thiết kế bộ nghịch lưu kích từ độc lập

LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, với việc phát triển mạnh mẽ ứng dụng khoa học kỹ thuật công nghiệp, đặc biệt công nghiệp điện tử thiết bị điện tử có cơng suất lớn chế tạo ngày nhiều Đặc biệt ứng dụng vào ngành kinh tế quốc dân đời sống hàng ngày phát triển mạnh mẽ Tuy nhiên, để đáp ứng nhu cầu ngày nhiều phức tạp cơng nghiệp ngành điện tử cơng suất phải ln nghiên cứu để tìm giải pháp tối ưu Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hóa – đại hóa đất nước, nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao cơng nghệ cách đưa công nghệ điều khiển tự động vào sản xuất Do đòi hỏi phải có thiết bị phương pháp điều khiển an tồn, xác Đó nhiệm vụ mà nghành điện tử cơng suất cần phải giải Để giải vấn đề này, nhà nước ta cần có đội ngũ thiết kế đông đảo đủ lực Sinh viên ngành Tự động hóa tương lai khơng xa đứng đội ngũ này, cần phải tự trang bị cho trình độ tầm hiểu biết sâu rộng Chính vậy, đồ án mơn học Điện tử cơng suất yêu cầu cấp thiết cho sinh viên tự động hóa Đó kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp sinh viên điều kiện cho sinh viên tự tìm hiểu, nghiên cứu kiến thức điện tử công suất Mặc dù vậy, kinh nghiệm thực tế chưa nhiều nên cần đến giúp đỡ hướng dẫn thầy giáo Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn đến Nguyễn Thị Điệp tận tình dẫn để em hồn thành đề án Sinh viên thực hiện: Bùi Văn Kỷ Nguyễn Văn Mạnh Võ Duy Nam Lê Thanh Tuấn MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU MỤC LỤC ĐỀ BÀI CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG .6 1.1 Động chiều kích từ độc lập 1.1.1 Cấu Tạo 1.1.2 Phương trình đặc tính cơ,đồ thị đặc tính 1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ 10 1.2 Gioi thiệu chung chỉnh lưu 11 1.2.1 Khái niệm,cấu trúc mạch chỉnh lưu .11 1.2.2 Phân loại mạch chỉnh lưu 11 1.2.3 Thyristor .12 1.2.4 Phân tích sơ đồ chỉnh lưu cầu pha cấp cho tải RLE 16 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH LỰC 19 2.1 Giới thiệu thiết kế mạch lực 19 2.2 Tính chọn van mạch lực 20 2.3 Tính chọn phần tử bảo vệ CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 30 3.1 Yêu cầu chung mạch điều khiển: 30 3.2 Thiết kế mạch điều khiển 31 3.2.1 Nguyên lí 31 3.2.2 Cấu trúc mạch điều khiển 32 3.2.3 Thuyết minh khâu .32 3.3 Mạch điều khiển .43 CH ƯƠNG 4: MÔ PHỎNG KẾT LUẬN 44 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung động chiều kích từ độc lập 1.1.1 Cấu tạo: Động điện chiều kích từ độc lập phân thành hai phần chính: Phần tĩnh phần động - Phần tĩnh(stato) hay gọi phần kích từ động cơ, phận sinh từ trường gồm có: +) Mạch từ dây kích từ lồng ngồi mạch từ (nếu động kích từ nam châm điện), mạch từ làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc) Dây quấn kích thích hay gọi dây quấn kích từ làm dây điện từ, cuộn dây điện từ mắc nối tiếp với +) Cực từ chính: Là phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại tán chặt Trong động điện nhỏ dùng thép khối Cực từ gắn chặt vào vỏ máy nhờ bulông Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện cuộn dây bọc cách điện kỹ thành khối, tẩm sơn cách điện trước đặt cực từ Các cuộn dây kích từ đặt cực từ nối tiếp với +) Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt cực từ Lõi thép cực từ phụ thường làm thép khối thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống dây quấn cực từ Cực từ phụ gắn vào vỏ máy nhờ bulông - Phần quay(rơto)bao gồm phận sau: +) Phần sinh sức điện động gồm có: Mạch từ làm vật liệu sắt từ (lá thép kĩ thuật) xếp lại với Trên mạch từ có rãnh để lồng dây quấn phần ứng Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với theo qui luật định Tỳ cổ góp cặp trổi than làm than graphit ghép sát vào thành cổ góp nhờ lò xo +) Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng hai mặt ép chặt lại để giảm tổn hao dòng điện xốy gây nên Trong động điện chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng ép trực tiếp vào trục +) Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng phần phát sinh suất điện động có dòng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm dây đồng có bọc cách điện Để tránh quay bị văng lực li tâm, miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt đai chặt dây quấn Nêm làm tre, gỗ hay bakelit +) Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có mạ cách điện với lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm hợp thành hình trục tròn Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp trụ tròn cách điện mica Đi vành góp có cao lên để hàn đầu dây phần tử dây quấn phiến góp dễ dàng 1.1.2 Phương trình đặc tính cơ,đồ thị đặc tính *Phương trình đặc tính Phương tình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập: Trong đó: Uư : Điện áp phần ứng, V Eư : Sức điện động phần ứng, V Rư : Điện trở mạch phần ứng, Iư : Dòng điện mạch phần ứng, A Với: Rư = rư + rcf + rb + rct rư : Điện trở cuộn dây phần ứng rcf : Điện trở cuộn dây cực từ phụ rct : Điện trở tiếp xúc cuộn bù *Đồ thị đặc tính * 1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ Có phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập: - Phương pháp thay đổi từ thông Ф: Phương pháp sử dụng hệ truyền động có cơng suất lớn có u cầu tốc độ lớn tốc độ bản.Vì phương pháp thực phần kích từ động nên dễ dàng thay đổi tốc độ đạt hiệu kinh tế.Tuy nhiên ta điều chỉnh theo hướng giảm từ thông tức điều chỉnh tốc độ vùng tốc độ định mức giới hạn bị điều chỉnh điều kiện khí đổi chiều máy - Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng: Phương pháp không gây thêm tổn hao động điện đòi hỏi phải có nguồn riêng,có điện áp điều chỉnh được.phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ quay tốc độ định mức khơng thể nâng cao điện áp điện áp định mức động điện 1.2 Giới thiệu chung chỉnh lưu 1.2.1 Khái niệm,cấu trúc mạch chỉnh lưu *Khái niệm: Chỉnh lưu q trình biến đổi lượng dòng xoay chiều thành lượng dòng chiều *Cấu trúc: Chỉnh lưu thiết bị điện tử công suất sử dụng rộng rãi thực tế.Sơ đồ cấu trúc thường gặp mạch chỉnh lưu sau: ~ U ~ BA MV U U d,Id ML U d,Id Trong sơ đồ: -Máy biến