Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển theo nguyên lý arccos cho phần ứng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển theo nguyên lý arccos cho phần ứng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Lời nói đầu

Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật ngày càng đáp ứng những nhu

cầu về tính hiện đại và tự động hóa trong mọi nghành công nghiệp.Bước tiến vượt bậc

của khoa học kỹ thuật là sự ra đời của công nghệ bán dẫn, nó là một yếu tố không thể

thiếu trong ngành công nghiệp tự động hóa.Việc ứng dụng của nó rất rộng rãi trên

nhiều lĩnh vực đặc biệt trong lĩnh vực điện tử công suất nó được ứng dụng để chế tạo

các linh kiện điện tử góp phần tạo nên những mạch điều khiển ứng dụng trong điều

khiển động cơ

Điện tử công suất phục vụ rất hiệu quả cho truyền động điện đặc biệt là điều

khiển động cơ.Cũng nhằm mục đích tìm hiểu sâu hơn nữa về những ứng dụng quan

trong trong điều khiển động cơ, đặc biệt là động cơ điện một chiều được sử dụng ngày

càng rộng rãi trong cuộc sống, các sinh viên nghành Điện chúng tôi tham gia làm đồ án

môn học Điện tử công suất nhằm tìm hiểu kỹ hơn vấn đề này

Đồ án môn học “Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển theo

nguyên lý arccos cho phần ứng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập” gồm

có 6 chương:

Chương 1:Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Chương 2:Tổng quan về bộ chỉnh lưu cầu một pha

Chương 3:Tính chọn mạch động lực

Chương 4:Tính chọn mạch bảo vệ và cuộn kháng san bằng

Chương 5:Thiết kế mạch điều khiển theo nguyên lý ARCCOS

Chương 6:Mô phỏng

Với sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy PGS.TS Đoàn Quang Vinh và các thầy cô

trong bộ môn, tôi đã hoàn thành đồ án của mình với sự học hỏi và mở mang kiến thức

Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả thầy cô và bạn bè đã giúp đỡ tôi hoàn thành

nhiệm vụ của mình!

Đà nẵng, ngày 22 tháng 12 năm 2008 Sinh viên thực hiện

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

1.Đặc tính cơ của động cơ điện

1.1 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

Đặc điểm của động cơ kích từ độc lập là dòng điện kích từ và từ thông động cơ

không phụ thuộc dòng điện phần ứng.Sơ đồ nối dây như hình vẽ:

a, b,

Hình 1.1 a:Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ song song

b:Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập

Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch

kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là

động cơ kích từ song song

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và

mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được

Eư : sức điện động phần ứng

Rư : điện trở của mạch phần ứng

Rt : điện trở phụ trong mạch phần ứng

Iư : dòng điện mạch phần ứng Với Rư = rư + rcf + ri + rct

rư : điện trở cuộn dây phần ứng

p: số đôi cực từ chính

N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng Φ: từ thông kích từ dưới một cực từ

ω: tốc độ góc 2

pN K

6 0

c

p N K

Đây là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

Mặt khác mômen điện từ Mđt của động cơ tỉ lệ với từ thông và dòng điện phần ứng

=Φthay giá trị Iư vào (1-4) ta được:

( )2

u f u

Nếu bỏ qua các tổn thất trong động cơ, gồm tổn thất ma sát trong ổ trục, tổn thất cơ

do tự quạt mát và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ coi như bằng

mômen điện từ, ta ký hiệu là M Nghĩa là Mđt = Mcơ = M

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Nếu bỏ qua ảnh hưởng của phản ứng phần ứng , từ thông của động cơ Φ= const thì

các phương trình đặc tính cơ điện (1-4) và phương trình đặc tính cơ (1-7) là tuyến

tính Đồ thị của chúng được biểu diễn trên hình là những đường thẳng

ω ω

ωo ωo

ωdm ωdm

Hình 1.2 a:Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

b:Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Theo các đồ thị trên, khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có:

u o U K

RR

Inm , Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch

Mặt khác, phương trình đặc tính (1-4), (1-7) cũng có thể được viết ở dạng:

K

R

2 ö

Φ

=Φ

=ωΔ

Δω được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M

1.1.2 Xét ảnh hưởng các tham số đến đặc tính cơ:

Từ phương trình đặc tính cơ (1-7) ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tính

cơ: từ thông động cơ Φ, điện áp phần ứng Uư và điện trở phần ứng động cơ.Ta lần

lượt xét ảnh hưởng của từng tham số đó

1.1.2.1 Ảnh hưởng của điện trở phần ứng

Giả thiết Uư = Uđm = const và Φ = Φđm = const

Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần

ứng như hình 1.1 và 1.2 thì sẽ làm thay đổi được điện trở tổng của mạch này

Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng:

dm o

dm

U

const K

v

βω

ΦΔ

u

K R

Hình 1.3: Các đặc tính của động cơ một chiều

kích từ độc lập khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng

Ứng với một phụ tải Mc nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ cơ càng giảm, đồng

thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm Cho nên người ta

thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ

động cơ phía dưới tốc độ cơ bản

1.1.2.2 Ảnh hưởng của điện áp phần ứng:

Giả thiết từ thông Φ=Φdm=const, điện trở phần ứng Rư = const Khi thay đổi

điện áp theo hướng giảm so với Udm , ta có:

c t R

Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính

cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên

Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì mômen ngắn mạch, dòng điện

ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định

Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ

và hạn chế dòng điện khi khởi động

Ảnh hưởng của từ thông:

Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm =const , không nối thêm điện trở phụ vào

mạch phần ứng,tức Rư = const.Bằng cách thay đổi dòng điện kích từ Ikt động cơ

ta sẽ làm thay đổi từ thông Trong trường hợp này:

K

v R

Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông Nên khi

từ thông giảm thì ω tăng, còn β sẽ giảm ox

Ta có một họ đặc tính cơ vớiωoxtăng dần và độ của đặc tính giảm dần khi giảm từ

thông

Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông:

Dòng điện ngắn mạch: dm ons

nm u

Với dạng mômen của phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ thì

khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên

1.2 Tổng quan về điều chỉnh

-Động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm so với các động cơ khác, không

những có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch điều khiển đơn

-Để điều chỉnh tốc độ động cơ điện có 3 phương pháp:

+Điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ

+Điều chỉnh điện trở phụ mắc thêm vào phần ứng

Ta thấy rằng khi thay đổi Ruf thì ω0 = const còn Δω thay đổi , vì vậy ta sẽ được

các đường đặc tính điều chỉnh có cùng ω0 và dốc dần khi Ruf càng lớn với tải như

a, b,

Hình 1.6 : a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Rưf

b) Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Rưf

Như vậy:0<Ruf1<Ruf2<… thì ωdm>ω1>ω2>…, nhưng nếu ta tăng Rưf đến một giá trị

nào đó thì sẽ làm cho M ≤ Mc và như thế động cơ sẽ không quay được và động cơ

làm việc ở chế độ ngắn mạch, ω=0.Từ lúc này, ta có thay đổi Rưf thì tốc độ vẫn

bằng 0, nghĩa là không điều chỉnh tốc độ động cơ được nữa, do đó phương pháp

điều chỉnh này là phương pháp điều chỉnh không triệt để

1.2.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ĐM dl bằng cách thay đổi từ

thông kích từ của động cơ:

Từ phương trình đặc tích cơ tổng quát:

Ta thấy rằng khi thay đổi Φthì ωo và Δω đều thay đổi , vì vậy ta sẽ được đặc tính

điều chỉnh dốc dần ( độ cứng β càng giảm) và cao hơn các đường đặc tính cơ tự

nhiên khi Φ càng nhỏ, với tải như nhau thì tốc độ càng cao khi giảm từ thông

Hình 1.7 :a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Φ

b) Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Φ

Như vậy : Φđm > Φ1>Φ2>… thì ω <dm ω <1 ω <…, nhưng nếu giảm 2 Φ quá nhỏ

thì có thể lam cho tốc độ động cơ lớn quá giới hạn cho phép , hoặc làm cho điều

kiện chuyển mạch bị xấu đi do dòng phần ứng tăng cao , hoặc để đảm bảo chuyển

mạch bình thường thì cần phải giảm dòng phần ứng và như vậy sẽ làm cho mômen

cho phép trên trục động cơ giảm nhanh, dẫn đển động cơ bị quá tải

1.2.3.Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của

Ta thấy rằng khi thay đổi Uư thì ωo thay đổi còn Δω =const, vì vậy ta sẽ được các

đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau.Nhưng muốn thay đổi Uư thì phải có

bộ nguồn một chiều thay đổi được điện áp ra , thường dùng các bộ biến đổi

Hình 1.8 : a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Uư

b) Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Uư

Các bộ biến đổi có thể là: Bộ biến đổi máy điện :dùng máy phát một chiều(F),máy

khuếch đài (MĐKĐ); bộ biến đổi từ:mạch khuyếch đại từ(KĐT) một pha ,ba pha:bộ

biến đổi điện tử bán dẫn: các bộ chỉnh lưu (CL) dùng thyristor, các bộ băm điện

áp(BĐA) dùng thyristor, transistor…

Chương 2:

TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA

Hình 2.1 Sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển cầu một pha

2.1 Nguyên lí làm việc:

u = 2 Usinθ

Trong nửa chu kỳ đầu : 0 ≤ θ1≤ π, u > 0 cực dương tại A, cực âm tại B Hai

Thyristor T1 và T3 đang ở trạng thái sẵn sàng dẫn điện vì chưa có xung kích khởi

đưa vào cực điều khiển

Tại thời điểmθ = α1 1( 0 ≤ θ1≤ π) ta đưa xung kích khởi vào T1 và T3 làm cho T1, T3

mở lúc này trong mạch có dòng điện id qua tải qua T3 trở về nguồn,lúc này ud=u

Tại thời điểm θ = π thì u = 0, nhưng hai Thyristor T1, T3 vẫn mở vì tải là phần ứng

của động cơ điện một chiều nên coi như có cuộn cảm mắc nối tiếp với tải Trong

quá trình T1 và T3 mở thì cuộn cảm L tích luỹ năng lượng e = - L di

dt nên khi u < 0 thì T1 và T3 vẫn còn dẫn điện qua tải đó là ứng với lúc cuộn cảm bắt đầu hoàn trả

năng lượng về nguồn

Trong nửa chu kỳ sau: π ≤ θ2≤ 2π, tính cực dương tại B, cực âm tại A.HaiThyristor

T2 và T4 cũng đang ở trạng thái chờ mở cho dòng chảy qua

Tại thời điểm: θ2= π+θ1 = π+α (α góc điều khiển) ta đưa xung kích khởi vào mở T2

và T4→ T2 và T4 dẫn còn T1, T3 khoá

Vì vậy trong mạch xảy ra quá trình trên và lặp lại liên tục.Vì có điện cảm L trong

mạch tải nên thực tế dòng liên tục id = Id

di

Xd

Ei

RsinU21

dt

diXERisin

U

2

d di

I

I âi d

âi d

+π

=θπ

↔

++

=θ

2.2 Hiện tượng trùng dẫn:

Như đã trình bày ở trên, chúng ta chỉ đề cập đến nguyên lý hoạt động của các

bộ biến đổi trong trường hợp lí tưởng, tức là không xét đến ảnh hưởng của điện

kháng Lk của nguồn điện xoay chiều.Khi xét đến cuộn kháng Lk của nguồn thì trong

mạch sẽ không xảy ra hiện tượng chuyển mạch tức thời.Hiện tượng trùng dẫn là

hiện tượng cả 4 Thyristor đều dẫn

Giả sử tại thời điểm θ1, T1,T3 mở cho dòng chảy qua iT1,3 = Id;

Khi θ θ= 2cho xung điều khiển mở T2,T4 vì sự có mặt của Lk nên dòng iT1,3 không

thể giảm đột ngột từ Id về 0, mà dòng iT2,4 cũng không thể tăng đột ngột từ 0 đến Id

Lúc này cả 4 Thyristor đều mở (cùng dẫn)→ phụ tải bị ngắn mạch, Ud=0, nguồn

cũng bị ngắn mạch sinh ra dòng điện ngắn mạch(ik )

2 sin

2 cos cos cos cos

k k

k km

k km

ik1 làm tăng dòng trong T4, làm giảm dòng trong T3;

ik2 làm tăng dòng trong T2, làm giảm dòng trong T1;

2 cos cos 2

2 sin U cos cos **

Khi Lk ≠ 0 trị trung bình điện áp : ' 2 k d

idL

iK1

Hình 2.3 Sơ đồ mạch động lực hiện tượng trùng dẫn

θ 1

α

θd

Chương 3:

TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC

Mạch động lực bao gồm : Máy biến áp và chọn Thyristor

3.1Chọn Thyristor

3.1.1.Điện áp ngược lớn nhất trên Thyristor

Máy biến áp công suất nhỏ nên sụt áp trên điện trở tương đối lớn, khoảng 4%, sụt

áp trên điện kháng ít hơn khoảng 1,5% Điện áp sụt trên hai Thyristor nối tiếp là

2V.Do có cuộn kháng san bằng nên sụt áp khoảng 0.8 % Vậy điện áp chỉnh lưu

không tải là:

Ud0 = Ud + ΔUv + ΔUba + ΔUdn

Trong đó: Ud =110V – điện áp chỉnh lưu

ΔUv = 2V – sụt áp trên các van

ΔUba = ΔUr + ΔUL – sụt áp bên trong mba khi có tải, bao gồm sụt áp trên điện

trở (ΔUr) và sụt áp trên điện cảm (ΔUL), những đại lượng này khi chọn sơ bộ vào

Giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp MBA :

Ta có :

Ud = 2 2U c2 osα

πTrong thiết kế ta phải tính cho trường hợp lớn nhất Ud=max

Để Ud max thì cosα =1 ⇒ α =0o

Giả sử ban đầu góc mở α =0o (cosα = 1 ) thì Thyristor dẫn như một điode ta có:

Udo = 2 2U2

πSuy ra :

