Đồ án điện tử công suất Động điện chiều Đồ án điện tử công suất Các số liệu cho trước Uđm = 600V ; Iđm = 10A ; Phạm vi điều chỉnh tốc độ 25:1 Ukt = 400V ; Ikt = 0,9A Chương I GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU I ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIU Tầm quan trọng động điện chiều Trong sản xuất đại, động điện chiều đợc coi l loại máy quan trọng Mặc dù động xoay chiều có tính u việt nh cấu tạo đơn giản , công suất lớn Nhng động điện xoay chiều thay hon ton động điện chiều Đặc biệt l ngnh công nghiệp, giao thông vận tải, thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục phạm vi rộng nh máy cán thép, máy công cụ lớn đầu máy điện Vì động điiện chiều có u điểm nh khả điều chỉnh tốc độ tốt, khả mở máy lớn v khả tải Bên cạnh động điện chiều có nhợc điểm định nh giá thnh đắt, chế tạo v bảo quản phức tạp Nhng u điểm nên có tầm quan trọng định sản xuất Ngy hiệu suất động điện chiều công suất nhỏ vo khoảng 75% - 85%, động điện công suất trung bình v lớn vo khoảng 85% - 94% Công suất lớn động điện chiều vo khoảng 10000KW Điện áp vo khoảng vi trăm đến 1000V Hớng phát triển l cải tiến tính vật liệu, nâng cao tiêu kinh tế động v chế tạo máy công suất lớn Cấu tạo động điện chiều 2.1Phần tĩnh ( Phần cảm hay stator) ỏn in t cụng sut L phần đứng yên, bao gåm c¸c bé phËn chÝnh: a) Cùc tõ chÝnh : Đợc lm thép kĩ thuật dạng thép khối tÊm, xung quanh cã d©y quÊn cùc tõ chÝnhgäi lμ kích từ Nó thờng đợc nối với nguồn chiều Nhiệm vụ l tạo từ thông máy b) Cực từ phụ : Đợc đặt xen cực tõ chÝnh, xung quanh cùc tõ phơ cã d©y qn cực từ phụ Dây quấn cực từ phụ đấu nối tiÕp víi d©y qn roto, NhiƯm vơ cđa cùc tõ phụ l triệt tiêu từ trờng phần ứng ( Từ trờng dòng điện roto sinh ) Trên vùng trung tính hình học để hạn chế xuất tia lửa điện chổi than v cổ góp c) Vỏ máy ( Gông từ ) Ngoi nhiệm vụ thông thờng nh vỏ máy khác, vỏ máy điện chiều tham gia dẫn từ, phải đợc lμm b»ng thÐp dÉn tõ 2.2 PhÇn quay ( PhÇn øng hay roto ) a) Lâi thÐp roto Dïng ®Ĩ dẫn từ, thờng dùng thép kĩ thuật điện dầy 0.5mm phủ cách điện mỏng mặt ép chặt lại để giảm tổn hao dòng điện xoáy gây nên Trên thép có dập rÃnh để quấn dây b) Dây quấn phần ứng L phần phát sinh suất điện động v có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thờng lm dây đồng có sơn cách điện c) Cổ góp Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thnh chiều Gồm nhiều phiến đồng ghép cách điện với nhau, bề mặt cổ góp dợc gia công với độ bóng thích hợp để đảm bảo tiếp xúc tốt chổi than v cổ góp quay 2.3 Gới thiệu động điện chiỊu kÝch tõ ®éc lËp Cho ®Õn ®éng điện chiều dùng phổ biến hệ thống truyền động chất lợng cao, dải công suất động điện chiều từ vi W ®Õn vμi MW Gi¶n ®å kÕt cÊu chung cđa ®éng điện chiều kích từ độc lập đợc thể nh hình vẽ dới Phần ứng đợc biểu diễn vòng tròn bên có sức điện động E , phần stato có vi dâyquấn kích từ : Dây quấn kích từ độc lập CKD, dây qn kÝch tõ nèi tiÕp, d©y