thiết kế bộ chỉnh lưu có đảo chiều cung cấp cho động cơ điện một chiều

LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần với việc phát triển ngày mạnh mẽ lĩnh vực khoa học, ứng dụng chúng vào ngành cơng nghiệp nói chung ngành điện tử nói riêng, thiết bị điện tử có cơng suất lớn chế tạo ngày nhiều, đặc biệt ứng dụng kinh tế quốc dân đời sống làm cho yêu cầu hiểu biết thiết kế loại thiết bị cần thiết sinh viên, kỹ sư ngành điện Hiện mạng điện nước ta chủ yếu mạng điện xoay chiều với tần số cơng nghiệp Để cung cấp nguồn điện chiều có giá trị điện áp dòng điện điều chỉnh cho thiết bị điện dùng hệ thống truyền động điện chiều người ta hoàn thiện chỉnh lưu có điều khiển dùng Tiristor Trong đề tài em thiết kế chỉnh lưu có đảo chiều cung cấp cho động điện chiều có đảo chiều Bao gồm chương: Chương 1: Tổng quan về cơng nghê Chương 2: Tính tốn thiết kế mạch công suất Chương 3: Mô phỏng Qua việc thiết kế đồ án giúp em hiểu rõ học mơn Điện tử công suất Hiểu ứng dụng thực tế thiết bị công suất đời sống cơng nghiệp Nội dung đồ án chắn nhiều thiếu sót Em mong thầy bảo thêm để em hoàn thành tốt nhiệm vụ Các số liệu cho trước: Nguồn 3.380 VAC ± 10% ;f= 50Hz Động cơ: 22 kw; 440 VDC; 3000 v/ph Chương : Tổng quan về công nghê Tầm quan trọng động điện chiều Trong sản xuất đại, động chiều coi loại máy quan trọng ngày có nhiều loại máy móc đại sử dụng nguồn điện xoay chiều thông dụng Do động điện chiều có nhiều ưu điểm khả điều chỉnh tốc độ tốt , khả mở máy lớn đặc biệt khả tải Chính mà động chiều dùng nhiều ngành cơng nghiệp có u cầu cao điều chỉnh tốc độ cán thép , hầm mỏ, giao thông vận tải mà điều quan trọng ngành cơng nghiệp hay đòi hỏi dùng nguồn điện chiều Bên cạnh đó, động điện chiều có nhược điểm định so với máy điện xoay chiều giá thành đắt chế tạo bảo quản cổ góp điện phức tạp ( dễ phát sinh tia lửa điện ) ưu điểm nên động điện chiều có tầm quan trọng định sản suất Công suất lớn động điện chiều vào khoảng 10000 KW, điện áp vào khoảng vài trăm 1000 V Hướng phát triển cải tiến tính vật liệu, nâng cao tiêu kinh tế động chế tạo động có cơng suất lớn Động điện chiều Khái niệm: Động điện loại máy điện biến đổi lượng điện thành lượng Động điện chiều động hoạt động với dòng điện chiều 2.1 Cấu tạo và phân loại động điện chiều 2.1.1 Cấu tạo Động điện chiều gồm phần chính: Phần tĩnh phần động - Phần tĩnh (stator) Đây phần đứng yên máy bao gồm phận sau: + cực từ chính: Là phận sinh từ trường gồm lỗi sắt cực từ dây cực từ lồng lõi sắt cực từ Lõi thép cuộn kích từ làm thép kĩ thuật điện hay thep cacbon dày 0.5- mm ép lại tán chặt động điện nhỏ dùng thép khối Cực từ dc gắn chặt vào vỏ máy nhờ bulong Dây quấn kích từ dc quần đồng bọc cách điện quận dây bọc cách điện vs tạo thành khối tẩm sơn cách điện trc đặt lên cực từ + Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt cực từ dùng để cải thiện đảo chiều Lõi thép cực từ phụ thường làm thép khối thân cực từ phụ có đặt dây quấn cấu tạo giống cực