THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA KHÔNG ĐỐI XỨNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

Ngày nay việc sử dụng động cơ điện trong sản xuất và đời sống là rất rộng rãi. Mặc dù dòng điện xoay chiều đang được sử dụng rộng rãi nhưng các động cơ điện một chiều vẫn được sử dụng phổ biến do chúng có rất nhiều ưu điểm so với động cơ xoay chiều. Trong công nghiệp động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và phạm vi rộng. Với đề tài “Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều” em xin trình bày đồ án gồm 3 chương như sau Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều Chương 2: Lý thuyết chỉnh lưu có điều khiển Chương 3: Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng điều khiển động cơ một chiều

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Họ và tên: Nguyễn Đức Quý

Ngành: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Hệ đào tạo: Chính qui

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay việc sử dụng động cơ điện trong sản xuất và đời sống là rất rộng rãi.Mặc dù dòng điện xoay chiều đang được sử dụng rộng rãi nhưng các động cơ điệnmột chiều vẫn được sử dụng phổ biến do chúng có rất nhiều ưu điểm so với động

cơ xoay chiều Trong công nghiệp động cơ điện một chiều được sử dụng ở nhữngnơi yêu cầu mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và phạm virộng

Với đề tài “Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều” em xin trình bày đồ án gồm 3 chương như sau Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều

Chương 2: Lý thuyết chỉnh lưu có điều khiển

Chương 3: Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng điều khiển động cơ một chiều

Trong thời gian làm đồ án, em đã nhận được hướng dẫn tận tình của thầygiáo Kim Ngọc Linh và các thầy cô trong Bộ môn Điện-Điện Tử đã giúp đỡ emhoàn thành đồ án này Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Sinh viên

Nguyễn Đức Quý

Chương I TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỆN MỘT CHIỀU 1.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều.

Động cơ điện một chiều bao gồm hai phần chính là: Stator (phần tĩnh) vàRoto(phần quay)

 Sato là phần đứng yên của máy và bao gồm các bộ phận sau: cực từ chính,

cực từ phụ, gông từ và các bộ phận khác

 Cực từ chính

Cực từ chính là phần sinh ra từ trường gồm có lõi sắt và cuộn dây:

Lõi sắt cực từ thì được làm từ các lá thép kỹ thuật hoặc thép cacbon dày 0,541mmđược ép lại với nhau và tán chặt thành khối Các cực từ được gắn vào vỏ máy bằngcác bulông Một cặp cực từ (đôi cực) gồm hai cực nam - bắc đặt đối xứng với nhauqua trục động cơ Tùy theo động cơ có thể có 1,2,3, đôi cực từ Ở các máy điệnnhô cực từ được làm bằng thép khối Dây quấn kích từ làm bằng dây đồng có tiếtdiện tròn hoặc chữ nhật được sơn cách điện và được quấn thành từng cuộn Cáccuộn dây được mắc nối tiếp với nhau.Các cuộn dây được bọc cách điện cẩn thậntrước khi đặt vào các cực từ Hình 1.1 mô tả cấu tạo của cực từ chính

Hình 1.1 Cấu tạo của cực từ chính

 Cực từ phụ

- Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều

- Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối hoặc có thể được ghép bằngcác lá thép tùy theo chế độ làm việc

- Cơ cấu chối than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoải Cơ cấu chổithan gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tỉ chặt lên

cố góp Hộp chối than được cổ đính lên giá đỡ chổi than và cách điện với giáđó

- Trong các máy điện công suất trung bình trở lên người ta thường dập

 Cổ góp

- Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều

- Cổ góp có nhiều phiến đồng có đuôi nhọn cách điện với nhau bằng lớpmica dày 0,4 đến 1,2 mm vá hợp thành một trụ tròn Hai đầu trụ tròn dunghai đầu vành ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành góp có cao hơn một ít

đề hàn các đầu dây của các phần từ dây quấn vào các phiến gỏp được dềdàng

 Các bộ phận khác

Bao gồm:

- Cánh quạt: quạt gió dùng để làm mát động cơ

- Trục máy:Được làm bằng loại thép cứng nhiều cacbon Trên trục máyđặt lõi thép phần ứng và cổ góp Hai đầu của trục máy được gối lên hai

vòng bi ở nắp máy.

1.1.1 PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Có 4 loại động cợ điện một chiều thường dùng

- Động cơ điện kích từ song song

Như sơ đồ hình 1-5 cho thấy khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi mạch kích từ được mắc song song với mạch phần ứng

I=Iư+It

- Động cơ điện kích từ song song

Động cơ môt chiều ( DC )

Hình 1-6 sơ đồ cho thấy khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn, mạch điệnphần ứng và mạch kích từ và điện áp không đổi mạch kích từ được mắc vào hai

nguồn một chiều đôc lập nên I=Iư

- Động cơ điện kích từ nối tiếp

Cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng, cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ số vòng dây ít, chế tạo dễ dàng

- Động cơ điện kích từ hỗn hợp

Động cơ diện kích từ hỗn hợp có hai dây quấn kích từ, dây quấn kích từ song song

và dây quấn kích từ nối tiếp trong đó dây quấn kích từ song song là chủ yếu

I = Iư + It

1.1.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

Xét cấu tạo của sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều như hình 1-8 cho thấy từtrường của động cơ được tạo ra nhờ các cuộn dây 5 có dòng điện một chiều chạy qua Các cuộn dây này gọi là cuộn cảm (hay cuộn kích từ) và được cuốn quanh các cực từ 4 Trên hình vẽ động cơ điện một chiều,stator 6 của động cơ có đặt các cuộn cảm nên stator còn gọi là phần cảm.Từ trường do cuộn cảm tạo ra sẽ tác dụng một lực từ vào các dây dẫn rotor 7 đặt trong các rãnh của rotor 3 khi có dòng điện chạy qua Cuộn dây này gọi là cuộn ứng Dòng điện đưa vào cuộn ứng qua các chổi than

2 và cổ góp 1 Rotor mang cuộn ứng nên gọi là phần ứng của động cơ

Hình 1-8 Cấu tạo động cơ điện một chiều 1-Cổ góp điện 5- Cuộn dây kích từ

2-Chổi than 6- Stator

3-Rotor 7- Cuộn dây phần ứng

4- Cực từ

Trong hình vẽ các dây quấn cuộn ứng ở nửa trên rotor có dòng điện hướng vào, còn các dây dẫn ở nửa dưới của rotor có dòng điện hướng ra khỏi hình vẽ Từ lực F tác dụng vào các dây dẫn rotor có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái sẽ tạo ra momen làm quay rotor ngược chiều kim đồng hồ Động cơ trên có 2 cực từ hay mộtđôi cực (1 cặp cực,P=1)

Trong thời gian động cơ làm việc,cuộn cảm tạo ra từ trường Φd dọc trục cực từ vàd dọc trục cực từ vàphân bố đối xứng với cực từ Mặt phẳng OO trên đó có đặt chổi than,vừa là mặt phẳng chung tính vật lý Đồng thời dòng điện trong cuộn ứng cũng tạo ra từ trường riêng Φd dọc trục cực từ vàn hướng ngang trục cực từ Từ trường tổng cộng trong động cơ mất tính chất đối xứng dọc trục và mặt phẳng trung tính vật lý quay đi một góc Φd dọc trục cực từ và so với mặt phẳng trung tính hình học

Khi mà dòng điện trung tính càng mạnh thì Φd dọc trục cực từ vàn càng mạnh và góc quay β càng lớn.Khi đó ta có thể nói phản ứng phần ứng càng mạnh

Phản ứng phần ứng là một trong những nguyên nhân gây ra tia lửa điện giữa chổi than và cổ góp cũng như giữa các lá góp trong cổ góp Chúng ta có thể hạn chế ảnh hưởng này nhờ xoay chổi than theo vị trí mặt phẳng trung tính vật lý Thông thườngtrong các động cơ điện một chiều hiện nay, người ta thường thế cực từ phụ.

Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và cuộn dây cực từ phụ sẽ tạo ra từ trường ngang trục so với từ trường chính và ngược chiều với từ trường Φd dọc trục cực từ vàn của cuộnứng để khử từ trường Φd dọc trục cực từ vàn Nhờ vậy phản ứng phần ứng bị hạn chế và quá trình chuyển mạch động cơ sẽ tốt hơn

Bởi vì từ trường Φd dọc trục cực từ vàn gây ra phản ứng phần ứng tỉ lệ với dòng điện phần ứng Iư nêncuộn dây cực từ phụ được mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng.Do vậy khi dòng điện phần ứng tăng lên thì cuộn dây cực từ phụ cũng sinh ra từ trường ngược mạnh hơn để khử từ trường Φd dọc trục cực từ vàn

1.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Từ sơ đồ thay thế của động cơ, ta có phương trinh cần bằng điên áp:

Uư = Eư + (Rư + Rr)lư

Trong đó: Uư là điện áp phần cứng Eư là suất điện động phần ứng, Rư là điện trở phần ứng, Rr điện trỏ phụ mạch phần ứng VỚI Rư = rư + rcĩ + ri + rci rư là điện trỏ cuộn dây phần ứng, rcf là điện trở cuộn cực từ phụ, ri là điện trỏ cuộn hù, rcl là điện trỏ tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp.

Sức điên động Eư của động cơ được xác định qua sơ đồ sau:

1.3 Mở máy và đảo chiều quay

 Mở máy :

Đặt mạch kích từ và nguồn Ukt , dây cuốn kích từ sinh ra từ thông Փ Trong tất

cả các trường hợp , khi mở máy bao giờ cũng đảm bảo có Փ max tức là phải giảm điện trở của mạch kích từ Rkt đến nhỏ nhất có thế Cũng cần đảm bảo không xảy rađứt mạch kích thích vì khi đó = 0 , M=0 , động cơ sẽ không quay được , do đó E ư

= 0 và theo biểu thức U = E ư + R ư I ư thì dòng điện I ư sẽ rất lớn làm cháy động

cơ Nếu moomen do động cơ điện sinh ra lớn hơn moomen cảm ( M >Mc) rôto bắt đầu quay và suất điện động E ư sẽ tăng lên lỉ lệ với tốc độ quay n Do sự xuất hiện

và tăng lên của Euw , dòng điện Iư sẽ giảm theo , M giảm khiến n tăng chậm hơn

 Đảo chiều động cơ

a ) Sơ đồ đấu dây động cơ quay chậm

b) Quay ngược khi đảo chiều từ thông

C ) Đảo chiều dòng điện phần ứng

 Chiều từ lực tác dụng vào dòng điện được xác định theo quy tắc bàn tay trái Khi đào chiều quay từ thông hay đảo chiều dòng điện thi từ lực có chiều ngược lại.Vậy muốn đảo chiều động cơ diện một chiều có thể thực hiện một trong hai cách như hình vẽ trên và đường đặc tính cơ của động cơ khi quay thuận và khi quay ngược là đối xứng nhau qua gốc toạ độ

 Phương pháp đảo chiều từ thông thực hiện được nhẹ nhàng vì mạch từ thông

có công suất nho hơn mạch phản ứng Tuy vậy vì cuộn kích từ có số vòng

dây lớn, hệ số tự cảm lớn, do đó thời gian đảo chiều tăng lên nên phương pháp này ít được sư dụng Ngoài ra dùng phương pháp đảo chiều từ thông thi khi từ thông qua trị số không có thể làm tốc độ tăng quá, không tốt cho động cơ.

1.4 Điều chỉnh tốc độ quay :

Thực tế có ba phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông :

Giả thiết U=Uđm ; Rư =const Muốn thay đổi từ thông động cơ ta có thay đổi dòng điện kích từ

Thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạc kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ

Bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa (Φd dọc trục cực từ và=Φd dọc trục cực từ vàmax ) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướn giảm từ thông tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức

Khi giảm từ thông thì tốc độ không tải lý tưởng 0 tăng,còn độ cứng đặc tính  giảm

Ta thấy rằng khi thay đổi từ thông thì :

-Dòng điện ngắn mạch Inm =const

-Momen ngắn mạch: Mnm =Var

Các đặc tính cơ điện và đặc tính của động cơ giảm khi giảm từ thông và được biểu diễn ở hình 1-9 dưới đây:

Hình 1-9 Đặc tính cơ điện của động cơ 1 chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ phần ứng

Để thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng.Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng ω=const

Còn độ cứng sẽ thay đổi theo tỷ lệ thuận theo điện trở tổng cộng phần ứng

Giả sử từ thông Φd dọc trục cực từ và=Φd dọc trục cực từ vàđm=const điện trở phần ứng Rư=const Khi chúng thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Uđm.Vì điện áp đặt vào phần ứng có thể thay đổi vượt qua giá trị định mức Trong trường hợp này,độ dốc không đổi β=const.

Còn tốc độ không tải lý tưởng ω0=var

Như vây khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng ,ta được một họ đặc tính cơ song song với đường đặc tính cơ tự nhiên và thấp hơn đường đặc tính cơ tự nhiên

Có thể nhận thấy rằng khi thay đổi điện 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

Nhận xét:

- Ưu điểm : +Không gây ồn

+Không gây tổn hao phụ trong động cơ

+Dễ tự động hóa

+Độ cứng đặc tính cơ không đổi trong tồn dải điều chỉnh

- Nhược điểm: Phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp ra

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

và hạn chế dòng điện khi khởi động

Nhận xét: Chương này đồ án đã giới thiệu khái quát về cấu tạo, phân loại, nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều, nêu các đường đặc tính cơ và các phương pháp mở máy, đảo chiều động cơ cũng như điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều.

2.1.1 Trường hợp tải thuần trở

2.1.1.1 Chỉnh lưu không điều khiển

Sơ đồ mạch chỉnh lưu như hình 2-1a và đồ thị thời gian dạng sóng trên hình 2-1b

a) b ) c)

Hình 2-1 Mạch chỉnh lưu không điều khiển ba pha hình tia tải thuần trở

 Giá trị trung bình của điện áp tải (xét hình 2-1c) có:

 Điện áp nguồn cực đại đặt lên điốt:

U an=√6 V2=2,45V2 (1.12)

 Công suất biến áp:

s bd=1,345 Pd (1.13)

2.1.1.2 Chỉnh lưu điều khiển

Sơ đồ chỉnh lưu như hình 2-2a và đồ thị thời gian dạng sóng khi điều khiển ∝=30 °

Trường hợp góc điều khiển ∝≤ 30 ° áp và dòng trên tải là liên tục Trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu (xem hình 2-2c):

Từ (1.14) và (1.15) cho kết quả sau:

Góc điều khiển α Trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu

2.1.2 Trường hợp tải R-L

Giả thiết L=∞ nên có id=Id=const

2.1.2.1 Chỉnh lưu không điều khiển

Sơ đồ mạch chỉnh lưu như hình 3a và có đồ thị thơi gian dạng sóng trên hình 3b

Hình 2-3 Mạch chỉnh lưu không điều khiển ba pha hình tia tải R-L

Giá trị trung bình của điện áp tải(xét hình 2-3c)

2.1.2.2 Chỉnh lưu điều khiển

Sơ đồ mạch chỉnh lưu như hình 2-4a và đồ thị thời gian dạng sóng trên hình 2-4bTrị số trung bình của điện áp chỉnh lưu:

Hình 2-4 Mạch chỉnh lưu điều khiển ba pha hình tia tải R-L

2.1.3 Trường hợp tải R-E

2.1.3.1 Chỉnh lưu không điều khiển

Sơ đồ mạch chỉnh lưu như hình 2-5a và đồ thị thời gian dạng sóng khi dòng liêntục trên hình 2-5b

Hình 2-5 Mạch chỉnh lưu không điều khiển ba pha hình tia tải R-E

Để có dòng tải id là liên tục, phải thỏa mãn điều kiện E¿√2 V2

Điện áp nguồn cực đại đặt lên điốt:

Xét trường hợp D1 mở, áp nguồn đặt lên D2 là:

2.1.3.2 Chỉnh lưu điều khiển

Sơ đồ mạch chỉnh lưu như hình 2-6a và đồ thị thời gian dạng sóng khi dòng liên tụctrên hình 2-6b

b)

Hình 2-6 Mạch chỉnh lưu điều khiển ba pha hình tia tải R-E

2 π cos α=U d 0 cos α (1.20)

Trường hợp dòng gián đoạn và E¿√2 V2

2 Đồ thị thời gian dạng như hình 2-6a.Trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu:

