BÁO cáo đồ án môn học điện tử CÔNG SUẤT thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Họ tên sinh viên Mã sinh viên Lớp HP GVHD Đà Nẵng, tháng năm 2022 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Khoa Điện-Điện tử Độc lập - Tự - Hạnh phúc -o0o - -o0o - NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Họ tên sinh viên: Nông Văn Tùng Lớp: 221DADTCS2001 GVHD: Phạm Thanh Phong 1.Tên đề tài: Thiết kế chỉnh lưu cầu ba pha để điều khiển tốc độ động điện chiều kích từ độc lập Các số liệu ban đầu: Nguồn điện lưới xoay chiều pha 220/380V Động điện chiều kích từ độc lập: Pđm= 15 KW; Uđm=220 V; nđm= 1560 vg/ph; ηđm= 0,83; J= 0,4 kgm2 Hệ số dự trữ điện áp: Ku= 1,5 ÷ 1,8 Hệ số dự trữ dịng điện: Nội dung: Chương 1: Tổng quan động điện chiều kích từ độc lập phương pháp điều chỉnh tôc độ động cơ; phương pháp điều chỉnh tôc độ động cách thay đổi điện áp phần ứng Chương 2: Lý thuyết chỉnh lưu cầu ba pha Chương 3: Thiết kế tính chọn phần tử mạch động lực Chương 4: Thiết kế tính chọn phần tử mạch điều khiển Chương 5: Mạch bảo vệ kết luận Bản vẽ: (A1) Bản vẽ tổng thể gồm sơ đồ nguyên lý mạch động lực, mạch điều khiẻn bảo vệ Tài liệu tham khảo: Các tài liệu môn học Kiểm tra tiến độ đồ án (Giáo viên HD ký lần SV đến gặp thông qua đồ án) Đà Nẵng, ngày tháng năm 20 Giáo viên hướng dẫn TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Chương 1: Tổng quan ĐCĐ chiều GVHD: T.S Phạm Thanh Phong CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG CÁCH THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP PHẦN ỨNG I Tổng quan động điện chiều kích từ độc lập: Khái niệm: Là loại máy điện quay sử dụng điện chiều Động điện chiều thiết bị biến đổi điện thành Máy điện chiều làm việc chế độ động E < U, lúc dịng điện Iư ngược chiều với E Động chiều dùng phổ biến công nghiệp, ngành giao thông vận tải nơi có yêu cầu điều chỉnh tốc độ quay liên tục phạm vi rộng Trong phân tích hệ thống truyền động, thường biết trước đặc tính M c(ω) máy sản xuất Đạt trạng thái làm việc với thông số yêu cầu tốc độ, mơ men, dịng điện động cơ,…cần phải tạo đặc tính nhân tạo động tương ứng Mỗi động có đặc tính tự nhiên xác định số liệu định mức sử dụng loạt số liệu cho trước Phương trình đặc tính động điện viết theo dạng thuận M = f(ω) hay dạng ngược ω = f(M) Cấu tạo hoạt động: 2.1 Cấu tạo: Gồm có phần Stato Roto 2.1.1 Stato: Stato gọi phần cảm gồm có lõi thép thép đúc mạch từ vừa vỏ máy, có cực từ chính, cực từ phụ dây quấn kích từ 2.1.2 Rôto: Roto máy điện chiều (phần ứng) gồm có lõi thép, dây quấn phần ứng cổ góp SVTH: Nông Văn Tùng TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Chương 1: Tổng quan ĐCĐ chiều GVHD: T.S Phạm Thanh Phong Hình 1.1 Cấu tạo động điện chiều 2.2 Nguyên lý hoạt động: Khi ta cho dịng điện chiều vào chổi than dòng điện vào dẫn cực N dẫn cực S nên tác dụng từ trường sinh moment có chiều khơng đổi làm quay máy Chiều lực điện từ xác định theo qui tắc bàn tay trái Bộ phận chỉnh lưu ( chổi than cổ góp ) đảo chiều dịng điện sau nửa vòng quay Kết phần bên trái cuộn dây dịng điện ln phía sau phần bên phải cuộn dây dịng điện ln phía trước nên moment lực tạo ln hướng chiều quay Khi động làm việc, dây dẫn phần ứng chuyển động từ trường phần cảm