Thiết kế bộ chỉnh lưu ba pha hình tia động cơ điện một chiều có đảo chiều

1.2 Đặc Tính Cơ Của Máy Điện Một Chiều: Quan hệ giữa tốc độ và mômen động cơ gọi là đặc tính cơ của động cơ: ω =f M Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá Hướng dẫn: TS.. Quan hệ giữa tốc đ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ĐỀ TÀI:

“Thiết Kế Bộ Chỉnh Lưu Ba Pha Hình Tia

- Động Cơ Điện Một Chiều Có Đảo Chiều”

Người hướng dẫn :TS NGUYỄN QUỐC ĐỊNH

Sinh viên thực hiện :TRẦN VĂN KHÁ

Số thẻ sinh viên :10517010

Nhóm HP / Lớp :17Nh29A/ 17D2

Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá GVHD: TS Nguyễn Quốc Định

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

DANH SÁCH HÌNH ẢNH 3

DANH SÁCH CÁC BẢNG 4

CHƯƠNG 1: Tổng Quan Về Động Cơ Một Chiều 5.

1.1 .

1.1.1 Mục con cấp 2 Error! Bookmark not defined. 1.1.2 Mục con cấp 2 Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 2: ĐỀ MỤC CHƯƠNG HAI Error! Bookmark not defined. KẾT LUẬN CHUNG 1

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1

CHƯƠNG 1: Tổng Quan Về Động Cơ Một Chiều Và Các Phương Pháp

Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Một Chiều Và Lựa Chọn Phương

+ Động cơ một chiều kích từ song song

+ Động cơ một chiều kích từ nối tiếp

+ Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp

1.1.2 Ưu nhược điểm của động cơ một chiều

- Ưu điểm: + Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ

+ Có nhiều phương pháp hãm tốc độ

- Nhược điểm: + Tốn nhiều kim loại màu, việc chế tạo và bảo quản khó khăn

+ Giá thành đắt hơn các loại máy điện khác

1.1.3 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động:

Hình 1 1 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

1.2 Đặc Tính Cơ Của Máy Điện Một Chiều:

Quan hệ giữa tốc độ và mômen động cơ gọi là đặc tính cơ của động cơ: ω =f ( M )

Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá Hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Định

Quan hệ giữa tốc độ và moomen của máy sản xuất gọi là đặc tính cơ của máy sảnxuất: ω =f (M c) hoặc n c =f (M c).

Ngoài đặc tính cơ, đối với động cơ điện một chiều người ta còn sử dụng đắc tính

cơ điện, đặc tính cơ điện biểu diễn quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trong mạchđộng cơ: ω =f ( I ) hoặc n =f (I ).

Trong đó: - r ư là điện trở dây quấn phần ứng

-r ct là điện trở tiếp xúc giữa chỗi than và phiến góp

- r cb là điện trở cuộn bù

- r cp là điện trở cuộn phụSức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay của Roto:

E = p N ∅ ω=K ∅ ω

2 πa

K= p.

N 2 πa là hệ số kết cấu của động cơ

∅ - từ thông qua mỗi cực

từ p - số dôi cực từ chính

N - số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng

a - số mạch nhánh song song của cuộn ứngNếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì:

E ư =K e ∅ n ư

ω= U ư − R ư + R p M

K ∅ (K ∅)2

là phường trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Cũng có thể biểu diễn phương trình đắc tính cơ dưới dạng sau:

=

Hình 1.2: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

1.2.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ:

Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ω =f ( M )

ta thấy đường đặc tính cơ phụ thuộc vào các thông số điện U, R p, ∅ nên có ba phươngpháp điều chỉnh tốc độ động cơ

1.2.2.1 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng:

Vì giá trị điện áp không thể vượt quá giá trị định mức nên ta có thể thay đổi giảmđiện áp

U ư biến đổi; R p =Const; ∅=Const

Suy ra: −R =Const K ∅ ư + R p

Tốc độ động cơ thay đổi tỉ lệ thuận với điện áp phần ứng: ω= U ư

K ∅

Hình 1.3: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm điện áp U ư

1.2.2.2 Phương pháp thay đổi điện trở mạch phần ứng:

Vì tổng trở của mạch phần ứng ∑R ư =R ư + R ưf nên ta chỉ có thể thay đổi về phía tăng R ưf

R ưf biến đổi; U ư =Const; ∅=Const ;Suy ra: ω = U ư =Const

1.2.2.3 Phương pháp thay đổi từ thông kích từ:

Để thay đổi từ thông ∅ ta thay đổi dòng kích từ nhờ biến trở R kt , vì chỉ có thể tăng

R kt nên dòng kích từ giảm, dẫn đến từ thông giảm so với từ thông định mức

U ư =Const; R ư =Const; ∅biến đổi;

Suy ra: ω =f ( ∅)= U ư − R ư + R ưf

K ∅ (K ∅)2

Hình 1.5: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi thay đổi từ thông.

Vậy để điều chỉnh tốc độ của động cơ ta có ba phương pháp và ở đề tài thiết kếmạch chỉnh lưu hình tia ba pha cấp cho động cơ một chiều, không đảo chiều em chọnphương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Bởi vì: U ư =U d mà U d =U d 0 cos α nên khi ta điều chỉnh góc điều khiển α để đưaxung kích vào thì sẽ làm thay đổi điện áp U d dẫn đến làm thay đổi điện áp phần ứng U ư ,với điện trở phụ và từ thông kích từ không đổi thì sẽ làm thay đổi tốc độ của động cơ

CHƯƠNG 2: Tổng Quan Về Bộ Chỉnh Lưu Tiristor Ba Pha Hình Tia.

Thiết Kế Sơ Đồ Nguyên Lý Hệ Thống Chỉnh Lưu - Động Cơ Điện Một Chiều (Hệ T-Đ) Không Đảo Chiều.

2.1 Tổng Quan Về Tiristor:

2.1.1 Giới thiệu về điôt:

Điôt là linh kiện bán dẫn gồm 2 lớp bán dẫn loại P và N ghép lại với nhau Đầunối với bán dẫn loại P gọi là Anot (A), đầu nối với bán dẫn loại N gọi là Katot (K)

Hình 2.1: Cấu tạo và ký hiệu của Điôt.

2.1.2 Cấu tạo của Tiristor:

Tiristor là linh kiện bán dẫn gồm 4 lớp bán dẫn loại P và N ghép xen kẽ nhau tạonên 3 cực Anot, Katot và cực điều khiển G

Hình 2.2: Cấu tạo và ký hiệu của Tiristor

2.1.3 Nguyên lý hoạt động:

Khi đặt Tiristor dưới điện áp một chiều, Anot vào cực dương và Katot vào cực âmcủa nguồn điện áp, J1 và J3 được phân cực thuận, J2 bị phân cực ngược Gần như toàn bộđiện áp nguồn được đặt lên mặt ghép J2, điện trường nội tại E1 và J2 có chiều hường từ

N1 về P2 Điện trường ngoài tác động cùng chiều với E1, vùng chuyển tiếp cũng là vùngcách điện càng mở rộng ra, không có dòng điện chảy qua Tiristor mặc dù nó được đặtdưới điện áp thuận

2.1.4 Điều kiện mở của Tiristor:

Nếu cho một xung điện áp dương U g tác động vào cực G (dương so với K), cácđiện tử từ N 2 chạy sang P2 Đến đây một số ít trong chúng chảy vào nguồn U g vàhình

Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá GVHD: TS Nguyễn Quốc Định

thành dòng điều khiển I g chảy theo mạch G-J3-K-G, còn phần lớn điện tử, chịu sức hútcủa điện trường tổng hợp của mặt ghép J2, lao vào vùng chuyển tiếp này, chúng đượctăng tốc độ, động năng lớn lên, bẻ gãy các liên kết giữa các nguyên tử silic, tạo nênnhững điện tử tự do mới Số điện tử mới được giải phóng này lại tham gia bắn phá cácnguyên tử Si trong vùng chuyển tiếp Kết quả của phản ứng dây chuyền này làm xuấthiện ngày càng nhiều điện tử chảy vào N 1, qua P1 và đến cực dương của nguồn điệnngoài, gây nên hiện tượng dẫn điện ào ạt J2 trở thành mặt ghép dẫn điện, bắt đầu từ mộtđiểm nào đó ở xung quanh cực G rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép với tốc độ khoảng1cm/100 µ s.

Điện trở thuận của Tiristor, khoảng 100kΩ khi ở trạng thái khóa, trở thành khoảng0,01Ω khi Tiristor dẫn cho dòng chảy qua

Có thể hình dung như sau: Khi đặt Tiristor dưới điện áp U AK > 0, Tiristor ở trạngthái sẵn sàng mở cho dòng chảy qua, nhưng nó còn đợi lệnh - tín hiệu I g ở cực điềukhiển

Công thức: Tiristor khóa + {U Ak >

1V

→ Tiristor mở

Trong đó I gst là giá trị dòng điện điều khiển ghi trong sổ tay tra cứu của Tiristor.Thời gian mở t on là thời gian cần thiết để thiết lập dòng điện chính chảy trong Tiristor,tính từ thời điểm phóng dòng I g vào cực điều khiển Thời gian mở Tiristor kéo dàikhoảng 10µs

2.1.5 Điều kiện khóa của Tiristor:

Một khi Tiristor đã mở thì sự hiện diện của tín hiệu điều khiển I g không còn là cầnthiết nữa Để khóa Tiristor có hai cách:

- Giảm dòng điện làm việc I xuống dưới giá trị dòng duy trì I H (Holding current)

- Đặt một điện áp ngược lên Tiristor (biện pháp thường dùng)

Khi đặt điện áp ngược lên Tiristor U AK < 0, hai mặt ghép J1 và J3 bị phân cựcngược, J2 bây giờ được phân cực thuận Những điện tử, trước thời điểm đảo cực tính U AK ,đang có mặt tại P1, N1, N 2 bây giờ đảo chiều hành trình, tạo nên dòng điện ngược chảy từkatôt về anôt, về cực âm của nguồn điện áp ngoài

Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá Hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Định

I g > I gst

Lúc đầu của quá trình, từ t 0 đến t 1, dòng điện ngược khá lớn, sau đó J1 rồi J3 trởnên cách điện Còn lại một ít điện tử bị giữ lại giữa hai mặt ghép J1 và J3, hiện tượng

Sinh viên thực hiện: Trần Văn Khá Hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Định

khuếch tán sẽ làm chúng ít dần đi cho đến hết và J2 khôi phục lại tính chẩt của mặt ghépđiều khiển.

Thời gian khóa t off tính từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược t 0 cho đến khidòng điện ngược bằng 0 (t 2) Đấy là khoảng thời gian mà sau đó nếu đặt điện áp thuận lênTiristor, Tiristor cũng không mở, t off kéo dài khoảng vài chục µs Trong bất kỳ trườnghợp nào cũng không được đặt Tiristor dưới điện áp thuận khi Tiristor chưa bị khóa, nếukhông có thể gây ngắn mạch điện áp nguồn

Ta có công thức: Tiristor mở + U AK < 0 → Tiristor khóa

Vậy ở đề tài thiết kế này ta dùng cách đặt một điện áp ngược lên Tiristor để khóa Tiristor

2.1.6 Đặc tính Volt – Ampe của Tiristor:

Đặc tính Vôn-Ampe của Tiristor gồm 4 đoạn (hình 2.3):

Hình 2.3: Đặc tính Volt – Ampe của Tiristor.

Đoạn 1 ứng với trạng thái khoá của Tiristor, chỉ có dòng điện rò chảy qua Tiristor.Khi tăng U đến U ch (điện áp chuyển trạng thái), bắt đầu quá trình tăng nhanh chóng củadòng điện, Tiristor chuyển qua trạng thái mở

Đoạn 2 ứng với giai đoạn phân cực thuận của J2 Trong giai đoạn này mỗi mộtlượng tăng nhỏ của dòng điện ứng với một lượng giảm lớn của điện áp đặt lên Tiristor.Đoạn 2 còn gọi là đoạn điện trở âm

Đoạn 3 ứng với trạng thái mở của Tiristor Khi này cả 3 mặt ghép đã trở thành dẫnđiện Dòng điện chảy qua Tiristor chỉ còn bị hạn chế bởi điện trở mạch ngoài Điện áp rơitrên Tiristor rất nhỏ, khoảng 1V Tiristor còn giữ ở trạng thái mở chừng nào I còn lớn hơndòng duy trì I H (Holding current)

Đoạn 4 ứng với trạng thái Tiristor bị đặt dưới điện áp ngược Dòng điện ngược rấtnhỏ, khoảng vài chục mA Nếu tăng U đến U Z thì dòng điện ngược tăng lên mãnh liệt,mặt ghép bị chọc thủng, Tiristor bị hỏng.

2.2 Hệ truyền động chỉnh lưu hình tia ba pha có điều khiển – Động cơ một chiều

Trong hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển - động cơ một chiều (T-Đ), bộbiến đổi điện là các mạch chỉnh lưu điều khiển có điện áp ra tải U d phụ thuộc vào giá trịcủa góc điều khiển Chỉnh lưu có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặcdòng điện kích thích động cơ

Các sơ đồ hệ thống T-Đ không đảo chiều thường gặp:

c) Hình 2.5: Sơ đồ các hệ thống T-Đ không đảo chiều.

+ Ưu điểm: Độ tác động nhanh, không gây ồn và dễ tự động hóa Do các van bán dẫn có

hệ só khuếch đại công suất cao, điều đó thuận lợi cho việc thiết lập hệ thống điều chỉnhnhiều vòng, để nân cao chất lượng đặc tính tĩnh và các đặc tính của hệ thống

+Nhược điểm: Do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng chỉnh lưu của điện áp có độđập mạch gây tổn hao phụ trong máy điện Hệ số công suất cos φ của hệ thống nói chung

là thấp

Ở đồ án thiết kế này em sử dụng hệ thống T-Đ không đảo chiều như sơ đồ 2.5a

2.3 Chỉnh lưu hình tia ba pha.

2.3.1 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha Tiristor:

Gồm 1 máy biến áp ba pha có thứ cấp nối Y 0, 3 pha Tiristor nối với tải như hình vẽ

• Điều kiện khi cấp xung điều khiển chỉnh lưu:

 Thời điểm cấp xung điện áp pha tương ứng phải dương hơn so với trung tính

 Nếu có các Tiristor khác đang dẫn thì điện áp pha tương ứng phải dươnghơn pha kia Vì thế phải xét đến thời điểm cấp xung đầu tiên

• Góc mở tự nhiên:

 Góc mở α được xác định từ lúc điện áp đặt lên van tương ứng với chuyển

từ đóng sang khóa cho đến khi bắt đầu đặt xung điều khiển vào

 Điện áp gây nên quá trình chuyển mạch: Điện áp dây

 0 ≤ α ∈ π −γ −μ với γ: góc dẫn

μ: góc chuyển mạch

2.3.2 Nguyên lý hoạt động:

Giả sử tải: R, L, E ư , chuyển mạch tức thời

Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp:

U

3=U

.sin ( θ− 4 π )

3

• Nhịp V1: Khoảng thời gian từ θ1 →θ2 Tại θ1điện áp đặt lên U 1

>0,có xung kích đưa vào, T 1 mở, khi đó:

{ U v 1=0

Lúc này: + Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp U 1 : U d =U 1

+ Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện qua van 1: i d =I d =i1

+ Dòng điện qua T 2 , T 3 bằng 0: i2=i3=0Trong nhịp V1: U v 2 từ âm chuyển lên 0, khi U v 2=0 thì T 2

Lúc này: + Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp U 2 : U d =U 2

+ Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện qua van 2: i d =I d =i2

+ Dòng điện qua T 2 , T 3 bằng 0: i1=i3=0Trong nhịp V2: U v 3 từ âm chuyển lên 0, khi U v 3=0 thì T 3 mở, lúc này U v 2=¿

U 2−U 3=0 và bắt đầu âm nên T 2 đóng, kết thúc nhịp V2 và bắt đầu nhịp V3

• Nhịp V3: Từ θ3 →θ4, khi đó:

{ U v 3=0

Lúc này: + Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp U 3 : U d =U 3

+ Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện qua van 3: i d =I d =i3

+ Dòng điện qua T 2 , T 3 bằng 0: i1=i2=0Trong nhịp V3: U v 1 từ âm chuyển lên 0, khi U v 1=0 thì T 1