áp làm hai nhiệm vụ là: +)Chuyển từ điện áp quy chuẩn lưới điện xoay chiều U sang điện áp U2 thích hợp với yêu cầu tải.Tùy theo yêu cầu tải mà máy biến áp tăng áp giảm áp +)Biến đổi số pha lưới nguồn sang số pha theo yêu cầu mạch van.Thông thường số van lưới lớn 3,song mạch van cần số pha 6,12… -Trường hợp tải yêu cầu mức điện áp phù hợp với lưới điện mạch van đòi hỏi số pha lưới điện không cần đến máy biến áp -Mạch van :là van bán dẫn mắc với theo cách đẻ tiến hành q trình chỉnh lưu -Mạch lọc :nhằm đảm bảo yêu cầu điện áp (hoặc dòng điện) chiều cấp cho tải phẳng theo yêu cầu 1.2.2 Phân loại mạch chỉnh lưu Chỉnh lưu phân loại theo số cách sau đây: 1.phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: pha, pha, pha, pha … 2.phân loại theo loại van bán dẫn mạch van: 10 Chọn tụ C2 = 0,1 µF có điện áp U = 16V; R3 = 3000 Ω Để thuận tiện cho việc điều chỉnh lắp mạch ta chọn R3 biến trở 3KΩ d Đồ thị điện áp Khâu so sánh a Chọn sơ đồ Ở lựa chọn sơ đồ mạch so sánh dung khuếch đại thuật toán Khuếch đại thuật toán (OA) phần tử so sánh tý tưởng lý sau đây:  Tổng trở vào OA lớn nên không gây ảnh hưởng đến điện áp đưa vào so sánh, tách biệt hồn tồn chúng để không tác động sang  Tầng vào OA loại khuếch đại vi sai, mặt khác số tầng nhiều nên hệ số khuếch đại lớn (có thể lên đến triệu) Vì độ xác so sánh cao, độ trễ không vài micrô giây  Sườn xung dốc đứng so với tần số 50 Hz Chọn sơ đồ kiểu so sánh cửa cửa không đảo nối đất Mạch so sánh kiểu cửa 36 b Nguyên lý làm việc hai điện áp cần so sánh đưa tới cực OA thông qua hai điện trở đầu vào R1, R2 Cửa lại, cần phải tăng độ xác so sánh đấu cửa qua điện trở R3 = (R1 // R2) xuống điểm không, khơng cần độ xác cao nối thẳng với điểm chung mạch điều khiển (R3 = 0)  trường hợp điện áp U  hai tín hiệu so sánh lại vào cửa – nên biểu thức điện   U  k0 (U  U )   K [0.5(utua  udk )] từ ta có +Nếu (utua  udk )  điện áp âm U bh +Nếu (utua  udk )  điện áp dương U bh +Điểm chuyển trạng thái điều kiện utua  udk c Tính tốn thơng số Khuyếch đại thuật tốn chọn loại TL084 Trong nguồn ni Vcc = ± 12V điện áp vào A3 U v �12V Dòng điện vào hạn chế để Ilv < mA Chọn R6  R5  Uv 12  3  12 K  I v 10 Do ta chọn R6 = R5 = 15kΩ dòng vào A3; I v max  12  0,8mA 15.103 d Đồ thị điện áp 37 Khâu tạo điện áp điều khiển Khâu tạo điện áp điều khiển liên quan chặt chẽ tới hệ thống lực chỉnh lưu phải đảm bảo đưa giá trị điện áp để tác động tới góc điều khiển thơng qua khâu so sánh khống chế lượng tải theo yêu cầu kỹ thuật công nghệ máy sản xuất Thường khâu xử lý tín hiệu theo quy luật hay thuật toán xác định trước Với hệ thống hở khơng có phản hồi mà có tín hiệu đặt Đơn giản ta dung biến trở để điều chỉnh điện áp theo ý muốn người vận hành 5.Khâu điện áp tựa cưa a Chọn sơ đồ Đa số điện áp tựa mạch điều khiển chỉnh lưu thời dùng dạng cưa khắc phục nhược điểm dạng hình sin, có nghĩa bị ảnh hưởng điện áp tần số nguồn điện xoay chiều Tuy nhiên nhược điểm khơng đạt quan hệ tuyến tính điện áp điều khiển điện áp chỉnh lưu nên khó khăn cần tiến hành trình tự động điều chỉnh ổn định