Đề tài thiết kế bộ chỉnh lưu hình tia ba pha 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 Đ N ĐIÊN TỬ CÔNG SUT ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU HÌNH TIA BA PHA ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP GVHD : Phạm Thanh Phong SVTH : Tạ Quốc Trưởng LHP : 221DADTCS2003 MSV : 1911505510246 Đà Nẵng, tháng 06 năm 2022 Đ N ĐIÊN T CÔNG SUT Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Khoa Điện-Điện tử GVHD: PHẠM THANH PHONG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc -o0o - -o0o NHIỆM VỤ Đ N MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUT Họ tên sinh viên: Tạ Quốc Trưởng Lớp: 220DADTCS2001 GVHD: Phạm Thanh Phong 1.Tên đề tài: Thiết kế chỉnh lưu hình tia ba pha để điều khiển tốc độ động điện chiều kích từ độc lập Các số liệu ban đầu: Nguồn điện lưới xoay chiều pha 220/380V Động điện chiều kích từ độc lập: Pđm= KW; Uđm=220 V; nđm= 1500 vg/ph; ηđm= 0,85; J= 0,16 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 tôc độ động cơ; phương pháp điều chỉnh tôc độ động cách thay đổi điện áp phần ứng Chương 2: Lý thuyết chỉnh lưu hình tia ba pha 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 Bản vẽ: (A1) Bản vẽ tổng thể gồm sơ đồ nguyên lý mạch động lực, mạch điều khiẻn bảo vệ Tài liệu tham khảo: Các tài liệu môn học Kiểm tra tiến độ đồ án (Giáo viên HD ký lần SV đến gặp thông qua đồ án) SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG Đà Nẵng, ngày tháng năm 20 Giáo viên hướng dẫn Đ N ĐIÊN T CÔNG SUT GVHD: PHẠM THANH PHONG LWI MX ĐYU Ngày nay, điện tử công suất đóng vai trị quan trọng q trình cơng nghiệp hố 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 hố cho q 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 công suất phải nghiên cứu, phát triển để giải pháp tối ưu Đặc biệt cách mạng cơng 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 đòi hỏi bền bỉ, độ an tồn, xác cao Đó nhiệm vụ điện tử công 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, cơng 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 cơng suất Ở đồ án này, em xin trình bày phương pháp điều khiển động điện chiều Đó “Thiết kế bơ & chỉnh lưu tia ba pha để điều khiển tốc độ động điện chiều kích từ độc lập” SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG Đ N ĐIÊN T CÔNG SUT GVHD: PHẠM THANH PHONG LWI CẢM ƠN Là sinh viên ngành Tự động hóa, việc trang bị cho kiến thức điện tử công suất điều cần thiết Đồ án môn học điện tử công suất công cụ hữu hiệu để em bổ sung, mở rộng tổng kết kiến thức điện công suất Qua đồ án môn học Điện tử công suất với đề tài: "Thiết kế chỉnh lưu hình tia ba pha điều khiển động điện chiều kích từ độc lập", giúp em hiểu rõ về: động điện chiều, Thyristor, chỉnh lưu hình tia ba pha, khâu điều khiển, vi mạch TCA780, mạch bảo vệ,…cũng cách tính tốn thơng số linh kiện mạch Với hướng dẫn thầy: “Phạm Thanh Phong” em tiến hành nghiên cứu thiết kế đề tài Măc‹ dù vâ ‹y, q trình thực đồ án chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Nếu có sai sót kính mong thầy bạn góp ý để em hồn thiện có hội bổ sung vào vốn kiến