Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ quạt thông gió dùng động cơ không đồng bộ Roto lồng sóc, hệ thống có bảo vệ mất pha và chống quá tải lâu dài

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 vớiđề 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 lướivà chống quá tải lâu dài". Được sự hướng dẫn tận tình của thầy Trần Trọng Minh và các thầy cô trong khoa ngành, 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 thầy Trần Trọng Minh và các thầy cô trong khoa ngành đã tận tình dạy dỗ và hướng dẫn em. Đề tài: Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ quạt thông gió dùng động cơ không đồng bộ Roto lồng sóc, hệ thống có bảo vệ mất pha và chống quá tải lâu dài. Các số liệu P = 43 KW U = 220/380 V h = 0.87% Cos = 0,82 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 thông gió. Vì vậy quạt thông gió là một trong những thiết bị rất cần thiết và phổ biến. Các loại quạt có công suất dưới 200 kW hầu như như đều sử dụng loại động cơ không đồng bộ rôto nghắn 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 không đồng bộ rôto lồng sóc với tốc độ quay rôto khác tốc độ quay của từ thông tạo bởiđiện 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 dòng không khí trong mặt phẳng vuông góc vớitrục 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 < 100mmH20 - Quạt áp lực vừa : P = 100 á 400mmH20 - Quạt áp lực cao: P > 400mmH20 + Theo mục đích sử dụng: - Quạt không khí - Quạt khói + Theo tốc độ chạy quạt: - Quạt cao tốc : > 1500 v/p - Quạt tốc độ trung bình : 800 á 1400 v/p - Quạt tốc độ chậm : 500 á 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 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. I. Sơ đồ thay thế động cơ không 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 dòng điện rôto, mạch từ không bão hoà. Nên điện kháng X1, X2 không đổi. Dòng điện từ hoá không 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 đẫ qui dổi về stato. s : Độ trượt của động cơ : s = : Tốc độ của từ trường quay hay là tốc độ đồng bộ. = f1 : Tần số của điện áp nguồn đặt vào stato : Tốc độ góc của động cơ X1 X0 X'2 R1 R0 U1 I1 R'2/ s I2 I0 Hình 1.1. Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ Từ sơ đồ thay thế ta có : I1=U1. (1) Trong đó : Xnm=X1+ X'2: Điện kháng ngắn mạch Biểu thức (1) là phương trình đặc tính của dòng điện stato. Khi = 0, s = 1 thì I1 = Inm Khi = , s =1 thì I1= = I0 I1nm : dòng điện ngắn mạch stato I0 : 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 II= (2) II. 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. Mđt : là mô men điện từ của động cơ Bỏ qua các tổn thất phụ thì : Mđt= Mcơ = M Công suất đó chia làm hai phần : Pcơ : Công suất cơ đưa ra trên trục động cơ. DP2 : Công suất tổn hao đồng trong rôto. P12 = Pcơ + DP2 M. = M. +DP2 Do đó : DP2 = M.