Thiết kế chế tạo bộ chỉnh lưu tia ba pha điều khiển động cơ một chiều

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ CHỈNH LƯU THYRISTOR ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CƠNG NGHIỆP Hải Phịng – 2016 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ CHỈNH LƯU THYRISTOR ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CƠNG NGHIỆP Sinh viên: Vũ Hải Sơn Giáo viên hướng dẫn: Th.S Nguyễn Đồn Phong Hải Phịng - 2016 CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP TỰ DO HẠNH PHÚC o0o - BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên: Vũ Hải Sơn Lớp: ĐC1601 Mã sinh viên: 1212102003 Ngành: Điện Tự Động CN Tên đề tài: Thiết kế chế tạo chỉnh lưu Thyristor điều khiển động chiều NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI Nội dung yêu cầu cần giải nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp (về lý luận, thực tiễn, số liệu tính tốn vẽ) Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính tốn Địa điểm thực tập tốt nghiệp CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Người hướng dẫn thứ Họ tên : Nguyễn Đoàn Phong Học hàm, học vị : Thạc si ̃ Cơ quan công tác : Đại Học Dân Lập Hải Phòng Nội dung hướng dẫn : Toàn đề tài Người hướng dẫn thứ hai Họ tên : Học hàm, học vị : Cơ quan công tác : Nội dung hướng dẫn : Đề tài giao ngày tháng năm 2016 Yêu cầu phải hoàn thành trước ngày tháng Đã nhận nhiệm vụ Đ T T N năm 2016 Đã nhận nhiệm vụ Đ T T N Sinh viên Cán hướng dẫn Đ T T N Vũ Hải Sơn Th.S Nguyễn Đoàn Phong Hải Phòng, ngày tháng năm 2016 HIỆU TRƯỞNG GS.TS.NGƯT Trần Hữu Nghị PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Tinh thần, thái độ sinh viên trình thực đồ án tốt nghiệp Đánh giá chất lượng Đ T T N (so với nội dung yêu cầu đề nhiệm vụ Đ T T N, mặt lý luận thực tiễn, tính tốn giá trị sử dụng, chất lượng vẽ ) Cho điểm cán hướng dẫn: (Điểm ghi số chữ) Ngày tháng năm 2016 Cán hướng dẫn (Họ tên chữ ký) NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI CHẤM PHẢN BIỆN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Đánh giá chất lượng đề tài tốt nghiệp mặt thu thập phân tích số liệu ban đầu, sở lý luận chọn phương pháp tối ưu, cách tính tốn chất lượng thuyết minh vẽ, giá trị lý luận thực tiễn đề tài Cho điểm cán chấm phản biện (Điểm ghi số chữ) Ngày tháng năm 2016 Người chấm phản biện (Ký ghi rõ họ tên) LỜI NÓI ĐẦU Sự bùng nổ tiến khoa học kỹ thuật lĩnh vực điện, điện tử, tin học năm gần ảnh hưởng sâu sắc lý thuyết thực tiễn ứng dụng rộng rãi có hiệu cao nhiều lĩnh vực khác Đặc biệt lĩnh vực điều khiển tự động dây chuyền cơng nghiệp khép kín đời có lĩnh vực điều khiển động điện Điều khiển động điện chiều lĩnh vực không ứng dụng nhiều thực tế cơng nghiệp sản xuất, có nhiều phương án điều khiển Trong giới hạn đồ án tốt nghiệp vận dụng linh kiện điện tử đơn giản phương pháp điều khiển học Em giao nhiệm vụ“ thiết kế chế tạo chỉnh lưu tia ba pha điều khiển động chiều “ thầy giáo Th.S Nguyễn Đoàn Phong hướng dẫn Nội dung đề tài bao gồm chương :  Chương : Tổng quan động điện chiều phương pháp điều chỉnh tốc độ  Chương : Tổng quan chỉnh lưu tia pha  Chương : Tính tốn thiết kế mạch động lực bảo vệ  Chương : Tính tốn mạch điều khiển CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 1.