Đồ án thiết kế mạch chỉnh lưu cho động cơ điện một chiều

Đồ án: điện tử công suất Giảng viên hướng dẫn: TS Chu Đức Tồn LỜI NĨI ĐẦU Điện tử cơng suất lĩnh vực kĩ thuật đại, nghiên cứu ứng dụng linh kiện bán dẫn công suất làm việc chế độ chuyển mạch trình biến đổi điện Ngày nay, khơng riêng nước phát triển, nước ta thiết bị bán dẫn thâm nhập vào ngành công nghiệp lĩnh vực sinh hoạt Các xí nghiệp, nhà máy như: xi măng, thủy điện, giấy, đường, dệt… sử dụng ngày nhiều thành tựu cơng nghiệp điện tử nói chung điện tử cơng suất nói riêng Đó minh chứng cho phát riển nghành công nghiệp Với mục tiêu cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước, ngày có nhiều xí nghiệp mới, dây chuyền sử dụng kĩ thuật cao đòi hỏi cán kĩ thuật kĩ sư điện kiến thức điện tử cơng suất Cũng lý đó, học kì em nhận đồ án điện tử công suất đề tài: “THIẾT KẾ CHỈNH LƯU HÌNH TIA BA PHA – ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU” Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ bảo tận tình thầy Chu Đức Tồn tận tình bảo em suốt trình làm đồ án Mặc dù cố gắng dành nhiều công sức thời gian khơng tránh khỏi sai sót, em mong góp ý bảo thầy khoa Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu Đồ án: điện tử công suất Giảng viên hướng dẫn: TS Chu Đức Toàn Mục lục CHương 1: Tổng quan động điện chiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cách thay đổi điện áp Chương 2: Thiết kế chỉnh lưu Chương 3: Thiết kế mạch điều khiển Chương 4: Tính chọn thiết bị Chương 5: Mơ Kết luận Tài liệu tham khảo Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu Đồ án: điện tử công suất Giảng viên hướng dẫn: TS Chu Đức Toàn CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG CÁCH THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP Trong sản xuất đại, máy điện chiều vấn coi loại máy quan trọng Nó dùng làm động điện, máy phát điện hay dùng điều kiện làm việc khác Động điện chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt, vầy máy dùng nhiều nghành cơng nghiệp có yêu cầu cao điều chỉnh tốc độ cán thép, hầm mỏ hay giao thông vận tải… Tổng quan động điện chiều 1.1 Phân loại: Động điện chiều chia nhiều lại tùy theo bố trí cuộn kích từ: -Động điện chiều kích từ độc lập - Động điện chiều kích từ song song - Động điện chiều kích từ nối tiếp - Động điện chiều kích từ hỗn hợp 1.2.Ưu nhược điểm động chiều - Ưu điểm: Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ Có nhiều phương pháp hãm tốc độ Nhược điểm: • Tốn nhiều kim loại màu • Chế tạo, bảo quản khó khăn • Giá thành đắt máy điện khác • • - Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu Đồ án: điện tử công suất Giảng viên hướng dẫn: TS Chu Đức Toàn 1.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động HÌnh1.1:Sơ đồ nguyên lý động điện chiều kích từ độc lập Hình 1.1- Sơ đồ nguyên lý động điện Hình 1.2 - Sơ đồ nguyên lý động điện một chiều kích từ độc lập chiều kích từ song song lập 2.