CL tia 3 phaDC 1 chiều

Đồ án ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Đồ án ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hoàng Kim Tùng 18D3 1 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU    1 1 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA MÁY SẢN XUẤT M c =f(ω) + Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay và mônmen cản của máy sản xuất M c =f(ω) hay M c =f(n) M c = M co + (M c đm M co ) q dm         (1 1) Trong đó q= 1, 0, 1, 2 (đặc trƣng cho loại máy sản xuất) M c mômen ứng với tốc độ ω M co mômen ứng với tốc.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

ĐIỆN MỘT CHIỀU

  

1.1 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA MÁY SẢN XUẤT M c =f(ω):

+ Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay và mônmen cản của máy sản xuất: M c =f(ω) hay M c =f(n)

Đường 4 (q=2): đặc tính cơ của các máy:bơm, quạt, máy nén,

Đường 1 (q=-1): đặc tính cơ của các máy:tiện, doa, mài tròn,

Đường 2 (q=0): đặc tính cơ của các máy:nâng hạ, cầu trục, thang máy,

1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.2.1 Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập nguồn một chiều cấp cho

phần ứng và cấp cho kích từ độc lập nhau

1.2.2 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Theo sơ đồ hình 1.2, có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:

I ƣ là dòng điện phần ứng

Với: R ƣ = r ƣ + r ctf + r ctb + r tx (Ω)

Trong đó: r ƣ là điện trở cuộn dây phần ứng của động cơ (Ω)

r ctf là điện trơ cuộn dây cực từ phụ của động cơ (Ω)

r ctb là điện trơ cuộn dây cực từ bù của động cơ (Ω)

r tx là điện trở tiếp xúc giữa chổi than với cổ góp của động cơ (Ω)

- Sức điện động E của phần ứng động cơ:

= Inm = Mnm (1-15) Trong đó: I nm là dòng điện ngắn mạch

   (1-18)

Hình 1.4 Đặc tính cơ của ĐM đl

1.3.1 Phương pháp điều chỉnh ĐM đl bằng cách thay đổi từ thông kích từ động cơ:

- Phương trình đặc tính cơ điều chỉnh :

u u

2

RU

Trong phương trình có  thay đổi được

Ta thấy rằng khi thay đổi  thì ω 0 và ∆ω đều thay đổi, vì vậy ω sẽ thay đổi

 Nếu giảm  quá nhỏ thì có thể làm cho tốc độ động cơ lớn quá giới hạn cho phép, hoặc làm cho điều kiện chuyển mạch bị xấu đi do dòng phần ứng tăng cao

 Hoặc để đảm bảo chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng phần ứng và như vậy sẽ làm cho mômen cho phép trên trục động cơ giảm, dẫn đến động cơ bị quá tải

- Ứng dụng: dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ trong các máy không yêu cầu phạm vi điều chỉnh rộng, không đòi hỏi độ tác động nhanh cao

1.3.2 Phương pháp điều chỉnh ĐM đl bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của động cơ:

- Phương trình đặc tính cơ điều chỉnh:

u u

2

RU

Nhưng muốn thay đổi U ư thì phải có bộ nguồn một chiều thay đổi được điện áp ra, thường dùng các bộ biến đổi

Các bộ biến đổi như: MFXC, MFMC, MDKD, KDT, CL, BDDA1C dùng

Hình 1.6 a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐM đl bằng cách thay đổi U ƣ >0

b) Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐM đl bằng cách thay đổi U ƣ >0

Hình 1.7 a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐM đl bằng cách thay đổi U ƣ < 0

b) Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐM bằng cách thay đổi U ƣ <0

- Đặc tính điều chỉnh hệ chỉnh lưu thyristor kép – ĐM đl :

- Để có điện áp phù hợp, cần phải có MBA chỉnh lưu 3 pha nói kiểu” tam giác/sao không”

- Sơ đồ khối hệ thống chỉnh lưu thyristor 3 pha hình tia – Động cơ điện 1 chiều – hệ “T-Đ” như sau:

Hình 1.8 Sơ đồ điều chỉnh và đảo chiều tốc độ ĐM đl bằng cách đảo chiều U ư

PHẦN ỨNG ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU

MSX

U I

R

 Điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi thyristor: Uim   3 2 V2   6 V2

2.1.2 Trùng dẫn – Chỉnh lưu thyritor 3 pha hình tia (tải R, L):

=> Cho xung điều khiển vào

Hình 2.3 Sơ đồ và đồ thị CL thyristor 3 pha hình tia tải R, L, E

I  I  I

 Điện áp ngƣợc cực đại đặt lên mỗi thyristor:

Uim   3 2 V2   6 V2

2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG II:

=> Thiết kế sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu thyristor 3 pha hình tia tải R, L, E như

hình 2.5

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý bộ CL thyristor 3 pha hình tia tải R, L, E

Chương 3:

THIẾT KẾ HỆ “CHỈNH LƯU THYRISTOR 3 PHA HÌNH TIA – ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU” VÀ TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ MẠCH ĐỘNG LỰC

  

3.1 THIẾT KẾ HỆ “CHỈNH LƯU THYRISTOR 3 PHA HÌNH TIA – ĐỘNG

CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU” (T-Đ) KHÔNG ĐẢO CHIỀU

3.1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ “T-Đ” không đảo chiều dùng chỉnh lưu thyristor 3 pha hình tia

Hình 3.1: sơ đồ nguyên lý hệ “T-Đ” không đảo chiều dùng chỉnh lưu thyristor 3 pha hình tia

3.1.2 Sơ đồ thay thế và đặc tính cơ – điện của hệ “T-Đ” không đảo chiều dùng chỉnh lưu thyristor 3 pha hình tia

 d

nm

E K





 ' là tốc độ không tải giả tưởng, vì lúc đó ở vùng dòng điện gián đoạn, hệ

Hình 3.2: a) Sơ đồ thay thế hệ T-Đ không đảo chiều

b) Đặc tính điều chỉnh tốc độ hệ T-Đ không đảo chiều

 Vậy, khi thay đổi góc điều khiển   (0   ) thì Ed  ( Ed0   Ed0)

và ta sẽ được một họ đặc tính cơ song song nhau nằm ở nửa bên phải của mặt phẳng tọa độ    , I hoặc   , M 

 Vùng dòng điện gián đoạn bị giới hạn bởi một nửa đường elip với trục tung:

0

 Từ lưới điện xoay chiều 3 pha 380/220 VAC, ta dùng MBA CL 3 pha nối

“tam giác/sao không” để tạo ra điện áp xoay chiều 3 pha đặt vào bộ CL thyristor 3 pha hình tia

 Vì vậy sơ đồ nguyên lý mạch động lực hệ “bộ CL thyristor 3 pha hình động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập” sẽ là:

Trong đó: Ud : điện áp tải của van

U2 : điện áp nguồn xoay chiều của van

Ku : hệ số điện áp tải, tra bảng 1.1 có Ku  1,17

Knv : hệ số điện áp ngƣợc, tra bảng 1.1 có Knv  6

U : điện áp làm việc, U  6 94,02   230,35 (V)

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của hệ “T-Đ” không đảo chiều dùng CL thyristor 3 pha hình tia

Để chọn van theo điện áp hợp lý thì điện áp ngƣợc của van cần chọn phải lớn hơn điện áp làm việc

U nv =Kdt u. Ulv  1,6 230,35   368,56 (V)

Trong đó: Kdt u. là hệ số dự trữ điện áp, Kdt u.   1,5 1,8  

chọn Kdt u. =1,6

b) Dòng điện làm việc của van:

Dòng điện làm việc của van đƣợc chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua van:

Ilv  Ihd

Dòng điện hiệu dụng: Ihd  Khd Id  0,58 78   45, 24 (A)

Trong đó: K hd : là hệ số xác định dòng điện hiệu dụng (K hd =0,58)

I d : là dòng điện tải Với các thông số làm việc ở trên, chọn điều kiện làm việc của van là: có cánh tản nhiệt với đủ diện tích bề mặt, không có quạt, cho phép van làm việc tới 40% I đmv

Thông số cần có của van động lực là:

+ U nv =368,56 (V)

+ I đmv =Ki  Ilv  1, 2 45, 24   54, 288 (A)

Trong đó K i là hệ số dự trữ dòng điện, Ki  (1,1 1, 4)  , chọn K i =1,2

Chọn thyristor loại TF600M4EJ với các thông số định mức:

- Dòng điện định mức của van: I đm =60(A)

- Điện áp ngƣợc cực đại của van: U nv =400(V)

- Đỉnh xung dòng điện: I pik =1100(A)

- Điện áp xung điều khiển: U đk =5(V)

- Dòng điện xung điều khiển: I đk =150(mA)

- Dòng duy rò: I r =50(mA)

- Độ sụt áp trên van: ∆U=3,65(V)

- Tốc độ biến thiên điện áp du

dt  500(V/s)

- Thời gian chuyển mạch: t cm =100(μs)

- Nhiệt độ làm việc cho phép: T =125oC

Hình 3.4: bảng tra cứu thyristor

Ta chọn MBA 3 pha 3 trụ, có sơ đồ đấu dây ∆/Y, làm mát tự nhiên bằng không khí

1) Công suất định mức: S BA =ks .Pđmmax=k s .Pdm

 =1,345.

3

14,5.100,84 =23217 (VA)

2) Điện áp cuộn dây:

Điện áp pha sơ cấp MBA: U=380(V)

Phương trình cân bằng điện áp khi không tải:

U d0 .cosα min =U d +2∆U v +∆U dn +∆U BA

Trong đó: U d là điện áp chỉnh lưu

α min =10 o là góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới

∆U v =3,65(V) là độ sụt áp trên thyristor

∆U dn ≈0 là độ sụt áp trên dây nối

∆U BA =∆U r+∆U x là độ sụt áp trên điện trở và điện kháng MBA

Sơ bộ chọn ∆U BA =6%.U d =6%.110=6,6(V)

3) Dòng điện các cuộn dây:

Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA: I2 2.Id 2 78 63,7(A)

Ud min = Udo cosαmax và tương ứng với tốc độ động cơ là nhỏ nhất nmin

u u ddm

R I

U

R I U

min min

Udmin = d min   udm u

U U

min 2

1.17.

d

U U

Để thuận tiện cho việc khai triển chuỗi Furier, ta chuyển gốc toạ độ sang điểm 1

, khi đó điện áp tức thời trên tải khi thyristor T1 dẫn là:

Điện áp tức thời trên tải Ud không sin và tuần hoàn với chu kỳ : 2 2

  

Trong đó p = 3 là số xung đập mạch trong một chu kỳ điện áp lưới

Khai triển chuỗi Furier của điện áp Ud:

3 sin

22

63

2 2





k U

 3 1.cos

22

63

2 2





k U

6 3

2 2





k U

2

63

n n

2

13

12

63

k k

U L

4) Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc:

1) Do điện cảm cuộn kháng lớn và điện trở rất bé, ta có thể coi tổng trở cuộn kháng xấp xỉ bằng điện kháng cuộn kháng:



2) Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc:

Chuẩn hoá tiết diện trụ theo kích thước có sẵn, chọn Q = 4,25 (cm2)

5) Với tiết diện trụ Q = 4,25 (cm2)

Chọn loại thép 330A, là thép dày 0,35 (mm)

8) Dòng điện chạy qua cuộn kháng: i(t)= Id + I1m cos(3θ+∅1)

Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng:

9) Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng: J = 2,75 (A/mm2)

19) Bề dày cuộn dây: Bd = (ak + cd1 ) n1 = (2,1 + 0,1) 9 = 19,8 (mm)

20) Tổng bề dày cuộn dây:B d B d a01 19,8 3 22,8(mm)

21) Chiều dài của vòng dây trong cùng:

) ( 8 , 108 3 2 ) 25 20 (

2

2 ) (

.W 171,05.10 60 0,02133 0,0075( )

S



Ta thấy điện trở rất bé nên giả thiết ban đầu bỏ qua điện trở là đúng

25) Thể tích sắt: VFe = 2.a.b.h + a.b.L = a.b.(2.h + L)

= 20 25 10-4 (2 60 + 123,26) 10-2 = 0,123 (dm3) 26) Khối lƣợng sắt: MFe = VFe mFe = 0,123 7,85 = 0,966 (kg)

27) Khối lƣợng đồng: MCu = VCu mCu = Sk ltb W mCu

-6

CHƯƠNG 4:

THIẾT KẾ VÀ TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.1 Giới thiệu chung

Mạch điều khiển có các chức năng sau:

- Xung điều khiển phải được tạo ra đúng thời điểm cần điều khiển mở

Thyristor

- Phải có điện áp đồng bộ: khi điều khiển các bộ chỉnh lưu Thyristor hay các

bộ biến đổi điện áp xoay chiều

- Phải có bộ phát xung chủ đạo: khi điều khiển các bộ băm điện áp một chiều, các bộ nghịch lưu, biến tần

4.1.1 Sơ đồ khối của mạch điều khiển bộ chỉnh lưu

Xung điều khiển đưa vào cực điều khiển thyristor lúc điện áp đặt lên anot thyristor dương:

 Phải biết được khi nào điện áp đặt lên thyristor dương

 Phải có điện áp đồng bộ với điện áp anot của thyristor

4.2 Các nguyên tắc điều khiển chỉnh lưu:

4.2.1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính:

- Điện áp đồng bộ uđb = ur là điện áp răng cưa (với ur là điện áp tựa)

 α = (π/Ur.max) Uc = k Uc ; lấy Uc.max  Ur.max

 Khi Uc = 0 => α = 0 còn khi Uc < 0 → α>0

 Nếu thay đổi Uc = (0 ÷ - Uc.max ) thì sẽ thay đổi đƣợc α = 0 ÷π

 α = k Uc => Ud = Ud0 cosα = Ud0 cos(k.Uc)

4.2.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng:

- Điện áp đồng bộ ur là điện áp dạng hàm: ur = B.cos ωt

- Điện áp điều khiển Uc là điện áp một chiều

- Điện áp so sánh uss: uss = Uc – ur

=> Khi Uc = ur  uss = 0 là thời điểm so sánh tạo xung điều khiển

=> Khi:  =  thì: Uc+ B.cos = 0

=> Do đó:  = arccos(-Uc / B), Trong đó, lấy: B = Uc.mac

Hình 4.1 Đặc tính điều khiển thẳng đứng tuyến tính

4.3 Thiết kế mạch điều khiển

4.3.1 Mạch khuếch đại xung, phân phối xung:

4.3.1.1 Mạch khuếch đại xung, phân phối xung – dùng biến áp xung:

Chức năng của MBA xung: - Khuyếch đại xung

- Cách ly giữa mạch động lực và mạch đk

-Tạo sườn dốc cho xung

- Phối hợp trở kháng đầu vào của thyristor

Hoạt động của sơ đồ: Tín hiệu vào Uc là 1 tín hiệu logic

Khi Uc = “1” thì Q mở bảo hòa,  dòng qua sơ cấp BAX tăng theo hàm m Khi Uc = “0” thì Q khóa

Hình 4.2 Sơ đồ mạch khuếch đại xung,

phân phối xung dùng biến áp xung

Hoạt động của sơ đồ: Tín hiệu vào Uc là 1 tín hiệu logic (hay là 1 xung)

Khi Uc = “1” thì Q1 mở bảo hòa  OP kích mở Q2 Q3 mở  Vra = “1” Khi Uc = “0” thì Q1 khóa

4.3.3 Mạch so sánh, tạo xung:

4.3.3.2 Mạch so sánh hai tín hiệu khác dấu:

Điện áp đầu vào: ud = E+ – E-

4.3.4 Sơ đồ máy biến áp đồng bộ 3 pha:

4.3.5 Mạch điều khiển một kênh:

4.3.5.1 Mạch điều khiển một kênh:

Hình 4.11 Sơ đồ MBA đồng bộ ba pha

istor quang

4.3.5.2 Mạch điều khiển chỉnh lưu 3 pha hình tia:

Hình 4.12 Sơ đồ Mạch điều khiển một kênh

istor quang

4.4.1 Bảo vệ quá dòng:

4.4.1.1 Bảo vệ quá dòng dùng cầu chì:

Lắp đặt cầu chì có nhiều cách: +Từng pha của cuộn dây sơ cấp hoặc thứ cấp MBA

+Nối tiếp với từng van

+Nối tiếp với từng nhóm van mắc song song

- Đầu ra của thiết bị biến đổi

4.4.1.2 Bảo vệ quá dòng dùng áptômát và cầu chì:

Áptômát thường dùng để bảo vệ ngắn mạch Khi xảy ra ngắn mạch, dòng ngắn mạch rất lớn

 đánh thủng các thiết bị bán dẫn, hoặc làm nóng chảy, cháy các thiết bị bán dẫn trong các bộ biến đổi

Hình 4.14 Sơ đồ Mạch Bảo vệ quá dòng dùng cầu chì

istor quang

4.4.2 Bảo vệ quá áp:

4.4.2.1 Bảo vệ quá áp trong:

Sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn (quá trình động của diode và thyristor) + Bảo vệ quá áp trong bằng mạch R – C đấu song song với 1 diode hoặc thyristor + Thường chọn: R = (10  1000) W; C = (0.01  1) mF

4.4.2.2 Bảo vệ quá áp ngoài:

Cắt không tải máy biến áp lực (MBL) trên đường dây, cầu chì bảo vệ nhảy, sấm sét, … làm cho điện áp trên các đầu vào bộ biến đổi thay đổi đột ngột

Hình 4.15 Sơ đồ Mạch Bảo vệ quá dòng dùng aptomat và cầu chì

Hình 4.16 Sơ đồ Mạch Bảo vệ quá áp trong bằng mạch R – C đấu song song với 1 diode hoặc thyristor

4.5 Tính chọn các phần tử mạch điều khiển của hệ truyền động điện “chỉnh lưu Thyristor ba pha hình tia - Động cơ điện một chiều” không đảo chiều

Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Thyristor.Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển

+Điện áp và dòng điều khiển Thyristor : Uđk = 5 V ; Iđk=150 mA

+Thời gian mở Thyristor: tm=100 µs ; Tần số xung điều khiển : fx=3 kHz

+Độ rộng xung xung điều khiển tx=2tm =2.100 =200 µs

+Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U= ±12 V, mức sụt biên độ xung: sx= 0,15

4.5 1 Tính biến áp xung:

- Chọn vật liệu làm lõi là sắt ferit HM Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hóa có: B = 0.3T, H = 30A/m, không có khe hở không khí

- Tỉ số biến áp xung m = 2 3  , chọn m = 3

- Điện áp cuộn thứ cấp biến áp xung: U2 = Uđk = 5 V

- Điện áp sơ cấp biến áp xung: U1 = mU2 =3 × 5 = 15 V

- Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Iđk = 0.15A

Hình 4.18 Sơ đồ mạch R – C mắc giữa các pha thứ cấp của MBL động lực

 =

0

B H





0.312.5 10  30=

Chiều dài trung bình mạch từ l = 5.2 cm

- Số vòng dây quấn sơ cấp biến áp xung: Theo định luật cảm ứng điện từ

- Tiết diện dây sơ cấp: 1 3 2

1 1

0.05

8.33 106

- Tiết diện dây thứ cấp: s2 = 2

2

0.15

0.03754

- Kiểm tra hệ số lấp đầy

Đủ diện tích cửa sổ cần thiết

4.5 2 Tính tầng khuếch đại cuối cùng

Chọn transistor 2SC9111 có các thông số sau:

- Transistor NPN silic, dòng điện collector: Icmax = 0.5A,

- Điện áp giữa chân C và B khi hở mạch chân E: UCBO = 40V

- Điện áp giữa chân E và B khi hở mạch chân C: UEBO = 4V

- Công suất : P = 1.7W, Hệ số khuếch đại: β=50

Tất cả các diot trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009, có tham số:

Ta chọn loại IC cổng AND họ CMOS CD4081:

- Điện áp nguồn cung cấp: +Vcc = 3-18V Ta chọn +Vcc = 12V

- Điện áp ra mức logic “1” với nguồn nuôi đã chọn: VOH = 11.95V

- Dòng điện ra với mức logic “1” và “0”: I OH  I OL  2.3mA

4.5.5 Tính chọn bộ tạo xung chùm dùng opamp

Trong mỗi mạch điều khiển Thyristor sử dụng 3 opamp (khâu tích phân, so sánh và tạo xung chùm) nên với chỉnh lưu tia 3 pha ta cần sử dụng đến 9 opamp

Sử dụng 4 con IC Tl084 có tích hợp 4 opamp bên trong Thông số IC TL084:

- Điện áp nguồn nuôi: V cc =±18 V, ta chọn Vcc = ±12V

- Điện thế đầu vào 30V ; tổng trở đầu vào: RIN = 10 M6 

- Dòng điện đầu ra IIO = 100 pA

- Độ biến thiên điện áp cho phép: du= 10 /V s