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1 Khái quát chung Động điện chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục phạm vi rộng nhiều trường hợp cần có đặc tính đặc biệt, thiết bị đơn giản rẻ tiền thiết bị điều khiển động bap Vì số ưu điểm vậy nên động điện chiều sử dụng phổ biến công nghiệp , giao thông vận tải… 1.1.2 Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều chia thành phần chính: - Phần tĩnh( Stato) gồm : + Cực từ : phận sinh từ trường, gồm lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cưc từ  Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện dày(0,5-1mm) ép lại cán chặt  Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện cuộn dây cách điện kỹ thành khối tẩm sơn cách điện trước đặt cực từ Các cuộn dây kích từ đặt cực từ nối tiếp với Trong máy có cơng suất nhỏ cực từ nam châm vĩnh cửu Cịn máy có cơng suất lớn cực từ nam châm điện + Cực từ phụ đặt cực từ dùng để cải thiện tình trạng làm việc máy điện đổi chiều  Lõi thép cực từ phụ có khối ghép thép tùy theo chế độ làm việc.Cực từ phụ gắn vào vỏ máy nhờ bulong +Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền cực từ đồng thời làm vỏ máy Trong động nhỏ thường dùng thép dày uốn hàn lại Trong động điện lớn thường dùng thép đúc + Các phận khác -Nắp động : để bảo vệ động khỏi bị vật rơi vào làm hư hỏng dây hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện Trong động điện nhỏ vừa , nắp động có tác dụng làm giá đỡ ổ bi -Cơ cấu chổi than : để đưa dòng điện từ phần quay Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt hộp chổi than nhờ lị xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than cố định giá chổi than cách điện với giá - Phần quay (Roto) gồm : + Lõi sắt phần ứng : dùng để dẫn từ , thường dùng thép kỹ thuật điện dày 0.5 mm phủ cách điện hai mặt ép chặt lại để giảm hao tổn dịng điện xốy gây lên Trên thép có dập hình dạng rãnh để sau ép lại đặt dây quấn vào Trong động cỡ nhỏ, lõi sắt phần ứng ép chặt trực tiếp vào trục Trong động điện cỡ lớn , trục lõi sắt có đặt gia roto Dùng giá roto tiết kiệm thép kỹ thuật điện giảm nhẹ trọng lượng roto Trong động cỡ trung trở lên người ta dập lỗ thơng gió để ép lại thành lõi sắt tạo lỗ thơng gió dọc trục Trong động cỡ lớn lõi sắt chia thành đoạn nhỏ, đoạn có để khe hở gọi khe thông 10 +Điện áp cưa: Ur max = (US – 2) V +Điện trở mạch tạo điện áp cưa: R9 = 20 k  - 500 k  +Điện áp điều khiển: U11 = -0,5 – (Us – 2) V +Dòng điện đồng bộ: IS = 200  A +Tụ điện: C10 = 0,5  F +Tần số xung ra: f = 10 – 500 Hz 4.4.2 Khâu khuếch đại xung -Xung vi mạch TCA 780 chưa đủ lớn để mở Thyristor, cần khuếch đại xung có biên độ đủ lớn để mở Thyristor động lực -Khuếch đại tạo xung gồm linh kiện: transistor, biến áp xung, diot điện trở phân cực cho tranzit 4.4.2.1 Sơ đồ pha khâu khuếch đại xung Hình 4.5: Sơ đồ pha khâu khuếch đại xung 4.4.2.2 Chức linh kiện - Dz1:diot ổn áp,ổn định điện áp đầu vào khâu khuếch đại 69 - D3: hướng dòng cung cấp cho transistor - D2, Dz2: hạn chế điện áp cực colector emitor transistor - R1, R2: điện trở hạn chế dòng phân cực IB transistor - Rc:điện trở hạn chế dòng collector - D4:ngăn chặn xung áp âm có T bị khóa - Rg: hạn chế dịng điều khiển - R3: điều khiển biên độ sườn xung 4.4.2.3 Hoạt động sơ đồ khuếch đại xung Giả sử tín hiệu vào Uc (là tín hiệu logic) lấy từ chân 15 (và 14) TCA 780 -Khi Uc = “1” (mức logic 1)thì tranzitor dẫn bão hồ Giả sử t = 0, Uc = “1”, tranzitor dẫn, điện cảm L biến áp xung US I  ngăn khơng cho c R c ngay, mà dịng Ic tăng từ từ theo hàm mũ ic  Uc Rc t (1  e T ) với T  L1 Rc -Khi Uc = “0” (mức logic 0) Dz1 bị chặn lại tranzitor bị khố Khi t = t1 Uc = “0” ta có: Tranzitor bị khố  Ic = Vậy khơng có diot D2 lượng W  L.I 02 sinh điện áp cực C E, điện áp vượt 100V nên phá huỷ transistor Khi có D2: UCE = UC – UE = 0,8 (V) D2 mở cho dịng chạy qua làm ngắn mạch điểm C, F cuộn sơ cấp máy biến áp xung Do đó: UCE = US + 0,8 (V) 4.4.2.4 Khâu truyền hàm điều khiển Khi có xung cuộn dây thứ cấp máy biến áp xung, xung truyền qua D4đến điều khiển mở Thyristor T phân cực thuận 70 4.5 PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN +18 V Ud k 16 13 11 15 DZ R 14 R D TCA780 10 12 T r Uv Udf1 g R R Dz +18 V D R C1 C1 R Hình4.6: Sơ đồ pha điều khiển Thyristor UA t U5 t U10 Udk t U15 t U14 t U'15 t U14 t Udk t 71 Ur t Hoạt động sơ đồ -TCA 780 hoạt động theo nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính +Uc : điện áp điều khiển lấy từ chân 11 (Khoảng 0,5 – 16 V) +Us = Uc – Uv : Uc = Us tức Uv =0 TCA làm nhiệm vụ so sánh tạo xung Bằng cách làm thay đổi Udk điều chỉnh thời điểm xuất xung tức điều chỉnh góc mở  +Tụ C10: tham gia vào khâu tạo điện áp cưa, nạp dòng điện i từ chân số 10 dòng i điều chỉnh R (thường R9 = 20 k  - 500 k  ) Dòng điện i tính: i U8 R9 U 10   3,3 (Thường chọn R9 = 200 k  ) R9 i.t (Thường chọn C10 = 0,5  F) C 10 +Tại thời điểm t = t0, U10 = Uc = U11, xuất xung dương chân 15 nên V(t)>0, xuất xung chân 14 V(t) 300 pF +US : điện áp nguồn nuôi từ chân 6, 13, 16 với điện áp chiều (18 V) ( Trong khoảng t1 → t2 , t4 → t5 ) ta có xung Udk làm mở thơng Tranzitor, kết ta nhận chuổi xung nhọn Xdk biến áp xung , để đưa tới mở Thyristor T Điện áp Ud suất tải từ thời điểm có xung điều khiển , thời điểm t2 , t4 chuổi xung điều khiển , mổi chu kỳ điện áp nguồn cấp , cuối bán kỳ điện áp dương anôt Hiện có nhiều hãng chế tạo vi xử lý chuyên dụng để điều khiển thyristor tiện lợi Tuy nhiên linh kiện loại chưa phổ biến thị trường Lưu ý: +Trường hợp sơ đồ chỉnh lưu hình tia pha sử dụng Thyristor ta cần sử dụng xung lấy từ chân số 15 +Để có xung điều khiển cho Thyristor cần có vi mạch TCA 780 đảm nhận 4.6 TÍNH CHỌN CÁC THƠNG SỐ PHẦN TỬ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.6.1 Tính chọn phần tử khâu khuếch đại xung Chọn diot D4 dùng điều khiển Thyristor T60N1000VOF: US = 18 V, Ig = 300 mA Chọn diot D4 loại S310 Liên Xô với thông số: UCE = 40 V, UBE = V, Ic max = 300 mA, Với IC = 150 mA, chọn  = 20 73  = 13 – 25  IB  IC   150 20  7,5mA Điện trở Rc: Rc  U CE  U  U D Ic  U S  U  U D Ic  18  15,2  0,6 150 10   14 ,667 ( )  R c  15 ( ) Tính chọn R1: R1  U BE I c I B  3.10 150 7,5.10   70 ,58 ( ) Chọn D2, D3 loại S310 có thơng số: I = 0,5 A, Ung max = 20 V, UV = ∆UD3 = 0,6 V Diot Dz2 loại diot zener loại 1W3815 có thông số: Imax = 264 mA, U0N = 16 V, Pmax = W Tính chọn Dz1 R2: Dịng điện từ chân 14 15 qua diot D1 50 mA Biên độ xung Ux = 16 V Chọn Dz1 diot zener loại KU139A có thông số U = 3,7 V; Imax = 70 mA; Imin = 30 mA Dòng điện chân 14 15 qua diot D1 50 mA Biên độ xung Ux = 16 V Điện trở R2 tính sau: R2  U X  U  U BE I  16  3,7  150  186 ( ) Chọn Tranzitor công suất Tr loại 2SC9111 làm việc chế độ xung có thơng số : +Tranzitor loại n-p-n,vật liệu bán dẫn Si +Điện áp colecto bazơ hở mạch emito:UCB0 =40 V +Điện áp emito bazơ hở mạch colecto: UEB0 =4 V 74 +Dòng điện lớn colecto chịu đựng : Icmax=500 mA +Cơng suất tiêu