qn cùc tõ phơ CF, dây quấn bù CB Khi nguồn điện chiều có công suất không dử lớn mạch điện phần ứng v mạch kích từ mắc vo nguồn chiều độc lập nhau, lúc ny động dợc coi l động kích từ độc lập ỏn điện tử cơng suất Ngun lý làm việc Khi đóng động , Rôto quay đến tốc độ n , đặt điện áp Ukt lên dây quấn kích từ dây qn kích từ có dịng điện ik mạch kích từ máy có từ thơng φ , tiếp mạch phần ứng , dây quấn phần ứng có dòng điện i chạy qua tương tác với dòng điện phần ứng Tăng từ từ dịng kích từ ( cách thay đổi Rkt ) điện áp hai đầu động thay đổi theo qui luật : Edư = (1% ÷ 42% )Uđm Khi dịng ikt cịn nhỏ Eư U tăng tỉ lệ thuận với ikt Ukt bắt đầu lớn từ thơng φ lõi thép bắt đầu bão hồ Cuối ikt = iktbh U = Eư bão hồ hồn tồn Đồ án điện tử cơng suất 2.4 Phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập : Để thành lập phương trình đặc tính ta xuất phát từ phương trình cân điện áp động : Uư = Eư + (Rư +Rf ) Iư = Eư + R Iư (1) Trong : Uư : điện áp phần ứng ( V ) Eư : Sức điện động phần ứng (V) Rư : Điện trở mạch phần ứng Rf : Điện trở phụ mạch phần ứng Iư : Dòng điện mạch phần ứng 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 than Sức điện động Eư phần ứng động xác định theo biểu thức pN Eu φ ϖ = k φ ϖ → ϖ = Eư = 2πa k φ Trong : p : Số đơi cực từ N : Số dẫn tác dụng dây quấn phần ứng Đồ án điện tử công suất a : Số đôi mạch nhánh song song cuộn dây phần ứng φ : Từ thơng kích từ cực từ ω : Vận tốc góc rad/s pN k= : Hệ số cấu tạo động 2πa Từ phương trình (1) Ư Eư = Uư - (Rư +Rf ) Iư Ö Chia vế cho k.φ Eu Uu Ru + Rf = Iu kφ kφ kφ Uu Ru + Rf Iu (2 ) Ö ϖ = kφ kφ Ö Ö ϖ = f (I) : Đặc tính điện Mặt khác mơ men điện từ của điệ xác định : M dt Mđt = k φ Iư => Iư = K φ Uu Ru + Rf M d t kφ (k φ ) Ö ϖ = f (M) : Đặc tính theo mơmen Nếu bỏ qua tổn thất tổn thất thép mơ men trục điện mơ men điện từ , ta kí hiệu M nghĩa Mđt = Mcơ = M Thế vào (2) => ϖ = Ö ϖ = Uu Ru + Rf M kφ (k φ ) (3) Giả thiết phản ứng phần ứng bù đủ , từ thơng φ = const phương trình đặc tính điện (2) phương trình đặc tính tuyến tính, đồ thị chúng thể sau : ω ω ω0 ωđm ω0 ωđm N Đồ án điện tử công suất I Iđm M Inm Mđm Mnm Uu = ϖ0 kφ ϖ0 : Gọi tốc độ khơng tải lý tưởng động cơ, cịn ϖ0 = ta có : Uu Iu = = Inm Ru + Rf Inm , Mnm Gọi dịng điện ngắn mạch mơmen ngắn mạch Nhận xét : Nếu cho U, Rư + Rf , φ số phương trình (3) phương trình bậc : ϖ = ϖ = ϖ0 + Δϖ Δϖ = Ru + Rf M k φ Độ sùt tốc độ ω ω0 Δω 2.5 Ảnh hưởng tham số đến đặc tình Từ phương trình đặc tính : Uu Ru + Rf M kφ (k φ ) ta thấy có tham số ảnh hưởng đến đặc tính : Từ thông động φ , Điện áp phần ứng Uư , điện trở phần ứng động Ta xét ảnh hưởng tham số a) Ảnh hưởng điện trở phần ứng : Giả thiết Uư = Uđm = Const Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng ω = Đồ án điện tử công suất - Tốc độ không tải lý tưởng : ϖ = - Độ cứng đặc tính : β = U dm = st kφ ΔM kφ =− =variable Δϖ Ru + Rf Rf = ta có đặc tính tự nhiên Rf lớn β nhỏ dẫn tới đặc tính dốc