thiết kế bộ biến đổi chỉnh lưu và nghịch lưu phụ thuộc với lưới cung cấp điện cho tàu điện

Do yêu cầu của môn học và nhằm giúp sinh viên làm quen với việc thiết kế một bộ nguồn công suất trong thực tế em đợc giao một đồ án”thiết kế bộ biến đổi chỉnh lu và nghịch lu phụ thuộc v

Lời nói đầu

Chúng ta đang sống trong xã hội công nghiệp việc ứng dụng các thành tựu khoa học vào trong cuộc sống và trong nền sản xuất là rất quan trọng Truyền

động điện có vai trò quan trọng trong sự phát triển của xã hội.Để đáp ứng đợc yêu cầu thực tế các hệ truyền động có khả năng tự động điều khiển và độ chính xác cao chúng ta cần phải có các bộ nguồn điều chỉnh phù hợp với sự phát triển của các hệ truyền động

Phục vụ cho nhu cầu đi lại của nhân dân nhất là trong các thành phố, chống ô nhiễm môi trờng, ách tắc giao thông tầu điện đợc dùng phổ biến trong các nớc phát triển và ngày càng phát triển

Môn học điện tử công suất trong chơng trình học của sinh viên tự động hóa cung cấp những kiến thức quan trọng cho mỗi sinh viên trong các công việc chuyên môn Do yêu cầu của môn học và nhằm giúp sinh viên làm quen với việc thiết kế một bộ nguồn công suất trong thực tế em đợc giao một đồ

án”thiết kế bộ biến đổi chỉnh lu và nghịch lu phụ thuộc với lới cung cấp điện cho tàu điện với các thông số sau

 điện áp nguồn 690VAC +10%,-10% f=50Hz

 điện áp ra 600VDC

 dòng điện 1 chiều định mức 1000A

Trong khuôn khổ của đồ án em xin trình bày những nội dung sau

 giới thiệu tổng quan về công nghệ và chọn phơng án

 phân tích nguyên lý hoạt động của phơng án

 tính chọn phần tử của mạch công suất

 giới thiệu mạch điều khiển cho toàn hệ thống và tính chọn phần tử cơ bản của mạch điều khiển

 giới thiệu các mạch phản hồi

Em xin chân thành cảm ơn thầy đã hớng dẫn em trong quá trình thiết kế

đồ án này

Trong quá trình thiết kế em không tránh khỏi sai sót em mong nhận đợc các ý kiến đóng góp của các thầy giáo và và các bạn để em có đợc thêm kiến thức cho các công việc về sau

Chơng 1 Giới thiệu và phân tích yêu cầu đồ án

I ) Giới thiệu

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất và đời sống ngày càng giữ vai trò quyết định tới các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật, nhng những công nghệ cũ hoặc đang có xu hớng bị thay thế bởi những công nghiệ mới với tính năng u việt hơn Chính sự yêu cầu ngày càng cao do đó mà việc thiết kế công nghệ mới luôn đi kèm với các đòi hỏi rất khắt khe đặc biệt về các chỉ tiêu kĩ thuật Trong các thiết bị sản xuất công nghiệ và sinh hoạt hàng ngày hầu nh không có thiết bị noà không sử dụng năng lợng điện, điều đó một phần nói nên năng lợng điện không thể thiếu trong thế giới văn minh Trong lĩnh vực giao thông năng lợng điện cũng đợc sử dụng

rộng rãi, đặc biệt đợc sử dụng để cấp cho tầu điện một phơng tiện giao thông rất tiện ích, hệ thống tầu điện bao gồm cả một chiều và xoay chiều, sử dụng năng lợng điện từ lới điện thờng từ 600v- 700v lới điện thờng đợc treo trên không dọc theo đờng ray và cấp điện cho hệ thống động cơ thông qua một bộ phận gọi là các cần lấy điện, các cần này phải luôn luôn đảm bảo tiếp xúc tốt với lới điện