tán colecto :PC=1,7 W +Nhiệt độ lớn mặt tiếp giáp: T1 =1750C +Hệ số khuếch đại :  =50 +Dòng làm việc colecto: IC3=I1= 50 mA +Dòng điện làm việc bazơ: IB3=IC3/=50/50=1 mA Ta thấy với loại Thyristor chọn có cơng suất điều khiển bé Udk=1,4 V,Idk=0,15 A 4.6.2 Chọn phần tử bên TCA 780 Ta chọn : R9  100( k  ) ; C10  0,5( F ) ; C12  0,5( F ) 4.6.3 Tính toán máy biến áp đồng pha Máy biến áp đồng pha máy biến áp tạo nguồn cung cấp cho TCA 780 Máy biến áp đồng pha có điện áp lớn, có sơ đồ nối dây ∆∕Ү để tạo độ lệch 300 cách tự nhiên, đồng thời tạo đồng pha máy biến áp thứ cấp Độ dài xung cưa độ dài máy biến áp đồng pha với điện áp điều khiển cực đại là: U max  U dk  sin 170 UC sin 170  16 0,174  91,954 (V ) TCA có dịng vào đồng khoảng I5 = 200 ( A) Vậy điện trở R5 tính sau: R5  U2 I5  91,954 200  0,46 10 ( )  460 ( k ) Tỉ số biến áp máy biến áp đồng pha: n U1 U2  220 91, 954  2, 39 Dòng điện sơ cấp máy biến áp là: 75 I1  I2 n  200 2, 39  83, 68(  A) Công suất máy biến áp đồng pha: S = U1 I = 220 83,68.10-6 = 55,22.10-3 (W) Công suất máy biến áp đồng pha tương đối nhỏ 4.6.4 Tính chọn biến áp xung Tỉ số biến áp biến áp xung tính theo cơng thức: U1 m (Thường m = -3 ) Chọn m = UX Vậy điện áp sơ cấp biến áp xung là: U1 = m UX = (7 + 0,6) = 15,2 (V) Với UX = Uq + ∆Up = (7 + 0,6) (V) Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I  Ig  150 ( mA) *Mạch từ: Chọn vật liệu sắt từ 330, lõi sắt từ có dạng hình chữ nhật, làm việc phần đặc tính từ hố tuyến tính BS = 2,2 T, ∆B = 1,7 T làm việc f = 50 Hz, có khe ∆H = 50 A/m Từ thẩm lõi thép từ:  B  H  1, 50.4 10 7  2, 7.10 Vì mạch từ có khe hở nên phải tính từ thẩm trung bình Sơ ta chọn chiều dài trung bình đường sức: L = 0,1 m; khe hở lkh = 10-5  tb  L lkh  L   0,1 10 5  0,1 2, 7.10  7, 3.10 Thể tích lõi sắt từ: 76 V  1   tb  t X S U S I B  7, 3.10 3.4 10 7.5.10 4.0,15.15, 2.0,15 0, = 1,02 10-6 (m) = 1,02 (cm3) Chọn thể tích (cm3) Chọn số liệu thiết kế: l = (cm), a = =1,5 (cm) Số vòng dây cuộn sơ cấp biến áp xung: W1  U tx B. K  15,2.5.10 4 0,7.1,5.0,76 10   95 (vòng ) Số vòng dây cuộn thứ cấp biến áp xung: W  77 U2 U1 W1  7,6.95 15,2  47 ,5(vòng ) 78 R5 R5 c R5 b a +18V U ÂK 1 R9 10 C 10 11 12 R9 10 C 10 11 12 R9 10 C 10 12 TCA780 16 13 TCA780 16 13 11 TCA780 16 13 C 12 14 15 C 12 14 15 C 12 14 15 Rc D2 Rc D2 Rc D3 D3 D3 Dz2 BAX BAX BAX D4 D4 D4 Hình4.8:Sơ đồ hệ thống chỉnh luưtia PHApha R1 D z1 R R1 D z1 R R1 D z1 R D2 Rg R3 Rg R3 Rg R3 3CC L T3 C1 R T2 C1 R T1 C1 R1 M CKT 2CC 2CC 2CC R2 R C2 a 1CC A C2 R C2 b 1CC B c 1CC CD Ap C Nguyên lý hoạt động sơ đồ Với sơ đồ nguyên lý trên, Thyristor nối theo nhóm katốt chung nên phần tử chỉnh lưu có đặc điểm sau: - Thyristor dẫn điện Thyristor có anốt nối với điện áp cao phải kích xung đồng pha với điện áp pha - Thyristor dẫn điện gánh trọn dịng điện tải - Khi có Thyristor dẫn điện hai Thyristor cịn lại khơng dẫn ( ta xét bỏ qua chuyển mạch ) Để tiến hành điều chỉnh tốc độ động cơ, người ta thay đổi góc kích  Thyristor thay đổi điện áp chỉnh lưu, làm cho điện áp đặt lên phần ứng động thay đổi Xét hai trường hợp: * Khi  = 0: Ta kích Thyristor thời điểm chuyển mạch tự nhiên làm cho điện áp trung bình cực đại: Udo = Udmax U  U d max cos   Trong đó: m  2U f sin  m - Udo: Điện áp chỉnh lưu thời điểm  = - m: Số pha chỉnh lưu ( m = ) - U2f: Điện áp pha thứ cấp máy biến áp * Khi  0: Ud = Udmaxcos Ud  m  2U f sin  m cos  - Khi