Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập và có đảo chiều

Đồ án điện tử cơng suất Lời nói đầu Trong năm gần với việc phát triển ngày mạnh mẽ lĩnh vực khoa học, ứng dụng chúng vào ngành cơng nghiệp nói chung ngành điện tử nói riêng, thiết bị điện tử có cơng suất lớn chế tạo ngày nhiều, đặc biệt ứng dụng kinh tế quốc dân đời sống làm cho yêu cầu hiểu biết thiết kế loại thiết bị cần thiết sinh viên, kỹ sư ngành điện Hiện mạng điện nước ta chủ yếu mạng điện xoay chiều với tần số công nghiệp Để cung cấp nguồn điện chiều có giá trị điện áp dòng điện điều chỉnh cho thiết bị điện dùng hệ thống truyền động điện chiều người ta hồn thiện chỉnh lưu có điều khiển dùng Tiristor Trong đề tài em thiết kế nguồn cấp điện cho động điện chiều kích từ độc lập có đảo chiều theo ngun tắc điều khiển chung Mạch đảm bảo điều chỉnh tốc độ trơn có khâu bảo vệ chống kích từ Bao gồm chương: Chương I : Giới thiệu động điện chiều Chương II: Lựa chọn phương án Chương III: Xây dựng chi tiết toàn sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế Chương IV: Tính tốn mạch lực Chương V : Tính tốn mạch điều khiển Chương VI : Kiểm chứng mạch thiết kế chương trình TINA Qua việc thiết kế đồ án giúp em hiểu rõ học môn Điện tử công suất Hiểu ứng dụng thực tế thiết bị công suất đời sống công nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giảng dạy môn Điện tử công suất, đặc biệt thầy Phạm Quốc Hải hướng dẫn em hoàn thành đồ án Mục lục Trang Chương I : Giới thiệu động điện chiều Chương II: Lựa chọn phương án 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án điện tử công suất Chương III: Xây dựng chi tiết toàn sơ đồ ngun lý mạch thiết kế Chương IV: Tính tốn mạch lực Chương V : Tính tốn mạch điều khiển Chương VI : Kiểm chứng mạch thiết kế chương trình TINA 21 28 43 56 Các số liệu cho trước Uđm = 600V ; Iđm = 10A ; Phạm vi điều chỉnh tốc độ 25:1 Ukt = 400V ; Ikt = 0,9A Chương I GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU I ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU TÇm quan trọng động điện chiều Trong sản xuất đại, động điện chiều đợc coi l loại máy quan trọng Mặc dù ®éng c¬ xoay chiỊu cã tÝnh −u viƯt h¬n nh− cấu tạo đơn giản , công suất lớn Nhng động điện xoay chiều thay hon ton động điện chiều Đặc biệt l ngnh công nghiệp, giao thông vận tải, thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liªn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án điện tử cơng suất tơc ph¹m vi rộng nh máy cán thép, máy công cụ lớn đầu máy điện Vì động điiện chiều có u điểm nh khả điều chỉnh tốc độ tốt, khả mở máy lớn v khả tải Bên cạnh động điện chiều có nhợc điểm định nh giá thnh đắt, chế tạo v bảo quản phức tạp Nhng u điểm nên có tầm quan trọng định sản xuất Ngy hiệu suất động điện chiều công suất nhỏ vo khoảng 75% - 85%, động điện công suất trung bình v lớn vo khoảng 85% - 94% Công suất lớn động điện chiều vo khoảng 10000KW Điện áp vo khoảng vi trăm