Đồ án điện tử công suất cầu 1 pha - 4T

tài liêu hướng dẫn đồ án

Môc lôc

Lời nói đầu

Trong công cuộc công nghiệp hoá và hiện đại hoá hiện nay, ngành tự động hoá đóng một vai trò hết sức quan trọng Việc áp dụng các hệ thống truyền động theo vòng kín nhằm tăng năng suất và tăng hiệu quả kinh tế Một hệ thống làm việc ổn định thì sẽ cho ra những sản phẩm đảm bảo chất lợng cao

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học,

đặc biệt là ngành điện tử công suất Với việc phát minh racác linh kiện bán dẫn đã và đang ngày càng đáp ứng đợc các yêu cầu của các hệ thống truyền động Ưu điểm của việc sử dụng các linh kiện bán dẫn mà làm cho hệ thống trở nên gọn nhẹ hơn, giá thành thấp hơn và có độ chính xác tác động cao hơn Với nhu cầu sản suất và tiêu dùng nh hiện nay, thì việc tự động hoá cho xí nghiệp trong đó sửdụng các linh kiện gọn nhẹ là một nhu cầu hết sức cấp thiết

Sau gần 4 năm học tập và nghiên cứu ở trờng, em đã

đợc làm quen với các môn học thuộc ngành Để áp dụng lý thuyết với thực tế trong học kỳ này chúng em đợc giao đồ

án môn học tổng hợp hệ điện cơ với yêu cầu “ Thiết kế hệthống truyền động Van - Động cơ với các yêu cầu cho trớc sửdụng bộ biến đổi chỉnh lu có điều khiển cầu 1 pha

4T”

Với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hớng dẫn Đào Thanh và các thầy giáo trong bộ

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn, cảm ơn thầy Đào Thanh đã giúp đỡ em để bản thiết kế hoàn thành đúng thời hạn.

Thái Bình, ngày Tháng năm 2007

Sinh viên thiết kế

®Çu Th«ng thêng mét hÖ thèng tèt h¬n vÒ mÆt kü thuËtcòng nh tèn kÐm h¬n vÒ mÆt kinh tÕ Do vËy tuú thuéc

thống đảm bảo yêu cầu mong muốn.

* ý nghĩa:

- Việc lựa chọn phơng án truyền động điện có ýnghĩa rất quan trọng Nó liên quan đến chất lợng sản phẩmcũng nh ảnh hởng đến hiệu quả kinh tế của sản xuất Nếu

nh lựa chọn đúng thì chúng ta có thể tăng năng xuất làmviệc, hạn chế đợc những hành trình thừa, chất lợng sảnphẩm sẽ tốt hơn, do đó hiệu quả kinh tế sẽ cao hơn Kếtquả sẽ hoàn toàn ngợc lại nếu ta lựa chọn không đúng và nócòn gây ra tổn thất không ngờ trớc

* phơng án lựa chọn:

- Muốn chọn đợc hệ thống phù hợp với yêu cầu chúng taphải đa ra các phơng án có thể đáp ứng đợc yêu cầu kỹthuật sau đó đánh giá những u nhợc điểm mà chọn chohợp lý

I chọn phơng án truyền động điện:

-Để thiết kế hệ thống truyền động điện ngời thiết

kế phải đa ra nhiều phơng án khác nhau Rồi sau đó sosánh các phơng án trên hai phơng diện kinh tế và kỹ thuật

để chọn ra phơng án tối u nhất Phơng án tối u nhất là

ph-ơng án đáp ứng đợc yêu cầu đề ra đồng thời là phph-ơng án

đảm bảo về mặt kỹ thuật và chi phí thấp nhất

I.1 : phân tích chọn động cơ truyền động và phơng án điều chỉnh tốc độ

máy sản xuất , là đối tợng điều khiển của hệ thống điềukhiển tự động truyền động điện việc chọn động cơ mộtcách hợp lý có một vị trí hết sức quan trọng trong côngviệc thiết kế hệ thống truyền động điện , động cơ đợcchọn phải thoả mãn các điều kiện công nghệ yêu cầu, phảiphụ thuộc tính chất công suất của tải đồng thời phải thoảmãn các yếu tố sao cho tổn hao ít, giá thành hạ, hoạt độngtin cậy, chi phí vận hành hàng năm nhỏ, lắp đặt thay thế

dễ, sửa chữa đơn giản, để chọn động cơ quay chi tiết taxét lần lợt các loại động cơ :

Trong công nghiệp động cơ dùng trong hệ truyền động

điện gồm hai loại :

- Động cơ điện xoay chiều : Chia là hai loại :

+ Động cơ không đồng bộ : bao gồm động động cơ không

đồng bộ roto lồng sóc và động cơ không đồng bộ rotodây quấn

đơn giản, đặc biệt là loại rô to lồng sóc So với máy điệnmột chiều thì giá thành hạ vận hành tin cậy trực tiếp dùng

điện lới không cần dùng các thiết bị biến đổi khác nhợc

điểm là điều khiển và khống chế các quá trình quá độkhó khăn, với động cơ lồng sóc thì chỉ tiêu khởi động xấuhơn

đc

r f

hình 1

Hình 1 : Sơ đồ nguyên lý động cơ không đồng bộ

Hình 2 : Sơ đồ thay thế

Hình 3 : đặc tính cơ

Trong đó :

Uf : là giá trị hiệu dụng của điện áp pha sta to

R2, ,R1 : là điện trở rô to và stato đã quy đổi

S : hệ số trợt của động cơ

Hệ số trợt tới hạn

Xnm =X1 + X’2 : là điện kháng ngắn mạch là tổng trởcủa điện kháng tản sta to và rô to đã quy đổi

Cũng có thể viết :

Trong đó :

Với Xnm = X1+X’2 : là điện kháng ngắn mạch

Mth : Mô men tới hạn

- Thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ

- Thay đổi điện áp U khi tần số f = const

- Thay đổi điện trở mạch roto

- Thay đổi công suất trợt ( thay đổi số đôi cực )

a Thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ

- Sức điện động của động cơ đợc cho bởi công thức sau :

U1 = E = 4,44.W1.f1.Kdq1.Ф = C.f1 Ф => Ф = U1/C.f1(*)

Giả sử f = fcb = 50Hz , U1 = const

+ Nếu điều chỉnh f > fcb : Từ (*) ta thấy khi f tăng thì Фgiảm ( vì U = const) muốn giữ cho mômen không đổi ( M

= K Ф.I2.cosφ = const ) thì I2 phải tăng lên I2 > I2đm

Nh vậy sẽ làm cho mạch từ non tải và dây quấn roto quá tải

+ Nếu điều chỉnh cho f < fcb : Từ (*) ta thấy khi f giảmthì Ф tăng dòng từ hoá Iμ tăng mạch từ bão hoà , cosφgiảm , tổn hao lớn , nhiệt độ tăng quá nhiệt độ chophép

thờng đi kèm với việc thay đổi điện áp để giữ cho Ф =const điều này rất phức tạp

b Thay đổi điện áp U khi f = const

r f = 0

r f # 0

n1

mth1 mth2

-Vì mômen động cơ tỉ lệ bình phơng điện áp vì vậykhi thay đổi điện áp đặt vào stato sẽ thay đổi đợcmômen và thay đổi đợc tốc độ Để điều chỉnh đợc

điện áp phải có bộ biến đổi điện áp xoay chiều ( ĐAXC )thông thờng không áp dụng điều chỉnh U cho động cơroto lồng sóc vì Sth của đặc tính cơ tự nhiên là nhỏ Với

động cơ roto dây quấn khi điều chỉnh điện áp cần nốithêm Rf mạch roto để mở rộng phạm vi điều chỉnh

Phơng pháp điều chỉnh điện áp mạch roto chỉ thích hợpvới những truyền động mà mômen tải là hàm tăng theo tốc

độ nh quạt gió , bơm li tâm …

c Thay đổi tốc độ bằng cách điều chỉnh

điện trở mạch rôto

Trong đó : Rrd : Điện trở mạch dây quấn roto

Rf : Điện trở ngoài mắc thêm vào mạchroto

Khi thay đổi điện trở mạch roto thì mômen tới hạn của

động cơ không thay đổi và độ trợt tới hạn tỉ lệ bậc nhấtvới điện trở

S = Si.Rr/Rrd

Trong đó : S : Độ trợt khi điện trở mạch roto là Rr

Si : : Độ trợt khi điện trở mạch roto là Rrd Mặt khác :

Khi thay đổi điện trở mạch roto thì mômen thay đổi =>tốc độ thay đổi

Thông thờng chọn Rf ở chế độ dài hạn , chọn bằng vật liệu

có ρ nhỏ

Phơng pháp này làm tăng tổn hao , do đó giảm hiệusuất

thể dùng phơng pháp thay đổi điện trở mạch phần ứng

để thay đổi tốc của nó Ưu điểm là kết cấu bộ biến đổirất đơn giản nhng nó có nhợc điểm là ở vùng tốc độ thấp

do hệ số trợt S lớn nên gây tổn hao nhiều

Ps = Pđt S

d Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh công suất trợt ( thay đổi số đôi cực )

n

m mth

n 1 p= 1

p= 2

n = n1.(1-s) =f1.(1-s)/p

Khi thay đổi p thì n thay đổi

Tuy nhiên việc thay đổi p sẽ làm cho tốc độ bị nhảy cấp

- Động cơ đồng bộ sử dụng cho hệ truyền động yêu cầu

độ ổn định tốc độ cao Động cơ đồng bộ thờng dùng chocác máy bơm , quạt gió , các hệ truyền động của nhà máyluyện kim

- Ưu điểm là có độ ổn định tốc độ cao hệ số cosφ vàhiệu suất lớn , vận hành có độ tin cậy cao

- Mạch stato tơng tự động cơ không đồng bộ , mạch roto

có cuộn kích từ và cuộn dây khởi động

- Khi đóng điện động cơ làm việc với tốc độ không đổi

và bằng tốc độ đồng bộ

(1)Trong phạm vi mômen cho phép M<Mmax đặc tính cơ làtuyệt đối cứng

M>Mmax thì tốc độ động cơ sẽ mất đồng bộ

Từ (1) ta thấy khi thay đổi f thì sẽ thay đổi đợc tốc độ

do đó cấu trúc của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ

động cơ đồng bộ bao giờ cũng có bộ biến tần kèm theo

tần, nên hệ thống cũng phức tạp và đắt tiền nh bộ biến

đổi của động cơ Rôto lồng sóc Mặt khác do công nghệ

là yêu cầu có chất lợng cao nếu sử dụng máy điện đồng bộthì thời gian mở máy sẽ lâu và tốn nhiều thời gian nh vậythì năng suất lao động không cao

I.1.2 : Động cơ một chiều

- Đặc điểm chung của động cơ điện một chiều làhoạt động tin cậy, có mô men lớn, điều chỉnh tốc độ đơngiản hơn máy điện xoay chiều, nhng nhợc điểm là giáthành đắt

I.1.2.1 : Động cơ một chiều kích từ nối tiếp

- Với động cơ một chiều kích từ nối tiếp ta có cuộn dâykích từ đợc ghép nối tiếp với phần ứng

- Phơng trình đặc tính cơ điện :

Phơng trình đặc tính cơ

đổi điện áp phần ứng hoặc thay đổi điện trở phần ứngbằng cách mắc thêm điện trở phụ

độ thay đổi theo phụ tải Động cơ một chiều kích từ nốitiếp có khả năng quá tải lớn về mômen ( nhờ cuộn CKT mắcnối tiếp vào mạch phần ứng ) => Có khả năng khởi độngtốt hơn động cơ một chiều kích từ độc lập nên loại độngcơ này sử dụng cho những hệ truyền động yêu cầu quá tảicao và mômen khởi động lớn

của động cơ không chịu ảnh hởng của sụt áp lới

- Đặc tính cơ có dạng đờng thẳng và có độ cứng cao Khi

động cơ làm việc với tốc độ không đổi thì mômen điện

từ bằng mômen cản trên trục động cơ Điểm làm việc

t-ơng ứng với điểm giao giữa đặc tính của động cơ và

đặc tính mômen cản của phụ tải

a Thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi

- Muốn thay đổi tốc độ ta đóng các điện trở phụ khi đó

I giảm đột biến , do quán tính cơ nên tốc độ cha kịp biến

đổi Trên hệ toạ độ (ωM) điểm làm việc chuyển từ asang b Mômen giảm M<Mc => tốc độ giảm làm I lại tănglên và tiến tới làm việc xác lập tại c với tốc độ ω2< ω1

- Khi thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụthì :

+ ω2 = U/KΦđm = const

+ β = -(KΦđm)2/R Phụ thuộc vào R

R càng tăng thì β càng giảm và đặc tính cơ càngmềm Đây là điều hoàn toàn không mong muốn

* Nhận xét :

- Phơng pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ nhỏhơn tốc độ cơ bản bằng cách giảm độ cứng đặc tính

điều chỉnh phụ thuộc giá trị của mômen cản , độ chínhxác duy trì tốc độ không cao , độ tinh chỉnh kém

- Khi điều chỉnh tốc độ xuống thấp , sai số tốc độ cànglớn và mômen ngắn mạch càng nhỏ nghĩa là độ duy trìtốc độ và khả năng quá tải kém , ngoài ra số cấp điện trở

có hạn , và việc điều chỉnh không trơn Tất cả nhữngnguyên nhân trên đều hạn chế dải điều chỉnh

- Đặc biệt phơng pháp này gây tổn thất nhiều năng lợng

do đó giảm hiệu suất hệ thống

b Thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

- Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ khi thay đổi từ thông

t n



 c

- Khi điều chỉnh từ thông ngời ta không đặt vấn đề tăng

từ thông vì :

+ Không cho phép nâng dòng kích từ lớn hơn định mức Hơn nữa nếu

không thể tăng đợc nữa vì vậy khi điều chỉnh từ thôngngời ta sẽ giảm từ Φđm trở xuống

khi giảm Φđm xuống Φ1, Φ2 với Φ1 > Φ2

Tại A có : ωxlA

Mc = const

Φ = Φđm

- Khi giảm từ Φđm xuống Φ1 do quán tính cơ cha kịp

xuống MA’ < Mc => tốc độ giảm và động cơ làm việc xáclập tại B’

- Khi giảm từ Φđm xuống Φ2 do quán tính cơ cha kịp

xuống MA’’ > Mc => tốc độ tăng và động cơ làm việc xáclập tại B’’

- Nh vậy khi giảm từ thông tốc độ có thể tăng hoặc giảmchứng tỏ phải có một giá trị Φcực trị thoả mãn

St tăng )

* Nhận xét :

Khi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thôngthì

- Vì công suất mạch kích từ nhỏ nên việc điều chỉnh là

dễ dàng và tổn hao công suất ít

- Do điện cảm lớn nên hằng số thời gian lớn , thời gian quá

Khi U giảm thì tốc độ giảm

cũng giảm khi U giảm = const

nên độ tinh điều khiển cao , thao tác nhẹ nhàng và khảnăng tự động hoá cao

- Khi thay đổi U độ cứng đặc tính cơ không thay đổinên giảm sai lệch tĩnh - Đặc biệt phơng pháp này rấtthích hợp với loại tải mang tính chất phản kháng và bằnghằng số ( Mc = const )

* Nhận xét chung :

Qua việc phân tích cấu tạo , đặc điểm cũng nh các

ph-ơng pháp điều chỉnh tốc độ đối với từng loại động cơ

Đồng thời căn cứ vào yêu cầu công nghệ đòi hỏi thiết kế

hệ truyền động điện với chất lợng cao , Mc = const mangtính chất phản kháng với dải điều chỉnh rộng , điềuchỉnh tốc độ dễ dàng , yêu cầu có đảo chiều và quátrình quá độ xảy ra thờng xuyên nên ta chọn động cơ mộtchiều kích từ độc lập làm động cơ cho truyền độngchính và chọn phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cáchthay đổi điện áp mạch phần ứng vì những u điểm nổibật của chúng

I.2 Phân tích chọn bộ biến đổi :

Cấu trúc phần mạch lực của hệ thống truyền động

điều chỉnh động cơ bao giờ cũng cần có bộ biến đổi ,các bộ biến đổi này cấp điện cho mạch phần ứng hoặckích từ của động cơ Cho đến nay trong công nghiệp sửdụng 4 bộ biến đổi chính

phát một chiều hoặc máy khuếch đại

- Bộ biến đổi điện từ : Khuếch đại từ

- Bộ biến đổi chỉnh lu bán dẫn : Chỉnh lu Tiristor hoặcDiôt

- Bộ biến đổi chỉnh lu không điều khiển + xung áp mộtchiều : Tranzitor hoặc Tiristor

I.2.1 : Bộ biến đổi máy điện

- Bộ biến đổi này gồm máy phát một chiều kích từ độclập phát ra điện áp cung cấp cho mạch phần ứng độngcơ , máy phát này thờng do động cơ sơ cấp không đồng

bộ 3 pha ĐK kéo quay và tốc độ quay của máy phát làkhông đổi

pháp ổn định tốc độ dải điều chỉnh D có thể đạt D= 100/1200/1

+ Có thể điều chỉnh tốc độ vô cấp

+ Hệ thống làm việc linh hoạt ở bốn góc phần t

+ Thực hiện tốt việc đảo chiều và các chế độ hãm

+ Phù hợp với tải Mc = const

+ Bảo quản phức tạp , gây tiếng ồn lớn

+ Hiệu suất không cao do sử dụng nhiều máy điện

I.2.2 : Bộ biến đổi điện từ :

Sơ đồ nguyên lý nh sau :

+

-a b c

đổi đợc giá trị điện áp ra của bộ biến đổi và thay đổi

- Điện áp đặt lên động cơ có dạng xung , muốn vậy phải

có bộ nguồn một chiều , thông thờng bộ nguồn này lấy từ

bộ biến đổi chỉnh lu không điều khiển ( chỉnh lu điôt )

- Điện áp trung bình trên tải có dạng :

Bằng cách thay đổi giá trị của ta sẽ thay đổi đợc giá trịcủa Utb và tốc độ động cơ thay đổi theo

Về lý thuyết có 3 cách thay đổi là :

+ Giữ nguyên Tck và thay đổi t1

+ Giữ nguyên t1 và thay đổi Tck

+ Kết hợp cả hai cách trên : Nhng phức tạp và ít dùng thôngthờng dùng cách 1

* Nhận xét :

+ Đặc điểm của bộ biến đổi xung áp là : Sử dụng các linhkiện bán dẫn nên tổn hao ít , không phụ thuộc nhiệt độmôi trờng , khả năng tự động hoá cao , tuy nhiên sơ đồphức tạp , mạch điều khiển cũng phức tạp

I.2.4 : Bộ biến đổi chỉnh lu bán dẫn : dùng Tiristor

xung ( FX ) sẽ điều khiển các Tiristor và nhận đợc điện ápchỉnh lu bằng việc thay đổi Uđk ta sẽ thay đổi đợc góc

mở của T và thay đổi đợc giá trị điện áp đầu ra

*Nhận xét :

_ Ưu điểm

+Ưu điểm nổi bật của hệ thống này là tính tác động

nhanh hệ thống gọn nhẹ , dễ tạo ra hệ thống vòng kín ,

hệ thống nâng cao đợc độ cứng đặc tính cơ và mở rộng phạm vi điều chỉnh Có thể điều chỉnh vô cấp , sai lêch tĩnh nhỏ

+ Dễ tự động hoá hệ thống , tác động nhanh ,hoạt động tin cậy không gây ồn , không cần nền móng đặc biệt và hiệu suất cao

_ Nhợc điểm

+ Hệ thống chịu nhiều ảnh hởng của nhiệt độ khi dòng nhỏ suất hiện vùng gián đoạn , khả năng linh hoạt khi di chuyển trạng thái không cao , hệ thống đảo chiều phức tạp, khả năng quá tải của các van kém

+ Do các van có tính phi tuyến nên điện áp chỉnh lu ra códạng đập mạch rất cao

* Nhận xét chung :

Sau khi đa ra 4 phơng án trên kết hợp với các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và khả năng vận hành cùng với điều kiện phát triển của khoa học kỹ thuật chọn phơng án dùng T-Đ

nghệ

Phần II : Chọn và phân tích mạch động lực

II.1 : Chọn mạch động lực :