thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu dùng thyr

§å ¸n tèt nghiƯp CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.1. khái quát chung: Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục trọng một phạm vi rộng và trong nhiều trường hợp cần có đặc tính cơ đặc biệt, thiết bò đơn giản hơn và rẻ tiền hơn các thiết bò điều khiển của động cơ ba pha.Vì một số ưu điểm như vậy cho nên động cơ điện một chiều được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp, trong giao thông vận tải…. 2.1. Phương trình đặc tính cơ: Để điều khiển được tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì ta phải phân tích, tìm các mối quan hệ giữa tốc độ với các thông số khác của động cơ để từ đó đưa ra phương pháp điều khiển. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì dòng kích từ độc lập với dòng phần ứng. Vì được nuôi bởi hai nguồn một chiều độc lập với nhau. E u I u U u R f I kt U kt R kt C kt Hình 1. Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập Theo hình 1 ta viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng U ư =E ư + ( R ư + R f )I ư (1) Trong đó: U ư : Điện áp đặt lên phần ứng động cơ (V). E ư : Sức điện động phần ứng (V) R ư : Điện trở của mạch phần ứng ( Ω ) R f : Điện trở phụ trong mạch phần ứng ( Ω ) I ư : Dòng điện mạch phần ứng ( Α ) Với R ư = r ư + r cf +r b + r ct Trong đó : r ư điện trở cuộn dây phần ứng ( Ω ) r cf : Điện trở cuộn cực từ phụ ( Ω ) Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 1 §å ¸n tèt nghiƯp r b : Điện trở cuộn bù ( Ω ) r ct : Điện trở tiép xúc chổi điện ( Ω ) • Sức điện động E ư của phần ứng động cơ được xác đònh theo biểu thưc sau E ư = a PN π 2 φω = κφω (2) trong đó : p : Số đôi cực từ chính N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a : Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng φ : Từ thông kích từ dưới mỗi cực từ (wb) ω : Tốc độ góc (rad/s) k = a PN π 2 : Hệ số cấu tạo của động cơ Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/ phút) thì E ư = e k φ n ( 3) ω = 60 2 n π = 55,9 n vì vậy E ư = a PN 60 n φ với k e = a PN 60 : Hệ số sức điện động của động cơ k e = 55,9 k ≈ 0,105 k Thay (1) vào (2) và biến đổi ta được ω = u U K φ - ( ) + u f K R R φ I ư (4) Biểu thức (4) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.Mặt khác, mômen điện từ M đt = u k I φ (5) Nếu bỏ qua tổn thất trong các ổ trục, tổn thất tự quạt mát và tổn thất trong thép thì mômen cơ trên trục của động cơ bằng mômen điện từ, ta ký hiệu là M, tức là M đt = M cơ =M Vậy phương trình đặc tính cơ của động cơ là ω = u k U φ - 2 )( φ k RR fu + M (6) Biểu thức (6) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 2 §å ¸n tèt nghiƯp lập Nếu không xét đến ảnh hưởng của phản ứng phần ứng ngang trục làm giảm từ thông φ của động cơ tức là xem φ=const thì quan hệ ω=f(M,I) là tuyến tính. ω 0 ω dm ω ∆ IM dmdm, IM nmnm, IM , 0 ω Hình 2 đồ thò đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Từ đồ thò ta có : khi I ư = 0 hoặc M =0 ta có ω = φ k U =ω 0 (7) ω 0 : được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ , khi ω=ω 0 ta có I ư = RR fu U + =I nm (8) Và M =k φ I nm =M nm (9) I nm , M nm : được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch. Mặt khác phương thình đặc tính (4) và (6) cũng có thể viết dưới dạng ω = φ k U u - φ k R I ư =ω 0 - ω ∆ (10) ω = φ K U u - )( 2 