đến 1000V Hớng phát triển l cải tiến tính vật liệu, nâng cao tiêu kinh tế động v chế tạo máy công suất lớn Cấu tạo động điện chiều 2.1Phần tĩnh ( Phần cảm hay stator) L phần đứng yên, bao gồm phận chính: a) Cực từ : Đợc lm thép kĩ thuật dạng thép khối tấm, xung quanh có dây quấn cực từ chínhgọi l kích từ Nó thờng đợc nèi víi ngn chiỊu NhiƯm vơ lμ t¹o từ thông máy b) Cực từ phụ : Đợc đặt xen cực từ chính, xung quanh cực tõ phơ cã d©y qn cùc tõ phơ D©y qn cực từ phụ đấu nối tiếp với dây quấn roto, NhiƯm vơ cđa cùc tõ phơ lμ triƯt tiªu tõ trờng phần ứng ( Từ trờng dòng điện roto sinh ) Trên vùng trung tính hình học để hạn chế xuất tia lửa điện chổi than v cổ góp c) Vỏ máy ( Gông từ ) Ngoi nhiệm vụ thông thờng nh vỏ máy khác, vỏ máy điện chiều tham gia dẫn từ, phải đợc lm thép dẫn từ 2.2 PhÇn quay ( PhÇn øng hay roto ) a) Lõi thép roto Dùng để dẫn từ, thờng dùng thép kĩ thuật điện dầy 0.5mm phủ cách điện mỏng mặt ép chặt lại để giảm tổn hao dòng điện xoáy gây nên Trên thép có dập rÃnh để quấn dây b) Dây quấn phần ứng L phần phát sinh suất điện động v có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thờng lm dây đồng có sơn cách điện c) Cổ góp Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thnh chiều Gồm nhiều phiến đồng ghép cách điện với nhau, bề mặt cổ góp dợc gia công với độ bóng thích hợp để đảm bảo tiếp xúc tốt gi÷a chỉi than vμ cỉ gãp quay LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án điện t cụng sut 2.3 Gới thiệu động điện chiỊu kÝch tõ ®éc lËp Cho ®Õn ®éng điện chiều dùng phổ biến hệ thống truyền động chất lợng cao, dải công suất động điện chiều từ vi W ®Õn vμi MW Gi¶n ®å kÕt cÊu chung cđa ®éng điện chiều kích từ độc lập đợc thể nh hình vẽ dới Phần ứng đợc biểu diễn vòng tròn bên có sức điện động E , phần stato có vi dâyquấn kích từ : Dây quấn kích từ độc lập CKD, dây qn kÝch tõ nèi tiÕp, d©y qn cùc tõ phơ CF, dây quấn bù CB Khi nguồn điện chiều có công suất không dử lớn mạch điện phần ứng v mạch kích từ mắc vo nguồn chiều độc lập nhau, lúc ny động dợc coi l động kích từ độc lập Nguyờn lý lm việc Khi đóng động , Rơto quay đến tốc độ n , đặt điện áp Ukt lên dây quấn kích từ dây qn kích từ có dịng điện ik mạch kích từ máy có từ thơng φ , tiếp mạch phần ứng , dây quấn phần ứng có dịng điện i chạy qua tương tác với dòng điện phần ứng Tăng từ từ dòng kích từ ( cách thay đổi Rkt ) điện áp hai đầu động thay đổi theo qui luật : Edư = (1% ÷ 42% )Uđm Khi dịng ikt cịn nhỏ Eư U tăng tỉ lệ thuận với ikt Ukt bắt đầu lớn từ thơng φ lõi thép bắt đầu bão hồ Cuối ikt = iktbh U = Eư bão hoà hoàn toàn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án điện tử cơng suất 2.4 Phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập : Để thành lập phương trình đặc tính ta xuất phát từ phương trình cân điện áp động : Uư = Eư + (Rư +Rf ) Iư = Eư + R Iư (1) Trong : Uư : điện áp phần ứng ( V ) Eư : Sức điện động phần ứng (V) Rư : Điện trở mạch phần ứng