từ Cực từ phụ dc gắn vào vỏ bulong Gông từ: dùng để ghép nối cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động nhỏ thường dùng thép dày uốn hàn lại Trong máy lớn thường dùng thép đúc Có dùng gang + Các phận khác Bao gồm:  Nắp máy: Dùng bảo vệ có vật xung quanh rơi, va vào gây hư hỏng dây quấn đảm bảo cho người khỏi chạm vào điện.Trong máy điện nhỏ vừa , nắp máy có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Thì lắp máy làm gang  Cơ cấu trổi than:Để đưa dòng điện từ phần quay bên Cơ cấu trổi than bao gồm có chổi than đặt hộp chổi nhờ lò xo lên cổ góp Hộp chổi than dc cố định giá chổi than cách điện vs giá Giá chổi than quay dc để điều chỉnh vị trí chổi than cho chỗ Khi dùng vít cố định - Phần quay (rotor) + Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ Thường dùng thép kĩ thuật điện phủ cách điện mặt ép chặt nhằm giảm thiểu dòng xốy gây Trên lõi thép có dập hình dạng rãnh để sau ép lại đặt dây vào Trong động điện trung bình đổ lên, người ta thường dập lỗ thơng gió để ghép lại tạo thành lỗ thơng gió dọc trục Trong động điện lớn lõi sắt thường dc chia làm đoạn nhỏ Giữa đoạn thường để khe khe hở thông gió Khi máy làm vc gió thổi vào khe hở làm nguội lõi thép dậy + Dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng phần sinh suất điện động có dòng điện chạy qua, thường dc làm đồng bọc cách điện Trong máy điện nhỏ cơng suất vài KW thường dùng dây điện có tiết diện tròn Trong máy điện cỡ lớn thường dùng dây quấn có tiết diện hình chữ nhật Dây quấn dc cách điện với rãnh lõi thép Để tránh quay bị văng lực li tâm Ở miệng rãnh có dùng mêm để đè chặt đai chặt dây quấn + Cổ góp Dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện chiều Cổ góp nhiều phiến đồng dc mạ cách điện với lớp mica dày 0.4 đến 1.2 mm Hay đầu trục hình tròn dùng ốp chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp trụ tròn dc bọc cách điện mica + Các phận khác Cánh quạt: Dùng để làm nguội máy Cánh quạt dc lắp trục máy Khi động quay , gió dc hút từ ngồi vào máy Trục máy: Trên đặt lõi thép sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt ổ bi Trục máy thường làm thép cacbon tốt 2.1.1 Phân loại Động điện chiều chia làm loại dựa vào cách quấn dây 1: Động điện chiều kích từ nối tiếp Động điện chiều kích từ nối tiếp gồm có cuộn dây kích từ nối nối tiếp với cuộn dây phần ứng 2: Động điện chiều kích từ song song Động điện chiều kích từ song song gồm có cuộn dây kích từ nối song song với cuộn dây phần ứng Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý động điện chiều kích từ song song Trong đó: Uu điện áp phần ứng Ukt điện áp cuộn kích từ Eu sức điện động phần ứng Rkt Rf điện trở cuộn kích từ điện trở cuộn phần ứng : Động điện chiều kích từ hỗn hợp Động điện chiều kích từ hỗn hợp gồm có cuộn kích từ nối tiếp nối nối tiếp với cuộn dây phần ứng,một cuộn kích từ song song nối song song với cuộn dây phần ứng 2.2 Các phương pháp đảo chiều quay động điện chiều Do chỉnh lưu Tiristor