Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển theo nguyên lý arccos cho phần ứng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Đồ án mơn học: Điện tử cơng suất Lời nói đầu Ngày vớ i tiến khoa học kỹ thuật ngày đáp ứng nhu cầu tính đại tự động hóa nghành công nghiệp.Bước tiến vượt bậc khoa học kỹ thuật đời công nghệ bán dẫn, yếu tố khơng thể thiếu ngành cơng nghiệp tự động hóa.Việc ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vự c đặc biệt lĩnh v ực đ iện tử cơng suất ứng dụng để ch ế tạo linh kiện điện tử góp phần tạo nên mạch điều khiển ứng dụng điều khiển động Điện tử công suất phục vụ hiệu cho truyền động điện đặc biệt điều khiển động cơ.Cũng nhằm mục đích tìm hiểu sâu ứng dụng quan trong điều khiển động cơ, đặc biệt động điện chiều sử dụng ngày rộng rãi số ng, sinh viên nghành Điện tham gia làm đồ án môn học Điện tử cơng suất nhằm tìm hiểu kỹ vấn đề Đồ án môn học “Thiết kế chỉnh lưu cầu pha có điều khiển theo nguyên lý arccos cho phần ứng động điện chiều kích từ độc lập” gồm có chương: Chương 1:Tổng quan động điện chiều kích từ độc lập Chương 2:Tổng quan chỉnh lưu cầu pha Chương 3:Tính chọn mạch động lực Chương 4:Tính chọn mạch bảo vệ cuộn kháng san Chương 5:Thiết kế mạch điều khiển theo nguyên lý ARCCOS Chương 6:Mô V ới hướng dẫn nhiệt tình củ a th ầy PGS.TS Đồn Quang Vinh thầy mơn, tơi hồn thành đồ án với học hỏi mở mang kiến thức Tôi xin chân thành cảm ơn tất thầy cô bạn bè giúp đỡ tơi hồn thành nhiệm vụ mình! Đà nẵng, ngày 22 tháng 12 năm 2008 Sinh viên thực Sinh viên thực hiện: http://www.ebook.edu.vn Đồ án môn học: Điện tử công suất Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.Đặc tính động điện 1.1 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập: Đặc điểm động kích từ độc lập dịng điện kích từ từ thơng động khơng phụ thuộc dịng điện phần ứng.Sơ đồ nối dây hình vẽ: Hình 1.1 a:Sơ đồ nối dây động kích từ song song b:Sơ đồ nối dây động kích từ độc lập Khi nguồn điện chiều có cơng suất vơ lớn đ iện áp khơng đổi mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc động gọi động kích từ song song Khi nguồn điện chiều có cơng suất khơng đủ lớn mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào hai nguồn chiều độc lập với nhau, lúc động gọi động kích từ độc lập Phương trình đặc tính cơ: Theo sơ đồ hình 1.1 ta viết phương trình cân điện áp mạch phần ứng sau: (1-1) đó: Với Sức điện động Eư phần ứng động xác định theo biểu thức Trong đó: Sinh viên thực hiện: pN Eu = Φω= KΦω 2π a http://www.ebook.edu.vn (1-2) Đồ án môn học: Điện tử cơng suất p: số đơi cực từ N: số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng a: số đôi mạch nhánh song song cuộn dây phần ứng Φ: từ thơng kích từ cực từ ω: tốc độ góc pN = πa : Hệ số tỉ lệ phụ thuộc cấu tạo động K Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vịng/phút) thì: Vì : Từ ta có: Uu ω= KΦ Đây phương trình đặc tính điện động Mặt khác mơmen điện từ M đt động tỉ lệ với từ thơng dịng điện phần ứng xác định bởi: Suy ra: thay giá trị Iư vào (1-4) ta được: ω= Nếu b ỏ qua tổn thất động cơ, gồm tổn thất ma sát ổ trục, tổn thất tự quạt mát tổn th ất thép mơmen trục động coi mômen điện từ, ta ký hiệu M Nghĩa Mđt = Mcơ = M Uu ω= KΦ Đây phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Nếu bỏ qua ảnh h ưởng ph ản ứng phần ứng , từ thơng động Φ = const phương trình đặc tính điện (1-4) phương trình đặc tính (1-7) tuyến tính Đồ thị chúng biểu diễn hình đường thẳng − Sinh viên thực hiện: http://www.ebook.edu.vn Đồ án môn học: Điện tử công suất ω ω ωo ωo ωdm ωdm Iâm Inm I M M âm nm Hình 1.2 a:Đặc tính điện động điện chiều kích từ độc lập b:Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Theo đồ thị trên, Iư = M = ta có: ω= ωo : gọi tốc độ khơng tải l ωo =0 ta có: Khi Iư = M = K Φ I nm = M nm Và Inm , Mnm gọi dòng điện ngắn mạch mơmen ngắn mạch Mặt khác, phương trình đặc tính (1-4), (1-7) viết dạng: ω= ω= đó: R = Ru + Rf ωo = ω= ω gọi độ sụt tốc độ ứng với giá trị M 1.1.2 Xét ảnh hưởng tham số đến đặc tính cơ: Từ phương trình đặc tính (1-7) ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: từ thơng động Φ, điện áp phần ứng U điện trở phần ứng động cơ.Ta xét ảnh hưởng tham số Sinh viên thực hiện: http://www.ebook.edu.vn Đồ án môn học: Điện tử công suất 1.1.2.1 Ảnh hưởng điện trở phần ứng Giả thiết Uư = Uđm = const Φ = Φđm = const Muốn thay đổi đ iện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng hình 1.1 1.2 làm thay đổi điện trở tổng mạch Trong trường hợp tốc độ không tải lý tưởng: ωo = Udm = const KΦdm Độ cứng đặc tính cơ: β = Khi Rt lớn, β nhỏ nghĩa đặc tính dốc Ứng với Rf = ta có đặc tính tự nhiên βTN =−  KΦdm 2 Ru βTN có giá trị lớn nên đặc tính tự nhiên có độ cứng tất đường đặc tính có điện trở phụ Như thay đổi điện trở phụ Rf ta họ đặc tính biến trở có dạng hình vẽ: ω ωo TN(Rn) Rf Rf Rf Mc Rf M Hình 1.3: Các đặc tính động chiều kích từ độc lập thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng Ứng với phụ tải Mc đó, Rf lớn tốc độ giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch mômen ngắn mạch giảm Cho nên người ta thường sử dụng ph ương pháp để hạn chế dịng điện điều chỉnh tốc độ động phía tốc độ 1.1.2.2 Ảnh hưởng điện áp phần ứng: Giả thiết từ thông Φ=Φdm=const, đ iện trở phần ứng Rư = const Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Udm , ta có: Sinh viên thực hiện: http://www.ebook.edu.vn Đồ án môn học: Điện tử công suất Tốc độ không tải:ωox = Độ cứng đặc tính cơ: β = −  KΦ 2 dm = const Ru Như thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động ta họ đặc tính song song với đặc tính tự nhiên ω ω 04 U4 Mc M(I) Hình 1.4: Các đặc tính động chiều kích từ độc lập giảm áp đặt vào phần ứng động Ta thấy thay đổi điện áp (giảm áp) mơmen ngắn mạch, dịng điện ngắn mạch động giảm tốc độ giảm ứng với phụ tải định Do phương pháp sử dụng để điều chỉnh tốc độ động hạn chế dòng điện khởi động Ảnh hưởng từ thông: Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm =const , không nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng,tứ c Rư = const.Bằng cách thay đổi dịng điện kích từ Ikt động ta làm thay đổi từ thông Trong trường hợp này: Tốc độ không tải:ω = ox Udm = var KΦ x  KΦ Độ cứng đặc tính cơ: β = − x 2 = var Ru Do cấu tạo độ ng điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thơng Nên từ thơng giảm ωox tăng, cịn β giảm Ta có họ đặc tính vớiωox tăng dần độ đặc tính giảm dần giảm từ thông Sinh viên thực hiện: http://www.ebook.edu.vn Đồ án môn học: Điện tử công suất Ta nhận thấy thay đổi từ thông: U Dòng điện ngắn mạch: I = dm = const Ru nm Mômen ngắn mạch: M nm = K Φ x I nm = var Các đặc tính đ iện đặc tính củ a động giảm từ thơng biểu diễn hình ω ω 02 ω Φ 01 ω0 Φ1 Φ dm TN nm I Hình 1.5: Đặc tính điện đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Với dạng mơmen phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc động giảm từ thông tốc độ động tăng lên 1.2 Tổng quan điều chỉnh -Động điện chiều có nhiều ưu điểm so với động khác, khơng có khả n ăng điều chỉnh tốc độ d ễ dàng mà cấu trúc mạch điều khiển đơn -Để điều chỉnh tốc độ động điện có phương pháp: +Điều chỉnh điện áp phần ứng động +Điều chỉnh điện trở phụ mắc thêm vào phần ứng +Điều chỉnh từ thông động 1.2.1 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cách thay đổi điện trở phần ứng: Từ phương trình đặc tình tổng quát: ωR − = U u M KΦ u (KΦ) ⇒ ω=ωo-Δω Ta thấy thay đổi Ruf ω0 = const cịn ω thay đổi , ta đường đặc tính điều chỉnh có ω0 dốc dần Ruf lớn với tải tốc độ thấp: Đồ án môn học: Điện tử công suất Chọn nguồn cung cấp cho photo-transistor V cc = E = +12V.Với nguồn E=12V,dòng mạch sơ cấp IF = 5mmA nên ta phải mắc thêm điện trở R nối tiếp với cực emitor Transistor T: R Xét điện trở photo-transistor, ta chọn R1= 2,2 kΩ :Điện trở hạn chế dòng colector Mạch thứ cấp photo-transistor: Chọn dòng làm việc IC =200% IF=10mmA>Igmax=200( μ A) dòng cần thiết để mở thyristor.Với dịng IC ta hồn tồn có th ể mở thyristor theo yêu cầu.Chọn nguồn cung cấp cho photo-transistor Vcc = E = +12V nên cần phải mắc thêm điện trở R để hạn chế dòng vào Transistor mạch thứ cấp: R Để giảm nhỏ dòng vào cực điều khiển ta chọn điện trở hạn chế dòng điều khiển R4= 22Ω Hoạt động sơ đồ: Khi xuất tín hiệu vào Ue (Tín hiệu củ a khâu so sánh,xung sin chữ nhật) Ue mức “ 1” (cao) Tranzistor mở bảo hồ Ue mức “ 0” (th ấp) Tranzistor bị khóa lại R1= 2,2 kΩ :Đ iện trở hạn chế dòng colector R4= 22Ω:Điện trở hạn chế dòng đ iều khiển D1: Triệt tiêu xung âm vào cực B D2:ngăn chặn xung áp âm có Chọn : R3= kΩ:Điện trở hạn chế dòng vào cực B Tranzisto C = 100nF ,tụ lọc Tín hiệu vào ue tín hiệu logic( xung sin chữ nh ật).Khi ue “1” transistor T mở bão hồ, ue = “0” Transistor bị khố 5.2.2 Khâu so sánh Khâu so sánh sử dụng khuếch đại thuật toán OA2 Khi Udk=us cho tín hiệu phát xung ,ta có : cosα = ởđầu khâu so sánh ta nhận chuỗi xung hình chữ nhật Sinh viên thực hiện: http://www.ebook.edu.vn 32 Đồ án môn học: Điện tử công suất * OA2 R U1 Ur U2 +Usat -a Hình 5.5 Phần so sánh tín hiệu khâu so sánh a, Đặc tính vào khâu so sánh b, So sánh tín hiệu c, So sánh tín hiệu dấu Chế độ tuyến tính: U2 = A.Ud (A = 104 ÷105 hệ số khuếch đại điện áp) Để thực chế độ ta phải có: Ud ≤ U sat A Chế độ bão hòa : Ud > Ud > Ở ta so sánh hai tính hiệu dấu Ud = Ur - U1 Nên Ur < U1 Ud < U0 , U2 = -Usat Ur > U1 Ud > U0 , U2 = Usat Ở đầu khâu so sánh ta nhận chuỗi xung chữ nhật dương âm Có thể dùng diode đầu khâu so sánh để loại xung âm Điện trở giảm dòng đưa vào cổng đảo theo điện áp U1 lớn nhất: Sinh viên thực hiện: http://www.ebook.edu.vn 33 Đồ án mơn học: Điện tử cơng suất Có Vậy R= 10K 12K Hình 5.6 Sơ đồ cấu tạo khâu so sánh 5.2.1 Khâu đồng pha Trong biến đổi phụ thuộc Thyritor điều khiển mở xung thời điểm, chậm pha so với điểm chuyển mạch tự nhiên góc α, gọi góc điều khiển Điểm chuy ển mạch tự nhiên