Đặc tính máy điện chiều Quan hệ tốc độ mômen động gọi đặc tính động w = f(M) n = f(M) Quan hệ tốc độ mômen máy sản xuất gọi đặc tính máy sản xuất wc= f(Mc) nc = f(Mc) Ngoài đặc tính cơ, động điện chiều người ta cịn sử dụng đặc tính điện Đặc tính điện biểu diễn mối quan hệ tốc độ dòng điện mạch động cơ: w = f(I) n =f(I) 2.1 Phương trình đặc tính cơ: Theo sơ đồ hình 1.1 ta viết phương trình cân điện áp mạch phần ứng sau: Uư = Eư + (Rư + Rp).Iư Trong đó: - Uư điện áp phần ứng động cơ, (V) - Eư sức điện động phần ứng động (V) - Rư điện trở cuộn dây phần ứng - Rp điện trở phụ mạch phần ứng - Iư dòng điện phần ứng động Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu (2.1) Đồ án: điện tử công suất Giảng viên hướng dẫn: TS Chu Đức Toàn Rư = rư + rct + rcb + rcp - (2.2) rư: Điện trở cuộn dây phần ứng rct: Điện trở tiếp xúc chổi than phiến góp rcb: Điện trở cuộn bù rcp: Điện trở cuộn phụ Eu = p.N φ ω = K φ ω 2πa Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay rôto: K= p.N 2πa (2.3) hệ số kết cấu động ω - Từ thông qua cực từ p - Số đơi cực từ N - Số dẫn tác dụng cuộn ứng a - Số mạch nhánh song song cuộn ứng Hoặc ta viết: Eư = KeФ.n (2.4) Và Vậy: Ke = K/ 9,55 = 0,105K Nhờ lực từ trường tác dụng vào dây dẫn phần ứng có dịng điện, rơto quay tác dụng mômen quay: (2.5) M=K.Ф.Iư Từ hệ phương trình (2.1) (2.3) ta rút phương trình đặc tính điện biểu thị mối quan hệ ω = f(I) động điện chiều kích từ độc lập sau: Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu Đồ án: điện tử công suất Giảng viên hướng dẫn: TS Chu Đức Tồn (2.6) Từ phương trình (2.5) rút Iư thay vào phương trình (2.6) ta phương trình đặc tính biểu thị mối quan hệ ω = f(M) động điện chiều kích từ độc lập sau: (2.7) Có thể biểu diễn đặc tính dạng khác: ω=ω0 -∆ω Trong đó: (2.8) gọi tốc độ không tải lý tưởng gọi độ sụt tốc độ Phương trình đặc tính (2.7) có dạng hàm bậc y = B + Ax, nên đường biểu diễn hệ tọa độ M0ω đường thẳng với độ dốc âm Đường đặc tính cắt trục tung 0ω điểm có tung độ Tốc độ ω0 gọi tốc độ không tải lý tưởng khơng có lực cản Đó tốc độ lớn động mà đạt chế độ động khơng xảy trường hợp MC = Hình 3- Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu Đồ án: điện tử cơng suất Giảng viên hướng dẫn: TS Chu Đức Tồn Khi phụ tải tăng dần từ MC = đến MC = Mđm tốc độ động giảm dần từ ω đến ω đm.Điểm A(Mđm, ω đm) gọi điểm định mức Rõ ràng đường đặc tính vẽ từ điểm ω0 A Điểm cắt đặc tính với trục hồnh 0M có tung độ ω = có hồnh độ suy từ phương trình (2.7): (2.9) Hình1.6 - Đặc tính tự nhiên động điện chiều kích từ độc lập Mômen Mnm Inm gọi mômen ngắn mạch dịng điện ngắn mạch Đó giá trị mơmen lớn dịng điện lớn động cấp điện đầy đủ mà tốc độ Trường hợp xảy bắt đầu mở máy động chạy mà bị dừng lại bị kẹt tải lớn kéo khơng Dịng điện I nm lớn thường bằng: Inm = (10 ÷ 20) Iđm Nó gây cháy hỏng động tượng tồn kéo dài 2.2 Các ảnh hưởng tham số đến đặc tính Phương trình đặc tính (2.7) cho thấy, đường đặc tính bậc ω = f(M) phụ thuộc vào hệ số phương trình, có chứa thơng số điện U, Rp Ф Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu Đồ án: điện tử công suất Giảng viên hướng dẫn: TS Chu Đức Toàn Ta xét ảnh hưởng thông số * Trường hợp thay đổi điện áp phần ứng Vì điện áp phần ứng vượt giá trị định mức nên ta thay đổi phía giảm U− biến đổi; Rp = const; Ф = const Trong phương trình đặc tính cơ, ta thấy độ dốc (hay độ cứng) đặc tính khơng thay đổi: Tốc độ không tải lý tưởng ω0 thay đổi tỷ lệ thuận với điện áp: Như thay đổi điện áp phần ứng ta họ đường đặc tính song song với đường đặc tính tự nhiên thấp đường đặc tính tự nhiên Hình 1.7 - Họ đặc tính nhân tạo động điện kích từ độc lập giảm điện áp phần ứng * Trường hợp thay đổi điện trở mạch phần ứng Vì điện trở tổng mạch phần ứng: RưΣ = Rư + Rưf nên điện trở mạch phần ứng thayđổi phía tăng Rưf Uư = const ; Rưf = var; Ф = const Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu Đồ án: điện tử công suất Giảng viên hướng dẫn: TS Chu Đức Toàn Trường hợp này, tốc độ khơng tải giữ ngun: Cịn độ dốc (hay độ cứng) đặc tính thay đổi tỷ lệ thuận theo RưΣ Như vậy, tăng điện trở RưΣ mạch phần ứng, ta họ đường đặc tính nhân tạo qua điểm (0, ω0) Hình 1.8 - Họ đặc tính nhân tạo động điện chiều kích từ độc lập tăng điện trở phụ mạch phần ứng * Trường hợp thay đổi từ thơng kích từ Uư = const; Rưf = const; Ф = var Để thay đổi từ thơng Ф, ta phải thay đổi dịng điện kích từ nhờ biến trở Rkt mắc mạch kích từ động Vì tăng điện trở mạch kích từ nhờ Rkt nên từ thơng kích từ thay đổi phía giảm so với từ thông định mức Trường hợp này, tốc độ không tải lý tưởng độ dốc đặc tính thay đổi Khi điều chỉnh giảm từ thơng kích từ, tốc độ khơng tải lý tưởng ω0 tăng, cịn độ cứng đặc tính giảm mạnh Họ đặc tính nhân tạo thu hình 2.7 Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu Đồ án: điện tử công suất Giảng viên hướng dẫn: TS Chu Đức Tồn Hình 1.9 - Họ đặc tính nhân tạo động điện chiều kích từ độc lập giảm từ thơng kích từ 3.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ độc lập phương pháp điện áp Truyền động điện dùng để dẫn động phần làm việc máy sản xuất khác Thường phải điều chỉnh tốc độ truyền động phận làm việc Vì điều chỉnh tốc độ động điện biến đổi tốc độ cách chủ động, theo yêu cầu đặt cho quy luật chuyển động phần làm việc mà không phụ thuốc mômen phụ tải trục động Xét riêng phương diện tốc độ động điện chiều có nhiều ưu điểm so với loại động khác, khơng điều chỉnh tốc độ dễ dàng, đa dạng phương pháp điều chỉnh, cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản Đồng thời đạt chất lượng điều chỉnh cao, dải điều chỉnh rộng Thực tế có phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều điện áp: - - Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động Vì cần phải có biến đổi phù hợp để cung cấp mạch điện phần ứng mạch kích từ động Cho đến thường sử dụng biến đổ dựa nguyên tắc truyền động sau: Hệ truyền động máy phát- động cơ(F-Đ) Hệ truyền động chỉnh lưu tiristor-động cơ(T-Đ)(được sử dụng với đồ án này) • Hệ truyền động chỉnh lưu tiristor-động cơ(T-DD) Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu 10 Đồ án: điện tử công suất Giảng viên hướng dẫn: TS Chu Đức Toàn Tốc độ động thay đổi cách thay đổi điện áp chỉnh lưu cấp cho phần ứng động cơ, để thay đổi điện áp chỉnh lưu ta cần sử dụng mạch điều khiển, thay đổi thời điểm thơng van thyristor Hình Ưu điểm hệ tác động nhanh, không gây ồn dễ tự động hóa Do van bán dẫn có hệ số khuyếch đại cơng suất cao, điều thuận lơi cho việc thiết lập hệ thống điều chỉnh nhiều vịng, để nâng cao chất lương đặc tính tĩnh đặc tính hệ thống Nhược điểm van có đặc tính phi tuyến, dạng chỉnh lưu điện áp có biên độ đập mạch gây tổn hao phụ máy điện Hệ số công suất cos hệ thống nói chung thấp Tính dẫn điện chiều van buộc ta phải sử dụng biến đổi để cấp điện cho động có đảo chiều quay a, Sơ đồ thay tính toán Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu 11 Đồ án: điện tử công suất Giảng viên hướng dẫn: TS Chu Đức Tồn Từ phương trình đặc tính động tổng quát: Ta thấy thay đổi Un w0 thay đổi, cịn ∆ ω =const Vậy ta đường đặc tính điều chỉnh song song với Hình 1.1.2 Như muốn thay đổi điện áp phần ứng ta phải có nguồn cung cấp điện áp chiều thay đổi điện áp b, Bộ biến đổi T-Đ: Là