thiết kế mạch chỉnh lưu cầu 3 pha động cơ một chiều

Đồ án Điện tử Công suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 1 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Đề tài: Thiết kế mạch chỉnh lưu cầu 3 pha Động cơ một chiều GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN : NGUYỄN MẠNH HÀ SINH VIÊN THỰC HIỆN : LÊ VĂN NGHĨA MÃ SINH VIÊN : 105110055 NHÓM : 40 ĐÀ NẴNG 5/2012 ỏn in t Cụng sut GVHD: NGUYN MNH H SVTH: Lấ VN NGHA Trang: 2 GII THIU Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện - điện tử thì các thiết bị điện tử có công suất lớn cũng đợc chế tạo ngày càng nhiều. Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang đợc phát triển hết sức mạnh mẽ. Tuy nhiên để đáp ứng đợc nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công nghiệp thì điện tử công suất luôn phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối u nhất. Đặc biệt với chủ trơng công nghiệp hoá - hiện đại hoá của Nhà nớc, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đa công nghệ tự động điều khiển vào trong sản xuất. Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và phơng pháp điều khiển an toàn, chính xác. Đó là nhiệm vụ của điện tử công suất cần phải giải quyết. Để giải quyết đợc vấn đề này thì nớc ta cần phải có đội ngũ thiết kế điện tử công suất. Là sinh viên ngành T NG HểA cần phải tự trang bị cho mình có một trình độ và tầm hiểu biết sâu rộng. Chính vì vậy đồ án môn học điện tử công suất là một yêu cầu cấp thiết cho mỗi sinh viên T ng húa. Đó là điều kiện để cho sinh viên tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về điện tử công suất. Mặc dù vậy, với sinh viên năm thứ 4 còn đang ngồi trong ghế nhà trờng thì kinh nghiệm thực tế còn cha có nhiều, do đó cần phải có sự hớng dẫn giúp đỡ của thầy giáo. Qua đây cho em đợc gửi lời cảm ơn tới thầy NGUYN MNH H đã tận tình chỉ dẫn, giúp em hoàn thành tốt đồ án môn học này. Xin chõn thnh cm n! Sinh viờn: Lấ VN NGHA T: 0988.312.362 Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 3 Phần I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH I. KHÁI NIỆM CHUNG: 1. Đònh nghóa: Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông… Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu. Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:  Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản suất.  Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh. Vì vậy, ta khảo sát sự điều chỉnh tốc độ theo phương pháp thứ hai. Ngoài ra cần phân biệt điều chỉnh tốc độ với sự tự động thay đổi tốc độ khi phụ tải thay đổi của động cơ điện. Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác. Không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn, đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dãy điều chỉnh tốc độ rộng. 2. Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ: Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn cứ vào các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền động điện: a) Hướng điều chỉnh tốc độ: Hướng điều chỉnh tốc độ là ta có thể điều chỉnh để có được tốc độ lớn hơn hay bé hơn so với tốc độ cơ bản là tốc độ làm việc của động cơ điện trên đường đặc tính cơ tự nhiên. b) Phạm vi điều chỉnh tốc độ (Dãy điều chỉnh): Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất n max và tốc độ bé nhất n min mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trò phụ tải là đònh mức: D = n max /n min . Trong đó: - n max : được giới hạn bởi độ bền cơ học. Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 4 E Rf CKT RKT - n min : được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ, thông thường người ta chọn n min làm đơn vò. Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào yêu cầu của từng hệ thống, khả năng từng phương pháp điều chỉnh. c) Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ: Độ cứng:  = M/n. Khi  càng lớn tức M càng lớn và n nhỏ nghóa là độ ổn đònh tốc độ càng lớn khi phụ tải thay đổi nhiều. Phương pháp điều chỉnh tốc độ tốt nhất là phương pháp mà giữ nguyên hoặc nâng cao độ cứng của đường đặc tính cơ. Hay nói cách khác  càng lớn thì càng tốt. d) Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ: Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ. Độ liên tục khi điều chỉnh tốc độ  được đánh giá bằng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau:  = n i /n i+1 trong đó: - n i : Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ i. - n i + 1 : Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ ( i + 1 ). Với n i và n i + 1 đều lấy tại một giá trò mômen nào đó.  tiến càng gần 1 càng tốt, phương pháp điều chỉnh tốc độ càng liên tục. Lúc này hai cấp tốc độ bằng nhau, không có nhảy cấp hay còn gọi là điều chỉnh tốc độ vô cấp.   1 : Hệ thống điều chỉnh có cấp. e) Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ: Hệ thống truyền động điện có chất lượng cao là một hệ thống có hiệu suất làm việc của động cơ  là cao nhất khi tổn hao năng lượng P phu ï ở mức thấp nhất. f) Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ: Hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền động điện có tính kinh tế cao nhất là một hệ thống điều chỉnh phải thỏa mãn tối đa các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Đồng thời hệ thống phải có giá thành thấp nhất, chi phí bảo quản vận hành thấp nhất, sử dụng thiết bò phổ thông nhất và các thiết bò máy móc có thể lắp ráp lẫn cho nhau. II. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN: 1. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ song song. Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 5 CKT RKT Rf I IKT E Sơ đồ nối dây của động cơ Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ song song kích từ độc lập Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập. a) Phương trình đặc tính cơ: Theo sơ đồ trên có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau: U ư = E ư + (R ư + R t )I ư (1-1) trong đó: U ư _ điện áp phần ứng.(V) E ư _ sức điện động phần ứng.(V) R ư _ điện trở của mạch phần ứng.(  ) R t _ điện trở phụ trong mạch phần ứng.(  ) I ư _ dòng điện mạch phần ứng.(A) Với R ư = r ư + r cf + r i + r ct r ư _ điện trở cuộn dây phần ứng. r cf _ điện trở cuộn cực từ phụ. r b _ điện trở cuộn bù. r ct _ điện trở tiếp xúc của chổi điện. Sức điện động E ư của phần ứng động cơ được xác đònh theo biểu thức:    K a 2 pN E ư (1-2) 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,  _ từ thông kích từ dưới một cực từ, Wb.  _ tốc độ góc, rad/s. Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 6 a 2 pN K   _ hệ số cấu tạo của động cơ. Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vong/phút) thì n K E cư  (1-3) và 55 . 9 n 60 n 2    Vì vậy n a 60 pN E ư  a 60 pN K c  : Hệ số sức điện động của động cơ, K105.0 55 . 9 K K c  . Từ đó ta có: ư fưư I K R R K U       (1-4) đây là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ. Mặt khác mômen điện từ M đt của động cơ được xác đònh bởi: M đt = K  I ư (1-5) suy ra   K M I đt ư thay giá trò I ư vào (1-4) ta được:   đt 2 fưư M. K R R K U      (1-6) Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mômen điện từ, ta ký hiệu là M. Nghóa là M đt = M cơ = M.   M. K R R K U 2 fưư      (1-7) Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông của động cơ const   , thì các phương trình đặc tính cơ điện (1-4) và phương trình đặc tính cơ (1-7) là tuyến tính. Đồ thò của chúng được biểu diễn trên hình là những đường thẳng. Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 7 Iâm Inm I Mâm Mnm M   o  o  đm  đm  Đặc tính cơ điện của động cơ điện Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. một chiều kích từ độc lập. Theo các đồ thò trên, khi I ư = 0 hoặc M = 0 ta có: o ư K U    (1-8) o  được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ. Còn khi 0 o  ta có: nm fư ư I RR U I    (1-9) và nmnm M I K M  (1- 10) I nm , M nm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch. Mặt khác, phương trình đặc tính (1-4), (1-7) cũng có thể được viết ở dạng:      ư I. K R K U (1- 11)        o 2 ư M. K R K U (1- 12) trong đó:   K U .RRR ư ofư Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 8   M. K R I. K R 2 ư       được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trò của M. 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   đm  , trong đó cbđmđmo R R R, M M M, I I I,      ( đm đm cb I U R  được gọi là điện trở cơ bản). Từ (1-4), (1-7) ta viết được đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vò tương đối:   IR1 (1- 13)   MR1 (1-14) 2. Xét ảnh hưởng các tham số đến đặc tính cơ: Từ phương trình đặc tính cơ (1-7) ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: từ thông động cơ  , điện áp phần ứng U ư và điện trở phần ứng động cơ. Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng tham số đó. a) Ảnh hưởng của điện trở phần ứng: Giả thiết U ư = U đm = const và const đm  . Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R t vào mạch phần ứng. Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng: const K U đm đm o    Độ cứng của đặc tính cơ:   var RR K M fư 2 đm        Khi R t càng lớn,  càng nhỏ nghóa là đặc tính cơ càng dốc. Ứng với R f = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên:   ư 2 đm TN R K  (1- 17) Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 9 TN(Rn) Rf1 Rf2 Rf3 Rf4 Mc M TN m U1 U2 TN  có giá trò lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các đường đặc tính có điện trở phụ. Như vậy khi thay đổi điện trở phụ R f ta được một họ đặc tính biến trở có dạng như hình vẽ.  o  Hình vẽ: Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng Ứng với một phụ tải M c nào đó, nếu R f càng lớn thì tốc độ cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm. Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản. b) Ảnh hưởng của điện áp phần ứng: Giả thiết từ thông const đm  , điện trở phần ứng R ư = const. Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với U đm , ta có: Tốc độ không tải: var K U đm x ox    Độ cứng đặc tính cơ:   const R K ư 2 đm    . Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên.  o  Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 10 01  02  03  04  Hình vẽ: Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm áp đặt vào phần ứng động cơ. Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì mômen ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất đònh. Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động. c) Ảnh hưởng của từ thông: Giả thiết điện áp phần ứng U ư = U đm =const. Điện trở phần ứng R ư = const. Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ I kt động cơ. Trong trường hợp này: Tốc độ không tải: var K U x đm ox    Độ cứng đặc tính cơ:   var R K ư 2 x    . Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi từ thông giảm thì ox  tăng, còn  sẽ giảm. Ta có một họ đặc tính cơ với ox  tăng dần và độ của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông. Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông: Dòng điện ngắn mạch: const R U I ư đm nm  Mômen ngắn mạch: var I K M nmxnm  [...]... chất riêng của từng hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều 1 Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng: Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bò nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển v.v Các thiết bò nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển... QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH:  Động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm so với các động cơ khác, không những có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch điều khiển đơn giản  Để điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều trong thực tế có 2 phương pháp: Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 11 Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD:... (T – Đ)  Hệ truyền động xung áp – động cơ (XA – ĐC) Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có loại điều khiển theo mạch chính (ta có hệ truyền động điều chỉnh tự động) và loại điều khiển mạch hở (hệ truyền động điều khiển “hở”) Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện có cấu trúc phức tạp, SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 12 Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN... Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn : chỉnh lưu Tiristor (CLT)  Bộ biến đổi xung áp 1 chiều: Tiristor hoặc Transitor (BBĐXA) Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như:  Hệ truyền động máy phát – động cơ (F – Đ)  Hệ truyền động máy điện khuếch đại – động cơ (MĐKĐ – Đ)  Hệ truyền động khuếch đại từ – động cơ (KĐT – ĐC)  Hệ truyền động chỉnh lưu Tiristor – động cơ (T – Đ)... cơ 1 chiều một vò trí quan trọng trong thực tế mà máy điện xoay chiều rất khó cạnh tranh  Cấu trúc mạch động lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi Các bộ biến đổi này cấp cho phần ứng của động cơ hoặc mạch kích từ của động cơ Hiện nay, trong công nghiệp sử dụng các bộ biến đổi chính:  Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát 1 chiều. .. dải điều chỉnh Cũng thấy rằng không nên nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng vì như vậy sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ 2 Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ: SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 16 Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mômen điện từ của động cơ M  KI ư và sức điện động quay của động cơ E ư  K Mạch kích... 10 .3 n   188     1       (V)  Điện áp chỉnh lưu khi đầy tải: U d  U do  U   U r  236 .8  13. 53  10 .3  212.97 (V) 4 Tính chọn cuộn kháng san bằng dòng tải:  Cuộn kháng san bằng dòng tải được mắc nối tiếp với động cơ nhằm mục đích giảm độ nhấp nhô của dòng điện chỉnh lưu để động cơ làm việc được tốt hơn, giảm các tổn thất phụ trong động cơ  Thành phần sóng bậc cao của dòng chỉnh. .. Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ nhưng có chất lượng điều chỉnh cao và dải điều chỉnh rộng hơn so với hệ truyền động “hở” Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều còn được phân loại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay Đồng thời tùy thuộc vào các phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc ở một góc phần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư Trong... NGHĨA 1 3 5 Trang: 23 Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ  1  30 o  2  2  180o  0.9 0 .3 0.2 0.1 0 SVTH: LÊ VĂN NGHĨA o 30 o 60 90 o 120 o 150 o o 180 Trang: 24 Đồ án Điện tử Cơng suất Phần III: GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC A B C 1 Chọn động cơ điện 1 chiều: Có các thông số: Pđm = 31 .5 kW m = 220 V  đm = 0.95 Tốc độ của rôto: n đm = 1500 vòng/phút * Điện áp chỉnh lưu không... Công suất biểu kiến của MBA: S1  3U 1I1  3  38 0  16 .37  18661.8( W) S 2  3U 2 I 2  3  101.22  61. 53  18684.2( W) S = (S1 + S2) = 37 346 W - Chọn mạch từ 3 trụ, tiết diện của mỗi trụ tính theo công thức kinh nghiệm: Qk S cf với MBA khô, k= 5  6 S : công suất biểu kiến của MBA c : số trụ f : tần số nguồn điện xoay chiều; 37 346 Q6  94.67 (cm2) 3  50 Mạch từ được làm bằng các lá thép kó thuật . truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều. 1. Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng: Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bò nguồn như máy phát điện một chiều. Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mômen điện từ của động cơ ư I K M  và sức điện động quay của động cơ  K E ư . Mạch kích từ của động cơ là mạch. truyền động máy phát – động cơ (F – Đ)  Hệ truyền động máy điện khuếch đại – động cơ (MĐKĐ – Đ)  Hệ truyền động khuếch đại từ – động cơ (KĐT – ĐC)  Hệ truyền động chỉnh lưu Tiristor – động cơ