Thiết kế bộ chỉnh lưu động cơ một chiều

Thiết kế bộ chỉnh lưu động cơ một chiều

Lời nói đầu Ngày nay,cùng với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ ứng dụng cơng nghiệp nói chung cơng nghiệp điện tử nói riêng.Những thiết bị điện tử cơng suất lớn đời trở nên thông dụng,cần thiết sống việc nắm bắt,am hiểu rõ thiết bị kỹ sư điện buộc Sự đời, phát triển nhanh chóng ngày hồn thiện linh kiện điện tử, bán dẫn công suất lớn Diode, Thyristor, Triac, Tranzitor đặc biệt vi xử lí tạo bước đột phá làm thay đổi cách sâu sắc, toàn diện thúc đẫy mạnh mẽ phát triển thiết bị, hệ thống thiết bị điện- điện tử, hệ thống điều khiển… Đối với sinh viên khoa điện nói chung đặc biệt sinh viên ngành tự động hóa chúng em việc nắm vững lí thuyết mơn học Điện Tử Công Suất biết cách ứng dụng chúng vào thực tế điều quan trọng Hiện động chiều công nghệ sử dụng rộng rãi công nghiệp, tự động hóa nhà máy xí nghiệp cơng nghiệp Ở học kỳ em thầy cô giao cho đồ án mơn học có đề tài là: Thiết kế chỉnh lưu động chiều Được hướng dẫn, bảo tận tình cuả thầy mơn đặc biệt hướng dẫn trực tiếp thầy Tạ Duy Hà, emđã hoàn thành đồ án thời gian quy định Mặc đù em cố gắng nhiều việc tìm hiểu thiết kế đồ án trình độ có hạn nên đồ án khơng thể tránh khỏi sai sót, mong đóng góp ý kiến thầy bạn để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Chương 1: Công nghệ 1.1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc, phân loại phương trình động chiều: 1.1.1: cấu tạo - Cấu tạo động điện gôm stator, rotor hệ thống chổi than vành góp - Stator(phần cảm) bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn gồm bối dây dặt rãnh lõi sắt động nhỏ phần ứng nam châm vĩnh cửu - Rotor(phần ứng) gồm thép kĩ thuật điện ghép lại cí rãnh để dặt phần tử dây quấn phần ứng điện áp đưa vào phần ứng qua hệ thống chổi than vành góp - Chổi than vành góp có chức để đưa điện áp cấp vào phần ứng động đổi chiều dòng điện cuộn dây phần ứng số lượng chổi than số cực từ 1.1.2: Nguyên lý làm việc động chiều: -Khi có dịng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh lõi sắt non, cạnh phía bên cực dương bị tác động lực hướng lên, cạnh đối diện lại bị tác động lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái Các lực gây tác động quay lên cuộn dây, làm cho rotor quay Để làm cho rô to quay liên tục chiều, cổ góp điện làm chuyển mạch dịng điện sau vị trí ứng với 1/2 chu kỳ Chỉ có vấn đề mặt cuộn dây song song với đường sức từ trường Nghĩa lực quay động cuộn dây lệch 90o so với phương ban đầu nó, Rơ to quay theo quán tính -Trong máy điện chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối nhiều phiến góp khác cổ góp Nhờ dòng điện lực quay liên tục khơng bị thay đổi theo vị trí khác Rơ to -Các phương trình bản: (tài liệu tham khảo 6) E= KΦ.