Đồ án thiết kế mạch chỉnh lưu cho động cơ điện một chiều

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNGCÁCH THAY ĐỔI ĐIỆN ÁPTrong nền sản xuất hiện đại, máy điện một chiều vấn được coi là một loại

LỜI NÓI ĐẦUĐiện tử công suất là lĩnh vực kĩ 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 nay, không riêng gì ở các nước phát triển, ngay cả ở nước ta các thiết bị bándẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và cả trong lĩnh vực sinh hoạt Các

xí nghiệp, nhà máy như: xi măng, thủy điện, giấy, đường, dệt… đang được sử dụng ngàycàng nhiều những thành tựu của công nghiệp điện tử nói chung và điện tử công suất nóiriêng Đó là những minh chứng cho sự phát riển của nghành công nghiệp này

Với mục tiêu công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, ngày càng có nhiều xí nghiệpmới, dây chuyền mới sử dụng kĩ thuật cao đòi hỏi cán bộ kĩ thuật và kĩ sư điện nhữngkiến thức về điện tử công suất Cũng vì lý do đó, trong học kì này em được nhận đồ ánđiện tử công suất về đề tài: “THIẾT KẾ CHỈNH LƯU HÌNH TIA BA PHA – ĐỘNG CƠĐIỆN MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU”

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy Chu Đức Toàn đãtận tình chỉ bảo em trong suốt quá trình làm đồ án

Mặc dù đã cố gắng dành nhiều công sức cũng như thời gian nhưng cũng không tránhkhỏi sai sót, em mong được sự góp ý và chỉ bảo của thầy cô trong khoa

Sinh viên thực hiện:

Phạm Thế Hiển - Lưu Trọng Hiếu

Mục lục

CHương 1: Tổng quan về động cơ điện 1 chiều và các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp

Chương 2: Thiết kế bộ chỉnh lưu

Chương 3: Thiết kế mạch điều khiển

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG

CÁCH THAY ĐỔI ĐIỆN ÁPTrong nền sản xuất hiện đại, máy điện một chiều vấn được coi là một loại máy quantrọng Nó có thể dùng làm động cơ điện, máy phát điện hay dùng trong những điều kiệnlàm việc khác

Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, vì vầy máy được dùngnhiều trong những nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép,hầm mỏ hay giao thông vận tải…

1 Tổng quan về động cơ điện một chiều.

1.1 Phân loại:

Động cơ điện một chiều chia là nhiều lại tùy 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

1.2.Ưu nhược điểm của động cơ một chiều.

- Ưu điểm:

 Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ

 Có nhiều phương pháp hãm tốc độ

- Nhược điểm:

 Tốn nhiều kim loại màu

 Chế tạo, bảo quản khó khăn

 Giá thành đắt hơn máy điện khác.

1.3 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động.

HÌnh1.1:Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

2.Đặc tính cơ của máy điện một chiều.

Quan hệ giữa tốc độ và mômen động cơ được gọi là đặc tính cơ của động cơ w = f(M) hoặc n = f(M)

Quan hệ giữa tốc độ và mômen của máy sản xuất gọi là đặc tính cơ của máy sản xuất wc= f(Mc) hoặc nc = f(Mc)

Ngoài đặc tính cơ, đối với động cơ điện một chiều người ta còn sử dụng đặc tính cơ điện Đặc tính cơ điện biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trong mạch động cơ: w = f(I) hoặc n =f(I)

- Uư là điện áp phần ứng động cơ, (V)

- Eư là sức điện động phần ứng động cơ (V)

- Rư là điện trở cuộn dây phần ứng

- Rp là điện trở phụ mạch phần ứng

Hình 1.2 - Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một

chiều kích từ song song lập

Hình 1.1- Sơ đồ nguyên lý động cơ điện

một chiều kích từ độc lập

- Iư là dòng điện phần ứng động cơ.

- rư: Điện trở cuộn dây phần ứng

- rct: Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp

- rcb: Điện trở cuộn bù

- rcp: Điện trở cuộn phụ

Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay của rôto:

(2.3)

là hệ số kết cấu của động cơ

ω - Từ thông qua mỗi cực từ

p - Số đôi cực từ chính

N - Số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng

a - Số mạch nhánh song song của cuộn ứng Hoặc ta có thể viết:

Từ hệ 2 phương trình (2.1) và (2.3) ta có thể rút ra được phương trình đặc tính cơ

E u=p N

2πaa .φ.ω=K φ.ω

K= p.N

2πaa

điện biểu thị mối quan hệ ω = f(I) của động cơ điện một chiều kích từ độc lập như sau:

(2.6)

Từ phương trình (2.5) rút ra Iư thay vào phương trình (2.6) ta được phương trình đặc tính cơ biểu thị mối quan hệ ω = f(M) của động cơ điện một chiều kích từ độc lập như sau:

(2.7)

Có thể biểu diễn đặc tính cơ dưới dạng khác:

ω = ω 0 - ∆ ω (2.8)Trong đó: gọi là tốc độ không tải lý tưởng

gọi là độ sụt tốc độ

Phương trình đặc tính cơ (2.7) có dạng hàm bậc nhất y = B + Ax, nên đường biểudiễn trên hệ tọa độ M0ω là một đường thẳng với độ dốc âm Đường đặc tính cơ cắt trụctung 0ω tại điểm có tung độ Tốc độ ω0 được gọi là tốc độ không tải lý tưởngkhi không có lực cản nào cả Đó là tốc độ lớn nhất của động cơ mà không thể đạt được ởchế độ động cơ vì không bao giờ xảy ra trường hợp MC = 0

Hình 1 3- Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Khi phụ tải tăng dần từ MC = 0 đến MC = Mđm thì tốc độ động cơ giảm dần từ

ω 0 đến ω đm.Điểm A(Mđm, ω đm) gọi là điểm định mức

Rõ ràng đường đặc tính cơ có thể vẽ được từ 2 điểm ω0 và A Điểm cắt của đặc tính

cơ với trục hoành 0M có tung độ ω = 0 và có hoành độ suy từ phương trình (2.7):

(2.9)

Hình1.6 - Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Mômen Mnm và Inm gọi là mômen ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch Đó là giátrị mômen lớn nhất và dòng điện lớn nhất của động cơ khi được cấp điện đầy đủ mà tốc

độ bằng 0 Trường hợp này xảy ra khi bắt đầu mở máy và khi động cơ đang chạy mà bịdừng lại vì bị kẹt hoặc tải lớn quá kéo không được Dòng điện Inm này lớn và thườngbằng:

Inm = (10 ÷ 20) Iđm

Nó có thể gây cháy hỏng động cơ nếu hiện tượng tồn tại kéo dài

2.2 Các ảnh hưởng của tham số đến đặc tính cơ.

Phương trình đặc tính cơ (2.7) cho thấy, đường đặc tính cơ bậc nhất ω = f(M) phụ

thuộc vào các hệ số của phương trình, trong đó có chứa các thông số điện U, Rp và Ф.

Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng thông số này

* Trường hợp thay đổi điện áp phần ứng

Vì điện áp phần ứng không thể vượt quá giá trị định mức nên ta chỉ có thể thay đổi

về phía giảm

U− biến đổi; Rp = const; Ф

= constTrong phương trình đặc tính cơ, ta thấy độ dốc (hay độ cứng) đặc tính cơ không thay đổi:

Tốc độ không tải lý tưởng ω0 thay đổi tỷ lệ thuận với điện áp:

Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng ta được một họ các đường đặc tính cơ song song với đường đặc tính cơ tự nhiên và thấp hơn đường đặc tính cơ tự nhiên

Hình 1.7 - Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện kích từ độc lập khi giảm điện áp phần ứng

* Trường hợp thay đổi điện trở mạch phần ứng

Vì điện trở tổng của mạch phần ứng: RưΣ = Rư + Rưf nên điện trở mạch phần ứng chỉ có thể thayđổi về phía tăng Rưf

Uư = const ; Rưf = var; Ф = const

Trường hợp này, tốc độ không tải giữ nguyên:

Còn độ dốc (hay độ cứng) của đặc tính cơ thay đổi tỷ lệ thuận theo RưΣ

Như vậy, khi tăng điện trở RưΣ trong mạch phần ứng, ta được một họ các đường đặc tính cơ nhân tạo cùng đi qua điểm (0, ω0)

Hình 1.8 - Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

khi tăng điện trở phụ trong mạch phần ứng.

* Trường hợp thay đổi từ thông kích từ

Uư = const; Rưf = const; Ф = var

Để thay đổi từ thông Ф, ta phải thay đổi dòng điện kích từ nhờ biến trở Rkt mắc ởmạch kích từ của động cơ Vì chỉ có thể tăng điện trở mạch kích từ nhờ Rkt nên từ thôngkích từ chỉ có thể thay đổi về phía giảm so với từ thông định mức

Trường hợp này, cả tốc độ không tải lý tưởng và độ dốc đặc tính cơ đều thay đổi

Khi điều chỉnh giảm từ thông kích từ, tốc độ không tải lý tưởng ω0 tăng, còn độ cứng đặc tính cơ thì giảm mạnh Họ đặc tính cơ nhân tạo thu được như hình 2.7

Hình 1.9 - Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông kích từ.

3.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng phương pháp điện áp.

Truyền động điện được dùng để dẫn động các bộ phần làm việc của các máy sảnxuất khác Thường phải điều chỉnh tốc độ truyền động của các bộ phận làm việc Vì vậyđiều chỉnh tốc độ động cơ điện là biến đổi tốc độ một cách chủ động, theo yêu cầu đặt racho các quy luật chuyển động của bộ phần làm việc mà không phụ thuốc mômen phụ tảitrên trục động cơ

Xét riêng về phương diện tốc độ của động cơ điện một chiều là có nhiều ưu điểmhơn so với các loại động cơ khác, không những có thể điều chỉnh tốc độ dễ dàng, đa dạngcác 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 bằng điện 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 điện phần ứnghoặc mạch kích từ của động cơ Cho đến nay thường sử dụng những bộ biến đổdựa trên các nguyên tắc truyền động sau:

- Hệ truyền động máy phát- động cơ(F-Đ)

- Hệ truyền động chỉnh lưu tiristor-động cơ(T-Đ)(được sử dụng với đồ án này)

 Hệ truyền động chỉnh lưu tiristor-động cơ(T-DD)

Tốc độ động cơ thay đổi bằng cách thay đổi điện áp chỉnh lưu cấp cho phần ứngcủa động cơ, để thay đổi điện áp chỉnh lưu ta chỉ cần sử dụng mạch điều khiển,thay đổi thời điểm thông van thyristor.

Hình 1

Ưu điểm của hệ này là tác động nhanh, không gây ồn ào và dễ tự động hóa Do các vanbán dẫn có hệ số khuyếch đại công suất cao, điều đó thuận lơi cho việc thiết lập hệ thốngđiều chỉnh nhiều vòng, để nâng cao chất lương đặc tính tĩnh và các đặc tính của hệ thống.Nhược điểm là do các van có đặc tính phi tuyến, dạng chỉnh lưu của điện áp có biên độđập mạch gây tổn hao phụ trong máy điện Hệ số công suất cos của hệ thống nói chung làthấp Tính dẫn điện 1 chiều của van buộc ta phải sử dụng 2 bộ biến đổi để cấp điện chođộng cơ có đảo chiều quay

a, Sơ đồ thay thế tính toán

Từ phương trình đặc tính động cơ tổng quát:

Ta thấy sự thay đổi Un thì w0 sẽ thay đổi, còn ∆ ω =const

Vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau

Khi thay đổi góc điều khiển α= (0 – π) thì Ed thay đổi từ Ed0 đến- Ed0 và ta sẽ được 1 hệ đặc tính cơ song song nằm ở mức bên phải của mặt phẳng tọa độ

CHƯƠNG II:

THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU.

1.1 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha:

Hình 1.1: Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha

T3 T2

T1 A

Hình 1.2: Sơ đồ dạng sóng tia 3 pha

 Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha:

Gồm 1 máy biến áp 3 pha có thứ cấp nối Yo, 3 pha Thyristor nối với tải như hình

 Điều kiện khi cấp xung điều khiển chỉnh lưu:

+Thời điểm cấp xung điện áp pha tương ứng phải dương hơn so với trung tính.+Khi biến áp đấu hình sao (Y) trên mỗi pha A, B, C nối một van.3 catod đấu chungcho điện áp dương của tải, còn trung tính biến áp, sẽ là điện áp âm Ba pha này dịch góc

120o theo các đường cong điện áp pha ,có điện áp của 1 pha dương hơn điện áp của 2 phakia trong khoảng thời gian 1/3 chu kì

+Nếu có các Thyristor khác đang dẫn thì điện áp pha tương ứng phải dương hơn phakia Vì thế phải xét đến thời gian cấp xung đầu tiên

Góc mở tự nhiên:

+Góc mở α được xác định từ lúc điện áp đặt lên van tương ứng chuyển từ âm đến

0 (từ đóng sang khoá) cho đến khi bắt đầu đặt xung điều khiển vào

+Điện áp gây nên quá trình chuyển mạch: điện áp dây

- Điện áp pha thứ cấp máy biến áp

- Qua hình trên ta thấy:

 Lúc 1 2  va vb vc va có giá trị lớn nhất nên T1 mở cho dòng chạy qua T2;

Ev

i c 3





Trong đó: R: điện trở của động cơ

E: suất điện động phản kháng của động cơ

R

Eu

I d d

Giả thiết tải : R, L,Eu , chuyển mạch tức thời

Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp:

u1= Umsinθ

u2= Umsin(θ− 2πa

3 )

3

2 sin( )

+Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u1 : ud = u1

+Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện qua van 1: id = Id = i1

+Dòng điện qua T2, T3 bằng 0: i2 = i3 = 0

Trong nhịp V1: uV2 từ âm chuyển lên 0, khi uV2 = 0 thì T2 mở, lúc này uV1 = u1 – u2 = 0

và bắt đầu âm nên T1 đóng, kết thúc nhịp V1, bắt đầu nhịp V2

*Nhịp V2: từ 2 3

Lúc này : { u v2 =0 ¿ { u v1 = u 1 − u 2 ¿¿¿¿

T2 mở, T1, T3 đóng

+Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u2: ud = u2

+Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện dòng điện qua van 2: id = Id = i2

+Dòng điện qua T1, T3 bằng 0: i1 = i3 = 0

Trong nhịp V2: uV3 từ âm chuyển lên 0, khi uV3 = 0 thì T3 mở, lúc này uV2 = u2 – u3 = 0

và bắt đầu âm nên T2 đóng, kết thúc nhịp V2, bắt đầu nhịp V3

+Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u3: ud = u3

+Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện dòng điện qua van 3: id = Id = i3

+Dòng điện qua T1, T2 bằng 0: i1 = i2 = 0

Trong nhịp V3: uV1 từ âm chuyển lên 0, khi uV1 = 0 thì T1 mở, lúc này uV3 = u3 – u1 = 0

và bắt đầu âm nên T3 đóng, kết thúc nhịp V3, bắt đầu nhịp V1

Trong mạch, dạng sóng của dòng điện phụ thuộc vào tải, tải thuần trở dòng điện id

cùng dạng sóng ud, khi điện kháng tải tăng lên ,dòng điện càng trở nên bằng phẳng hơn,khi Ld tiến tới vô cùng dòng điện id sẽ không đổi, id = Id

Trị trung bình của điện áp tải:

5 6

2

6

3 6 2

Giả sử T1 đang cho dòng chạy qua, iT1 = Id Khi θ=θ2 cho xung điều khiển mở T2.

Cả 2 Thyristor T1 và T2 đều cho dòng chảy qua làm ngắn mạch 2 nguồn ea và eb Nếu

chuyển gốc toạ độ từ θ sang θ2 ta có:

ea= √ 2 U2 sin(θ+ 5 πa

6 + α )

eb= √ 2 U2 sin(θ+ πa

6 + α )Điện áp ngắn mạch:

Tại mỗi thời điểm nào đó chỉ có 1 Thyristor dẫn, như vậy dòng điện qua tải liên tục,mỗi t dẫn trong 1/3 chu kì.còn nếu điện áp tải gián đoạn thì thời gian dẫn của cácThyristor nhỏ hơn Tuy nhiên, trong cả 2 TH dòng điện trung bình của các Thyristor đềubằng 1/3 Id trong khoảng thời gian Thyristor dẫn dòng điện của Thyristor bằng dòng điệntải Dòng điện Thyristor khoá = 0 Điện áp Thyristor phải chịu bằng điện dây giữa pha cóThyristor khoá với pha có Thyristor đang dẫn

Khi tải thuần trở dòng điện và điện áp tải liên tục hay gián đoạn phụ thuộc vào góc

mở Thyristor

+Nếu   30  Ud, Id liên tục

+Nếu  > 30  Ud, Id gián đoạn

 Nhận xét: So với chỉnh lưu 1 pha:

+Chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện một chiều tốt hơn

+Biên độ điện áp đập mạch tốt hơn

+Thành phần sóng hài bậc cao bé hơn

+Việc điều khiển các van bán dẫn cũng tương đối đơn giản hơn

Dòng điện mỗi cuộn thứ cấp là dòng điện 1 chiều, do biến áp 3 pha 3 trụ mà từthông lõi thép biến áp là từ thông xoay chiều không đối xứng làm cho công suất biến ápphải lớn Khi chế tạo biến áp động lực, các cuộn dây thứ cấp phải đấu sao (Y), có dâytrung tính phải lớn hơn dây pha vì dây trung tính chịu dòng tải