thiết kế bộ điều khiển chỉnh lưu có đảo chiều cung cấp cho động cơ điện một chiều

Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện với nhau tạo thành một khối tẩm sơn cách điện trước khi đặt lên các cực từ + Cực từ phụ: Cự

THIẾT KẾ MÔN HỌC MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ĐỀ BÀI: Đề số 38

Thiết kế bộ điều khiển chỉnh lưu có đảo chiều cung cấp cho động cơ điện

một chiều

Thiết kế bộ chỉnh lưu có điều khiển Điện áp nguồn: Udm = 3.380V 10% AC,

50 HzĐộng cơ: 10kW, 440V DC, 3000v/ph

Giáo viên hướng dẫn : ĐOÀN VĂN TUÂN

Sinh viên : LÊ MẠNH LINH

Mã sinh viên : 39186

Lớp : ĐTĐ51 - ĐH2

Hải Phòng, năm 2012

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 Tổng quan về động cơ điện một chiều

1.1.1 Phân loại

Động cơ điện một chiều chia làm nhiều loại theo sự bố trí của cuộn kích từ :

- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

- Động cơ điện một chiều kích từ song song

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

1.1.2 Cấu tạo

Động cơ điện một chiều có thể chia làm hai phần chính: Phần tĩnh và phần động

- Phần tĩnh ( stato)

Đây là phần đứng yên của máy bao gồm các bộ phận chính sau:

+ Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường chính gồm lõi sắt cực

từ và dây quấn cực từ lồng ngoài lõi sắt cực từ lõi sắt cực từ được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm được ép lại vàtán chặt trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối cực từ được gắn chặtvào vỏ máy nhờ bulong Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện với nhau tạo thành một khối tẩm sơn cách điện trước khi đặt lên các cực từ

+ Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng

để cải thiện đổi chiều lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và

trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn và cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ các bulong

Gông từ: Gông từ được dùng để ghép nồi tiếp các cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động cơ nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại trong máy điện lớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điệnnhỏ lại sử dụng gang làm vỏ máy.

+ Các bộ phận khác

Bao gồm:

• Nắp máy: Dùng để bảo vệ khi các vật xung quanh rơi, va vào gây hư hỏng dây quấn và đảm bảo an toàn cho người khỏi chạm vào điện trong máy điện nhỏ và vừa, nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp này, nắp máy thường được làm bằng gang

• Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay bên trong ra ngoài Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đạt trong hộp chổi nhờ một lò

xo tì lên cổ góp Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổi than có thể quay được để có thể điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ Sau khi dùng xong thì dùng vít cố định lại

- Phần quay ( Roto)

+ Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ thường dùng những tấm thép

kỹ thuật điện phủ cách điện ở hai mặt rồi ép chặt để giảm tổn hao dòng xoáygây ra Trên lõi thép có dập hình dạng rảnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấnvào

Trong nhữ động cơ điện trung bình trở lên, người ta thường dập những lỗthông gió để khi ghép lại có thể tạo thành những lỗ thông gió dọc trục

Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường được chia làm những đoạn nhỏ Giữa những đoạn ấy thường để một khe gọi là khe hở

thông gió Khi máy làm việc, gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn

Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để

đè chặt hoặc đai chặt dây quấn

+ Cổ góp

Dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành một chiều Cổ góp gồm nhiều phiến đồng được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2

mm và hợp thành một trục tròn Hai đầu trục hình tròn, dùng 2 tấm ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp và trụ tròn cũng được bọc cách điện bằng mica

+ Các bộ phận khác

• Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy Máy điện một chiều thường được chế tạo theo kiểu bảo vệ ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió Cánh quạt lắp trên trục máy Khi động cơ quay, gió được hút từ ngiaif váo trong máy

• Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ

bi Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt

+ Tốn nhiều kim loại màu

+ Chế tạo, bảo quản khó khăn

+ Giá thành đắt hơn các loại máy điện khác

1.1.4 Sơ đồ nguyên lý

1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Truyền động điện được dùng để dẫn động các bộ phận làm việc của cácmáy sản xuất khác Thường phải điều chỉnh tốc độ chuyển động của các bộphận làm việc Vì vậy điều chỉnh tốc độ động cơ điện là biến đổi tốc độ mộtcách chủ động, theo yêu cầu đặt ra cho các qui luật chuyển động của bộ phậnlàm việc mà không phụ thuộc mômen phụ tải trên trục động cơ

Xét riêng về phương diện tốc độ của động cơ điện một chiều là có nhiều

ưu điểm hơn với các loại động cơ khác, không những có thể điều chỉnh tốc

độ dễ dàng, đa dạng các phương pháp điều chỉnh, cấu trúc mạch động lực,

mạch điều khiển đơn giản hơn Đồng thời đạt chất lượng điều chỉnh cao,dải điều chỉnh rộng

Thực tế có 2 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều bằngđiện áp:

+ Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ

+ Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ

Vì vậy cần phải có những bộ biến đổi phù hợp để cung cấp mạch điệnphần ứng hoặc mạch kích từ của động cơ Cho đến nay thường sử dụngnhững bộ biếnđổi dựa trên các nguyên tắc truyền động sau đây :

+ Hệ truyền động máy phát – động cơ (F – Đ)

+ Hệ truyền động chỉnh lưu tiristor – động cơ (T – Đ) ( được sử dụngvới đồ án này )

► Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ (T-Đ)

Thường được sử dụng bộ chỉnh lưu có thyristor Tốc độ động cơ thay đổibằng cách thay đổi điện áp chỉnh lưu cấp cho phần ứng động cơ Để thay đổiđiện áp chỉnh lưu, ta chỉ cần sử dụng mạch điều khiển, thay đổi thời điểmthông thyristor

+ Ưu điểm của hệ này là tác động nhanh, không gây ồn và dễ tự độnghoá Do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất cao Điều đóthuận lợi cho việc thiết lập hệ điều chỉnh nhiều vòng, để nâng cao chất lượngđặc tính tĩnh và các đặc tính của hệ thống

+ Nhược điểm của hệ là do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạngchỉnh lưu của điện áp có biên độ đập mạch gây tổn hao phụ trong máy điện

hệ số công suất cosɸ của hệ thống nói chung là còn thấp tính dẫn điện mộtchiều của van buộc ta phải sử dụng hai bộ biến đổi để cung cấp điện chođộng cơ có đảo chiều quay.

1.3 Các phương pháp chỉnh lưu có đảo chiều

• Các bộ chỉnh lưu một chiều dùng cho động cơ một chiều cần quay theo

cả hai chiều với chế độ làm việc ở cả 4 góc điều chỉnh

• Tuỳ theo yêu cầu về chất lượng điều chỉnh mà có thể dùng các sơ đồsau:

1.3.1 Dùng phương pháp đảo chiều bằng đảo dấu điện áp đặt vào phầnứng động cơ nhờ 2 mạch chỉnh lưu

1.3.2 Dùng phương pháp đảo chiều kích từ

1.3.3 Đảo chiều phần ứng động cơ bằng công tắc tơ T và N

Kt

1.3.4 Đảo chiều kích từ bằng công tắc tơ T và N

Chương 3 Tính toán và thiết kế mạch điều khiển

3.1 Yêu cầu đối với mạch điều khiển

- Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi Tiristo vì nóđóng vai trò chủ đạo trong việc quyết định chất lượng và độ tin cậy củaBBĐ Yêu cầu của mạch điều khiển có thể tóm tắt trong 6 điểm chính sau:

+ Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển

+ Yêu cầu về độ lớn xung điều khiển

N

T T N

Kt

+ Yêu cầu về độ dốc sườn trước của xung (càng cao thì việc mở càngtốt thông thường 0,1A/μ,

dt

diDK

+ Yêu cầu về sự đối xứng của xung trong các kênh điều khiển

+ Yêu cầu về độ tin cậy

Điện trở kênh điều khiển phải nhỏ để Tiristor không tự mở khi dòng

Thiết bị thay thế dễ lắp ráp và điều chỉnh

Dễ lắp lẫn và mỗi khối có khả năng làm việc độc lập

3.2 Nguyên lý chung của mạch điều khiển.

3.2.1 Nhiệm vụ của mạch điều khiển

là tạo ra các xung vào ở những thời điểm mong muốn để mở các van độnglực của bộ chỉnh lưu

- Tiristor chỉ mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp dương đặt trênAnốt và có xung áp dương đătj vào cực điều khiển không còn tác dụng gìnữa

- Chức năng của mạch điều khiển :

+ Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳdương của điện áp đặt trên anốt – katốt của tiristor

+ Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở tiristor độ rộng xung tx <10s Biểu thức độ rộng xung:

dt di

I

t dt

x 

Trong đó: Iđt là dòng duy trì của tiristor

di/dt : tốc độ tăng trưởng của dòng tải

Đối tượng cần điều khiển được đặc trưng bởi đại lượng điều khiển là góc .3.2.2 Cấu trúc của mạch điều khiển tiristor

Uđk là điện áp điều khiển , điện áp một chiều

Ur là điện áp đồng bộ, điện áp xoay chiều hoặc biến thể của nó, đồng bộvới điện áp anốt – catốt của tiristor

Hiệu điện áp Uđk – Ur dưa vào khâu so sánh (1) làm việc như một Trigơ

Khi Uđk – Ur = 0 thì trigơ lật trạng thái, ở đầu ra nhận được một chuỗi xung(sinUs chữ nhật ).

