Thiết kế bộ điều khiển chỉnh lưu có đảo chiều cung cấp cho động cơ điện một chiều

Cũng với lý do đó, trong học kỳ này em được nhận đồ án môn học điện tử công suất, đề tài: “ Thiết kế bộ điều khiển chỉnh lưu có đảo chiều cung cấp cho động cơ điện một chiều ”.. Vì vậy đ

THIẾT KẾ MÔN HỌC MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ĐỀ BÀI: Đề số 38

Thiết kế bộ điều khiển chỉnh lưu có đảo chiều cung cấp cho động cơ điện một chiều

Thiết kế bộ chỉnh lưu có điều khiển Điện áp nguồn: Udm = 380 VAC, 50 Hz

Động cơ: 10kW, 440VDC, 3000v/ph

Giáo viên hướng dẫn : ĐẶNG HỒNG HẢI Sinh viên : PHAN VĂN THẾ Lớp : ĐTĐ52 – ĐH1

Hải Phòng, năm 2014

LỜI NÓI ĐẦU

Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng dụngcủa các linh kiện bán dẫn công suất làm việc ở chế độ chuyển mạch và quá trìnhbiến đổi điện năng

Ngày nay, không riêng gì ở các nước phát triển, ngay cả ở nước ta cácthiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và cả tronglĩnh vực sinh hoạt Các xí nghiệp, nhà máy như: xi măng, thủy điện, giấy,đường, dệt, sợi, đóng tàu… đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu củacông nghiệp điện tử nói chung và điện tử công suất nói riêng Đó là những minhchứng cho sự phát triển của ngành công nghiệp này

Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, ngày càng cónhiều xí nghiệp mới, dây chuyền mới sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán bộ kỹthuật và kỹ sư điện những kiến thức về điện tử công suất Cũng với lý do đó,

trong học kỳ này em được nhận đồ án môn học điện tử công suất, đề tài: “ Thiết

kế bộ điều khiển chỉnh lưu có đảo chiều cung cấp cho động cơ điện một chiều ”.

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy

Đặng Hồng Hải trong quá trình làm đồ án môn học với đề tài trên Mặc dù đã

dành nhiều cố gắng nhưng cũng không tránh khỏi những sai sót nhất định, emmong được sự góp ý, chỉ bảo của thầy, cô

Sinh viên thực hiệnPhan Văn Thế

Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều và các phương

pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.

1.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều.

1.1.1 Phân loại

Động cơ điện một chiều chia làm nhiều loại theo sự bố trí của cuộn kích từ :

 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

 Động cơ điện một chiều kích từ song song

 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

1.1.2 Sơ đồ nguyên lý

1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.

Truyền động điện được dùng để dẫn động các bộ phận làm việc của các máysản xuất khác Thường phải điều chỉnh tốc độ chuyển động của các bộ phận làmviệc Vì vậy điều chỉnh tốc độ động cơ điện là biến đổi tốc độ một cách chủđộng, theo yêu cầu đặt ra cho các qui luật chuyển động của bộ phận làm việc màkhông phụ thuộc mômen phụ tải trên trục động cơ

Xét riêng về phương diện tốc độ của động cơ điện một chiều là có nhiều ưuđiểm hơn với các loại động cơ khác, không những có thể điều chỉnh tốc độ dễdàng, đa dạng các phương pháp điều chỉnh, cấu trúc mạch động lực, mạch điềukhiển đơn giản hơn Đồng thời đạt chất lượng điều chỉnh cao, dải điều chỉnhrộng

Thực tế có 2 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều bằng điệnáp:

+Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ

+Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ

Vì vậy cần phải có những bộ biến đổi phù hợp để cung cấp mạch điện phầnứng hoặc mạch kích từ của động cơ Cho đến nay thường sử dụng những bộbiếnđổi dựa trên các nguyên tắc truyền động sau đây :

+Hệ truyền động máy phát – động cơ (F – Đ)

+Hệ truyền động chỉnh lưu tiristor – động cơ (T – Đ)

► Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ (T-Đ)

Thường sử dụng bộ chỉnh lưu có điều khiển thyristor Tốc độ động cơthay đổi bằng cách thay đổi điện áp chỉnh lưu cấp cho phần ứng động cơ, đểthay đổi điện áp chỉnh lưu ta chỉ cần sử dụng mạch điều khiển, thay đổi thờiđiểm thông van thyristor

