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 TÀI LIỆU THAM KHẢO 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 ) nc=f (M c ) Ngoài 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 + Rp ) 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 =rư + rct + rcb +rcp Trong đó: - rư điện trở dây quấn phần ứng -rct điện trở tiếp xúc chỗi than phiến góp - rcb điện trở cuộn bù - rcp điện trở cuộn phụ Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay Roto: E= K= N p N πa p ∅ ω=K ∅ ω 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 πn n 9,55 ω= 60 = K =0,105 K Vì vậy: K = e 9,55 Với Từ biểu thức ta rút phương trình đặc tính điện động cơ: Uư Rư + R p ω= K ∅− K ∅ Mặt khác, nhờ lực từ trường tác dụng vào dây dẫn phần ứng có dịng điện, roto quay tác dụng mơmen quay: M =K ∅ Iư suy ra: I = M K ∅ Thay biểu thức I phương trình đặc tính động ta biểu thức: Uư Rư + R p ω= − M K ∅ (K ∅) phường trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Cũng biểu diễn phương trình đắc tính dạng sau: ω=ω −∆ω Trong đó: ω = U gọi tốc độ không tải lý tưởng K∅ R +R ∆ ω= p M gọi độ sụt tốc độ (K ∅) 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 = Uư K∅ 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 thơng số điện U, Rp, ∅ 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 vượt giá trị định mức nên ta thay đổi giảm điện áp U biến đổi; R p =Const; ∅=Const −Rư + Rp =Const K ∅ Suy ra: Uư Tốc độ động thay đổi tỉ lệ thuận với điện áp phần ứng: ω= K∅ 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 + Rưf nên ta thay đổi phía tăng Rưf Suy ra: Rưf biến đổi; U =Const; ∅=Const ; Uư ω= =Const K∅ R +R ω=Const − Tốc độ thay đổi tỷ lệ nghịch với điện trở phụ mạch phần ứng: ưf ( K ∅)2 Hình 1.4: Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập tăng điện trở phụ 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 Suy ra: U =Const; Rư =Const; ∅biến đổi; Uư Rư + Rưf ω=f ( ∅)= − 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 =Ud mà U d =Ud cos α nên ta điều chỉnh góc điều khiển α để đưa xung kích vào làm thay đổi điện áp Ud dẫn đến làm thay đổi điện áp phần ứng Uư , với điện trở phụ từ thơng kích từ khơng đổi làm thay đổi tốc độ động 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, J1 J3 phân cực thuận, J2 bị phân cực ngược Gần toàn điện áp nguồn đặt lên mặt ghép J2, điện trường nội E1 J2 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 hình chạy sang P2 Đến số chúng chảy vào nguồn U Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá g GVHD: TS Nguyễn Quốc Định thành dòng điều khiển I g chảy theo mạch G-J3-K-G, phần lớn điện tử, chịu sức hút điện trường tổng hợp mặt ghép J2, 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 J2 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 dịng chảy qua Có thể hình dung sau: Khi đặt Tiristor điện áp U AK > 0, Tiristor trạng thái sẵn sàng mở cho dòng chảy qua, cịn đợi lệnh - tín hiệu I khiển → Tiristor mở U Ak > Cơng thức: Tiristor khóa + I g > I g cực điều { gst 1V 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 khoảng 10µs g vào cực điều khiển Thời gian mở Tiristor kéo dài 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 dịng 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 J1 J3 bị phân cực ngược, J2 phân