thức Em xin chân thành cảm ơn!!! SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG Đ N ĐIÊN T CÔNG SUT GVHD: PHẠM THANH PHONG LWI CAM ĐOAN Đề tài sinh viên tự thực dựa vào việc tham khảo số tài liệu không chép tài liệu hay cơng trình có trước Nếu có lận tơi xin chịu trách nhiệm nội dung đồ án Sinh viên thực Tạ Quốc Trưởng SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG Đ N ĐIÊN T CÔNG SUT GVHD: PHẠM THANH PHONG MỤC LỤC LỜI MỞ Đ•U .1 LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN M“C L“C DANH M“C H”NH ẢNH 10 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP - CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TÔC ĐỘ ĐỘNG CƠ - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG CÁCH THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP PH•N ỨNG 12 1.1 Tổng quan động điện chiều kích từ độc lập 12 1.2 Cấu tạo hoạt động máy điện chiều .13 1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động .19 1.3.1 Điều chỉnh R phần ứng cách mắc điện trở phụ Rf 19 1.3.2 Thay đổi điện áp phần ứng 20 1.3.3 Thay đổi từ thông 21 1.4 Điều chỉnh tốc độ dộng thay đổi điện áp phần ứng 22 CHƯƠNG LÝ THUYẾT VỀ CHỈNH LƯU TIA BA PHA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 26 2.1 Tổng quan chỉnh lưu tia ba pha .26 2.2 Chỉnh lưu không điều khiển 26 2.2.1 Sơ đồ dạng sóng 26 2.2.2 Nguyên lý hoạt đô ‹ng 27 2.2.3 Thông số 27 2.3 Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển 28 2.3.1 Sơ đồ dạng sóng 28 2.3.2 Hoạt động sơ đồ tải trở .29 2.3.3 Thông số 29 2.4 Hoạt động tải điện cảm 29 2.4.1 Giới thiệu 29 2.4.2 Thông số 30 2.5 Chỉnh lưu có điều khiển có diode xả lượng 31 SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG Đ N ĐIÊN T CÔNG SUT GVHD: PHẠM THANH PHONG CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ TÍNH CHỌN CÁC PH•N TỬ MẠCH ĐỘNG LỰC 32 3.1 Sơ đồ mạch động lực 32 3.2 Nguyên lý hoạt đô ‹ng 32 3.3 Tính chọn thyristor 33 3.4 Tính tốn máy biến áp chỉnh lưu 34 3.4.1 Tính cơng suất biểu kiến máy biến áp 34 3.4.2 Điện áp pha sơ cấp máy biến áp 34 3.4.3 Điện áp pha thứ cấp máy biến áp .34 3.4.4 Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp 35 3.4.5 Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp 35 3.5 Tính sơ mạch từ 35 3.5.1 Tiết diện sơ trụ .35 3.5.2 Đường kính trụ 35 3.5.3 Chọn loại thép 35 3.5.4 Chọn tỷ số 36 3.6 Tính tốn dây quấn 36 3.6.1 Số vòng dây pha sơ cấp máy biến áp 36 3.6.2 Số vòng dây pha thứ cấp máy biến áp .36 3.6.3 Chọn sơ mật độ dòng điện máy biến áp 36 3.6.4 Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp .36 3.6.5 Tính lại mật độ dịng điện cuộn sơ cấp 36 3.6.6 Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp 36 3.6.7 Tính lại mật độ dòng điện cuộn sơ cấp 37 3.7 Kết cấu dây dẫn sơ cấp 37 3.7.1 Tính sơ số vòng dây lớp cuộn sơ cấp 37 3.7.2 Tính sơ lớp dây cuộn sơ cấp .37 3.7.3 Chọn số lớp 37 3.7.4 Chiều cao thực tế cuộn sơ cấp 37 3.7.5 Chọn ống dây làm vật liệu cách điện có bề dày .37 3.7.6 Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp 37 3.7.7 Đường kính ống cách điện 37 SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG Đ N ĐIÊN T CƠNG SUT GVHD: PHẠM THANH PHONG 3.7.8 Đường kính cuộn dây sơ cấp .37 3.7.9 Chọn bề dày hai lớp dây cuộn sơ cấp .37 3.7.10 Bề dày cuộn sơ cấp 37 3.7.11 Đường kính ngồi cuộn sơ cấp 38 3.7.12 Đường kính trung bình cuộn sơ cấp 38 3.7.13 Chiều dài dây quấn sơ cấp 38 3.7.14 Chọn bề dày cách điện sơ cấp thứ cấp 38 3.8 Kết cấu dây dẫn thứ cấp .38 3.8.1 Chiều cao thực tế cuộn thứ cấp 38 3.8.2 Tính sơ số vòng dây lớp cuộn thứ cấp .38 3.8.3 Tính sơ lớp dây cuộn thứ cấp 38 3.8.4 Chọn số lớp dây quấn thứ cấp 38 3.8.5 Chiều cao thực tế cuộn thứ cấp 38 3.8.6 Đường kính cuộn dây thứ cấp chọn a12 = 1,0 (cm) 38 3.8.7 Chọn bề dày cách điện lớp dây cuộn thứ cấp 38 3.8.8 Bề dày cuộn thứ cấp n12 = (lớp) 38 3.8.9 Đường kính ngồi cuộn dây thứ cấp 38 3.8.10 Đường kính trung bình cuộn thứ cấp 38 3.8.11 Chiều dài dây quấn thứ cấp .39 3.8.12 Đường kính trung bình cuộn dây 39 3.8.13 Chọn khoảng cách hai cuộn thứ cấp .39 3.9 Tính kích thước mạch từ 39 3.9.1 Với đường kính trụ d = cm, ta có số bậc nửa tiết diện trụ 39 3.9.2 Toàn tiết diện bậc thang trụ 39 3.9.3 Tiết diện hiệu trụ 40 3.9.4 Tổng chiều dày bậc thang trụ .40 3.9.5 Số thép dùng bậc 40 3.9.6 Tiết diện hiệu gông (khq = 0,95) 40 3.9.7 Số thép dùng gông 40 3.9.8 Tính xác mật độ từ cảm trụ 40 SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG Đ N ĐIÊN T CÔNG SUT GVHD: PHẠM THANH PHONG 3.9.9 Mật độ tự cảm gông 40 3.9.10 Chiều rộng cửa sổ 40 3.9.11 Tính khoảng cách tâm trục 40 3.9.12 Chiều rộng mạch từ 40 3.9.13 Chiều cao mạch từ 40 3.10 Tính khối lượng sắt đồng 41 3.10.1 Thể tích trụ .41 3.10.2 Thể tích gơng 41 3.10.3 Khối lượng trụ 41 3.10.4 Khối lượng gông 41 3.10.5 Khối lượng sắt 41 3.10.6 Thể tích đồng 41 3.10.7 Khối lượng đồng 41 3.11 Tính thơng số máy biến áp 42 3.11.1 Điện trở cuộn sơ cấp máy biến áp 75ºC 42 3.11.2 Điện trở cuộn thứ cấp máy biến áp 75ºC .42 3.11.3 Điện trở máy biến áp qui đổi thứ cấp 42 3.11.4 Sụt áp điện trở máy biến áp .42 3.11.5 Điện kháng máy biến áp quy đổi thứ cấp 42 3.11.6 Điện cảm máy biến áp qui đổi thứ cấp .42 3.11.7 Sụt áp điện kháng máy biến áp 42 3.11.8 Sụt áp máy biến áp 42 3.11.9 Điện áp trê động có góc mở αmin = 10ºC 42 3.11.10 Tổng trở ngắn mạch quy qui đổi thứ cấp 43 3.11.11 Tổn hao ngắn mạch máy biến áp 43 3.11.12 Tổn hao có tải có kể đến 15% tổn hao phụ 43 3.11.13 Điện áp ngắn mạch tác dụng 43 3.11.14 Điện áp ngắn mạch phản kháng 43 3.11.15 Điện áp ngắn mạch phần trăm .43 3.11.16 Dòng điện ngắn mạch xác lập .43 SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG Đ N ĐIÊN T CÔNG SUT GVHD: PHẠM THANH PHONG 3.11.17 Dòng điện ngắn mạch tức thời cực đại 43 3.11.18 Kiểm tra máy biến áp thiết kế có đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến thiên dòng điện chuyển mạch 43 3.11.19 Hiệu suất thiết bị chỉnh lưu 44 3.12 Thiết kế cuộn kháng lọc .44 3.12.1 Xác định góc mở cực tiểu cực đại 44 3.12.2 Xác định thành phần sóng hài 44 3.12.3 Xác định điện cảm cuộn kháng lọc 45 3.12.4 Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc 47 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ TÍNH CHỌN CÁC PH•N TỬ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.50 4.1 Xác định yêu cầu 50 4.1.1 Nguyên tắc điều khiển 51 4.1.