Thiết kế chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Sự bùng nổ khoa học kỹ thuật trong các lĩnh vực điện, điện tử, tin học trong những năm gần đây đã ảnh hưởng sâu sắc cả về lý thuyết và thực tiễn, ứng dụng rộng rải có hiệu quả cao trong rất nhiều lĩnh vực khắc nhau, Đặc biệt là lĩnh vực điều khiển tự động và các dây chuyền công nghiệp khép kín ra đời trong đó có lĩnh vực điều khiển động cơ điện. Điều khiển động cơ điện một chiều là một lĩnh vực không mới và được ứng dụng rất nhiều trong thực tế công nghiệp sản xuất, có khá nhiều phương pháp điều khiển. Trong giới hạn đồ án môn học vận dụng các linh kiện điện tử đơn giản và các phương pháp điều khiển được học. Em được giao nhiệm vụ “Thiết kế chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập”.

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

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Đề tài: Thiết kế chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ

điện một chiều kích từ độc lập

GVHD: TS Nguyễn Ngọc Khoát SVTH:

MSV:

LỚP: D13TĐH&ĐKTBCN2

LỜI NÓI ĐẦU

Sự bùng nổ khoa học kỹ thuật trong các lĩnh vực điện, điện tử, tin học trong nhữngnăm gần đây đã ảnh hưởng sâu sắc cả về lý thuyết và thực tiễn, ứng dụng rộng rải có hiệuquả cao trong rất nhiều lĩnh vực khắc nhau, Đặc biệt là lĩnh vực điều khiển tự động và cácdây chuyền công nghiệp khép kín ra đời trong đó có lĩnh vực điều khiển động cơ điện

Điều khiển động cơ điện một chiều là một lĩnh vực không mới và được ứng dụngrất nhiều trong thực tế công nghiệp sản xuất, có khá nhiều phương pháp điều khiển Tronggiới hạn đồ án môn học vận dụng các linh kiện điện tử đơn giản và các phương pháp điềukhiển được học Em được giao nhiệm vụ “Thiết kế chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độđộng cơ điện một chiều kích từ độc lập”

Do lần đầu tiên làm đồ án, kiến thức còn hạn chế nên đồ án không tránh khỏinhững sai sót, mong thầy cô và các bạn có những góp ý để đồ án của em hoàn thiện hơn

Với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong khoa đặc biệt là Tiến sĩ NguyễnNgọc Khoát, đã giúp em hoàn thành đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn!

Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện

Tiến sĩ Nguyễn Ngọc Khoát

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ 1.1 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều.

1.1.1 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện Các thanh dẫn có dòngđiện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay, chiều của lực được xác địnhbằng quy tắc bàn tay trái

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau Do có phiếngóp chiều dòng điện dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi Khi quay,các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư chiều của suất điện độngđược xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều sđđ Eư ngược chiều dòng điện

Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động Khi đó ta có phương trình:

ö ö ö

1.1.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cấu tạo hai phần riêng biệt: phần cảm bổ trí ở

phần tĩnh có các cuộn dây kích từ sinh ra từ thông Φ, phần ứng là phần quay nối với điện

áp lưới qua vành góp và chổi than Tác động giữa từ thông Φ và dòng điện phần ứng Iư,

tạo nên mômen quay động cơ Khi động cơ quay các thanh dẫn phần ứng cất qua từ thông

Φ tạo nên sức điện động Eư Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện kích từ độc lập được trình bày trên hình 1.1

Hình 1.1: Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Giả thiết mạch từ động cơ chưa bão hoà khe hở không khí đồng đều, phản ứng phần ứngđược bù đủ, các thông số động cơ không đổi Ta có thể lập sơ đồ thay thế máy điện mộtchiều kích từ độc lập

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

ö ö ö f

Trong đó:

U ư: Điện áp phần ứng, V

E ư: Sức điện động phần ứng, V R ư:

Điện trở mạch phần ứng, Ω I ư: Dòng điện

Với: Rö  rö rcf r rb ct (1.3)

r ư: Điện trở cuộn dây phần ứng

r cf: Điện trở cuộn dây cực từ phụ rb:

Điện trở tiếp xúc giữa chổi điện và phiến góp

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

P: Số đôi cực từ chínhN: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứnga: Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng, dưới một cặp cựctừ

 : Từ thông kích từ dưới một cực từ

ω: Tốc độ góc (rad/s)





P.NK

2 a : Hệ số cấu tạo của động cơNếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì

60a : Hệ số sức điện động của động cơ

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

Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông  = const, thì phương trình đặc tính cơ là tuyến tính Dạng đặc tính cơ động cơ được biểu diễn trên hình 1.2 là những đường thẳng

Hình 1.2: Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều.

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

ö 0

UK

Inm và Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen mở máy

Mặt khác, phương trình đặc tính (1.6) và (1.9) cũng có thể được viết dưới dạng:

  

R .I R M

K (K )

Δω được gọi là độ sút tốc độ ứng với giá trị của momen tải M

Khi Rf =0,  = ñm và Uư = Uưdm ta có đặc tính cơ tự nhiên

Ta có thể biểu diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vị tương đối

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

- Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng

- Phương pháp thay đổi từ thông 

- Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

1.2.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng

- Đây là phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều

+ Nguyên lý điều khiển: Trong phương pháp này người ta giữ U U ñm,  dm và nốithêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng

Độ cứng của đường đặc tính cơ:

Hình 1.3: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ

Ứng với Rf  0ta có độ cứng tự nhiên TN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên cóđộ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ Như vậy, khi ta thay đổi Rf

ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên

- Đặc điểm của phương pháp:

+ Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ càng mềm,

độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn

+ Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức (chỉcho phép thay đổi tốc độ về phía giảm)

+ Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điện trởphụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cầntrục

+ Đánh giá các chỉ tiêu: Phương pháp này không thể điều khiển liên tục được mà phảiđiều khiển nhảy cấp Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải, tải càng nhỏ thì dải

điều chỉnh D  max / min 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 trở phụ lớn, chấtlượng không cao dù điều khiển rất đơn giản

1.2.2 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 đổi dòng điệnkích từ, thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạchkích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ Bình thường khi động cơ làm việc ởchế độ định mức với kích thích tối đa ( max) mà phương pháp này chỉ cho phép tăngđiện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông ϕ tức làđiều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức Nên khi giảm ϕ thì tốc độ không tải lý

tưởng

ñm 0

Hình 1.4: Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông

- Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng vượt quámức giá trị cho phép nếu mômen không đổi Vì vậy muốn giữ cho dòng điện không vượtquá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì ta phải giảm Mt theo cùng tỉ lệ

- Đặc điểm của phương pháp:

+ Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng

+ Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức, việc thayđổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch

+ Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều khiển với côngsuất không đổi

+ Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển: Sai số tốc độ lớn, đặc tính điều khiển nằm trên và dốchơn đặc tính tự nhiên Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy Có thể điều khiểntrơn trong dải điều chỉnh D 3 1     Vì công suất của cuộn dây kích từ bé, dòng điệnkích từ nhỏ nên ta có thể điều khiển liên tục với  1  

+ Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên tục và kinh tế(vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ 1 10 %    

Iđmcủa phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp)

Đây là phương pháp gần như là duy nhất đối với động cơ điện một chiều khi cần điềuchỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển

1.2.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

- Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phátđiện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển … Các thiết bị nguồn này cóchức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điềuchỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk Vì nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên cácbộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không Để đưa tốc động cơ vớihiệu suất cao trong giới hạn rộng rãi 1:10 hoặc hơn nữa

Eư

Hình 1.5: Sơ đồ dùng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng

Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau:

- Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bịchặn bởi đặc tính cơ cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ thôngcũng được giữ ở giá trị định mức Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêucầu về sai số tốc độ và về mômen khởi động Khi mômen tải là định mức thì các giá trịlớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:

ñm max max

M

  



(1.20)Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải cómômen khởi động là:

Trong đó KM là hệ số quá tải về mômen Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song songnhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ có thể viết:

ñm ñm min nm min m

M

1M

Hình 1.6: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp

- Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị ω0max, Mđm, KM là xác định, vì vậy phạm

vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng Khi điều chỉnh điện áp phầnứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấpkhoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ Do đó có thể tính sơ bộ được:

ñm max

Vì thế tải có đặc tính mômen không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ cũng khôngvượt quá 10 Đối với các máy có yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ chính xác duy trì tốcđộ làm việc thì việc sử dụng các hệ thống hở như trên là không thoả mãn được.

- Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi đặc tính cơ tĩnh của hệ truyền độngmột chiều kích từ độc lập là tuyến tính Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng cóđặc tính cơ trong toàn dải là như nhau, do đó độ sụt tốc tương đối sẽ đạt giá trị lớn nhất tạiđặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh Hay nói cách khác, nếu tại đặc tính cơ thấp nhất củadải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vượt quá giá trị sai số cho phép, thì hệ truyền động

sẽ làm việc với sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh Sai sốtương đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là:

Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thông bao kích từ được giữnguyên, do đó moomen tải cho phép của hệ sẽ là không đổi:

cp

c ñm ñm ñm

(1.27)Phạm vi điều chỉnh tốc độ và momen trong hình chữ nhật bảo bởi các đường thẳng

đm 

   , M M dm và các trục tọa độ Tổn hao năng lượng chính là tổn hao trong mạchphần ứng nếu bỏ qua các tổn hao không đổi trong hệ:

nó thu được đặc tính cơ có độ cứng không đổi, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không bịtổn hao.

1.3 Kết luận chương 1

-Trong chương 1, chúng ta đã tìm hiểu công nghệ, hiểu được các đặc tính của động cơ

điện một chiều kích từ độc lập như đặc tính cơ và các phương pháp thay đổi tốc độ động

cơ điện một chiều

-Trong chương 2, chúng ta sẽ lựa chọn bộ biến đổi phù hợp với yêu cầu của đề bài

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN BỘ BIẾN ĐỔI 2.1 Các phương pháp chỉnh lưu 3 pha

Ở đây, ta xét 2 phương pháp chỉnh lưu 3 pha thông dụng nhất, đó là:

- Phương pháp chỉnh lưu 3 pha hình tia;

- Phương pháp chỉnh lưu 3 pha hình cầu.

2.1.1 Phương pháp chỉnh lưu 3 pha hình tia.

2.1.1.1 Chỉnh lưu tia ba pha không điều khiển.

Sơ đồ mạch điện

Dạng sóng ngõ ra

Hình 2.1 Chỉnh lưu tia ba pha không điều khiển.

Hoạt động: Trên đồ thị, các điểm θ1, θ2, θ3, θ4 …mà tại đó các đường điện áp pha cắtnhau, gọi là các điểm chuyển mạch tự nhiên

Trong khoảng      : Ua lớn nhất, D dẫn 1 2 ud ua

Trong khoảng      : Ub lớn nhất, D2 dẫn 2 3 ud ub

Trong khoảng      : Uc lớn nhất, D3 dẫn3 4 ud uc

Điện áp chỉnh lưu thu được là đường bao phía trên của các đường điện áp

Điện áp trung bình sau chỉnh lưu Utb 1,17Up

, với Up là điện áp pha

2.1.1.2 Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển.

Sơ đồ mạch điện

Dạng sóng ngõ ra

Hình 2.2 Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển.

So với chỉnh lưu một pha, thì chỉnh lưu tia ba pha có một số ưu điểm hơn, đó là:

- Chất lượng dòng một chiều tốt hơn

- Biên độ điện áp đập mạch thấp hơn

- Thành phần sóng hài bậc cao bé hơn việc điều khiển các van bán dẫn trongtrường hợp này cũng khá đơn giản

Ở phần này, chúng ta chỉ tìm hiểu sơ lược về chỉnh lưu cầu ba pha không cóđiều khiển, về phần chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển, chúng ta sẽ tìm hiểu kĩ ởmục 2.3.

*Chỉnh lưu cầu ba pha toàn điôt (không điều khiển)

Ta chia các điôt làm hai nhóm: Nhóm catot chung bao gồm T1, T3, T5 và nhómanot chung bao gồm T2, T4, T6

Sơ đồ mạch điện

Dạng sóng ngõ ra

Hình 2.3 Chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển

Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ chỉnh lưu cầu:

+ Khi      : điện áp pha a cao nhất, pha b thấp nhất, D1, D6 mở,1 2 ud ua  ub

+ Khi      : điện áp pha a cao nhất, pha c thấp nhất, D1, D2 mở,2 3 ud ua uc

+ Khi      : điện áp pha b cao nhất, pha c thấp nhất, D3, D2 mở,3 4 ud ub  uc

+ Khi      : điện áp pha b cao nhất, pha a thấp nhất, D3, D4 mở,4 5 ud ub  ua

+ Khi      : điện áp pha c cao nhất, pha a thấp nhất, D5, D4 mở, 5 6 ud uc ua

+ Khi      : điện áp pha c cao nhất, pha b thấp nhất, D5, D6 mở, 6 7 ud uc ub

Điện áp trung bình lối ra: Utb 2,34Up

2.2 Chỉnh lưu cầu ba pha có điểu khiển.

2.2.1 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn.

Sơ đồ mạch điện

Dạng sóng ngõ raHình 2.4 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn

Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng (như hình 2.5) có thể coi như hai sơ

đồ chỉnh lưu tia ba pha mắc ngược chiều nhau, ba tiristor T1, T3, T5 tạo thành một chỉnhlưu tia ba pha cho điện áp (+) tạo thành nhóm anot, còn ba tia tiristor T2, T4, T6 là mộtchỉnh lưu tia cho ta điện áp (-) tạo thành nhóm catot, hai chỉnh lưu này ghép lại tao thànhcầu ba pha

Theo hoạt động của chỉnh lưu ba pha cầu đối xứng dòng điện chạy qua tải là dòngđiện chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi điểm cần mở tiristor chúng ta cần cấp haixung điều khiển đồng thời (một xung ở nhóm katot (-) và một xung ở nhóm anot (+) Ví

dụ tại thời điểm t1 trên hình 2.5 cần vẽ tiristor T1 của pha A phía anot, chúng ta cung cấpxung X1, đồng thời tại đó chúng ta cung cấp thêm xung X4 cho tiristor T4 của pha B phíacatot các thời điểm tiếp theo cũng tương tự Cần chú ý rèn thứ tự cung cấp xung điềukhiển cũng cần tuân thủ theo đúng thứ tự pha

Khi chúng ta cấp đúng xung điều khiển, dòng điện sẽ chạy từ pha có điện áp dươnghơn về phía pha có điện áp âm hơn, ví dụ trong khoảng t5 pha A có điên áp dươngt7hơn, pha B có điện áp âm hơn với việc mở thông T1, T4 dòng điện được chạy từ A về B

Khi góc mở van nhỏ hoặc điện cảm lớn, trong một khoảng dẫn có một van củanhóm này (anot hoặc catot) thì sẽ có hai van của nhóm kia đổi chỗ cho nhau Điều này cóthể thấy rõ trong khoảng t t1 như trên hình Tiristor T1 nhóm anot dẫn, nhưng trong3nhóm catot T4 dẫn trong khoảng t t1 còn T6 dẫn trong khoảng 2 t2 t3

Điện áp ngược các van phải chịu ở chỉnh lưu cầu ba pha sẽ bằng 0, khi van dẫn vàbằng điện áp dây khi van khóa Ta có thẻ lấy ví dụ cho van T1 (đường cong cuối cùng củahình trên) trong khoảng t t1 van T1 dẫn điện áp bằng 0, trong khoảng 3 t3 van T3t5dẫn lúc này T1 chịu điện áp ngược UBA, đến khoảng t5 van T5 dẫn T1 sẽ chịu điệnt7

áp ngược UCA

Khi điện áp tải liên tục, như đường cong Ud trên hình trên trị số điện áp tải đượctính theo công thức

5 6