( -) = M..s Mặt khác : DP2 = 3.I.R M = Từ đó ta có : M= (3) Xác định cực trị bằng cách tính: Từ đó suy ra : sth = Mth = (4) Thay (3) vào (4) ta có : M = Trong đó : a = S Sth Mth 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: - ảnh hưởng điện trở, điện kháng mạch stato. - ảnh hưởng điện trở mạch rôto. - 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)(w/wđm)a Mc : Momen ứng vớitốc độ w Mđm, Mco : mômen ứng vớitốc độ định mức và ứng vớiw=0. a = 0, Mc = Mđm = const _ các cơ cấu nâng hạ tải(đường1) a = 1, Mc tỉ lệ bậc nhất vớiw -> ít gặp a = 2, Mc tỉ lệ bậc haivớiw -> trường hợp trong máy bơm quạt gió (đường 3) a = 1, Mc tỉ lệ nghịch vớiw -> máy cuộn giấy... 1 2 3 4 w wđ Hình 1.3 Đặc tính cơ của động cơ ứng vớimỗitrường hợp. Trong đồ án này, ta nghiên cứu động cơ không 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 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 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.  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 vi điều 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. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi số đôi cực : 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 n1 = 60f1/p. Do đó khif1 = const thì thay đổi p (số đôi 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 đôi cực khác nhau hoặc phối hợp cả cách trên. Ví dụ hình 1.1 ta có thể đổi cách nối dây để thay đổi số đôi cực khi thay đổi bước cực theo tỉ lệ 2:1. Ngoài ra người ta còn 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 D và đấu dây quấn pha song song hay nối tiếp (hình 1.2) Gọi công suất động cơ điện 2 tốc độ với số đôi cực ít (p1), với số đôi cực gấp đôi(p2=2 p1). Theo hình 1.2 trên với cách đấu Y/YY ta có : Giả thiết khi đổi tốc độ, hiệu suất và cosj không đổi ta có : công suất P2/P1 = 1/2 mà ta lại có P= Mw (w: tốc độ góc của rôto ; M: momen ; P : công suất đầu trục cử động cơ) => M1 = M2 Máy có mômen không đổi khi ta thay đổi tốc độ quay. Với loại máy có sơ đồ đấu dây ở hình 1.2b ta có: =>P1 /P2 = 2/ = 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. 2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp L ĐC C Từ biểu thức 1= 2f1/p mà: 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 Nếu yêu cầu Pcơ không đổi thì từ biểu thức trên ta suy ra (U2 /U1)2=f2/f1 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 không đổi. Điều này không 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 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. T1 T4 A T3 T6 B T5 T2 C 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 sth không thay đổi.Hệ số trượt bằng 1/a2 hệ số trượt cũ, khi đó tốc độ là: n = n1(1 – s/a2). 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: Ir :dòng điện rôto 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 a 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 f1<fđm nếu giữ nguyên điện áp U1 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 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 thông gió dùng động cơ không đồng bộ roto lồng sóc với công suất nhỏ hơn 200KW vớiyêu cầu điều chỉnh trơn, vùng điều chỉnh không quá 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 tiristor mắc song song ngược điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh góc mở a để điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ. 