Khâu 2 : là đa hài một trạng thái ổn định

Khâu 3 : là khâu khuyếch đại xung

Khâu 4 : là biến áp xung

Tác động vào Uđk có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển tức là điềukhiển góc 

3.2.3 Nguyên tắc điều khiển

* Mạch điều khiển tiristor có thể phân loại theo nhiều cách Song các mạchđiều khiển đều dựa theo nguyên lý thay đổi góc pha và theo đó ta có hainguyên lý khống chế “ngang” và khống chế “đứng”

- Khống chế “ngang “ là phương pháp tạo góc  thay đổi bằng cách dịchchuyển điện áp ra hình sin theo phương ngang so với điện áp tựa

+ Nhược điểm của phương pháp khống chế này là góc  phụ thuộcvào dạng điện áp và tần số lưới, do đó độ chính xác của góc điều khiển thấp

- Khống chế “đứng” là phương pháp tạo góc  thay đổi bằng cách dịchchuyển điện áp chủ đạo theo phương thẳng đứng so với điện áp tựa răng cưa

+ Phương pháp khống chế “đứng” có độ chính xác cao và khoảng điềukhiển rộng ( từ 0 -> 1800 )

+ Có hai phương pháp điều khiển “đứng “:

across tuyến tínha) Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

Tổng đại số của Ur + Uđk đưa đến đầu vào của một khâu so sánh Bằng cáchlàm biến đổi Uđk ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra tức

dk U

U π.

α 

b) Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “acrcoss”

Nguyên tắc này dùng hai điện áp:

+ Điện áp đồng bộ Ur vượt trước điện áp anốt – catốt một góc bằng /

2 (Nếu UAK = A.sinwt thì Ur = B.coswt )

+ Điện áp điều khiển được Uđk là điện áp một chiều có thể điều chỉnhđược biên độ theo hai hướng (dương và âm)

Trên hình vẽ đường nét đứt là điện áp anốt – catốt tiristor, từ điện áp nàyngười ta tạo ra Ur Tổng đại số Ur + Uđk được đưa đến đầu vào của khâu sosánh

Khi Ur + Uđk = 0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh :

3.3 Tính toán các thông số của mạch điều khiển

3.3.1 Nguyên lý hoạt động của sơ đồ điều khiển:

Khi cấp nguồn điện 380V vào sơ cấp của BA nguồn phía thứ cấp của BA

hạ áp qua cuộn dây W2-1 qua cầu chỉnh lưu hai nửa chu kì D9 và D10 điện

áp tại điểm (I) U1 là điện áp một chièu hình sin láy phần dương và đặtvào cửa đảo của thuật toán A1 tại đây so sánh với điện áp U đặt được đưavào cửa trừ của A1

Nếu Ur <Uđ thì Ura trên OA1là điện áp dương điốt D11 mở lúc này tụ C8

được phóng điện từ C8 đến R5 -> D11 qua OA1 về âm nguồn

Do sự đóng mở của D11làm trên tụ C8 phóng nạp tạo ra trên (III) mộtđiện áp hình răng cưa Độ dốc của răng cưa có thể thay đổi qua triết áp

VR2 Do đó điốt zơle (Dz) nên diện áp trên tụ max khi nạp luôn bằng điện

áp ngưỡng trên điốt zơle Điện áp răng cưa được đưa vào cửa đảo của

OA7 và so sánh với điện áp điều khiển.Điện áp điều khiển này được lấy

từ điện áp phản hồi đưa vào so sánh với điện áp đặt qua bộ cộng đảodấu Khi tốc độ trên mạch lực thay đổi , tốc độ phản hồi cũng thay đổi tỉ

lệ thuận với điện áp trên mạch lực và đưa vào khâu so sánh để khuyếchđại đưa đến tín hiệu điều khiển để điều khiển sự thay đổi góc mở .Trong mạch vòng phản hồi có mạch vòng phản hồi dòng điện Dòngđiện qua sun thay đổi thì điện áp phản hồi qua sun thay đổi.Tín hiệu điềukhiển đưa vào cửa cộng của khâu so sánh Nếu Urc>Uđhthì đầu ra của OA3

là xung âm.Nếu Urc<Uđk thì đầu ra của OA3 là xung dương Khi đó bộ phátxung chùm dưới sự phóng nạp của tụ C9 tạo ra chuỗi xung hình chữnhật.Vì tín hiệu ra nhỏ được khuếch đại qua đèn Ts , xung qua điốt Đ13 chỉgiữ lại phần âm được trộn lẫn với xung ra từ khâu so sánh A3 tạo thànhtừng chùm xung dương Nhưng tín hiệu xung vẫn chưa đủ lớn để kích mởTiristo do đó được đưa qua bộ khuếch đại xung Các transisto mắc theokiểu Dalingtơn Xung dương được đặt vào bazơ của T1làm T1 mở và T2

mở theo khi đó có xung đi vào biến áp xung.Trên cuộn thứ cấp của biến

áp xung có xung để kích mở tiristo Khi xung tắt T1vàT2 bị khoá ,điện áptrên biến áp xung giảm đột ngột ,cuộn dây của biến áp xung xuất hiện sứcđiện động cảm ứng ngược dấu lúc đó điốt D15và D19 thông dập tắt sứcđiện động để bảo vệ các transistor