dẫn dòng theo chiều điều khiển mở, khố theo điện áp lưới, truyền động van đảo chiều khó khăn phức tạp truyền động máy phát- động Cấu trúc mạch lực cấu trúc mạch điều khiển hệ truyền động T – Đ đảo chiều có yêu cầu an tồn cao có logic điều khiển chặt chẽ Có hai nguyên tắc đẻ xây dựng hệ truyền động T – Đ đảo chiều: - Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng đảo chiều dòng kích từ động - Giữ ngun chiều dòng kích từ đảo chiều dòng điện phần ứng Trong thực tế, sơ đồ truyền động T – Đ có nhiều song thực theo hai nguyên tắc phân loại sơ đồ sau: Hình 1.3a: Truyền động dùng biến đổi cấp cho phần ứng đảo chiều quay đảo chiều dòng kích từ Hình 1.3b: Truyền động dùng biến đổi cấp cho phần ứng đảo chiều quay công tắc tơ chuyển mạch phần ứng( từ thơng giữ ngun khơng đổi) Hình 1.3c: Truyền động dùng hai biến đổi cấp cho phần ứng điều khiển riêng Hình 1.3d: Truyền động dùng hai biến đổi nối song song ngược điều khiển chung Hình 1.3e: Truyền động dùng hai biến đổi nối theo sơ đồ chéo điều khiển chung Mỗi loại sơ đồ thích hợp với loại tải u cầu cơng nghệ khác nhau: Loại 1.3a dùng cho công suất lớn đảo chiều Loại 1.3b dùng cho cơng suất nhỏ tần số đảo chiều thấp Loại 1.3c dùng cho dải cơng suất có tần số đảo chiều lớn Loại 1.3d,e dùng cho dải công suất vừa lớn có tần số đảo chiều cao, so với ba loại thực đảo chiều êm lại có kích thước cồng kềnh, vốn đầu tư tổn thất lớn Chương Tính chọn mạch công suất Mạch chỉnh lưu pha tiristo đảo chiều bằng rơ le Ưu nhược điểm: Dễ đấu nối và dễ dàng sử dụng Mạch chỉnh lưu cầu pha tiristo mắc song song ngược điều khiển chung Sơ đồ chỉnh lưu đảo chiều điều khiển chung Ta co Ut= Ud1=Ud2 + Nếu dòng điện liên tục ta có: Ud1= Ud0 - cos1 Ud2= Ud0 - cos2 Vậy Ud0 cos1= - Ud0 cos2 Hay cos1 + cos2 = 1+ = 180 + Lúc mạch chỉnh lưu phát sung điều khiển, khác chế độ Một mạch chế độ Chỉnh lưu mạch lại chế độ nghịch lưu Vì mạch đấu chung tải nên giá trị trung bình chúng phải gần Biểu thức luật phối hợp luật điều khiển phương pháp - Tuy nhiên luật đảm bảo cân giá trị chiều Còn giá trị tức thời điện áp chỉnh lưu mạch khác Ud1 Ud2 - Sự chênh lệch điện áp chúng làm xuất dòng điện luẩn quẩn mạch van mà ko qua tải - Để hạn chế dòng điện xốy cần phải dùng thêm kháng L mắc nối tiếp mạch chỉnh lưu với tải Như làm tăng công suất đặt giá thành hệ thống Tuy nhiên phương pháp cho phép điều chỉnh nhanh tối đa Mạch chỉnh lưu pha tiristo mắc song song ngược điều khiển riêng Sơ đờ Ngun lí hoạt động: - Khi điều khiển riêng biến đổi làm việc riêng rẽ Tại thời điểm phát xung điều khiển vào biến đổi biến đổi bị khóa chưa có xung điều khiển Hệ có biến đổi BĐ1 BD2 với mạch phát xung tương ứng FX1 FX2.Trật tự phát xung dc quy định tín hiệu logic b1 b2 Q trình hãm đảo chiều dc miêu tả đồ thị thời gian Trong khoảng thời gian từ T1, biến đổi b1 làm việc chế độ chỉnh lưu với < biến đổi khóa Tại t1 phát lệnh đảo chiều iLĐ góc điều khiển tăng đột biến lớn dòng điện phần ứng giảm khơng lúc