+ Ưu điểm của hệ này là tác động nhanh, không gây ồn và dễ tự độnghoá Do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất cao, điều đó thuận lợicho việc thiết lập hệ thống điều chỉnh nhiều vòng, để nâng cao chất lượng đặctính tĩnh và các đặc tính của hệ thống

+ Nhược điểm của hệ là do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạngchỉnh lưu của điện áp có biên độ đập mạch gây tổn hao phụ trong máy điện Hệ

số công suất cosϕ của hệ thống nói chung là thấp Tính dẫn điện 1 chiều của vanbuộc ta phải sử dụng 2 bộ biến đổi để cấp điện cho động cơ có đảo chiều quay.

N N

3) Đảo chiều phần ứng động cơ bằng công tắc tơ T và N

4) Đảo chiều kích từ bằng công tắc tơ T và N

Nhận xét:

- Hai sơ đồ 3, chỉ áp dụng cho hệ thống không đòi hỏi cao về chất lượngđảo chiều, thông dụng và đáp ứng được yêu cầu chất lượng sơ đồ hình 1

- Để đấu 2 mạch chính với nhau cấp ra một tải có 2 kiểu là : kiểu đáu chéo

số 8 và đấu song song ngược

- Có 2 phương pháp điều khiển đảm bảo mạch hoạt động bình thường làphương pháp điều khiển chung và phương pháp điều khiển riêng

Kt

 Phương pháp điều khiển chung

- Lúc này cả 2 mạch chỉnh lưu cùng được phát xung điều khiển, nhưng

luôn khác chế độ nhau: một mặt chế độ chỉnh lưu ( xác định dấu của điện áp mộtchiều ra tải cũng là chiều quay đang cần có ) mạch kia là chế độ nghịch lưu ( làquá trình chuyển năng lượng điện áp từ phía dòng một chiều sang dòng xoaychiều ) Vì hai mạch cùng dấu cho một tải nên giá trị trung bình của chúng phảigần bằng nhau:

V 5 '

V 3 ' UdI

II

V 2 '

V 4 ' UdII

V 5 '

V 3 ' UdI

II

V 2 '

V 4 ' UdII

- Nếu dòng điện liên tục ta có:

Biểu thức này chính là luật phối hợp điều khiển của phương pháp này

- Tuy nhiên luật này mới chỉ đảm bảo sự cân bằng về giá trị một chiều, còngiá trị tức thời của điện áp chỉnh lưu hai mạch là khác nhau Ud1  Ud2

Sự chênh lệch điện áp giữa chúng làm xuất hiện một dòng điện quẩn giữa haimạch van mà không qua tải

- Để hạn chế dòng điện này cần phải dùng thêm cuộn kháng Lcb mắc nốimạch chỉnh lưu với tải Như thế làm tăng công suất đặt và giá thành hệthống Tuy nhiên phương pháp điều khiển này cho phép điều chỉnh nhanhtối đa

* Phương pháp điều khiển riêng

- Khi điều khiển riêng hai bộ biến đổi làm việc riêng rẽ nhau, tại một thờiđiểm chỉ phát xung điều khiển vào một bộ biến đổi còn một bộ biến đổi còn một

bộ biến đổi kia bị khóa do chưa có xung điều khiển Hệ có hai bộ biến đổi làBĐ1 và BĐ2 với các mạch phát xung điều khiển tương ứng là FX1 và FX2 Trật

tự hoạt động của bộ phát xung này được quy định bởi các tín hiệu lôgic b1 vàb2 Quá trình hãm và đảo chiều được mô tả bằng đồ thị thời gian Trong khoảngthời gian từ 0 -> t1 bộ BĐ1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu 1 </2 còn bộ BĐ2 thìkhóa Tại t1 phát lệnh đảo chiều bởi iLĐ góc điều khiển 1 tăng đột biến lớn hơn

/2 dòng điện phần ứng giảm về 0 lúc này các xung để khóa bộ BĐ1 Thời điểm

t2 được xác định bởi cảm biến dòng điện SI1 Trong khoảng thời gian trễ t= t3 - t2

bộ BĐ1 bị khóa hoàn toàn, dòng điện phần ứng bị triệt tiêu Tại t3 sđđ E vẫn còndương, tín hiệu lôgic b2 kích cho FX2 mở BĐ2 với góc  >/2 và sao cho dòngđiện phần ứng không vượt quá giá trị cho phép động cơ được hãm tái sinh Nếunhịp điệu giảm 2 phù hợp với quán tính của hệ thì có thể duy trì dòng điện hãm

và dòng điện khởi động ngược không đổi, điều này được thực hiện bởi các mạchvòng điều chỉnh tự động dòng điện của hệ thống trên sơ đồ của khối lôgic LOG,

iLĐ , iL1 , iL2 là các tín hiệu lôgic đầu vào b1, b2 là các tín hiệu đầu ra để khóa các

bộ phát xung điều khiển

iLĐ = 1 phá xung điều khiển mở BĐ1

L L LD

i i i b

i i i b

1

2 2

 Hệ truyền động van đảo chiều điều khiển riêng có ưu điểm là làm việc

an toàn, không có dòng điện cân bằng chảy giữa các bộ biến đổi không cần thiết

kế cuộn kháng cân bằng, song cần một khoảng thời gian trễ trong đó dòng điệnđộng cơ bằng không.

Do nguyên tắc điều khiển riêng dùng bộ biến đổi làm việc độc lập, trong mộtthời điểm thì chỉ có một bộ BĐ làm việc còn bộ BĐ kia phải chắc chắn khóa ( cónghĩa là dòng điện qua bộ BĐ này phải bằng “0”) Ta sẽ dùng sensor dòng điện

để nhận biết có dòng điện chạy qua bộ BĐ hay không

Chương 2: Tính toán chọn mạch công suất

2.1 Phân tích các sơ đồ chỉnh lưu

2.1.1 Chỉnh lưu hình tia 3 pha

Hình 2.2 Dạng điện áp ra trên tảiHình 2.1: Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha

2.1.2 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha

Ở mạch này người thiết kế sử dụng

bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển

được mắc theo sơ đồ cầu 3 pha đối

xứng được biểu diễn ở (hình III-3) bao

gồm 6 thyristor được chia thành 2

 Hoạt động của sơ đồ

Giả thiết T5 và T6 đang cho dòng chảy qua Vt=Vc ,Vg=Vb :

Hình 2.4 Dạng điện áp ra trên tải

Hình 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha

Khi  = 1 = /6 +  cho xung điều khiển mở T1 ( tiristo này mở vì ua > 0 ) Sự

mở của T1 làm cho T5 bị khóa lại một cách tự nhiên vì ua > ub Lúc này T6 vàT1 cho dòng chảy quá, điện áp trên tải:

Ud = Uab = Ua - Ub

Khi Khi  = 1 = 3/6 +  cho xung điều khiển mở T2 , tiristo này mở vì khiT6 dẫn dòng, nó đặt Ub lên anốt T2 Khi  = 2 thì Ub > Uc Sự mở T2 làm choT6 bị khóa lại một cách tự nhiên vì Ub >Uc Các xung điều khiển lệch nhau /3được lần lượt đưa đến điều khiển của tiristo theo thứ tự 1,2,3,4,5,6…1

Trong mỗi nhóm, khi một tiristo mở, nó sẽ khóa ngay tiristo dẫn dòng trước nó

T5T6T1T2T3T4

Giá trị trung bình của điện áp trên tải

+ Đường bao phía trên biểu diễn điện thế của điểm F

+ Đường bao dưới trên biểu diễn điện thế của điểm G

Điện áp trên mạch tải là Ud = Uf - Ug là khoảng cách thẳng đứng giữa 2 đườngbao

sin 2 2

6

2 6

6 3

sin 2 2

3

cos 2

6 3

sin 2 2

3

2 6

7

6 3

2

2 6

5

6

2

U d

U U

U d

U U

 Lựa chọn sơ đồ thiết kế

Sau khi phân tích đánh giá về chỉnh lưu và từ các ưu điểm của các sơ đồchỉnh lưu với tải và các động cơ điện một chiều có công suất vừa phải thì tadùng chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng là hợp lý hơn cả bởi lẽ ở côngsuất này để tránh lệch tải điện áp , không thể thiết kế theo sơ đồ một pha, sơ đồtia ba pha sẽ làm mất đối xứng điện áp nguồn Nên trong đồ án này ta chọn sơ

đồ thiết kế chọn là sơ đồ cầu ba pha

Các thông số cơ bản còn lại của động cơ

10000

22,7( ) 440

U2a,U2b,U2c sức điện động thứ cấp máy biến áp nguồn

E : sức điện động của động cơ

R, L :điện trở, điện cảm trong mạch

R = 2.Rba + Ru + Rk + Rdt

L = 2.Lab + Lu + Lk

Rba, Lba : điện trở, điện cảm của MBA qui đổi về thứ cấp

Rk, Lk : điện trở và điện cảm cuộn kháng lọc

Rdt : điện trở mạch phần ứng động cơ được tính :

) ( ).