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcos 52 4.2 Lựa chọn thiết kế mạch điều khiển 53 4.2.1 Vi mạch TCA 780 .53 4.2.2 Khâu khuếch đại xung 57 4.3 Phân tích hoạt động mạch điều khiển 58 4.4 Tính chọn thông số phần tử mạch điều khiển 59 4.4.1 Tính chọn phần tử khâu khuếch đại xung 59 4.4.2 Chọn phần tử bên TCA 780 61 4.4.3 Tính tốn máy biến áp đồng pha .61 4.4.4 Tính chọn biến áp xung 61 4.4.5 Sơ đồ hệ thống hoàn chỉnh 63 CHƯƠNG MẠCH BẢO VỆ VÀ KẾT LUẬN 66 5.1 Tính chọn thiết bị bảo vệ mạch động lực .66 5.1.1 Giới thiệu 66 5.1.2 Bảo vệ nhiệt độ cho van bán dẫn 66 5.1.3 Bảo vệ dòng điện cho van 67 5.1.4 Bảo vệ điện áp cho van 68 5.1 Sơ đồ mạch động lực có thiết bị bảo vệ 69 5.2 Kết luận 70 CHƯƠNG MÔ PHỎNG MẠCH TRÊN MATLAB/SIMULINK 71 SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG Đ N ĐIÊN T CÔNG SUT GVHD: PHẠM THANH PHONG 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 Có thể điều chỉnh góc mở α từ 0o đến 180o điện Thơng số chủ yếu TCA 780: + Điện áp nuôi: Us = 18 (V) + Dòng 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 (k - 500 (k) + Điện áp điều khiển: U11 = -0,5 – (Us – 2) (V) + Dòng điện đồng bộ: IS = 200 (A) + Tụ điện: C10 = 0,5 F) + Tần số xung ra: f = 10 – 500 (Hz) Hình 4.8 Vi mạch TCA780 SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG 54 Đ N ĐIÊN T CÔNG SUT GVHD: PHẠM THANH PHONG 1.2.2 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 Hình 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 dòng 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, U c = “1”, tranzitor dẫn, điện cảm L biến áp xung ngăn khơng cho ngay, mà dịng Ic tăng từ từ theo hàm mũ + với + Khi Uc = “0” (mức logic 0) Dz1 bị chặn lại tranzitor bị khoá + Khi t = t1 Uc = “0” ta có: + Tranzitor bị khố  Ic = SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG 55 Đ N ĐIÊN T CƠNG SUT GVHD: PHẠM THANH PHONG + Vậy khơng có diot D2 lượng sinh q 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 1.3 Phân tích hoạt động mạch điều khiển Hình 4.10 Sơ đồ pha điều khiển Thyristor Hình 4.11 Giản đồ đưGng cong mạch điều khiển - Hoạt động sơ đồ TCA 780 hoạt động theo nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG 56 Đ N ĐIÊN T CÔNG SUT GVHD: PHẠM THANH PHONG + 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 + 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 k - 500 k) Dịng điện i tính: (Thường chọn R9 = 200 k) (Thường chọn C10 = 0,5 F) + 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 U dk làm mở thông 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 anôt 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 {: + 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 1.4 Tính chọn thơng số phần tử mạch điều khiển 1.4.1 Tính chọn phần tử khâu khuếch đại xung Chọn diot D4 dùng điều khiển Thyristor T60N1000VOF: US = 18 (V), Ig = 300 (mA) Chọn diot D4 loại S310 Liên Xô với thông số: UCE = 40 (V), UBE = (V), Ic max = 300 (mA), = 13 – 25 Với IC = 150 mA, chọn = 20: SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG 57 Đ N ĐIÊN T CÔNG SUT GVHD: PHẠM THANH PHONG Điện trở Rc: Tính chọn R1: Chọn D2, D3 loại S310 có thông số: I = 0,5 (A), Ung max = 20 (V), UV = ∆UD3 = 0,6 (V) 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: 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) + Công 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) 1.4.2 Chọn phần tử bên TCA 780 Ta chọn : , , 1.4.3 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 SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG 58 Đ N ĐIÊN T CÔNG SUT GVHD: PHẠM THANH PHONG 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: TCA có dịng vào đồng khoảng: I5 = 200 Vậy điện trở R5 tính sau: Tỉ số biến áp máy biến áp đồng pha: Dòng điện sơ cấp máy biến áp là: 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 1.4.4 Tính chọn biến áp xung Tỉ số biến áp biến áp xung tính theo công thức: (thường lấy m = 2-3) 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: 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 BS = 2,2 T, ∆B = 1,7 T làm việc f = 50 Hz, có khe ∆H = 50 A/m Từ thẩm lõi thép từ: 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 Thể tích lõi sắt từ: = 1,02 *10-6 (m) = 1,02 (cm3) Chọn thể tích (cm3) Chọn số liệu thiết kế: l = (cm), a = =1,5 (cm) SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG 59 Đ N ĐIÊN T CƠNG SUT GVHD: PHẠM THANH PHONG Số vịng dây cuộn sơ cấp biến áp xung: Số vòng dây cuộn thứ cấp biến áp xung: SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG 60 Đ N ĐIÊN T CÔNG SUT GVHD: PHẠM THANH PHONG 1.4.5 Sơ đồ hệ thống hoàn chỉnh SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG 61 Đ N ĐIÊN T CÔNG SUT GVHD: PHẠM THANH PHONG - Nguyên l{ hoạt động sơ đồ Với sơ đồ nguyên lý trên, Thyristor nối theo nhóm catot chung nên phần tử chỉnh lưu có đặc điểm sau: Thyristor dẫn điện Thyristor có anot nối với điện áp cao phải kích xung đồng pha với điện áp pha Thyristor dẫn điện gánh trọn dịng điện tải Khi có Thyristor dẫn điện hai Thyristor cịn lại khơng dẫn (nếu ta xét bỏ qua chuyển mạch) Để tiến hành điều chỉnh tốc độ động cơ, người ta thay đổi góc kích  Thyristor thay đổi điện áp chỉnh lưu, làm cho điện áp đặt lên phần ứng động thay đổi Xét hai trường hợp: + Khi  = 0: Ta kích Thyristor thời điểm chuyển mạch tự nhiên làm cho điện áp trung bình cực đại: Udo = Udmax Trong đó: + Udo : Điện áp chỉnh lưu thời điểm  = + m : Số pha chỉnh lưu (m = ) + U2f : Điện áp pha thứ cấp máy biến áp + Khi   0: Ud = Udmaxcos + Khi <  < 30o: Dòng chỉnh lưu liên tục Trong khoảng thời gian t1t2 điện áp Ua có giá trị lớn nhất, đồng thời thời điểm t1 kích xung cho T1 T1 nhận xung kích nên dẫn điện, mở cho dòng điện chạy qua hai van T2 T3 bị khóa Sau thời điểm t2 trở Ub có giá trị lớn Tại t 2, kích xung cho T2 nên T2 dẫn Lúc ta có Ua < Ub nên anốt T1 có điện thấp so với katốt nó, T1 bị khóa Tương tự, thời điểm t3, T3 dẫn cịn T1 T2 bị khóa Như Thyristor cho dịng chạy qua khoảng thời gian 1200 điện giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu Thyristor: Điện áp ngược đặt lên Thyristor hiệu số điện anốt katốt Thyristor Khi T2 dẫn: SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG 62 Đ N ĐIÊN T CÔNG SUT GVHD: PHẠM THANH PHONG Khi T3 dẫn: Điểm cực trị điện áp ngược đặt lên T1 là: Dòng điện chỉnh lưu san có giá trị: Giá trị trung bình dịng điện chạy qua Thyristor là: + Khi 300 <  < 900: Điện áp tức thời âm số khoảng + Khi  = 900: Điện áp trung bình Udtb = Ta nhận thấy: Trong khoảng <  < 900, biến đổi làm việc chế độ chỉnh lưu với điện áp Ud > Và khoảng 900 <  < 1800, biến đổi làm việc chế độ nghịch lưu với Ud < Mối quan hệ U d = f (  ) chỉnh lưu Thyristor biểu diễn sau: Hình 4.12 Đặc tính điều chỉnh Ud = f ( ) SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG 63 Đ N ĐIÊN T CÔNG SUT GVHD: PHẠM THANH PHONG CHƯƠNG MẠCH BẢO VỆ VÀ KẾT LUẬN 3.1 Tính chọn thiết bị bảo vệ mạch động lực 3.1.1 Giới thiệu Các phần tử bán dẫn công suất sử dụng ngày rộng rãi, có nhiều ưu điểm như: gọn nhẹ, làm việc với độ tin cậy cao, tác động nhanh, hiệu suất cao, dễ dàng tự động hoá… Tuy nhiên phần tử bán dẫn cơng suất khó tính tốn hay bị hư hỏng nhiều nguyên nhân khác Do cần phải bảo vệ Thyristor, cần phải tôn trọng tỉ số giới hạn sử dụng nhà chế tạo định với phần tử - Điện áp ngược lớn Giá trị trung bình lớn dòng điện Nhiệt độ lớn thiết bị - Tốc độ tăng trưởng lớn dòng điện Thời gian khoá toff - Thời gian mở ton Dịng điện kích thích Điện áp kích Các phần tử bán dẫn công suất cần bảo vệ chống nhiều cố bất ngờ xảy gây nhiễu loạn nguy hiểm như: ngắn mạch tải, điện áp dòng điện 3.1.2 Bảo vệ nhiệt độ cho van bán dẫn Khi van bán dẫn làm việc, có dịng điện chạy qua, van có sụt áp U, có tổn hao cơng suất p Tổn hao sinh nhiệt ,đốt nóng van bán dẫn Mặc khác, van bán dẫn phép làm việc nhiệt độ cho phép (T cp), nhiệt độ cho phép van bị phá hỏng Để van bán dẫn hoạt động an tồn, khơng bị chọc thủng nhiệt, chọn thiết kế hệ thống tỏa nhiệt hợp lý Tính tốn cánh tỏa nhiệt: Thơng số cần có: + Tổn thất cơng suất Thyristor: p = U*Ilv = 1,8*40,61 = 73,1 (W) + Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: Trong đó: p tổn hao công suất W  độ chênh nhiệt độ so với môi trường Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = C) Nhiệt độ làm việc cho phép Thyristor Tcp = C) Chọn nhiệt độ cánh tỏa nhiệt Tlv = C)  = Tlv  Tmt C) Km: Hệ số tỏa nhiệt đối lưu xạ Chọn SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG 64 Đ N ĐIÊN T CÔNG SUT GVHD: PHẠM THANH PHONG Vậy SM = = 0,23 (m2) Chọn loại cánh tỏa nhiệt có 12 cánh ,kích thước cánh: b =10×10(cm×cm) Tổng diện tích tỏa nhiệt cánh STN = 12*2*10*10 = 2400 (cm2) Hình 5.1 Hình dáng kích thước giới hạn cánh tỏa nhiệt van bán dẫn 3.1.3 Bảo vệ dòng điện cho van - Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động cắt mạch tải ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu biến đổi, ngắn mạch thứ cấp MBA ngắn mạch chế độ nghịch lưu + Chọn aptomat có: Dịng điện làm việc chạy qua aptomat: Ilv = Dòng điện aptomat cần chọn: Idm= 1,1*Ilv = 1,1*24,7 = 27,14 (A) ,Udm = 380(V) Có tiếp điểm chính, đóng cắt tay nam châm điện Chỉnh