Đồ án điện tử công suất cầu 1 pha - 4T

tài liêu hướng dẫn đồ án

T huyết minh đồ án môn họcTHĐC Mục lục STT NộI DUNG TRANG 1 Lời nói đầu 2 2 Phần I : Phân tích lựa chọn phơng án truyền động điện 4 3 Phần II : Chọn và phân tích mạch động lực 12 4 Phần III : Chọn và phân tích mạch điều khiển 76 5 Phần IV : Tính chọn thiết bị 93 6 Phần V : Xây dựng đặc tính tĩnh 101 7 Phần VI : Thuyết minh sơ đồ nguyên lý 104 8 Tài liệu tham khảo Lời nói đầu Trong công cuộc công nghiệp hoá và hiện đại hoá hiện nay, ngành tự động hoá đóng một vai trò hết sức quan trọng. Việc áp dụng các hệ thống truyền động theo vòng kín nhằm tăng năng suất và tăng hiệu quả kinh tế. Một hệ thống làm việc ổn định thì sẽ cho ra những sản phẩm đảm bảo chất lợng cao. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học, đặc biệt là ngành điện tử công suất. Với việc phát minh ra các linh kiện bán dẫn đã và đang ngày càng đáp ứng đợc các yêu cầu của các hệ thống truyền động. Ưu điểm của việc sử dụng các linh kiện bán dẫn mà làm cho hệ thống trở nên gọn nhẹ hơn, giá thành thấp hơn và có độ chính xác tác động cao hơn. Với nhu GVHD: SVTK: 1 T huyết minh đồ án môn họcTHĐC cầu sản suất và tiêu dùng nh hiện nay, thì việc tự động hoá cho xí nghiệp trong đó sử dụng các linh kiện gọn nhẹ là một nhu cầu hết sức cấp thiết. Sau gần 4 năm học tập và nghiên cứu ở trờng, em đã đợc làm quen với các môn học thuộc ngành . Để áp dụng lý thuyết với thực tế trong học kỳ này chúng em đợc giao đồ án môn học tổng hợp hệ điện cơ với yêu cầu Thiết kế hệ thống truyền động Van - Động cơ với các yêu cầu cho trớc sử dụng bộ biến đổi chỉnh lu có điều khiển cầu 1 pha 4T . Với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hớng dẫn Đào Thanh và các thầy giáo trong bộ môn, đến nay đồ án của em đã đ- ợc hoàn thành. Bản đồ án của em gồm hai phần chính : Phần thuyết minh : gồm 6 phần : 1. Phân tích lựa chọn phơng án truyền động điện . 2. Chọn và phân tích mạch động lực . 3. Chọn và phân tích mạch điều khiển. 4. Chọn thiết bị . 5. Xây dựng đặc tính tĩnh . 6. Thuyết minh sơ đồ nguyên lý . Phần bản vẽ : gồm 3 bản vẽ khổ A 0 1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống. 2. Giản đồ dòng, điện áp trên mạch động lực và mạch điều khiển. 3. Đặc tính tĩnh hệ thống. Do kiến thức chuyên môn còn hạn chế, các tài liệu tham khảo có hạn, nên đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong đợc sự chỉ bảo, góp ý của các thầy,cô giáo cùng các bạn để bản đồ án của em đ- ợc hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn, cảm ơn thầy Đào Thanh đã giúp đỡ em để bản thiết kế hoàn thành đúng thời hạn. Thái Bình, ngày Tháng năm 2007 Sinh viên thiết kế GVHD: SVTK: 2 T huyết minh đồ án môn họcTHĐC phần I : phân tích lựachọn phơng án truyền động điện *Khái niệm