điểm điện áp nguồn qua khơng hay điểm điện áp nguồn cắt nhau.Vì khâu hệ thống điều khiển khâu đồng pha.Khâu bao gồm: • Máy biến áp đồng pha • Bộ nguồn nuôi chiều • π Khâu tích phân tạo điện áp tựa đồng us vượt trước uAK góc Bộ nguồn ni chiều : Nguồn nuôi nguồn chiều cung cấp cho khâu mạch điều khiển.Nguồn đ iện áp chiều dùng mạch tạo xung điều khiển thường nguồn điện áp ổn định trước dao động bất thường lứơi điện xoay chiều, ph ải sử dụng mạch ổn áp.Trong sơ đồ ta dùng vi mạch ổn áp 7812 7912, thông số chung vi mạch này: Điện áp đầu vào : Uv =7÷35 V Điện áp đầu : IC 7812 có Ura = 12V IC 7912 có Ura = -12V Sinh viên thực hiện: http://www.ebook.edu.vn 34 Đồ án môn học: Ổn áp Vin (V) 7812 7912 14/35 -14/-35 BAÂF Hình 5.2 Sơ đồ biến áp đồng pha nguồn ni Máy biến áp đồng pha: Tính tốn máy biến áp đồng pha: Số liệu : U1 = 220 V U2= 12V I1=I2=2A Công suất máy biến áp : Tỷ số biến áp: Tính chọn mạch từ Tra bảng II_2 sách điện tử cơng suất Nguyễn Bính ta chọn E20.12 có kích thước: Sinh viên thực hiện: http://www.ebook.edu.vn 35 Đồ án mơn học: c A Hình 5.3 Mạch từ máy biến áp đồng pha Với: a = 20 mm h = 50 mm Tiết diện trụ giữa: Tính số vịng dây: Sơ cấp: Thứ cấp: Đường kính dây sơ cấp: d1 = Chọn mật độ dòng điện : J1 Đường kính dây sơ cấp: d2 = 4I π J1 = 0,9 mm = J2 = 2,7A/mm21 S = 0,12 mm π Chọn tụ lọc: C1 = C2 = 470 μ F C3 = C4=0,1 μ F 5.2.2 Khâu tích phân: Tín hiệu đầu vào khâu OA1 : uv = Umsinωt Sinh viên thực hiện: http://www.ebook.edu.vn 36 Đồ án môn học: Điện tử công suất *OA1 R Uv Hình 5.4 Phần tạo hàm cosin khâu so sánh Tín hiệu đầu khâu OA1 : OA1 có nhiệm vụ tạo hàm cosin nhanh pha điện áp đặt lên hai đầu anot, catot π góc Nguyên lý tạo hàm cosin sau: Giả sử OA1 mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng nên: Rd = ∞ , I = 0, U+ = U - = Ta có: Giả sử C0 =0 thì: u s = RC Um ω cosω t = U dk max cosωt Chọn t = , Um = 12V Chọn R = R1 + R2 với R1 = R2 = 5k Ω C = 0,47μF Các điện áp us Udk (điện áp điều khiển chiều )là hai đại lượng vào khâu so sánh Mỗi kênh điều khiển phải dùng khuếch đại thuật tốn, ta chọn IC loại TL081 hãng TexasInstruments chế tạo, IC khuếch đại thuật tốn có sơ đồ nối chân :(hình vẽ) Sinh viên thực hiện: http://www.ebook.edu.vn 37 Đồ án môn học: Điện tử công suất V+cc _ + Sinh viên thực hiện: V-cc http://www.ebook.edu.vn 38 Đồ án môn học: Điện tử công suất Chương 6:MƠ PHỎNG 6.1 Cấu tạo sơ đồ mơ Sinh viên thực hiện: http://www.ebook.edu.vn 39 Đồ án môn học: Điện tử cơng suất 6.2 Hình dạng sóng ra: Sinh viên thực hiện: http://www.ebook.edu.vn 40 Đồ án môn học: Điện tử cơng suất Hình dạng sóng điện áp dòng điện Sinh viên thực hiện: http://www.ebook.edu.vn 41 ... học: Điện tử công suất Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.Đặc tính động điện 1.1 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập: Đặc điểm động kích từ độc lập dịng điện kích. .. với động khác, khơng có khả n ăng điều chỉnh tốc độ d ễ dàng mà cấu trúc mạch điều khiển đơn -Để điều chỉnh tốc độ động điện có phương pháp: +Điều chỉnh điện áp phần ứng động +Điều chỉnh điện. .. mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc động gọi động kích từ song song Khi nguồn điện chiều có cơng suất khơng đủ lớn mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào hai nguồn chiều độc