1 (

5 ,



udm

udm u

I U

Lư : điện cảm mạch phần ứng động cơ được tính theo công thức:

dm dm

dm u

I n p

U L

2

60







 Tính chọn Tiristor

Tính chọn dựa vào các yếu tố cơ bản của dòng tải , sơ đồ đã chọn , điềukhiển toả nhiệt , điện áp làm việc , các thông số cơ bản của van được tính nhưsau :

Trong đó kdtU : hệ số dự trữ điện áp chọn ktdU = 1,8

Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng điện dòng hiệu dụng:

( trong sơ đồ cầu ba pha )

Chọn điều khiển làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ điện tích toảnhiệt không có quạt đối lưu không khí, với điều kiện đó dòng định mức của vancần chọn Iđm = Ki Ilv =3,2 13,11 = 42 (A)

(Ki là hệ số dự trữ dòng điện và chọn Ki =3,2)

từ các thông số Unv , Iđmv ta chọn 6 tiristor loại có thông số sau:

Điện áp ngược cực đại của van 1000(V)

Dòng điện định mức của van 200(A)

Đỉnh xung dòng điện 4000(A)

Dòng điện của xung điều khiển 100mA

Điện áp của xung điều khiển 3,0(V)

Dòng điện rò 20mA

Sụt áp lớn nhất của tiristor ở trạng thái dẫn U = 1,6(V)

Tốc độ biến thiên điện áp 200 (V/s)

dt du



Tốc độ biến thiên dòng điện 180A/ μs

dt

di



Dòng điện tự giữ 200mA

Thời gian chuyển mạch tcm = 90s

Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép Tmax =15000C

 Tính toán MBA chỉnh lưu

4

Tiết diện của trụ T=a.b

- Chọn MBA ba pha ba trụ sơ đồ đấu dây  (làm mát bằng không khí tự nhiên)

c) Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp

Phương trình cân bằng điện áp khi có tải :

Udo cos (min) = Ud + 2.Uv + Udn + Uba

Trong đó min = 10 0 góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới

Uv = 1,6(v) sụt áp trên tiristor

Udn = 0 sụt áp trên dây nối

Uba = Ur + Ux : sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp.Chọn sơ bộ

Uba = 6%.Ud = 6% 440 = 26,4(V)

Từ phương trình cân bằng điện áp tải ta có:

) ( 84 , 476 18

cos

4 , 26 0 6 , 1 2 440

18 cos

2

0

0

V U

U U

U U

U

do

ba dn

v d

3

84 , 476

k

U U

S k

Chọn chiều cao trụ h = 19 (cm)

- Tính toán dây quấn

Số vòng dây mỗi pha sơ cấp MBA:

Kích thước dây có kể cách điện : S1= a1.b1= 1,56 7,4(mm2)

 Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp

2 1

1 1

2 2

Kích thước dây có kể cách điện: S2 = a2 b2 = 3,53 5,9(mm2)

Tính lại mật độ độ dòng điện trong cuộn thứ cấp :

2 2

2 2

- Kết cấu dây quấn sơ cấp :

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

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

341 17,05 20

w n w

Khoảng cách từ trụ tới cuộn sơ cấp a01= 1,0(cm)

Đường kính trong của ống cách điện

 Kết cấu dây quấn thứ cấp

Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp

h1 = h2 = 15,58 (cm)

Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp:

2 12

2

15,58 0,95 25(

12

183 7,3 25

w n

12 2 1

25.0,59

15,53 0,95

e

w b h

k

Đường kính trong của cuộn thứ cấp :

Dt2 = Dn1 + 2 a12 = 18,644 + 2.1 = 20,644 (cm)

Chọn bề dầy cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp cd22 = 0,1(mm)

Bề dầy cuộn sơ cấp :