phương pháp biến đổi điện tử, bán dẫn Ta xét hệ T-Đ: Chế độ dòng liên tục: Ed = Ed0.cosα  Khi thay đổi góc điều khiển α= (0 – π) Ed thay đổi từ Ed0 đến- Ed0 ta hệ đặc tính song song nằm mức bên phải mặt phẳng tọa độ Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu 12 Đồ án: điện tử công suất Giảng viên hướng dẫn: TS Chu Đức Toàn CHƯƠNG II: THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU 1.1 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia pha: A B C T1 a T2 b T3 c R E Hình 1.1: Sơ đồ chỉnh lưu tia pha Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu 13 L Đồ án: điện tử công suất Giảng viên hướng dẫn: TS Chu Đức Tồn Hình 1.2: Sơ đồ dạng sóng tia pha  Sơ đồ chỉnh lưu pha: Gồm máy biến áp pha có thứ cấp nối Yo, pha Thyristor nối với tải hình  Điều kiện cấp xung điều khiển chỉnh lưu: +Thời điểm cấp xung điện áp pha tương ứng phải dương so với trung tính Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu 14 Đồ án: điện tử công suất Giảng viên hướng dẫn: TS Chu Đức Toàn +Khi biến áp đấu hình (Y) pha A, B, C nối van.3 catod đấu chung cho điện áp dương tải, cịn trung tính biến áp, điện áp âm Ba pha dịch góc 120o theo đường cong điện áp pha ,có điện áp pha dương điện áp pha khoảng thời gian 1/3 chu kì +Nếu có Thyristor khác dẫn điện áp pha tương ứng phải dương pha Vì phải xét đến thời gian cấp xung Góc mở tự nhiên: α +Góc mở xác định từ lúc điện áp đặt lên van tương ứng chuyển từ âm đến (từ đóng sang khố) bắt đầu đặt xung điều khiển vào +Điện áp gây nên trình chuyển mạch: điện áp dây 0≤α vb > vc va → vb > vc > va vb có giá trị lớn nên T2 mở cho dòng chạy qua T1; vb − E R θ < θ < θ1 v c > v a > v b i3 = , T3 mở; T1, T2 khố; Trong đó: R: điện trở động E: suất điện động phản kháng động Id = ud − E R Dịng trung bình: I1 = I = I = 2π 5π ∫π I d dθ = Id b) Xét góc mở α ≠ Giả thiết tải : R, L,Eu , chuyển mạch tức thời Điện áp pha thứ cấp máy biến áp: Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu 17 vc − E R Đồ án: điện tử công suất Giảng viên hướng dẫn: TS Chu Đức Toàn u1 = U m sin θ u = U m sin(θ − u3 = U m sin(θ + 2π ) 2π ) *Nhịp V1: khoảng thời gian từ khởi: T1 mở, đó: θ1 → θ Tại θ1 điện áp đặt lên u1 > 0, có xung kích u v1 =  u v = u − u1 < u = u − u <  v3 T1 mở, T2, T3 đóng, lúc này: +Điện áp chỉnh lưu điện áp u1 : ud = u1 +Dòng điện chỉnh lưu dòng điện qua van 1: id = Id = i1 +Dòng điện qua T2, T3 0: i2 = i3 = Trong nhịp V 1: uV2 từ âm chuyển lên 0, uV2 = T2 mở, lúc u V1 = u1 – u2 = bắt đầu âm nên T1 đóng, kết thúc nhịp V1, bắt đầu nhịp V2 *Nhịp V2: từ Lúc : θ → θ3 u v =  u v1 = u1 − u u = u − u  v3 T2 mở, T1, T3 đóng +Điện áp chỉnh lưu điện áp u2: Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu 18 ud = u2 Đồ án: điện tử công suất Giảng viên hướng dẫn: TS Chu Đức Tồn +Dịng điện chỉnh lưu dòng điện dòng điện qua van 2: id = Id = i2 +Dòng điện qua T1, T3 0: i1 = i = Trong nhịp V2: uV3 từ âm chuyển lên 0, uV3 = T3 mở, lúc uV2 = u2 – u3 = bắt đầu âm nên T2 đóng, kết thúc nhịp V2, bắt đầu nhịp V3 *Nhịp V3: từ θ3 → θ Lúc : uv =  uv1 = u1 − u3 u = u − u  v2 T3 mở, T1, T2 đóng +Điện áp chỉnh lưu điện áp u3: ud = u3 +Dòng điện chỉnh lưu dòng điện dòng điện qua van 3: id = Id = i3 +Dòng điện qua T1, T2 0: i1 = i = Trong nhịp V3: uV1 từ âm chuyển lên 0, uV1 = T1 mở, lúc uV3 = u3 – u1 = bắt đầu âm nên T3 đóng, kết thúc nhịp V3, bắt đầu nhịp V1 Trong mạch, dạng sóng