Như thay đổi điện trở phụ ta họ đặc tính hìng vẽ ứng với phụ tải Mc , Rf lớn tốc độ giảm người ta sử dụng Phương pháp để hạn chế dòng điện điều chỉnh tốc độ Đặc điển : - Tốc độ n phẳng - Phạm vi điều chỉnh rộng - Vùng điều chỉnh tốc độ nđc < nđm - Việc điều chỉnh tốc độ thực mạch phần ứng có dịng điện lớn , tổn hao vơ ích nhiều , hệ số động giảm b) Ảnh hưởng điện áp phần ứng Giả thiết = đm = const, điện áp phần ứng R = const thực tế thờng giảm điện ¸p Đồ án điện tử công suất - Tèc độ không tải lý tởng: 0x = - Độ cứng đặc tính cơ: = Ux = variable, U giảm 0x giảm k.dm (k)2 = const Ru ω01 ω02 Udm(TN) ω03 U1 ω04 U2 M(I) U3 Nh− thay đổi điện áp đặt vo phần ứng động ta đợc họ đặc tính song song với đờng đặc tính tự nhiên Nhận thấy thay đổi điện áp, thực chất l giảm áp mô men ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch động giảm v tốc độ động giảm ứng với phụ tải định Vì phơng pháp ny đợc sử dụng để điều chỉnh tốc độ v hạn chế dòng điện khởi động *.Đặc điểm - Tốc độ điều chỉnh phẳng - Phạm vi điều chỉnh rộng - Vùng điều chỉnh tốc độ nc < nm - Để thực phơng pháp ny ta cần phải có nguồn điện áp thay đổi đợc(bộ biến đổi điện áp điện tử công suất ) c.ảnh hởng từ thông Giả thiết đIện áp phần ứng U = Uđm = const, điện trở phần ứng R = const Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ Ikt động - Tốc độ không tải: 0x = Udm = var kφx n (3) (2) Đồ án điện tử công sut - Độ cứng đặc tính : = (kx) = var Ru (1) đờng đặc tính tự nhiên đm = (2) ,(3) đòng đặc tÝnh gi¶m φ víi φđm = φ1 < φ2 < Khi giảm 0x tăng , giảm ta có họ đặc tính với 0x tăng dần v độ cứng đặc tính giảm dần ϖ2 ϖ2 ϖ1 ϖ0 ϖ ϖ1 ϖ0 Mm2 Mnm Mnm M Inm I *.Đặc điểm - Tốc độ phẳng - Phạm vi rộng - Vùng điều chỉnh nđm < n®c - Víi ®iỊu chØnh tèc ®é thùc hiƯn máy kích từ dòng điện nhỏ, tổn hao ít, hiÖu suÊt cao ChươngII LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG ÁN Đồ án điện tử công suất Theo đề thiết kế nguồn cấp điện cho động điện chiều kích từ độc lập có đảo chiều theo ngun tắc điều khiển chung với : Uđm = 600 (V) Iđm = 10 (A) Ukt = 400 (V) Ikt = 0,9 (A) Phạm vi điều chỉnh 25 : Ta xét số sơ đồ pha : I) : SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU TIA PHA a) Nguyên lý : Khi biến áp có ba pha đấu (Y) pha A,B,C ®Êu víi mét van, catèt ®Êu chung cho ta điện áp dơng tải trung tính biến áp l điện áp âm Các pha A,B,C dịch pha 1200 theo đờng cong điện áp pha ta có điện áp pha dơng điện áp hai pha lại 1/3 chu kỳ.Từ thấy thời điểm có điện áp pha dơng nên cã mét van dÉn mμ th«i 10 Đồ án điện t cụng sut b Nguyên lý hoạt động Khi anốt van no dơng van đợc kích mở, thời điểm hai điện áp hai pha giao đựơc gọi l góc thông tự nhiên van bán dẫn Trong trờng hợp ny ta xét víi gãc α = 75 tÝnh tõ thêi ®iĨm më tự nhiên - thời điểm = 75 phát xung điều khiển IG1, lúc ny T1 thoả mÃn hai ®iỊu kiƯn UAK > , IG1> → T1 mở (T2,T3 khoá ) Do mạch có thêm điện cảm L nên xuất giai đoạn điện áp âm cđa pha