3 Sơ đồ mạch lực và tính toán mạch lực I. Lựa chọn sơ đồ động lực Mạch xoay chiều ba pha hiện nay trong thực tế thường gặp gồm 3 sơ đồ như hình 3.1 a, b, c. a ~ ~ ~ Hình 3.1: Sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha bằng cặp Tiristor mắc song song ngược c ~ ~ ~ b ~ ~ ~ Các loại sơ đồ này bao gồm, tải đấu sao có trung tính (hình 3.1 a), tải đấu sao không trung tính (hình 3.1 b), tải đấu tam giác (hình 3.1 c). Tải đấu 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. c Hình 3.2: Điều áp ba pha bằng Triac ~ a ~ ~ ~ b ~ ~ ~ ~ ~ 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. Trong trường hợp cho phép điều khiển không đối xứng chúng ta có thể sử dụng sơ đồ điều khiển hai pha như hình 3.3. Ưu điểm của sơ đồ hình 3.3 là số lượng van bán dẫn ít hơn và mạch điều khiển cũng đơn giản hơn. Nhược điểm của sơ đồ là điều khiển không đối xứng, nên đường cong dòng điện và điện áp các pha không giống nhau, vì vậy giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện khác nhau rõ rệt. Loại sơ đồ này chỉ phát huy tác dụng khi tải và nguồn được phép làm việc không đối xứng và có số lượng van bán dẫn bị hạn chế. ~ ~ ~ Hình 3.3: Sơ đồ điều áp ba pha không đối xứng Khi sử dụng điều áp xoay chiều cho động cơ không đồng bộ, ngoài chế độ đóng cắt, điều khiển tốc độ, còn cần cả đảo chiều quay. Động cơ điện không đồng bộ khi đảo chiều quay cần đổi thứ tự pha. Sơ đồ điều khiển có đảo chiều quay động cơ không đồng bộ như giới thiêu trên hình 3.4: Hình 3.4: Sơ đồ điều áp ba pha có đổithứ tự pha ~ ~ A1 B1 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 A B ~ C1 T9 T10 C Khi chiều quay thuận cấp xung điều khiển cho T1,T2,T7,T8,T9,T10; Các pha lướiA1, B1, C1 được nối tương ứng với các cuộn A, B, C của động cơ. Khiở chiều quay ngược ta cấp xung điều khiển choT3,T4,T5,T6,T9,T10. Các pha lướiA1, B1, C1 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. II. Sơ đồ mạch động lực C1 C1 C1 R1 R1 R1 ZA ZB ZC R2 R2 R2 C2 C2 C2 AT C B A III. Nguyên lý hoạt động + Đóng cầu dao của áptômát AT cấp điện cho mạch. Lúc này bộ biến đổi đang khoá nên động cơ chưa được cấp điện, nút mở máy đang mở nên điện chưa được cấp vào động cơ. + Để mở máy, ấn nút mở máy M, cuộn hút rơle khởiđộng có điện tác động làm các tiếp điểm Rtđ đóng lại, điện được duy trì cấp cho rơle và đồng thời cấp điện cho mạch điều khiển tác động mở các Tiristor hầu như ngay lập tức. Động cơ được cấp điện bắt đầu quá trình khởi động. + Trong quá trình làm việc, việc điều chỉnh tốc độ thông qua điều chỉnh một điện áp đặt nhờ biến trở đặt trên mạch điều khiển để điều chỉnh góc mở a 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 Rtđ bị mất điện làm cuộn hút nhả, các tiếp điểm Rtđ 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 điểm RN ngừng cung cấp điện cho mạch, cắt động cơ ra khỏi lưới. Khicó hiện tượng mất pha mạch bảo vệ mất pha nằm trong bộ điều khiển tác động cũng cắt điện lưói vào động cơ và mạch điều khiển. IV. Tính toán và chọn thiết bị cho mạch lực Các thông số động cơ cần được điều khiển: Pcơ = 43 kW Uđm = 380/220 V Cos j = 0,82 h = 0,87 P1=Pcơ/h =3Uf.Ifcos jÛ If = = 91,58(A) Như vậy It=91,58(A) Dòng hiệu dụng qua van : Iv=1/2It=45,78 (A) Dòng trung bình qua van : Itb = = = 41,2(A) Điện áp ngược đặt lên van : Ung=.U2=380.