xung để khóa BD1 Thời điểm T2 dc xác định cảm biến dòng điện I1 Trong khoảng thời gian trễ t= t2 - t3 BD1 bị khóa hồn tồn, dòng điện phần ứng bị triệt tiêu Tại t3 sdd E dương, tín hiệu logic b2 kích cho FX2 mở BD2 với góc > cho dòng điện phần ứng khồn vượt giá trị cho phép động dc hãm tái sinh Nếu nhịp điệu giảm phù hợp với quán tính hệ có trì dòng điện hãm dòng điện khởi động ngược ko đổi Điều điều khiển từ mạch vòng điều chỉnh tự động dòng điện hệ sơ đồ khối logic Tính toán động van và chọn mạch công suất Từ những ưu nhược điểm ta họn mạch chỉnh lưu pha tiristo đảo chiều bằng rơ le là phù hợp nhất Mạch công suất Tính toán động Udm = 440V , nđm = 3000v/p , P = 22 KW Idm = = = 50(A) Rư : điện trở mạch phần ứng động tính Rư : 0.5 (1-) = 0,5 ( 1- 10%) = 3.96 Lư : Điện cảm mạch phần ứng động tính theo cơng thức : Lư = = = 1,3 + Tính tốn van tiristo Tính chọn dựa vào yếu tố dòng tải, sơ đồ chọn, điều khiển tỏa nhiệt, điện áp làm việc, thơng số van tính sau: Ta chọn: knv = , ku = 3/П => Ulv = (/3) Ud = (/3) 440 = 460,5 (V) - Điện áp ngược van cần chọn là: Unv = kdt Ulv = 1,3 460,5 = 598,7 (V) - Trong kdtU : hệ số dự trữ điện áp chọn ktdU = 1,3 Dòng điện làm việc van tính theo dòng điện hiệu dụng : Ilv= Kdt Id= = = 29,4(A) Idm = Ki Ilv = 29,4 1.6 = 47,04 (A) (Chọn ki =1,6 :Hệ sớ dự trữ dòng điện Ta chọn tiristor loại T 221 N có thơng số định mức sau: Điện áp ngược cực đại van: Un = 600 V Dòng điện định mức van: Iđm = 221 A Điện áp xung điều khiển: Ug = 1.2 V Sụt áp lớn tiristor trạng thái dẫn : U = 1.74 V Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép: Tmax =1250C Tốc độ biến thiên điện áp = 1000 V/s Tốc độ biến thiên dòng điện = 150 A/ Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép Tmax = 125 Tính tốn thơng số máy biến áp Chọn MBA ba pha ba trụ sơ đồ đấu dây /Y (làm mát khơng khí tự nhiên) - Tính thơng số a) Tính cơng suất biểu kiến MBA S = K.P =1,05.P = 1,05 22000 = 23100 (VA) Trong đó: K – Hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực P – Công suất cực đại tải b) Điện áp pha sơ cấp MBA U1=380(V) c) Điện áp pha thứ cấp máy biến áp Phương trình cân điện áp có tải : Udo cos (min) = Ud + 2.Uv + Udn + Uba Trong min = 100 góc dự trữ có suy giảm điện áp lưới Uv = 1,7 (v) sụt áp tiristor Udn = sụt áp dây nối Uba = Ur + Ux : sụt áp điện trở điện kháng máy biến áp Chọn sơ Uba = 6%.Ud = 6% 440 = 26,4(V) Từ phương trình cân điện áp tải ta có: Udo = = = 479 (V) Điện áp pha thứ cấp : U2 = Udo/ku = = 212,9 (V) Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA: I2 = khd.Id Khd: Hệ số dòng điện hiệu dụng ; khd = Id = = = 50 (A) I2 = khd.Id = 50 = 40,8 (A) Dòng điện hiệu dụng sơ cấp MBA: I1 = kba I2 = (U2/U1) I2 = 40,8 = 22,8 (A) + Tính tốn thiết bị bảo vệ Bảo vê nhiêt cho van bán dẫn Khi làm việc với dòng chạy qua van có sụt áp, có tổn hao cơng suất Mặt khác van bán dẫn phép làm việc nhiệt độ cho phép Tcp Nếu nhiệt độ ván bị phá hỏng Để cho van bán dẫn làm việc an