Báo cáo Đồ án Điện tử công suất

Tính chọn van theo dòng điện .... Đồ thị khâu t o ạ điện áp răng cưa và điện áp điều khiển .... Đồ thị khâu biến áp xung và điện áp điều khiển ..... Sau khi nhận được đề tài: “Thiết k b

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

BÁO CÁO ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Sinh viên thực hiện: Trần Hưng Hùng

Mã sinh viên: 20810430405

Lớp: D15TDH&DKTBCN5

HÀ NỘI, 03/2024

1

M C L C Ụ Ụ

M C L C Ụ Ụ 1

DANH M C HÌNH Ụ ẢNH 3

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: HỆ CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN - ĐỘNG CƠ MỘT CHI U Ề 5

1.1 Sơ đồ nguyên lý 5

1.2 Gi i thi u m ch chớ ệ ạ ỉnh lưu cầu một pha 6

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH L C Ự 7

2.1 Tính ch n van bán d n ọ ẫ 7

2.1.1 Tính chọn van theo dòng điện 8

2.1.2 Tính chọn van theo điện áp 8

2.2 Tính ch n máy bi n áp chọ ế ỉnh lưu 10

2.3 Thi t k ế ế cuộn kháng l c ọ 22

2.3.1 Xác định góc m c c ti u và cở ự ể ực đại 22

2.3.2 Xác định điện c m cu n kháng l c ả ộ ọ 23

2.3.3 Thi t k k t cế ế ế ấu cu n kháng l c ộ ọ 25

2.4 Tính ch n các thi t b bọ ế ị ảo v mạch động lực 29ệ 2.4.1 B o v quá nhiả ệ ệt độ cho các van bán d n ẫ 29

2.4.2 B o v quá dòng ả ệ điện cho van bán d n ẫ 30

2.4.3 B o v quá ả ệ điện áp cho van bán d n ẫ 31

CHƯƠNG 3: Thiết kế mạch điều khi n ể 33

3.1 Tính toán các thông s c a mố ủ ạch điều khi n ể 33

3.2 Tính bi n áp xung ế 34

3.3 Tính t ng khuầ ếch đại cu i cùng ố 36

2

3.4 Ch n t Cọ ụ 2 và R6 37

3.5 Tính ch n t ng so sánh ọ ầ 37

3.6 Tính chọn khâu đồng pha 38

3.7 T o ngu n nuôi ạ ồ 40

3.8 Tính toán máy bi n áp nguế ồn nuôi và đồng pha 41

CHƯƠNG 4: Mô phỏng đánh giá kết quả b ng ph n m m ằ ầ ề 46

4.1 Khâu đồng pha 46

4.2 Khâu tạo điện áp răng cưa 46

4.3 Khâu so sánh 47

4.4 Khâu khuyếch đại và bi n áp xung ế 47

TÀI LI U THAM KH O Ệ Ả 48

3

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý 5

Hình 1.2 Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha 6

Hình 2.1 Mạch động l c có các thi t b b o vự ế ị ả ệ 29

Hình 3.1 Mạch điều khiển chỉnh lưu cầu m t pha ộ 33

Hình 3.2 Hình chi u lõi bi n áp xung ế ế 34

Hình 3.3 Sơ đồ chân IC TL084 38

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý t o ngu n nuôi mạ ồ ạch điều khiển 40

Hình 3.5 Kích thước mạch từ biến áp 43

Hình 4.1 Đồ thị điện áp đồng pha 46

Hình 4.2 Đồ thị khâu t o ạ điện áp răng cưa và điện áp điều khiển 47

Hình 4.3 Đồ thị khâu so sánh 47

Hình 4.4 Đồ thị khâu biến áp xung và điện áp điều khiển 47

4

LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại công ngh ệ hiện nay thì động cơ điện m t chi u chi m mộ ề ế ột