thông số mạch chỉnh lưu nói riêng hay thiết bị nói chung -Chọn mạch dùng khuếch đại thuật toán (OA) Nhược điểm chung sơ đồ tạo điện áp cưa dùng Transistor phụ thuộc rõ thời điểm mở khóa bóng vào điện áp đồng pha, điện áp cưa nhiều bị biến động theo điện áp lưới điện xoay chiều Điều làm ảnh hưởng tới góc điều khiển  phạm vi điều chỉnh Mặt khác độ tuyến tính cưa không thật cao Hiện mạch tạo cưa sử dụng OA ngày ứng dụng nhiều khắc phục nhược điểm giá thành OA tương đối rẻ -Chọn dạng cưa lên tuyến tính 38 Tạo điện áp cưa b.Nguyên lý làm việc Sử dụng Transistor T đấu song song với tụ C để làm nhiệm vụ phòng cho tụ điện, kiểu cho phép thời gian hồi phục điện áp cưa nhanh tụ phóng ngắn mạch qua bóng bán dẫn mở bão hòa  Sơ đồ tạo điện áp cưa âm Khâu tạo điện áp đồng dạng xung đảo ngược với trường hợp (a), bóng T loại p – n – p - Khi điện áp Udb < (OA1 bão hòa âm U db = - Ubh): làm transistor T loại p – n – p dẫn, nối ngắn mạch tụ C nên có Urc = - Khi điện áp Udb > (OA1 bão hòa dương Udb = +Ubh): làm transistor T khóa, lúc tụ C nạp nhờ điện áp OA1 (với chiều dòng đường nét đứt), làm cho điện áp tụ có dấu âm so với qui ước điện áp cưa c Tính tốn thơng số Điện áp tụ hình thnàh nạp tụ C 1, mặt khác để bảo đảm điện áp tụ có nửa chu kỳ điện áp lưới tuyến tính số thời gian tụ nạp T 1=R3.C1 = 0,005s Chọn tụ C1 = 0,1 µF điện trở R3  Tr 0, 005  C1 0,1.106 Vậy R3 = 50.103 = 50000 Ω = 50 kΩ Để thuận tiện cho việc điều chỉnh lắp ráp mạch R Thường chọn biến trở lớn 50kΩ chọn Tranzitor Tr1 loại A564 có thơng số: 39 Tranzitor loại pnp làm Si Điện áp Colecto Bazơ hở mạch Emito: UCBO = 25V Điện áp Emito Bazơ hở mạch Colecto: UEBO = 7V Dòng điện lớn Colecto chịu đựng: Icmax = 100 mA Nhiệt độ lớn mặt tiếp giáp: Tcp = 150o C Hệ số khuyếch đại: β = 250 Dòng cực đại Bazơ: I B3  I C 100   0, 4mA  250 Điện trở R2 để hạn chế dòng điện vào Bazơ Tranzitor Tr1 chọn sau: U 12 R2 � NMax �  30k  3 I 0, 4.10 B Chọn R2 thỏa mãn điều kiện: Chọn R2 = 30 kΩ d Đồ thị điện áp 6.Khâu đồng pha a.Chọn sơ đồ Với chức đảm bảo quan hệ góc pha cố định voiw điện áp van mạch lực nhằm xác định gốc điều khiển, hình thành điện áp có xung nhịp phù hợp cho hoạt động khâu tạo điện áp tựa phía sau Thực tế khâu có ảnh hưởng chặt chẽ với với khâu điện áp tựa rang cưa sô trường hợp đơn giản khâu gộp lại thành khâu 40 Với chức dung máy biến áp phù hợp máy biến áp chuyển đổi giá trị điện áp cao điện áp phù hợp an toàn, cách li hoàn toàn mạch điều khiển mạch lực, Sơ đồ kết hợp với khâu điện áp tựa cưa Hình 3.12 sơ đồ kết hợp mạch đồng pha mạch tạo điện áp cưa Như khâu đồng b.Nguyên lý làm việc Biến áp đồng tạo dạng điện áp đồng pha với điện áp lực qua điện trở R vào cửa (+) khuếch đại thuật toán so sánh với đầu vào cửa (-) khuếc đại thuật toán Nếu   điện áp vào (+) lớn điện áp vào cửa (-) ( U  U ) Ura=Ub=+Ubh ngược lại U   U  Ura=Ub=-Ubh c.Dạng điện áp 41 d.Tính tốn thơng số -tính tốn biến áp đồng pha Với biến áp pha có cuộn thứ cấp cuộn cho nguồn nuôi cuộn cho khâu đồng pha -Điện trở R1 để hạn chế dòng điện vào khâu khuếch đại cho Iv