A tíi xt hiƯn xung ®iỊu khiĨn IG2 cđa T2 lóc nμy tiristor T2 11 Đồ án in t cụng sut thoả mÃn hai điều kiện l UAK >0, IG2 >0 T2 dẫn (T1,T3 khoá) tơng tự cho T3 có xung điều khiển IG3 T3 dẫn (T1, T2 khoá ) - Trong trình lm việc van nh với giả thiết Ld đủ lớn dòng điện l liên tục - Trong khoảng thời gian van dẫn dòng điện dòng điện tải van khoá dòng điện van lúc ny điện áp ngợc m van phải chịu điện áp dây pha có van khoá với pha có van dẫn *Điện áp trung bình nhận đợc tải l Ud = +α 6U 2.U sinθdθ = cosα = 1,17U cosα ∫ 2π π +α 2π = Udo cos *Dòng điện trung bình nhận đợc tải l : Id = Ud Rd Nhận xét - Khi tải trở dòng điện v điện áp tải liên tục hay gián đoạn phụ thuộc vo gãc më cđa c¸c tisistor NÕu gãc cđa c¸c tisistor < 30 đờng cong Ud, id l liên tục - Khi tải điện cảm (nhất l Ld đủ lớn ) dòng điện v điện áp tải l đờng cong liên tục nhờ có lợng dự trữ điện cảm để trì dòng điện điện áp đổi chiều *Ưu điểm sơ đồ - Chỉnh lu tia3 pha có chất lợng điện áp chiều tốt chỉnh lu pha - Biên độ điện áp đập mạch thấp - Thnh phần sóng hi bậc cao bé hơn, việc điều khiển van bán dẫn trờng hợp ny đơn giản 12 ỏn in t cụng sut *Nhợc điểm - Chế độ dòng điện tải phụ thuộc vo tính chất tải l trở hay l điện cảm nên có chế độ dòng điện l liên tục v gián đoạn II) S CHNH LU CU PHA 1.Chỉnh lu cầu pha điều khiển đối xứng a.Nguyên lý Sơ đồ chỉnh lu cầu pha điều khiển đối xứng coi nh hai sơ đồ chỉnh lu tia pha mắc ngợc chiều nhau, tisistor T1,T3,T5 t¹o thμnh mét chØnh l−u tia pha cho điện áp dơng tạo thnh nhóm anốt Còn T2,T4,T6 l chỉnh lu tia pha cho điện áp âm t¹o thμnh nhãm catèt, hai chØnh l−u nμy ghÐp l¹i thnh cầu 3pha Chỉnh lu tia 3pha điều khiển đối xứng dòng điện chạy qua tải l dòng điện chạy từ pha ny sang pha kia, thời điểm cần mở tiristor cần cấp hai xung ®iỊu khiĨn ®ång thêi (mét xung ë nhãm anốt dơng, xung nhóm catốt âm ) 13 Đồ án điện tử công suất b) Nguyên lý hoạt ng - Điện áp pha thứ cấp biến áp u2a = 2U 2sinθ u2b = U sin (θ - π ) u2c = U sin(- ) - Góc mở đợc tính từ giao điểm nửa hình sin, giả thiết tisistor T5,T6 cho dòng chảy qua Tại thời ®iĨm θ = π + α cho xung ®iỊu khiĨn më T1 th× tiristor T1 më v× u2a > 0, mở T1 lm cho T5 đợc khoá lại cách tự nhiên u2a > u2c lúc ny T6 ,T1 cho dòng chảy qua, điện áp nhận đợc tải l ud = uab = u2a u2b 14 Đồ án điện tử công suất - Thêi ®iĨm θ = 3π + α cho xung ®iỊu khiĨn më T2 tisistor nμy më v× T6 dÉn dòng đặt điện áp u2b lên anốt T2 m u2b>u2c Sự mở T2 lm cho T6 khoá lại cách tự nhiên (vì u2b>u2c) - Các xung điều khiển lệch góc đợc lần lợt đa tới cực điều khiển tisistor theo thứ tự Trong nhãm, tiristor më nã sÏ kho¸ tiristor dẫn dòng trớc Thời điểm Mở Khoá + T1 T5 θ= 3π +α T2 T6 θ= 5π +α T3 T1 +α T4 T2 θ= 9π +α T5 T3 θ= 11π +α T6 T4 θ= =7 +) Trị trung bình điện áp tải - Đờng bao phía biểu diƠn ®iƯn thÕ cđa ®iĨm F(VF), ®−êng bao phÝa d−íi biểu diễn điện điểm G(VG) - Điện áp tải l: U d = V F VG 15 Đồ án điện tử công suất Ud = 5π +α 6 2π