Thiết kế bộ biến đổi chỉnh lưu và nghịch lưu phụ thuộc với lưới cung cấp điện cho tời neo

Chương 1: Tổng quan về công nghệ tời neo. 1.1 .Giới thiệu tời neo. Tời neo thuộc nhóm các thiết bị điện trên boong, chúng có chức năng: - Giữ tàu ở vị trí cố định trong các vùng neo đậu. - Đảm bảo an toàn cho con tàu trong quá trình điều động, ra vào luồng lạch. - Thu thả cáp buộc tàu trong quá trình ra vào cầu hoặc khi cần lai dắt. Với chức năng như vậy, tời neo được xếp vào nhóm máy phụ quan trọng trên tàu. Sự hoạt động tin cậy của các hệ thống này có ý nghĩa lớn đối với an toàn của con tàu.

THIẾT KẾ MÔN HỌC MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ĐỀ BÀI: Đề số 47:

Thiết kế bộ biến đổi chỉnh lưu và nghịch lưu phụ thuộc với

lưới cung cấp điện cho tời neo

- Thiết kế bộ biến đổi chỉnh lưu

và nghịch lưu phụ thuộc với

lưới cung cấp điện cho tời

neo

- Điện áp nguồn:3 380 VAC

- Dòng điện 1 chiều định mức : 80A

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ

Mục lục.

Lời mở đầu.

Chương 1: Tổng quan về công nghệ tời neo.

1.1 Giới thiệu về tời neo

1.2 Cấu tạo, phân loại tời neo

1.3 Yêu cầu đối với tời neo

1.4 Các ứng dụng của tời neo

Chương 2: Tính chọn mạch công suất

2.1 Phương án thực hiện mạch công suất

a) Phương án 1: Chỉnh lưu cầu 1 pha

b) Phương án 2: Các bộ chỉnh lưu 3 pha

- Hệ thống chỉnh lưu 3 pha hình tia - động cơ

- Hệ thống chỉnh lưu 3 pha hình cầu - động cơ

2.2 Lựa chọn van bán dẫn

2.3 Tính máy biến áp, các phần tử bảo vệ

- Tính sơ bộ mạch từ

- Tính toán dây cuốn

- Kết cấu dây cuốn sơ cấp

- Kết cấu dây cuốn thứ cấp

- Tính toán phần tử bảo vệ

+ Bảo vệ quá áp

Chương 3: Thiết kế mạch điều khiển

3.1 Yêu cầu cơ bản với mạch điều khiển

3.2 Nguyên lý chung của mạch điều khiển.

- Nhiệm vụ mạch điều khiển

- Cấu trúc mạch điều khiển tiristor

3.3 Các nguyên tắc chung của mạch điều khiển

- Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

- Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng across

3.4 Nguyên lý của mạch điều khiển

- Khâu khuyết đại xung

- Tính biến áp xung

Kết luận :

Tài liệu tham khảo.

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

Chương 1 : Tổng quan về công nghệ tời neo.

1.1.Giới thiệu tời neo

Tời neo thuộc nhóm các thiết bị điện trên boong, chúng có chức năng:

- Giữ tàu ở vị trí cố định trong các vùng neo đậu

- Đảm bảo an toàn cho con tàu trong quá trình điều động, ra vàoluồng lạch

- Thu thả cáp buộc tàu trong quá trình ra vào cầu hoặc khi cần lai dắt

Với chức năng như vậy, tời neo được xếp vào nhóm máy phụ quan trọng trên tàu Sự hoạt động tin cậy của các hệ thống này có

ý nghĩa lớn đối với an toàn của con tàu

1.2.Cấu tạo, phân loại tời neo

a Cấu tạo tời neo:

Cấu tạo chung của tời neo bao gồm: Động cơ điện và thiết bị điều khiển, các bộ phận truyền động cơ khí, hộp số, trống quấn xích hình sao, trống quấn dây, ly hợp, phanh đai cơ khí xích neo, neo

b Phân loại tời neo:

Theo kết cấu cơ khí, tời neo chia làm hai loại: tời trục đứng và tời trục ngang

Tời neo đứng có trục công tác thẳng đứng, vuông góc với mặt boong chính Đĩa hính sao và trống tời nổi trên mặt boong Động

cơ thực hiện, cơ cấu truyền động và thiết bị điều khiển nằm dưới mặt boong chính Loại này có ưu điểm sau: trang thiết bị điện của

hệ thống được đặt trong buồng kín, tránh được tác động xấu của nước biển, chiếm ít diện tích trên mặt boong chính Tuy nhiên, ở loại tời này động cơ thực hiện thường được lắp dưới dạng treo nêncông suất của chúng bị hạn chế Tời neo đứng thường được dùng

trên tàu chở dầu Đọng cơ thực hiện và thiết bị điện được đặt cách

ly với môi trường dễ cháy nổ

Tời neo nằm có trục công tác nằm ngang Động cơ thực hiện và bộtruyền động cơ khí nằm nổi trên mặt boong chính Nhược điểm của tời neo nằm là chiếm nhiều diện tích mặt boong Tuy vậy, hệ thống không bị hạn chế về công suất do động cơ thực hiên được gắn cố định trên bệ máy Tời neo nằm thường được dùng trên các loại tàu vận tải

1.3.Các yêu cầu đối với tời neo

Tời neo là một thiết bị rất quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho con tàu trong quá trình neo đậu tàu tại các vùng neo và khi ra vào các luồng lạch Trong những trường hợp đặc biệt có thể phải sử dụng cả hai neo hoặc dùng hết xích neo để giữ cố định con tàu khi tàu hành trình trên biển,

do sự cố của máy chính tàu có thể phải thả trôi Khi đó, neo phải được thả đểhạn chế sự trôi dạt cảu tàu… Do vậy truyền động điện tời neo phải đáp ứng yêu cầu sau:

- Có thể sử dụng hệ thống trong mọi điều kiện thời tiết, mọi trạng thái mặt biển với các yêu cầu kỹ thuật đã cho trước

- Có thể khởi động động cơ với toàn bộ phụ tải của hệ thống

Momen khởi động phải lớn hơn hai lần momen cản trên đĩa hình sao

- Động cơ thực hiện có thể dừng dưới điện 30s sau khi đã công tác định mức

- Đảm bảo lực kéo neo cần thiết khi tộc đọ động cơ bị giảm hoặc động cơ bị dừng dưới điện

- Hệ thống phải có khả năng tạo được nhiều các cấp đọ phù hợp vớitrạng thái tải và yêu cầu trung về tốc đọ thu neo

- Có khả năng hạn chế được sự dao động của dòng điện khi tải thayđổi Không gây ra xung dòng điện tại thời điểm bắt đầu đưa hệ thống vào làm việc

- Phải có khả năng giữ cố định đươc neo và xích neo khi hệ thống đột ngột mất điện

- Động cơ thực hiên phải được chế tạo dưới dạng kín nước chống nổ

- Phải đảm bảo thả neo an toàn tin cậy

- Thuận tiện trong lắp ráp , vận hành và thay thế sửa chữa

- Thiện bị gọn nhe giá thành thấp

1.4.Ứng dụng của tời neo

Chương 2 : Tính chọn mạch công suất.

2.1.Phương án thực hiện mạch công suất.

a.Phương án 1: Chỉnh lưu cầu 1 pha.

Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu 1 pha

- Khi tải thuần trở R :

Với u2 =√2U2sinθ

- Khi θ= α : cho xung điều khiển mở T1, T2 và U d=−U2 , hai

tiristor sẽ khóa khi u2 =0

-Khi θ= Π + α , cho xung điều khiển mở T3, T4 và U d=U2

Dòng qua tải là dòng gián đoạn

Giá trị trung bình của điện áp tải:

Giá trị trung bình dòng qua tiristor :

* Ưu nhược điểm của sơ đồ :

Ưu điểm : điện áp ngược đặt lên mỗi van trong sơ đồ nhỏ.Nếu tải cóđiện áp cao và dòng điện nhỏ chọn sơ đồ cầu chỉnh lưu một pha hợp lý hơn

về hệ số điện áp ngược của van trong sơ đồ cầu nhỏ hơn,do đó dễ chọn van

Nhược điểm : không dùng được cho tải có công suất lớn, nếu dònggây ra hiện tượng công suất bị lệch pha Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha dòngtải chảy qua hai van nối tiếp, vì vậy tổn thất diện và công suất trên van sẽ

lớn Sơ đồ cầu một pha chỉ ứng dụng với yêu cầu điện áp chỉnh lưu cao vàdòng tải nhỏ.

b.Phương án 2: Các bộ chỉnh lưu 3 pha.

- Hệ thống chỉnh lưu 3 pha hình tia - động cơ

Chỉnh lưu ba pha hình tia còn được gọi là chỉnh lưu ba pha nửa chu kỳhay chỉnh lưu ba pha có “ đầu không “ Điện áp chỉnh lưu là một nửa sóngcủa điện áp xoay chiều

Hình 2 1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống chỉnh lưu ba pha hình tia – động

cơ.

Trong đó:

- BA: Máy biến áp chỉnh lưu có nhiệm vụ:

Biến đổi điện áp nguồn Ung thành điện áp phù hợp Un đặt lên bộchỉnh lưu

Biến đổi số pha nguồn thành số pha phù hợp với bộ chỉnh lưu.

Đảm bảo cho nguồn và bộ chỉnh lưu chỉ quan hệ với nhau về từ mà

không quan hệ trực tiếp về điện nên bảo vệ và điều chỉnh bộ chỉnh lưu được

CKĐ RKĐ

GT1 GT2 GT3BKC

U1, f1

- T1, T2, T3: Các tiristor, biến điện áp xoay chiều U2 thành điện áp mộtchiều.

- ĐK: Cuộn điện kháng cân bằng

- Đ: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập Đây là thành phần chủyếu, đối tượng cần điều chỉnh tốc độ

- Bộ lọc ( Đ và C0 ): Cho những thành phần xoay chiều còn sót lại điqua tụ Làm cho dòng đi qua động cơ ít nhấp nhô nên moment ít thay đổi, do

- Tiristor nào dẫn điện thì nó sẽ gánh trọn dòng điện tải

- Khi có một tiristor dẫn điện thì hai tiristor còn lại sẽ không dẫn ( nếu

ta xét bỏ qua sự chuyển mạch )

-Chế độ làm việc của chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển

và các tính chất của phụ tải Trong truyền động điện, tải của chỉnh lưuthường là cuộn kích từ ( L, R ) và mạch phần ứng động cơ ( R, L và E ) Đểđơn giản trong việc tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống chỉnh lưu bapha hình tia – động cơ trên ta có sơ đồ thay thế như sau:

Hình 2 2 Sơ đồ thay thế hệ thống chỉnh lưu ba pha hình tia – động

cơ.

Trong đó:

- EĐ: Sức phản điện động của động cơ điện

- u2a, u2b, u2c: Điện áp thứ cấp của máy biến áp BA

- Rd: Điện trở mạch một chiều ( kể cả điện trở dây quấn thứ cấp củamáy biến áp )

- Ld: Điện cảm mạch một chiều

Để tiến hành điều chỉnh tốc độ động cơ, người ta thay đổi góc kích của tiristor sẽ thay đổi được điện áp chỉnh lưu, làm cho điện áp đặt lên phầnứng động cơ thay đổi

Trong khoảng thời gian O1O2 điện áp ra Ua có giá trị lớn nhất, đồngthời tại thời điểm O1 kích xung cho T1 T1 nhận xung kích nên dẫn điện, mởcho dòng điện chạy qua còn hai van T2 và T3 bị khóa Sau thời điểm O2 trở đi

Ub có giá trị lớn nhất Tại O2, kích xung cho T2 nên T2 dẫn Lúc này ta có Ua

< Ub nên anốt của T1 có điện thế thấp hơn so với katốt của nó, do đó T1 bịkhóa Tương tự, tại thời điểm O3, T3 dẫn còn T1 và T2 bị khóa

Như vậy mỗi tiristor sẽ cho dòng chạy qua nó trong khoảng thời gian

1200 điện và giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu tiristor:

Id

Ud

EĐLdRd

u2 b

u2 c u2

a

Điện áp ngược đặt lên mỗi tiristor là hiệu số điện thế giữa anốt vàkatốt của tiristor đó:

Khi T2 dẫn:

Khi T3 dẫn:

Điểm cực trị của điện áp ngược đặt lên T1 là:

Dòng điện chỉnh lưu được san bằng có giá trị:

Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua mỗi tiristor là:

Trong khoảng 0 <  < 900, bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưuvới điện áp Ud > 0 Và trong khoảng 900 <  < 1800, bộ biến đổi làm việc ởchế độ nghịch lưu với Ud < 0 Mối quan hệ giữa Ud = f (  ) của bộ chỉnh lưutiristor được biểu diễn như sau:

- Ud0

Ud00

ÑK

nUñk

C0

T1T3T5

T4T6T2

BA

U1, f1

-CKÑ RKÑCCSX

Ñ

BKC

Hình 3 11 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống chỉnh lưu ba pha hình cầu –

Chỉnh lưu ba pha hình cầu – động cơ muốn khởi động hệ thống

ta phải kích đồng thời 2 tiristor: 1 tiristor ở nhóm lẻ T1, T3, T5 và 1 tiristor ởnhóm chẳn T2, T4, T6 Đầu tiên ta kích T1 cho T1 dẫn, sau 600 điện ta kíchtiếp T3 nghĩa là các tiristor được kích cách nhau 1/6 chu kỳ Ngoại trừ 1trong 2 tiristor lần đầu tiên chỉ dẫn trong 600 điện còn tất cả các tiristor kháckhi đã được kích nó phải dẫn trong 1200 điện Ở các thời điểm bình thường

có 2 tiristor dẫn: 1 ở nhóm chẳn và 1 ở nhóm lẻ, riêng trong thời gianchuyển mạch điện tử ứng với góc chuyển mạch  có 3 tiristor cùng dẫn:

- 1 tiristor được kích đang dẫn dần lên

- 1 tiristor dần đang dẫn và tắt dần

- 1 tiristor sẽ dẫn tiếp

Giả sử T5 và T6 đang dẫn điện

Khi ta cho  = 1 = /6 + , kích xung điều khiển cho T1 T1 mở vì Ua

> 0 T1 mở sẽ làm cho T1 bị khóa một cách tự nhiên vì Ua > Uc Lúc này T1

và T6 cho dòng chạy qua Điện áp trên tải Ud = Uab = Ua – Ub

Khi cho  = 2 = 3/6 + , kích xung điều khiển cho T2, T2 mở vì khi

T6 dẫn dòng, nó đặt lên anốt của T2 điện áp Ub, khi  = 2 thì Ub > Uc, T2 mởlàm cho T6 bị khóa lại

Các xung điều khiển lệch nhau /3 được lần lượt đưa đến cực điềukhiển của các tiristor theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1… Trong mỗi nhóm có mộttiristor mở nó sẽ khóa ngay tiristor dẫn dòng trước nó theo bảng tóm tắt sau:

Tương tự như trong hệ thống chỉnh lưu ba pha hình tia – động cơ, đểtìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống chỉnh lưu ba pha hình cầu – động

cơ ta xét góc kích  trong các trường hợp sau:

* Khi  = 0: Ta kích tại thời điểm chuyển mạch tự nhiên.

m: Số pha của hệ thống chỉnh lưu, trong trường hợp này thì m=6

* Khi   0:

Ta xét trong các khoảng thời gian:

Trong khoảng thời gian O1O2, cặp T1, T6 dẫn cho dòng điện chạy

qua Khi đó giá trị của điện áp chỉnh lưu:

Trong khoảng thời gian O2O3, cặp T1, T2 dẫn cho dòng điện chạy quanên:

 thì giá trị điện áp trung bình Ud biến thiên từ +Udmax đến –Udmax.

Trong khoảng thời gian OO1, T5 dẫn điện nên UngT1 = Uc – Ua

Trong khoảng thời gian O3O5, T3 dẫn điện nên: UngT1 = Ub –Ua

Giá trị của điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi tiristor là:

Để sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình cầu có thể làm việc được, các xungđiều khiển cần có độ rộng lớn hơn 600 điện mới có thể đảm bảo cho việc mởđồng thời 2 tiristor ở hai nhóm

2.2.Lựa chọn sơ đồ thiết kế.

So với hệ thống chỉnh lưu ba pha hình tia – động cơ thì hệ thống chỉnhlưu ba pha hình cầu có nhiều ưu điểm hơn:

Giá trị điện áp ngõ ra của chỉnh lưu hình cầu lớn hơn điện áp chỉnhlưu hình tia Độ nhấp nhô của sóng điện áp chỉnh lưu hình cầu thấp hơn hìnhtia nên chất lượng của chỉnh lưu ba pha hình cầu là tốt nhất Đây là hệ thốngđược sử dụng phổ biến nhất trong thực tế

Ngày nay, ở các hệ thống hiện đại ta có thể điều chỉnh tốc độ lớn haynhỏ hơn so với tốc độ cơ bản với phạm vi điều chỉnh lớn:

- Có độ nhạy cao, hiệu suất lớn.

*Nguyên tắc cơ bản để xây dựng hệ truyền động T-Đ đảo chiều:

_Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ _Giữ nguyên dòng kích từ và đảo chiều dòng phần ứng

Có nhiều sơ đồ xây dựng hệ truyền động T-Đ đảo chiều được phân ra

-Truyền động dùng 2 bộ biến đổi cấp cho phần ứng điều khiển riêng -Truyền động dùng 2 bộ biến đổi nối song song ngược điều khiểnchung

Tuy nhiên, mỗi loại sơ đồ đều có ưu nhược điểm riêng và thích hợpvới từng loại tải và công nghệ

Do yêu cầu của tải là:

- Cần chất lược điện áp ra tốt

- Khi nghịch lưu cần trả năng lượng về lứa

Do đó ta chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha là hợp lý nhất

Các yêu cầu khi điều khiển hệ thống tời leo :

+Khi hạ neo xuống và kéo leo lên thì hạ và nâng phải từ từ tránh hiệntượng rung tàu

Từ các yêu cầu trên ta phải thiết kế hệ thống điện có cơ cấu chấphành là động cơ điện 1 chiều:

Khi hạ neo thì động cơ thực hiện quá trình hãm tái sinh trả năng lượng

về lưới

Khi nâng leo thì ban đầu động cơ được khởi động với dòng điện là lớnnhất sau đó dòng khởi động giảm dần

Ta chọn bộ truyền động dùng 2 bộ biến đổi nối song song ngượcđiều khiển chung bởi nó dùng cho dòng công suất vừa và lớn có tần số đảochiều cao và thực hiện đảo chiều êm hơn

*)Các thông số cơ bản của van động lực được tính.

Điện áp ngược: Ulv=knv U2

Với:

knv : hệ số điện áp ngược của van

ku: hệ số điện áp tải phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu đã chọn

ku=3√6

π =2.34

d 2

b Dòng điện làm việc của van

Dòng điện làm việc của van được chọn theo giá trị hiệu dụngchạy quavan theo sơ đồ đã chọn (Ilv=Ihd).Dòng điện hiệu dụng được tính :

Khi có cánh tản nhiệt với đủ diện tích bề mặt van làm việc với 40%

Idmv(Idmv> 2.5Ilv)

Idmv=ki.Ilv

ki: hệ số dự trữ về dòng điện chọn ki=4(với điều kiện làm việc trên

Ilv= (10 ¿ 30)%Idmv ở đây chọn Ilv= 25%Idmv)

Vậy Idmv=4.46,1=184.4(A)

Tra bảng tiristor căn cứ vao 2 giá trị điện áp ngược Unv=838(V),vàdòng điện định mức Idmv=184,4(A) lớn hơn gần nhất với hai giá trị nay

2.3.Tính toán máy biến áp.

MBA xoay chiều 3pha 3 trụ sơ đồ đấu dây kiểu ∆/Y làm mát tự nhiênTính các thông số cơ bản :

1.Công suất biểu kiến của MBA

Sba=ks.Pd

ks: Hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực ( ks=1,05)

Pd:Công suất điện từ

Phương trình cân bằng điện áp khi có tải :

Ud0.cosαmin=Ud+2.∆Uv+∆Udn+∆Uba

Trong đó :

0 min

6.Tiết diện sơ bộ mạch từ:

Tiết diện lõi thép biến áp QFe được tính:

áp 1pha)

f : tần số dòng điễnoay chiều (Hz)

kQ: hệ số phụ thuộc vào cách làm mát kQ=5 ¿ 6 nếu là biến áp khô,

kQ=4 ¿ 5 nếu là biến áp dầu

*Tính toán dây quấn

10.Số vòng dây mỗi pha MBA sơ cấp:

w1= U1

4 ,44 f1.Q Fe .B T=

380

4 , 44.50 110.10−4 1≈155 (vòng)11.Số vòng mỗi pha thứ cấp MBA:

W2=kba.W1=0,51*155=79(vòng)

12.Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong dây dẫn

J: mật độ dòng điện trong dây dẫn(A/mm2)

J=2 ¿ 2,75(A/mm2)

Chọn J1=J2= 2.75 (A/mm2) ( đối với dây dẫn bằng đồng và MBA khô)