tồn, khơng bị trọc thủng nhiệt, ta phải thiết kế hệ thống tỏa nhiệt hợp lí + Tính tốn cánh tỏa nhiệt + Tổn thất công suất tiristor =.I = 1,74 29,4 = 51,2 (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 Tcp=1250C Chọn nhiệt độ cánh toả nhiệt Tlv=800C T=Tlv-Tmt =80 – 40 = 400C Km :Hệ số toả nhiệt đối lưu xạ Chọn Km=8 (w/m2 0C) Vậy: Stn = = 0.16(m2) Chọn loại cánh toả nhiệt có 12 cánh Kích thước cánh a.b=25.10(cm) Tổng diện tích toả nhiệt cánh S=12.2.25.10=6000 (cm2) Bảo vê q dòng điên van Áptơmát dùng để đóng ngắt mạch động lực, tự động bảo vệ tải ngắt mạch Tiristor, ngắt mạch đầu độ biến đổi, ngắt mạch thứ cấp MBA ngắt mạch chế độ nghịch lưu +Chọn Aptomat có: - Dòng điện làm việc chạy qua aptomat Ilv = = = 35,7 (A) Trong đó: Sba cơng suất máy biến áp Dòng điện aptomat cần chọn: Idm = 1,1.Ilv = 1,1.35,7 = 39,27 (A) Udm = 380 V Có tiếp điểm , đóng cắt tay nam châm điện - Chỉnh định dòng ngắn mạch Inm = 2,5.Ilv = 2,5.35,7 = 89.25 (A) - Dòng tải Iqt = 1,5.Ilv = 1,5.35,7 = 53,55 (A) Cầu chi - Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch Tiristor ngắn mạch đầu CL Nhóm 1CC: Dòng điện định mức dây chảy nhóm 1cc I1cc = 1,1.I2 = 1,1.40,8 = 44,88 (A) Nhóm 2CC : Dòng điện định mức dây chảy nhóm 2cc I2cc = 1,1.Ihd = 1,1.Ilv= 1,1.35,7= 39.27(A) Nhóm 3CC : Dòng điện định mức dây chảy nhóm 3cc I3cc = 1,1.Id = 1,1.50 = 55 (A) Vậy ta chọn cầu chì nhóm 1cc loại 50 (A) 2cc loại 50 (A) 3cc loại 70 (A) Bảo vê điên áp cho van Bảo vệ điện áp : q trình đóng cắt Tiristor thực cách mắc R-C song song với Tiristor Khi có chuyển mạch, điện tích tích tụ lớp bán dẫn phóng ngồi tạo dòng điện ngược khoảng thời gian ngắn, biến thiên nhanh chóng dòng điện ngược gây sức điện động cảm ứng lớn điện cảm làm cho điện áp anod catod Tiristor Khi có mạch R-C mắc song song với Tiristor tạo mạch vòng phóng điện tích q trình chuyển mạch nên Tiristor khơng bị q điện áp C1 R1 T Theo kinh nghiệm R1=(5 ->30) C1=(0,25-> 4)F Chọn R1=5,1(), C1=0,25F * Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện R2 C2 R2 R2 C2 C2 Ta mắc mạch R-C hình vẽ Có mạch lọc đỉnh xung gần nằm lại hoàn toàn điện trở đường dây Chọn R1=12,5() C1=4F + Để bảo vệ van cắt mạch đột ngột biến áp van tải ,người ta thường mắc mạch R—C đầu mạch chỉnh lưu cầu pha phụ diod công suất bé Thông thường giá trị tự chọn khoảng 10 -200F Chọn R3 = 470 �, C = 10 �F Chương : Mô phỏng mạch công suất C1 R1 T Điện áp nguồn ... tổn thất lớn Chương Tính cho n mạch công suất Mạch chỉnh lưu pha tiristo đảo chiều bằng rơ le Ưu nhược điểm: Dễ đấu nối và dễ dàng sử dụng Mạch chỉnh lưu cầu pha tiristo mắc... Tính toán động van và cho n mạch công suất Từ những ưu nhược điểm ta họn mạch chỉnh lưu pha tiristo đảo chiều bằng rơ le là phù hợp nhất Mạch công suất Tính toán động Udm... nhau: Loại 1.3a dùng cho công suất lớn đảo chiều Loại 1.3b dùng cho cơng suất nhỏ tần số đảo chiều thấp Loại 1.3c dùng cho dải cơng suất có tần số đảo chiều lớn Loại 1.3d,e dùng cho dải công suất