Khi mật độ dân c ngày càng tăng thì các phơng tiện giao thông ngày các tăng, đặc biệt là các phơng tiện cá nhân, các phơng tiện này sẽ làm tăng nguy cơ gây ô nhiễm môi trờng cũng nh gây tắc nghẽn giao thông … Do đó chính Do đó chính phủ các nớc trên thế giới đặc biệt là một số nớc phát triển hoặc đang phát triển luôn khuyến cáo ngời dân nên sử dụng các phơng tiện giao thông công cộng và tầu điện sẽ là một trong những phơng tiện giao thông hữu ích bởi do có hệ thống đờng ray riêng nên không có khả năng tắc nghẽn, không gây ô nhiễm, tiếng ồn … Do đó chính Và đặc biệt thích hợp với những khu vực đợc xây dựng có quy hoạch tốt Tuy nhiên bên cạnh những điểm đó, giao thông bằng tầu điện cũng

có một số nhợc điểm nhất định đó là : hệ thống lới điện cấp cho tầu điện sẽ chiếm không gian , có thể gây mất mĩ quan, gây nguy hiểm, hơn nữa nế sử dụng hệ thống tầu điện một chiều nh trong đồ án này thì phải thiết kế nguồn một chiều từ lới xoay chiều do đó kinh phí đầu t tăng lê Sử dụng hệ thống tầu

điện một chiều và hệ thống tầu điện xoay chiều đều có những u điểm, nhợc

điểm riêng và tuỳ vào yêu cầu cụ thể cả chế độ vận hành mà chọn một trong hai loại, cụ thể với loại tầu điện xoay chiều có u điểm là sử dụng năng lợng

điện trực tiếp từ lới điện xoay chiều 3 pha, giá thành không cao, rễ vận hành nhng nhợc điểm lớn nhất vẫn là khả năng điều chỉnh tốc độ, tuy nhiên ngày nay với sự phát triển của các thiết bị bán dẫn điện tử nên khả năng điều chỉnh tốc độ ngày càng đợc cải thiện và sẽ thay thế loại một chiều trong trong tơng lai Với loại tầu điện một chiều tuy có giá thành cao, yêu cầu phải biến đổi năng lợng từ lới điện xoay chiều gây nhiễu thông tin nhng nó có hai u điểm lớn sau :

Thứ nhất, khả năng điều chỉnh tốc độ tốt , hơn nữa dải điều chỉnh tốc độ có thể lớn, điều chỉnh chơn êm, momen khoẻ

Thứ hai, rễ thực hiện hãm tái sinh trả lại năng lợng về lới điện khi thực hiện hãm tái sinh hay có tải thế năng

Hơn nữa sử dụng động cơ điện một chiều sẽ có momen mở máy lớn, quá tải tốt tốc độ biến đổi theo tải trong một vùng rộng( loại có đặc tính cơ mềm )

Do vậi rất tiện khi sử dụng động cơ điện một chiều trong truyền động kéo II) Điều chỉnh tốc độ truyền động điện

Nh đã giới thiệu ở trên, do có yêu cầu cao về hãm tái sinh nên động cơ sử dụng chỉ có thể là động cơ một chiều kích từ độc lập, động cơ điện kích tử song song, hoặc động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp bù Theo yêu cầu đề bài thì việc điều chỉnh tốc độ động cơ thực hiện bằng phơng pháp thay đổi điện áp phần ứng do vậy động cơ điện một chiều thích hợp nhất cho công nghệ là loại kích từ độc lập hoặc kích thích song song làm việc ở chế độ kích thích độc lập

pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Thành lập đặc tính cơ

Từ phơng trình cân bằng điện

dt

dI L R R

I

E

f u u

u

u   (  ) 

khi tải ổn định thì

dt

dI u

= 0 nên

)

u

u

u E I R R

U    =K   I u R u

M R R M

R R K U

I K

R R I

K

R R K U

k k

f u o f

u u

u f u o u

f u u

) ( )

















































Do vậy ứng với các giá trị U khác nhau ta có họ đặc tính sau

Ta thấy khi động cơ làm việc ứng với đặc tính nằm trong góc phần t thứ nhất và thứ ba











