Đề tài " Thiết kế chỉnh lưu cầu 3 pha điều kiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập " Chương 1&2 docx

Em được giao nhiệm vụ” THIẾT KẾ CHỈNH LƯU CẦU 3 PHA ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP ”.. 1.1.1 Khái quát chung: Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc đ

Lời nói đầu

Sự bùng nổ của tiến bộ khoa học kỹ thuật trong cạc lỉnh vực điện, điện tử, tin học trong nhửng năm gần đây đả ảnh hưởng sâu sắc cả về lý thuyết và thực tiển và ứng dụng rộng rải có hiệu quả cao trong rất nhiều lỉnh vực khác nhau Đặc biện là lỉnh vực điều khiển tự động và các dây truyền công nghiệp thép kín

ra đời trong đó có lỉnh vực điều khiển động cơ điện.

Điều khiển động cơ điện một chiều là một lỉnh vực không mới và được ứng dụng rất nhiều trong thực tế công nghiệp sản xuất, có khá nhiều các phương điều khiển Trong giới hạn đồ án môn học vận dụng các linh kiện điện tử đơn giản và các phương pháp điều khiển được học Em được giao nhiệm vụ” THIẾT KẾ CHỈNH LƯU CẦU 3 PHA ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP ”.

Nội dung đề tài bao gồm các chương:

 Chường I: Tổng quan về động cơ điện một chiều và cá phương pháp điều chỉnh tốc độ.

 Chương II: Tổng quan về bộ chỉnh lưu cầu 3 pha Thiết kế sơ đồ nghuyên lý hệ chỉnh lưu động cơ điện một chiều (hệ T-D) kích từ độc lập.

 Chương III: Tính toán và thiết kế mạch động lực.

 Chương IV: Tính toán thiết kế mạch điều khiển và mạch bảo vệ.

Do lần đầu tiên làm đồ án, kiến thức còn hạn chế nên đồ án không tránh khỏi những sai xót Mong thây cô và các bạn giúp đồ án của em hoàn thiện hơn

Với sự giúp đở hết sức tận tình của các thầy cô giáo trong khoa đặc biệt là

cô giáo TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH Đã giúp em hoàn thành nhiệm vụ này một cách tốt nhất.

Em xin chân thành cảm ơm!

Giáo viên hướng dẩn Sinh viên thực hiện

Trương Thị Bích Thanh Lê Xuân Trung

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ VÀ CÁC

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ

1.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU.

1.1.1 Khái quát chung:

Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục trọng mộtphạm vi rộng và trong nhiều trường hợp cần có đặc tính cơ đặc biệt, thiết bị đơngiản hơn và rẻ tiền hơn các thiết bị điều khiển của động cơ ba pha.Vì một số ưuđiểm như vậy cho nên động cơ điện một chiều được sử dụng rất phổ biến trongcông nghiệp, trong giao thông vận tải…

1.1 2 Cấu tạo của độn cơ điện một chiều.

Động cơ điên một chiều chia thành 2 thành phần chính:

+ lỏi thép phần ứng: dùng để dẩn từ, thường dùng những tấm thép kỷ thuật điệndày 0.5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòngđiện xoáy gây lên.

Trong máy điện nhỏ lỏi thép phần ứng được ép trực tiếp vào trục còn tong máyđiên lớn giửa trục và lỏi sắt có giá roto

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua, nóthường được làm bằng đồng bọc cách điện

Cổ góp: dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều

Cơ cấu nối than: dùng để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài

1.1.3 phân loại động cơ điện một chiều.

Cũng như máy phát, động cơ điện củng được phân loại theo cách kích thích từ

thành các động cơ sau:

- Động cơ điện kích từ độc lập:

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có quộn kích từ được câp điện từ mộtnguồn điện ngòai độc lập với nguồn điện cấp cho mạch phần ứng

- Động cơ kích từ nối tiếp:

Động cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng

- Động cơ kích từ hổn hợp:

Gồm 2 dây quấn kích từ: dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếptrong đó dây quấn kích từ song song là chủ yếu

1.1.4 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng códòng điện Iư Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực Fđttác dụng làm cho rôto quay

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau, do cóphiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảođộng cơ có chiều quay không đổi

Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sức điện động Eư

Ở động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nênsức điện đông Eư còn được gọi là sức phản điện

Phương trình điện là: U E u R I u. u

1.1.5.phơng trình đặc tính cơ:

Để điều khiển được tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì ta phảiphân tích, tìm các mối quan hệ giữa tốc độ với các thông số khác của động cơ để

từ đó đưa ra phương pháp điều khiển Động cơ điện một chiều kích từ độc lập thìdòng kích từ độc lập với dòng phần ứng.Vì được nuôi bởi hai nguồn một chiềuđộc lập với nhau.

Hình 1-1 Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập

Theo hình 1 ta viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng :

Trong đó : rư điện trở cuộn dây phần ứng (Ω) )

Rcf: Điện trởcuộn cực từ phụ(Ω) )

Rb: Điện trở cuộn bù ( Ω) )

Rct: Điện trở tiếp xúc chổi điện (Ω) )

• Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thưc sau:

u 2

PN E

a





(2) Trong đó : p : Số đôi cực từchính

N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

a : Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

: Từ thông kích từ dưới mỗi cực từ(wb)

ω: Tốc độ góc (rad/s)

K = 2 πaa PN : Hệ số cấu tạo động cơ

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/ phút) thì

Nếu bỏ qua tổn thất trong các ổ trục, tổn thất tự quạt mát và tổn thất trong thép thìmômen cơ trên trục của động cơ bằng mômen điện từ, ta ký hiệu là M, tức là :

Không xét đến ảnh hưởng của phản ứng phần ứng ngang trục làm giảm từ thông

Ø của động cơ tức là xem Ø=const thì quan hệ ω=f(M,I) là tuyến tính

Hình 1-2 đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Inm, Mnm: được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch

Mặt khác : phương thình đặc tính (4) và (6) cũng có thể viết dưới dạng:

0 2

tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vị tương đối với điều kiện từ thông làđịnh

Từ(4) và (6) ta viết đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vị tương đối

ω*=1- R*I* (13)

ω∗= 1- R*M∗(14)

• Công suất (năng lượng điện)

Từ phương trình lý tưởng : IU =(Eư+IRư)I (16)

Ta có Pđiện=Pđt+ΔΡ

Trong đó Pđt = IEư công suất điện từ

ΔP =I2Rư tổn hao công suất cơ trên điện trở phần ứng

Thực tế :Pđiện=Pđt+ ΔPư+ ΔP0 (17)

Với ΔP0 tổn hao ma sát do sự quay

Từ biểu thức (4) hoặc (6) ta thấy ω là một hàm phụ thuộc R, Ø,U : 〈ω=f(R,Φ,U)

do đó để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập

có ba phương pháp điều khiển sau :

- Điều khiển điện trở phụ phần ứng

- Điều khiển từ thông kích từ

- Điều khiển điện áp phần ứng

Sau đây ta xem xét từng phương pháp điều khiển một

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

1.2.1 Phương pháp điều khiển bằng điện trở phụ phần ứng (Rf):

•Nguyên lý điều chỉnh:

Nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng

Ta đã phân tích ở trên nên ta có ω= f〈Rf, Økt, U, giả thiết rằng :Nếu giữØ=Øđm=const ; U= Uđm= const; Rư=const thì ω=f(Rf)

Muốn thay đổi được giá trị Rf của mạch phần ứng bằng cách nối tiếp một điệntrở phụ(Rf) thay đổi được giá trị vào mạch phần ứng Lúc này ta có : R = Rư+ Rf

U

t k







(18)

Như vậy khi thay đổi Rf cho ta một họ đặc tính như sau:

Hình 1-3 : Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ở những điện

trở phụ khác nhau

•Nhận xét: Nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời Inm và Mnm

cũng giảm Phương pháp này được dùng để hạn chế dòng điện động cơ khi khởiđộng

- Ưu điểm : Đơn giản , dễ thực hiện

- Nhược điểm : + Độ cứng đặc tính cơ thấp

+ Tổn thất năng lượng trên điện trở lớn

thay đổi Økt, mà từ thông kích từ do dòng kích từ sinh ra

Vậy để điều chỉnh Økt ta mắc thêm biến trở Rv vào mạch kích từ, khi điều chỉnh

Økt ta phải tuân theo điều kiện sau

Không thể tăng dòng kích từ Ikt lớn hơn dòng định mức của cuộn dây kích từ vì

nó phá hỏng cuộn kích từ và khi Økt = Øđm đã bảo hòa rồi, nếu muốn tăng Ikt thì

Økt cũng không tăng đáng kể nên ta điều chỉnh bằng cách giảm Økt

•Trong trường hợp này ta có:

- Tốc độ không tải lý tưởng: 0 ar

dm x

U v k

k

v R



Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế hường điều chỉnh giảm từ thông Nên khi

từ thông giảm thì ωx tăng, còn β sẽ giảm Ta có đồ thị đặc tính cơ với ωx tăng dần

và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông

Hình 1-5 : Đặc tính cơ và cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ

độc lập khi giảm từ thông

Từ đồ thị ta nhận thấy khi từ thông thay đổi vơi Øđm>Ø1 >Ø2ta có:

- Dòng điện ngắn mạch :I nm= ¿ U dm

R u =const

- Mô men ngắn mạch: Mnm = kØxInm = var (Mnm > Mnm1 > Mnm2)

Từ đồ thị đặc tính ta thấy ω0<ω1<ω2.Vậy phương pháp điều chỉnh từ thông làphương pháp điều chỉnh trên tốc độ cơ bản

•Các chỉ tiêu chất lượng khi giảm từ thông Økt

- Tốc độ không tải lý tưởng: I nm= ¿ U dm

K ∅ x tăng

+ Tốc độ lớn nhất ωmax bị giới hạn bởi độ bền cơ khí và điều kiện chuyển mạch củađộng cơ

- Ưu điểm: Công suất mạch điều chỉnh nhỏ, tổn thất năng lượng nhỏ

- Cũng có thể sản xuất những động cơ giới hạn điều chỉnh 1:5 thậm chí đến 1:8nhưng phải dùng những phương pháp khống chế đặc biệt, do đó cấu tạo và cộngnghệ chế tạo phức tạp khiến cho giá thành của máy tăng lên

1.2.3 Phương pháp điều khiển động cơ điện mợt chiều kích từ độc lập bằng thay đổi điện áp phần ứng:

Giả thiếtØ = Øđm=const; Rư=const; (Rf=0), M = const Lúc này ω= f(Uư)

Khi thay đổi điện áp phần ứng ta có:

- Tốc độ không tải lý tưởng: 0 ar

u U v k



 

Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng cho ta một họ các đặc tính sau

Với Uđm>U1>U2>U3>………>Ui

Hình 1-6 : Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

khi điện áp phần ứng thay đổi

Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ songsong với đặc tính tự nhiên.

•Nhận xét :

- Ưu điểm : + không gây ồn

+ Không gây tổn hao phụ trong động cơ+ Dải điều chỉnh rộng D ≈10 : 1

+Độ cứng đặc tính cơ không đổi trong tồn dải điều chỉnh + Dễ tự động hóa

- Nhược điểm: + phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn có thể thay đổitrơn điện áp ra

Hình 1-7 : Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh động cơ

Bộ biến đổi dùng để biến đổi điện áp xoay chiều của lưới điện thành một chiều

và điều chỉnh được giá trị điện áp đầu ra theo yêu cầu Điện trở trong của bộ biếnđổi Rbđ phụ thuộc vào loại thiết bị, vì thông thường công suất của bộ bến đổi vàđộng cơ xấp xỉ bằng nhau nên Rbđ cũng có giá trị đáng kể so với Rư của động cơ

Từ sơ đồ nguyên lý ta có sơ đồ thay thế

Hình 1-8 : Sơ đồ thay thế nguyên lý điều chỉnh động cơ

Từ sơ đồ thay thế ta có phương trình cân bằng điện áp

Trong đó Øđm là từ thông định mức của động cơ, Øđm= const

Tốc độ không tải lý tưởng

Trong đó : ka là hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi

Uđk là điện áp điều khiển

Từ phương trình (23) và (24) ta có đồ thị đặc tính được biểu diễn như sau.

Hình 1-9 : Đồ thị đặc tính cơ điện khi Ubđ thay đổi

Từ đồ thị ta thấy, khi Ubđ thay đổi thì ta có những tốc độ không tải lý tưởng khácnhau, còn độ cứng đặc tính cơ không đổi và đặc tính điều chỉnh dốc hơn đặc tính

tự nhiên

•Nhận xét :

- Điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào, kể cả không tải lý tưởng , đặc tính

cơ điều chỉnh tuy mềm hơn đặc tính tự nhiên nhưng cứng hơn phương pháp dùngbiến trở và thay đổi Økt

- Điều khiển phước tạp, vốn đầu tư lớn nhưng nó là phương pháp tốt hơn so vớihai phương pháp trên

• Kết luận : Sau khi phân tích ba phương pháp điều khiển nêu trên thì phươngpháp điều khiển bằng thay đổi điện áp phần ứng là tốt hơn cả Cho nên em chọnphương pháp làm phương pháp nguyên cứu cho đề tài của em

1.3 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP BẰNG THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP PHẦN ỨNG.

- Hiện nay trong công nghiệp người ta thường sử dụng ba loại bộ biến đổi sau: + Bộ biến đổi máy phát điện một chiều

+ Bộ biến đổi xung áp một chiều

+ Bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển

- Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi đó ta có các hệ truyền động sau: + Hệ máy phát – động cơ( F – Đ)

+ Hệ điều chỉnh xung áp – động cơ( XA – Đ)

+ Hệ chỉnh lưu Tiristo – động cơ( T – Đ)

Chương II

TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU HÌNH CẦU 3 PHA.

THIẾT KẾ SƠ ĐỒN NGHUYÊN LÝ HỆ THỐNG CHỈNH LƯU ĐỘNG CƠ

ĐIỆN 1 CHIỀU(hệ T- Đ) KÍCH TỪ ĐỘC LẬP.

2 TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU THYRISTOR HINH CẦU 3 PHA.

2 1 giới thiệu về thyristor.

Thyristor là linh kiện gồm 4 lớp bán dẩn P1-N1-P2-N2 liên tiếp tạo nên ba cực:anot A, catot K và cực điều khiển G(gate) Tại ba vị trí tiếp xúc nhau của các lớp

P1-N1-P2-N2 tạo nên các lớp tiếp giáp J1,J2,J3

Về lý thuyết có hai loại thyristor:

- Thyristor kiểu N hay thyristor có cực điều khiển G nối với vùng N gần anot

Hình 2-1 thyristor

- Thyristor kiểu P hay thyristor có cực G nối với vùng P gần catot

- Hoạt động của thyristor:

- Thyristor làm việc ở ba trạng thái: đóng – mở – khóa

UBR: điện áp ngược đánh thủng

UBO: điện áp tự mở của thyristor

UTO: điện áp rơi trên Thyristor

IL latching

IH dòng duy trì

Hình 2-2 Sơ đồ đặc tính làm việc của thyristor

+ thyristor khóa nếu UAK < 0 và sẻ vẩn kháo nếu ta cho UAK > 0

+ thyristor chuyển qua trạng thái từ khóa sang dẩn nếu đồng thời đảm bảo 2điều kiện: UAK > 0, và có dòng điều khiển IG đủ mạnh( về cả công suất vàthời gian) Khi thyristor đã dẩn nếu ngắt dòng điều khiển đi( cho IG=0) nó sẻvẩn dẩn chừng nao dòng điện qua nó lớn hơn một giá trị gọi là dòng duytrỳ

- Trong thực tế người ta sử dụng thyristor kiểu N nhiều hơn

2.2 CHỈNH LƯU THYRISTOR CẦU 3 PHA.

2.2.1 sơ đồ chỉnh lưu cầu thyristor cầu 3 pha.

Hình 2- 2 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha

Hình 2-3 Dạng sóng chỉnh lưu cầu 3 pha

2.2.2 Các tham số chính của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha:

- giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu.

- Công suất tính toán mạch MBA nguồn: Sba = 1,05.Pd

- Hệ sơ đồ mạch cảu điện áp chỉn lưu Kđm = 0,057 sơ đồ chỉnh lưu 3 pha( Hgồm 6 thyristor chia than hai nhóm)

- Hoạt động của sơ đồ

Giả thiết T5 và T6 đang cho dòng chảy qua VF = U2C ,VG = U2b khi

6 +α cho sung điều khiển mở T2 Thyristor này mở vì khi T6

dẩn dòng, nó đặt U2b nên anot T2 mà U2b > U2c sự mở của T2 làm cho T6 bịkhóa lại một cách tự nhiên U2b > U2c

Các sung điều khiển lệch nhau πa3 được lần lượt đưa đến cực điều khiển củacác thyristor theo thứ tự 1,2,3,4,5,6,1,2…

Trong mổi nhóm khi 1 Thyristor mở nó sẻ khóa ngay thyristor dẫn dòngtrước nó

Nhược điểm của nó là sụt áp trong mạch van gấp đôi sơ đồ hình tia nên khôngphù hợp vơi điện áp ra tải dới 10V

2.2.3 Hiện tượng trùng dẫn

Giả sử T1 , T2 đang dẫn dòng Khi θ = θ1 cho xung điều khiển mở T3 , do Lc ≠

0 nên iT3 không thể tăng đột ngột từ 0 → Id và dòng iT1 cũng không thể giảm đột

F G

T1 T4

β T6

T5 T2

Lc

ea eb ec

Lc Lc

Dòng điện chạy trong T1 là iT1 = Td - Ic ;

Dòng điện chạy trong T3 là iT3 = ic ;

Giả thiết quá trình trùng dẫn kết thúc khi θ = θ2 và ký hiệu μ = θ2 – θ1 là góc trùng dẫn

Khi θ = μ , iT1 = 0 , ta có biểu thức sau :

cosα – cos(μ + α) =

2 X c .I d

√6 U2 (2-6)Hình dạng điện áp tải Ud trong giai đoạn trùng dẫn trong khoảng θ1 → θ2 T2 dẫn dòng , T1 , T3 trùng dẫn dòng Vậy có thể viết các phương trình sau :

Do trùng dẫn ( Lc ≠ 0) nên trị trung bình của điện áp tải bị giảm đi một ∆Uμ ,

và được xác định như sau :