cực thuận Những điện tử, trước thời điểm đảo cực tính U AK , có mặt P1, N1, N đảo chiều hành trình, tạo nên dịng điện ngược chảy từ katôt anôt, cực âm nguồn điện áp 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 Thơng Số Của Mạch Điều Khiển: Mạch điều khiển yêu cầu xung mở Tiristor với thông số sau: + Điện áp điều khiển Tiristor : Udk =3 V + Dòng điện điều khiển Tiristor : I dk =0,11 A + Thời gian mở Tiristor : tm=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 + Mức sụt biên độ xung : Sx =0,15 V 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=m U 2=3.3=9 V + Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung: I =I đk =0,11 A + Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I 0,11 =0,037 A I 1= m = + μ Đơ từ thẩm trung bình tương đối lõi sắt: tb = ∆B 0,3 = =8 10 −6 μ0 ∆ 1,25 10 30 H Trong μ =1,25.10−6 H / m độ từ thẩm khơng khí + Thể tích lõi thép cần có: V= = μtb μ0 t x sx U I 103.1,25 167 0,15 0,037 10−12 ∆ B2 0,3 =0,927 cm Chọn mạch từ tích V=1,4 cm3 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 U t x 9.167 10−6 + Số biến vòng sơ cấp W −6 =dây máy áp xung: 1= =186 vòng W 186 ∆B Q 0,3.27 = = 10 + Số vòng dây =62 vòng thứ cấp máy biến áp xung: W I1 S m 0,037 + Tiết 1= mm =0,00617 diện dây = quấ n sơ cấp: J Chọn mật độ dòng điện J =6 A / mm2 + Đường kính dây quấn √ sơ cấp: d = = √ 4.0,00617 S1 =0,0886 mm I2 S π 0,11 π J + Tiết 2= mm=0,0275 diện dây = n thứ cấp: Chọn mật độ dòng điện J =4 A/ mm2 + Đường kính dây quấn √ thứ cấp: d = = √ 4.0,0275 S2 =0,187 mm Chọn d1=0,1 S mm d 19 mm W +S W d π + W π 0,12 186+0,192 62 d W + Hệ số k = lấp d lđ đầy: Như = d (π + ) = 2 122 =0,0 cửa sổ đủ diện tích số cần thiết sau: 2/ Tính tầng khuếch đại cuối cùng: Chọn Tranzito công suất Tr3 loại 2SC9111 làm việc chế độ xung có thơng Tranzito loại NPN, vật liệu bán dẫn Si Điện áp Colecto Bazo hở mạch Emito: UCBO=40 V Điện áp Emito Bazo hở mạch Colecto: U EBO=4 V Dòng điện lớn Colecto chịu đựng: ICmax=500 mA Công 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=I1 =37 mA Dòng làm việc Bazo: I = I C3 = 37 =0,74 mA B3 β 50 Ta thấy Tiristor có cơng suất điều khiển bé: Uđk =3 V , I đk =0,11 A, nên dịng 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 R = 10 E−U = I1 12−9 ≈ 81(Ω) 37 10−3 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: Uv 12 = Iv =12 Ω −3 10 Trong nguồn ni V cc =±12 V điện áp vào A3 U v ≈ 12V Dòng điện vào hạn chế để I lv ∈1 mA R =R =15 k Ω, dịng vào A : Do I ta chọn = vma x 12 =0,8 mA 15.10 6/ Tính chọn khâu đồng pha: Điện áp tựa hình thành nặp tụ C1 Mặt khác để bảo đảm điện áp tựa có nửa chu kỳ điện áp lưới tuyến tính số thời gian tụ nạp T r =R C1 =0,005 s Chọn tụ C1=0,1 μF điện trở R3 thường chọn biến trở lớn 50 k Ω Chọn Tranzito Tr1 loại A564 có thơng số sau: Tranzto loại PNP, làm Si Điện áp Colecto Bazo hở mạch Emito: UCBO =25 V Điện áp Emito Bazo hở mạch Colecto: U EBO=7 V Dịng điện lớn Colecto chịu đựng: ICmax=100 mA Nhiệt độ lớn mặt tiếp giáp: T 1=150 ℃ Hệ số khuếch đại: β=250 Dòng Bazo: làm việc I IC 100 = =0,4 mA B3= β 250 Điện trở R2 để hạn chế dòng điện vào Bazo Tranzito Tr1 chọn: Chọn R cho R ≥ U Nmax ≈ 12 =30 k Ω Chọn R =30 k Ω I 2 B 0,4 10−3 Chọn điện áp xoay chiều đồng pha: U A =9 V Điện trở R1 để hạn chế dịng điện vào khuếch đại