Chuyên đề học phần đồ án điện tử công suất đề tài thiết kế bộ chỉnh lưu hình tia ba pha cấp nguồn cho phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập

-Hình 1.2:Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều 1.2 Xây dựng phương trình đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập Giả thiết mạch từ động cơ chưa bão hòa khe hở không khí không

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

-   

-BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ HỌC PHẦN

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ĐỀ TÀI: Thiết kế bộ chỉnh lưu hình tia ba pha cấp nguồn cho

phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập.

• Lớp

• MSV

: :

D12–TDH&DK1 1781410337

 Hà Nội - 2021

LỜI MỞ ĐẦU

Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng dụng của các linhkiện bán dẫn công suất làm việc ở chế độ chuyển mạch và quá trình biến đổi điện năng

Ngày này, không chỉ riêng gì các nước phát triển ngay cả ở nước ta các thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và trong lĩnh vự sinh hoạt Các xí nghiệp, nhà máy như xi măng, thủy điện, giấy, dệt, sợi, đóng tàu…đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu của công nghiệp điện tử nói chung và điện tử công suất nói riêng Đó là mình chứng cho sự phát triển của ngành công nghiệp này

Với mục tiêu công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, ngày càng có nhiều xí nghiệp mới, dây chuyền mới sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện những kiến thức về điện tử công suất Cũng với lỹ do đó, trong học kỳ này chúng em được nhận

đồ án môn học điện tử công suất với đề tài: “Thiết kế bộ chỉnh lưu hình tia ba pha cấp nguồn cho phần ứng động điện 1 chiều kích từ độc lập”

Với hướng dẫn của cô Nguyễn Thị Điệp chúng em đã tiến hành nghiên cứu và,

thiết kế đồ án Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế có hạn nên không thể tránh khỏi sai sót, kính mong thầy cô đóng góp ý kiến để đồ án của chúng

em hoàn thiện hơn

Chúng em xin trân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 1

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

1.2 Xây dựng phương trình đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập 3

1.3.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ 7

1.4.Giới thiệu chung về bộ chỉnh lưu 9

1.5.Phân loại mạch chỉnh lưu 10

1.6 Giới thiệu về Thyristor 11

1.7.Đặc tính Vôn-Ampe của Thyristor 12

1.8.Các thông số cơ bản của Thyristor 14

1.9.Phân tích sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha cấp cho tải động cơ một chiều 15

1.10.Nguyên lý làm việc 16

1.10 Các biểu thức tính toán cơ bản 17

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MẠCH LỰC 18

2.1 Mạch động lực 18

3.2 Tính toán thông số động cơ: 19

2.3 Tính chọn van Thyristor 20

2.4 Tính góc điều khiển 21

2.5 Tính toán mạch bảo vệ 22

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 23

3.1 Yêu cầu mạch điều khiển chỉnh lưu 23

3.2 Thiết kế mạch điều khiển 23

3.2.1 Khâu đồng pha 23

3.2 Khâu tạo điện áp tựa 25

3.2.3 Khâu so sánh 26

3.2.4.Khâu tạo xung 27

3.2.5 Khâu khuếch đại và biến áp lực 28

CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG 31

4.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng PSIM 31

4.2 Sơ đồ nguyên lý 1 kênh điều khiển 32

4.3 Mô phỏng khâu đồng pha 32

4.4 Mô phỏng khâu tạo điện áp răng cưa 34

4.5 Mô phỏng khâu so sánh 34

4.6 Mô phỏng khâu tách xung 34

4.7 Mô phỏng khâu khuếch đại và biến áp xung 35

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 36

5.1 Nội dung đã tìm hiểu 36

5.2 Những hạn chế chưa làm được 36

5.3 Phương hướng phát triển: 37

Tài liệu tham khảo 38

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG

1.1.Giới thiệu chung về động cơ một chiều kích từ độc lập

b Dây quấn phần ứng:

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua Thường làm bằngdây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện tròn, trongmáy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây quấn được cách điệnvới rãnh của lõi thép

c Cổ góp(Commutator)

Cổ góp hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điện xoaychiều thành một chiều cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn cách điện vớinhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn Đuôi vành góp

có cao hơn lên một ít để để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến gópđược dễ dàng

IKT E

+

-Hình 1.2:Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều

1.2 Xây dựng phương trình đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Giả thiết mạch từ động cơ chưa bão hòa khe hở không khí không đều, phản ứng phần ứng được bù đủ, các thông số động cơ không đổi Ta có thể lập sơ đồ thay thế máy điện một chiều kích từ độc lập như sau:

Hình 1.3: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Từ sơ đồ thay thế ta có phương trình cân bằng điện áp:

r : điện trở tiếp xúc giữa chổi điện và phiến góp.ct

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

E = Kư



K =2

pN

 - hệ số cấu tạo động cơ

p – số đôi cực từ chính,

N – số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng, dưới một cặp cựctừ,

a – số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng,

U R I

K K

(1.6)

Biểu thức (1.6) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

Mặt khác momen điện từ M của động cơ được xác định bởi:đt

suy ra:

Iư

đt K

Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ, từ thông



Hình 1.4: Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Hình 1.5: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Theo các đồ thị trên, khi I = 0 hoặc M = 0, ta có:ư

0

u U K

 

 ; 0

u U K

Mặt khác, phương trình đặc tính cơ (4), (5) cũng có thể viết dưới dạng:

1.3.1Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng

Giả thiết: dm; điện trở phụ R = 0 Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với U , f đm

ta có:

Tốc độ không tải: 0 dm

U K

Hình 1.6: các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm điện áp đặt vào

phần ứng động cơ

Đặc điểm:

-Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ

-Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh

-Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh

-Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một momen là như nhau

-Độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất trong dải điều chỉnh Do vậy, sai số tốc độ tương đối của đặc tính cơ thấp nhất không vượt quá sai số cho phép cho toàndải điều chỉnh

-Dải điều chỉnh của phương pháp này là D ~ 10:1

-Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ về phía giảm (vì chỉ có thể thay đổi vớiU U u dm)

-Phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn để có thể thay đổi trơn điện áp

1.3.2 Phương pháp điều chỉnh từ thông

Giả thiết: U = U ; điện trở phụ R = 0 Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện đm f

kích từ I động cơ trong đoạn tuyến tính của đặc tính từ hóa.kt

Tốc độ không tải lý tưởng:

dm

U K

Khi từ thông giảm độ cứng đặc tính cơ mềm hơn

Hình 1.7: Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm

từ thông

Đặc điểm:

-Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ càng tăng,tốc độ động

cơ càng lớn

-Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông

-Có thể điều chỉnh thay đổi dải điều chỉnh D ~ 3:1

-Chỉ có thể điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía tăng

-Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các đặc tính sẽ cắt nhau và do đó, với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từ thông giảm Còn ở vùng tải (M2) tốc độ có thể tăng hoặc giảm tùy theo tải Thực tế, phương pháp này chỉ sử dụng ở vùng tải không quá lớn so với định mức

-Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòngkích từ là (110)% dòng định mức của phần ứng Tổn hao điều chỉnh thấp

1.4.Giới thiệu chung về bộ chỉnh lưu

Bộ chỉnh lưu là bộ biến đổi biến đổi dòng điện xoay chiều sang dòng điện một chiều

Cấu trúc của bộ chỉnh lưu

Hình 1.8 Cấu trúc mạch chỉnh lưu

Biến áp: chuyển từ cấp điện áp quy chuẩn của lưới điện xoay chiều U1 sang điện áp U2

thích hợp với yêu cầu của tải.Tùy theo tải mà máy biến áp có thể là tăng áp hoặc giảm áp

Biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu của mạch van.Thông thường số pha lớn nhất của lưới là 3, hoặc có thể cần số pha là 6,12…

Mạch van: là các van bán dẫn được mắc với nhau theo cách nào đó để tiến hành quá

trình chỉnh lưu

Mạch lọc: nhằm đảm bảo điện áp (hoặc dòng điện) một chiều cấp cho tải là bằng phẳng

theo yêu cầu

1.5 Phân loại mạch chỉnh lưu

Phân loại theo số pha nguồn cấp cho van

1 pha,2 pha ,3 pha,6 pha…

Phân loại theo van bán dẫn trong mạch

Hiện nay đa số dùng 2 loại van bán dẫn là diot và thyristor

Mạch van dùng diot là chỉnh lưu không điều kiện

Mạch van dùng thyristor là chỉnh lưu có điều khiển

Mạch van kết hợp diot và thyristor là chỉnh lưu bán điều khiển

Phân loại theo sơ đồ mắc van trong mạch

Sơ đồ hình tia: ở sơ đồ này số lượng van sẽ bằng số pha nguồn cấp cho mạch van.Tất cả

các van đều đấu chung một đầu nào đó với nhau.(anot chung hoặc catot chung)

Sơ đồ cầu: ở sơ đồ này số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồn cấp cho mạch

van.Trong đó một nửa số van mắc chung catot,nửa kia lại mắc anot chung

1.6 Giới thiệu về Thyristor

Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp giápp-n: J1, J2, J3 Thyristor có ba cực Anode (A), Cathode (K), cực điều khiển (G – Gate)

Hình 1.9 Kí hiệu Thyristor

Hình 1.10 Cấu trúc bán dẫn của Thyristor

1.7.Đặc tính Vôn-Ampe của Thyristor

Đặc tính Vôn-Ampe của một Thyristor gồm hai phần:

Phần thứ nhất nằm trong góc phần tư thứ I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp U > 0; phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, AK

tương ứng với trường hợp: U < 0 a) Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng AK

không (I = 0) Khi dòng vào cực điều khiển của Thyristor bằng 0 hay khi hở mạch cực G

điều khiển Thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa Anode-Cathode

Khi điện áp U < 0, theo cấu tạo bán dẫn của Thyristor, hai tiếp giáp J , J đều AK 1 3

phân cực ngược, lớp J phân cực thuận, như vậy Thyristor sẽ giống như hai diode mắc nối2

tiếp bị phân cực ngược Qua Thyristor sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò Khi U tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất Ung.max sẽ xảy ra hiện tượng AK

Thyristor bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn Giống như ở đoạn đặc tính ngược của diode, lúc này nếu có giảm điện áp U xuống dưới mức Ung.max thì dòng AK

điện cũng không giảm được về mức dòng rò Thyristor đã bị hỏng

Khi tăng điện áp Anode-Cathode theo chiều thuận, U > 0, lúc đầu cũng chỉ có AK

một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò Điện trở tương đương mạch Cathode vẫn có giá trị rất lớn Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược

Anode-Cho đến khi U tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, UAK th.max, sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương mạch Anode-Cathode đột ngột giảm, dòng điện chạy qua Thyristor

sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài Nếu khi đó dòng qua Thyristor lớn hơn một mức dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì Idt, thì khi đó Thyristor sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính chất dẫn dòng và phụ thuộc vào giá trị của phụ tải nhưng điện áp rơi trên AnodeCathode nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị của dòng điện

b) Trường hợp có dòng điện vào cực điều khiển (I > 0) Nếu có dòng điều khiển đưa vào G

giữa cực điều khiển (G) và Cathode, quá trình chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, có U < Uth th.max Điều này được mô tả trên hình 1.2 bằng những đường nét đứt, ứng với giá trị dòng điều khiển khác nhau I , I , I , nếu dòng điều G1 G2 G3

khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với U nhỏ hơn Trong thực tếAK

đối với mỗi loại Thyristor sẽ được chế tạo bởi một dòng điều khiển định mức Iđk đm

Mở - khoá Thyristor

Thyristor chỉ cho phép dòng chạy qua theo một chiều, từ Anode đến Cathode, và không được chạy theo chiều ngược lại Điều kiện để Thyristor có thể dẫn dòng, ngoài điều kiện phải có điện áp U > 0 còn phải thỏa mãn điều kiện là điện áp điều khiển AK

dương Do đó Thyristor được coi là phần tử bán dẫn có điều khiển

Mở Thyristor

Khi được phân cực thuận, U > 0, Thyristor có thể mở bằng hai cách Thứ nhất, AK

có thể tăng điện áp Anode-Cathode cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất,

Uth.max, điện trở tương đương trong mạch Anode-Cathode sẽ giảm đột ngột và dòng qua Thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định Phương pháp này trên thực tế không được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn

Phương pháp thứ hai là đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và Cathode Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của Thyristor từ

trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp Anode-Cathode nhỏ Khi đó nếu dòng qua Anode-Cathode lớn hơn một giá trị nhất định, gọi là dòng duy trì (I ) thì Thyristor sẽ dt

tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điểu khiển Điều này nghĩa là có thể điều khiển mở các Thyristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so với công suất của mạch lực mà Thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện

Khoá Thyristor Một Thyristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khóa (điện trở tương đương mạch Anode-Cathode tăng cao) nếu dòng điện giảm về không Tuy nhiên đểThyristor vẫn ở trạng thái khóa, với trở kháng cao, khi điện áp Anode-Cathode lại dương (UAK 0), cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện của Thyristor Khi Thyristor dẫn dòng theo chiều thuận, hai lớp tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, các điện tích đi qua hai lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J2 đang bị phân cực ngược Vì vậy mà dòng điện có thể chảy qua ba lớp tiếp giáp J1, J2, J3 Để khóa Thyristor lại cần giảm dòng Anode-Cathode về không bằng cách hoặc là đổi chiều dòng điện hoặc áp một điện áp ngược lên giữa Anode và Cathode của Thyristor Sau khi dòng về bằng không phải đặt một điện áp ngược lên Anode-Cathode (UAK 0) trong một khoảng thời gian tối thiểu lúc này Thyristor sẽ khóa Trong thời gian phục hồi có một dòng điện ngược chạy giữa Cathode và Anode Thời gian phục hồi là một trong những thông số quan trọng của Thyristor Thời gian phục hồi xác định dải tần

số làm việc của Thyristor Thời gian phục hồi có giá trị cỡ 5 ÷ 10 s đối với các Thyristor tần số cao và cỡ 50 ÷ 200 s đối với các Thyristor tần số thấp.

1.8 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

1.9.Phân tích sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha cấp cho tải động cơ một chiều

-BA là máy biến áp 3 pha dùng để cấp nguồn cho mạch chỉnh lưu

-Các thyristor T1, T2, T3 dùng để biến điện áp xoay chiều 3 pha bên thứ cấp máy biến áp

BA là U , U , U thành điện áp một chiều trên tải U a b c d

-Rd, L , E là các phần tử phụ tải của bộ chỉnh lưu.d d

- iA ,iB, i dòng các pha cuộn dây sơ cấp của BA.C

- ia ,ib , i dòng các pha cuộn dây thứ cấp của BA.c

- i , i , i dòng các van chỉnh lưuT1 T2 T3

- i dòng điện chỉnh lưu.d

1.10.Nguyên lý làm việc

Giả sử:

Van T3 đang dẫn dòng và các van khác còn ở trạng thái khoá, khi đó trên van T1

sẽ có điện áp thuận.Tại t= 1=  thì T1 có tín hiệu điều khiển, T1 có đủ điều kiện để mở nên T1 mở và u giảm về bằng không Do u = 0 nên u =u nên xác định được điện áp T1 T1 d a

trên T3 là u = uT3 c-u =ua ac, tại 1 thì u < 0, tức là T3 bị đặt điện áp ngược nên khoá lại, van ca

T2 thì vẫn khoá, do vậy trong khoảng tiếp sau 1 trong sơ đồ chỉ có van T1 dẫn dòng.

Đến t=5/6 thì u = u , đây là thời điểm mở tự nhiên đối với T nhưng T chưa a b 2 2

mở vì chưa có tín hiệu điều khiển, do ua vẫn dương kết hợp với tác dụng cùng chiều của s.đ.đ tự cảm trong L mà T vẫn tiếp tục dẫn dòng Đến d 1 t= thì u =0 và sau đó chuyển a

sang âm nhưng T còn chưa mở nên T vẫn tiếp tục làm việc nhờ s.đ.đ tự cảm của L (ở 2 1 d

đây >30 ).o

Tại t= 2=5 /6 + thì T có tín hiệu điều khiển và do đang có điện áp thuận nên  2

T2 mở, T mở thì u giảm về bằng không nên u = u và u = u2 T2 d b T1 a-u =ub ab mà tại 2 thì u ab

Tại t=4 thì T lại có tín hiệu điều khiển, T lại mở và sơ đồ lặp lại trạng thái làm 1 1

việc giống như từ t=1 Từ tính chất lặp đi lặp lại trạng thái làm việc của sơ đồ chỉnh lưu ta suy ra giai đoạn t=0   t=1 cũng tương tự giai đoạn t=2 t=4, mà giai đoạn t=2  t=4 lại nằm trong giai đoạn t=3  t=4: van T dẫn dòng.3

1.10 Các biểu thức tính toán cơ bản

1.22 1.23 1.24 1.25

1.26

Ud: điện áp trung bình chỉnh lưu

Ud0: điện áp thứ cấp

: góc điều khiển

U2: điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn

UTh.ngmax: điện áp ngược đặt lên thyristor

Itbv: dòng điện qua van

I: dòng điện ra tải