nên chúng lại xuất suất điện động cảm ứng, sinh dòng cảm ứng ngược chiều với dịng điện đưa vào phần ứng Vì sức điện động cảm ứng gọi sức phản điện Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động Động điện chiều Đặc điểm: SVTH: Nông Văn Tùng TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Chương 1: Tổng quan ĐCĐ chiều GVHD: T.S Phạm Thanh Phong Nguồn cấp cho phần ứng kích từ độc lập Khi nguồn có cơng suất vơ lớn điện áp khơng đổi mắc kích từ song song với phần ứng, lúc động gọi động điện chiều kích từ song song Ở động kích từ song song coi kích từ độc lập nên ta coi hai động Ở động điện chiều kích từ độc lập, cuộn kích từ khởi động từ cấp điện từ nguồn điện tách biệt với nguồn điện cấp cho cuộn ứng Ở động điện chiều kích từ song song cuộn kích từ cuộn ứng cấp điện nguồn Trường hợp mà nguồn điện có cơng suất lớn nhiều so với cơng suất tính chất động tương tự động kích từ độc lập Hình 1.3 Sơ đồ nối dây động điện chiều a) b) Sơ đồ nối dây động kích từ độc lập Sơ đồ nối dây động kích từ song song Phương trình đặc tính: 4.1 Phương trình cân điện áp : Uư =Eư +(Rư +Rf).(Iư ) Trong đó: Uư – Điện áp phần ứng (V) Rư = rư + rcf + rcb + rct – Điện trở phần ứng động (Ω) Bao gồm: rư – Điện trở cuộn dây phần ứng; rcf – Điện trở cực từ phụ; rcb – Điện trở cuộn bù (nếu có); rct – Điện trở tiếp xúc chổi than cổ góp rcf SVTH: Nơng Văn Tùng TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Chương 1: Tổng quan ĐCĐ chiều GVHD: T.S Phạm Thanh Phong Rf – Điện trở phụ mạch phần ứng (Ω) Iư – Dòng điện mạch phần ứng (A) Eư – Sức điện đồng phần ứng động (V) Được xác định theo công thức: Eư = K Ф ω pN Với: p – Số đơi cực từ N – Số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng a – Số mạch nhánh đấu song song cuộn dây phần ứng Ф– Từ thơng kích từ cực từ (Wb) Phương trình đặc tính cơ: ω= Momen điện từ động tỷ lệ với từ thông Ф dòng điện phần ứng Iư: M = KФIư 4.2 Phương trình đặc tính điện: Từ phương trình chính, cơng thức tính sức điện động, cơng thức thể mối quan hệ momen điện từ dòng điện phần ứng Iư Ta phương trình đặc tính điện: ω= Phương trình biểu thị quan hệ tốc độ ω hàm momen M gọi phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Nếu dùng đơn vị tốc độ vịng/phút phương trình đặc tính trở thành: n=ω 9,55 ( n = 9,55 KФ Uư − a) Tốc độ góc định mức: ω đm KФđm = = 2π.nđm U −I R đm ω đm đm SVTH: Nông Văn Tùng ( KФ RưΣ )2 M ) TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Chương 1: Tổng quan ĐCĐ chiều b) Tốc độ động cơ: ω ω= 0-∆ω=  Từ phương trình đặc tính động điện chiều ω= Ta thấy việc điều chỉnh tốc độ động điện chiều thực cách thay đổi đại lượng Rư ,U, Điều khiển tốc độ nội dung truyền động điện tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ máy sản xuất Để đánh giá chất lượng hệ thống truyền động điện thường vào số tiêu sau:  Sai số tốc độ: Sai số tĩnh tốc độ đại lượng đặc trưng cho độ xác trì tốc độ đặt đánh giá thông qua: ❑ − ¿ ¿ d ❑ d x100 S%= Mong muốn: sai số đ = s% nhỏ tốt  Tính liên tục( độ trơn dải điều chỉnh) = i + 1/ i i i +1 +1 i : hệ thống điều khiển liên tục i : hệ thống điều khiển nhảy cấp Mong muốn 1: hệ truyền động làm việc ổn định giá suốt dải điều chỉnh  Dải điều khiển tốc độ Dải điều khiển tốc độ ( D) tỉ số giá trị lớn giá trị nhỏ tốc độ làm việc ứng với mômen tải cho: ❑ D= ❑Max Min Mong muốn D lớn tốt Ngồi cịn tiêu khác như: tiêu kinh tế, kích thước Đường đặc tính đặc tính điện: Từ phương trình đặc tính cơ-điện phương trình đặc tính cơ, với giả thiết phần ứng bù đủ f = const vẽ đặc tính cơ-điện đặc tính đường thẳng SVTH: Nông Văn Tùng TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com SVTH: Nông Văn Tùng TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Chương 4: Thiết kế, tính chọn phần tử mạch điều khiển Dịng điện đầu ra: Ira = 0÷1 (A) Tụ điện C4 , C5 dùng để lọc thành phần sóng hài bật cao Chọn C4 = C5 = C6 = C7 = 470 µF ; U = 35 V Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lý máy biến áp đồng pha nguồn ni Tính tốn máy biến áp nguồn nuôi đồng pha: 9.1 Ta thiết kế máy biến áp dùng cho việc tạo điện áp đồng pha tạo nguồn nuôi Chọn kiểu máy biến áp ba pha ba trụ, trụ có ba cuộn dây, cuộn sơ cấp hai cuộn thứ cấp Điện áp lấy thứ cấp máy biến áp làm điện áp đồng pha , làm điện áp nguồn nuôi U2 = U2đph = UN = [V] 9.3 Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha: I2đh = [mA] 9.4 Công suất nguồn nuôi máy biến áp xung: Pđph = 6.U2đph.I2đph = 6.9.1.10 [W] -3 = 0,054 9.5 Công suất tiêu thụ IC TL 084 sử dụng hàm khuếch đại thuật toán ta chọn IC TL 084 để tạo cổng AND P81c = PIC = 0,68 = 5,44 Trong đó: PIC công suất tiêu thụ IC TL 084 SVTH: Nông Văn Tùng TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Chương 4: Thiết kế, tính chọn phần tử mạch điều khiển 9.6 Công suất biến áp xung cấp cho cực điều khiển thyristor: Px = 6.Udk.Idk = 6.2.0,1 = 1,2 9.7 Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi PN = Pđph + P8IC + Px PN = 0,054 +5,44 + 1,2 = 6,694 9.8 Công suất máy biến áp có kể đến 5% tổn thất máy S = 1,05(Pđph + PN) = 1,05(0,054 + 6,694) = 7,0854 9.9 Dòng điện sơ cấp máy biến áp: I1 = 9.10 Dòng điện thứ cấp máy biến áp: I2 = 9.11 Tiết diện trụ máy biến áp tính theo công thức kinh nghiệm: Qt = kQ √ Trong đó: Vì kích thước q nhỏ nên chuẩn hóa tiết diện trụ theo bảng ta được: Q t = 1,63 [cm2] Kích thước mạch thép dày: Số lượng thép 68 lá; b=16mm h=30mm Hệ số ép chặt Kc=0,85 Hình 4.14 Kích thước mạch từ biến áp 9.12 Chọn mật độ dòng điện : J1 = J2 = 2, 75 (A / mm2) Tiết diện dây quấn sơ cấp: SVTH: Nông Văn Tùng TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Chương 4: Thiết kế, tính chọn phần tử mạch điều khiển S1 = d1 = √ chọn d1 = 0,1mm để đảm bảo độ bền Đường kính có kể cách điện : d1cd = 0,12 mm 9.13 Chọn mật độ dòng điện : J1 = J2 = 2, 75 (A / mm2) Tiết diện dây quấn thứ cấp: [mm2] S2 = Đường kính dây quấn thứ cấp: d2 = [mm] √ Đường kính có kể cách điện : d2cd = 0,31 mm [vòng] 9.14 Chọn mật độ tự cảm B=1 T trụ, ta có số v W1 = 9.15 Số vòng dây quấn thứ cấp: 9.16 chọn hệ số lấp đầy Kld = 0,7 K ld h 9.17 chiều rộng cửa sổ: c= chọn c = 12mm 9.18 Chiều dài mạch từ: L 2c 3a 2.12 3.12 60 9.19 Chiều cao mạch từ: H h 2a 30 2.12 54 10 Tính chọn diode cho chỉnh lưu nguồn ni: 10.1 Dịng điện hiệu dụng qua diode: SVTH: Nơng Văn Tùng TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Chương 4: Thiết kế, tính chọn phần tử mạch điều khiển IDhd = Trong đó: 10.2 Điện áp ngược lớn mà diode phải chịu: UNmax = √ Trong đó: 10.3 Chọn diode có dịng định mức: Iđm Ki.IDhd 10.4 chọn diode có điện áp ngược lớn nhất: UN= Ku.UNmax Vậy với Iđm = 0,926 [A], UN = 44,09 [V] ta chọn diode loại KII208A với thơng số: • Dịng điện định mức: Iđm = 1,5 • Điện áp ngược cực đại diode: UN= 100 SVTH: Nông Văn Tùng TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Chương 4: Thiết kế, tính chọn phần tử mạch điều khiển GVHD: T.S Phạm Thanh Phong CHƯƠNG MẠCH BẢO VỆ VÀ KẾT LUẬN I Tính chọn thiết bị bảo vệ mạch động lực: Sơ đồ mạch động lực có thiết bị bảo vệ: Hình 5.1 Sơ đồ mạch động lực có thiết bị bảo vệ Bảo vệ nhiệt cho van bán dẫn: Khi làm việc với dòng điện chạy van có sụt áp, van có tổn hao cơng suất P =RV.I2 U.I, tổn hao sinh nhiệt theo phương trình nhiệt đốt nóng van bán dẫn P = A + C(dT/dt) SVTH: Nông Văn Tùng TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Chương 4: Thiết kế, tính chọn phần tử mạch điều khiển GVHD: T.S Phạm Thanh Phong Mặt khác van bán dẫn phép làm việc nhiệt độ cho phép Tcp đó, q nhiệt độ cho phép van bán dẫn bị phá hỏng Để van bán dẫn làm việc an tồn, khơng bị chọc thủng nhiệt, ta phải chọn thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý Tính tốn cánh tỏa nhiệt: • Tổn thất công suất tiristor: P = U.Ilv = 1,5 47,43 = 71,145 • Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: Sm = [W] ∆ p km τ Trong : ΔP : Tổn hao cơng suất (W) Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 400C Nhiệt độ làm việc cho phép Thyristor Tcp = 1250C Chọn nhiệt độ cánh toả nhiệt Tlv = 800C ta có độ chênh lệch nhiệt độ : = Tlv – Tmt = 80 – 40 = 400C Km : Hệ số toả nhiệt đối lưu xạ, chọn Km =8 (w/m2 0C) [m2] Vậy Chọn loại cánh tỏa nhiệt có 12 cánh, kích thước cánh a x b = 10 x 10 (cm cm) Tổng diện tích tỏa nhiệt cánh S = 12.2.10.10=2400 (cm2) Bảo vệ dòng điện cho van: Aptơmát dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ tải ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch chế độ nghịch lưu + Chọn aptomat có: • Dịng điện làm việc chạy qua aptomat: • Ilv = Dòng điện aptomat cần chọn: √ Iđm= 1,1 Ilv = 1,1 25,947 = 28,5417 [A] Uđm =380 (v ) • Có tiếp điểm chính, đóng cắt tay nam châm điện • Chỉnh định dịng ngắn mạch Inm =2,5 Ilv = 64,8675 SVTH: Nơng Văn Tùng TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Chương 4: Thiết kế, tính chọn phần tử mạch điều khiển • GVHD: T.S Phạm Thanh Phong Dòng tải: Iqt = 1,5 Ilv = 38,9205 • [A] Chọn cầu dao có dòng định mức: Iđm = 1,1 Ilv = 28,5417 (A) = 29 [A] Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn sửa chữa hệ thống truyền động + Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu chỉnh lưu: • Nhóm 1cc: Dịng điện định mức dây chảy nhóm cc I1cc =1,1 I2 = 1,1 60,36= 66,396 [A] Trong đó: I2 dịng điện hiệu dụng thứ cấp MBA • Nhóm 2cc: Dịng điện định mức dây chảy nhóm 2cc I2cc =1,1 Ihd = 1,1 42,68= 46,948 [A] Trong đó: Ihd dịng điện làm việc van Ihd = Ilv (vì Ilv đc tính theo Ihd) • Nhóm cc: Dịng điện định mức dây chảy nhóm 3cc I3cc =1,1 Id = 1,1 73,93= 81,323 [A] Trong đó: Id dịng qua tải phần tính chọn Thyristor Vậy chọn dây chảy nhóm: 1cc loại 70 A 2cc loại 50 A 3cc loại 90 A Bảo vệ điện áp cho van: Bảo vệ điện áp q trình đóng cắt Thyristor thực cách mắc R–C song song với