chung: * Nội dung: - Để thiết kế hệ thống truyền động cho một đối tợng truyền động ta phải căn cứ vào đặc điểm công nghệ của nó, căn cứ vào chỉ tiêu chất lợng mà đa ra phơng án hợp lý. Với mỗi một đối tợng truyền động có thể thực hiện bằng các truyền động khác nhau. Mỗi phơng án đều có những u nhợc điểm của nó, nói chung phơng án đa ra cần đảm bảo các yêu cầu của đối t- ợng cần truyền động. Phải đảm bảo đợc các chỉ tiêu về mặt kỹ thuật cũng nh về mặt kinh tế, trong đó chỉ tiêu kỹ thuật là quan trọng hàng đầu. Thông thờng một hệ thống tốt hơn về mặt kỹ thuật cũng nh tốn kém hơn về mặt kinh tế. Do vậy tuỳ thuộc yêu cầu chất lợng và độ chính xác của sản phẩm ta cho chọn hệ thống truyền động điện nhằm đa ra một hệ thống đảm bảo yêu cầu mong muốn. * ý nghĩa: - Việc lựa chọn phơng án truyền động điện có ý nghĩa rất quan trọng. Nó liên quan đến chất lợng sản phẩm cũng nh ảnh hởng đến hiệu quả kinh tế của sản xuất. Nếu nh lựa chọn đúng thì chúng ta có thể tăng năng xuất làm việc, hạn chế đợc những hành trình thừa, chất lợng sản phẩm sẽ tốt hơn, do đó hiệu quả kinh tế sẽ cao hơn. Kết quả sẽ hoàn toàn ngợc lại nếu ta lựa chọn không đúng và nó còn gây ra tổn thất không ngờ trớc. * phơng án lựa chọn: GVHD: SVTK: 3 T huyết minh đồ án môn họcTHĐC - Muốn chọn đợc hệ thống phù hợp với yêu cầu chúng ta phải đa ra các phơng án có thể đáp ứng đợc yêu cầu kỹ thuật sau đó đánh giá những u nhợc điểm mà chọn cho hợp lý. I. chọn phơng án truyền động điện: -Để thiết kế hệ thống truyền động điện ngời thiết kế phải đa ra nhiều phơng án khác nhau. Rồi sau đó so sánh các phơng án trên hai phơng diện kinh tế và kỹ thuật để chọn ra phơng án tối u nhất. Phơng án tối u nhất là phơng án đáp ứng đợc yêu cầu đề ra đồng thời là phơng án đảm bảo về mặt kỹ thuật và chi phí thấp nhất. I.1 : phân tích chọn động cơ truyền động và phơng án điều chỉnh tốc độ - Động cơ là thiết bị truyền chuyển động chính cho máy sản xuất , là đối tợng điều khiển của hệ thống điều khiển tự động truyền động điện việc chọn động cơ một cách hợp lý có một vị trí hết sức quan trọng trong công việc thiết kế hệ thống truyền động điện , động cơ đợc chọn phải thoả mãn các điều kiện công nghệ yêu cầu, phải phụ thuộc tính chất công suất của tải đồng thời phải thoả mãn các yếu tố sao cho tổn hao ít, giá thành hạ, hoạt động tin cậy, chi phí vận hành hàng năm nhỏ, lắp đặt thay thế dễ, sửa chữa đơn giản, để chọn động cơ quay chi tiết ta xét lần lợt các loại động cơ : Trong công nghiệp động cơ dùng trong hệ truyền động điện gồm hai loại : - Động cơ điện xoay chiều : Chia là hai loại : + Động cơ không đồng bộ : bao gồm động động cơ không đồng bộ roto lồng sóc và động cơ không đồng bộ roto dây quấn . + Động cơ đồng bộ . - Động cơ điện một chiều : Chia làm ba loại : + Động cơ một chiều kích từ độc lập . + Động cơ một chiều kích từ nối tiếp . + Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp . Sau đây ta sẽ đi nghiên cứu đặc điểm của từng loại cũng nh các phơng pháp điều chỉnh tốc độ của chúng . I.1.1: Động cơ điện xoay chiều : I.1.1.1 : Động cơ không đồng bộ GVHD: SVTK: 4 T huyết minh đồ án môn họcTHĐC - Đợc sử dụng rộng rãi trong thực tế, u điểm là cấu tạo đơn giản, đặc biệt là loại rô to lồng sóc. So với máy điện một chiều thì giá thành hạ vận hành tin cậy trực tiếp dùng điện lới không cần dùng các thiết bị biến đổi khác nhợc điểm là điều khiển và khống chế các quá trình quá độ khó khăn, với động cơ lồng sóc thì chỉ tiêu khởi động xấu hơn. đc r f hình 1 i 1 i 2 u f i à x 1 r 1 x 2 r' 2 / s x à r à n m m th r f = 0 r f # 0 n 1 hình 2 hình 3 Hình 1 : Sơ đồ nguyên lý động cơ không đồng bộ Hình 2 : Sơ đồ thay thế Hình 3 : đặc tính cơ Ngời ta đã chứng minh đợc phơng trình đặc tính cơ : GVHD: SVTK: 5 SX S R R s R U M nm f + + = 2 2 , 1 2 , 3 T huyết minh đồ án môn họcTHĐC Trong đó : U f : là giá trị hiệu dụng của điện áp pha sta to R 2 , ,R 1 : là điện trở rô to và stato đã quy đổi S : hệ số trợt của động cơ Hệ số trợt tới hạn X nm =X 1 + X 2 : là điện kháng ngắn mạch là tổng trở của điện kháng tản sta to và rô to đã quy đổi Cũng có thể viết : Stha Sth S S Sth SthaMth M 2 ).1.(.2 ++ + = Trong đó : ).(.2 .3 2 1 2 11 2 nmXRR U Mth f + = Với Xnm = X1+X2 : là điện kháng ngắn mạch Mth : Mô men tới hạn a = R1/R2 : Hệ số phụ thuộc sơ đồ nối mạch của động cơ Sth = R2/Xnm : hệ số trợt tới hạn 1 1 =S : Hệ số trợt . Từ phơng trình đặc tính cơ ta đa ra các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ nh sau : - Thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ . - Thay đổi điện áp U khi tần số f = const . - Thay đổi điện trở mạch roto . - Thay đổi công suất trợt ( thay đổi số đôi cực ) . a. Thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ . - Sức điện động của động cơ đợc cho bởi công thức sau : U1 = E = 4,44.W1.f1.Kdq1. = C.f1. => = U1/C.f1 (*) Giả sử f = fcb = 50Hz , U1 = const. GVHD: SVTK: 6 1 1 = S nm th X R S 2 = T huyết minh đồ án môn họcTHĐC + Nếu điều chỉnh f > fcb : Từ (*) ta thấy khi f tăng thì giảm ( vì U = const) muốn giữ cho mômen không đổi ( M = K. .I2.cos = const ) thì I2 phải tăng lên I2 > I2đm . Nh vậy sẽ làm cho mạch từ non tải và dây quấn roto quá tải . + Nếu điều chỉnh cho f < fcb : Từ (*) ta thấy khi f giảm thì tăng dòng từ hoá I tăng mạch từ bão hoà , cos giảm , tổn hao lớn , nhiệt độ tăng quá nhiệt độ cho phép . Do vậy khi điều chỉnh tần số ( dùng bộ biến tần ) ngời ta thờng đi kèm với việc thay đổi điện áp để giữ cho = const điều này rất phức tạp . b. Thay đổi điện áp U khi f = const . đc r f đaxc n m m th r f = 0 r f # 0 n 1 m th1 m th2 -Vì mômen động cơ tỉ lệ bình phơng điện áp vì vậy khi thay đổi điện áp đặt vào stato sẽ thay đổi đợc mômen và thay đổi đợc tốc độ . Để điều chỉnh đợc điện áp phải có bộ biến đổi điện áp xoay chiều ( ĐAXC ) thông thờng không áp dụng điều chỉnh U cho động cơ roto lồng sóc vì Sth của đặc tính cơ tự nhiên là nhỏ . Với động cơ roto dây quấn khi điều chỉnh điện áp cần nối thêm Rf mạch roto để mở rộng phạm vi điều chỉnh Phơng pháp điều chỉnh điện áp mạch roto chỉ thích hợp với những truyền động mà mômen tải là hàm tăng theo tốc độ nh quạt gió , bơm li tâm c. Thay đổi tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở mạch rôto . GVHD: SVTK: 7 T huyết minh đồ án môn họcTHĐC n 1 rf # 0 rf = 0 mth m n Ta có thể điều chỉnh trơn điện trở mạch roto bằng các van bán dẫn , u thế là dễ tự động hoá việc điều chỉnh . Điện trở trong mạch roto động cơ đợc xác định theo biểu thức . Rr = Rrd + Rf . Trong đó : Rrd : Điện trở mạch dây quấn roto . Rf : Điện trở ngoài mắc thêm vào mạch roto . Khi thay đổi điện trở mạch roto thì mômen tới hạn của động cơ không thay đổi và độ trợt tới hạn tỉ lệ bậc nhất với điện trở . S = Si.Rr/Rrd Trong đó : S : Độ trợt khi điện trở mạch roto là Rr . Si : : Độ trợt khi điện trở mạch roto là Rrd . Mặt khác : Si RrdI Rrd Rr Si RrrI S RrrI M . 3 .3 . .3 1 2 1 2 1 2 === Khi thay đổi điện trở mạch roto thì mômen thay đổi => tốc độ thay đổi . Thông thờng chọn Rf ở chế độ dài hạn , chọn bằng vật liệu có nhỏ . Phơng pháp này làm tăng tổn hao , do đó giảm hiệu suất . Với máy điện không đồng bộ rô to dây cuốn, ta có thể dùng phơng pháp thay đổi điện trở mạch phần ứng để thay đổi tốc của nó. Ưu điểm là kết cấu bộ biến đổi rất đơn giản nhng nó có nhợc điểm là ở vùng tốc độ thấp do hệ số trợt S lớn nên gây tổn hao nhiều. P s = P đt . S d. Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh công suất trợt ( thay đổi số đôi cực ) . GVHD: SVTK: 8 T huyết minh đồ án môn họcTHĐC n m m th n 1 p = 1 p = 2 n = n1.(1-s) =f1.(1-s)/p Khi thay đổi p thì n thay đổi . Tuy nhiên việc thay đổi p sẽ làm cho tốc độ bị nhảy cấp và việc điều chỉnh là không trơn. I.1.1.2: Động cơ đồng bộ . - Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ nh hình vẽ - Hình 1 : sơ đồ nguyên lý - Hình 2 : đặc tính cơ đc + - n 0 m th m n Hình 1 Hình2 - Động cơ đồng bộ sử dụng cho hệ truyền động yêu cầu độ ổn định tốc độ cao . Động cơ đồng bộ thờng dùng cho các máy bơm , quạt gió , các hệ truyền động của nhà máy luyện kim . - Ưu điểm là có độ ổn định tốc độ cao hệ số cos và hiệu suất lớn , vận hành có độ tin cậy cao . - Mạch stato tơng tự động cơ không đồng bộ , mạch roto có cuộn kích từ và cuộn dây khởi động . - Khi đóng điện động cơ làm việc với tốc độ không đổi và bằng tốc độ đồng bộ . GVHD: SVTK: 9 T huyết minh đồ án môn họcTHĐC p f 1 1 2 = (1) Trong phạm vi mômen cho phép M<Mmax đặc tính cơ là tuyệt đối cứng. M>Mmax thì tốc độ động cơ sẽ mất đồng bộ . Từ (1) ta thấy khi thay đổi f thì sẽ thay đổi đợc tốc độ do đó cấu trúc của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ bao giờ cũng có bộ biến tần kèm theo . Với máy đồng bộ thì bộ biến đổi cũng là bộ biến tần, nên hệ thống cũng phức tạp và đắt tiền nh bộ biến đổi của động cơ Rôto lồng sóc. Mặt khác do công nghệ là yêu cầu có chất lợng cao nếu sử dụng máy điện đồng bộ thì thời gian mở máy sẽ lâu và tốn nhiều thời gian nh vậy thì năng suất lao động không cao. I.1.2 : Động cơ một chiều . - Đặc điểm chung của động cơ điện một chiều là hoạt động tin cậy, có mô men lớn, điều chỉnh tốc độ đơn giản hơn máy điện xoay chiều, nhng nhợc điểm là giá thành đắt . Động cơ một chiều có 3 loại chính : + Động cơ một chiều kích từ độc lập . + Động cơ một chiều kích từ nối tiếp . + Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp . Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp ít dùng vì vậy ta sẽ đi nghiên cứu hai loại trên . I.1.2.1 : Động cơ một chiều kích từ nối tiếp . - Với động cơ một chiều kích từ nối tiếp ta có cuộn dây kích từ đợc ghép nối tiếp với phần ứng . - Phơng trình đặc tính cơ điện : KC R IKC U = . Phơng trình đặc tính cơ . 2 KCIM KC R KCM U = = GVHD: SVTK: 10 [...]... những sơ đồ chỉnh lu sau đây : - Với sơ đồ chỉnh lu hình tia : + Tia 1 pha + Tia 2 pha GVHD: 21 SVTK: T huyết minh đồ án môn họcTHĐC + Tia 3 pha + Tia 6 pha + Tia 12 , 24 pha ( rất ít gặp ) - Với sơ đồ chỉnh lu hình cầu : + Cầu 1 pha : 4T hoặc 2T + 2D hoặc 4D + 1T + Cầu 3 pha : 6T hoặc 3T + 3D Sau đây ta sẽ đi nghiên cứu từng sơ đồ cụ thể Ii .1. 1 Sơ đồ nối dây hình tia - Số van chỉnh lu bằng số pha nguồn... = U (0) 3 [1 + cos( + / 6)] IL (5 / 6 ) 2 I = d 3( / 6) 2 I Ttb = I D0 ii .1. 2 : Sơ đồ nối hình cầu : Phổ biến hiện nay là sử dụng sơ đồ cầu 1 pha và 3 pha - Sơ đồ chỉnh lu cầu 1 pha : có nhiều cách mắc GVHD: 25 SVTK: T huyết minh đồ án môn họcTHĐC t4 t1 d1 t1 t2 t3 d2 t2 đ đ ckt ckt Hình a Hình b t2 d4 d2 t1 d1 d2 d1 d3 đ đ ckt ckt Hình c Hình d + Sơ đồ hình a ( Sử dụng 4T : Cầu 1 pha điều khiển... đồ điện áp mạch động lực : Sơ đồ chỉnh luu cầu một pha dùng 4T không có điốt D0 iT1 t1 u1 * * t3 ud u2 iT4 t4 GVHD: iT3 i T2 t2 id 31 + SVTK: T huyết minh đồ án môn họcTHĐC Ud U2 0 -U2 T1T2 v1 T3T4 v2 T1T2 v3 T3T4 v4 T1T2 v5 ?t iT1T2 0 iT3T4 ?t 0 ?t UT1T2 0 v2 v1 v4 v3 v5 ?t Giản đồ điện áp , dòng điện mạch động lực Nguyên lý hoạt động tơng tự nh sơ đồ cầu 3 pha đã trình bày nhng những phần sức điện. .. SVTK: T huyết minh đồ án môn họcTHĐC - Do yêu cầu công nghệ đòi hỏi không đảo chiều quay và sử dụng bộ chỉnh lu hình cầu 1 pha điều khiển toàn phần dùng 4T Vi vậy ta sử dụng sơ đồ cầu 1 pha 4T II.2 : Phân tích mạch động lực : Do yêu cầu đề tài là thiết kế bộ biến đổi dùng sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha có D0 Nên ta sẽ phân tích mạch động lực nh sau : Sơ đồ nguyên lý mạch động lực : Sơ đồ nguyên lý mạch... sơ đồ tạo điện áp răng ca đợc điều khiển bởi điện áp, gọi là điện áp đồng bộ hoá 1- Mạch đồng bộ hoá và phát sóng răng ca - Ta có thể sử dụng các mạch R - C hay L - C để tạo các mạch đồng bộ Xong kiểu mạch này có sự liên kết trực tiếp về điện giữa 2 mạch động lực và điều khiển nên ít đợc sử dụng - Ta dùng mạch đồng bộ là một máy biến áp có công suất nhỏ để tạo ra các điện áp đồng bộ phù hợp với yêu cầu. .. nên sơ đồ chỉnh lu tia 3 pha và cầu 3 pha là phổ biến nhất Do yêu cầu công nghệ đòi hỏi phải đảo chiều quay nên 2 sơ đồ trên đều giải quyết tốt vấn đề trên bằng cách mắc song song ngợc hai bộ biến đổi hoặc đấu chéo - Trong 2 loai sơ đồ hình tia 3 pha và hình cầu 3 pha Sơ đồ hình tia 3 pha đơn giản hơn sử dụng ít T hơn nên đỡ tốn kém hơn Điện áp chỉnh lu trên sơ đồ cầu 3 pha là lớn hơn , dạng điện. .. lu , D1 D2 có vai trò nh D0 ) Các dạng điện áp ra có dạng gần giống nhau , để tổng quát ta phân tích nguyên lý hoạt động sơ đồ hình a Giản đồ điện áp và dòng điện nh hình vẽ GVHD: 26 SVTK: T huyết minh đồ án môn họcTHĐC Ud U2 0 -U2 T1T2 v1 T 3T 4 v2 T1T2 T3T4 v3 v4 T1T2 v5 iT1T2 0 iT3T4 0 UT1T2 0 v2 v1 v4 v3 v5 + Giả sử trớc thời điểm v1 T3 , T4 vẫn dẫn dòng Từ t = 0ữv1 và từ t = v2ữv3, u1 > 0 và... T huyết minh đồ án môn họcTHĐC t1 t3 t5 rd a b ld ud c ed t4 t6 t2 Sơ đồ điều khiển toàn phần : t1 t3 t5 rd a b ud c ld ed d2 d6 d4 Sơ đồ điều khiển bán phần Ta sẽ phân tích sơ đồ điều khiển toàn phần : - BA : Là máy biến áp cung cấp cho sơ đồ chỉnh lu Trong sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha thì cũng không cần sử dụng biến áp nếu nguồn cung cấp có điện áp phù hợp với yêu cầu sơ đồ và không yêu cầu cách ly giữa... Ut3=Ut4=0; Ud=-U2; UT1=UT2=U2; iT1=iT2=0 Từ t = v1ữv2 thì 2 van T1và T2 dẫn dòng: iT1=iT2=id=Id; Ut3=Ut4=-U2; Ud=U2; UT1=UT2=0; iT3=iT4=0 Đến t = thì u1 = 0 nhng T1 và T2 vẫn dẫn dòng do có điện áp tự cảm trên L => Điện áp trên tải nh hình vẽ ud = 2 2 + U m sin td t = U (0) cos = 2 2 U 2 = 0,9U 2 IL 2 U ath max = U ang max = 2U 2 I aT = * Sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha : Có thể sử dụng một trong 2 sơ đồ sau... v2 t3 v3 1 0 iT 2 0 iT 3 0 uT 1 0 GVHD: 24 SVTK: T huyết minh đồ án môn họcTHĐC Từ giản đồ điện áp ta thấy luôn tồn tại một phần điện áp âm Hoạt động đợc tóm tắt nh sau: - Giả sử tại thời điểm t = +/6 thì T3 dẫn dòng , T1 , T2 khoá Tại thời điểm v1 uac > 0 đồng thời cho xung vào T1 mở , T3 đặt điện áp ngợc nên khoá lại , T2 vẫn khoá ,ud = ua - Đến t = , ua = 0 và chuyển sang âm , nhng T1 vẫn mở