Rf : Điện trở phụ mạch phần ứng Iư : Dòng điện mạch phần ứng Với Rư = rư + rcf + rb + rct rư : Điện trở cuộn dây phần ứng rcf : Điện trở cuộn cực từ phụ rb : Điện trở cuộn bù rct : Điện trở tiếp xúc chổi than Sức điện động Eư phần ứng động xác định theo biểu thức pN Eu φ ϖ = k φ ϖ → ϖ = Eư = 2πa k φ Trong : p : Số đơi cực từ N : Số dẫn tác dụng dây quấn phần ứng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án điện tử công suất a : Số đôi mạch nhánh song song cuộn dây phần ứng φ : Từ thơng kích từ cực từ ω : Vận tốc góc rad/s pN k= : Hệ số cấu tạo động 2πa Từ phương trình (1) Ư Eư = Uư - (Rư +Rf ) Iư Ö Chia vế cho k.φ Eu Uu Ru + Rf = Iu kφ kφ kφ Uu Ru + Rf Iu (2 ) Ö ϖ = kφ kφ Ö Ö ϖ = f (I) : Đặc tính điện Mặt khác mơ men điện từ của điệ xác định : M dt Mđt = k φ Iư => Iư = K φ Uu Ru + Rf M d t kφ (k φ ) Ư ϖ = f (M) : Đặc tính theo mômen Nếu bỏ qua tổn thất tổn thất thép mơ men trục điện mơ men điện từ , ta kí hiệu M nghĩa Mđt = Mcơ = M Thế vào (2) => ϖ = Ö ϖ = Uu Ru + Rf M kφ (k φ ) (3) Giả thiết phản ứng phần ứng bù đủ , từ thơng φ = const phương trình đặc tính điện (2) phương trình đặc tính tuyến tính, đồ thị chúng thể sau : ω ω ω0 ωđm ω0 ωđm N LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án điện tử công suất I Iđm M Inm Mđm Mnm Uu = ϖ0 kφ ϖ0 : Gọi tốc độ không tải lý tưởng động cơ, ϖ0 = ta có : Uu Iu = = Inm Ru + Rf Inm , Mnm Gọi dòng điện ngắn mạch mômen ngắn mạch Nhận xét : Nếu cho U, Rư + Rf , φ số phương trình (3) phương trình bậc : ϖ = ϖ = ϖ0 + Δϖ Δϖ = Ru + Rf M k φ Độ sùt tốc độ ω ω0 Δω 2.5 Ảnh hưởng tham số đến đặc tình Từ phương trình đặc tính : Uu Ru + Rf M kφ (k φ ) ta thấy có tham số ảnh hưởng đến đặc tính : Từ thơng động φ , Điện áp phần ứng Uư , điện trở phần ứng động Ta xét ảnh hưởng tham số a) Ảnh hưởng điện trở phần ứng : Giả thiết Uư = Uđm = Const Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng ω = LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án điện tử công suất - Tốc độ không tải lý tưởng : ϖ = - Độ cứng đặc tính : β = U dm = st kφ ΔM kφ =− =variable Δϖ Ru + Rf Rf = ta có đặc tính tự nhiên Rf lớn β nhỏ dẫn tới đặc tính dốc Như thay đổi điện trở phụ ta họ đặc tính hìng vẽ ứng với phụ tải Mc , Rf lớn tốc độ giảm người ta sử dụng Phương pháp để hạn chế dòng điện điều chỉnh tốc độ Đặc điển : - Tốc độ n phẳng - Phạm vi điều chỉnh rộng - Vùng điều chỉnh tốc độ nđc < nđm - Việc điều chỉnh tốc độ thực mạch phần ứng có dịng điện lớn , tổn hao vơ ích nhiều , hệ số động giảm b) Ảnh hưởng ca in ỏp phn ng Giả thiết = đm = const, điện áp phần ứng R = const thực tế thờng giảm điện áp LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án điện tử công sut - Tốc độ không tải lý tởng: 0x = - Độ cứng đặc tính cơ: = Ux = variable, U giảm 0x giảm k.dm (k)2 = const Ru ω ω01 ω02 Udm(TN) ω03 U1 ω04 U2 M(I) U3 Nh thay đổi điện áp đặt vo phần ứng động ta đợc họ đặc tính song song với đờng đặc tính tự nhiên Nhận thấy thay đổi điện áp, thực chất l giảm áp mô men ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch động giảm v tốc độ động giảm ứng với phụ tải định Vì phơng pháp ny đợc sử dụng để điều chỉnh tốc độ v hạn chế dòng điện khởi động *.Đặc điểm - Tốc độ điều chỉnh phẳng - Phạm vi điều chỉnh rộng - Vùng điều chỉnh tốc độ nc < nm - Để thực phơng pháp ny ta cần phải có nguồn điện áp thay đổi đợc(bộ biến đổi điện áp điện tử công suất ) c.ảnh hởng từ thông Giả thiết đIện áp phần ứng U = Uđm = const, điện trở phần ứng R = const Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ Ikt động - Tốc độ không tải: 0x = Udm = var kφx n (3) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com (2) Đồ án điện tử cụng sut - Độ cứng đặc tính : = (kx) = var Ru (1) đờng đặc tính tự nhiên đm = (2) ,(3) đòng đặc tính giảm với m = < < Khi giảm 0x tăng , giảm ta có họ đặc tính với 0x tăng dần v độ cứng đặc tính giảm dần ϖ ϖ2 ϖ2 ϖ1 ϖ0 ϖ ϖ1 ϖ0 Mm2 Mnm Mnm M Inm I *.Đặc điểm - Tốc độ phẳng - Phạm vi rộng - Vùng điều chỉnh nđm < n®c - Víi ®iỊu chØnh tèc ®é thùc hiƯn máy kích từ dòng điện nhỏ, tổn hao Ýt, hiÖu suÊt cao ChươngII LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG ÁN 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án điện tử cơng suất -Tính tốn số vịng dây cuộn sơ cấp thứ cấp biến áp xung : ,5 -6 U1.tx = ,8 ≈ (vòng) W1= = ΔB.Sba ,2 , -4 W1 = 24 (vòng ) W2 = Kba II Tính tốn tầng khuyếch đại xung điều khiển : *Ngun lí hoạt động : Khi có xung kích vào cực B T2 T2 mở, làm cho T1 mở theo, dịng điện từ nguồn ni qua cuộn sơ cấp tạo dòng xung cuộn thứ cấp máy biến áp Điod Đ8 dùng để ngăn xung âm vào cực điều khiển Trisistor Diod Đ6 ngắn mạch cuộn sơ cấp máy biến áp xung T khoá lại để chống áp T2 Điện trở R1 có tác dụng hạn chế dịng vào Tranzistror Tính tốn mạch : Tần số xung chùm fxc = 4,167 kHz Chu kì lặp lại xung lưới điện tức 0.02 s 44 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án điện tử cơng suất Như tính : U1= 7,5 V I1= 0,0167 A Chọn nguồn phải có công suất đủ lớn để bù sụt áp điện trở R8 đảm bào cho điện áp U1 nên chọn E = 12 V Căn vào E, I1 ta chọn bóng T1 ZTX300 có tham số sau : ICmax = 0.5 A PCmax = 0.3W UCEmax = 25V βmin = 50 lần Chọn trở R8 thoả mãn khả dẫn dòng tối đa cho phép T1 tức : E 12 = = 24 Ω nên chọn R8 30 Ω R8 > Icmax 0,5 Và chọn loại điện trở cơng suất cơng suất điện trở lớn dịng qua thường xuyên, lớn góc điều khiển nhỏ Kiểm tra độ sụt áp điện trở T1 dẫn dòng : UR8=I1 R8 = 0,0167 30 = 0,5 V U1=E - UR8 = 12 - 0,5 = 11,5 > 7,5 V độ sụt áp điện trở R8 đủ nhỏ để thoả mãn điện áp cuộn dây thứ cấp Tuy nhiên để tăng giá trị xung điện áp ta sử dụng tụ C Khi T đóng tích điện tụ tới giá trị điện áp nguồn Khi T mở tụ C phóng điện trở lại làm cho điện áp U1 tăng lên dẫn tới tăng biên độ xung điện áp Chọn giá trị tụ C cho giai đoạn khoá tụ điện phải kịp nạp tới trị số nguồn nên : t C < b tb khoản thời gian nghỉ xung chùm liền 3.R (khoảng thời gian khơng có