ĐỒ án điện tử CÔNG SUẤT đề tài THIẾT kế bộ CHỈNH lưu HAI nửa CHU kỳ để điều KHIỂN tốc độ ĐỘNG cơ điện một CHIỀU KÍCH từ độc lập

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐIÊN TƯ ĐỒ ÁN CÔNG SUẤT ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU HAI NỬA CHU KỲ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP GVHD: VÕ KHÁÁ́NH THOẠI LỚP HP: 222DADTCS2004 SVTH: NHĨM ĐỒN ANH VĂN NGUYỄN QUANG VINH VŨ QUANG TRƯỜNG MÃ SV: 2050551200254 2050551200260 2050551200252 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Đà Nẵng, ngày 20 tháng 03 năm 2023 GVHD: VÕ KHÁNH THOẠI 2|Page Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Khoa Điện – Điện tử CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc -o0o - NHIỆM VỤ ĐỒỒ̀ ÁÁ́N MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤÁ́T Họ tên sinh viên: MSV: Lớp: 222DADTCS2004 2050551200254 Đoàn Anh Văn Vũ Quang Trường 2050551200252 Nguyễn Quang Vinh 2050551200260 GVHD: Võ Khánh Thoại 1.Tên đề tài: Thiết kế chỉnh lưu hai nửa chu kỳ để điều khiển tốc độ động điện chiều kích từ độc lập 2.Các số liệu ban đầu: Nguồn điện lưới xoay chiều pha 220/380V Động điện chiều kích từ độc lập: Pđm= 12.5 KW; Uđm=220 V; nđm= 1000 vg/ph; ηđm=0.84 ; J= 1.6 kgm2 Hệ số dự trữ điện áp: Ku= 1,5 ÷ 1,8 Hệ số dự trữ dịng điện: Ki= 1,1 ÷ 1,4 Nội dung: Chương 1: Tổng quan động điện chiều kích từ độc lập phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ; phương pháp điều chỉnh tôc độ động cách thay đổi điện áp phần ứng Chương 2: Lý thuyết chỉnh lưu hai nửa chu kỳ Chương 3: Thiết kế tính chọn phần tử mạch động lực Chương 4: Thiết kế tính chọn phần tử mạch điều khiển Chương 5: Mạch bảo vệ kết luận Chương 6: Mô mạch Matlab/Simulink thi công mạch Bản vẽ: (A1) Bản vẽ tổng thể gồm sơ đồ nguyên lý mạch động lực, mạch điều khiển bảo vệ 5.Tài liệu tham khảo: Các tài liệu môn học Kiểm tra tiến độ đồ án 202 (Giáo viên HD ký lần SV đến gặp thơng qua đồ án) ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT GVHD: VÕ KHÁNH THOẠI 4|Page LƠI MỞ ĐẦU Ngày nay, điện tử cơng suất đóng vai trị quan trọng q trình cơng nghiệp hoá đất nước Sử dụng ứng dụng điện tử công suất hệ thống truyền động điện lớn nhỏ gọn phần tử bán dẫn việc dễ dàng tự động hoá cho trình sản xuất Các hệ thống truyền động điều khiển điện tử công suất đem lại hiệu suất cao Kích thước, diện tích lắp đặt giảm nhiều so với hệ truyền động thông thường như: khuếch đại từ, máy phát - động Và để đáp ứng nhu cầu ngày khắc khe cơng nghiệp điện tử cơng suất phải nghiên cứu, phát triển để giải pháp tối ưu Đặc biệt cách mạng công nghệ 4.0 tự động hóa cơng nghiệp có vai trị quan trọng Do nhà máy, phân xưởng cần phải có thiết bị tự động địi hỏi bền bỉ, độ an tồn, xác cao Đó nhiệm vụ điện tử cơng suất cần phải giải Trong công nghiệp đại ngày nay, động điện chiều coi loại máy điện quan trọng Mặc dù động điện xoay chiều có tính ưu việt cấu tạo giản đơn, công suất lớn… Nhưng khơng thể hồn tồn thay động điện chiều Đặc biệt thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục phạm vi rộng máy cán thép, máy công cụ lớn đầu máy điện Vì việc điều khiển động điện chiều cách ổn định, xác nhiệm vụ điện tử công suất Ở đồ án này, em xin trình bày phương