ω ω o= Uư KΦ Uư= E+Rư.Iư β= ¿ ¿ ∆ ω= M= KΦ Iư Rư M ( KΦ) Uư ω= Mnm= Rư KΦ Uư Rư + K Φ ( K Φ) Uư Inm= Rư Với - Φ: Từ thông cực (Wb) - Iư, Uư, Rư : dòng điện, điện áp, điện trở phần ứng (A), (V), (Ω) - β độ cứng đặc tính - ∆ ω Độ sụt tốc - ω o tốc độ không tải lý tưởng -w: tốc độ động cơ(rad/s) - M: moment động (Nm) - K: số, phụ thuộc cấu trúc động 1.1.3: Phân loại động chiều: - Căn vào số pha: có động pha, 3pha( ta xét loại này) - Căn vào phương pháp kích từ:  Động điện kích từ nam châm vĩnh cửu  Động điện kích từ độc lập nghĩa phần ứng phần kích từ cung cấp hai nguồn riêng rẽ  Động chiều kích từ nối tiếp: cuộn dây kích từ mắc nối tiếp với phần ứng  Động điện chiều kích từ song song: cuộn dây kích từ mắc song song với phần ứng  Động chiều kích từ hỗn hợp: gồm có hai cuộn dây kích từ: cuộn mắc nối tiếp phần ứng, cuộn lại mắc song song với phần ứng 1.2: Khái niệm chung, phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều: 1.2.1: Khía niệm chung: Điều khiển tốc độ yêu cầu tất yếu máy sản xuất Ta biết hầu hết máy địi hỏi có nhiều tốc độ , tùy theo công việc, điều kiện làm việc mà ta lựa chọn tốc độ khác để tối ưu hóa q trình sản xuất Muốn có tốc độ khác ta thay đổi cấu trúc học tỉ số truyền thay đổi chình động truyền động 1.2.2: Các phương pháp điều chỉnh tốc độ: - Có nhiều phương pháp để điều chỉnh tốc độ động chiều như:     Điều chỉnh điện áp phần ứng động Điều chỉnh điện áp phần kích từ Thay đổi điện trở phụ phần ứng Ngồi ta cịn thay đổi số đối cực số vòng dây động cách ảnh hưởng đến thông số cách thay đổi khó khăn chi phí lớn nên ta không sử dụng cách a: Điều chỉnh điện áp phần ứng: - Nếu giữ Φ= Φdm=const; Rư=const thay đổi điện áp theo hướng giảm so với điện áp định mức, ta được: Uư - Tốc độ không tải: ω0= K Φdm giảm Uư giảm - Độ cứng động cơ: β= - ( KΦ) số không phụ thuộc vào Uư Rư - Ta có đồ thị đặc tính động giảm Uư: Hình 1.1: Đặc tính động giảm điện áp phần ứng - Như ta thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta họ đặc tính song song với đặc tính tự nhiên có độ cứng không đổi Uư - Khi giảm điện áp đặt vào động dịng điện ngắn mạch giảm (Inm= Rư ), momen ngắn mạch động giảm (Mnm=K.Φ.Inm) tốc độ động giảm ứng với phụ tảu định ωdm> ω1> ω2… -Phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập cho phép điều chỉnh tốc độ tốc độ định mức b: Điều chỉnh điện áp kích từ: - Uư khơng đổi, Rư khơng đổi, thay đổi điện áp kích từ tức thay đổi KΦ - KΦ khơng thể tăng lên bão hịa từ lõi sắt phần cảm - KΦ giảm tối đa 0.5 KΦđm độ trễ từ hóa cao nên thay đổi chậm - Phải có bảo vệ kích từ cố Ed= nên Iư=Uư/Rư lớn - Do P= Mω không đổi mà KΦ giảm nên ω tăng, M giảm Hình 1.2: đặc tính thay đổi điện áp kích từ c: Thay đổi điện trở phụ phần ứng: - Uư khơng đổi, KΦ khơng đổi, Rư thay đổi thì: + Chỉ tăng Rư + Mnm Inm giảm, độ sụt tốc lớn tốc độ không tải khơng đổi nên tốc độ động giảm + Có thể dùng để điều chỉnh tốc độ khả mang tải khơng đổi Hình 1.3: Đặc tính thay đổi Rư - Như có phương pháp để điều chỉnh tốc độ động chiều - Từ phân loại ta rút kết luận đề tài:  Loại động chọn: động chiều pha kích từ độc lập  Phương án thiết kế điều chỉnh: điều chỉnh cách thay đổi điện áp phần ứng Chương 2: Các phương án điều chỉnh tốc độ động chiều Như nói phần cơng nghệ, đề tài ta sử dụng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng Để phù hợp với với điện áp công suất tải ta chọn phương pháp chỉnh lưu ba