Đồ án 1 điện tử công suất và ứng dụng đề xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều một pha điều khiển động cơ xoay chiều một pha

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆPKHOA ĐIỆN ---    ---BÁO CÁO ĐỒ ÁN 1 “ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ ỨNG DỤNG” Đề số 6: Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều mộ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA ĐIỆN

-       

-BÁO CÁO ĐỒ ÁN 1

“ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ ỨNG DỤNG”

Đề số 6: Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều một pha

điều khiển động cơ xoay chiều một pha

Lời Nói Đầu

  Ngành công nghệ kỹ thuật điều khiển – tự động hoá đang trở thành ngành học thiết yếu nhất bởi sự tác động của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 khiến cho bất cứ ngành nghề kỹ thuật nào cũng cần đến điều khiển – tự động hoá   Phải khẳng định rằng, hệ thống điều khiển và tự động hóa có mặt trong mọi dây chuyền sản xuất của tất cả các ngành kinh tế, tư công nghiệp, nông nghiệp tới các ứng dng dân dng Theo nhận định của các chuyên gia, ngành này luôn

có thu nhập cao và tơng lai nghề nghiệp vô cng rộng mở

Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa đang là xu thế của thời đại Nhất là hiện nay khi Việt Nam bớc vào giai đoạn hội nhập toàn phần với thế giới Thực tế đó đã khẳng định rằng bất kỳ ngành công nghiệp nào cũng cần đến tự động hóa nếu muốn hội nhập và phát triển vào thị trờng toàn cầu

  Hiện tại em đang theo chơng trình của nhà trờng tham gia vào môn học đồ

án để có thể tìm hiểu rõ ràng hơn về kiến thức cơ bản và áp dng vào thực tế công việc sau này, đề tài đồ án của em là “Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều một pha điều khiển động cơ xoay chiều một pha”

  Do là lần đầu em thực hiện làm đồ án nếu có gì sai sót hay thiếu sót mong thầy cô châm trớc bỏ qua Em xin trân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

1.1  Tổng quan động cơ xoay chiều một pha 4

1.1.1  Tổng quan nguyên lý - cấu tạo 4

1.1.2  Các phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 1 pha 9

1.2  Bộ biến đổi điều áp xoay chiều một pha 10

1.2.1  Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi 10

1.2.2  Các phơng pháp điều khiển bộ biến đổi 11

1.3  Đặt bài toán 11

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH LỰC 11

2.1  Tính toán, thiết kế mạch lực 11

2.1.1  Tính toán, thiết kế sơ đồ mạch lực 12

2.1.1.2  Lựa chọn phần tử bảo vệ 14

2.2  Mô Phỏng Mạch Lực 17

2.2.1  Tải thuần trở  17

2.2.2  Tải trở cảm 19

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 21 3.1  Tính toán, thiết kế mạch điều khiển 22

3.1.1  Tính toán lựa chọn mạch điều khiển 24

3.1.1.1   Khâu đồng pha 24

3.1.1.2 Khâu tạo điện áp răng ca 26

3.1.1.3 Khâu so sánh 27

3.1.1.4 Khâu tạo xung 29

3.1.1.5 Khâu tách xung 31

3.1.1.6 Khâu khuếch đại xung 33

3.1.2  Tính toán, lựa chọn các phần tử trong mạch điều khiển 35

3.1.2.1 Khâu đồng pha 35

3.1.2.2 Khâu tạo điện áp tựa: 36

3.1.2.3 Khâu so sánh 37

3.1.2.4 Khâu tạo xung 37

3.1.2.5 Khâu khuếch đại xung 38

3.2  Mô phỏng mạch điều khiển 41

3.2.1 Xây đựng sơ đồ mô phỏng 41

3.2.2 Kết quả mô phỏng 41

Thông số động cơ một pha

TT Công suất

(kW)

Điện ápđịnh mức(VAC)

Dòng điệnđịnh mức(A)

Tốc độđịnh mức(v/phút)

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

1.1. Tổng quan động cơ xoay chiều một pha1.1.1. Tổng quan nguyên lý - cấu tạo

- Khái Niệm:

  Động cơ điện xoay chiều một pha là loại động cơ thờng có công suất nhỏkhông quá vài kW trở xuống sử dng điện xoay chiều 1 pha , đợc dng phổ biến trong sản xuất nhỏ (máy dng c cầm tay) và trong đời sống (các loại quạtđiện, đồ điện gia dng), vì máy có cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ nên chỉ cần sửdng nguồn điện có hai dây Thờng có một số loại nh:

。Động cơ điện không đồng bộ một pha có vòng ngắn mạch (công suất dới150w)

。Động cơ không đồng bộ một phat dng t điện hoặc có vòng dây chập ngợc

。Các kiểu động cơ này đều dng rôto lồng sóc để chạy các máy gia dng

。Động cơ điện vạn năng: cả stato và rôto đều có dây quấn

- Cấu tạo: Cấu tạo của động cơ điện xoay chiều một pha gốm 2 bộ phận chính

là :

。Phần tĩnh (stato): bao gồm vỏ máy, lõi thép và phần dây quấn

。Vỏ máy: dung để cố định lõi thép và dây quấn chứ không dẫn tư, vỏ máythờng đợc làm bằng gang

Hình 1.1: vỏ động cơ 

。Lõi thép: để dẫn tư, vì tư trờng đi qua lõi thép là tư trờng quay nên để giảmtổn hao, các lõi thép đợc ghép tư các lá thép kĩ thuật dày tư 0,35mm hoặc0,5mm, khi đờng kính ngoài lớn hơn 990mm phải dng những tấm hình rẻ quạt

để ghép, để giảm tổn hao do dòng điện xoay,mỗi lá thép kĩ thuật đều đợc phủsơn cách điện

。Lõi thép roto gồm các lá thép kĩ thuật điện ghép lại mặt ngoài lõi thép có cácrãnh để đặt dây quấn, ở giữa có lỗ để lắp trc, có thể còn có các lỗ thông gió.Trc máy gắn với lõi thép roto, trc đợc đỡ trên nắp máy nhờ ổ bi

。Dây quấn: ty theo cấu tạo dây quấn phần quay động cơ không đồng bộ một pha chia làm hai loại là động cơ roto dây quấn và động cơ roto lồng sóc

- Động cơ roto lồng sóc: Trong các rãnh của lõi thép đợc đặt các thanh đồng,hai đầu nối ngắn mạch bằng hai vòng đồng tạo thành lồng sóc Ở động cơ côngsuất nhỏ vòng đồng đợc chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các rãnh lõi thép rototạo thành thanh nhôm hai đầu đúc vòng ngắn mạch

 ba chổi than để nối mạch điện với điện trở bên ngoai( điện trở này có thể

là điện trở mở máy hoặc điện trở điều chỉnh tốc độ

Hình 1.5: roto dây quấn

- Nguyên lý :

。Tư trờng của cực tư chính φc tác dng với dòng điện ở cuộn dây phần ứngI tạo thành mômen quay Vì mạch điện vào động cơ qua rôto và stato nối tiếpnhau, do đó có thể coi φc và I cng pha và mô men do chúng sinh ra có chiềutác dng không đổi làm cho động cơ quay

。Động cơ điện vạn năng có khả năng làm việc cả ở nguồn điện một chiều lẫnnguồn điện xoay chiều một pha Khi làm việc với điện 1 chiều thì số vòng cuộnkích tư nhiều hơn và hiệu suất cũng cao hơn

- Ứng dng của động cơ điện xoay chiều một pha

。Động cơ điện xoay chiều một pha chỉ đạt đợc công suất nhỏ, nó chủ yếuđợc dng trong các dng c gia đình nh quạt điện, máy hút bi, máy bơmnớc…

Hình 1.6: các thiết bị sử dng động cơ điện xoay chiều một pha

1.1.2. Các phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 1 pha

- Các phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều một pha:

。Thay đổi số vòng dây stato ( Thay đổi số đôi cực )

。Điều khiển điện áp đa vào động cơ

。Điều khiển tần số dòng điện đi vào động cơ

- Mạch điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều một pha (điều khiển quạt) bằngtriac : là phơng pháp “Điều khiển điện áp đa vào động cơ” vì triac không thểthay đổi số vòng dây stato và cũng không thể điều khiển tần số đi vào động cơ

1.2. Bộ biến đổi điều áp xoay chiều một pha

1.2.1. Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi

Hình 1.7: Các sơ đồ điều áp xoay chiều một pha

Trên các hình là các sơ đồ mạch động lực BBĐ điện áp pha một pha

。Hình a là sơ đồ dng 2 thyristor mắc song song ngợc

。Hình b là sơ đồ dng 2 điôt và 2 thyristor với mc đích là để cho katôt 2thyristor nối chung

。Hình c là sơ đồ dng triac, triac là dng c bán dẫn cho dòng điện qua cả haichiều nhng điều khiển đợc, về phần động lực thì nó tơng đơng nh 2thyristor mắc song song ngợc nhng chỉ có một điện cực điều khiển nên kếtcấu gọn hơn dng 2 thyristor mắc song song ngợc cả về mạch lực cũng nhmạch tạo tín hiệu điều khiển

。Sơ đồ d là kết hợp của 2 sơ đồ trớc nó , các thyristro cũng không phải chịuđiện áp ngợc nhờ có diot đấu song song , điểm khác biệt là thyristor đất katotchung nên có thể đấu trực tiếp điều khiển với lực

。Hình e là sơ đồ BBĐ xoay chiều-xoay chiều 1 pha không đối xứng, trong sơ

đồ này ta sử dng một điôt và một thyristor nên khi sơ đồ làm việc trong đờngcong điện áp trên tải có thành phần một chiều, vì vậy sơ đồ này chỉ sử dng đểcung cấp cho loại ph tải sử dng đợc cả điện áp một chiều và điện áp xoaychiều ví d nh là dây điện trở của lò điện trở 

1.2.2. Các phơng pháp điều khiển bộ biến đổi

- Phơng pháp điều khiển pha :

。Điều Khiển pha thông thờng

。Điều khiển pha với quá trình chuyển mạch cỡng bức

。Điều khiển tỉ lệ thời gian ( Time duty ratio Control : Cycle Control )

1.3. Đặt bài toán 

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH LỰC2.1. Tính toán, thiết kế mạch lực

Hình 2.1 : sơ đồ mạch lực

Phân tích chức năng của tưng phần tử trong mạch

。Hai thyristor đấu song song ngợc: Cặp van lần lợt dẫn dòng theo 1 chiềuxác định nên dòng qua cặp thyristor đấu song song ngợc này là dòng xoaychiều Các van thyristor đợc phát xung điều khiển lệch nhau góc 1800 độ điện

để đảm bảo dòng qua cặp van là hoàn toàn đối xứng

。Tải thuần trở  

。Mạch bảo vệ RC: Trong quá trình van hoạt động thì van phải đợc làm mát

để van không bị phá hỏng về nhiệt vì vậy ta đã tính toán chế độ làm mát c thểcho van rồi Tuy nhiên, van cũng có thể bị hỏng khi van phải chịu tốc độ tăngdòng, tăng áp quá lớn Để tránh hiện tợng quá dòng, quá áp trên van dẫn đếnhỏng van ta phải có những biện pháp thích hợp để bảo vệ van Biện pháp bảp vệvan thờng dng nhất là mắc mạch R, C song song van để bảo vệ quá áp và mắcnối tiếp cuộn kháng để hạn chế tốc độ tăng dòng

。Aptomat có chức năng bảo vệ ngắn mạch và quá tải

2.1.1. Tính toán, thiết kế sơ đồ mạch lực

2.1.1.1. Lựa chọn van

  - Thông tin thiết bịSTT Công suất Điện áp Dòng điện Tốc độ Cặp cực

(kW) định mức

(VAC) định mức(A) định mức(v/phút)

Bảng 2.1: Thông tin hệ thống

  Dòng điện chạy qua các thyristor T1, T2 đợc tính:

  It1 = It2 = = 6,85 (A)  Chọn Thyristor làm việc với điều kiện có cánh tản nhiệt và đầy đủ diện tíchtỏa nhiệt, không cần quạt đối lu không khí

Với điều kiện đó, dòng điện định mức của Thyristor cần chọn:

  Idmv = Ki.Ilv = 4.6,85 = 27,4 (A)  Điện áp làm việc của cac van cần chọn theo biên độ điện áp nguồn xoaychiều:

  Ung max = 220 = 311,12 (V)  Chọn hệ sô dự trữ điện áp Ku = 2  Chọn van có điện áp làm việc:

  Udmv = Ku.Ung max = 2.311,12 = 622,24 (V)  Với những thông số đã tính toán kể trên, em chọn đợc van Thyristor T10-

16 do Nga sản xuất có thông số nh sau:

Dòng trung bình qau van Itb = 16ACấp điện áp Uv = 1000VSt áp thuận trên van ở dòng định

Điện áp điều khiển Udk = 3VDòng điện điều khiển Idk = 75mATốc độ tăng dòng cho phép di/dt = 50A/

Tốc độ tăng áp cho phép du/dt = 300V/

Bảng 2.1: Thông số van thyristor 

an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệthợp lí.

。Tính tởán cánh tản nhiệt

  Thông số cần cóTổn thất công suất trên một thyristor 

∆p = ∆U.Idm = 1,85.13,7 = 25,345

Diện tích bề mặt tỏa nhiệt

STN = ∆p/Km.

Trong đó:

∆p : Tổn hao công suất

: Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trờngChọn nhiệt độ môi trờng Tmt = 40ºC Nhiệt độ làm việc cho phép của thyristor Tcp = 125ºCChọn nhiệt độ trên cánh tỏa nhiệt Tlv = 80ºC

  = Tlv - Tmt = 80-40 = 40ºCKm: Hệ số tỏa nhiệt bằng đối lu bức xạ Chọn Km = 8 ( W/m² ºC )Vậy STN = = 792,03 (cm²)

Hình 2.3: Sơ đồ bảo vệ quá áp cho van mạch lực

  Bảo vệ quá điện áp do trong quá trình đóng cắt các thyristor đợc bảo vệ bằng cách mắc mạch RC song song với thyristor Khi có sự chuyển mạch, cácđiện tích t trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo dòng điện ngợc trongkhoảng thời thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện tạo ra suấtdiện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm, làm cho quá điện á giữa anot vàkatot trên thyristor Khi có mạch RC mắc song song với thyristor tạo ra mạchvòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên thyristor không bị quáđiện áp

Ta chọn R = 60 Ω; C = 0,4μF

。Bảở vệ ngắn mạch

Aptomat đợc lựa chọn có dòng điện: IAT = (1,1 1,3 ).Iv = 11 13AChọn aptomat E408 110/3 do hãng Clipsal chế tạo có thông số Iđm= 25A, Uđm

= 220 V có bảo vệ ngắn mạch, quá tải Bảng liệt kê thiết bị mạch lực

STT Tên thiết bị Số lợng Thông số Hãng sản

xuất

4 Aptomat 1 E408 110/3 Clipsal

Bảng 2.4: Bảng liệt kê thiết bị mạch lực

2.2. Mô Phỏng Mạch Lực

2.2.1. Tải thuần trở Mạch nguồn xoay chiều có phơng trình: U = 220√2.Sin100πt nối tiếp với tải Rthông qua bộ biến đổi điện áp Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha gồm haithyristor mắc song song và đối đầu với nhau Trong trờng hợp công suất nhỏ

có thể thay thế bằng một triac

Hình 2.4: Điều áp xoay chiều một pha tải thuần trở 

  Nguyên lý hoạt động:

- Ở bán kỳ dơng: T2 bị phân cực ngợc không thể dẫn nên chỉ xét với SCR T1

。Xét trong khoảng tư (0 – α) cha xuất hiện xung kích nên thyristor T1 khôngdẫn Do đó dòng tải và áp tải trong khoảng này bằng không: Id = 0, Ud = 0

。Tại thời điểm xuất hiện xung kích đa vào cổng điều khiển của T1 thì T1đóng Dòng điện khép kín qua mạch (nguồn, T1, R) điện áp ngõ ra lúc này bằngvới điện áp nguồn: Ud = Uo.

。Cuối bán kỳ dơng dòng điện áp hai đầu thyristor T1 về 0 và chuyển sangđiện áp ngợc nên T1 ngng dẫn

。nguở  c nên T2 mở   Chu kỳ lạp lại nhu trên

Hình 2.5: mạch biến đổi điện áp xoay chiều tải thuần trở 

2.2.2. Tải trở cảm

- Trờng hợp góc điều khiển α>φ

Hình 2.6: điều áp xoay chiều một pha tải RL

Hình 2.7: Biến đổi điện áp xoay chiều tải RL với góc α>φ

- Ở bán kỳ dơng:

。Ở đâu bán kỳ khi cha xuất hiện góc kích dòng tải và áp tải đều bằng không

。Khi xuất hiện xung kích vào chân G1 thì thyristor T1 đóng, điện áp tải bằngvới điện áp nguồn Uo = Ud Do tải có tính cảm nên dòng điện tăng tư không đến

vị trí cực đại sau đó về giảm, nhng cuối bán kỳ dơng thì dòng điện vẫn lớnhơn 0

- Ở bán kỳ âm:

。Đầu chu kỳ âm thyristor T1 bị áp ngợc nên ngng dẫn, nhng do tải có tínhcảm nên phát năng lợng duy trì T1 tiếp tc dẫn, do đó Uo = Ud < 0 Dòng điệngiảm về 0 khi cuộn cảm xả hết năng lợng, lúc này dòng và áp tải bằng 0

。Đến khi T2 có xung kích ở chân kích G2 thì T2 đóng, Ud = Uo và Id = Io.Dòng điện tải tăng tư 0 đến giá trị cực đại và giảm về 0, dòng điện liên tc khi điqua điểm 0

- Trờng hợp góc điều khiển α<φKhi có xung kích G1 thì thyristor T1 đóng ta có điện áp tải bằng điện áp nguồn.Dòng điện tải tăng tư 0 đến cực đại và giảm về 0, dòng liên tc khi qua điểm 0

。Trờng hợp này góc kích α < φ nên khi xuất hiện xung kích G2 thì lúc này T1vẫn còn dẫn, do đó thyristor T2 không thỏa mãn điều kiện đóng điện Kết quả làchỉ có thyristor T1 dẫn và dòng tải là dòng một chiều

。Do tải RL của chúng ta là các thiết bị động cơ, động cơ hoạt động theonguyên lý cảm ứng điện tư Dòng ngõ ra của mạch này là dòng một chiều không biến thiên làm cho động cơ gia tăng nhiệt độ ở các cuộn dây Và do đó có thểdẫn đến cháy động cơ.

。Do đó với tải RL ta cần quan tâm đến góc kích α, để khắc phc điều nàyngời ta sử dng biện pháp sau Ưu điểm của các biện pháp này là xuất hiện tìnhtrạng dòng điện ra một chiều nhng 2 thyristor sẽ thay phiên dẫn và áp tải bằngvới áp nguồn không thể điều khiển đợc

。Mở rộng góc kích, nhợc điểm là các bộ điều khiển SCR sẽ hoạt động liêntc, mặc d SCR chỉ cần kích xung ngắn sẽ tự duy trì trạng thái dẫn nên khôngkhả thi

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

3.1. Tính toán, thiết kế mạch điều khiển  Thyristor chỉ đợc mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp dơng đặt lêncực anode và có xung điện áp dơng đặt vào cực điều khiển, sau khi Thyristor

đã mở thì xung điều khiển không còn tác dng nữa, dòng điện chạy quaThyristor do thông số của mạch động lực quyết định và Thyristor sẽ khóa khidòng điện chạy qua nó bằng 0, muốn mở lại ta phải cấp xung điều khiển lại

Do đó, với điện áp hình sin, ty thuộc vào thời điểm cấp xung điều khiển mà

ta có thể khống chế đợc dòng điện Thyristor Để thực hiện đợc các đặc điểmnày ta có thể dng 2 nguyên tắc là điều khiển ngang và điều khiển dọc

  Điều khiển thyristor trong sơ đồ chỉnh lu hiện nay ngời ta thờng dng phơng pháp điểu khiển dọc, dới đây em sẽ trình bày về phơng pháp này

Hình 3.1: sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển dọc

1 Khâu tạo điện áp đồng pha

- Có nhiệm v tạo điện áp đồng bộ với điện áp lới Tư điện áp đồng bộ này taxác định đợc điểm gốc để tính góc điều khiển α Ngoài nhiệm v đó khâuđồng bộ còn có hai chức năng sau :

。Giảm áp : tức là giảm điện áp lực có giá trị lớn ở đầu vào và lấy giá trị điện áp

có giá trị ph hợp để điều khiển

。Cách ly : cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực đảm bảo an toàn chomạch điều khiển khi lới có sự cố

 Ngời ta thờng thiết kế khâu đồng pha bằng biến áp xung hoặc phần tử quangOpto

2 Khâu tạo điện áp tựa

- Có nhiệm v tạo ra điện áp tựa (Uđp) dạng thích hợp sao cho trong mỗi nửachu kỳ của điện áp cần chỉnh lu đều có dạng điện áp ra theo quy luật giốngnhau

- Có 2 loại điện áp tựa:

。Dạng răng ca ( răng ca sờn trớc, răng ca sờn sau )

。Dạng hình sin cho điện áp chỉnh lu tuyến tính với điện áp điều khiển nhng

có nhợc điểm là ph thuộc vào lới điện và bị nhiễu theo nguồn Trong thực tếngời ta hay dng điện áp tựa hình răng ca hơn

3 Khâu so sánh

- So sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển để phát động tạo xung có độ rộngthích hợp điều khiển tới van