φ k R M = ω 0 - ω ∆ (11) vì I ư = φ K M ta suy ra từ (5) trong đó R = R ư + R f , ω 0 = φ K U u Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 3 §å ¸n tèt nghiƯp ∆ω= φ K R I ư = )( 2 φ k R M (12) ∆ω : được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trò của M (hay I) , ta có thể biểu diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vò tương đối với điều kiện từ thông là đònh mức ( φ = φ dm ) Trong đó ω*= 0 ω ω , I* = dm I I ,M ∗ = dm M M , R* = R cb R ( R cb =U đm / I đm được gọi là điện trở cơ bản ) Từ (4) và (6) ta viết đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vò tương đối ω*=1- R*I* (13) ω ∗ = 1- R*M ∗ (14) • Độ cứng của đặc tính cơ : β= ω d dM = R k nm ∑ ) 2 ( φ (15) • Công suất (năng lượng điện) Từ phương trình lý tưởng : IU =(E ư +IR ư )I (16) Ta có P điện =P đt + ∆Ρ Trong đó P đt =IE ư công suất điện từ ∆ P =I 2 R ư tổn hao công suất cơ trên điện trở phần ứng Thực tế P điện =P đt + ∆P ư + ∆P 0 (17) Với ∆P 0 tổn hao ma sát do sự quay Từ biểu thức (4) hoặc (6) ta thấy ω là một hàm phụ thuộc R, φ , U : ω=f(R,Φ,U) do đó để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba phương pháp điều khiển sau : - Điều khiển điện trở phụ phần ứng - Điều khiển từ thông kích từ - Điều khiển điện áp phần ứng Sau đây ta xem xét từng phương pháp điều khiển một 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 2.1 Phương pháp điều khiển bằng điện trở phụ phần ứng (R f ): •Nguyên lý điều chỉnh: Nối thêm điện trở phụ R f vào mạch phần ứng Ta đã phân tích ở trên nên ta có ω= f R f , φ kt , U , giả thiết rằng : Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 4 §å ¸n tèt nghiƯp Nếu giữ φ=φ đm =const ; U= U đm = const; R ư =const thì ω=f(R f ) Muốn thay đổi được giá trò R f của mạch phần ứng bằng cách nối tiếp một điện trở phụ (R f ) thay đổi được giá trò vào mạch phần ứng. Lúc này ta có : R = R ư + R f Từ phương trình đặc tính cơ : ω= φ dm dm K U - ) ( 2 φ K RR dm fu + M Từ phương trình trên ta thấy : khi tăng giá trò của R f thì tốc độ của động cơ giảm, khi giảm giá trò của R f thì tốc độ của động cơ tăng . Lúc này ta có tốc độ không tải lý tưởng: ω 0 = φ dm dm K U = const (18) Còn độ cứng của đặc tính cơ : β = RR K fu dm + ) 2 ( φ = var (19) Như vậy khi thay đổi R f cho ta một họ đặc tính như sau: ω 0 ω M dm M dm 2 0 = R f R f 1 R f 2 R f 3 0 M Hình 1-3 : Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ở những điện trở phụ khác nhau • Nhận xét: Nếu R f càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời I nm và M nm cũng giảm. Phương pháp này được dùng để hạn chế dòng điện động cơ khi khởi động. - Ưu điểm : Đơn giản , dễ thực hiện - Nhược điểm : + Độ cứng đặc tính cơ thấp + Tổn thất năng lượng trên điện trở lớn + Phạm vi điều chỉnh hẹp 2.2. Phương pháp điều chỉnh bằng từ thông kích từ: Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 5 §å ¸n tèt nghiƯp • Nguyên lý điều chỉnh: Điều chỉnh từ thông kích từ của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mô men điện từ của động cơ M = kφI ư và sức điện động quay của động cơ E ư =kφω I kt U kt E U I C kt Hình 1-4 :Sơ đồ nối dây điều chỉnh kích từ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Từ biểu thức (4) và (6) ta thấy ω= f(U, φ kt , R f ), nếu giữ U=U đm =const và điện trở phần ứng R ư = const (R f =0 ) lúc này ω= f(φ kt ). Để thay đổi được tốc độ ω ta