π ∫+α 2U sinθdθ = U cosα = 2,34U cosα π cịng cã thĨ tÝnh Ud = UdI – UdII UdI l trị trung bình udI nhóm catôt chung tạo lên UdII l trị trung bình udII nhóm anốt chung tạo lên U dI = U dII = 2π 5π +α ∫ U sinθdθ = π +α 7π +α 2π 3π∫ 2U 2sin(θ+ +α U cosα 2π 2π )dθ = cosα 2π - Điện áp ngợc m van phải chịu chØnh l−u cÇu pha sÏ b»ng ‘0’ van dẫn v điện áp dây van khoá -Dòng điện tải l : Id = Ud - Ed Rd Nhận xét : Hình dáng điện áp nhận đợc tải xuất suất phản điện động Ed chế độ dòng điện tải l liên tục Còn chế độ dòng điện gián đoạn suất phản điện động Ed xuất điện áp Ud *u điểm - Chất lợng điện áp tải tốt - Độ phẳng tơng đối cao 16 ỏn in t cụng sut *nhợc điểm - Cần phải mở đồng thời hai van theo thứ tự pha không khó khăn chế tạo, vận hnh v sửa chữa 2.Chnh lu cu pha điều khiển khơng đối xứng Lo¹i chØnh l−u ny đợc cấu tạo từ nhóm (anốt catốt ) điều khiển v nhóm không điều khiển Sơ đồ mô tả (sơ đồ mắc catôt chung ) ? ? ? Nguyên lý hoạt động - Trong khoảng ặ T5 v D6 cho dòng tải id = id chảy qua D6 đặt điện áp u2b lên anèt D2 - Khi θ > θ1 ®iƯn thÕ catèt D2 l uc2 bắt đầu nhỏ u2b điốt D2 mở cho dòng id chảy qua D2 v T5, ud = 17 Đồ án điện tử công suất - ặ2 cho xung điều khiển mở T1, khoảng T1v D2 cho dòng Id chảy qua, D2 đặt điện u2c lên catốt D4 - Khi > điện catốt D4l u2a bắt đầu nhỏ u2c điốt D4 mở dòng tải id ch¶y qua D4 vμ T1, ud = NhËn xÐt : Trong chỉnh lu cầu pha bán điều khiển dạng điện áp > có đập mạch, hệ số đập mạch sơ đồ bán điều khiển thấp hệ số đập mạch sơ đồ điều khiển hon ton *u điểm - Sơ đồ đơn giản, rẻ tiền - Sơ đồ chỉnh lu bán điều khiển hệ số công suất cos cao so với sơ đồ chỉnh lu điều khiển hon ton - So với sơ đồ điều khiển đối xứng sơ đồ chỉnh lu bán điều k hiển việc điều khiển van bán dẫn thực đơn giản *Nhợc điểm - Điện áp chỉnh lu chứa nhiều thnh phần sóng hi lên cần phải có lọc - Không đảo đợc chiều dòng - Không thực đợc chế độ nghịch lu phụ thuộc - Dòng trung bình qua van l khác 18 Đồ án điện tử công suất I tb D = I tb T = π+α Id 2π π -α Id 2π * NghÞch l−u phơ thc - NghÞch lμ trình chuyển lợng từ phía dòng chiều sang dòng xoay chiều (quá trình chuyển lợng ngợc lại với chế độ CL ) Trong hệ TĐĐ chiều, động điện cần lm việc chế độ khác có lúc động trở thnh máy phát điện Năng lợng phát ny trả lới điện xoay chiều Để thoả mÃn yêu cầu ny CL chuyển sang hoạt động chế độ nghịch lu hoạt động (đồng ) theo nguồn xoay chiều nên gọi l nghịch lu phụ thuộc -Nh mạch điện lúc ny có nguồn sức ®iƯn ®éng : e1 :s®® l−íi xoay chiỊu Ed:s® ® mét chiỊu Ta biÕt r»ng mét ngn søc ®iƯn ®éng phát đợc lợng chiều sức điện động v dòng điện trùng nhau,ngợc lại nhận lợng chiều sức điện động v dòng điện ngợc Xuất phát từ nguyên tắc ta thấy với chỉnh lu cho phép dòng điện theo chiều xác định để có chế độ nghịch lu cần phải thực hai điều kiện : +Về phía chiều :bằng cách no chuyển đổi chiều Ed để có chiều dòng v Ed trùng +Về phía xoay chiều :điểu khiển mạch chỉnh lu cho điện áp ud