=537,4 (V) 4.1. Tính chọn van Các van bán dẫn rất nhạy cảm với nhiệt độ. Nếu khi làm việc, nhiệt độ mặt ghép vượt quá nhiệt độ cho phép thì dù trong thời gian rất ngắn cũng có thể phá huỷ thiết bị bán dẫn. Thiết bị không làm mát thì khả năng chịu dòng tải chỉ còn khoảng (25á50) dòng định mức. Trong công nghiệp người ta thường dùng ba phương pháp làm mát : Làm mát bằng nước (cho nước trực tiếp chảy qua cánh tản nhiệt tức là cần một hệ thống bơm và ống đẫn rất phức tạp.) Làm mát bằng gió cưỡng bức (dùng quạt thông gió bao quanh cánh tản nhiệt) Làm mát tự nhiên để van tự tản nhiệt tự nhiên qua các cánh tản nhiệt vào môi trường. Đối với phương pháp 1 và 2 được dùng cho thiết bị công suất lớn đòi hỏi điều khiển với chất lượng cao, giá thành làm mát là cao và lắp đặt cồng kềnh phức tạp. Đối với bộ điều áp xoay chiều ba pha dùng cho động cơ không đồng bộ tải là quạt thông gió thì sử dụng làm mát cho van là phương pháp làm mát tự nhiên là hợp lý bởi đây là loại thiết bị tải nhẹ và ít thay đổi. Khi làm việc lượng gió qua thiết bị lớn nên có thể lợi dụng để làm mát cho van được. Khi đó ta lấy hiệu suất của van là 25%. Từ các số liệu tính toán ở trên ta có: Dòng hiệu dụng qua van : Iv=1/2It=45,78 (A) Điện áp ngược đặt lên van :Ung=.U2=380.=537,4 (V) - Dòng chọn van :Icv= - Điện áp chọn van :Ucv=Ungmax.KDT=537,4.1,8=967,32(V) Như vậy ta có thể chọn loại van ST180S12P0V vớicác thông số : Uđm = 1200 V Uđk = 3 V tcm = 100 ms Itb = 200 A IRMS = 314 A Tcp = 850C IX = 4,2 KA Idò = 20 mA Iđk=0.15 A DU = 1,75 A 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 đốivới đóng 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 - Thời gian 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. Hình 1.31 Hình dáng và kích thước giớihạn cho cánh toả nhiệt một van bán dẫn Khi làm việc, van bán dẫn có sụt áp, do đó có tổn hao công suất DP = DU.Ilv. Tổn hao công suất này sinh nhiệt. Mặt khác van chỉ được làm việc tới nhiệt độ tối đa cho phép Tcp nào đó. Do đó phải tìm cách bảo vệ quá nhiệt cho van bán dẫn. Muốn bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn cần phảichọn đúng dòng điện van theo chế độ làm mát. Làm mát van hiện nay phổ biến ngườita thường dùng cánh toả nhiệt. Diện tích bề mặt toả nhiệt có thể được tính gần đúng theo công thức: = = 1335,25 [cm2 ] Do tổn hao công suất = 45,78.1,75 = 80 < 100 nên ta chọn phương pháp làm mát tự nhiên băng cánh toả nhiệt Trong đó: Stn - diện tích bề mặt toả nhiệt [cm2 ]; DP - tổn hao công suất [ W ]; t - độ chênh nhiệt so với môitrường t = Tlv -Tmt Tlv -Tmt - nhiệt độ làm việc và nhiệt độ môitrường [oC ]; ktn - hệ số có xét tới điều kiện tỏa nhiệt (trong điều kiện làm mát tự nhiên không quạt cưỡng bức, thường chọn ktn = 10.10-4 [W/cm2 oC]. Chọn toả nhiệt có 6 cánh (12 mặt tiếp giáp) thì diện tích 1 mặt là = 111 [cm2 ] Chọn b =11 cm h = 10cm c = 3cm z= 7cm ho = 10mm Suy ra a = 53 cm. 4.2.2- Bảo vệ quá điện áp Linh kiện bán dẫn nói chung và bán dẫn công suất nói riêng, rất nhạy cảm với sự thay đổi của điện áp. Những yếu tố điện áp ảnh hưởng lớn nhất tới van bán dẫn mà cần có phương thức bảo vệ là: Điện áp đặt vào van lớn quá thông số của van. Xung điện áp do chuyển mạch van. Xung điện áp từ phía lưới xoay chiều, nguyên nhân thường gặp là 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. Hình 1.34 Bảo vệ thiết bị điện tử khỏi chọc thủng do xung điện áp. C R2 R1 c. D1 D5 D5 D2 D4 D6 C C C R R R b. R T C a. 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 C = 4 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. Để bảo vệ van do cắt đột ngột biến áp non tải, trong đa số các bộ biến 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: Im - Dòng điện từ hoá biến áp %; I2;U2 - Dòng điện, điện áp thứ cấp biến áp; KTU - Khả năng tăng điện áp cho phép của van, thường được chọn KTU = 1,25 á 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 + Với điện U = 380 V ; Iđm=91,58A Ku = Ki= 1,25 thì : Điện áp lớn nhất mà Aptômát phảichịu là: Umax = Ku. U = 1,25. 380 = 475 V Dòng điện trung bình qua Aptômát là: Itb = Ki.Iđm = 1,25. 45,78 = 57,225 (A) Từ các số liệu trên ta chọn loại Aptômát A3110 do Liên Xô chế tạo có các thông số : Iđm = 125 A, Điện áp AC 500V Dòng tác động tức thời I= 1000A. (có thể đảm bảo cho quá trình mở máy) + Với động cơ không đồng bộ công suất 43kW tốc độ rôto quay định mức cỡ, ta sử dụng bộ phát tốc cho áp ra ở tốc độ định mức là 110V. Như vậy ta đã thiết kế và chọn chủng loại thiết bị mạch lực cho động cơ mà ta sẽ dùng làm quạt gió. Từ các chỉ tiêu và thông số kĩ thuật của các thiết bị đó và yêu cầu của động cơ quạt gió ta thiết kế mạch điều khiển cho động cơ. Bảo vệ quá dòng () bằng cuộn kháng lọc Mỗi Thyristor chỉ chịu được với 1 tốc độ tăng dòng điện nhất định, nếu xung dòng điện từ lưới có tốc độ quá lớn sẽ đánh thủng Thyristor. Bằng cách ghép nối tiếp van với cuộn cảm lõi không khí có điện cảm nhỏ ta sẽ hạn chế được tốc độ quá cao của xung dòng điện. Sơ đồ như sau i = (Tham khảo “Power Electronic Control in Electrical System” của E.Achar ) ( của Thyristor ST180S là 1000 A/) > 168,8 L > 0,537 (H) Vậy ta phải dùng 1 cuộn cảm có L > 0,537 H để bảo vệ. 4 Mạch Điều Khiển 1.Sơ đồ mạch điều khiển (Hình ) 2. Mô hình hoá mạch điều khiển bằng sơ đồ khối Mạch điều khiển được mô phỏng bằng phần mềm Tina Lưới điện 220/380 được đưa vào bộ điều áp xoay chiều 3 pha để cấp điện áp cho động cơ. Bộ điều áp này được điều khiển bằng mạch điều khiển. Khi động cơ hoạt động mạch đo sẽ có nhiệm vụ đo trạng thái hệ thống đưa về mạch điều khiển để ổn định tốc độ và cắt hệ thống khi cần thiêt. Mạch điều khiển sẽ tác động bằng góc mở vào bộ điều áp để điều chỉnh điện áp. sẽ được thay đổi bằng 1 chiết áp. Khi 0Ê a Ê 60o Kiểu hoạt động này còn được gọi là kiểu hoạt động 2/3 có nghĩa là lúc nào cũng có 2 đến 3 van cùng dẫn. Khi có 3 van dẫn thì điện áp ra tức thời tới tải sẽ bằng điện áp pha. Khi có 2 van dẫn thì điện áp ra tức thời tới tải sẽ bằng nửa điện áp dây. Ta có đồ thị dạng đường cong điện áp ra như sau: (a = 30o ) 2. Khi 60o Ê a Ê 90o. Kiểu hoạt động này còn được gọi là kiểu 2/2, có nghĩa là luôn có hai van ở hai pha khác nhau cùng dẫn. Các pha chứa van không dẫn thì có điện áp ra tức thời tới tải là bằng không. Ta có các đồ thị sau: ( a = 75o ) 3. Khi90o Ê a Ê 1500. Kiểu hoạt động này còn được gọi là kiểu hoạt động 0/2 tức là luôn có hai van dẫn hoặc là chẳng có van nào dẫn cả. Ta có đồ thị dạng đường cong điện áp ra như sau: ( a = 120o ) 3. Giải thích hoạt động mạch điều khiển 3.1. Khâu đồng pha Hình 2 Khâu đồng pha tạo ra điện áp có pha trùng với pha của điện áp lưới và có biên độ tỉ lệ thuận với biên độ của nó. Cách đơn giản nhất ta dùng 1 máy biến áp (Hình 2) Điện trở R và tụ C tạo thành mạch lọc, nó sẽ lọc các xung nhọn đầu có tần số cao do máy biến áp tạo ra. Chọn