cần thay đổi φ kt , mà từ thông kích từ do dòng kích từ sinh ra. Vậy để điều chỉnh φ kt ta mắc thêm biến trở R v vào mạch kích từ, khi điều chỉnh φ kt ta phải tuân theo điều kiện sau. Không thể tăng dòng kích từ I kt lớn hơn dòng đònh mức của cuộn dây kích từ vì nó phá hỏng cuộn kích từ và khi φ kt = φ đm đã bảo hoà rồi, nếu muốn tăng I kt thì φ kt cũng không tăng đáng kể nên ta điều chỉnh bằng cách giảm φ kt . • Trong trường hợp này ta có: - Tốc độ không tải lý tưởng ω 0 = φ x dm K U = var - Độ cứng của đặc tính cơ β = R u X K 2 )( φ = var Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi từ thông giảm thì ω x tăng, còn β sẽ giảm. Ta có đồ thò đặc tính cơ với ω x tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông. Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 6 §å ¸n tèt nghiƯp ω I ω ω 0 ω 1 ω 2 φ dm φ 1 φ 2 Ι nm Ι dm 0 ω 2 ω 1 ω 0 φ 2 φ 1 φ dm 0 Μ dm Μ 2nm Μ 1nm Μ nm Μ Hình 1-5 : Đặc tính cơ và cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông. Từ đồ thò ta nhận thấy khi từ thông thay đổi vơi φ đm > φ 1 >φ 2 ta có: - Dòng điện ngắn mạch : I nm = R U u dm =const - Mô men ngắn mạch : M nm =kφ x I nm =var (M nm > M nm1 >M nm2 ) Từ đồ thò đặc tính ta thấy ω 0 <ω 1 <ω 2 . Vậy phương pháp điều chỉnh từ thông là phương pháp điều chỉnh trên tốc độ cơ bản. • Các chỉ tiêu chất lượng khi giảm từ thông φ kt - Tốc độ không tải lý tưởng ω x = φ x dm K U tăng - Độ cứng đặc tính cơ β = R u x K 2 )( φ giảm - Dải điều chỉnh không rộng D = max min ω ω = 1:2 + Tốc độ nhỏ nhất bò chặn bởi đặc tính tự nhiên (φ=φ đm ) + Tốc độ lớn nhất ω max bò giới hạn bởi độ bền cơ khí và điều kiện chuyển mạch của động cơ - Ưu điểm : Công suất mạch điều chỉnh nhỏ, tổn thâùt năng lượng nhỏ - Cũng có thể sản xuất những động cơ giới hạn điều chỉnh 1:5 thậm chí đến 1:8 nhưng phải dùng những phương pháp khống chế đặc biệt, do đó cấu tạo và cộng nghệ chế tạo phức tạp khiến cho giá thành của máy tăng lên. 2.3. Phương pháp điều khiển động cơ điện môït chiều kích từ độc lập bằng thay đổi điện áp phần ứng: Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 7 §å ¸n tèt nghiƯp Từ phương trình đặc tính cơ (6) ω = φ K U u - )( 2 φ k RR fu + M Giả thiết φ = φ đm =const; R ư =const,(R f =0), M = const. Lúc này ω = f(U ư ) Khi thay đổi điện áp phần ứng ta có: - Tốc độ không tải lý tưởng ω 0 = φ K U u = var - Độ cứng của đặc tính cơ β = R k u )( 2 φ = const Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng cho ta một họ các đặc tính sau. ω ω 0 ω 1 ω 2 ω 3 ω i 0 IM , IM dmdm , TN U dm U 1 U 2 U 3 U i Với U đm >U 1 >U 2 >U 3 >……….>U i Hình 1-6 : Đồ thò đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi điện áp phần ứng thay đổi Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính tự nhiên. • Nhận xét : - Ưu điểm : + không gây ồn + không gây tổn hao phụ trong động cơ + dải điều chỉnh rộng D ≈10 : 1 +độ cứng đặc tính cơ không đổi trong toàn dải điều chỉnh + dễ tự động hoá Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 8 §å ¸n tèt nghiƯp - Nhược điểm : + phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp ra + điều khiển phức tạp • Kết luận : Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật như hiện nay thì phương pháp này càng được sử dụng phổ biến trong sản xuất cũng như trong các lónh vực khác. 2.4. Nuyên lý điều chỉnh: • Đặc tính điều chỉnh : Để điều chỉnh