U v3 =U 3−U

1=0 và bắt đầu âm nên

T 3 đóng, kếtthúc nhịp V3 và bắt đầu nhịp V1

Trong mạch, dạng song của dòng điện phụ thuộc vào tải, tải thuần trở dòng điện i d

cùng dạng song với U d , khi điện kháng tang lên, dòng điện càng trở nên bằng phẳng hơn,khi L d tiến tới vô cùng dòng điện i d sẽ không đổi, i d =I d

Trong đó: U d là điện áp tải của van

U 2 là điện áp nguồn xoay chiều của van

K u là hệ số điện áp tải (tra bảng 8.1, K u=1,17)

K nv là hệ số điện áp ngược của van (tra bảng 8.1, Knv=√6 )

Ulv=√6 188,03=460,58(V )

Để chọn van thoe điện áp hợp lý thì điện áp ngược của van cần chọn phải lớn hơn điện áp làm việc

U nv =K dtU U lv =1,6.460,58=763,93(V )

Với K dtU =1,6 là hệ số dự trữ điện áp (K dtU =1,5 ÷ 1.,8¿

3.1.2 Dòng điện làm việc của van:

I lv =I hd

Dòng điện hiệu dụng I hd =Khd I d=0,58.73,5=42,63(V )

Trong đó: I dlà dòng điện tải của van

K hd là hệ số xác định dòng điện hiệu dụng (tra bảng 8.2, K hd =0.58)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, cho phép van làm việc với 40%I dmv

+ Dòng điện định mức của van : I dm =60( A)

+ Điện áp ngược cực đại của van : U nv =800 (V )

+ Độ sụt áp trên van : ∆U =1,6(V )

+ Dòng điện rò : I r =6 (mA )

+ Điện áp của xung điều khiển : U dk =3 (V )

+ Dòng điện của xung điều khiển : I dk =0.11(V )

+ Đỉnh xung dòng điện : I pik =1200 (A )

3.2 Tính Toán Máy Biến Áp Chỉnh Lưu:

1/Ta chọn máy biến áp ba pha 3 trụ, có sơ đồ đấu dây ∆ / Y , làm mát tự nhiên bằng không khí

2/Điện áp pha sơ cấp của máy biến áp: U 1=380 (V )

3/Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp:

Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:

U d 0 cos α min =U d + ∆U v + ∆U dn + ∆U BA

Trong đó: ∝min =10 ° là góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới

∆U v =1,6(V ) là độ sụt áp Tiristor

∆U dn ≈ 0 (V ) là độ sụt áp trên dây nối

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

U = U d 0 =236,188 =201,87 (V )

4/Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp:

I =√2

I =√2 73,5=60,01( A)5/Dòng điện hiệu dụng sơ cấp của máy biến áp:

I 1=K BA I =U 2

I

2 U 1 2

= 201,87 .60,01=31,88( A )380

Trong đó: K Q là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, lấy K Q =6

m là số trụ của máy biến áp, m=3Suy ra:

Q =6 23262,15 =74,72( cm3 )

3.507/Đường kính trụ:

Suy ra ta chọn chiều cao của trụ là 23 (cm)

• Tính toán dây quấn:

10/Số vòng dây quấn mỗi pha sơ cấp máy biến áp:

W = U 1

1 4,44 f B T

Q Fe

= 380 =229,08(Vòng ) 4,44.50.1 74,98 10−4

d

11/Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp:

W = U 2

W

2 U 1

=203,27 228=121,96 (Vòng)380

W 2=122( V ò ng)

1

12/Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp:

Đối với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô, chọn

J1=J2

=2,75( A )

mm2

13/Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp:

S I1 32,102

1

=

1 = 2,75

=11,67(mm )

Chọn

dây

dẫn

tiết

diện

J

chữ nhật, cách điện cấp B Chuẩn

hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: S

=11,9(mm2)

Kích thước dây có kể cách điện: S1cd =a1 b1=2,24.5,5 (mm)

Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp:

Kích thước dây có kể cách điện: S2cd =a2 b2=2,24.10(mm)

Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp:

J2= I2 = 60,01 =2,72( A

2 )

• Kết cấu dây quấn sơ cấp:

15/Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp: