Chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn điều khiển động cơ 1 chiều kích từ độc lập

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT NGÀNH TỰ ĐỘNG HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN CHUYÊN NGÀNH TỰ ĐỘNG HÓA ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ CÔNG NGHIỆP Thiết kế bộ chỉnh tốc độ cho độ.Chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn ,điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN

CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA & ĐIỀU KHIỂN

THIẾT BỊ CÔNG NGHIỆP

Thiết kế bộ chỉnh tốc độ cho động cơ một chiều sử dụng chỉnh

lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn.

Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Thị Thùy Linh

Sinh viên thực hiện:

Phạm Xuân Thành -19810430227 Phạm Văn Thanh -19810430347 Nguyễn Văn Trường - 19810430226 Nguyễn Văn Trường - 19810430276 Đặng Khánh Toàn - 19810430246 Lớp: D14TĐH&ĐKTBCN3

HÀ NỘI, … /2021

Lời mở đầu

Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoahọc kỹ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện tử thì cácthiết bị điện tử có công suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều Và đặc biệtcác ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã

và đang được phát triển hết sức mạnh mẽ

Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp củacông nghiệp thì ngành điện tử công suất luôn phải nghiên cứu để tìm ra giải ph

áp tối ưu nhất Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hoá hiện đại hoá của Nhànước, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đa công nghệ tựđộng điều khiển vào trong sản xuất Do đó đòi hỏi phải có thiế bị và phươngpháp điều khiển an toàn, chính xác Đó là nhiệm vụ của ngành điện tử công suấtcần phải giải quyết

Cũng với lý do đó, trong học kỳ này chúng em được nhận đồ án môn họcđiện tử công suất với đề tài: “Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ cho động cơ mộtchiều sử dụng chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn” Với sự hướng dẫntận tình và chỉ bảo của cô giáo, TS Phạm Thị Thùy Linh chúng em đã tiến hànhnghiên cứu và thiết kế đồ án Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng vàkiến thức thực tế còn chưa tốt nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, kínhmong thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến để đồ án của chúng em hoàn thiện hơn

Chúng em xin trân thành cảm ơn!

Đề tài đồ án

Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ cho ĐC MC sử dụng Chỉnh lưu cầu 1 phađiều khiển hoàn toàn Thông số của động cơ: P = 0,45 kW; Udm= 220V ; Idm =5A,Ikt=0,1A,ndm=1300v/ph.Dải điều chỉnh tốc độ D = 5 :1

Chương 1 : Kiến thức tổng quát

Giới thiệu về van bán dẫn Thyristor

Van Thyristo: đặc điểm cấu tạo, ký hiệu, đặc tính vôn –ampe, điều kiện mở van,khóa van, các thông số cơ bản của van

Giới thiệu chung về bộ chỉnh lưu

- Khái niệm, phân loại, đặc điểm nguyên lý hoạt động của các bộ chỉnh lưu

- Phân tích sơ đồ chỉnh lưu được lựa chọn

Chương 2 : Nghiên cứu tính toán thiết kế mạch lực

Thiết kế mạch lực

- Vẽ sơ đồ mạch lực đầy đủ bao gồm các phần tử bảo vệ

- Phân tích chức năng của từng phần tử trong mạch

Tính toán lựa chọn các phần tử trong mạch lực

Chương 3 : Tính toán thiết kế mạch điều khiển

Cấu trúc tổng quát của mạch điều khiển

-Phân tích nguyên lý hoạt động của từng khâu

Tính toán sơ đồ mạch điều khiển

- Từ thông số của van đã lựa chọn, và dựa trên đặc tính điều khiển lựa chọn từngkhâu trong mạch điều khiển (R, C, OA,…) đưa ra bảng thông số :

- Khâu đồng pha

- Khâu tạo điện áp răng cưa

- Khâu so sánh

- Khâu tạo xung

- Khâu khuếch đại

- Khâu tạo điện áp điều khiển

Chương 4: Mô phỏng mạch lực và mạch điều khiển

Trình bày về phần mềm được sử dụng để mô phỏng (PSIM, Tina, Multisim,Pspice, Matlab )

