ĐẶT VẤN ĐỀ Như chúng ta đã biết động cơ đóng một vai trò không nhỏ trong cuộc sống hiện nay nói chung và trong công nghiệp sản xuất hàng hoá nói riêng.Để động cơ tham gia vào quá trình sản xuất, chúng ta luôn cần một hệ thống điều khiển và truyền động cho động cơ.Trong quá trình điều khiển, hai đại lượng của động cơ mà chúng ta luôn quan tâm là mômen và tốc độ. Khi nhắc đến vấn đề điều khiển tốc độ động cơ, nhất là động cơ không đồng bộ ba pha, có rất nhiều phương pháp như: thay đổi điện trở phụ rôto, thay đổi điện áp đăt vào dây quấn stato, thay đổi số đôi cực p, thay đổi tần số điện áp stato. Trong các phương pháp kể trên, phương pháp thay đổi tần số điện áp stato thể hiện tính tối ưu hơn các phương pháp còn lại. Tuy nhiên việc thay đổi tần số lưới điện cấp cho động cơ là không thể, chính vì lý do đó mà bộ biến đổi tần số trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ, Variable Frequency Drive (VFD), ra đời.
VFD không chỉ có khả năng thay đổi tốc độ động cơ mà còn giúp giảm năng lượng tiêu thụ của hệ thống – một ưu điểm đáp ứng xu hướng tiết kiệm năng lượng trên toàn cầu hiện nay.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong một thiết bị VFD thì khâu quan trọng nhất chính là khâu biến đổi từ nguồn điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều hai hoặc ba pha với tần số tạo ra có thể thay đổi được. Khâu này được gọi là nghịch lưu. Để một bộ VFD làm việc như mong muốn thì việc điều khiển khâu nghịch lưu làm việc như thế nào là vô cùng quan trọng.Có nhiều phương pháp để điều khiển khâu nghịch lưu, tuy nhiên phương pháp được sử dụng phổ biến hiên nay là phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation). Bên cạnh đó, cấu trúc của một mạch nghịch lưu cũng quan trọng không kém, mỗi một cấu trúc có ưu và nhược điểm khác nhau.Trong đó, cấu trúc mạch nghịch lưu dùng diode kẹp được nhóm lựa chọn vì nó đáp ứng được tính kinh tế và kỹ thuật.
Với những kiến thức hiện có, chúng em mong muốn thực hiện đề tài này nhằm thực tế hoá những gì đã được dạy cũng như tìm hiểu sâu thêm về mạch nghịch lưu đa bậc.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Trên cơ sở lý thuyết về mạch nghịch lưu đa bậc và các phương pháp điều khiển, cộng với trang thiết bị sẵn có tại phòng Thực tập điện tử công suất nâng cao D406, chúng em tiến hành thực hiện đề tài với mong muốn đạt được những mục tiêu sau: - Kiểm tra và củng cố lại kiến thức về mạch nghịch lưu đa bậc. - Dựa vào kiến thức đã học, viết được chương trình điều khiển nghịch lưu bằng phương pháp PWM thông qua phần mềm Matlab – Simulink để nạp cho bộ điểu khiển DSP. - Mô phỏng mạch nghịch lưu, kiểm tra các dạng sóng ngõ vào, ra để lấy cơ sở đối chiếu với mạch thực tế. - Thi công mạch thực tế chạy tải động cơ 3 pha Yungshun 1HP.
- Rút ra được những lỗi hay mắc phải khi thực hiện đề tài, những khó khăn và những kiến thức phụ trợ cũng như những sự cố thực tế xảy ra và khác với lý thuyết.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Do giới hạn về thời gian, kiến thức cũng như năng lực mà chúng em có được, cộng với việc tận dụng những trang thiết bị sẵn có nên đề tài chỉ giới hạn ở phạm vi sau: - Mạch nghịch lưu chỉ mới tính toán để cấp cho tải động cơ 3 pha Yungshun loại 1HP, chưa tính toán để phù hợp nhiều loại động cơ với dãy công suất khác nhau. - Chưa tính toán đến khâu hồi tiếp và điều khiển ổn định cho mạch cũng như chưa tính toán đến khâu cân bằng tụ đầu nguồn cấp cho mạch. - Đề tài chỉ dừng lại ở việc nghịch lưu được điện thế một chiều, so sánh với mô phỏng và rút ra nhận xét, chưa phát triển thêm khâu điều khiển thay đổi tần số cho tín hiệu ngõ ra. 2 do an CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN &BỘ NGHỊCH LƢU ÁP ĐA BẬC 2.1 Biến tần và tầm quan trọng của biền tần trong công nghiệp Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần, ngày càng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ phận đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ điện.
Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độ động cơ điện. Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống… Ví dụ: máy ép nhựa làm đế giầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi đúc… Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp. Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông ….Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ. Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ: Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất.Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện.
Phương pháp này làm giảm tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử. Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp này. Khảo sát cho thấy: Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment. Trong các bộ điều khiển moment động cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạt gió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm), chiếm 45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng.
Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không đổi lên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu về từ việc tiết giảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ. Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt: Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ Bơm và Quạt. Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van. Giảm tiếng ồn công nghiệp.
Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ. 3 do an Giúp tiết kiệm điện năng tối đa. Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều phương thức khác, không dùng mạch điện tử. Trước kia, khi công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy biến áp.
Ưu điểm chính của các thiết bị dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt (ít hài) và công suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn nhiều hạn chế như: Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn. Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch lưu. Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu, bảo trì cũng như thay mới. Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện áp ngõ ra do có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp.
Ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám sát như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải … mà chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trường hợp này.1 Phân loại biến tần: Biến tần thường được chia làm hai loại: Biến tần trực tiếp Biến tần gián tiếp 2.1 Biến tần trực tiếp: Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều không thông qua khâu trung gian một chiều. Tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp và nhỏ hơn tần số lưới ( f1< f lưới ). Loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng.2 Biến tần gián tiếp: Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau: U1,f1 + + U2,f2 Chỉnh Nghịch Lọc lưu lưu _ _ Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều vì vậy có tên gọi là biến tần gián tiếp. Chức năng của các khối như sau: 4 do an a) Chỉnh lưu: Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều.
Chỉnh lưu có thể là không điều chỉnh hoặc có điều chỉnh. Ngày nay đa số chỉnh lưu là không điều chỉnh, vì điều chỉnh điện áp một chiều trong phạm vi rộng sẽ làm tăng kích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất bộ biến đổi. Nói chung chức năng biến đổi điện áp và tần số được thực hiện bởi nghịch lưu thông qua luật điều khiển. Trong các bộ biến đổi công suất lớn, người ta thường dùng chỉnh lưu bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ thống khi quá tải.
Tùy theo tầng nghịch lưu yêu cầu nguồn dòng hay nguồn áp mà bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra dòng điện hay điện áp tương đối ổn định. b) Lọc: Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp sau chỉnh lưu. c) Nghịch lưu: Chức năng của khâu nghịch lưu là biến đổi dòng một chiều thành dòng xoay chiều có tần số có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập Nghịch lưu có thể là một trong ba loại sau: - Nghịch lưu nguồn áp: trong dạng này, dạng điện áp ra tải được định dạng trước (thường có dạng xung chữ nhật) còn dạng dòng điện phụ thuộc vào tính chất tải. Nguồn điện áp cung cấp phải là nguồn sức điện động có nội trở nhỏ.