Thiết Kế Bộ Chỉnh Lưu Ba Pha Hình Tia - Động Cơ Điện Một Chiều Có Đảo Chiều

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỀ TÀI: TÊN ĐỀ TÀI : “Thiết Kế Bộ Chỉnh Lưu Ba Pha Hình Tia Động Cơ Điện Một Chiều Có Đảo Chiều” Người hướng dẫn :TS NGUYỄN QUỐC ĐỊNH Sinh viên thực :TRẦN VĂN KHÁ Số thẻ sinh viên :10517010 Nhóm HP / Lớp :17Nh29A/ 17D2 Ngành :Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá GVHD: TS Nguyễn Quốc Định MỤC LỤC MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH ẢNH DANH SÁCH CÁC BẢNG .4 CHƯƠNG 1: Tổng Quan Về Động Cơ Một Chiều 1.1 1.1.1 Mục cấp Error! Bookmark not defined 1.1.2 Mục cấp Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 2: ĐỀ MỤC CHƯƠNG HAI Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN CHUNG .1 TÀI LIỆU THAM KHẢO Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá GVHD: TS Nguyễn Quốc Định CHƯƠNG 1: Tổng Quan Về Động Cơ Một Chiều Và Các Phương Pháp Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Một Chiều Và Lựa Chọn Phương Án Thiết Kế 1.1 Tổng Quan Về Động Cơ Một Chiều 1.1.1 Phân loại Động điện chiều chia thành nhiều loại theo bố trí cuộn kích từ: + Động chiều kích từ độc lập + Động chiều kích từ song song + Động chiều kích từ nối tiếp + Động chiều kích từ hỗn hợp 1.1.2 Ưu nhược điểm động chiều - Ưu điểm: + Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ + Có nhiều phương pháp hãm tốc độ Nhược điểm: + Tốn nhiều kim loại màu, việc chế tạo bảo quản khó khăn + Giá thành đắt loại máy điện khác 1.1.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động: Hình 1 Sơ đồ nguyên lý động điện chiều kích từ độc lập 1.2 Đặc Tính Cơ Của Máy Điện Một Chiều: Quan hệ tốc độ mơmen động gọi đặc tính động cơ: ω=f ( M ) Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá Hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Định Quan hệ tốc độ moomen máy sản xuất gọi đặc tính máy sản xuất: ω=f (M c ) n c =f (M c ) Ngồi đặc tính cơ, động điện chiều người ta cịn sử dụng đắc tính điện, đặc tính điện biểu diễn quan hệ tốc độ dòng điện mạch động cơ: ω=f ( I ) n=f (I ) 1.2.1 Phương trình đặc tính cơ: Theo sơ đồ ngun lý hình (1.1) ta viết phương trình cân điện áp mạch phần ứng sau: U =Eư + ( Rư + R p ) I Trong đó:- U điện áp phần ứng (V) - Eư sức điện động phần ứng (V) - Rư điện trở mạch phần ứng - R p điện trở phụ mạch phần ứng - I dòng điện phần ứng đông Rư =r + r ct + r cb +r cp Trong đó: - r điện trở dây quấn phần ứng -r ct điện trở tiếp xúc chỗi than phiến góp - r cb điện trở cuộn bù - r cp điện trở cuộn phụ Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay Roto: Eư = K= p N ∅ ω=K ∅ ω πa p.N hệ số kết cấu động πa ∅ - từ thông qua cực từ p - số dôi cực từ N - số dẫn tác dụng cuộn ứng a - số mạch nhánh song song cuộn ứng Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vịng/phút) thì: Eư =K e ∅ n Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá Hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Định Với ω= πn n = 60 9,55 Vì vậy: K e = K =0,105 K 9,55 Từ biểu thức ta rút phương trình đặc tính điện động cơ: ω= U Rư + R p − K∅ K∅ Mặt khác, nhờ lực từ trường tác dụng vào dây dẫn phần ứng có dịng điện, roto quay tác dụng mômen quay: M =K ∅ I suy ra: I = M K∅ Thay biểu thức I phương trình đặc tính động ta biểu thức: ω= U Rư + R p − M K ∅ ( K ∅ )2 phường trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Cũng biểu diễn phương trình đắc tính dạng sau: ω=ω 0−∆ ω Trong đó: ω 0= Uư gọi tốc độ không tải lý tưởng K∅ ∆ ω= Rư + R p (K ∅) M gọi độ sụt tốc độ Giả sử phản ứng phần ứng bù đủ, từ thơng ∅=Const , phương trình đặc tính có dạng hàm bậc Y=B+A.x, nên đường đặc tính hệ tọa độ MO ω đường tuyến tính bậc với độ dốc âm Đường đặc tính cắt trục tung O ω điểm có tung độ ω 0= Uư K∅ Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá Hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Định Hình 1.2: Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập 1.2.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ: Từ phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập ω=f ( M ) ta thấy đường đặc tính phụ thuộc vào thông số điện U, R p , ∅ nên có ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động 1.2.2.1 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng: Vì giá trị điện áp khơng thể vượt giá trị định mức nên ta thay đổi giảm điện áp U biến đổi; R p =Const ; ∅=Const Suy ra: −Rư + R p =Const K∅ Tốc độ động thay đổi tỉ lệ thuận với điện áp phần ứng: ω= Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá Uư K∅ Hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Định Hình 1.3: Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập giảm điện áp U 1.2.2.2 Phương pháp thay đổi điện trở mạch phần ứng: Vì tổng trở mạch phần ứng ∑ Rư =Rư + R ưf nên ta thay đổi phía tăng Rưf Rưf biến đổi; U =Const ; ∅=Const ; Suy ra: ω 0= Uư =Const K∅ Tốc độ thay đổi tỷ lệ nghịch với điện trở phụ mạch phần ứng: ω=Const − R + Rưf ( K ∅) Hình 1.4: Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập tăng điện trở phụ Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá Hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Định 1.2.2.3 Phương pháp thay đổi từ thơng kích từ: Để thay đổi từ thơng ∅ ta thay đổi dịng kích từ nhờ biến trở Rkt , tăng Rkt nên dịng kích từ giảm, dẫn đến từ thông giảm so với từ thông định mức U =Const ; Rư =Const ; ∅ biến đổi; Suy ra: ω=f ( ∅ ) = U Rư + Rưf − K ∅ (K ∅)2 Hình 1.5: Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập thay đổi từ thông Vậy để điều chỉnh tốc độ động ta có ba phương pháp đề tài thiết kế mạch chỉnh lưu hình tia ba pha cấp cho động chiều, không đảo chiều em chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cách thay đổi điện áp phần ứng Bởi vì: U =U d mà U d =U d cos α nên ta điều chỉnh góc điều khiển α để đưa xung kích vào làm thay đổi điện áp U d dẫn đến làm thay đổi điện áp phần ứng U , với điện trở phụ từ thơng kích từ khơng đổi làm thay đổi tốc độ động Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá Hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Định CHƯƠNG 2: Tổng Quan Về Bộ Chỉnh Lưu Tiristor Ba Pha Hình Tia Thiết Kế Sơ Đồ Nguyên Lý Hệ Thống Chỉnh Lưu - Động Cơ Điện Một Chiều (Hệ T-Đ) Không