Đồ án điện tử công suất Nguyễn Cao Long –TĐH3-K47 Lời nói đầu Trong năm gần với việc phát triển ngày mạnh mẽ lĩnh vực khoa học, ứng dụng chúng vào ngành cơng nghiệp nói chung ngành điện tử nói riêng, thiết bị điện tử có cơng suất lớn chế tạo ngày nhiều, đặc biệt ứng dụng kinh tế quốc dân đời sống làm cho yêu cầu hiểu biết thiết kế loại thiết bị cần thiết sinh viên, kỹ sư ngành điện Hiện mạng điện nước ta chủ yếu mạng điện xoay chiều với tần số cơng nghiệp Để cung cấp nguồn điện chiều có giá trị điện áp dòng điện điều chỉnh cho thiết bị điện dùng hệ thống truyền động điện chiều người ta hoàn thiện chỉnh lưu có điều khiển dùng Tiristor Trong đề tài em thiết kế nguồn cấp điện cho động điện chiều kích từ độc lập có đảo chiều theo nguyên tắc điều khiển chung Mạch đảm bảo điều chỉnh tốc độ trơn có khâu bảo vệ chống kích từ Bao gồm chương: Chương I : Giới thiệu động điện chiều Chương II: Lựa chọn phương án Chương III: Xây dựng chi tiết toàn sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế Chương IV: Tính tốn mạch lực Chương V : Tính tốn mạch điều khiển Chương VI : Kiểm chứng mạch thiết kế chương trình TINA Qua việc thiết kế đồ án giúp em hiểu rõ học mơn Điện tử công suất Hiểu ứng dụng thực tế thiết bị công suất đời sống công nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giảng dạy môn Điện tử công suất, đặc biệt thầy Phạm Quốc Hải hướng dẫn em hoàn thành đồ án Sinh Viên: Nguyễn Cao Long Nhóm 4- Lớp Tự Động Hố – K47 Đồ án điện tử công suất Nguyễn Cao Long –TĐH3-K47 Mục lục Trang Chương I : Giới thiệu động điện chiều Chương II: Lựa chọn phương án Chương III: Xây dựng chi tiết toàn sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế Chương IV: Tính tốn mạch lực Chương V : Tính tốn mạch điều khiển Chương VI : Kiểm chứng mạch thiết kế chương trình TINA Các số liệu cho trước Uđm = 600V ; Iđm = 10A ; Phạm vi điều chỉnh tốc độ 25:1 Ukt = 400V ; Ikt = 0,9A 11 21 28 43 56 Đồ án điện tử công suất Nguyễn Cao Long –TĐH3-K47 Chương I GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU I ĐỘNG CƠ IN MT CHIU Tầm quan trọng động điện chiều Trong sản xuất đại, động điện chiều đợc coi 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 hoàn toàn động điện chiều Đặc biệt ngành 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 khả tải Bên cạnh động điện chiều có nhợc điểm định nh giá thành đắt, chế tạo bảo quản phức tạp Nhng u điểm nên có tầm quan trọng định sản xuất Ngày hiệu suất động điện chiều công suất nhỏ vào khoảng 75% - 85%, động điện công suất trung bình lớn vào khoảng 85% - 94% Công suất lớn động điện chiều vào khoảng 10000KW Điện áp vào khoảng vài trăm đến 1000V H ớng phát triển cải tiến tính vật liệu, nâng cao tiêu kinh tế động chế tạo máy công suất lớn Cấu tạo động điện chiều 2.1Phần tĩnh ( Phần cảm hay stator) Là phần đứng yên, bao gồm phận chính: a) Cực từ : Đợc làm thép kĩ thuật dạng thép khối tấm, xung quanh có dây quấn cực từ chínhgọi kích từ Nó thờng đợc nối với nguồn chiều Nhiệm vụ tạo từ thông máy b) Cực từ phụ : Đợc đặt xen cực từ chính, xung quanh cùc tõ phơ cã d©y qn cùc tõ phơ D©y quấn cực từ phụ đấu nối tiếp với dây quấn roto, Nhiệm vụ cực từ phụ 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 cổ góp c) Vỏ máy ( Gông từ ) Ngoài nhiệm vụ thông thờng nh vỏ máy khác, vỏ máy điện chiều tham gia dẫn từ, phải đợc làm thép dẫn tõ 2.2 PhÇn quay ( PhÇn øng hay roto ) a) Lâi thÐp roto Dïng ®Ĩ dÉn tõ, thêng dïng 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 Là phần phát sinh suất điện động có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng th ờng làm dây đồng có sơn cách ®iƯn c) Cỉ gãp Đồ án điện tử cơng sut Nguyn Cao Long TH3-K47 Dùng để đổi chiều dòng ®iƯn xoay chiỊu thµnh chiỊu Gåm nhiỊu phiÕn ®ång 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 cổ góp quay 2.3 Gới thiệu động điện chiều kích từ độc lập Cho đến động điện chiều dùng phổ biến hệ thống truyền động chất lợng cao, dải công suất động điện chiều từ vài W đến vài MW Giản đồ kết cấu chung động 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 vài dâyquấn kích