Với đường kính d =11cm , ta có số bậc là 6 trong nửa tiết diện trụ

Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ:

Q’= 2.(1,6 10,5+1,1.9,5+0,7.0,8+0,6.7,5+0,4.6,5+0,74) = 86,2(cm2)Tiết diện hiệu quả của trụ :

Chiều dày của gông bằng chiều dày của trụ b = d = 10,2(cm)

Chiều cao của gông bằng chiều rộng của tập lá thép thứ nhất của trụ a = 10,5cm

Tiết diện gông Q = a b = 107,1(cm2)

Dựa vào m = h/a = 2,3/2,5

Tính khoảng cách giữa 2 tâm trục

 Tính các thông số của MBA

Điện trở trong cuộn sơ cấp máy biến áp ở 750 C :

) ( 165 , 0 3 , 11

64 , 87 02133 , 0

1

1 1

) ( 064 , 0 3 , 20

32 , 61 02133 , 0

2

2 1

h X

ba ba

P P

0,112.22, 7 100 100 1, 25%

203,86

ba nR

R I U

U

Điện áp ngắn mạch phần kháng:

2 2

203,86

ba nX

X I U

U

Dòng điện ngắn mạch xác lập:

2 2

203,86

358,91( ) 0,568

nm ba

nn

U U

Vậy máy biến áp thiết kế sử dụng tốt

Hiệu suất TB chỉnh lưu:

4)Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc

Các thông số ban đầu

Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc

Công suất của cuộn kháng lọc:

1m 1

Với tiết diện trụ Q= 1,37 cm2

Chọn loại thép tồn tại 330 A tấm thép dày 0,35mm

2.2 60 b

2.h h w

k

g

Tính số lớp dây quấn:

12 8

100 w

w n

2.3.2 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn

Khi làm việc với dòng điện chạy qua trên van có sụt áp , do đó có tốn hao côngsuất p ,tốn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn

Mặt khác van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp nào

đó nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng Để cho vanbán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế

hệ thống toả nhiệt hợp lý

+Tính toán cách toả nhiệt

+Tổn thất công suất trên 1 Tiristor

P=U.I=1,6.39,366=62,976(W)Diện tích bề mặt toả nhiệt:

p : tổn hao công suất (W)

T:độ chênh lệch so với môi trường

Tmt = 400C

Nhiệt độ làm việc cho phép của Tcp=1250C

Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt

976 ,

m

Chọn loại cánh toả nhiệt có 10 cánh

Kích thước mỗi cánh a.b= 10 10 (cm2)

Tổng diện tích toả nhiệt của cánh

S= 10 2 10 10 =2000(cm2)

2.3.3 Bảo vệ quá dòng điện của van

Áptômát dùng để đóng ngắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắtmạch Tiristor, ngắt mạch đầu ra độ biến đổi, ngắt mạch thứ cấp MBA ngắt mạch

5 ,

- Dòng quá tải

) ( 58 , 77 86 , 29 3 5 , 1

5 ,

I qt  d  

- Chọn cầu giao có mạch định mức

) ( 89 , 56

3 1 ,

I  d 

- Cầu giao để tạo khe hở an toàn khi sử chữa hệ truyền động

- Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Tiristor ngắn mạchđầu ra của bộ CL

Nhóm 1CC có Idc = 80A loại cầu chì H – 2 – 0 do Liên Xô chế tạo

Dòng điện định mức dây chảy nhóm 1cc

) ( 237 , 61 67 , 55 1 , 1 1 , 1

Nhóm 2CC có Idc = 80A loại cầu chì H – 2 – 0do Liên Xô chế tạo

Dòng điện định mức dây chảy nhóm 2cc

) ( 296 , 43 36 , 39 1 , 1

1 , 1

Nhóm 3CC có Idc = 80A loại cầu chì H – 2 – 0 do Liên Xô chế tạo

Dòng điện định mức dây chảy nhóm 3cc

) ( 98 , 79 18 , 68 1 , 1 1 , 1

Vậy chọn cầu chảy nhóm 1CC, 2CC và 3CC giống nhau đều là loại cầu chì

H – 2 – 0 do Liên Xô chế tạo

2.3.4 Bảo vệ quá điện áp cho van

Bảo vệ quá điện áp : do quá trình đónh cắt các Tiristor được thực hiện bằngcách mắc R-C song song với Tiristor Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích