ĐỀ TÀI THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

ĐỀ TÀI THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP, đề tài ĐỀ TÀI THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP,BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT NGÀNH: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa CHUYÊN NGÀNH: Tự động hóa và điều khiển thiết bị điện công nghiệp ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP,tiểu luận THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP, báo cáo đề tài THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

NGÀNH: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa CHUYÊN NGÀNH: Tự động hóa và điều khiển thiết bị điện công nghiệp

HÀ NỘI, 04/2022

1

YÊU CẦU ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Đề tài : Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện

một chiều kích từ độc lập.

Biết nguồn 3x380V/50Hz, tải động cơ điện một chiều kích từ độc lập nam

châm vĩnh cửu: Pdm = 10.5kW, Uđm = 442(V), nđm = (3502)v/p, Iđm = 18A

Nội dung đồ án được xây dựng thành 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập và các phương

pháp điều chỉnh tốc độ động cơ; phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ , Lý thuyết

về chỉnh lưu cầu ba pha

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, tất cả các nước trên thế giới nói chung và nước ta nói riêng các thiết

bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp, nông nghiệp và cả tronglĩnh vực sinh hoạt Điện tử công suất được ứng dụng ngày càng nhiều trong các nhà máy, xí nghiệp Ứng dụng Điện tử công suất trong điều khiển tốc độ động cơ điện là lĩnh vực quan trọng và ngày càng phát triển Các nhà sản xuất không ngừng cho ra đờicác sản phẩm và công nghệ mới về các phần tử bán dẫn công suất và các thiết bị điều khiển đi kèm

Là sinh viên ngành Tự Động Hoá cần phải tự trang bị cho mình có một trình độ

và tầm hiểu biết sâu rộng Chính vì vậy đồ án môn học điện tử công suất là một yêu cầu cấp thiết cho mỗi sinh viên Tự Động Hóa Đó là điều kiện để chúng em tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về điện tử công suất

Qua đồ án này em đã được tiếp cận đề tài “Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha

để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập”

Mặc dù em đã rất nỗ lực và cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi và quyết tâm cao nhất tuy nhiên đây là lần đầu tiên em làm đồ án, và đặc biệt do kiến thức và kinh nghiệm về thực tế còn nhiều hạn chế nên em không thể tránh khỏi những sai sót, em mong nhận được sự phê bình góp ý của các Thầy, Cô để giúp em hiểu rõ hơn các vấn đề trong đồ án

Em xin chân thành cảm ơn thầy Ths Nguyễn Ngọc Khoát và các Thầy trong

bộ môn đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành đồ án môn học này

Em xin chân thành cảm ơn !

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 7

1.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập 7

1.1.1 Khái niệm 7

1.1.2 Cấu tạo 7

1.1.3 Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều 9

1.1.4 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 10

1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 11

1.2.1 Thay đổi điện trở phụ ( R ) trên mạch phần ứng 12

1.2.2 Thay đổi điện áp mạch phần ứng 13

1.2.3 Thay đổi từ thông 15

1.3 Lý Thuyết Về Chỉnh Lưu Cầu Ba pha 16

1.3.1 Chỉnh lưu không điều khiển 16

1.3.2 Chỉnh lưu có điều khiển dùng TIRISTO 17

CHƯƠNG 2 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC 20

2.1 Chọn mạch động lực ( chọn chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển ) 20

2.1.1 Sơ đồ mạch lực 20

2.2 Tính toán máy biến áp động lực 20

2.2.1 Tính toán điện áp chỉnh lưu không tải 20

2.2.2 Tính toán thông số máy biến áp 21

2.3 Tính chọn các thông số cơ bản của mạch lực 21

2.3.1 Chọn van động lực 21

2.3.2 Chọn thyristor 21

2.3.3 Bảo vệ điện áp cho van 22

2.3.4 Xác định phạm vi góc điều khiển 22

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 23

3.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển Thyristor 23

3.2 Cấu trúc mạch điều khiển 23

3.3 Khâu đồng bộ 24

3.4 Khâu tạo răng cưa 25

3.5 Khâu so sánh 26

3.6 Khâu tạo xung chùm 26

3.7 Khâu khuếch đại tạo xung 27

CHƯƠNG 4 CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG 29

4.1 Sơ đồ mô phỏng toàn mạch 29

KẾT LUẬN 30

TÀI LIỆU THAM KHẢO 31

Danh mục hình vẽ

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 1.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập

+ Bất kỳ thông số nào có ảnh hưởng đến hình dáng và vị trí của đặc tính cơ, đềuđược coi là thông số điều khiển động cơ, và tương ứng là một phương pháp tạo đặctính cơ nhân tạo hay đặc tính điều chỉnh

+ Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện có thể viết theo dạng thuận M = f(ω) hay dạng ngược ω = f(M).) hay dạng ngược ω) hay dạng ngược ω = f(M) = f(M)

+ Trong phân tích các hệ thống truyền động, thường biết trước đặc tính cơ Mc(ω) hay dạng ngược ω = f(M).) của máy sản xuất

+ Đạt được trạng thái làm việc với những thông số yêu cầu tốc độ, mô men, dòngđiện động cơ,…cần phải tạo ra những đặc tính cơ nhân tạo của động cơ tương ứng.Động cơ điện MC có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt – nên được dùng nhiều trong ngành CN có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ (như cán thép, hầm mỏ, gtvt…)

1.1.2 2, Cấu tạo

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: phần tĩnh và phần động

Phần tĩnh (hay stato): Hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh

ra từ trường nó gồm có:

Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ được kích từ bằng nam châm điện), mạch từ được làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc) Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ, các cuộn dây điện

từ nay được mắc nối tiếp với nhau

Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối, tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích

từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau

Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính Lõi thép của cực từ phụthường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giốngnhư dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông

Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trong máy điệnlớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

Phần động (hay rôto): Bao gồm những bộ phận chính sau :

3.Tỳ trên cổ góp: Là cặp trổi than làm bằng than graphit và được ghép sát vàothành cổ góp nhờ lò xo

+ Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điệndày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điệnxoáy gây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấnvào Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió đểkhi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục Trong những động

cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có

để một khe hở gọi là khe hở thông gió Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làmnguội dây quấn và lõi sắt

Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục.Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto Dùng giá rôto có thể tiếtkiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto

+ Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và

có dòng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cáchđiện Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài KW thường dùng dây có tiết diện

tròn Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật, dây quấn đượccách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.

Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặthoặc đai chặt dây quấn Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakelit

Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớpmica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn Hai đầu trục tròn dùnghai hình ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica.Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và cácphiến góp được dễ dàng

1.1.3 3, Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều

Phân loại động cơ điện một chiều:

Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người taphân loại theo cách kích thích từ các động cơ Theo đó ta có 4 loại động cơ điện mộtchiều thường sử dụng:

+ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp

từ hai nguồn riêng rẽ

+ Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song

Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều

Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải ,

cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ) Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chếtạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn Nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại

Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải Nếu như bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chiphí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền thì

động cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao.

Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ góp - chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường rungchấn, dễ cháy nổ

1.1.4 4, Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập nhau Lúc này động cơ được gọi là động

cơ điện một chiều kích từ độc lập

rcb – Điện trở cuộn bù (nếu có);

rct – Điện trở tiếp xúc của chổi than trên cổ góp rcf

Rfư – Điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω).)

Trong đó: K = pN – hệ số tỷ lệ phụ thuộc cấu tạo của động cơ.

2 πaa

Với: p – Số đôi cực từ tính

N – Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

a – Số mạch nhánh đấu song song của cuộn dây phần ứng

Phương trình biểu thị quan hệ tốc độ ω) hay dạng ngược ω = f(M) là một hàm của momen M được gọi là

phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Nếu dùng đơn vị tốc độ là vòng/phút thì phương trình đặc tính cơ sẽ trở thành:

1.2 1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ

- Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng

- Phương pháp thay đổi từ thông Ф

- Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

1.2.1 1, Thay đổi điện trở phụ ( R ) trên mạch phần ứng

Ta có U ư =U đm =const và Ф=Ф đm =const Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R f vào mạch phần ứng

Hình 1.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi thay

đổi điện trở phụ mạch phần ứngTrong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng:

Khi R f càng lớn β càng lớn nghĩa là đặc tính cơ càng dốc

Ứng với R f =0 ta có đặc tính cơ tự nhiên:

β =−(KФ Ф đm )2

βTN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các đường đặctính có điện trở phụ Như vậy khi thay đổi điện trở R f ta được một họ đặc tính biến trở nhưhình ứng với mổi phụ tải M c nào đó, nếu R f càng lớn thì tốc độ cơ càng giảm,

đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch củng giảm Cho nên người tathường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơphía dưới tốc độ cơ bản.

Ứng với Rf = 0 ta có độ cứng tự nhiên βTN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tựTN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tựnhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ Như vậy, khi tathay đổi Rf ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên

- Đặc điểm của phương pháp:

+ Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn

+ Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm)

+ Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trênđiện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơđiện trong cần trục

+ Đánh giá các chỉ tiêu: Phương pháp này không thể điều khiển liên tục được màphải điều khiển nhảy cấp Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải, tải càng nhỏthì dải điều chỉnh D = ω) hay dạng ngược ω = f(M).max / ω) hay dạng ngược ω = f(M).min càng nhỏ Phương pháp này có thể điều chỉnhtrong dải D = 3 : 1

+ Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản

1.2.2 2, Thay đổi điện áp mạch phần ứng

Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn nhưmáy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển … Các thiết bịnguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điệnđộng Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk Vì nguồn có công suất hữu hạn so vớiđộng cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không Đểđưa tốc động cơ với hiệu suất cao trong giới hạn rộng rãi 1:10 hoặc hơn nữa

Hình 1.4: Sơ đồ dùng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứngGiả thiết rằng R ư =const và Ф=Ф đm =const Khi thay đổi điện áp theo hưởng giảm

Hình 1.5 Đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ

độc lập khi thay đổi điện áp mạch phần ứngTốc độ không tải lý tưởng:

ω0x= U x

KФ Ф đm

Độ cứng đặc tính cơ:

β= −( KФ Ф ) 2 =const

R

Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơsong song như trên Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì mômen ngắn mạch,dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụtải nhất định Do đó phương pháp này củng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động

cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động

1.2.3 3, Thay đổi từ thông

Giả thiết rằng U ư =U đm =const và R ư =const Muốn thay đổi từ thông ta thay đổidòng điện kích từ I kФt động cơ:

Hình 1.6 Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích

từ độc lập khi giảm từ thôngTốc độ không tải lý tưởng:

=cons t

R ư

Mômen ngắn mạch: M nm =KФ Ф x I nm

Các đặt tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông được biểu diễn

ở Hình 1.6 Với dạng mômen phụ tải M c thích hợp với chế độ làm việc của động cơ khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên

1.3 1.3 Lý Thuyết Về Chỉnh Lưu Cầu Ba pha

1.3.1 1, Chỉnh lưu không điều khiển

a) Sơ đồ và dạng sóng

Hình 1.6 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha

Hình 1.7 Dạng sóng ngõ rab) Nguyên lý hoạt động

+ Mạch van gồm 2 nhóm , các diot Đ1 , Đ3 , Đ5 , đấu kiểu catot chung nên hoạt động theo luật 1 ( catot chung ) Vì thế : Đ1 dẫn trong khoảng θ1 – θ3 khi ua

dương nhất , Đ3 dẫn trong khoảng θ3 - θ5 khi ub dương nhất , Đ5 dẫn trong khoảng θ5 - θ1 khi uc dương nhất

+Các diot Đ2 ; Đ4 ; Đ6 đấu kiểu anot chung nên :

Đ2 dẫn trong khoảng θ2 – θ4 khi uc âm nhất Đ4

dẫn trong khoảng θ4 – θ6 khi ua âm nhất Đ6 dẫn

trong khoảng θ6 – θ8 khi ub âm nhất

+Đối chiếu theo đồ thị dẫn các van trên hình ta thấy , bất kì ở thời điểm

nào cũng có một diot nhóm trên dẫn với một diot nhóm dưới

Mỗi diode dẫn điện trong khoảng thời gian 1

3 chu kỳ của điện áp nguồn Do

đó, trị trung bình dòng điện qua diode

Itbv = I

3dTrị số dòng điện hiệu dụng

IDhd = √I3dĐiện áp ngược cực đại của van

Ungmax = 2,45.U2Công suất biến áp

Sba = S1BA + S2BA = 1,05UdId =1,05.Pd

2

Số lần đập mạch trong một chu kì

m = 6

1.3.2 2, Chỉnh lưu có điều khiển dùng TIRISTO

a) Khái niệm góc điều khiển α