
ω
=
Iv
Π
22
=
41,2(A)
Điện áp ngược đặt lên van : U
ng
=
cho van được. Khiđó ta lấy hiệu suất của van là 25%.
Từ các số liệu tính toán ở trên ta có:
Dòng hiệu dụng qua van : I
v
=1/2I
t
=45,78 (A)
Điện áp ngược đặt lên van :U
ng
=
2
.U
2
=380.
2
=537,4 (V)
- Dòng chọn van :I
cv
=
)(8,164
25
100.2,41
A=
- Điện áp chọn van :U
cv
=U
ng
max.K
DT
4.2. Tính bảo vệ van
+ Lý do bảo vệ :
Các phần tử bán dẫn công suất đòi hỏi các điều kiện bảo vệ rất khắt
khe trước hết là các trị số giới hạn cho phép sử dụng do nhà sản suất quy
định đối với từng phần tử :
- Điện áp ngược lớn nhất
- Trị số trung bình cho phép đốivớiđóng điện
- Nhiệt độ lớn nhất cho phép của mạch ghép
- Tốc độ tăng trưởng lớn nhất của điện áp du/dt
- Tốc độ tăng trưởng lớn nhất của dòng điện di/dt
- Thờigian khóa
Nếu quá trị cho phép của nhà sản suất đều gây ra hư hỏng cho van.
Do đó chúng cần được bảo vệ chống những sự cố bất ngờ xảy ra : ngắn
mạch tải,quá điện áp hoặc quá dòng điện.
4.2.1. Thiết kế tản nhiệt
Dòng qua van ở đây không quá lớn 45,78 A nên không cần mắc
song song các Tiristor. Ta chỉ cần thiết kế cánh toả nhiệt cho nó.
Khi làm việc, van bán dẫn có sụt áp, do đó có tổn hao công suất ∆P =
∆U.I
lv
. Tổn hao công suất này sinh nhiệt. Mặt khác van chỉ được làm việc
tới nhiệt độ tối đa cho phép T
cp
nào đó. Do đó phải tìm cách bảo vệ quá
nhiệt cho van bán dẫn.
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
h
h
b
= 45,78.1,75 = 80 < 100 nên ta chọn
phương pháp làm mát tự nhiên băng cánh toả nhiệt
Trong đó:
S
tn
- diện tích bề mặt toả nhiệt [cm
2
];
∆
P - tổn hao công suất [ W ];
τ
- độ chênh nhiệt so vớimôitrường
τ
= T
lv
-T
mt
T
lv
-T
mt
- nhiệt độ làm việc và nhiệt độ môitrường [
o
C ];
k
tn
- hệ số có xét tớiđiều kiện tỏa nhiệt (trong điều kiện làm mát tự
nhiên không quạt cưỡng bức, thường chọn k
tn
= 10.10
do cắt tải có điện cảm lớn trên đường dây.
• Xung điện áp do cắt đột ngột biến áp non tải.
Để bảo vệ van khi làm việc dài hạn mà không bị quá điện áp, cần
chọn đúng các van bán dẫn theo điện áp ngược.
Bảo vệ xung điện áp khi chuyển mạch van bán dẫn.
Bảo vệ xung điện áp do quá trình đóng cắt các van được dùng mạch
R - C mắc song song với các van bán dẫn. Sơ đồ đơn giản của loại mạch
này mô tả trên hình 1.34a. Khi có sự chuyển mạch, do phóng điện từ van ra
ngoài tạo nên xung điện áp trên bề mặt tiếp giáp P-N. Mạch R - C mắc
song song với van bán dẫn tạo mạch vòng phóng điện tích quá độ trong quá
trình chuyển mạch van.
Có thể tính các giá trị R,C bằng phương pháp đồ thị nhưng để đơn
giản ta chọn theo kinh nghiệm R = 30
Ω
C = 4
F
µ
Bảo vệ van bán dẫn khỏi đánh thủng do xung điện áp từ lưới.
Để bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, mắc song song với tải ở đầu vào
một mạch R - C, nhằm lọc xung như mô tả trên hình 1.34b. Khi xuất hiện
xung điện áp trên đường dây, nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như
nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. Trị số R, C phụ thuộc nhiều vào
tải.
Bảo vệ van bán dẫn khỏi đánh thủng do cắt biến áp non tải.
Sinh viên: Giáo viên hướng dẫn: Phạm Thị Diễm Hương
Lớp:
Hình 1.34 Bảo vệ thiết bị điện tử khỏi chọc thủng
do xung điện áp.
C
R
đổi người ta thường mắc một mạch R-C ở đầu ra một chỉnh lưu cầu ba pha
phụ bằng các điốt công suất bé, như mô tả trên hình 1.34c. Trị số tụ C trong
trường hợp này có thể được tính:
Trong đó: I
µ
- Dòng điện từ hoá biến áp %;
I
2
;U
2
- Dòng điện, điện áp thứ cấp biến áp;
K
TU
- Khả năng tăng điện áp cho phép của van, thường
được chọn K
TU
= 1,25
÷
1,5.
Biên độ điện áp xung khi đóng biến áp nhỏ hơn nhiều so với khi cắt,
do đó mạch trên cho phép bảo vệ quá điện áp trong cả hai trường hợp này.
ở đây ta chọn phương pháp ghép RC. Sơ đồ như sau :
Thông số của R,C phụ thuộc vào mức độ quá điện áp có thể xảy ra,
tốc độ biến thiên của dòng điện , điện cảm trên đường dây, dòng điện từ
hoá máy biến áp …
4.2.3 Bảo vệ quá dòng điện
+ Vớiđiện U = 380 V ; I
đm
=91,58A K
−
=
µ
Copyright: Tài liệu đại học ©