Chuyên đề học phần đồ án điện tử công suất đề tài thiết kế bộ chỉnh lưu hình tia ba pha cấp nguồn cho phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA -   - BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ HỌC PHẦN ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT ĐỀ TÀI: Thiết kế chỉnh lưu hình tia ba pha cấp nguồn cho phần ứng động chiều kích từ độc lập • Giảng Viên Hướng Dẫn • Sinh Viên Thực Hiện • Lớp • MSV : : : : NGUYỄN THỊ ĐIỆP TRẦN HUY HOÀNG D12–TDH&DK1 1781410337  Hà Nội - 2021 LỜI MỞ ĐẦU Điện tử công suất lĩnh vực kỹ thuật đại, nghiên cứu ứng dụng linh kiện bán dẫn công suất làm việc chế độ chuyển mạch trình biến đổi điện Ngày này, khơng riêng nước phát triển nước ta thiết bị bán dẫn thâm nhập vào ngành công nghiệp lĩnh vự sinh hoạt Các xí nghiệp, nhà máy xi măng, thủy điện, giấy, dệt, sợi, đóng tàu…đang sử dụng ngày nhiều thành tựu công nghiệp điện tử nói chung điện tử cơng suất nói riêng Đó chứng cho phát triển ngành cơng nghiệp Với mục tiêu cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước, ngày có nhiều xí nghiệp mới, dây chuyền sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán kỹ thuật kỹ sư điện kiến thức điện tử công suất Cũng với lỹ đó, học kỳ chúng em nhận đồ án môn học điện tử công suất với đề tài: “Thiết kế chỉnh lưu hình tia ba pha cấp nguồn cho phần ứng động điện chiều kích từ độc lập” Với hướng dẫn Nguyễn Thị Điệp, chúng em tiến hành nghiên cứu thiết kế đồ án Trong trình thực đề tài khả kiến thức thực tế có hạn nên khơng thể tránh khỏi sai sót, kính mong thầy đóng góp ý kiến để đồ án chúng em hoàn thiện Chúng em xin trân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG .1 1.1.Giới thiệu chung động chiều kích từ độc lập 1.2 Xây dựng phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập 1.3.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ .7 1.4.Giới thiệu chung chỉnh lưu 1.5.Phân loại mạch chỉnh lưu 10 1.6 Giới thiệu Thyristor .11 1.7.Đặc tính Vơn-Ampe Thyristor .12 1.8.Các thông số Thyristor .14 1.9.Phân tích sơ đồ chỉnh lưu tia pha cấp cho tải động chiều 15 1.10.Nguyên lý làm việc .16 1.10 Các biểu thức tính tốn 17 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MẠCH LỰC 18 2.1 Mạch động lực 18 3.2 Tính tốn thông số động cơ: 19 2.3 Tính chọn van Thyristor .20 2.4 Tính góc điều khiển .21 2.5 Tính tốn mạch bảo vệ 22 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN .23 3.1 Yêu cầu mạch điều khiển chỉnh lưu 23 3.2 Thiết kế mạch điều khiển 23 3.2.1 Khâu đồng pha 23 3.2 Khâu tạo điện áp tựa .25 3.2.3 Khâu so sánh 26 3.2.4.Khâu tạo xung .27 3.2.5 Khâu khuếch đại biến áp lực 28 CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG .31 4.1 Giới thiệu phần mềm mô PSIM 31 4.2 Sơ đồ nguyên lý kênh điều khiển .32 4.3 Mô khâu đồng pha 32 4.4 Mô khâu tạo điện áp cưa 34 4.5 Mô khâu so sánh .34 4.6 Mô khâu tách xung 34 4.7 Mô khâu khuếch đại biến áp xung .35 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .36 5.1 Nội dung tìm hiểu 36 5.2 Những hạn chế chưa làm 36 5.3 Phương hướng phát triển: 37 Tài liệu tham khảo 38 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.Giới thiệu chung động chiều kích từ độc lập Hình 1: Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều gồm có phần : Phần tĩnh (stator) phần động (rơtor) A,Phần tĩnh (stator) Gồm phần sau: a Cực từ chính: Cực từ phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện Cực từ gắn chặt vào vỏ nhờ bulơng Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện b Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt cực từ dùng để cải thiện đổi chiều c Gông từ: Dùng để làm mạch từ nối liền cực từ đồng thời làm vỏ máy d Các phận khác - Nắp máy(Frame) - Cơ cấu chổi than.(Brush Assembly) B, Phần ứng (Armature) Gồm phận sau: a Lõi sắt phần ứng: Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ thông thường dùng thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm phủ cách điện hai đầu ép chặt lại Trên thép có dập hình dạng rãnh để sau ép lại đặt dây quấn vào b Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng phần sinh s.đ.đ có dịng điện chạy qua Thường làm dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện trịn, máy điện vừa lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây quấn cách điện với rãnh lõi thép c Cổ góp(Commutator) Cổ góp hay cịn gọi vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dịng điện xoay chiều thành chiều cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình nhạn cách điện với lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm hợp thành hình trụ trịn Đi vành góp có cao lên để để hàn đầu dây phần tử dây quấn vào phiến góp dễ dàng d Các phận khác: Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy + - U I E KT IKT + UKT + - - U Rf E IKT CKT RKT Hình 1.2:Sơ đồ nguyên lý động điện chiều 1.2 Xây dựng phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Giả thiết mạch từ động chưa bão hịa khe hở khơng khí khơng đều, phản ứng phần ứng bù đủ, thông số động khơng đổi Ta lập sơ đồ thay máy điện chiều kích từ độc lập sau: Hình 1.3: Sơ đồ thay động điện chiều kích từ độc lập Từ sơ đồ thay ta có phương trình cân điện áp: Uư = Eư + (Rư + Rf) Iư Trong đó: Uư: điện áp phần ứng (V) Eư: sức điện động phần ứng (V) Rư: điện trở mạch điện phần ứng () Rf: điện trở phụ mạch phần ứng () Iư: dòng điện mạch phần ứng, A Với Rư= rư + rcf + rb - rct rư : điện trở cuộn dây phần ứng, rcf : điện trở cuộn cực từ phụ, rb : điện trở cuộn bù, rct : điện trở tiếp xúc chổi điện phiến góp Sức điện động Eư phần ứng động xác định theo biểu thức: Eư = K   Trong đó: pN K = 2 - hệ số cấu tạo động p – số đơi cực từ chính, (1.1) (1.2) (1.3) N – số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng, cặp cựctừ, a – số đôi mạch nhánh song song cuộn dây phần ứng,  - từ thơng kích từ cực từ, Wb  - tốc độ góc, rad/s Nếu Rf = 0: Uư = Eư + Rư Iư (1.4) Trong đó: E = Ke  n (1.5) pN 60a : hệ số sức điện động động K Ke  0,105K 9.55 Ke  Từ (1.1) (1.3), ta có: Uu  Ru Iu (1.6)  = K  K Biểu thức (1.6) phương trình đặc tính điện động Mặt khác momen điện từ Mđt động xác định bởi: suy ra: Iư  M đt K thay giá trị Iư vào (1.6), ta được: Uu R u  R f M dt  K  =  ( K ) (1.7) (1.8) Nếu bỏ qua tổn thất momen trục động momen điện từ, ta ký hiệu M Nghĩa Mđt = Mcơ =M: R  Rf Uu M  u  = K ( K) (1.9) Đây phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Giả thiết phản ứng phần ứng bù đủ, từ thơng  = const, phương trình đặc tính tuyến tính Dạng đặc tính động biểu diễn đường thẳng Hình 1.4: Đặc tính điện động điện chiều kích từ độc lập Hình 1.5: Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Theo đồ thị trên, Iư = M = 0, ta có:  (1.10) Uu Uu  0 0  K  K ; 0 gọi tốc độ không tải lý tưởng động cơ,  = ta có: U Iu  I nm Ru  R f (1.11) M K Inm Mmm (1.12) Và Inm, Mmm gọi dòng điện ngắn ngắn mạch momen mở máy 3.2 Thiết kế mạch điều khiển 3.2.1 Khâu đồng pha - Khâu đồng có nhiệm vụ: Chuyển đổi điện áp lực có giá trị cao xuống giá trị thấp phù hợp với mạch điều khiển - Cách ly hoàn toàn điện áp mạch lực mạch điều khiển Điều đảm bảo an toàn cho người sử dụng linh kiện điện tử Chọn máy biến áp có: U1 = 220V, U2 = 15V Ta dùng mạch kết hợp chỉnh lưu với khuếch đại thuật toán: mạch thông dụng thực tế Sơ đồ khâu đồng pha: Hình 3.2: Sơ đồ khâu đồng pha Chọn điện áp xoay chiều 220V từ mạch lực qua biến áp TI4 có số hệ số K ba = 30 Điện trở R để hạn chế dòng điện vào khuyếch đại thuật toán A,thường chọn R cho dịng vào khuyếch đại thuật tốn I< mA 15 3 Do đó: R = 10 = 15(k) Chọn R = 15 (k) 3.2 Khâu tạo điện áp tựa Khâu tạo xung cưa: Khâu tạo điện áp cưa cấp cho khâu so sánh, đảm bảo cho vùng điều khiển đủ rộng để đáp ứng yêu cầu vùng điều khiển, độ chình xác tính ổn định điều khiển xung Mục đích khâu điện áp cưa tạo điện áp cưa từ điện áp đồng pha để đưa vào khâu so sánh Có hai phương pháp tạo hàm cưa: -Dùng Transistor tụ điện -Dùng khuếch đại thuật tốn tụ điện R1 có tác dụng hạn chế dòng: R2 = 2.5 kΩ Tụ C = nF Chọn diode ổn áp DZ1 loại: BZX79A10 có UDZ = 18 V Nguồn ni OA: 12 V Hình 3.3 Sơ đồ khâu tạo điện áp tựa 3.2.3 Khâu so sánh Chức năng: So sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa (dạng cưa) để định thời điểm phát xung điều khiển, thơng thường thời điểm hai điện áp Nói cách khác khâu xác định góc điều khiển Khâu so sánh thực phần tử Transistor hay khuếch đại thuật toán OA So sánh dùng khuếch đại thuật toán: Ưu điểm: -Cho phép đảm bảo độ xác cao -Có giá thành thấp, khơng cần chỉnh định phức tạp -Tổng trở vào OA lớn nên không gây ảnh hưởng đến điện áp đưa vào so sánh tách biệt hồn tồn chúng để khơng tác động sang -Tầng vào OA loại khuếch đại vi sai, mặt khác số tầng nhiều (có thể lên đến triệu) Vì độ xác cao, độ trễ khoảng vài μs -Sườn xung dốc đứng so với tần số f = 50 Hz So sánh kiểu hai cửa: -Hai điện áp cần so sánh đưa tới hai cực OA -Điện áp điều khiển đưa vào cực (+), điện áp tựa đưa vào cực (-) Điện áp cưa có giá trị max = 5V sau tạo thành từ khâu tạo dao động cưa đưa vào khâu so sánh so sánh với điện áp Udk để tạo thành điện áp Uss1 Điện áp điều khiển vào khâu so sánh điện áp chiều điều chỉnh giá trị khoảng -5V đến +5V Hình 3.4 Sơ đồ khâu so sánh 3.2.4.Khâu tạo xung Có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor Xung để mở thyristor có yêu cầu: sườn trước