R = 1, C = 0,1 ta có Hình 3 Mạch lọc này sẽ lọc tất cả các sang điều hoà bậc cao có tần số lớn hơn 1125 hz 3.2. Khâu so sánh Hình 4 Khâu này tạo ra xung vuông góc có tần số bằng tần số của điện áp lưới bằng cách so sánh Uv hình Sin với 0v. KhiUv > 0 thì Ur = 15V Uv<0 thì Ur =-15V Ta dùng IC thuật toán TL084 Đồ thị mô phỏng như sau Hình 5 3.3. Khâu vi phân Khâu vi phân tạo ra xung kim từ xung vuông góc. Hình 6 Giả sử Ur = 0 V theo đồ thị ta có Uv = -15V. Lúc này điện áp trên 2 bản tụ là 15V. Tại thời điểm 30ms Uv tăng đột ngột lên +15V điện áp trên tụ không thể thay đổi đột ngột được nên điện áp ở bản tụ bên phải sẽ tăng lên +30V để đảm bảo điện áp trên 2 bản tụ vẫn là 15V sau đó nó sẽ giảm dần về 0V. Tại t=40 ms Uv giảm đột ngột từ +15V xuống –15V, trước thời điểm này đIện áp trên 2 bản tụ là -15V và nó không thể thay đổi đột ngột được nên tại thời điểm đó điện thế ở bản cực bên phải sẽ giảm đột ngột xuống –30V để đảm bảo điện áp trên 2 bản cực vẫn là -15V. Sau đó nó sẽ tăng từ từ lên 0V. Như vậy ta có xung kim như đồ thị mô phỏng bên trên. 3.4. Tạo điện áp tựa răng cưa Sơ đồ như sau Hình 7 Đầu tiên ta phải tạo ra xung vuông góc có chu kì 10ms trong đó có 1 ms xung âm và 9 ms xung dương. Mạch này thực chất là sự kết hợp của mạch cộng và mạch so sánh xung kim với 1 mức điện áp được điều chỉnh từ trước thông qua phân áp R6,R7. Nếu xung kim âm D2 mở D1 khoá. Lúc này ta có mạch so sánh xung kim âm với 1 điện áp ít âm hơn. Ta thấy Uv > 0 nên Ur =-15V Nếu xung kim dương D1 mở D2 đóng lúc này ta có mạch so sánh 0V với1 xung âm. Ta thấy Uv < 0 nên Ur = +15V Chọn R6 = 5,6 KW, R7 = 27 KW. Ta có đồ thị mô phỏng như sau Tiếp theo ta đưa xung vuông vừa tạo ra vào mạch tạo răng cưa như sau Tính toán mạch tạo răng cưa Khi Uđk = -15v D thông. IR2 = Uđk / R2 = -15/R2 Chọn UDZ = 6V ta phải chọn điện trở sao cho dòng qua tụ C trong khoảng 1ms đạt đến giá trị UDZ. Nếu dòng qua tụ có giá trị không đổi điện áp trên tụ thay đổi theo quy luật tuyến tính Uc = (Ic/C)t do đó Ic/C = Uc/t = 6.103. Suy ra Ic = c.6.103. Chọn C = 0,22 Ic = 0,22.10-6.6.103 =1,32 (mA) R2 = 15/Ic = 15/(1,32.10-3) = 11,36.103 Chọn R2 = 11 k Trong khoảng 9ms còn lai dòng qua tụ C bằng dòng qua điện trở Rx+R10 Phải chọn tụ sao cho trong 9ms còn lạitụ vừa phóng điên về 0v. Uc = Uc0 – (Ic/C)t vớiUco = 6V 0 = 6 – (Ic/C)9.10-3 hay Ic = (C.6)/(9.10-3) =(0,22.10-6.6)/(9.10-3) = 0,147.10-3 (A) Ic = 15/(Rx+R10) suy ra Rx+R10 = 15/Ic =15/(0,147.10-3) = 102 k Chọn R1 = 51k. Ta thay đổi Rx để điện áp trên tụ đúng bằng 0V sau 9ms 3.5 Tạo xung điều khiển Điện áp răng cưa tạo ra sẽ được so sánh vớiUđk là điện áp cố định. Bằng cách thay đổiUđk ta có thể điều chỉnh được góc mở a. Khi tăng Uđk góc mở a sẽ giảm. Uđk được thay đổi bằng cách dùng 1 biến trở. Diode D3 dùng để chặn điện áp âm làm cho xung ra luôn dương. Sau đó cho xung này vào bộ trigger 74LS76. Với mỗi sườn âm của xung trigger sẽ lật trạng thái. Mô tả 74LS76 như sau Sơ đồ nguyên lý như sau Kết quả mô phỏng như sau Tín hiệu ở 2 đầu ra là nghịch đảo của nhau. Ta cho 2 tín hiệu này And với tín hiệu vào CLK ta sẽ được 2 xung mở sole nhau trễ 1 khoảng a Tương tự pha A ta sẽ có xung tại đầu ra của IC AND của cả 3 pha như sau 3.6. Băm xung tạo xung điều khiển dưới dạng._.