điện áp phần ứng, ta phải sử dụng một bộ biến đổi, điều chỉnh được điện áp đầu ra cấp cho mach phần ứng của động cơ. U U dk C kt var = U ra + − BBĐ ∼ E Hình 1-7 : Sơ đồ ngyên lý điều chỉnh động cơ Bộ biến đổi dùng để biến đổi điện áp xoay chiều của lưới điện thành một chiều và điều chỉnh được giá trò điện áp đầu ra theo yêu cầu. Điện trở trong của bộ biến đổi R bđ phụ thuộc vào loại thiết bò, vì thông thường công suất của bộ bến đổi và động cơ xấp xỉ bằng nhau nên R bđ cũng có giá trò đáng kể so với R ư của động cơ. Từ sơ đồ nguyên lý ta có sơ đồ thay thế E bd E u R bd R ud U Hình 1-8 : Sơ đồ thay thế nguyên lý điều chỉnh động cơ Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 9 §å ¸n tèt nghiƯp Từ sơ đồ thay thế ta có phương trình cân bằng điện áp. E ư = U bđ – (R bđ + R ư )I ư (20) Sức điện động của động cơ E ư = kφ đm ω (21) Từ biểu thức (20) và (21) ta có kφ đm ω = U bđ – ( R bđ + R ư )I ư (22) Từ phương trình (22) ta có phương trình đặc tính cơ điện. ω = φ dm bd K U - φ dm ubd K RR + I ư (23) Phương trình đặc tính cơ ω = φ dm bd K U - )( 2 φ dm K RR ubd + M (24) Với M =kφ đm I ư Trong đó φ đm là từ thông đònh mức của động cơ, φ đm = const. Tốc độ không tải lý tưởng ω 0 = φ dm bd U Độ cứng của đặc tính cơ β = RR k ubd dm + )( 2 φ Ta thấy tốc độ không tải lý tưởng không phụ thuộc vào M, I mà phụ thuộc vào U bđ . U bđ = k a U đk Trong đó : k a là hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi U đk là điện áp điều khiển Từ đó suy ra : ω 0 = φ dm dka K Uk = f(U đk ) Từ phương trình (23) và (24) ta có đồ thò đặc tính được biểu diễn như sau. Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 10 [...]... được dùng phương pháp đổi chiều dòng điện phần ứng bằng cách ghép hai bộ chỉnh lưu theo sơ đồ mắc song song ngược cực tính Sơ đồ mạch điện : B A T4 a b C c T1 T5 T2 T6 T3 CK cb2 Đ CK cb1 Hình 1-20 : Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu đảo chiều mắc song song ngươc Vì sơ đồ có sử dụng hai bộ chỉnh lưu Tiristor có điều khiển nên để điều khiển hai bộ chỉnh lưu này, có thể dùng phương pháp điều khiển chung hoặc dùng. .. khiển chung: Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 23 §å ¸n tèt nghiƯp • Nguyên lý : Xung điều khiển được cấp đồng thời cho cả hai bộ chỉnh lưu nhưng phải đảm bảo một bộ làm việc ở chế độ chỉnh lưu, còn bộ kia làm việc ở chế độ nghòch lưu và điện áp chỉnh lưu trung bình của của hai bộ chỉnh lưu là như nhau Do vậy, với các cuộn dây động cơ có tính chất cảm kháng lớn thì dòng điện tải là liên tục, ta có U0 cosαI... thích Ngoài ra, dùng phương pháp đảo chiều từ thông thì khi từ thông qua trò số không có thể làm tốc dộ tăng quá, không tốt Ta có đặc tính cơ của động cơ khi đảo chiều quay : ω ω ω 0 M 0 -ω 0 ω Hình1-19 : Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi đảo chiều quay 4.4.2 Sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu đảo chiều quay: Các bộ chỉnh lưu đảo chiều quay là các bộ chỉnh lưu dùng cho các động... điều chỉnh xung áp – động cơ: Bộ biến đổi xung áp là bộ nguồn điện áp dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, phần chủ yếu của nó là bộ nguồn áp và bộ khoá điều khiển Sơ đồ nguyên lý và điện áp : U k + d I + U D 0 - E KT - t 0 t 1 t 1 T 2 t t 2 3 t 4 t t 5 Hình 1-12 : Sơ đồ nguyên lý và điện áp của hệ xung áp – động cơ Để cải thiện dòng điện phần ứng, người ta mắc