Do an dien tu cong suat

Trường đại học Điện lực Đồ án môn Điện tử cơng suất Sinh viên : Hồng Thị Hằng Lớp : Đ2-CNTD Đề tài Thiết kế nguồn băm xung áp chiều , điều khiển động chiều có đảo chiều quay Hà Nội ngày tháng năm 2010 Đồ án môn học : Điện tử công suất Nội dung : Thiết kế nguồn băm xung áp chiều , điều khiển động chiều có đảo chiều quay Với thông số sau : + P = 4.5 kw + U = 110 V + N = 1500 vong/phut + Dải điều chỉnh tốc độ = 20 : + Điện áp nguồn = 400V Giáo viên hướng dẫn : Cô Nguyễn Thị Điệp Sinh viên thực : Hồng Thị Hằng Lời nói đầu : Trong giai đoạn cơng ngiệp hóa , đại hóa kinh tế đất nước , ngày có nhiều thiết bị bán dẫn công suất đại sử dụng rộng rãi tất lĩnh vực sản xuất , phục vụ đời sống người Đặc biệt lĩnh vực điều chỉnh tự động sử dụng van bán dẫn Trong lĩnh vực điều chỉnh tự động nói chung số lĩnh vực nói riêng địi hỏi cần có điều chỉnh nhằm tiết kiệm lượng ngày đòi hỏi cần thay Các thành tựu khoa học, việc chế tạo động ngày hoàn thiện Song song với phát triển địi hỏi phải có điều khiển loại động với chất lượng tổt , thỏa mãn yêu cầu kinh tế kỹ thuật nhằm sử dụng thay động cũ Bộ băm xung áp chiều sử dụng van bán dẫn tương lai đáp ứng nhu cầu cần thiết điều chỉnh tốc độ động điện chiều Lời cảm ơn: Em xin cảm ơn cô Nguyễn Thị Điệp thầy cô giáo khoađã giúp em hoàn thành đồ án Nội dung đồ án: Trong đồ án trình bày thiết kế nguồn băm xung áp chiều , điều khiển động chiều có đảo chiều quay Ta tìm hiểu động chiều băm xung chiều để điều chỉnh động chiều Gồm nội dung: Chương 1> Giới thiệu động chiều 1> Giới thiệu chung 2> Cấu tạo 3> Nguyên lí 4> Phương trình dặc tính 5> Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động Chương 2> Giới thiệu số mạch băm xung áp ứng dụng điều khiển động chiều Chương 3> Thiết kế mạch lực 1>Chọn van 2>Thiết kế mạch phụ trợ Chương 4> Thiết kế mạch điều khiển Chương : Giới thiệu động điện chiều A> Tổng quan động điện chiều 1> Giới thiệu chung: Vấn đề ứng dụng động điện nói chung truyền động điện sản xuất đầu máy kéo đựoc sử dụng rộng rãi Hiện nhiều lĩnh vực khác đời sống , động khơng đồng loại động sử dụng rộng rãi nhờ kinh tế , dễ chế tạo,chi phí vận hành bảo dưỡng sủa chữa thấp…Tuy nhiên số lĩnh vực định đòi hỏi yêu cầu cao điều hành tốc độ , khả tải động KĐB đáp ứng thực phí thiết bị kèm ( biến tần ) đắt tiền Vì động điện chiều tai vân loại động thay lĩnh vực nói Ứng dụng phổ biến động điện chiều ngành sản xuất hầm mỏ , khai thác quặng , máy xúc đặc biệt đầu máy kéo tải lĩnh vực giao thơng Đó nhờ hai đặc điểm quan trọng ưu việt nó:  Khả điều chỉnh tốc độ tốt  Khả tải tốt Ngồi hai đặc tính , cấu trúc mạch lực mạch điều khiển động điện chiều (ĐCĐ1C)đơn giản nhiều so với động KĐB , đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao dải điều chỉnh rộng Hiện giới ,ở nước phát triển việc dùng ĐCĐ thay cho loại động điêzen xăng phổ biến, xu chung tồn giới Một mặt nguồn điện rộng rãi, tiến nhảy vọt công nghệ bán dẫn cho phép chế tạo nhiều biến đổi gọn nhẹ , khả giới hạn dòng áp cao tin cậy dặc biệt không gây ô nhiễm môi trường cho hiệu suất cao 2> Cấu tạo Cấu tạo : Kết cấu chủ yếu động điện chiều chia thành phần : phần tĩnh (Stato ) phần động ( roto) a> Phần tĩnh gọi phần cảm gồm cực từ cực từ phụ , gông từ, nắp máy cấu chổi điện - Cực từ : phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ + Lõi thép gồm thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0.5 đến 1mm ép lại tán chặt + Dây quấn kích từ làm bắng đồng bọc cách điện , quấn thành cuộn , cuộn dây bọc cách điện kỹ thành khối tẩm sơn cách điện Các cuộn dây kích tư đặt cực từ - Cực từ phụ : đặt cực từ dùng để cải thiện đổi chiều - Gông từ : làm mạch từ nối liền cực từ đồng thời làm vỏ máy - Cơ cấu chổi than : gồm chổi than đặt hộp chổi than nhờ lị xo tì chặt lên cổ góp - Nắp máy b> Phần quay ( Roto) - Lõi thép phần ứng : Lõi thép roto dùng để dẫn từ thường làm thép kỹ thuật điện ( thép kỹ thuật silic ) bề mặt phủ sơn cách điện ghép lại để giảm tổn hao dịng điện xốy gây nên Trên thép có dập hình dạng rãnh Trong máy điện lớn lõi sắt chia thành đoạn nhỏ giũa có khe hở gọi khe thơng gió ngang trục , gió thổi qua làm mát trục - Dây quấn phần ứng: phần sinh sức điện động cảm ứng có dịng điện chạy qua - Cổ góp : dùng để chỉnh lưu dịng điện xoay chiều dây quấn phần ứng thành dòng điện chiều đưa Một số phận khác…  Phân loại: Căn vào phương pháp kích từ người ta chia động chiều thành loại sau: + ĐCĐ1C kích từ nam châm vĩnh cửu + ĐCĐ1C kích từ độc lập + ĐCĐ1C kích từ nối tiếp + Đ1C kích thích song song + Đ1C kích từ hỗn hợp Gồm cuộn dây kích từ cuộn mắc nối tiếp với phần ứng, cuộn mắc song song với phần ứng 3> Nguyên lí: Nguyên lí : hoạt động dựa nguyên lý “ cảm ứng điện từ” Nếu ta nối hai chổi điện với dòng điện chiều chạy dẫn nằm từ trường nam châm N-S Dưới tác dụng từ trường nam châm lên dẫn có dịng điện sinh lực điện từ có độ lớn: F=Btb *l*i Trong : Btb cảm ứng từ trung bình khe hở l: chiều dài dẫn i: dòng điện chạy dẫn chiều lực xác định theo quy tắc bàn tay trái Lực điện từ tác dụng lên dẫn vùng cực có chiều khơng đổi , momen lực điện từ sinh có chiều khơng đổi làm cho khung dây quay theo chiều định Đó la nguyên lý làm việc động điện chiều 4> Phương trình đặc tính Khái niệm : Đặc tính động điện quan hệ tốc độ quay momen động ω = f(M) n=f(M)  Phương trình đặc tính : Theo sơ đồ : + _ Uư E Rf I Ckt Rkt Ikt Ukt + _ Hình 1: Sơ đồ nối dây động kích từ độc lập Ta có phương trình cân điện áp mạch phân ứng sau : Uư = Eư + (Rư + Rf)Iư Trong : Uư : điện áp phàn ứng V Eư : Suất điện động phần ứng V Rư : Điện trở mạch phần ứng Ω Rf : Điện trở phụ mạch phàn ứng Ω 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 Sức điện động Eu phần ứng động xác định theo biểu thức : pN Eư = ωФ = K ωФ 2Πa Trong : p : số đơi cực từ N : số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng a : số đôi mạch nhánh song song Ф : từ thơng kích từ cực từ , Wb ω : tốc độ góc , rad/s pN k= hệ số cấu tạo động 2Πa Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n ( vong/phut ) Eư = Ke Ф n 2Πn n Và ω= = 60 9.55 PN Vì Eư = Ф n 60a PN Ke = Hệ số sức điện động động 60a K Ke = ≈ 0.105K 9.55 Uư ta có : ω = Rư + Rf - Iư KФ KФ Là phương trình đặc tính điện động Mặt khác Mdt động xác định : Mdt=k Ф Iư Và bỏ qua tổn thất vâ tổn thất thép thi momen trục momen điện từ Cuối ta có: Uư ω= Rư + Rf - M KФ ( K Ф) Là phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Hình : Sơ đồ đặc tính ĐCĐMC 5> Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều : Từ phương trình đặc tính trên, thấy có đại lượng thay đổi để điều chỉnh tốc độ động cơ, ứng với giá trị mơmen tải cho, đại lượng: U-điện áp đặt vào phần ứng Rư +Rf -điện trở mạch phần ứng, Φ-từ thơng động Từ dẫn đến phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều, xét cách tổng quát a> Khi thay đổi điện áp phần ứng, thay đổi giá trị ω không thay đổi độ dốc đặc tính cơ, đặc tính ứng với điện áp phần ứng khác đường thẳng song song Thông thường, điện áp làm việc động thay đổi giảm dần từ điện áp định mức (vì lý an tồn), đặc tính thấp dần kể từ đặc tính tự nhiên (nếu giữ từ thông định mức điện trở phần ứng tự nhiên thay đổi điện áp phần ứng) Họ đặc tính thấy hình Uđm ω1 U1 ω2 U2 Hình Họ đặc tính động điều chỉnh điện áp phần ứng Ở hình ta có đường đặc tính tương ứng với U1 U2 với U2 R1 > R0 c> Các động nhỏ sử dụng nam châm vĩnh cửu khả điều chỉnh từ thơng, động lớn sử dụng dây quấn kích từ thực điều Tương tự cách phân tích trên, trường hợp 10 ωomax - Mđm β D= ωomax β Mđm _1 = (KM - 1) Mđm β KM -1 ω ωomax ωmax Uđk1 Uđki ωomin ωmin M,I Mđm Mnm Hình : Xác định phạm vi điều chỉnh Với cấu máy cụ thể giá trị ω omax , Mđm, km xác định ,vì phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng β Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động thiết bị nguồn điều chỉnh điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động Do tính sơ : ωomax β / Mđm ≤ 10 Vì với tải có đặc tính momen khơng đổi giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ không vượt 10 Trong phạm vi phụ tải cho phép coi đặc tính tĩnh truyền động chiều kích từ độc lập tuyến tính.Khi điều chỉnh điện áp phần ứng độ cứng đặc tính tồn dải điều chỉnh nhau,do độ sụt dốc tương đối đạt giá trị lớn đặc tính thấp dải điều chỉnh Sai số tương đối tốc độ đặc tính thấp là: ωomin – ωmin Δω S= = ωomin ωomin 14 Mđm S= ≤ Scp β ωomin giá trị M đm , ωomin, Scp xác định nên tính đượcgiá trị tối thiểu độ cứng đặc tính cho sai số khơng vượt giá trị cho phép Trong suốt trình điều chỉnh điện áp phần ứng từ thơng kích từ giữ nguyên momen tải cho phép hệ không đổi : Mc.cp = K Φđm Iđm =Mđm Phạm vi điều chỉnh tốc độ momen nằm hình chữ nhật bao đường thẳng ω=ωđm, M=Mđm trục tọa độ Tổn hao lượng mạch tổn hao mạch phần ứng bỏ qua tổn hao không đổi hệ Hiệu suất biến đổi lượng hệ : ηư = ώ ώ + M*R* ω ω ωđ x=0 x=1 ηư Hình : Mđm Quan hệ hiệu suất truyền động tốc độ với lọai tải khác Chương 2> Giới thiệu số mạch băm xung áp ứng dụng điều khiển động chiều Như đề cập , phương pháp điều chỉnh điện áp lựa chọn điều chỉnh tốc độ động Để thay đổi điện áp phần ứng động ta thay đổi tần số băm dùng băm xung áp chiều Bộ băm xung áp chiều dùng cho động có cơng suất nhỏ phù hợp Bộ băm xung điện áp chiều (BXMC) dùng để điều chỉnh ổn định điện áp tải lấy từ nguồn điện chiều BXMC sử dụng thiết bị cho động điện chiều , cấu điên từ , mạch ổn 15 áp dải rộng , vv…Van thích hợp với băm xung chiều loại mà điều khiển trình mở khóa van , tốt dùng Tranzito (lưỡng cực , MOSFET, IGBT) Khi công suất tải lớn ( dòng lớn điện áp cao ) phải dùng Thyristo , lúc khơng thể khóa van cực điều khiển ta buộc phải đưa thêm vào mạch lực phần tử chuyên dùng để khóa van gọi phẩn tử chuyển mạch thường làm cho mạch hoạt động tin cậy BXMC chia thành ba loại : 1> Loại có van điện cảm mắc nối tiếp với tải 2> Loại có van mắc song song tải điện cảm mắc nối tiếp với tải 3> Loại có van mắc nối tiếp với tải cịn điện cảm mắc song song với tải Nó có ưu điểm sau: *Hiệu suất cao tổn hao công suất biến đổi không đáng kể so với biến đổi liên tục *Độ xác cao ,ít chịu ảnh hưởng nhiệt độ mơi trường yếu tố điều chỉnh thời gian đóng khóa K mà khơng phải giá trị điện trở phần tử điều chỉnh thường gặp điều chỉnh liên tục *Kích thước gọn nhẹ Nhược điểm : *Cần có lọc đầu ra,do làm tăng quán tính biến đổi làm việc hệ thống kín *Tấn số đóng cắt lớn sinh nhiễu cho nguồn thiết bị điều khiển Tuy biến đổi xung áp áp dụng rộng rãi ,nhất yếu tố độ tin cậy ,dễ điều chỉnh ,độ ổn định kích thước tiêu chí đặt lên hàng đầu.Đối với biến đổi cơng suất trung bình nhỏ người ta dùng khóa điện tử van bán dẫn lưỡng cực IGBT, công suất lớn người ta sử dụng GTO tiristo І> Giới thiệu nguyên lý chung biến đổi xung áp chiều Sau giới thiệu nguyên lý chung băm xung , đồng thời phân tích khái lược yếu tố ảnh hưởng đến chế độ làm việc băm xung áp Trên sơ đồ băm xung áp làm việc cơng tắc tơ tĩnh ( K) đóng 16 Hình 9: Sơ đồ nguyên lí băm xung chiều mở liên tục cách chu kỳ Nhờ mà biến đổi điện áp chiều không đổi thành xung điện áp chiều Utb có trị số điều chỉnh Hoạt động BXMC dựa nguyên tắc đóng ngắt tải với nguồn theo chu kỳ : khoảng to cho van dẫn nên điện áp nguồn E đưa thẳng tải , khoảng lại ( T-to ) bắt van khóa làm điện áp tải khơng Do điện áp trung bình chiều tải : λ λ Ut = 1/T ∫ Ut dt = 1/T ∫ E dt =λ /T * E = E*γ 0 Trong đó: λ: Thời gian khóa K đóng γ: Hệ số điều chỉnh T: Chu kỳ đóng cắt khóa K Theo biểu thức ta thấy để thay đổi điện áp tải có hai cách: 1> Thay đổi thời gian đóng khóa K t 1,khi giữ chu kỳ đóng cắt T khơng đổi (phương pháp điều chế độ rộng xung) Gía trị trung bình điện áp thay đổi độ rộng xung là: Ut = = γ.E Trong γ = hệ số lấp đầy ,cịn gọi tí số chu kỳ.Theo phương pháp dải điều chỉnh Ura rộng ( 0< ε Thay đổi tần số đóng cắt (f=1/T) giữ thời gian đóng khóa K khơng đổi (λ=const) Khi đó: Ut = E = t1 f.E Vậy Ut= E.f1 = 17 Ngồi phối hợp hai phương pháp trên.Thực tế phương pháp biến đổi độ rộng xung dùng phổ biến đơn giản hơn,khơng cần thiết bị biến tần kèm Như biến đổi xung áp có khả điều chỉnh ổn định điện áp phụ tải.Điện áp Utb đặt vào phần ứng động làm thay đổi tốc độ động - Khi băm xung áp làm việc chế độ giảm áp < Utb < E - Khi băm xung áp làm việc chế độ tăng áp E < Utb < Trong sơ đồ L ,C phận lọc để san giữ cho điện áp tải thực tế khơng đổi , mục đích giảm hệ số đập mạch nâng cao chất lượng điều chỉnh Điện áp tải thu phụ thuộc vào tần số đóng cắt khóa K Trong hạn chế công nghệ tổn hao biến đổi điện áp chiều định giới hạn tần số làm việc biến đổi Để tránh sóng không mong muốn từ tránh momen đập mạch tần số phải lớn mức Tần số đóng cắt nhanh làm giảm kích thước lọc , q lớn sinh nhiễu vơ tuyến Vì cần cân nhắc để lựa chọn biến đổi làm việc dải tần thích hợp Thực tế thường dùng tần số băm khoảng 400Hz ÷ 600Hz Thực tế khóa k sơ đồ ngun lí thay khóa điện từ cụ thể Tiristor Transistor ( công suất MOS) Việc sử dụng loại linh kiện dùng biến đổi thực tế dựa vào khả kinh tế kỹ thuật nhiều truờng hợp việc lựa chọn không rõ ràng  Nguyên lý: Nguyên lý chung biến đổi giá trị điện áp chiều mức khác + K a>Sơ đồ nguyên lí E R Ut _ Ut λ 18 E t t1 T b>Đồ thị Hình 10: Sơ đồ nguyên lí đồ thị biến đổi xung áp Trong khoảng thời gian 0÷t1 ,khóa K đóng lại ,điện áp tải Ur có giá trị điện áp nguồn (Ut=E); cịn khoảng t1÷T,khóa K mở Ut=0 Ura dãy xung vuông ( lý tưởng ) có độ rộng t độ nghỉ T-t1 Điện áp giá trị trung bình điện áp xung Nguyên lý biến đổi điều khiển phần tử cơng suất phương pháp xung Để có hiệu suất lớn điện áp sụt phần tử cơng suất trạng thái mở phải nhỏ , dịng qua trạng thái mở nhỏ Π>Bộ biến đổi xung áp chiều có đảo chiều Bộ biến đổi xung áp chiều dùng van điều khiển IGBT có khả thực điều chỉnh điện áp đảo chiều dòng điện phụ tải Trong hệ truyền động tự động thường có yêu cầu đảo chiều động ,do biến đổi xung áp loại thường hay dùng để cấp nguồn cho động chiều kích từ độc lập có đảo chiều quay Các van IGBT làm nhiệm vụ khóa khơng tiếp điểm.Các điôt dùng để trả lượng phản kháng nguồn thực trính hãm tái sinh Bộ biến đổi xung áp chiều có trạng thái làm việc: Trạng thái 1: E.γ>ED Năng lượng cấp cho động lấy từ nguồn thông qua van S1 S2 dẫn khoảng từ 0÷t1 Từ t1÷T lượng tích trữ điện cảm trì cho dịng điện theo chiều cũ khép mạch qua S2 D4 Trạng thái 2: E.γE.γ nên động hãm trả lượng nguồn qua điơt D1 D2 -Trong khoảng từ t0÷t1 E.γ>ED động làm việc chế độ động Năng lượng từ nguồn qua van S1 S2 cấp cho động -Trong khoảng thời gian t1÷t2 lúc S1 bị khóa ,S4 mở Năng lượng tích lũy điện cảm cấp cho động trì dịng điện qua D2 D4 -Trong khoảng t2÷T lượng dự trữ điện cảm hết ,sức điện động động đảo chiều dòng điện dòng tải khép mạch qua S4 19 D2.Q trình tạo tích lũy lượng điện cảm S4 bị khóa Ut >E q trình lặp lại ban đầu Do có S4 D4 nên khoảng t1÷T điện áp tải ln =0,do dạng điện áp tải khơng bị biến dạng thành phần sóng điều hịa bậc cao điện áp phụ tải nhỏ Có phương pháp điều khiển khác :Điều khiển độc lập,điều khiển đối xứng,điều khiển không đối xứng.So với phương pháp điều khiển đối xứng phương pháp điều khiển khơng đối xứng có ưu điểm sau: - Điện áp tải có dấu chiều xác định - Cho phép giảm độ đập mạch dòng điện lần so với phương pháp điều khiển đối xứng - Mặt khác cho phép làm việc chế độ sau: + ε.E > Ed → Động nhận lượng + ε.E < Ed → Động phát lượng + -ε.E < → Động bị đảo chiều quay Trong : ε =t1/ T hệ số lấp đầy ,còn gọi tỉ số chu kỳ ε.E = Ut : giá trị trung bình điện áp thay đổi độ rộng xung Có phương pháp điều khiển khác như:điều khiển đối xứng,điều khiển không đối xứng điều khiển riêng Ш>Các phương pháp điều khiển: 1>Phương pháp điều khiển riêng Trong phương pháp van chia thành hai nhóm : S 1, S2 S3,S4 Hai nhóm khơng làm việc đồng thời ,mỗi nhóm phụ trách chiều dòng điện tải hoạt động cần chiều dịng nhóm phụ trách Đến lượt ,trong nhóm van khơng chạy giống nhau,thường van luôn điều khiển mở,chỉ có van cịn lại đóng-ngắt S1 D1 S3 It S2 D3 E D2 S4 20