thuật tốn A1, thường chọn R1 I cho dòng vào khuếch đại thuật toán v UA ≥ I = =9 k Ω ∈1mA Do R V −3 10 Chọn R1=10 k Ω 7/ Tạo nguồn nuôi: Ta cần tạo nguồn điện áp ± 12V để cấp cho máy biến áp xung nuôi IC, điều chỉnh dòng điện, tốc độ điện áp đặt tốc độ + R _ A + R7 E C + E R R A u1 MB A R _ A +1 B DR 13 T r1 BA X D C _ A +2 U dk R u r Cc R5 _ A +3 D A ND C F R Hình 4-12 : Sơ đồ' nguyên+ ly- mồ+/ t kên+ h điê' u khiê2 n D T r2 D T R1 H ướ ng dẫ n: TS N gu yễ n Q uố D T r3 Si nh vi ên th ực hi ện : Tr ần Vă n 4.2 Tính Chọn Thiết Bị Bảo Vệ Mạch Động Lực: 4.2.1 Bảo vệ nhiệt độ cho van bán dẫn: 1/ Tổn thất công suất Tiristor: ∆ P=∆U I lv=1.6 42,63=68,208 (W ) 2/ Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: 68,028 ∆P = =0,21315( m2) S = m 8.40 Km τ Trong đó: τ độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường Lấy T mt=40 ℃ Chọn T lv cánh tản nhiệt 80℃ Suy τ =T lv−T mt =40 ℃ ( ) w K n hệ số tỏa nhiệt đối lưu xạ Chọn K n=8 m Chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh, kích thước cánh a.b=10.10(cm) Tổng diện tích tản nhiệt cánh: S=12.2.10 10=¿0.24 (m2¿ 4.2.2 Bảo vệ dịng điện cho van: Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ tải ngắn mạch Tiristor, ngắn mạch đầu biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch chế độ nghịch lưu 1/ Chọn aptomat có: I dm=1,1 I ld=1,1 √ 31,1=59,25 ≈ 60( A) Uđm=220(V ) Có tiếp điểm đóng cắt tay nam châm điện Chỉnh định dòng ngắn mạch: I nm=2,5 √3 31,2=134,67 ( A ) Dòng tải: I qt=1,5 I ld=1,5 √3 31,1=80,8(A ) 2/ Chọn cầu dao có dịng định mức: I qt=1,1 √ I ld=1,1 √3 31,1=60( A) Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá Hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Định Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn sửa chữa hệ truyền động 3/ Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch Tiristor ngắn mạch đầu chỉnh lưu: Nhóm 1CC: Dịng điện định mức dây chảy nhóm 1CC I 1CC=1,1 I2=1,1.60,01=66,011( A ) Nhóm 2CC: Dịng điện định mức dây chảy nhóm 2CC I 2CC=1,1 Ihd =1,1.42,63=46,893( A) Nhóm 3CC: Dịng điện định mức dây chảy nhóm 3CC I 3CC=1,1 I d=1,1.73,5=80,85( A) Vậy chọn cầu chảy nhóm: 1CC loại 70A; 2CC loại 50A; 3CC loại 90A 4.2.3 Bảo vệ điện áp cho van: 1/ Bảo vệ điện áp cho van q trình đóng cắt Tiristor thực cách mắc R-C song song với Tiristor Chọn R1=5,1 (Ω); C1=0,25 (Ω) Mạch R-C bảo vệ điện áp chuyển mạch 1/ Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện ta mắc mạch R-C hình vẽ đây: Chọn R2=12,5 (Ω); C1=4 (μF) TÀI LIỆU THAM KHẢO [ ] - Điện tử công suất Tác giả: Lê Văn Doanh (Chủ biên), Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh [ ] - Điện tử công suất Tác giả: Nguyễn Bính [ ] - Máy Điện Tác giả: Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá GVHD: TS Nguyễn Quốc Định ... 2.3 Chỉnh lưu hình tia ba pha 2.3.1 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha Tiristor: Gồm máy biến áp ba pha có thứ cấp nối Y 0, pha Tiristor nối với tải hình vẽ • Điều kiện cấp xung điều khiển chỉnh lưu: ... (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, ... động chỉnh lưu hình tia ba pha có điều khiển – Động chiều Trong hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển - động chiều (T-Đ), biến đổi điện mạch chỉnh lưu điều khiển có điện áp tải U d phụ thuộc