3.3.2 Tính toán các khâu của mạch điều khiển

Theo như trên ta đã tính toán cho mạch lực:

Ud=440(v) Id= 68,18 (A)

Ơ đây mạch điều khiển sẽ điều khiển điện áp cũng như dòng điện ởmạch lực cho phù hợp với yêu cầu

Để tính toán cụ thể cho mạch điều khiển ta điều khiển điện áp mạchlựcđể cung cấp cho động cơ điện một chiều

1.Tính toán khối đồng pha

Nguyên lý hoạt động của khối đồng pha:

Khi cấp nguồn 220v vào sơ cấp của biến áp đồng pha,phía thứ cấp củabiến áp được hạ áp.Giả sử tại thời điểm ban đầu t=0,nửa chu kỳ đầu điện

áp dương đặt trên D1 ,D1 sẽ thông và D2 sẽ bị khoá,nửa chu kỳ sau tại thờiđiểm t2=  điện áp xoay đảo dấu và thế dương được đặt vào anốt D2 ,D2sẽthông và D1bị khoá.Vậy điện áp trên điểm (I) là điện áp xoay chiều đươcđưa qua chỉnh lưu thành điện áp một chiều nửa hình sin

Điện áp một chiều nửa hình sin liên tiếp tại (I) được đưa vào cửa cộngcủa khâu so sánh OA1.Điện áp được đưa vào cửa đảo của OA1 là điện ápmột chiều phẳng Uđ có giá trị :Uimin <Uđ< UImax Khi điện áp đặt vào cửacộng của OA1 lớn hơn điện áp Uđ trên cửa đảo của OA1thì tại cửa ra của

OA một điện áp dương.Còn khi điện áp trên cửa cộng của OA nhỏ hơnđiện áp trên cửa đảo thì điện áp ra của OA1 sẽ là một điện áp âm đặt lênđiốt D35.Như vậy OA1 có nhiệm vụ so sánh điện áp nửa hình sin của U1

với Uđ trên cửa đảo và tạo ra trên đầu ra một điện áp dương ,âm liên tiếpdạng âm

+E

Tính toán khối đồng pha:

Chọn E+ = 12

.sinθ U

E

3 3 1





-> VR1 = 10,6(k) Thường chọn điện trở R1 và R2 sao cho dòng vào khuyếch thuật toán

IV<1mA

Chọn R1 = R2 = U/I =9/10-3 = 9(k)

Chọn R1 = R2 = 10k

2.Khâu tạo điện áp răng cưa

Nguyên lý hoạt động của khâu tạo điện áp răng cưa :

Mạch làm nhiệm vụ tạo điện áp răng cưa đưa vào cửa đảo của A3.Khi

Uđf>0 thì D11 mở tụ C8 phóng theo đường

+E -> VR2 -> R4 -> C8 -> A2 về âm nguồn

+ Tính chọn khâu răng cưa :

Điện áp tựa được hình thành do sự nạp của tụ C1 , mặt khác để dảm bảođiện áp tựa có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng sốthời gian tụ nạp được :

T1 = R.C = 0,005 (s)

D10

D10 +E

Chọn tụ C1 = 0,47F thì R3 = T/C = 0,005/0,47.10-6 = 10.103() =10(k)

Giá trị điện tích trên tụ C8:

0 n 4 2 c

θ

θ

0 4

2

θ

θ

0 n

c

U I R VR

E C

1 U

U dt R VR

E C

1 U dt i C

1 U

1

0 1

U0 là điện áp trên tụ khi bắt đầu nạp tụ C8

U0 = UD 7 ta chọn điốt rơle có điện áp ngưỡng :

Ung D 7 = 9,1 (V) Chọn nguồn nạp :  12V

Để cuối quá trình nạp Uc = 0 ta cần chọn :

VR4 + R4 sao cho :

9,1.C

12.9,2.10 R

VR

0 U ).C R (VR E.T

3 - 4

2

0 4

2 n

12 R VR

E

4 2

0,8.10 R

0,8(ms) R

C I

) U (U C T

.I t C

1 U U

U T I C

1 U I.dt C

1 U

6

3 5

5 8 P

0 C 8 P

P p 8 0 c

θ

θ

0 P P 8

0 8