Thyristor Khi có chuyển mạch, điện tích tích tụ lớp bán dẫn phóng ngồi tạo dịng điện ngược khoảng thời gian ngắn, biến thiên nhanh chóng dòng điện ngược gây sức điện động cảm ứng lớn điện cảm làm cho điện áp anod catod Thyristor Khi có mạch R – C mắc song song với Thyristor tạo mạch vịng phóng điện tích q trình chuyển mạch nên Thyristor không bị điện áp SVTH: Nông Văn Tùng TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Chương 4: Thiết kế, tính chọn phần tử mạch điều khiển GVHD: T.S Phạm Thanh Phong Hình 5.2 Mạch R_C bảo vệ điện áp chuyển mạch Theo kinh nghiệm R1=(5 30 ) (Ω); C1 = (0,25 4)(F) Trị số RC chọn theo tài liệu: R1= 5,1 (Ω); C1 = 0,25 ( F) Hình 5.3 Mạch R_C bảo vệ điện áp từ lưới - - Bảo vệ điện áp từ lưới ta mắc mạch R _C hình Nhờ có mạch lọc mà đỉnh xung gần nằm lại hoàn toàn điện trở đường dây - Trị số RC chọn theo tài liệu: R2= 12,5 (Ω) ; C2 = 4( F) Để bảo vệ van cắt cột biến áp non tải, người ta mắc mạch R_C đầu mạch chỉnh lưu cầu ba pha phụ diode công suất bé SVTH: Nông Văn Tùng TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Chương 4: Thiết kế, tính chọn phần tử mạch điều khiển GVHD: T.S Phạm Thanh Phong Hình 5.4 mạch cầu pha dùng diode tải R_÷C bảo μvệ cắt MBA non tải khoảng từ 10 200 F Thông thường giá trị tự chọn Chọn theo tài liệu: R3= 470 Ω ; C3 = 10 F Chọn giá trị điện trở R4 = 1,4 (KΩ) II Kết luận: Đây lần em làm đồ án môn học, nên gặp nhiều khó khắn bở ngở q trình tìm tịi nghiên cứu tài liệu thực đồ án Song, sau trình học tập nghiên cứu, với hướng dẫn tận tình thầy Th.S Võ Khánh Thoại, giúp đỡ bạn lớp, em hoàn thành nhiệm vụ đề tài “ Thiết kế chỉnh lưu cầu ba pha để điều khiển tốc độ động điện chiều kích từ độc lập” Trong đề tài giúp em hiểu rõ về: - Động điện chiều Thyristor Bộ chỉnh lưu cầu ba pha Các khâu mạch điều khiển Mạch động lực bảo vệ Cách tính tốn thơng số linh kiện mạch Cũng lần làm đồ án, kiến thức cịn có hạn nên q trình thực chắn thân em khơng thể tránh khỏi sai sót Em mong nhận ý kiến đóng góp thầy bạn để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! SVTH: Nông Văn Tùng TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Chương 4: Thiết kế, tính chọn phần tử mạch điều khiển GVHD: T.S Phạm Thanh Phong TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Văn Thịnh, “ Tài liệu hướng dẫn – Thiết kế thiết bị Điện tử Công suất ”, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (2000) Trần Văn Thịnh, “ Tính tốn thiết kế thiết bị Điện tử Công suất ”, Nhà xuất giáo dục Việt Nam SVTH: Nông Văn Tùng TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com ... 1.Tên đề tài: Thiết kế chỉnh lưu cầu ba pha để điều khiển tốc độ động điện chiều kích từ độc lập Các số liệu ban đầu: Nguồn điện lưới xoay chiều pha 220/380V Động điện chiều kích từ độc lập: Pđm=... song song Ở động kích từ song song coi kích từ độc lập nên ta coi hai động Ở động điện chiều kích từ độc lập, cuộn kích từ khởi động từ cấp điện từ nguồn điện tách biệt với nguồn điện cấp cho... Sơ đồ động lực chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển đối xứng Hoạt động chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển đối xứng: Hình 2.4 Giản đồ đường cong chỉnh =60lưucầu, =90bapha điều khiển đối xứng điện