pháp điều khiển động điện chiều Đó “Thiêt kê bô chỉnh lưu hai nửa chu kỳ để điều khiển tốc độ động điện chiều kích từ độc lập” MỤC LỤC CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG CÁCH THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP PHẦN ỨNG 1.1 Tổng quan động điện chiều kích từ độc lập 1.1 Cấu tạo hoạt động máy điện chiều .2 1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động 1.2.1 Điều chỉnh R phần ứng cách mắc điện trở phụ Rf .9 1.2.2 Thay đổi điện áp phần ứng .10 1.2.3 Thay đổi từ thông 11 1.3 Điều chỉnh tốc độ dộng thay đổi điện áp phần ứng 11 CHƯƠNG 2.LÝ THUYẾT VỀ CHỈNH LƯU HAI NỬA CHU KỲ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 16 2.1 Tổng quan chỉnh lưu hai nửa chu kỳ 16 2.2 Chỉnh lưu không điều khiển 16 2.2.1 Sơ đồ dạng sóng 16 2.2.2 Nguyên lý hoạt động 17 2.2.3 Thông số 17 2.3 Chỉnh lưu có điều khiển 18 2.3.1 Sơ đồ dạng sóng 18 2.3.2 Thông số 19 2.4 Chỉnh lưu có điều khiển với diode xả lượng 19 2.4.1 Sơ đồ dạng sóng 19 2.5 Hiện tưởng chuyển mạch 20 2.5.1 Sơ đồ dạng sóng dịng điện tải liên tục 20 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: VÕ KHÁNH THOẠI 7|Page HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu tạo động điện chiều Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động Động điện chiều Hình 1.3 Sơ nơi dây cua đơng kich tư đôc lâp Hình 1.4 Sơ nơi dây đơng kich tư song song Hình 1.5 Sơ ngun li nơi dây đông điên môt chiêu kich tư đôc lâp .8 Hình 1.6 Đường đặc tính Hình 1.7 Điều chỉnh tốc độ thay đổi điện trở mạch phần ứng Hình 1.8 Đường đặc tính điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ độc lập thay đổi điện áp mạch phần ứng 10 Hình 1.9 Đặc tính đặc tính điện ĐCĐ chiều kích từ độc lập giảm từ thông 11 Hình 1.10 Sơ đồ khối sơ đồ thay chế độ xác lập dùng biến đổi điều khiển điện áp phần ứng 12 Hình 1.11 Quá trình thay đổi tốc độ điều chỉnh điện áp .12 Hình 1.12 Đặc tính q trình thay đổi điện áp 13 Hình 2.1 Sơ đồ dạng sóng hai nửa chu kỳ khơng điều khiển 16 Hình 2.2 Sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ không điều khiển 17 Hình 2.3 đồ dạng sóng hai nửa chu kỳ có điều khiển 18 Hình 2.4 Sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ có điều khiển 18 Hình 2.5 Dạng sóng Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ có điều khiển diode xả lượng 19 Hình 2.6 Chỉnh lưu nửa chu kỳ có điều khiển với diode xả lượng 20 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP - CÁÁ́C PHƯƠNG PHÁÁ́P ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ - PHƯƠNG PHÁÁ́P ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG CÁÁ́CH THAY ĐỔI ĐIỆN ÁÁ́P PHẦỒ̀N ỨNG 1.1 Tổng quan động điện chiều kích từ độc lập  Giới thiệu động điện chiều  + Khai niêm Là loại máy điện quay sử dụng điện chiều Động điện chiều thiết bị biến đổi điện thành Máy điện chiều làm việc chế độ động E < U, lúc dịng điện Iư ngược chiều với E + Động chiều dùng phổ biến công nghiệp, ngành giao thông vận tải nơi có yêu cầu điều chỉnh tốc độ quay liên tục phạm vi rộng Trong phân tích hệ thống truyền động, thường biết trước đặc tính Mc(ω) máy sản xuất Đạt trạng thái làm việc với thông số yêu cầu tốc độ, mơ men, dịng điện động cơ,…cần phải tạo đặc tính nhân tạo động tương ứng Mỗi động có đặc tính tự nhiên xác định số liệu định mức sử dụng loạt số liệu cho trước + Phương trình đặc tính động điện viết theo dạng thuận M = f(ω) hay dạng ngược ω = f(M) + Động điện chiều dùng phổ biến công nghiệp, giao thông vận tải nói chung thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục phạm vi rộng Máy điện chiều làm việc hai chế độ máy phát động Khi máy làm việc chế độ máy phát công suất đầu vào cơng suất cịn cơng suất đầu công suất điện Động quay roto máy phát điện chiều turbine gas, động điesel động điện Khi máy điện chiều làm việc chế độ động cơ, công suất đầu vào cơng suất điện cịn cơng suất đầu công suất Cả hai chế độ làm việc, dây quấn đông điện chiều quay từ trường có dịng điện chạy qua - Mơmen điện từ tính theo cơng thức: M = kMΦIư GVHD: VÕ KHÁNH THOẠI 1|Page ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Khi Us = Ucm, ta nhận xung mảnh đầu khâu so sánh khâu lật trạng thái Um cosα = Udk U Do α = arcos( dk ) : Um + Khi Udk = Um α = ; π dk Hinh 4.4 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcoss Như vậy, điều chỉnh Udk từ trị Udk = +Um, đến trị Udk = -Um ta điều chỉnh góc α từ đến α Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arcos” sử dụng thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao Bằng cách tác động vào Udk ta điều chỉnh vị trí xung điều khiển, tức điều chỉnh góc mở α Mạch điều khiển tia pha thường thiết kế theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính Để tạo thành mạch điều khiển thường sử dụng linh kiện: biến áp đồng pha, vi mạch TCA 780 (công tắc ngưỡng), tranzitor, máy biến áp xung, diot diot zener số linh kiện điện tử khác 4.2 Lựa chọn thiết kế mạch điều khiển 4.2.1 Vi mạch TCA 780 - Giới thiệu Vi mạch TCA 780 gọi công tắc ngưỡng Được bán rộng rãi thị trường, vi mạc h hang Siemens chế tạo, sử dụng để điều khiển thiết bị chỉnh lưu, thiết bị điều chỉnh dòng điện xoay chiều GVHD: VÕ KHÁNH THOẠI 46 | P a g e ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TCA 780 vi mạch phức hợp thực chức mạch điều khiển: + + + + “Tề đầu” điện áp đồng Tạo điện áp cưa đồng So sánh Tạo xung Hinh 4.5 Sơ đồ nguyên lý TCA780 - Sơ đồ vi mạch TCA 780 GVHD: VÕ KHÁNH THOẠI 47 | P a g e ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hinh 4.6 Sơ đồ vi mạch TCA 780 Hinh 4.7 Ký hiệu chân TCA780 Vi mạch TCA 780 cịn gọi cơng tắc ngưỡng GVHD: VÕ KHÁNH THOẠI 48 | P a g e ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Được bán rộng rãi thị trường, vi mạch hãng Siemens chế tạo, sử dụng để điều khiển thiết bị chỉnh lưu, thiết bị điều chỉnh dòng điện xoay chiều TCA 780 vi mạch phức hợp thực chức mạch điều khiển: + ‛‛Tề đầu” điện áp đồng + + + Tạo điện áp cưa đồng So sánh Tạo xung + + + + + + + + + Điện áp ni: Us = 18 (V) Dịng điện tiêu thụ: IS = 10 (mA) Dòng điện ra: I = 50 (mA) Điện áp cưa: Ur max = (US – 2) (V) Điện trở mạch tạo điện áp cưa: R9 = 20 (kΩ ¿ - 500 (kΩ) Điện áp điều khiển: U11 = -0,5 – (Us – 2) (V) Dòng điện đồng bộ: IS = 200 (μA) Tụ điện: C10 = 0,5 ¿F) Tần số xung ra: f = 10 – 500 (Hz) Hinh 4.8 Vi mạch TCA780 GVHD: VÕ KHÁNH THOẠI 49 | P a g e ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 4.2.2 Khâu khuếch đại xung Xung vi mạch TCA 780 chưa đủ lớn để mở Thyristor, cần khuếch đại xung có biên độ đủ lớn để mở Thyristor động lực Khuếch đại tạo xung gồm linh kiện: transistor, biến áp xung, diot điện trở phân cực cho tranzitor - Sơ đồ pha khâu khuếch đại xung Hinh 4.9 Sơ đồ pha khâu khuếch đại xung - Chức linh kiện - Dz1: diot ổn áp, ổn định điện áp đầu vào khâu khuếch đại D3: hướng dòng cung cấp cho transistor D2, Dz2: hạn chế điện áp cực colector emitor transistor R1, R2: điện trở hạn chế dòng phân cực IB transistor Rc: điện trở hạn chế dòng collector D4: ngăn chặn xung áp âm có T bị khóa Rg: hạn chế dịng điều khiển R3: điều khiển biên độ sườn xung Hoạt động sơ đồ khuếch đại xung + + + + + + + + + Giả sử tín hiệu vào Uc (là tín hiệu logic) lấy từ chân 15 (và 14) TCA 780 + + Khi Uc = “1” (mức logic 1) tranzitor dẫn bão hồ Giả sử t = 0, Uc = “1”, tranzitor dẫn, điện cảm L biến áp xung ngăn U không cho I c= S ngay, mà dòng Ic tăng từ từ theo hàm mũ Rc + ic= RcRc−t Uc (1−e T ) với T = L1 + Khi Uc = “0” (mức logic 0) Dz1 bị chặn lại tranzitor bị khoá GVHD: VÕ KHÁNH THOẠI 50 | P a g e ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT + Khi t = t1 + + Tranzitor bị khoá  Ic = Vậy khơng có diot D2 lượng W = L I20 sinh điện áp cực C E, điện áp vượt 100V nên phá huỷ transistor + Khi có D2: UCE = UC – UE = 0,8 (V) D2 mở cho dịng chạy qua làm ngắn mạch điểm C, F cuộn sơ cấp máy biến áp xung + Do đó: UCE = US + 0,8 (V) Khâu truyền hàm điều khiển: có xung cuộn dây thứ cấp máy biến áp xung, xung truyền qua D4 đến điều khiển mở Thyristor T phân cực thuận 4.3 Phân tích hoạt động mạch điều khiển Hinh 4.10 Sơ đồ pha điều khiển Thyristor GVHD: VÕ KHÁNH THOẠI 51 | P a g e ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hinh 4.11 Giản đồ đườờ̀ng cong mạch điều khiển - Hoạt động sơ đồ TCA 780 hoạt động theo nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính + Uc: điện áp điều khiển lấy từ chân 11 (Khoảng 0,5 – 16 V) + Us = Uc – Uv: Uc = Us tức Uv =0 TCA làm nhiệm vụ so sánh tạo xung Bằng cách làm thay đổi Udk điều chỉnh thời điểm xuất xung tức điều chỉnh góc mở α + Tụ C10: tham gia vào khâu tạo điện áp cưa, nạp dịng điện i từ chân số 10 dòng i điều chỉnh R9 (thường R9 = 20 kΩ - 500 kΩ) Dịng điện i tính: U8 i= = R9 U10= R9 i∗t C 10 + Tại thời điểm t = t0, U10 = Uc = U11, xuất xung dương chân 15 nên V(t)>0, xuất xung chân 14 V(t) 300 pF + US: điện áp nguồn nuôi từ chân 6, 13, 16 với điện áp chiều (18 V) ( Trong khoảng t1 → t2 , t4 → t5 ) ta có xung Udk làm mở thơng Tranzitor, kết ta nhận chuổi xung nhọn Xdk biến áp xung, để đưa tới mở Thyristor T Điện áp Ud suất tải từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên, thời điểm t2, t4 chuổi xung điều khiển, mổi chu kỳ điện áp nguồn cấp, cuối bán kỳ điện áp dương anơt Hiện có nhiều hãng chế tạo vi xử lý chuyên dụng để điều khiển thyristor tiện lợi Tuy nhiên linh kiện loại chưa phổ biến thị trường Lưu ý: + Trường hợp sơ đồ chỉnh lưu hình tia pha sử dụng Thyristor ta cần sử dụng xung lấy từ chân số 15 + Để có xung điều khiển cho Thyristor cần có vi mạch TCA 780 đảm nhận 4.4 Tính chọn thơng số phần tử mạch điều khiển 4.4.1 Tính chọn phần tử khâu khuếch đại xung Chọn diot D4 dùng điều khiển Thyristor 36RT100A US = 18 (V), Ig = 300 (mA) Chọn diot D4 loại S310 (SK34) Liên Xô với thông số: UCE = 40 (V), UBE = (V), Ic max = 300 (mA), β = 200 – 250 Với IC = 70 mA, chọn β = 200: Điện trở Rc: R c Tính chọn R1: Khi có D2: U1 = 16 – 0,8 = 15,2 Chọn D2, D3 loại S310 có thơng số: I = 0,5 (A), Ung max = 20 (V), UV = ∆UD3 = 0,6 (V) GVHD: VÕ KHÁNH THOẠI 53 | P a g e ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Diot Dz2 loại diot zener loại 1W3815 có thơng số: Imax = 264 (mA), U0N = 16 (V), Pmax = (W) Tính chọn Dz1 R2: Dịng điện từ chân 14 15 qua diot D1 50 (mA) Biên độ xung Ux = 16 (V) Chọn Dz1 diot zener loại KU139A có thơng số: U = 3,7 (V), Imax = 70 (mA), Imin = 30 (mA) Dòng điện chân 14 15 qua diot D1 50 (mA) Biên độ xung Ux = 16 (V) Điện trở R2 tính sau: U −U −U BE = 16−3,7−3 =186 (Ω) R2= X I 70 Chọn Tranzitor công suất Tr loại 2SC9111 làm việc chế độ xung có thơng số: + + + + + + Tranzitor loại n-p-n, vật liệu bán dẫn Si Điện áp colecto bazơ hở mạch emito: UCB0 = 40 (V) Điện áp emito bazơ hở mạch colecto: UEB0 = (V) Dòng điện lớn colecto chịu đựng: Icmax = 500 (mA) Cơng suất tiêu tán colecto: PC = 1,7 (W) Nhiệt độ lớn mặt tiếp giáp: T1 = 175(0C) + Hệ số khuếch đại : = 50 + + Dòng làm việc colecto: IC3 = I1 = 50 (mA) Dòng điện làm việc bazơ: IB3 = IC3/ = 50/50 = (mA) Ta thấy với loại Thyristor chọn có cơng suất điều khiển bé: Udk = 1,4 (V), Idk = 0,15 (A) 4.4.2 Chọn phần tử bên TCA 780 Ta chọn : R9 =100(kΩ), C10=0,5(μF), C12=0,5(μ F) 4.4.3 Tính tốn máy biến áp đồng pha Máy biến áp đồng pha máy biến áp tạo nguồn cung cấp cho TCA 780 Máy biến áp đồng pha có điện áp lớn, có sơ đồ nối dây ∆∕Ү để tạo độ lệch 30 o cách tự nhiên, đồng thời tạo đồng pha máy biến áp thứ cấp Độ dài xung cưa độ dài máy biến áp đồng pha với điện áp điều khiển cực đại là: U max= TCA có dịng vào đồng khoảng: I5 = 200 (μ A ) GVHD: VÕ KHÁNH THOẠI ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Vậy điện trở R5 tính sau: U2 R 5= I5 = 91,954 =0,46.10 (Ω)=460(k Ω) 200 Tỉ số biến áp máy biến áp đồng pha: n= Dòng điện sơ cấp máy biến áp là: I 1= I 200 =83,68(μ A ) n = 2,39 Công suất máy biến áp đồng pha: S = * U1 * I = * 220 * 83,68*10-6 = 55,22*10-3 (W) Công suất máy biến áp đồng pha tương đối nhỏ 4.4.4 Tính chọn biến áp xung Tỉ số biến áp biến áp xung tính theo cơng thức: U m= (thường lấy m = 2-3) U X Chọn m = Vậy điện áp sơ cấp biến áp xung là: U1 = m *UX = *(7 + 0,6) = 15,2 (V) Với UX = Uq + ∆Up = (7 + 0,6) (V) Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I I 1= 2g =150 (mA ) Mạch từ: Chọn vật liệu sắt từ 330, lõi sắt từ có dạng hình chữ nhật, làm việc phần đặc tính từ hố tuyến tính B S = 2,2 T, ∆B = 1,7 T làm việc f = 50 Hz, có khe ∆H = 50 A/m Từ thẩm lõi thép từ: μ= Vì mạch từ có khe hở nên phải tính từ thẩm trung bình Sơ ta chọn chiều dài trung bình đường sức: L = 0,1 m; khe hở lkh = 10-5 μtb= Thể tích lõi sắt từ: GVHD: VÕ KHÁNH THOẠI ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT V =φ1= ΔB = 1,02 *10-6 (m) = 1,02 (cm3) Chọn thể tích (cm3) Chọn số liệu thiết kế: l = (cm), a = 2=1,5 (cm) Số vòng dây cuộn sơ cấp biến áp xung: W Số vòng dây cuộn thứ cấp biến áp xung: U2 W 2= U115,2 ∗W 1= 7,6∗95 =47,5(v òng) = GVHD: VÕ KHÁNH THOẠI 56 | P a g e