từ : Dây quấn kích từ độc lập CKD, dây quấn kích tõ nèi tiÕp, d©y qn cùc tõ phơ CF, d©y quấn bù CB Khi nguồn điện chiều có công suất không dử lớn mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào nguồn chiều độc lập nhau, lúc động dợc coi động kích từ độc lập Nguyờn lý lm vic Khi đóng động , Rơto quay đến tốc độ n , đặt điện áp U kt lên dây quấn kích từ dây qn kích từ có dịng điện i k mạch kích từ máy có từ thơng , tiếp mạch phần ứng , dây quấn phần ứng có dịng điện i chạy qua tương tác với dòng điện phần ứng Tăng từ từ dòng kích từ ( cách thay đổi R kt ) 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 i kt Ukt bắt đầu lớn từ thơng lõi thép bắt đầu bão hoà Cuối i kt = iktbh U = Eư bão hồ hồn tồn Đồ án điện tử công suất Nguyễn Cao Long –TĐH3-K47 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 . = k. k. Eư = 2πak.a Trong : p : Số đơi cực từ Đồ án điện tử cơng suất Nguyễn Cao Long –TĐH3-K47 N : Số dẫn tác dụng dây quấn phần ứng a : Số đôi mạch nhánh song song cuộn dây phần ứng : Từ thơng kích từ cực từ : Vận tốc góc rad/s pN k= 2πak.a : Hệ số cấu tạo động Từ phương trình (1) Eư = Uư - (Rư +Rf ) Iư Chia vế cho k. Eu Uu Ru + Rf = Iu k k k Uu Ru + Rf = Iu (2) k k = f (I) : Đặc tính điện Mặt khác mơ men điện từ của điệ xác định : M dt Mđt = k Iư => Iư = K. = Uu Ru + Rf Mdt k (k2 Thế vào (2) => = f (M) : Đặc tính theo mômen Nếu bỏ qua tổn thất tổn thất thép mơ men trục điện mơ men điện từ , ta kí hiệu M nghĩa Mđt = Mcơ = M = Uu Ru + Rf M k (k2 (3) Giả thiết phản ứng phần ứng bù đủ , từ thông const phương trình đặc tính điện (2) phương trình đặc tính tuyến tính, đồ thị chúng thể sau : 0 0 Đồ án điện tử công suất Nguyễn Cao Long –TĐH3-K47 N đm đm I Iđm = M Inm Mđm Mnm Uu k 0 : Gọi tốc độ khơng tải lý tưởng động cơ, cịn 0 = ta có : Iu = Uu = Inm Ru + R f Inm , Mnm Gọi dịng điện ngắn mạch mơmen ngắn mạch Nhận xét : Nếu cho U, Rư + Rf , số phương trình (3) phương trình bậc : = 0 + = R u + Rf M k. Độ sùt tốc độ 0 2.5 Ảnh hưởng tham số đến đặc tình Từ phương trình đặc tính : = Uu Ru + Rf M k (k2 ta thấy có tham số ảnh hưởng đến đặc tính : Từ thơng động , 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 Đồ án điện tử công suất Nguyễn Cao Long –TĐH3-K47 Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng Udm const k - Tốc độ không tải lý tưởng : M k = =variable Ru + R f - Độ cứng đặc tính : = Rf = ta có đặc tính tự nhiên Rf lớn nhỏ dẫn tới đặc tính dốc Như thay đổi điện trở phụ ta họ đặc tính hìng vẽ ứng với phụ tải Mc , R f 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 Gi¶ thiÕt = đm = const, điện áp phần ứng R = const thực tế thờng giảm điện áp án điện tử công suất Nguyễn Cao Long –TĐH3-K47 Ux = k. dm - Tốc độ không tải lý tởng: 0x = variable, U giảm 0x giảm (k) Ru = const - Độ cứng đặc tính cơ: = 01 02 Udm(TN) 03 U1 04 U2 M(I) Nh thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động ta đợc họ đặc tính song U3 Nhận thấy thay đổi điện áp, thực chất giảm song với đờng đặc tính tự nhiên áp mô men ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch động giảm tốc độ động giảm ứng với phụ tải định Vì phơng pháp đợc sử dụng để điều chỉnh tốc độ hạn chế dòng điện khởi động *.Đặc điểm - Tốc độ điều chỉnh phẳng - Phạm vi điều chỉnh rộng - Vùng ®iỊu chØnh tèc ®é nđc < nđm - §Ĩ thùc phơng pháp 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, ®iƯn trë phÇn øng R = const Mn thay ®ỉi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ Ikt động Udm - Tốc độ không tải: 0x = kx = var n (kx) Ru = var - Độ cứng đặc tính : = (3) (2) (1) đờng đặc tính tự nhiên đm = (1) (2) ,(3) đòng đặc tính giảm víi M®m M Đồ án điện tử cơng suất Nguyễn Cao Long –TĐH3-K47 đm = 1 < 2 < Khi giảm 0x tăng , giảm ta có họ đặc tính với 0x tăng dần độ cứng đặc tính giảm dần 2 1 Mm2 Mnm Mnm M Inm I *.Đặc điểm - Tốc độ phẳng - Phạm vi réng - Vïng ®iỊu chØnh n®m < n®c - Víi ®iỊu chØnh tèc ®é thùc hiƯn m¸y kÝch tõ dòng điện nhỏ, tổn hao ít, hiệu suất cao ChươngII LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG ÁN 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 :