Đảo Chiều 2.1 Tổng Quan Về Tiristor: 2.1.1 Giới thiệu điôt: Điôt linh kiện bán dẫn gồm lớp bán dẫn loại P N ghép lại với Đầu nối với bán dẫn loại P gọi Anot (A), đầu nối với bán dẫn loại N gọi Katot (K) Hình 2.1: Cấu tạo ký hiệu Điơt 2.1.2 Cấu tạo Tiristor: Tiristor linh kiện bán dẫn gồm lớp bán dẫn loại P N ghép xen kẽ tạo nên cực Anot, Katot cực điều khiển G Hình 2.2: Cấu tạo ký hiệu Tiristor 2.1.3 Nguyên lý hoạt động: Khi đặt Tiristor điện áp chiều, Anot vào cực dương Katot vào cực âm nguồn điện áp, J J phân cực thuận, J bị phân cực ngược Gần toàn điện áp nguồn đặt lên mặt ghép J 2, điện trường nội E1 J có chiều hường từ N P2 Điện trường tác động chiều với E1 , vùng chuyển tiếp vùng cách điện mở rộng ra, khơng có dịng điện chảy qua Tiristor đặt điện áp thuận 2.1.4 Điều kiện mở Tiristor: Nếu cho xung điện áp dương U g tác động vào cực G (dương so với K), điện tử từ N chạy sang P2 Đến số chúng chảy vào nguồn U g hình Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá GVHD: TS Nguyễn Quốc Định thành dòng điều khiển I g chảy theo mạch G- J 3-K-G, phần lớn điện tử, chịu sức hút điện trường tổng hợp mặt ghép J 2, lao vào vùng chuyển tiếp này, chúng tăng tốc độ, động lớn lên, bẻ gãy liên kết nguyên tử silic, tạo nên điện tử tự Số điện tử giải phóng lại tham gia bắn phá nguyên tử Si vùng chuyển tiếp Kết phản ứng dây chuyền làm xuất ngày nhiều điện tử chảy vào N 1, qua P1 đến cực dương nguồn điện ngoài, gây nên tượng dẫn điện ạt J trở thành mặt ghép dẫn điện, điểm xung quanh cực G phát triển toàn mặt ghép với tốc độ khoảng 1cm/100 µ s Điện trở thuận Tiristor, khoảng 100kΩ trạng thái khóa, trở thành khoảng 0,01Ω Tiristor dẫn cho dòng chảy qua Có thể hình dung sau: Khi đặt Tiristor điện áp U AK > 0, Tiristor trạng thái sẵn sàng mở cho dịng chảy qua, cịn đợi lệnh - tín hiệu I g cực điều khiển Cơng thức: Tiristor khóa + { U Ak > 1V I g > I gst → Tiristor mở Trong I gst giá trị dịng điện điều khiển ghi sổ tay tra cứu Tiristor Thời gian mở t on thời gian cần thiết để thiết lập dịng điện chảy Tiristor, tính từ thời điểm phóng dịng I g vào cực điều khiển Thời gian mở Tiristor kéo dài khoảng 10µs 2.1.5 Điều kiện khóa Tiristor: Một Tiristor mở diện tín hiệu điều khiển I g khơng cịn cần thiết Để khóa Tiristor có hai cách: - Giảm dòng điện làm việc I xuống giá trị dịng trì I H (Holding current) - Đặt điện áp ngược lên Tiristor (biện pháp thường dùng) Khi đặt điện áp ngược lên Tiristor U AK < 0, hai mặt ghép J J bị phân cực ngược, J phân cực thuận Những điện tử, trước thời điểm đảo cực tính U AK , có mặt P1, N 1, N đảo chiều hành trình, tạo nên dịng điện ngược chảy từ katơt anơt, cực âm nguồn điện áp Lúc đầu q trình, từ t đến t 1, dịng điện ngược lớn, sau J J trở nên cách điện Cịn lại điện tử bị giữ lại hai mặt ghép J J 3, tượng Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá Hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Định Lu=γ U dm 30 220.30 =0,25 =1,59(mH ) π ρ n dm I dm π 1500 73,5 γ=0,25 hệ số lấy cho động có cuộn bù Điện cảm cuộn kháng lọc: Lk =L−Luc=25,18−3,39=21,79(H ) 3.3.4 Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc: 1/Do điện cảm cuộn kháng lớn điện trở bé, ta coi tổng trở cuộn kháng xấp xỉ điện kháng cuộn kháng: ' −3 Z k =X k =2 π f Lk =2 π 50.21,79 10 =20,54(Ω) 2/Điện áp xoay chiều rơi cuộn kháng lọc: ∆ U =Z k I 1m √2 =20,54 7,35 =106,75(V ) √2 3/Công suất cuộn kháng lọc: S=∆ U In √2 =106,75 7,35 =554,8(VA ) √2 4/Tiết diện cực từ cuộn kháng lọc: Q=k Q √ √ S 554,8 =5 =9,6 (cm ) ' 3.50 f Chuẩn hóa tiết diện trụ theo kích thước có sẵn Chọn Q=4,25(cm2 ) 5/Với tiết diện trụ Q=4,25(cm2 ) Chọn loại thép 330A, thép dày 0,35 (mm), a=20 mm ,b=25 mm 6/Chọn mật độ từ cảm trụ BT =0,8 T 7/Khi có thành phân điện xoay chiều chạy qua cuộn kháng cuộn kháng xuất sức điện động Ek : ' Ek =4,44 W f BT Q Gần ta viết : Ek =∆ U =106,75 (V) W= ∆U 106,75 = =¿ Lấy W= ' −4 4,44 f BT Q 4,44.3.50 0,8 4,25 10 8/Dòng điện chạy qua cuộn kháng: i (t )=I d + I dm cos ( θ+φ1 ) Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá Hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Định Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng: √ ( ) I 1m I k= I d + =√ ❑ √2 9/Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng: J=¿ 10/Tiết diện dây quấn cuộn kháng: Sk = Ik ❑ = J ❑ Chọn dây tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B Chọn Sk =¿ Theo phụ lục 9, chọn kích thước dây: Tính lại mât độ dòng điện: J= a k b k =¿ Ik =¿ Sk 11/Chọn hệ số lấp đầy: K lđ = W Sk =¿ Qcs 12/Diện tích cửa sổ: Q cs = W Sk =¿ K lđ 13/Tính kích thước mạch từ: Qcs =c h h a Chọn m= =3 , suy h=3.a=3 c= Q cs =¿ h 14/Chiều cao mạch từ: H=h+a=¿ 15/Chiều dài mạch từ: L=2 c +2 a=¿ 16/Chọn khoảng cách từ từ gông tới cuộn dây: h g=2(mm) 17/Tính số vịng dây lớp: W 1= h−2 hg =¿ bk Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá Hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Định 18/Tính số lớp dây quấn: n1 = W ❑ = W1 ❑ Mỗi lớp có vịng 19/Chọn khoảng cách điện dây quấn với trụ: a 01 =¿ Cách điện lớp cd 1=0,1(mm) 20/Bề dày cuộn dây: Bd =( a k + cd ) n1 =¿ 21/Tổng bề dày cuộn dây: Bd ∑ ❑=Bd + a01=¿ 22/Chiều dài vòng dây cùng: l 1=2 ( a+b )+ π a01=¿ 23/Chiều dài vịng dây ngồi cùng: l 2=2 ( a+b ) +2 π (a ¿ ¿ 01+ B d )=¿ ¿ Chiều dài trung bình vịng dây: l tb = l1 +l ❑ = ❑ 24/Điện trở dây quấn 75 ° C : R=ρ75 l tb W =0,02133 ❑ ❑ Sk Ta thấy điện trở bé nên giả thiết ban đầu bỏ qua điện trở 25/Thể tích sắt: V Fe=2 a b h+a b L=a b ( h+ L )=¿ 26/Khối lượng sắt: M Fe =V Fe mFe=¿ 27/Khối lượng đồng: M Cu=V Cu mCu =S k l tb W mCu =¿ Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá Hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Định CHƯƠNG 4: Tính Chọn Các Phần Tử Mạch Điều Khiển, Mạch Bảo Vệ 4.1 Tính Tốn Các Thông Số Của Mạch Điều Khiển: Mạch điều khiển yêu cầu xung mở Tiristor với thông số sau: + Điện áp điều khiển Tiristor : U dk =3 V + Dòng điện điều khiển Tiristor : I dk =0,11 A + Thời gian mở Tiristor : t m=150 μs + Độ rộng xung điều khiển : t x =167 μs , tương ứng với 3° điện + Tần số xung điều khiển : f x =3 kHz + Độ đối xứng cho phép : ∆ ∝=4 ° + Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U =±12 V : S x =0,15 V + Mức sụt biên độ xung 1/ Tính biến áp xung: Chọn vật liệu làm lõi sắt Ferit HM Lõi có dạng hình xuyến, làm việc phần đặc tính từ hóa có: ∆ B=0,3T ;∆ H=30 A /m ,khơng có khe hở khơng khí + Tỷ số biến áp xung: Thường chọn m=3 + Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U 2=U đk =3 V + Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U 1=mU 2=3.3=9 V + Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung: I 2=I đk =0,11 A I m + Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I 1= = 0,11 =0,037 A ∆B 0,3 =8 103 + Đơ từ thẩm trung bình tương đối lõi sắt: μtb = μ ∆ H = −6 1,25 10 30 Trong μ0 =1,25.10−6 H /m độ từ thẩm khơng khí + Thể tích lõi thép cần có: V= μtb μ t x s x U I ∆B = 103 1,25 167 0,15 0,037 10−12 =0,927 cm 0,3 Chọn mạch từ tích V=1,4 cm Với thể tích ta có kích thước mạch từ a=4,5 mm; b=6 mm; Q=27 mm2 ; d=12 mm; D=21 mm Chiều dài mạch từ l=5,2 cm Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá Hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Định + Số vòng dây sơ cấp máy biến áp xung: W 1= U t x 9.167 10−6 = =186 vòng ∆ B Q 0,3.27 10−6 + Số vòng dây thứ cấp máy biến áp xung: W 2= + Tiết diện dây quấn sơ cấp: S1= W 186 = =62 vòng m I 0,037 = =0,00617 mm J1 Chọn mật độ dòng điện J 1=6 A /mm2 √ √ + Đường kính dây quấn sơ cấp: d 1= + Tiết diện dây quán thứ cấp: S2= S1 4.0,00617 = =0,0886 mm π π I 0,11 = =0,0275 mm J2 Chọn mật độ dòng điện J 2=4 A/ mm √ √ + Đường kính dây quấn thứ cấp: d 2= Chọn d 1=0,1mm ; d 2=0,19 mm + Hệ số lấp đầy: k lđ = S W + S2 W (π + d2 ) = S2 4.0,0275 = =0,187 mm π π d 12 W 1+ d 22 W d2 = 0,12 186+0,192 62 =0,03 122 Như cửa sổ đủ diện tích cần thiết 2/ Tính tầng khuếch đại cuối cùng: Chọn Tranzito công suất Tr3 loại 2SC9111 làm việc chế độ xung có thơng số sau: Tranzito loại NPN, vật liệu bán dẫn Si Điện áp Colecto Bazo hở mạch Emito: U CBO =40 V Điện áp Emito Bazo hở mạch Colecto: U EBO=4 V Dòng điện lớn Colecto chịu đựng: I Cmax =500 mA Cơng suất tiêu tán Colecto: Pc =1,7 W Nhiệt độ lớn mặt tiếp giáp: T 1=175 ℃ Hệ số khuếch đại: β=50 Dòng làm việc Colecto: I C 3=I =37 mA Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá Hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Định Dòng làm việc Bazo: I B 3= I C3 37 = =0,74 mA β 50 Ta thấy Tiristor có cơng suất điều khiển bé: U đk =3 V , I đk =0,11 A , nên dòng Colecto-bazo Tranzito Tr3 bé nên khơng cần Tranzito Tr2 mà có đủ cơng suất điều khiển Tranzito Chọn nguồn cấp cho máy biến áp xung: E=+12 V Với nguồn E=12 V ta phải mắc them điện trở R10 nối tiếp với cực Emito TR3, R1 R10 = E−U 12−9 = ≈ 81(Ω) −3 I1 37 10 Tất Diode mạch điều khiển dùng loại 1N4009, có tham số: +Dịng điện định mức: I đm=10 mA +Điện áp ngược lớn nhất: U N =25V +Điện áp Điode mở thông: U m =1V 3/ Chọn cổng AND: Toàn mạch điều khiển phải dùng cổng AND nên ta chọn IC 4081 họ CMOS Mỗi IC 4081 có bốn cổng AND Nguồn ni IC : V cc =3÷ V , ta chọn V cc =12V Nhiệt độ làm việc: −40℃ ÷ 80 ℃ Điện áp ứng với mức logic là: ÷ 4,5 V Dịng điện: U v 12 = =12 Ω I v 10−3 Trong nguồn ni V cc =±12 V điện áp vào A3 U v ≈ 12V Dòng điện vào hạn chế để I lv