 0

0



M

P

I U

P

co

d

Do đó máy điện làm việc ở chế độ động cơ năng lợng từ nguồn đa vào động cơ rồi đến tải khi động cơ làm việc ở góc phần t thứ hai và góc phần t thứ t do













 0

0



M

P

I U

P

co

d

hay E.I > 0

Do đó động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh năng lợng từ tải động năng đến

động cơ đến nguồn

Tơng tự ở trạng thái hãm ngợc động cơ ta có











 0

0



M P

I U

P

co

d

Động cơ tiêu thụ cả công suất điện và công suất cơ tất cả năng lợng đợc biến thành nhiệt năng toả trên điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp

Khi thực hiện hãm động năng ta có đặc tính qua gốc toạ độ , khi đó công suất điện đa vào bằng không động năng trên trục động cơ đợc tiêu tán trên điện trở hãm và ma sát trên trục động cơ dới dạng nhiệt năng

Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ thờng bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do tham gia giao thông trên đờng nên gây ra sai lệch giữa tốc độ thực và tốc độ đặt do vậy để ổn định tốc độ ta phải có vòng phản hồi âm tốc độ Mặt khác dải điều chỉnh tốc độ

Cũng bị hạn chế bởi tốc độ cực đại do độ bền cơ học

( khả năng chuyển mạch vành góp sinh ra tia lửa điện gây guy hiểm )

và yêu cầu về momen khởi động và momen quá tải và về sai số tốc độ làm việc cho phép Đặc biệt ta quan tâm tới tốc độ nhỏ nhất của phạm vi

điều chỉnh

với s2 là sai số tốc độ ứng với

là hệ số quá tải về momen

Khi đó phạm vi điều chỉnh D đợc tính là





min

maxã



D

min



  min 





2

ã 2

2

2 min ( 1 s ) MdmKm ( 1 s ) Mcm









1

1

max





















K

M

M

dm



Sai số tơng đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là :

s

M

dm







 min

Với từng công nghệ thì M dm, omin, scplà xác định nên có thể tính

đ-ợc giá trị tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vợt quá giá trị cho phép và do đó phải xây dựng các hệ truyền động kiểu vòng kính( dạng có hồi tiếp), cụ thể nh trong đồ án ta sử dụng hồi tiếp âm tốc độ

Để điều khiển điện áp phần ứng ta sử dụng hệ thống chỉnh lu/ nghịch lu phụ thuộc - động cơ một chiều sử dụng năng lợng điện biến đổi trực tiếp từ nguồn điện xoay chiều/ trả năng lợng trực tiếp về lới Do vậy hệ thống biến đổi

sẽ bao gồm hai bộ biến đổi mắc song song ngợc, mặt khác do yêu cầu của công nghệ theo đó không có chế độ đảo chiều của động cơ kéo nên một bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lu còn bộ kia sẽ làm việc ở chế độ nghịch lu phụ thuộc, bộ biến đổi phải thiết kế làm việc với tải có công suất lớn, tần số công nghiệp nên ta chọn phần tử thực hiện quá trình biến đổi năng lợng là các Thyristor

Từ đây ta có hai phơng án phổ dụng để thực hiện theo yêu cầu trên

§C

f t

k®

K®

§K

f t

k®

Sơ đồ thực hiện theo nguyên tắc điều khiển chung

) (

Max  

Trong phơng pháp điều khiển này xung điều khiển đồng thời đợc phát vào hai bộ biến đổi I &II, một bộ làm việc ở chế độ chỉnh lu, còn bộ kia làm việc ở chế độ chờ nghịch lu phụ thuộc Trong phơng pháp điều khiển này nếu tính đến góc chuyển mạch  và góc khoá  thì giá trị lớn nhất của góc điều khiển của bộ biến đổi đang ở chế độ nghịch lu đợi phải là:

Và giá trị nhỏ nhất của góc điều khiển bộ biến đổi đang làm việc ở chế độ chỉnh lu là :

Thực tế , do phát xung đồng thời vào cả hai bộ biến đổi nên giá trị điện áp tức thời ở các điểm đầu/cuối của các bộ biến đổi khác nhau nên sẽ xuất hiện dòng điện cân bằng giữa hai bộ biến đổi và để hạn chế dòng điện này bắt buộc phải có các cuộn kháng đặt ở đầu/ cuối các bộ biến đổi gọi là các cuộn kháng cân bằng Để hạn chế dòng điện cân bằng đồng thời giảm bớt kích thớc các cuộn kháng, ngời ta dùng phơng pháp điều khiển chung phi tuyến: , tính toán hợp lý thờng đợc kết quả 1 2 230

O







Nh vậy, sơ đồ thực hiện theo nguyên tắc điều khiển theo nguyên tắc điều khiển chung tuy có u điểm là dòng điện ra tải liên tục nhng nhợc điểm lớn là việc tính toán điều khiển tơng đối phức tạp, mặt khác do có các cuộn kháng cân bằng nên làm tăng kích thớc bộ biến đổi, do đó với những tải không có yêu cầu cao về chất lợng dòng điện nh trong đồ án này thì dùng phơng pháp điều khiển này sẽ không kinh tế

Sơ đồ thực hiện theo nguyên tắc điều khiển riêng

Trong phơng pháp điều khiển này, khi cần bộ biến đổi nào làm việc thì phát xung vào bộ biến đổi đó và để tránh tình trạng phát xung vào cả hai bộ biến đổi cùng một thời điểm thì cần phải xác định xem bộ biến đổi cần khoá đã

đợc khoá chắc chắn rồi thì mới đợc phép phát xung vào bộ biến đổi sẽ cần làm việc, do đó cần có bộ cảm biến dòng điện để xác định dòng điện của bộ biến

đổi cần khoá đã về không hay cha, và sau khi đã nhận biết dòng về không thì phải chờ các Thyristor của bộ biến đổi cần khoá khôi phục tính chất điều khiển thì mới đợc phát xung cho các Thyristor của bộ biến đổi cần làm việc, do vậy phải xây dựng mạch khoá logic để khoá chéo hai bộ biến đổi I&II

Thực hiện theo phơng pháp điều khiển riêng này có u điểm là loại bỏ đợc các cuộn kháng cân bằng nh trong phơng pháp điều khiển chung, thực hiện

điều khiển không phức tạp

Trong đồ án, tải là tầu điện do đó dòng điện tải có thể không cần phải liên tục và theo phân tích trên ta chọn sơ đồ thực hiện theo nguyên tắc điều khiển riêng





min 





1 2

Chơng 2 Nguyên lý hoạt động, đồ thị dòng điện, điện áp và

Biểu thức tính toán

I) nguyên lý hoạt động của sơ đồ

Giả sử khi tải ổn định, khi đó năng lợng điện đợc đa trực tiếp từ lới điện xoay chiều 690V qua bộ biến đổi (I) cấp cho động cơ kéo, lúc này ta đợc giá

phục ảnh hởng của sự thay đổi này đối với tải ta sử dụng vòng phải hồi âm tốc

đảm bảo tốc độ động cơ ổn định Muốn cho truyền động kéo ổn định ở một tốc

độ đặt nào đó trong phạm vi điều chỉnh ta chỉ cần thay đổi giá trị điện áp đặt trong mạch điều khiển

Do ở đây sử dụng phơng pháp điều khiển riêng nên khi bộ biến đổi (I) làm việc thì bộ biến đổi (II) phải đợc khoá và luôn ở chế độ chờ nghịch lu Khi cần thực hiện tái sinh năng lợng trả về lới điện(nh khi hãm, tải thế năng) thì bộ biến

đổi một cần phải khoá lại và bộ biến đổi 2 sẽ đợc làm việc, việc khoá bộ biến

đổi (I) và việc mở bộ biến đổi (II) phải tuân theo nguyên tắc chung của điều khiển riêng, nghĩa là khi bộ biến đổi (I) đang làm việc thì dòng điện chảy vào

động cơ, lúc này muốn thực hiện tái sinh năng lợng khi cần thiết thì ta phải hoặc đổi chiều dòng điện I hoặc đổi chiều suất điện động của động cơ kéo, ở