tỉ l khá l n trong n n s n xu t công nghi p c a thệ ớ ề ả ấ ệ ủ ế giới và đặc biệt là các hệ thống dây chuyền t động trong các nhà máy xí nghiự ệp được s d ng r t r ng ử ụ ấ ộrãi và vận hành có độ tin c y cao Vậ ấn đề là quan tr ng trong các dây chuyọ ền sản xuất là điều khiển để điều ch nh tỉ ốc độ động cơ hay đảo chiều quay động

cơ để nâng cao năng suất Sau khi nhận được đề tài: “Thiết k b ế ộ chỉnh lưu

cầu một pha có điều khiển cho ph ần ứng của động cơ một chiều kích t ừ độc

lập”

Trong quá trình làm đề tài em đã tích lũy được một số kiến thức để có thể nâng cao ki n th c c a mình m t cách ch c chế ứ ủ ộ ắ ắn hơn Tuy nhiên với thời gian và ki n th c có hế ứ ạn cho dù em đã cố ắ g ng h t s c mình song khó tránh ế ứkhỏi nh ng thi u sót Em rất mong nhữ ế ận được sự góp ý của các thầy cô để đồ

án của em được hoàn thành hơn nữa

độ tác động nhanh cao, thu n ti n cho vi c t ậ ệ ệ ự động hoá

1.1. Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý Hình trên đưa ra một sơ đồ nguyên lý đơn giản c a hủ ệ CL-Đ không đảo chiều, gồm bộ chỉnh lưu một pha có các van tiristo T , T , T , T n1 2 3 4 ối hình c u, máy bi n áp BA m t pha và cu n kháng lầ ế ộ ộ ọc CK cấp điện cho phần ứng của động cơ kích từ độc lập Đ Bộ chỉnh lưu tạo ra điện áp một chiều

Ud có cực tính không đổi như trên hình vẽ Dòng điện m t chi u I ộ ề ưcũng chỉ

có thể chảy theo m t chi u (thu n chi u van bán d n), nên hộ ề ậ ề ẫ ệ này được gọi

là hệ không đảo chi u, ho c hề ặ ệ không thuận ngh ch ị

6

1.2. Giới thi u mệ ạch chỉnh lưu ầ c u một pha

Hình 1.2 Sơ đồ chỉnh lưu ầ c u một pha Nguyên tắc điều khi n các thyristor ể ở đây là: trong nửa chu k ỳ (UAB > 0)

điện áp anot c a thyristor Tủ 1 dương (catot T2 âm), nếu có xung điều khiển cho

cả hai van T , T1 2 đồng th i thì các van này sờ ẽ được dẫn để đặt điện áp lưới lên tải Điện áp tải một chiều còn trùng với điện áp xoay chiều chừng nào các thyristor còn d n (kho ng d n c a các thyristor ph ẫ ả ẫ ủ ụ thuộc vào tính ch t c a t i) ấ ủ ả

Đến n a chu kỳ sau, điện áp đổi d u (U < 0) anot cử ấ AB ủa thyristor T3 dương (catot T âm), n4 ếu có xung điều khi n cho c hai van T , Tể ả 3 4 đồng th i thì các ờvan này sẽ được dẫn để đặt điện áp lưới lên t i, vả ới điện áp m t chi u trên tộ ề ải

có chi u trùng v i nề ớ ửa chu k ỳ trước

Chỉnh lưu cầu một pha được sử dụng rộng rãi trong thực tế, nhất là với cấp điện áp ra từ 10V tr lên Dòng t i có th lên t i 100 A ở ả ể ớ

Về ưu điểm:

- Không nh t thi t cấ ế ần có bi n áp nguế ồn

Về nhược điểm:

- S t áp trong m ch van lụ ạ ớn

- S ố lượng van d n gẫ ấp đôi sơ đồ hình tia

- Không phù h p cho t i có dòng ra lợ ả ớn nhưng điện áp ra nhỏ

UR

dm dm

UL

Khi đã đáp ứng được hai th ng s ố ố cơ bản trên các th ng s còn l i có th ố ố ạ ểtham kh o theo g i ý sau: ả ợ

- Loại van nào có s t áp nh ụ ỏ hơn sẽ có t n hao nhiổ ệt ít hơn

- Nhiệt độ cho phép của van nào cao hơn thì khả năng chịu nhiệt tốt hơn

- Điện áp và dòng điện điều khiển của loại van nào nhỏ hơn, công suất điều khi n thể ấp hơn

- Loại van nào có th i gian chuy n mờ ể ạch bé hơn ẽ nhạy hơn Tuy nhiên, strong đó số các van bán d n, th i gian chuy n mẫ ờ ể ạch thường t lỷ ệ nghịch với tổn hao công su ất

Các van động lực được lựa chọn dựa vào các yếu tố: dòng tải, sơ đồ đã chọn, điều kiện tỏa nhiệt và điện áp làm việc

8

2.1.1 Tính chọn van theo dòng điện

Dòng điện làm việc của van thường được chọn theo dòng điện chạy qua tải thường xác định là dòng hi u dệ ụng theo sơ đồ đã chọn

Dòng điện hiệu dụng ch y qua van bán d n là: ạ ẫ

Trong đó: Ihd, Id - Dòng hiệu dụng của van và dòng điện tải;

khd – H sệ ố xác định dòng điện hi u d ng, vệ ụ ới sơ đồ ầ c u m t pha ộ1

dmv I lv

Trong đó: k là hI ệ số xét tới điều ki n t a nhi t van (ệ ỏ ệ k = ) I 2

2.1.2 Tính chọn van theo điện áp

Điện áp ngược của van bán dẫn được tính:

U

k

Đỉnh xung dòng điện: Ipik =100A

Dòng điện của xung điều khiển: Idk=0,1A

Điện áp của xung điều khi n: ể Udk=2V

Dòng điện tự giữ: Ih =3mA

Dòng điện rò: Ir =2mA

S t áp l n nh t c a thyristor khi d n: ụ ớ ấ ủ ẫ =U 2,6V

10

Tốc độ biến thiên điện áp: dU 250V s/

Thời gian chuy n m ch: ể ạ tcm=20s

Nhiệt độ làm vi c cệ ực đại cho phép: max 100o

Trong đó: S ba– Công su t bi u ki n c a máy ấ ể ế ủ biến áp (VA)

ks – h sệ ố công suất theo sơ đồ m ch l c, vạ ự ới sơ đồ ầu một pha c1,23

s

k =

Pdmax Công su t c– ấ ực đại của tải (W)

2 Điện áp sơ cấp của máy bi n áp: ế

do p u

U

k

Trong đó: kU – hệ s ố điện áp chỉnh lưu

4 Dòng điện hiệu dụng thứ c p c a máy bi n áp: ấ ủ ế

f - là t n s nguầ ố ồn điện xoay chi u f = 50 Hz ề

Tiết di n tr c a lõi thép bi n áp khô v i f = 50 Hz tính theo công thệ ụ ủ ế ớ ức:

Chuẩn hóa đường kính tr theo tiêu chu n d = 5 ụ ẩ cm

Chọn loại thép E330 các lá thép có độ dày 0,5 mm

Thông s các cu n dây c n tính bao g m s ố ộ ầ ồ ố vòng dây và kích thước dây

S vòng dây mố ỗi pha sơ cấp máy bi n áp: ế

1

380

979,24,44 Fe T 4,44.50.17.48.10 1

Uw

Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy bi n áp ế

1 2 2,75 /

Tiết di n dây dệ ẫn sơ cấp máy bi n áp: ế

2 1

1 1

0,920,332,75

I1 – dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp (A)

J1 m– ật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp thường chọn 2 2,75[ A mm/ 2

Chọn dây d n tiẫ ết di n hình ch ệ ữ nhật, cách điện c p B ấ

Chu n hóa ti t di n theo tiêu chuẩ ế ệ ẩn: 2

1 1,72

1 1

2 2

2,450,892,75

2 2

Tính sơ bộ số vòng dây trên mộ ớt l p của cuộn sơ cấp:

15

hg – kho ng cách t ả ừ gông đến cuộn dây sơ cấp, thường ch n trong kho ng ọ ả(1- cm Ch5) ọn sơ bộ khoảng cách cách điện gông là 1,5 cm

b1 – chiều r ng c a dây quộ ủ ấn ch ữ nhậ ể ả cách điện t k c

S l p dây trong c a số ớ ử ổ được tính b ng t s vòng dây w c a cu n dây ằ ỷ ố ủ ộ

w1 hoặc w c n tính, trên s vòng dây m t l2 ầ ố ộ ớp

Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp:

1 11 11

98024,040,71

wnw

Các s ố liệu tính toán w , n 11 11được làm tròn theo nguyên tắc: ố s vòng làm tròn xu ng (b s l ), s l p làm tròn lên (sau khi b s lố ỏ ố ẻ ố ớ ỏ ố ẻ phần nguyên cộng thêm 1)

Như vậy có 980 vòng chia thành 24 l p, chớ ọn 23 lớp đầu vào có 40 vòng, lớp th 24 có ứ 980 −23.40= vòng 6

Chi u cao th c t cề ự ế ủa cuộn sơ cấp:

11 1 1

9,060,95

Chọn b dày gi a hai l p dây c a cuề ữ ớ ủ ộn dây sơ cấp: cd = 0,1m11 m

B dày cuề ộn dây sơ cấp:

t n tb

3688,941

wnw

9,060,95

14, 22

t n tb

11,065,53

Chi u dày c a gông b ng chiề ủ ằ ều dày c a trủ bụ: =dt =6,8cm

Chi u cao c a gông b ng chi u r ng t p lá thép thề ủ ằ ề ộ ậ ứ nhất c a trủ ụ: 7,5

g

b

19

Tính chính xác mật độ từ cảm trong tr : ụ

1

4 1

1,72

lRS

164,31

1,72

lRS

ba ba

PPS

22

0 0

8,8

424,35

PPS



Điện áp ng n m ch tác d ng: ắ ạ ụ

2 2

142,8

ba nr

R IU

U

Điện áp ng n m ch ph n kháng: ắ ạ ả

2 2

142,8

ba nx

X IU

142,825,575,58

nm ba

23

Khi góc mở nhỏ nhất  = min thì điện áp trên tải là lớn nhất

max 0cos min

d d

U =U  và tương ứng tốc độ động cơ là lớn nh t nấ max = n đm

Khi góc m l n nhở ớ ất  = maxthì điện áp trên tải là nhỏ nhất

min 0cos max

d d

U =U  và tương ứng tốc độ động cơ là nhỏ nhất nmin

Ta có:

min min max

54,77

0,9.142,8arc

24

Ngoài tác d ng h n ch thành ph n sóng hài b c cao, cu n kháng l c còn ụ ạ ế ầ ậ ộ ọ

có tác d ng h n chụ ạ ế vùng dòng điện gián đoạn Điện kháng lọc được tính khi góc m ở = max

UL



2

= là s ố xung đập m ch trong mạ ột chu kì điện áp

Trong đó:

2 2 max

25

Thay s : ố

157,66

0,842.2.50 .0,1.2

2.3.3 Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc

Biên độ đòng điện xoay chi u b c 1ề ậ : I1m =10%Idm= 0,3A

S

m f

8 Ta có dòng điện chạy qua cuộn kháng: i= Id+ 1imcos(6 + 1

Dòng điện hiệu dụng ch y qua cu n kháng: ạ ộ

w SKQ

k cs d

14 Chi u dài m ch t : C = 2.c + 2.a = 2.26,62 + 2.ề ạ ừ 16 85,25 = mm

15 Ch n kho ng cách t gông t i cuọ ả ừ ớ ộn dây: 2hg = mm

16 Tính s vòng trên môt lố ớp: 1

12,5

g k

wb

wnw

29

2.4 Tính ch n các thi t b bọ ế ị ảo v m ệ ạch động lực

Hình 2.1 Mạch động l c có các thi t b b o v ự ế ị ả ệ

2.4.1 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn

Khi van bán d n làm viẫ ệc, có dòng điện ch y qua, trên van có s t áp ạ ụ ΔU,

do đó có tổn hao công suất Δp Tổn hao này sinh nhiệt, đốt nóng van bán dẫn

M t khác, van bán d n chặ ẫ ỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép (T ), cp

nếu quá nhiệt độ cho phép các van bán d n s b phá hẫ ẽ ị ỏng Để van bán d n làm ẫviệc an toàn, không bị chọc thủng v nhi t, ph i chề ệ ả ọn và thi t k hế ế ệ thống to ảnhi t h p lí ệ ợ

30

p

 -t n hao công su t W ổ ấ

- độ chênh nhiệt độ so với môi trường

Chọn nhiệt độ môi trường Tmt =400C

Nhiệt độ làm vi c cho phép c a Tiristor ệ ủ 1000

2.4.2. Bảo vệ quá dòng điện cho van bán dẫn

Aptomat AT, dùng để đóng cắt mạch động l c, t ự ự động c t m ch khi quá ắ ạtải và ng n mắ ạch

31

Có 3 tiếp điểm chính, có th ể đóng cắt b ng tay ho c t ằ ặ ự động Chỉnh định dòng ng n m ch: ắ ạ Inm =2,5.Ilv=2,5.1,12 2,79 (= A

Dòng điện quá tải: Idm=1,5.Ilv=1,5.1,12 1,68 (= A

Vậy ch n aptomat: ọ NF30-CS do Mitsubishi ch tế ạo có dòng điện định

ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuy n m ch nên thyristor không ể ạ

bị quá điện áp

Theo kinh nghi m ệ chọn gần đúng:

32

R =   C2=(0,25 4) FVậy ta ch n: ọ R = 2 5 ,C2=0,25F

B o v ả ệ xung điện áp t ừ lưới điện ta chọn: R =1 15C1=4F

33

CHƯƠNG 3: THIẾ T K MẠCH ĐIỀU KHIỂN Ế

3.1 Tính toán các thông s c a mố ủ ạch điều khi n ể

Việc tính toán mạch điều khiển thường được ti n hành t t ng khu ch ế ừ ầ ếđại ngược trở lên

Mạch điều khiển được tính xu t phát t yêu c u v xung m thyristor ấ ừ ầ ề ởCác thông s ố cơ bản để tính mạch điều khiển:

+ Điện áp điều khi n thyristor: ể Udk=2V

+ Dòng điện của xung điều khiển: Idk =100mA

Tỷ s ố biến áp xung: thường m =  , chọn 2 3 m = 3

Điện áp cu n th c p máy bi n áp xung: ộ ứ ấ ế U2 =Udk =2V

` Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy bi n áp xung: ế U1 =mU2 3.2= = 6Dòng th c p cuứ ấ ộn bi n áp xung: ế I2 =Idk =100mA

Dòng sơ cấp cuộn bi n áp xung: ế 2

1

10033,333

tb t S U Ix x

Bcm

S vòng dây quố ấn sơ cấp máy bi n áp xung: ế

Theo định luật cảm ứng điện từ:

1 w 1 / w 1 /

6 1

3m

1 1

Tranzito loại NPN, vật li u bán d n là Si ệ ẫ

Điện áp gi a Colecto và Bazo khi h m ch Emito: ữ ở ạ UCBO=40(V )

Điện áp gi a Emito và Bazo khi h m ch Colecto: ữ ở ạ UEBO=4(V)

Dòng điện lớn nhất ở Colecto có th ể chịu đựng: ICmax =500(mA

Công su t tiêu tán Colecto: ấ ở P =C 1,7(W)

C B

U = V Idk =100 (mA), nên dòng Colecto – Bazo của Tranzito Tr khá bé, 3

trong trường hợp này ta có th không c n Tranzito Tr mà vể ầ 2 ẫn có đủ công suất điều khi n Tranzito ể

Chọn ngu n cồ ấp cho máy bi n áp xung: ế E= 12( )V

Điện tr Rở 6 dùng để ạn dòng đưa vào bazo củ h a tranzito Tr , ch n R 2 ọ 6

thỏa mãn điều kiện:

2

126(

1500,022(

Mỗi kênh điều khi n ph i dùng 3 khuể ả ếch đại thuật toán, do đó ta chọn 3

IC TL084 do Texas Instruments ch t o, các IC này có khuế ạ ếch đại thu t toán ậThông s IC: ố

Điện áp ngu n nuôi: ồ Vcc = 18(V , ta chọn: Vcc= 12(V)

Hiệu điện th ế giữa 2 đầu vào: 30( )V

Nhiệt độ làm vi c: ệ T= − 25 850 C

Công su t tiêu thấ ụ: P680(= mW) 0,68(W=

38

Tổng tr u vào: ở đầ Rin =10 (6 M )

Dòng điện đầu ra: Ira =30(pA)

Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: du/ dt=13( V/ )s

15.10

v

3.6 Tính chọn khâu đồng pha

Điện áp t a hình thành do s nự ự ạp c a tủ ụ C , m1 ặt khác để đảm bảo điện

áp t a có trong mự ột chu kì điện áp lưới là tuy n tính thì h ng sế ằ ố thời gian t ụnạp được Tr =R C3 1 =0,005

39

Để thu n ti n cho viậ ệ ệc điều chỉnh khi l p ráp mạch Rắ 3thường chọn là biến trở lớn hơn 50(k) Ch n tranzito Tr ọ 1loại A564 có các thông s : ốTranzito loại NPN làm bằng Si

Điện áp gi a Colecto và Bazo khi h m ch Emito: ữ ở ạ 25( )

CBO

Điện áp gi a Emito và Bazo khi h m ch Colecto: ữ ở ạ UEBO=7(V)

Dòng điện lớn nhất ở Colecto có th ể chịu đựng: ICmax =100(mA

I



Điện trở R2 h n ch ạ ế dòng đi vào bazo tranzito Tr1 được chọn như sau:

1230(

0,4.10

N B

Chọn điện áp xoay chiều đồng pha: UA=9(V)

Điện trở R h n ch1 ạ ế dòng đi vào khuếch đại thuật toán A1, thường chọn

R sao cho dòng vào khu1 ếch đại thu t toán ậ Iv 1(mA) Do đó:

40

3.7 T o ngu n nuôi ạ ồ

Thi t k máy bi n áp dùng cho c ế ế ế ả việc tạo điện áp đồng pha và t o nguạ ồn nuôi, ch n ki u máy bi n áp 3 pha 3 tr m i tr có 5 cu n dây, m t cuọ ể ế ụ ỗ ụ ộ ộ ộn sơ cấp và b n ố cuộn th cứ ấp

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý tạo ngu n nuôi mồ ạch điều khi n ể

Cuộn th c p th ứ ấ ứ nhất

C n t o ra nguầ ạ ồn điện áp 12(V)(có ổn áp) để ấ c p cho nuôi IC, các b ộđiều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ Nguồn này được c p b i ba ấ ởcuộn dây th c p a1, b1, c1 ứ ấ

Hai chỉnh lưu tia ba pha để tạo điện áp nguồn nuôi đối xứng cho IC Điện

áp đầu ra của ổn áp chọn 12V Điện áp vào của IC ổn áp chọn 20V Điện áp thứ ấ c p ba cuộn dây a1, b , c1 1 là:

21

2014,14 (2

Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7812 và

7912, các thông s chung c a vi m ch này: ố ủ ạ