dịng điện phụ thuộc vào tải, tải trở dòng điện i d dạng sóng ud, điện kháng tải tăng lên ,dòng điện trở nên phẳng hơn, Ld tiến tới vơ dịng điện id khơng đổi, id = Id Trị trung bình điện áp tải: Ud = 3π 5π +α ∫ 2.U sin θ dθ = π +α 6U cos α = 1,17U 2cosα 2π Trong đó: α : Góc mở Thyristor Trùng dẫn: Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu 19 Đồ án: điện tử công suất Giảng viên hướng dẫn: TS Chu Đức Toàn e a = U sin θ eb = U sin(θ − 2π ) ec = 2.U sin(θ + 2π ) θ =θ2 Giả sử T1 cho dòng chạy qua, i T1 = Id Khi cho xung điều khiển mở T2 Cả Thyristor T1 T2 cho dòng chảy qua làm ngắn mạch nguồn ea eb Nếu θ2 θ chuyển gốc toạ độ từ sang ta có: e a = U sin(θ + 5π + α) eb = U sin(θ + π +α) Điện áp ngắn mạch: U c = eb − e a = U sin(θ + α ) Dòng điện ngắn mạch xác định phương trình: U sin(θ + α ) = X c di c dt Do đó: ic = U [ cos α − cos(θ + α )] X c Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu 20 Đồ án: điện tử công suất Giảng viên hướng dẫn: TS Chu Đức Toàn Nguyên tắc điều khiển Thyristor: Khi anod Thyristor dương Thyristor kích mở Thời điểm pha giao coi góc thơng tự nhiên Thyristor Các Thyristor mở với góc mở nhỏ Tại thời điểm có Thyristor dẫn, dịng điện qua tải liên tục, t dẫn 1/3 chu kì.cịn điện áp tải gián đoạn thời gian dẫn Thyristor nhỏ Tuy nhiên, TH dịng điện trung bình Thyristor 1/3 Id khoảng thời gian Thyristor dẫn dòng điện Thyristor dòng điện tải Dòng điện Thyristor khoá = Điện áp Thyristor phải chịu điện dây pha có Thyristor khố với pha có Thyristor dẫn Khi tải trở dòng điện điện áp tải liên tục hay gián đoạn phụ thuộc vào góc mở Thyristor +Nếu α ≤ 30 → Ud, Id liên tục +Nếu α > 30 → Ud, Id gián đoạn Ud Ud Id I1 Id T2 t t1 t2 t3 t4 t I2 t I3 t UT1 t Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu 21 Hình 1.3: Giản đồ đường cong = 30o tải trở Đồ án: điện tử công suất Giảng viên hướng dẫn: TS Chu Đức Toàn Ud Ud Id T2 Id t I1 t I2 t I3 α t UT1 t Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu 22 Hình 1.4: Giản đồ đường cong góc mở = 60o Đồ án: điện tử công suất Giảng viên hướng dẫn: TS Chu Đức Toàn  Nhận xét: So với chỉnh lưu pha: +Chỉnh lưu tia pha có chất lượng điện chiều tốt +Biên độ điện áp đập mạch tốt +Thành phần sóng hài bậc cao bé +Việc điều khiển van bán dẫn tương đối đơn giản Dòng điện cuộn thứ cấp dòng điện chiều, biến áp pha trụ mà từ thông lõi thép biến áp từ thông xoay chiều không đối xứng làm cho công suất biến áp phải lớn Khi chế tạo biến áp động lực, cuộn dây thứ cấp phải đấu (Y), có dây trung tính phải lớn dây pha dây trung tính chịu dịng tải Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu 23 Đồ án: điện tử công suất Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu 24 Giảng viên hướng dẫn: TS Chu Đức Toàn ... Phân loại: Động điện chiều chia nhiều lại tùy theo bố trí cuộn kích từ: -Động điện chiều kích từ độc lập - Động điện chiều kích từ song song - Động điện chiều kích từ nối tiếp - Động điện chiều kích... máy phát- động cơ( F-Đ) Hệ truyền động chỉnh lưu tiristor -động cơ( T-Đ)(được sử dụng với đồ án này) • Hệ truyền động chỉnh lưu tiristor -động cơ( T-DD) Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng... giản Đồng thời đạt chất lượng điều chỉnh cao, dải điều chỉnh rộng Thực tế có phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều điện áp: - - Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động Điều chỉnh điện