U2 = 3,14.125, 2 140

do U

1400,636220

U m

Giá trị trung bình của dòng chảy qua mỗi Thyristor :

2,351,175

Từ các thông số Unv = 316,8V; Iđm = 1,41A theo bảng p.2 trang 212 sách “Tính toán

thiết kế thiết bị điện tử công suất” ta chọn 4 Thyristor loại TCR22-6 có các thông

số sau:

Điện áp ngược cực đại của van Unmax = 400(V)

Dòng điện định mức của van Iđmmax = 1.5(A)

Dòng điện của xung điều khiển Igmax = 200( μ A)

Điên áp của xung điều khiển Ugmax = 0.8(V)

Sụt áp max của thyristo ở thời điểm dẫn ΔUmax = 1,7(V)

dt = 25(V/s)

Nhiệt độ làm việc max cho phép Tmax = 1250c

Chọn mạch từ 2 trụ, tiết diện mỗi trụ được tính theo công thức kinh nghiệm:

Q = k

S

c f (cm2) Suy ra : Q = 6 327,5 15, 4

1.50 = (cm2) Trong đó : S : Công suất biểu kiến MBA

c : Số pha

f : Tần số nguồn điện xoay chiều

k- là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát.( chọn k=6 vì là biến áp khô) Mạch từ có dạng được trình bày trên hình vẽ, dùng tôn Silic, có đường kính

được chuẩn hóa là d=4,5 cm, sử dụng loại thép Э330, các lá thép có độ dày là 0,5

2

4 4.2,35

1, 08 3,14.2, 7

* Thông số của dây quấn:

Dây quấn sơ cấp :

Chọn mật độ từ cảm của trụ Bt =1,1 T

Chọn tỷ số m= h

d ,suy ra h=2,3.4,5=10,35 cm

Ta chọn chiều cao trụ là h=12 cm=120mm

Ta chọn mạch từ có độ cao có kích thước như hình vẽ sau:

* Số vòng dây của mỗi cuộn :

60mm

45mm 45mm

70mm

30mm

3.3 Kết cấu dây quấn sơ cấp

Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí dọc theo chiều dọc trục

Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp của cuộn sơ cấp:

W11= 2 120 2.0,95 124

0,95

g n

h h d

Với h - chiều cao trụ

dn - dường kính dây quấn kể cả cách điện

hg - khoảng cách điện với gông có thể tham khảo chọn,h g= dn=0,95 mm (ứng

với dây dẫn sơ cấp được chọn)

Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp:

1

11

11

5854,7124

Giữa hai lớp đặt 1 lớp cách điện dày 0,1mm

Bề dày dây cuốn sơ cấp

e1 = K (d1+ 0,1) = 5(0,95 + 0,1) = 5,25 mm Bán kính trung bình của dây quấn sơ cấp

r1tb = 4,5 + 5,25/2 = 7,125 mm Chiều dài dây quấn sơ cấp

l1 = 2πr1tb 10-3n1 = 2 3,14 7,125 10-3 585 = 26,2 m Điện trở của dây dẫn ở nhiệt độ 750C

R1 = δ1l1 (1+0,004 75) = 0,0297.26,2(1+0,004 75) =3,11 Ω

3.4 Kết cấu dây dẫn thứ cấp

Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí dọc theo chiều dọc trục

Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp của cuộn thứ cấp:

W21= 2 120 2.1,19 98

1,19

g n

h h d

Với h - chiều cao trụ

dn - dường kính dây quấn kể cả cách điện

hg - khoảng cách điện với gông có thể tham khảo chọn,h g= dn=1,19 mm (ứng

với dây dẫn thứ cấp được chọn)

Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn thứ cấp:

2

21

21

3733,898

Bề dày của dây quấn thứ cấp

2

e = K (d2+ 0,1) = 5(1,19 + 0,1) = 5,16 mm Bán kính trung bình của dây quấn thứ cấp

r2tb = 4,5 +5,16/2 = 7,08 mm Chiều dài dây quấn thứ cấp

l2 = 2πr2tb 10-3.n2 = 2 3,14 7,08 10-3 373 = 16,58 m Điện trở của dây dẫn ở nhiệt độ 750C

R2 = δ l2 2 (1+0,004 75) = 0,0188.16,58.(1+0,004 75) = 0,405Ω Giữa dây quấn sơ cấp và thứ cấp để một khoảng cách 8 mm

Điện áp rơi trên điện kháng

3 d

x

XI U

* Điện áp chỉnh lưu khi đầy tải :

Ud = Udo - ΔUr - ΔUx - ΔUFe = 125,2– 3,92– 0,34 - 1,5 = 119,44 (V) Trong đó: ΔUFe - tổn thất điện áp trên lõi thép

* Hiệu suất của thiết bị chỉnh lưu :

* Dòng điện ngắn mạch :