đây ta không dùng phơng pháp điều chỉnh từ thông mạch kích từ hay có thể đổi chiều quay động cơ sơ cấp nên ta chỉ có thể thay đổi đợc chiều dòng điện I dể

giảm nhanh về không, khi đó bộ cảm biến dòng (I) sẽ phát hiện dòng về không tại tín hiệu mở bộ biến đổi (II) Nhng nh ta đã trình bầy thì khi dòng điện đã về không, bộ biến đổi (I) chỉ khoá chắc chắn sau thời gian khôi phục tính chất

điều khiển của van, do vậy khi có tín hiệu dòng về không thì ta phải thực hiện một thời gian trễ  nào đó ( > toff ) rồi mới phát xung mở bộ biến đổi (II), khi

đó năng lợng cần tái sinh sẽ qua bộ biến đổi (II) trở về lới

II) Đồ thị dòng điện, điện áp trên các phần tử và các nút

III) tìm các biểu thức liên quan

áp Ud trong đó ở Uk0 có 3 chu kỳ, U 0có 3 chu kỳ đối xứng qua trục hoành

Từ đó ta tìm đợc giá trị trung bình điện áp Ud nh sau:

) (cos 6

3

6 5

6

2

2 2

6



















U d

U





từ biểu thức trên ta thấy:

Với

2

0    tađợc 0 U  d U dmax=



U

6

chỉnh lu, động cơ kéo làm việc ở chế độ động cơ Khi đó dòng điện I và suất

điện động E của động cơ ngợc chiều

2   







phụ thuộc, động cơ kéo làm việc ở chế độ hãm tái sinh( dặc tính cơ nằm trên góc phần t thứ hai) khi đó dòng điện I và suất điện động E của động cơ cùng chiều

64 , 0 690

600

2

3

3 2

3 6

3

cos

2 2



















U

U U

Góc mở cho phần nghịch lu phụ thuộc, phụ thuộc vào giá trị tức thời khi nghịch lu của động cơ kéo

Chơng 3 Tính chọn phần tử mạch công suất

I) Chọn van công suất thyristor trên mạch lực

Từ đồ thị dòng điện qua van tìm đợc giá trị dòng trung bình qua van





3

2

0

2

1





 I d

3

max max

I

I tbv  thay số ta tính đợc I tbvmax=333,3(A)

từ đồ thị điện áp đặt lên van ta xác định đợc giá trị điện áp ngợc trên van là

3

690

chọn điều kiện làm mát cỡng bức bằng quạt gió có tốc độ 12m/s và cánh toả

5 , 0

max A

I tbv th



7 , 0

max max U A

U ng  ng th 

từ hai thông số I tbvmaxvàU ngmaxta chọn 12 van TF666 do hãng Thomson chế tạo có các thông số kỹ thuật sau :

Idm=700(A), U ngmax=1400(V)

Ig =0,15(A), Ug =2(V)

dt

du



/ 200

dt

di



/ 200



II) Tính chọn các phần tử bảo vệ

1) Bảo vệ ngắn mạch và quá dòng

Giá trị hiệu dụng dòng điện qua van :

3

2 3

2 3

2 2

2 0

  





=690 V

2) Bảo vệ quá áp

Nguyên nhân: Khi khoá thyristor bằng điện áp ngợc, các điện tích đổi ngợc hành trình, tạo ra dòng điện ngợc trong khoảng thời gian rất ngắn (vài chục

s) Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngợc gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm ( L

dt

di

) Ngoài ra còn có những nguyên nhân ngẫu nhiên nh có sét đánh, dây chảy bị đứt, khi đóng cắt nguồn, khi đó năng l-ợng từ trờng tích luỹ trong các cuộn dây sẽ phóng Để bảo vệ quá áp ta đấu mạch RC song song với van cần bảo vệ

R C

còn làm nhiệm vụ bảo vệ quá điện áp khi chuyển mạch dòng điện từ van này sang van khác

Chọn R = 100 , C = 0.5 F