pha Trên thực tế để chất lượng điều chỉnh cao ta sử dụng phương án:  Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha dùng Thysistor  Mạch chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng dùng Thysistor 2.1: Chỉnh lưu hình tia ba pha: 2.1.1: Sơ đồ nguyên lý: Hình 2.1.1: sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu hình tia ba pha 2.1.2: Nguyên lý hoạt động: Với giả sử điện cảm Lđ lớn Hình 2.1.2: a), b), c), d), e), f), g) giản đồ dịng điện h) giản đồ điện áp van Hình 2.1.3: giản đồ dịng điện điện áp mơ 2.1.3: Các cơng thức tính tốn: (tài liệu tham khảo 1) Ta xét dòng điện chế độ liên tục: - Điện áp tải: Không phụ thuộc độ lớn dòng điện tải tham số mạch tải mà phụ thuộc vào điện áp nguồn góc điều khiển α Điện áp tải có xung chu kỳ T áp nguồn Chù kỳ áp chỉnh lưu Tp tải Tp=T/3 - Trị trung bình áp chỉnh lưu tải: Ud(α)= Π ∝+ 7π ∫ ∝+ π Um sinX dX= √3 Um cosα = √ U cosα = Ud0 cosα 2π 2π Với U giá trị hiệu dụng điện áp bên thứ cấp MBA - Dịng điện trung bình qua tải: I d= Ud−E R với E điện áp kích từ, R tổng điện trở phần ứng - Dòng điện qua Thysistor: Id Itb= - Cơng suất trung bình tải: Sd = Id Ud Pd= Ud0 Id - Điện áp thuận ngược lớn Thysistor: UTthmax=UTngmax= √ U - Phạm vi góc điều khiển góc α: phạm vi góc điều khiển (0, π ) - Công suất máy biến áp: SBA= 1.35 Pd - Nhận xét: Với sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha dùng Thysistor có: + Ưu điểm:  Sơ đồ cấu tạo dơn giản, điều khiển dễ dàng  Có thể áp dụng cần cung cấp cho động tải công suất lớn  Số lượng Thysistor + Nhược điểm:  Dịng Thysistor không liên tục, điện áp đặt lên van lớn  Chất lượng điện áp tải chưa tốt, hệ số công suất máy biến áp nhỏ, chế tạo máy biến áp cần có dây trung tính 2.2: Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng dùng Thysistor: 2.2.1: Sơ đồ nguyên lý: Hình 2.2.1: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu pha 2.2.2: Nguyên lý hoạt động: Id= Ud−E R - Mỗi van dẫn điện 1/3 chu kỳ điện áp nguồn nên trị hiệu dụng trung bình dịng điện qua van là: Id ITbV= - Điện áp khóa áp ngược cực đại van: UTngmax= √ U - Dòng điện qua nguồn điện áp, ví dụ pha 1: i1= iv1-iv4 Trị hiệu dụng dòng điện qua nguồn xác định với giả thiết dịng điện tải khơng đổi: √ 2π √ I= ∫ i 12 dX = Id 2π - Công suất nguồn vào : SVA= 1.05 Pd - Nhận xét: Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha giá trị điện áp lấy chất lượng tốt, chu kỳ điện áp xoay chiều có xung đập mạch nên q=6, điện áp chỉnh lưu phẳng sơ đồ có hệ số lặp cao, phạm vi điều chỉnh rộng, công suất tải lớn  Kết luận: Vì yêu cầu đưa nguồn điện chiều vào mạch roto động ba pha roto dây quấn để điều chỉnh tốc độ nên ta chọn mạch chỉnh lưu cầu pha dùng Thysistor để nghiên cứu Việc lựa chọn có ưu điểm như:  Chất lượng điện áp cao (trong chu kỳ điện áp nguồn có lần xung đập mạch điện áp chỉnh lưu)  Mạch khơng có dây trung tính thuận tiện cho việc đấu vào mạch roto động  Mạch làm việc với chế độ nghịch lưu  Khoảng điều chỉnh rộng  Công suất đầu vào so với công suất tải 1.05(so với 1.35 hình tia) nguồn vào dùng cho tải lớn  Do khơng dùng máy biến áp phí rẻ nhiều CHƯƠNG 3: Tính chọn thiết thiết kế phần tử Thông số động cơ: 440V/10kW với hiệu suất η= 0.86 - Dòng điện định mức cuộn day phần ứng Pđm Iưđm= η Uđm = 26.4(A) - Điện trở mạch phần ứng tính thêo cơng thức: Uưđm 440 Rư= 0.5.(1-η) Iưđm = 0.5.(1-0.86) 26.4 = 1.16 (Ω) 3.1 Tính chọn thysistor Việc tính chọn Thysistor dựa vào yếu tố như: dòng điện, điều kiện tỏa nhiệt, điện áp làm việc, thông số van: 3.1.1 Điện áp ngược lớn mà Thysistor phải chịu: Uưđm 440 Unmax= √ U = √ √6 = π = 460.5 (V) π 3.1.2 Điện áp ngược van cần chọn: Unv= Kdt.Unmax= 1.6 460.5 = 736.8 (V) Lấy Unv= 800 (V) Trong đó: Kdt=1.6 hệ số dự trữ điện áp, với Kdt= 1.4-2.0 3.1.3 Dòng điện làm việc van: Ilv= Id/3 = Iưđm/3 = 26.4 / = 8.8 (A) Chọn chế độ làm mát cho van quạt gió Chọn hệ số dự trữ dòng điện : KdtI=2 Van phải chịu : Iv= KdtI Ilv = 8.8 = 17.6 (A) 3.1.4 Chọn Thyristor: Từ thông số xác định trên, để van làm việc bình thường ta chọn van với thông số trên: Ta tra p.2 thơng số Thyristor sách Tính tốn thiết kế thiết bị điện tử công suất tác giả Trần Văn Bình ta chọn Thyristor C139N20M với thơng số chuẩn phù hợp với đề tài: - Điện áp ngược cực đại van : VN= 800V - Dòng điện định mức van: Iđm = 20 A - Dòng điện đỉnh cực đại : Ipik= 200 A - Dòng điện xung điều khiển cực đại : Ig=180mA - Điện áp xung điều khiển cực đại : Ug= 3V - Dòng điện rò: Ir=4mA -Sụt áp Thyristor: ∆ U= 4V - Thời gian chuyển mạch: tcm= 10 μs dU - dt = 200 (V/s) - Nhiệt độ làm việc cực đại: Tmax=1250C 3.2 Tính cuộn kháng lọc: Ta biết góc mở tăng biên độ thành phần song hài bậc cao lớn Do việc lọc phẳng dòng điện cần thiết chất lượng điện áp sau chỉnh lưu cao Ta áp dụng cơng thức tính điện kháng để lọc sau: L= U dn max 100 √2 K m ω I ¿1 % I đđm Trong đó: - Iđđm – dịng điện định mức chỉnh lưu [A] - ω =314 - K=1, 2, 3….là bội số sóng hài Đối với chỉnh lưu cầu pha K=1 - m – số lần đập mạch chu kỳ m=6 ¿ - I 1(%)- trị hiệu dụng dịng điện sóng lấy tỉ số theo dòng điện định mức chỉnh lưu Trị số cho phép < 10% Iđm - Udn.max- biên độ thành phần sóng hài điện áp chỉnh lưu [V] Udn.max=2 U d cosα K m2−1 √ 1+ K m2 tan α Với Ud0- điện áp chỉnh lưu cực đại, α góc điều khiển van bán dẫn, ta cần chọn góc mở lớn để cuộn kháng lọc tốt ta chọn 80.90 188.cos (80.9 ) o Udn.max = 1+36 tan (80.9 ) = 63.67(V) √ 36−1 Vậy L = 63,67.100 = 0.905(H) √2 6.314 0,1.26 Chương 4: Thiết kế điều khiển 1.1 Nguyên tắc tạo xung điều khiển: - Hình sơ đồ cấu trúc đồ thị minh họa Ở khâu UT tạo điện áp tựa có dạng cố định (thường có dạng cưa hình sin) theo chu kỳ xung đồng UĐB Khâu so sánh xác định thời điểm cân điện áp UT UĐK để phát động khâu tạo xung TX Như nguyên tắc thời điểm phát xung mở van hay góc điều khiển thay đổi thay đổi Uđk Hiện đa số sử dụng phương pháp Hình 4.1: sơ đồ cấu trúc đồ thị minh họa Khi điện áp xoay chiều hình sin UĐB đặt vào anot Thyristor Để điều khiển góc mở α van vùng điện áp dương anot, ta tạo điện áp tựa có dạng cưa Sau dùng điện áp chiều Uđk so sánh với điện áp tựa thời điểm Utựa= Uđk vùng anot dương ta phát xung điều khiển UTX Thyristor mở 1.2 Tính tốn khâu mạch điều khiển: 1.2.1 Khâu đồng (đồng pha): U1 D1 14 R1 + U2 U ~ R TR F 14 D2 +E 1 +E -E VR R2 Hình 4.2: Sơ đồ dạng điện áp khâu đồng pha Theo đồ thị, điện áp hình sin sau khỏi máy biến áp đưa vào diode, điện áp chỉnh lưu U1 có dạng hình, sau so sánh với điện áp chiều ta điện áp xung vng hình vẽ 1.2.2 Khâu tạo cưa: Bằng phóng nạp tụ có điệ áp khơng có điện áp xung vng tạo xung cưa hình 4.3 Hình 4.3: Sơ đồ dạng xung cưa tạo thành Khi U2 tức Uđb âm Diode D3 thơng, IR3= -E2/R3 Điều có điện áp vào chân (-) OpAm điểm “0” ảo, có điện áp Bỏ qua dịng điện qua R4 nhỏ Khi tụ C1 nạp dòng điện từ U3 qua tụ qua R3 U2 Điện áp tụ tăng tuyễn tính hàm tích phân điện áp tụ theo dịng điện Đến giá trị UDZ ổn áp Diode DZ khơng đổi Khi Udb dương Diode D3 khơng thơng, dịng nạp tụ mất, tụ phóng điện theo chiều từ E2 qua VR2 R4 qua tụ U3 Khi điện áp tụ phóng hết, điện áp có xu hướng tuyến tính đảo dấu, DZ lại thơng nên điện áp U3 giữ 1.2.3 Khâu so sánh: Hình 4.4: sơ đồ dạng xung sau khâu so sánh Ta so sánh tín hiệu xung cưa với tín hiệu điều khiển Ta xung cưa hình Do khuếch đại thuật tốn có hệ số lớn nên ta chon R5 ,R6 lớn, tạo tín hiệu vào đủ nhỏ 1.2.4 Khâu phát xung chùm: Hình 4.5: sơ đồ dạng xung khâu phát xung chùm Để đảm bảo Thyristor mở thông giai đoạn làm việc, tránh tượng điều khiển cần có xung liên tục từ thời điểm mở van điện áp đổi dấu Việc phát xung điều khiển có độ rộng lớn gần nửa chu kỳ có nhược điểm:  Dòng điều khiển gần dài hạn làm tổn hao máy biến áp xung Thyristor  Việc thiết kế xung điều khiển phức tạp, mạch có van bán dẫn Để giải vấn đề trên, thay cung điều khiển liên tục xung gián đoạn, cụ thể chùm xung liên tiếp, từ thời điểm mở van cuối bán kỳ Như trước tiên ta tạo chùm xung có tần số lớn khoảng 10kHz mạch khuếch đại thuật toán Đây so sánh cửa tụ C3 liên tục phóng nạp làm cho OA liên tục đảo trạng thái lần điện áp tụ đạt trị số chia áp R9, R10 D6 có tác dụng lạo bỏ xung âm nên tìn hiệu xung chùm dương Chu kì dao động: 1.2.5 Khâu trộn xung: Khâu trộn xung sử dụng IC cổng AND có đầu vào với thông số Nguồn IC: VCC=3-15V, ta chọn VCC=12V Nhiệt độ làm việc: -400C – 800C Điện áp ứng với mức logic 1: 2.5 - 4.5V Dịng điện nhỏ hơn: 1mA IC có đầu vào, lấy tín hiệu từ tín hiệu xung vng từ so sánh tín hiệu xung chùm từ phát xung chùm Theo bảng chân lý AND tín hiệu đạt mức tìn hiệu mức Do tín hiệu khỏi công AND chùm xung, tương ứng với thời điểm mở Thyristor 1.2.6 Khối khuếch đại biến áp xung: R 14 D7 D9 14 14 TR 1 R 13 TR F TR 14 D8 R 12 1 +E T1 ... AND chùm xung, tương ứng với thời điểm mở Thyristor 1. 2.6 Khối khuếch đại biến áp xung: R 14 D7 D9 14 14 TR 1 R 13 TR F TR 14 D8 R 12 1 +E T1 ... dương ta phát xung điều khiển UTX Thyristor mở 1. 2 Tính tốn khâu mạch điều khiển: 1. 2 .1 Khâu đồng (đồng pha): U1 D1 14 R1 + U2 U ~ R TR F 14 D2 +E 1 +E -E VR R2 Hình 4.2: Sơ đồ dạng điện áp khâu... Thysistor 2 .1: Chỉnh lưu hình tia ba pha: 2 .1. 1: Sơ đồ nguyên lý: Hình 2 .1. 1: sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu hình tia ba pha 2 .1. 2: Nguyên lý hoạt động: Với giả sử điện cảm Lđ lớn Hình 2 .1. 2: a),