Mô phỏng mạch điều khiển + mạch lực

Chỉ rõ các thông số cài đặt, thời gian mô phỏng, bước tính toán…

Đưa ra các đồ thị kết quả và phân tích kết quả

5: Tài liệu tham khảo

Mục lục

Lời mở đầu

Đề tài đồ án

Chương 1 Kiến thức tổng quát 1

1.Giới thiệu chung về động cơ kích từ độc lập 1

1.1.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều kích từ độc lập .1 1.2.Phương trình đặc tính cơ 2

1.3.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ 4

2.Giới thiệu chung về bộ chỉnh lưu 7

2.1.Van Thyristor 7

2.2 Các thông số cơ bản của Thyristor 9

2.3.Phân loại các bộ chỉnh lưu 9

2.4.Phân tích chỉnh lưu được lựa chọn 11

Chương 2: Nguyên cứu tính toán thiết kế mạch lực 13

1 Thiết kế mạch động lực 13

2 Tính toán thông số động cơ 13

3.Tính chọn các phần tử trong mạch lực 14

3.1 Tính chọn Thyristor: 14

3.2Tính toán máy biến áp chỉnh lưu 15

Chương 3 Thiết kế các phần tử mạch điều khiển 18

1.Giới thiệu chung 18

1.1 Sơ đồ khối điều khiển thyristor: 18

1.2.Yêu cầu của mạch điều khiển: 18

1.3 Nhiệm vụ mạch điều khiển: 18

1.4 Nguyên tắc điều khiển: 19

2.Thiết kế mạch điều khiển 19

2.1.Khâu đồng pha 19

2.2.Khâu tạo điện áp tựa 20

2.3.Khâu so sánh 21

2.4.Khâu tạo xung 21

2.5.Khâu khuếch đại và biến áp lực 22

Chương 4 Mô phỏng mạch và điều khiển động cơ 23

1.Giới thiệu phần mềm mô phỏng Psim 23

2.Sơ đồ mạch điều khiển 27

KẾT LUẬN 30

Danh mục tài liệu tham khảo 31

Chương 1 Kiến thức tổng quát

1 Giới thiệu chung về động cơ kích từ độc lập

1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều kích từ độc lập

Động cơ điện một chiều gồm hai phần chính là phần tĩnh và phần động.-Phần tĩnh hay stato hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra

Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng vàmạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập nhau Lúc này động cơ được gọi làđộng cơ điện một chiều kích từ độc lập

Hình2.Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

1.2 Phương trình đặc tính cơ

Ta có phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:

Uư =Eư + (Rư + Rf) Iư (1.1)Trong đó:

+ rct rư: Điện trở cuộn dây

phần ứng rcf: Điện trở cuộn dây

cực từ phụ rct: Điện trở tiếp xúc

cuộn bù

Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:

𝑃.𝑁Trong đó:

E=

2𝜋 𝑎 Ф ω = K Ф ω (1.2)

P:Số đôi cực từ chính

N:Số thanh dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng

a:Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

:

ω:Tốc độ góc (rad/s)

Mặt khác, mô men điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi:

Theo các đồ thị, khi Iư =0 hoặc M = 0 ta có : ω = 𝑈

𝐾.Ф= 𝜔0

𝜔0: được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ điện một chiều kích từđộc lập

Hình 3 Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều

Khi ω = 0 ta có:

I =

𝑅𝑢

𝑈 +

.I = 𝑈(

1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ

1.3.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng

Nguyên lý điều khiển: Trong phương pháp này người ta giữ U = Uđm, Ф =

Ф đm và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng[3]

Độ cứng của đường đặc tính cơ :

Hình 4 Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ

Ứng với Rf = 0 ta có độ cứng tự nhiên β TN có giá trị lớn nhất nên đặc tính

cơ tự hiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ Nhưvậy, khi ta thay đổi Rf ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên.Đặc điểm của phương pháp:

 Đánh giá các chỉ tiêu: Phương pháp này không thể điều khiển liên tụcđược mà phải điều khiển nhảy cấp Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômentải, tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh D = ωmax / ωmin càng nhỏ Phương pháp này

có thể điều chỉnh trong dải D = 3 : 1

 Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trởphụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản

1.3.2 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồnnhư máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển …Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành mộtchiều có sức điện động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk Vì nguồn cócông suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb vàđiện cảm Lb khác không Để đưa tốc động cơ với hiệu suất cao trong giới hạnrộng rãi 1:10 hoặc hơn nữa

Hình 5 Sơ đồ dung bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng

1.3.3 Phương pháp thay đổi từ thông

Nguyên lý điều khiển:

Giả thiết U= Uđm, Rư = const Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổidòng điện kích từ, thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếpbiến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ Bìnhthường khi động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa (ϕ = ϕmax )

mà phương pháo này chỉ cho phép tang điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể

điều chỉnh theo hướng giảm ϕ tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độđịnh mức nên khi giảm từ thông thì tốc độ không tải lý tưởng

2 Giới thiệu chung về bộ chỉnh lưu

2.1.Van Thyristor

Cấu tạo của thyristor gồm 3 lớp NPN và mắc vào mạch ngoài gồm 3 cổng:cực dương A, cực âm C và cổng điều khiển G Về mặt lý thuyết tồn tại cấu trúcthyristor PNPN và NPNP, nhưng trong thực tế người ta chỉ phát triển và sử dụngloại PNPN

Ký hiệu của SCR là một diode bán dẫn có thêm cực điều khiển G

Hình.6 Cấu tạo và kí hiệu của Thyristor

Nguyên lý hoạt động:

Ta thấy SCR có thể coi như tương tương với hai transistor PNP và NPN liên kếtvới nhau qua ngõ nền và thu

Hình7 Nguyên lý hoạt động của Thyristor

Khi đưa vào mạch G, K (tương ứng với B – E của transistor NPN) mộtxung dòng IG, transistor sẽ đóng Dòng điện dẫn tiếp tục qua mạch E – B củatransistor PNP và đóng nó Các transistor sẽ tiếp tục đóng ngay cả khi dòng IG bịngắt

Dòng qua cực C của một transistor cũng chính là dòng đi qua cực B củatransistor thứ hai và ngược lại Các transistor vì vậy cùng nhau duy trì ở trạngthái đóng

-Trạng thái ban đầu của Thyristor:

Khi thyristor bị ngắt (không dẫn điện) thì cực A có thể chịu được điện ápdương so với cực K (tức ở trạng thái khóa), hoặc điện áp âm so với cực K (trạngthái nghịch)

Hiện tượng Thyristor: Quá trình chuyển từ trạng thái ngắt sang trạng thái

dẫn thỏa mãn 2 điều kiện:

+ Khi thyristor ở trạng thái khóa (UAK > 0)

+ Khi có xung dòng điện kích iG đủ lớn

Hiện tượng ngắt thyristor Quá trình chuyển từ trạng thái dẫn diện sang không dẫnđiện (tức trạng thái nghịch hoặc trạng thái khóa) Quá trình này gồm 2 giai đoạn:+ Giai đoạn làm dòng thuận bị triệt tiêu bằng cách thay đổi điện trở hoặc điện ápgiữa cực A và K

+ Giai đoạn khôi phục khả năng khóa của thyristor Sau khi dòng thuận bị triệttiêu, cần có một thời gian ngắt để chuyển thyristor vào trạng thái khóa

-Đặc tính Vôn-Ampe của thyristor:

A

Hình 8 Đặc tính Vôn-ampe của thyristor

– Nhánh thuận (1): thyristor ở trạng thái dẫn điện Độ sụt áp giữa A-K nhỏ không

đáng kể

+ Thông thường, ta đóng thyristor bằng xung dòng qua mạch G, K Điện trởthuận rT và điện áp thuận UTO được định nghĩa tương tự như trường hợp ở diode.+ Khác với diode, các nhánh thuận của thyristor không bắt đầu từ góc zero của hệtrục mà từ giá trị iH (holding current) dòng duy trì ở trạng thái dẫn Nếu giá trịdòng giảm nhỏ hơn iH thì thyristor trở về trạng thái khóa

+ Ngay sau khi đóng thyristor, trước khi dòng cổng iG tắt, đòi hỏi dòng thuậnphải đạt đến giá trị dòng chốt iL (Latching), trong đó iL > iH.

– Nhánh nghịch (3): ứng với trạng thái nghịch.