Trườn hợp gián đoạn và E¿√2 V2

2 Đồ thị thời gian dạng sóng như hình 2-6b Trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu:

2.1.4.1 Chỉnh lưu không điều khiển : Sơ đồ mạch chỉnh lưu như hình 2-7a

Trường hợp E<√2 V2

2 tương tự như tải R-E Khi E>√2 V2

2 đồ thị dạng sóng như hình 2-7b Khi có L van mở thêm một gócγ

i d

π 6

ɣ

b)

Hình 2-7 Mạch chỉnh lưu không điều khiển ba pha hình tia R-L-E

2.1.4.2 Chỉnh lưu điều khiển

Sơ đồ chỉnh lưu như hình 2-8a và đồ thị thời gian dạng sóng khi dòng liên tục trên hình 2-8b

a)

v,u d u d

π 6

Hình 2-8 Mạch chỉnh lưu điều khiển ba pha hình tia tải R-L_E

Trường hợp dòng liên tục trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu bằng:

π 6

ɣ

b) Tải R- L - E

2.2 Chỉnh lưu cầu ba pha

Giả thiết điện áp các pha thứ cấp biến áp(MBA) là:

v a=√2V2sin θ

v b=√2V2sin(θ− 2 π

3 ¿)¿

v c=√2 V2sin¿

2.2.1 Trường hợp tải thuần trở

2.2.1.1 Chỉnh lưu không điều khiển

Sơ đồ chỉnh lưu như hình 2-9a và đồ thị thời gian dạng sóng trên hình 2-9b

Hoạt động của sơ đồ :

Xét tại thời điểm ứng vớiθ1 có va>vb>vc Dòng điện tải từ điểm a đến điểm c Điôt

D1 mở cho dòng chạy qua, do đó vF= va>vb>vc, các điôt D3 và D5 khóa do bị phân cực ngược Điôt D2 mở làm vE=vc<vb<va làm D4 và D6 khóa do phân cực ngược

Tóm tắt sơ đồ hoạt động của sơ đồ trong bảng dưới đây

Khoảng Chiều dòng điện Điôt thông Điện áp tải ud

Mỗi cuộn dây thứ cấp biến áp cho dòng chạy qua hai lần một phần ba chu kì (

43



):1/3 chu kì với điốt trên và 1/3 chu kì với ddiot dưới

Giá trị tức thời của áp tải ud bằng hiệu của giá trị tức thời điện áp hai pha đang cấp cho dòng tải

Điện áp ngược lớn nhất mỗi điôt phải chịu bằng :

U am=√3√2 V2=√6 V2=2,45 V2 (1.24)Giá trị trung bình của áp chỉnh lưu:

I d=U d

R (1.26)Giá trị trung bình của dòng chạy trong mỗi điốt:

I D=I d

3 (1.27)Khai triển Furie của áp trên tải :

2

35cos6 θ) (1.28)Công suất biến áp:

S=1,047Pd (1.29)

Ta thấy rằng công suất MBA chỉ nhỉnh hơn công suất điện một chiều yêu cầu nên trong sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha MBA được sử dụng tốt

2.2.1.2 Chỉnh lưu điều khiển

Sơ đồ chỉnh lưu như hình 2-10a và đồ thị thời gian dạng sóng trên hình 2-10b

-Nhóm catốt chung: T1,T3 & T5

-Nhóm anốt chung :T4,T6 & T2

Góc mở α được tính từ giao điểm của các nuwarhinhf sinus

Hoạt động của sơ đồ :

Giả sử T5 & T6 đang cho dòng chảy qua VF=Vc, VE=Vb.

Khi θ=θ1=π

6+α cho xung điều khiển mở T1 Tiristo này mở vì có va>0 Sự mở cửa của T1 làm cho T5 bị khóa lại một cách tự nhiên vì va>vc Lúc này T6 & T1 cho dòng chảy qua Điện áp trên tải bằng :ud=uab=va-vb

Khi θ=θ1=3 π

6 +α cho xung điều khiển mở T1 Tiristo này mở vì khi T6 dẫn dòng,

nó đặt vb lên anốt T2 Khi θ=θ2 thì vb>vc Sự mở của T2 làm T6 bị khóa lại một cách