dốc thẳng đứng, để đảm bảo yêu cầu thyristor mở tức thời có xung điều khiển (thường gặp loại xung xung kim xung chữ nhật); đủ độ rộng (với độ rộng xung lớn thời gian mở thyristor); đủ công suất; cách ly mạch điều khiển với mạch động lực (nếu điện áp động lực lớn) -1 đầu sử dụng cổng logic not kết hợp tụ điện điện trở với R=1,2k C=0,1u đầu đầu khâu so sánh Sử dụng cổng logic AND Hình 3.5 Sơ đồ khâu tạo xung 3.2.5 Khâu khuếch đại biến áp lực -Cách ly mạch lực mạch điều khiển -Phối hợp trở kháng tầng khuếch đại xung cực điều khiển van mạch lực Chọn vật liệu làm lõi sắt Ferit HM Lõi có dạng hình xuyến, làm việc phần đặc tính từ hố có = 0,3T; = 30 (A/m) khơng có kẽ hở khơng khí Tỉ số biến áp xung chọn m = Điện áp thứ cấp máy biến áp xung: U= U= (V) Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U= m.U= 3.3= (V) Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung: I= I= 0,1(A) Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung: I= = = 0,033 (A) Độ từ thẩm trung bình tương đối lõi sắt: = = = 8.10 (H/m) Với = 1,25.10(H/m) độ từ thẩm khơng khí Thể tích lõi thép cần có: V = Q.l = V= V = 0,834.10(m) = 0,834 (cm) Chọn mạch từ tích V = 1,4cm Với thể tích đó, ta có kích thước mạch từ sau: a = 4,5mm; b = mm; Q = 27 mm; d = 12 mm; D = 21 mm Chiều dài trung bình mạch từ l = 5,2cm Số vịng dây sơ cấp máy biến áp xung: Theo định luật cảm ứng điện từ có: U= W.Q = W.Q W= = = 186 (vòng) Số vòng dây thứ cấp: W== = 62 (vịng) Tất điơt mạch điều khiển dùng loại 1N4009 có thơng số : Dịng điện định mức : I= 10 mA Điện áp ngược lớn : U= 25 V Điện áp điôt mở thơng : U= V Hình 3.6 Khâu khuếch đại biến áp lực CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG 4.1 Giới thiệu phần mềm mô PSIM Phần mềm sử dụng để mô phần mềm PSIM PSIM phần mềm mô thiết kế đặc biệt để mô mạch điện tử công suất, hệ truyền động điện Thư viện PSIM phong phú đa dạng với khả mô nhanh, giao diện thân thiện, dễ sử dụng phân tích dạng sóng tốt, PSIM cơng cụ mơ mạnh mẽ cho việc phân tích biến đổi điện tử công suất, thiết kế vịng điều khiển kín, nghiên cứu hệ thống truyền động điện Khi bạn khởi động chương trình PSIM Schematic chạy đầu tiên, vào File ≫ New giao diện sau: Phần chuẩn (Standard) gồm File, Edit, View, Subcircuit, Element, Simulate, Option, Window, Help Mọi thao tác PSIM thực từ chuẩn Thanh bao gồm công cụ hay dùng, New, Save, Open… lệnh thường dùng Wire (nối dây), Zoom, Run Simulation (chạy mô phỏng)… Thanh linh kiện thường dùng điện trở, cuộn cảm, tụ điện, thyristor… Sau mô xong mạch lực mạch điều khiển, vào Simulate ≫ Simulation Control Một biểu tượng đồng hồ ra, đặt vào vị trí tùy ý trang vẽ, hộp thoại Time Step bước thời gian tính tốn, Total Time tổng thời gian bạn muốn chương trình chạy mơ phỏng, đơn vị giây Đó thơng số quan trọng Việc đặt Time Step Total Time cần phù hợp với mạch Time Step nhở mô xác đường đồ thị mịn, nhiên chọn Time Step nhỏ Total Time lớn thời gian chạy lâu Chọn xong thơng số mô phỏng, bạn chạy mô cách: Simulate ≫ Run Simulation Chương trình PSIM Simulation chạy sau SIMVIEW tự động chạy cửa sổ chương trình SIMVIEW Nếu khơng ra, bạn vào Simulate ≫ Run SIMVIEW Cửa sổ SIMVIEW với hộp thoại, hộp thoại có đại lượng hiển thị, bạn muốn hiển thị đồ thị chọn đại lượng ấn Add, sau OK Tên đại lượng để mặc định, bạn nên đặt lại tên theo ý để dễ theo dõi cách click đúp đặt lại tên phần tử PSIM Schematic Cần lưu ý là, đại lượng có giá trị khác nhau, hiển thị hệ trục tọa độ khơng nhìn thấy đồ thị đại lượng nhỏ, để quan sát đầy đủ, bạn hiển thị đồ thị hệ khác cách: Screen ≫ Add Screen Muốn thêm hay bớt đồ thị screen nào, bạn click chuột vào khu vực screen đó, dấu màu đỏ góc bên phải screen, đánh dấu screen chọn, sau dùng lệnh Screen ≫ Add/Delete Curve 4.2 Sơ đồ nguyên lý kênh điều khiển Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý kênh điều khiển Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý kênh điều khiển ghép nối với mạch lực chỉnh lưu tia pha 4.3 Mô khâu đồng pha Hình 4.3 Đồ thị khâu đồng pha 4.4 Mô khâu tạo điện áp cưa Hình 4.4 Đồ thị điện áp cưa 4.5 Mơ khâu so sánh Hình 4.5 Đồ thị điện áp so sánh Urc Uđk 4.6 Mô khâu tách xung Hình 4.6 Đồ thị khâu tách xung 4.7 Mơ khâu khuếch đại biến áp xung Hình 4.7 Đồ thị khâu khuếch đại biến áp xung CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Nội dung tìm hiểu Chương 1: - Đã tìm hiểu cấu tạo động chiều,phương pháp điều chỉnh tốc độ - Tìm hiểu băm xung áp chiều,phương pháp điều khiển - Tìm hiểu cấu tạo chức van thyristor Chương 2: -Chọn sơ đồ mạch lực chỉnh lưa tia pha điều khiển hồn tồn -Tìm hiểu tính tốn mạch bảo vệ -Tính tốn thơng số động -Chọn van bán dẫn thyristor theo yêu cầu đề Chương 3: -Tìm hiểu chức khâu mạch điều khiển -Tính tốn thơng số khâu đồng bộ, cưa,so sánh,khuếch đại biến áp mạch điều khiển -Đưa đồ thị khâu Chương 4: -Mơ dạng đồ thị với tính tốn chương -Do sai số nên điện áp tải lệch -Đồ thị khâu đồng bộ, cưa,so sánh giống tính tốn 5.2 Những hạn chế chưa làm -Chưa tìm hiểu loại động điện khác động điện kích từ nối tiếp, kích từ song song… -Các loại chỉnh lưu khác cầu pha, cầu pha có điều khiển… -Tìm hiểu loại van bán dẫn khác có chức tương tự IGBT,transitor, … -Chưa tìm hiểu phương pháp điều khiển,mạch điều khiển khác… -Chưa có điều khiển vịng kín 5.3 Phương hướng phát triển: Trong phạm vi đồ án thực điều khiển vịng hở, hồn tồn khơng có tín hiệu phản hồi mà có tín hiệu đặt nên đơn giản.Phương hướng phát triển thiết kế thực hệ thống điều khiển vịng kín có tín hiệu phản hồi mức độ phức tạp hơn, tùy theo lượng tín hiệu phản hồi luật xử lý chúng với điện áp đặt Có thể kể đến tự động điều chỉnh điển hình như: điều chỉnh kiểu tỷ lệ P, PI, PID Em xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp, hướng dẫn từ Nguyễn Thị Điệp để em hồn thành đồ án Tài liệu tham khảo Phân tích giải mạch điện tử công suất : Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi Nhà xuất Khoa học kĩ thuật Hà Nội ,1997 Điện tử công suất lý thuyết, thiết kế, ứng dụng : Lê Văn Doanh Nhà xuất khoa học kỹ thuật Điện tử cơng suất : Nguyễn Bính Nhà xuất Giáo dục ,2000 Truyền động điện : Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền Nhà xuất Khoa học kĩ thuật Hà Nội