thêm van đệm D 0 Giả thiết. .. phương pháp nguyên cứu cho đề tài của em 3 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP BẰNG THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP PHẦN ỨNG - Hiện nay trong công nghiệp người ta thường sư dụng ba loại bộ biến đổi sau: + Bộ biến đổi máy phát điện một chiều + Bộ biến đổi xung áp một chiều + Bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển - Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi đó ta có các hệ truyền động sau:... phức tạp hơn • Kết luận : Sau khi đã phân tích các dạng sơ đồ chỉnh lưu như trên Với tải là động cơ điện một chiều kích từ độc lập công suất P đm = 6 (kw) không đòi hỏi cao về chất lượng điện áp đặt vào động cơ Cho nên để điều khiển dễ dàng và hiệu quả kinh tế cũng như chi phí cho thiết bò điều khiển hợp lý thì em chọn sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha cho đề tài nghiên cứu của em 4.4 CHỈNH LƯU ĐẢO CHIỀU QUAY... phục : Thiết kế truyền động van cố gắng làm hẹp vùng dòng gián đoạn bằng cách nối kháng lọc đủ lớn, tăng số lần đập mạch, nối van đệm • Kết luận : Sau khi phân tích các hệ truyền động , ta nhận thấy sử dụng hệ điều chỉnh Tiristor – Động cơ là hợp lý nhất Tuy hệ này có những nhược điểm nhất đònh, nhưng xét về ưu điểm thì hệ này có nhiều ưu điểm hơn, cho nên ta sẽ nghiên cứu về các bộ nguồn chỉnh lưu Tiristor... U=var - + Đ KT - ĐK Hình 1-14 : Sơ đồ nguyên lý của hệ T – Đ Bộ biến đổi van Tiristor là một loại nguồn điện áp một chiều, nó trực tiếp biến Trêng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 16 §å ¸n tèt nghiƯp đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều Việc điều chỉnh điện áp đầu ra của bộ biến đổi, được thực hiện bằng cách điều chỉnh góc mở α của van Điện áp chỉnh lưu Ud0 (điên áp không tải ở đầu ra) có dạng đập mạch với... một a Phương pháp điều khiển riêng: • Nguyên lý : Trong phương pháp này, khi xung điều khiển được cấp cho bộ chỉnh lưu này thì bộ kia không được cấp xung điều khiển - Ưu điểm : Làm việc an toàn, không có dòng điện cân bằng chạy qua các van - Nhược điểm : Có thời gian trễ khi điều khiển bộ này sang bộ kia do đó dòng điện động cơ bằng không, mạch điều khiển phức tạp hơn b Phương pháp điều khiển chung:... này có những nhược điểm nhất đònh, nhưng xét về ưu điểm thì hệ này có nhiều ưu điểm hơn, cho nên ta sẽ nghiên cứu về các bộ nguồn chỉnh lưu Tiristor 4 GIỚI THIỆU VỀ CÁC BỘ NGUỒN CHỈNH LƯU VÀ ĐẢO CHIỀU QUAY TIRISTOR ĐẶC TRƯNG 4.1 Chỉnh lưu cầu một pha: • Sơ đồ mạch điện: U U1∼ Ud 0 T4 T1 T3 T2 B Rd UT I L E d 0 I 0 I 0 IT T ; 1 IT 2 t 3π 2π α A F π 1 I d t 3 t T4 ; t Hình 1-16: Sơ đồ nguyên lý và dạng . Hệ truyền động điều chỉnh xung áp – động cơ: Bộ biến đổi xung áp là bộ nguồn điện áp dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, phần chủ yếu của nó là bộ nguồn áp và bộ khoá điều khiển. Sơ. cứu về các bộ nguồn chỉnh lưu Tiristor. 4. GIỚI THIỆU VỀ CÁC BỘ NGUỒN CHỈNH LƯU VÀ ĐẢO CHIỀU QUAY TIRISTOR ĐẶC TRƯNG 4.1. Chỉnh lưu cầu một pha: • Sơ đồ mạch điện: L d U T 1 I d I TT 31 ; I TT 42 ; F R d T 3 B T 2 T 4 A T 1 1 ∼ U I 0 I E 0 0 t t t I α 0 2π π U 3π t d U Hình. sau: + Bộ biến đổi máy phát điện một chiều + Bộ biến đổi xung áp một chiều + Bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển - Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi đó ta có các hệ truyền động sau: +