xung) coi xung chùm đối xứng thời gian thời gian có xung tức : 1 tb = = = 240μs f xc 4,167.103 240 = 2,67 μF ta chọn tụ C 2,5μF C< 3.30 Chọn T2 dựa vào dòng điện : I 0.0167 ICT2 = IBT1 = = = 0,33.10-3 nhỏ β1 50 Chọn bóng T2 có giá trị sau Kí hiệu BC108 45 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án điện tử công suất Ucemax = 45 V Icmax = 0.2 A βmin = 110 V Với điện trở R7 làm nhiệm vụ hạn chế dịng điện vào bóng T2 ta chọn U vm ax β β E < R < cs I vm ax s I m a x Với s hệ số bão hịa có giá trị từ 1,2 – 1,5 ta lấy s = 1,2 Thay số : 12 50.110.12 < R7 < 0, 01 1, 0,5 Chọn: 1200 Ω Tranzitor thông mạch, nên điện áp vào khâu so sánh 5V Khi điện phần kích từ => khơng có dịng qua làm điot tắt Tranzitor ngắt Điện áp đem so sánh giảm từ 5V 0V, => có tín hiệu khỏi cổng so sánh Tín hiệu khuyếch đại lên nhờ tầng khuyếch đại darlington vào ngắt Rơle mạch lực mạch điều khiển làm cắt điện phần ứng bảo vệ hệ thống 55 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án điện tử công suất Chương VI KIỂM CHỨNG MẠCH THIẾT KẾ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH TINA Vậy ta hoàn thành thiết kế đồ án 56 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án điện tử công suất Lời kết Qua việc thiết kế đồ án giúp em hiểu rõ học mơn Điện tử cơng suất Hiểu ứng dụng thực tế thiết bị công suất đời sống công nghiệp Tuy nhiên nội dung mẻ tầm hiểu biết hạn chế, đồ án nên khơng tránh khỏi sai sót Em mong thầy bảo thêm để hồn thành tốt nhiệm vụ Em xin chân thành cảm ơn 57 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án điện tử cơng suất Tài liệu tham khảo Ngun Bính Điện tử công suất: NXB Khoa Học Kỹ Thuật - H Nội 1996 Cyril W.Lander Điện tử công suất & điều khiển động điện: NXB khoa học vμ kü tht- Hμ Näi 1993 Phan Tư Thơ Thiết kế Máy biến áp điện lực EKTPOP BO A CΠPABO H K ΠO ΠPO∃KT D.A.T.A.DIGEST Power Semiconductors 1998 D.A.T.A.DIGEST Thyristors 1999 H.Schreiber Kü thuËt ®iƯn tư qua s¬ ®å - Hμ Néi 1998 Nguyễn Minh Trí Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn - H Nội 1998 Phạm Quốc Hải Hớng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất 10 Võ Minh Chính - Phạm Quốc Hải - Trần Trọng Minh Điện tử công suất 11 Phạm Văn Bình - Lê Văn Doanh ThiÕt kÕ M¸y biÕn ¸p: NXB Khoa Häc Kü ThuËt - Hμ Néi 1999 58 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... tải l điều chỉnh trơn tốc độ có đảo chiều quay nên ta chọn sơ đồ chỉnh lu cầu pha đốu xứng để thiét kế nguồn cấp điện cho động điện chiều kích từ độc lập có đảo chiều quay l phï hỵp nhÊt 20 LUAN... CB Khi nguồn điện chiều có công suất không dử lớn mạch điện phần ứng v mạch kích từ mắc vo nguồn chiều độc lập nhau, lúc ny động dợc coi l động kích tõ ®éc lËp Ngun lý làm việc Khi đóng động ,... , đặt điện áp Ukt lên dây quấn kích từ dây qn kích từ có dịng điện ik mạch kích từ máy có từ thơng φ , tiếp mạch phần ứng , dây quấn phần ứng có dịng điện i chạy qua tương tác với dòng điện phần