định dòng ngắn mạch: Inm = 2,5*Ilv = 2,5*24,7 = 72,1 (A) Dòng tải : Iqt =1,5*Ilv = 1,5*24,7 = 37,05 (A) Từ thông số chọn aptomat + Chọn cầu dao có dịng định mức: Iqt =1,1*Ilv =1,1*24,7 = 27,14 (A) = 28 (A) Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn sửa chữa hệ thống truyền động dùng để đóng cắt nguồn chỉnh lưu khoảng cách từ nguồn cấp tới chỉnh lưu đáng kể + Dùng dây chảy: tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu chỉnh lưu - Nhóm 1cc: dịng điện định mức dây chảy nhóm 1cc: I1cc = 1,1*I2 = 1,1*57,43 = 63,2 (A)  Chọn 1cc loại 70 (A) Trong đó: I2 dịng điện hiệu dụng thứ cấp MBA - Nhóm 2cc: dịng điện định mức dây chảy nhóm 2cc: I2cc = 1,1*Ihd = 1,1*40,61 = 44,7 (A) SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG 65 Đ N ĐIÊN T CÔNG SUT GVHD: PHẠM THANH PHONG  Chọn 2cc loại 50 (A) Trong đó: Ihd dịng điện làm việc van Ihd = Ilv (vì Ilv đc tính theo Ihd) - Nhóm 3cc: dịng điện định mức dây chảy nhóm 3cc: I3cc = 1,1*Id = 1,1*70,34 = 77,4 (A)  Chọn 3cc loại 80 A Trong đó: Id dịng qua tải phần tính chọn Thyristor 3.1.4 Bảo vệ điện áp cho van Bảo vệ điện áp cho trình đóng cắt Thyristor thực cách mắc R-C song song với Thyristor Khi có chuyển mạch, điện tích tích tụ lớp bán dẫn phóng ngồi tạo dịng điện ngược khoảng thời gian ngắn, biến thiên nhanh chóng dịng điện ngược gây suất điện động cảm ứng lớn điện cảm làm cho điện áp Anot Ktot Thyristor Khi có mạch mắc R-C song song với Thyristor tạo mạch vịng phóng điện tích q trình chuyển mạch nên Thyristor khơng bị q điện áp Thơng thường : R1 =(5÷30) (); C1 = (0,25÷4) (F) Theo tài liệu : R1 =5,1 (); C1 = 0,25(F) Bảo vệ xung điều khiển từ lưới điện ta mắc mạch R-C (Hình 2.9) nhờ có mạch lọc mà đỉnh xung gần nằm lại hoàn toàn điện trở đường dây Trị số R-C chọn : R2 =12,5 () ; C2 = (F) Hình 5.2 Mạch R-C bảo vệ điện áp chuyển mạch SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG 66 Đ N ĐIÊN T CÔNG SUT GVHD: PHẠM THANH PHONG Hình 5.3 Mạch R-C bảo vệ điện áp từ lưới 5.1 Sơ đồ mạch động lực có thiết bị bảo vệ Hình 5.4 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG 67 Đ N ĐIÊN T CÔNG SUT GVHD: PHẠM THANH PHONG 3.2 Kết luận Với mục tiêu đồ án, qua trình tìm hiểu nghiên cứu với hướng dẫn tận tình thầy”PHẠM THANH PHONG”, giúp đỡ bạn lớp em hoàn thành đề tài “Thiết kế chỉnh lưu tia ba pha để điều khiển tốc độ động điện chiều kích từ độc lập”, rút kết luận sau: - Đề tài giới thiệu tổng quan động điện chiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động kích từ độc lập - Giới thiệu Thyristor nguyên lý chỉnh lưu hình tia ba pha có điều khiển sử dụng Thyristor - Thiết kế, tính tốn phần tử, thông số mạch động lực, mạch điều khiển mạch bảo vệ giải thích nguyên lý điều khiển chỉnh lưu tia ba pha Đồ án giúp em cố kiến thức học động điện chiều, Thyristor, nguyên ly chỉnh lưu Và hiểu bước thiết kế chỉnh lưu, việc tính tốn thơng số linh kiện chọn mạch Trong trình thực hiện, chắn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận ý kiến đóng góp thầy, hội đồng để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! SVTH: TẠ QUỐC TRƯỞNG 68