Tương tự như diode, dòng qua thyristor chỉ là dòng ngược bão hòa có giá trịrất nhỏ Nếu điện áp phân cực ngược đạt đến giá trị điện áp đánh thủng (UBR) thìdòng qua thyristor tăng động ngột, lớp tiếp giáp của thyristor bị đánh thủng

Khi thyristor ở trạng thái nghịch việc kích vào cổng G sẽ làm tăng dòngnghịch một cách vô ích

– Nhánh khóa (2): ứng với trạng thái khóa

Nếu dòng iG = 0 thì dạng nhánh khóa tương tự như nhánh nghịch Tương

tự ta có điện áp đóng uBO thay vì điện áp đánh thủng uBR Khi điện áp đạt đến giátrị uBO, thyristor sẽ chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái dẫn điện

Khi iG thay đổi, tùy thuộc vào độ lớn iG mà giá trị của điện thế khóa thayđổi theo, điện thế khóa sẽ giảm khi iG tăng Hiện tượng thyristor dẫn diện do tácdụng điện áp vượt quá uBO (iG = 0) là sự cố do quá điện áp xuất hiện trên điệnlưới gây ra

2.2 Các thông số cơ bản của Thyristor

Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor, Iv

Điện áp ngược cho phép lớn nhất, Ung.max

Thời gian phục hồi tính chất khóa của Thyristor, tr

(∆s) Tốc độ tăng điện áp cho phép

Tốc độ tăng dòng cho phép

2.3.Phân loại các bộ chỉnh lưu

Bộ chỉnh lưu dùng để biến đổi điện áp xoay chiều thành dòng điện mộtchiều cấp cho tải Sơ đồ cấu chúc của Bộ chỉnh lưu thường gồm các khâu cơ bảnsau đây:

Hình 9 Sơ đồ cấu trúc bộ chỉnh lưu

BAL - biến áp lực có chức năng chuyển cấp điện áp và số pha chuẩn củalưới điện sang giá trị điện áp và số pha thích hợp với mạch chinh lưu - tải Nếu cảđiện áp và số pha nguồn đã phù hợp với tải có thể không cần dùng Bị lực khi sửdụng sơ đồ đấu van kiểu cầu; trường hợp dùng sơ đồ đấu van hình tia luôn bắtbuộc phải có BA

My - mạch vạn, các van bán dẫn được đấu theo một kiểu sơ đồ nào đó, ởđây trực tiếp thực hiện quá trình biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điệnmột chiều Vì vậy đây là khâu không thể thiếu được trong MCL

MEK - mạch điều khiển Khi MV sử dụng van bán dẫn điều khiển được(như thyristor) sẽ có mạch này để thực hiện việc cho van dẫn dòng vào các thờiđiểm cần thiết nhằm khống chế năng lượng đưa ra tải Khi dùng van điốt sẽkhông có mạch này Tùy thuộc van sử dụng mà các chỉnh lưu được phân thành

ba loại sau:

• Nếu các van đều là thyristor thì gọi là chỉnh lưu điều khiển

• Nếu van được dùng là điốt, gọi là chỉnh lưu không điều khiển,

• Nếu mạch van dùng cả điặt và thyristor, gọi là chỉnh lưu bán điều khiển.LSB - mạch lọc san bằng Khâu này nhằm đảm bảo điện áp hay dòng điện

ra bằng phẳng theo mong muốn của tài Nếu điện áp sau MV đã đạt yêu cầu, cóthể bỏ khâu LSB

HT - khối hỗ trợ, gồm các mạch giúp theo dõi và đảm bảo BCL hoạt độngbình thường, thí dụ như mạch tín hiệu, mạch đo lường điện áp và dòng điện,mạch bảo vệ, nguồn một chiều ổn định cho mạch điều khiển và khống chế Nhiệm vụ của người thiết kế là xuất phát từ yêu cầu kỹ thuật cụ thể củaBCL để xây dựng sơ đồ cấu trúc các khâu chức năng cần có Từ đó tiến hànhtriển khai tính toán tỉ mỉ từng khâu để có một BCL hoàn chỉnh Trong chươngnày sẽ trình bày chi tiết trình tự thiết kế BCL, trước tiên người thiết kế phải cóhiểu biết những vấn đề cơ bản trong thiết kế BCL được đề cập trong các mục đầutiên dưới đây

Sơ đồ các mạch chỉnh lưu chính:

Hình 10 Sơ đồ mạch chỉnh lưu cơ bản

a Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ (chinh lưu hành tia một pha), hình 9a.

b Chỉnh lưu một pha có điểm trung tính (chinh lưu hình tia hai pha), hình 9b.

c Chỉnh lưu hình tia ba pha, hình 9c.

d Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển, hình 9d.

e Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển, hình 9e.

g Chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng (đấu song song hai mạch chỉnh

lưu hình tia

ba pha), hình 9g.

h Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển có thyristor đấu thẳng hàng, hình 9h.

i Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển với thyristor đấu katột chung, hình 9i.

k Chỉnh lưu cầu ba pha bản điều khiển các thyristor đấu katột chung, hình 9k.

2.4.Phân tích chỉnh lưu được lựa chọn

Chỉnh lưu cầu 1 pha

Hình11 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha

Số lượng van phải gấp đôi sơ đồ hình tia nên sụt áp trong mạch van cũngtăng gấp đôi Để đưa dòng điện ra tải luôn cần có hai van dẫn, vì vậy xung điềukhiển cũng phải đưa tới hai van cùng một thời điểm: Ig1 đồng thời Ig2 Ig3 cùngvới Ig4

Hình12 Đồ thị làm việc của chỉnh lưu hình cầu 1 pha.

a)Tải thuần trờ(dòng tải gián đoạn); b)tải RL hoặc RLE(dòng tải liên tục)

Với góc điều khiển 𝖺

Ở nửa chu kì dương khi chưa có góc kích thì điện áp tải = 0V, khi xuất hiệngóc kích ở cực G làm T1 và T2 dẫn Khi đó dòng điện đi từ nguồn dương quaT1, qua tải, qua T2 sau đó quay về nguồn âm

Ở chu kì âm T1 và T2 ngưng dẫn và T3 và T4 chưa được kích nên mởV0V Đến khi có xung điều khiển kích dẫn T3, T4 thì dòng điện đi từ nguồn quaT3, qua tải, qua T4 và quay lại nguồn

Mạch này được sử dụng nhiều trong dải công suất nhỏ, nhất là phần nguồncho mạch điều khiển Với cấp điện áp dưới 100V và dòng tải không lớn hơn vàiAmpe thường dùng lọc bằng tụ điện Trường hợp dùng lọc kiểu điện cảm thìdòng điện tải cho phép tăng đến hàng chục Ampe, Loại chỉnh lưu này chiếm ưuthế so với chỉnh lưu Sơ đồ cấu khi điện áp ra tải thấp dưới 10 V do sụt áp trongmạch van thấp hơn Nhược điểm chính của chỉnh lưu hình tia là buộc phải cóbiến áp nguồn để tạo điềm giữa cho mạch hoạt động được, mặt khác công suấtcủa máy biến áp lớn gấp 1,5 lần so với công suất một chiều cần thiết của tải.Hình 7 là đồ thị minh hoạ boạt động với các dạng tải, lg là các xung dòng điệnđưa vào cực điều khiển của các thyristor ở thời điểm góc ( quy định, xung của haivan cách nhau đúng một nửa chu kỳ điện áp nguồn (180° điện)

Chương 2: Nguyên cứu tính toán thiết kế mạch lực

1 Thiết kế mạch động lực

Hình 13 Mạch lực chỉnh lưu cầu 1 pha tải động cơ

Chức năng của các phần tử trong sơ đồ:

-Biến áp cấp nguồn cho mạch

-Van thyristor là van động lực

-R và C mạch bảo vệ van quá điện áp

-Tải động cơ

2 Tính toán thông số động cơ

Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ cho ĐC MC sử dụng Chỉnh lưu cầu 1 phađiều khiển hoàn toàn Thông số của động cơ: P = 0,45 kW; Udm= 220V ; Idm =5A, Ikt = 0,1A, ndm = 1300 v/ph Dải điều chỉnh tốc độ D = 5 :1

136.12.5 = 0.66 (wb) Eu = kΦđm ωdm =0.66 136.12