Điện tử công suất

Điện tử công suất

Đồ án môn học: Điện tử công suất

Lời nói đầu

Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật ngày càng đáp ứng những nhu

cầu về tính hiện đại và tự động hóa trong mọi nghành công nghiệp.Bước tiến vượt bậc

của khoa học kỹ thuật là sự ra đời của công nghệ bán dẫn, nó là một yếu tố không thể

thiếu trong ngành công nghiệp tự động hóa.Việc ứng dụng của nó rất rộng rãi trên

nhiều lĩnh vực đặc biệt trong lĩnh vực điện tử công suất nó được ứng dụng để chế tạo

các linh kiện điện tử góp phần tạo nên những mạch điều khiển ứng dụng trong điều

môn học Điện tử công suất nhằm tìm hiểu kỹ hơn vấn đề này

Đồ án môn học “Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển

theo

nguyên lý arccos cho phần ứng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập” gồm

có 6 chương:

Chương 1:Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Chương 2:Tổng quan về bộ chỉnh lưu cầu một pha

Chương 3:Tính chọn mạch động lực

Chương 4:Tính chọn mạch bảo vệ và cuộn kháng san bằng

Chương 5:Thiết kế mạch điều khiển theo nguyên lý ARCCOS

nhiệm vụ của mình!

Đà nẵng, ngày 22 tháng 12 năm 2008

Sinh viên thực hiện

Sinh viên thực hiện: http://www.ebook.edu.vn 1

Đồ án môn học: Điện tử công suất

Chương 1:

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

1.Đặc tính cơ của động cơ điện 1.1 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

Đặc điểm của động

cơ kích từ độc lập là dòng điện kích từ và

từ thông động cơkhông phụ thuộc dòng điện phần ứng.Sơ đồ nối dây như hình vẽ:

E

C

KT

UKT

Rf

RKT

b,

Hình 1.1

a:Sơ

đồ nối dây của động

cơ kích từ song song

b:

Sơ

đồ nối dâ

y

của động cơ kích từ độc lậpKhi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp

không đổi thì mạch

kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này

động cơ được gọi là

động cơ kích từ song song

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch

điện phần ứng và

mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau,

lúc này động cơ được

= Eư+ (Rư+ R

t)

Iưtrong đó: Uư :

điện áp phần

ứng

Eư: sứ

c điệ

n độn

g phầ

n ứngR

ư: điệ

n tr

ở củ

a mạc

h phầ

n ứngR

t : điệ

n tr

ở ph

ụ tron

g mạc

h phần ứng

Iư : dòng điện mạch phần ứngVới

Rư = r+ rcf+ rct

rư : điện trở cuộn dây phần ứng

rcf : điện trở cuộn cực từ phụ

rb : điện trở cuộn bù

rct : điện trở tiếp xúc của chổi điệnS

ứ

c điệ

n độn

g Eưcủ

a phầ

n ứn

g độn

g c

ơ đượ

c xá

c địn

h

the

o biể

u thức

http://www.ebook.edu.v

Đồ án môn học: Điện tử công suất

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

√: từ thông kích

từ dưới một cực từ

: tốc độ góc

pN

2

a

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì:

E

60 9.55(1-3)

Vì vậy :

pN

60a

T

ừ đ

http://www.ebook.edu.vn

ặc tính

cơ của độn

g cơ điện một chiề

u kích

từ độc lậpTheo các đồ thị trên, khi Iư = 0 hoặc M =

0 ta có:

U u

K √

o : được gọi là tốc

độ không tải lý tưởng của động cơ

9)

K √I nm =

M nm

Inm , Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch

Mặt khác, phương trình đặc tính (1-4), (1-7) cũng có thể được viết ở dạng:

Từ phương trình đặc tính cơ (1-7) ta thấy

có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tínhcơ: từ thông động cơ Φ, điện áp phần ứng Uư

và điện trở phần ứng động cơ.Ta lầnlượt xét ảnh hưởng của từng tham số đó

Si

nh vi

ên th

ực hi ện :

Đồ án môn học: Điện tử công suất

1.1.2.1 Ảnh hưởng của điện trở phần ứng

Giả thiết Uư =

Uđm = const và √

= √đm = constMuốn thay đổi điện trở mạch phần ứng

ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần

ứng như hình 1.1 và 1.2 thì sẽ làm thay đổi được điện trở tổng của mạch này.Trong trường hợp này tốc độ không tải

lý tưởng:

U

d m

2

R R

Khi Rt càng lớn, 

càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc Ứng với Rf = 0 ta cóđặc tính cơ tự nhiên

tự nhiên có độ cứng

Hình 1.3: Các đặc tính của động cơ một chiều

kích từ độc lập khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng

Ứng với một phụ tải Mc nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ cơ

càng giảm, đồng

thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm

Cho nên người ta

thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và

điều chỉnh tốc độ

động cơ phía dưới tốc độ cơ bản

1.1.2.2 Ảnh hưởng của điện áp phần ứng:

Giả thiết từ thông Φ=Φdm=const, điện trở phần ứng Rư =

const Khi thay đổi

điện áp theo hướng giảm so với Udm , ta có:

Đồ án môn học: Điện tử công suất

Tốc

độ khôn

g tải:

ng đặc tín

h cơ:

cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên

Hình 1.4: Các đặc

tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm áp đặt vàophần ứng động cơ

Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì

và hạn chế dòng điện khi khởi động.

Ảnh hưởng của từ thông:

Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm =const , không nối thêm điện trở phụ vào

mạch phần ứng,tức Rư = const.Bằng cách thay đổi dòng điện kích từ Ikt động cơ

ta sẽ làm thay đổi từ thông Trong trường hợp này:

Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm

từ thông Nên khi

từ thông giảm thì ox tăng, còn  sẽ giảm

Ta có một họ đặc tính cơ với ox tăng dần và độ của đặc tính giảm dần khi giảm từ

Đồ án môn học:

Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông:

Điện tử công suất

Dòn

g đi

ện ng

ắn mạch:

n ngắ

n mạch:





0 2

0 1

√2



02

01

Với dạng mômen của phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm

việc của động cơ thì

khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên

1.2 Tổng quan về điều chỉnh

-Động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm so với các động

cơ khác, không

những có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc

mạch điều khiển đơn

-Để điều chỉnh tốc độ động cơ điện có 3 phương pháp:

+Điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ

+Điều chỉnh điện trở phụ mắc thêm vào phần ứng

+Điều chỉnh từ thông động

1.2.1 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách

thay đổi điện trở phần

M

⇒ =o-⊗

Ta thấy rằng khi thay đổi Ruf thì 0 = const còn ⊗  thay đổi ,

vì vậy ta sẽ được

các đường đặc tính điều chỉnh có cùng 0 và dốc dần khi Ruf

càng lớn với tải như

Đồ án môn học: Điện tử công suất

0b,

Mc M

Hình 1.6 : a) Sơ

đồ điều chỉnh tốc

độ ĐMđl bằng cách thay đổi

Rưf

b) Đặc

tính

điều

chỉnh

tốcđộ

ĐMđl bằng cách thay đổi RưfNhư vậy:0<Ruf1<Ruf2<… thì dm>1>2>…, nhưng nếu ta tăng

Rưf đến một giá trị

nào đó thì sẽ làm cho M ≤ Mc và như thế động cơ sẽ không

quay được và động cơ

làm việc ở chế độ ngắn mạch, =0.Từ lúc này, ta có thay đổi

Rưf thì tốc độ vẫn

bằng 0, nghĩa là không điều chỉnh tốc độ động cơ được nữa, do

đó phương pháp

điều chỉnh này là phương pháp điều chỉnh không triệt để

1.2.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ĐM dl bằng

cách thay đổi từ

thông kích từ của động cơ:

Từ phương trình đặc tích cơ tổng quát:

Đồ án môn học: Điện tử công suất

Như vậy : √ đm > √

1> √ 2>… thì dm

< 1 < 2 <…, nhưng nếu giảm √

quá nhỏthì có thể lam cho tốc độ động cơ lớn quá giới hạn cho phép , hoặc làm cho điều

kiện chuyển mạch bị xấu đi do dòng phần ứng tăng cao , hoặc

để đảm bảo chuyểnmạch bình thường thì cần phải giảm dòng phần ứng và như vậy sẽ làm cho mômen

cho phép trên trục động cơ giảm nhanh, dẫn đển động cơ bị quá tải

1.2.3.Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của

động cơ:

Từ phương trình đặc tích cơ tổng quát:

đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau.Nhưng muốn

thay đổi Uư thì phải có

bộ nguồn một chiều thay đổi được điện áp ra , thường dùng

Các bộ biến đổi có thể là: Bộ biến đổi máy điện :dùng máy

phát một chiều(F),máy

khuếch đài (MĐKĐ); bộ biến đổi từ:mạch khuyếch đại

từ(KĐT) một pha ,ba pha:bộ

biến đổi điện tử bán dẫn: các bộ chỉnh lưu (CL) dùng thyristor,

I

Sơ đồ chỉnh lưu

có điều khiển cầu một pha

2.1 Nguyên lí làm việc:

u=

2UsinTrong nửa chu kỳ đầu : 0 ≤ 1 ≤ , u >

0 cực dương tại A, cực âm tại B HaiThyristor T1 và T3đang ở trạng thái sẵn sàng dẫn điện vì chưa có xung kích khởi

đưa vào cực điều khiển

Tại thời điểm1

= 〈1( 0 ≤ 1 ≤ ) ta đưa xung kích khởi vào T1 và T3 làm cho

T1, T3

mở lúc này trong

mạch có dòng điện id qua tải qua T3 trở về nguồn,lúc này ud=u.

Tại thời điểm  = thì u = 0, nhưng hai Thyristor T1, T3 vẫn

mở vì tải là phần ứng

của động cơ điện một chiều nên coi như có cuộn cảm mắc nối

tiếp với tải Trong

năng lượng về nguồn

Trong nửa chu kỳ sau: ≤  2 ≤ 2 , tính cực dương tại B, cực

âm tại A.HaiThyristor

T2 và T4 cũng đang ở trạng thái chờ mở cho dòng chảy qua

Tại thời điểm: θ2= +θ1 = +〈 (〈 góc điều khiển) ta đưa xung

http://www.ebook.edu.vn

10

g trong mạch tải)Dạng sóng điện áp chỉnh lưu:

Đồ án môn học: Điện tử công suất

2.2 Hiện tượng trùng dẫn:

Như đã trình bày ở trên, chúng ta chỉ đề cập đến nguyên

lý hoạt động của các

bộ biến đổi trong trường hợp lí tưởng, tức là không xét đến ảnh hưởng của điệnkháng Lk của nguồn điện xoay chiều.Khi xét đến cuộn kháng

Lk của nguồn thì trong

mạch sẽ không xảy

ra hiện tượng chuyển mạch tức thời.Hiện tượng trùng dẫn làhiện tượng cả 4 Thyristor đều dẫn.Giả sử tại thời điểm 1, T1,T3 mở cho dòng chảy qua

iT1,3 = Id;Khi  =  2 cho xung điều khiển mở T2,T4

vì sự có mặt của Lknên dòng iT1,3 khôngthể giảm đột ngột từ

Id về 0, mà dòng iT2,4cũng không thể tăng đột ngột từ 0 đến Id.Lúc này cả 4 Thyristor đều mở (cùng dẫn)→ phụ tải

bị ngắn mạch, Ud=0, nguồn

cũng bị ngắn mạch sinh ra dòng điện ngắn mạch(ik )

di d

Nếu chuyển gốc toạ

độ từ 0 sang  2 , ta

ik1 làm tăng dòng trong T4, làm giảm dòng trong T3;

ik2 làm tăng dòng trong T2, làm giảm dòng trong T1;

) v

à (*

*)

ta có:

http://www.ebook.edu.vn

V 2L

Sinh viên thực hiện:

http://www.ebook.edu

vn

13

14

Đồ án môn học: Điện tử công suất

Chương 3:

TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC

Mạch động lực bao gồm : Máy biến áp

và chọn Thyristor

3.1Chọn Thyristor 3.1.1.Điện áp ngược lớn nhất trên Thyristor

Máy biến áp công suất nhỏ nên sụt áp trên điện trở tương đối lớn, khoảng 4%, sụt

áp trên điện kháng ít hơn khoảng 1,5% Điện áp sụt trên hai Thyristor nối tiếp là2V.Do có cuộn kháng san bằng nên sụt áp khoảng 0.8 % Vậy điện áp chỉnh lưu

không tải là:

Ud0 = Ud + ⊗Uv+ ⊗Uba + ⊗UdnTrong đó: Ud =110V – điện áp chỉnh lưu

⊗Uv = 2V – sụt

áp trên các van

⊗Uba = ⊗Ur+ ⊗UL – sụt áp bên trong mba khi có tải, bao gồm sụt áp trên điện

trở (⊗Ur) và sụt áp trên điện cảm (⊗UL), những đại lượng này khi chọn sơ bộ vàokhoảng (5  10)% Ở đây ta chọn 7% và 5%

⊗Ur = 0,07 x 110

= 7,7V

⊗UL = 0,05 x 110 = 5,5V

⇒ ⊗Uba = 7,7 + 5,5 = 13,2V

l S

Đồ án môn học:

Giá trị trung bình của dòng chảy qua mỗi Thyristor :

Điện tử công suất

II d 2,35

2 2

Giá trị hiệu dụng của dòng chảy qua thứ cấp máy biến áp :

I2 = Id = 2,35 (A)

Giá trị hiệu dụng của dòng chảy qua pha

sơ cấp máy biến áp :

I1 = m.I2 = 0,636 2,35 = 1,5 (A)

3.1.2 Chọn Thyristor :

Dựa vào dòng trung bình qua mỗi

Thyristor và điện áp ngược lớn nhất trên mỗi

Thyristor để chọn Thyristor:

Chọn Thyristor có hệ

số dự trữ dòng Ki = 1,2 và hệ số dự trữ điện áp Ku = 1,6Vậy Tiristor chọn phải chịu được :Điện áp ngược lớn nhất :

Ungmax= Ku Uim = 1,6 198 = 316,8 V

- Dòng trung bình qua mỗi Thyristor :

Itb = K1 IT

= 1,2 1,175 = 1,41 A

Từ các thông số Unv

= 316,8V; Iđm = 1,41A theo bảng p.2 trang 212 sách “Tính toán

thiết kế thiết bị điện

tử công suất” ta chọn 4 Thyristor loại TCR22-6 có các thông

số sau:

Iđmmax = 1.5(A)Đỉnh xung dòng điện

Ipikmax = 160(A)Dòng điện của xung điều khiển

Igmax = 200( A)Điên áp của xung điều khiển

Ugmax = 0.8(V)Dòng điện rò

Irmax = 200 (  A)

= = 1,175 A

= = 329,5 VA

Đồ án môn học: Điện tử công suất

Chọn mạch từ 2 trụ, tiết diện mỗi trụ được tính theo công thức kinh nghiệm:Q=kS

= 15, 4 (cm2)

Trong đó : S : Công suất biểu kiến MBA

c : Số pha

f : Tần số nguồn điện xoay chiều.k- là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát.( chọn k=6 vì là biến áp khô)Mạch từ có dạng được trình bày trên hình vẽ, dùng tôn Silic, có đường kính

được chuẩn hóa là d=4,5 cm, sử dụng loại thép Э330, các

lá thép có độ dày là 0,5

mm, chọn mật độ từ cảm là B = 1 Tesla

3.2.2 Dây quấn :

* Số vòng dây của mỗi cuộn :

Đường kính dây dẫn phía sơ cấp :

d 2 = 4.I 2

J 2

4.2,35 3,14.2, 7

* Chọn dây :

Dựa vào các thông số trên, tra bảng tìm được tiết diện dây

với thông số sau :

* Thông số của dây quấn:

Dây quấn sơ cấp :

Ta chọn chiều cao trụ là h=12

cm=120mm

Ta chọn mạch từ có

độ cao có kích thước như hình vẽ sau:

Đồ án môn học: Điện tử công suất

3.3 Kết cấu dây quấn sơ cấp

Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí dọc theo chiều dọc trục

Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp của cuộn sơ cấp:

= 124 vòng

Với h - chiều cao trụ

dn - dường kính dây quấn kể cả cách điện

hg - khoảng cách điện với gông có thể tham khảo chọn,h g=

dn=0,95 mm (ứng

với dây dẫn sơ cấp được chọn)

Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp:

n11 = n1

W11

585124Chọn số lớp n11= 5 lớp.Như vậy có 585 vòng chia thành 5 lớp, chọn 4 lớp đầu vào

có 122 vòng, vòng thứ 5 có 585-4.122=

85 vòng

Giữa hai lớp đặt 1

lớp cách điện dày 0,1mm.

Bề dày dây cuốn sơ cấp

e1 = K (d1+ 0,1) = 5(0,95 + 0,1) = 5,25 mmBán kính trung bình của dây quấn sơ cấp

r1tb = 4,5 + 5,25/2 = 7,125 mmChiều dài dây quấn sơ cấp

l1 = 2 r1tb 10-3n1 = 2 3,14 7,125 10-3 585 = 26,2 m

Với h - chiều cao trụ

dn - dường kính dây quấn kể cả cách điện

hg - khoảng cách điện với gông có thể tham khảo chọn,h g=

dn=1,19 mm (ứng

với dây dẫn thứ cấp được chọn)

Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn thứ cấp:

Chọn số lớp n21=4 lớp.Như vậy có 373 vòng chia thành 4 lớp,

Đồ án môn học: Điện tử công suất

Bề dày của dây quấn thứ cấp

e2 = K (d2+ 0,1)

= 5(1,19 + 0,1) = 5,16 mmBán kính trung bình của dây quấn thứ cấp

r2tb = 4,5 +5,16/2 = 7,08 mmChiều dài dây quấn thứ cấp

l2 =

2 r2tb 3.n2 = 2 3,14 7,08 10-

10-3 10-3710-3 = 16,58 mĐiện trở của dây dẫn

ở nhiệt độ 750C

R2 = 2l2(1+0,004 75) = 0,0188.16,58

(1+0,004 75) = 0,405∧Giữa dây quấn sơ cấp và thứ cấp để một khoảng cách 8 mm

Điện áp rơi trên điện kháng

3

XI d

Trong đó điện kháng trên máy biến áp được quy về thứ cấp như sau:

Trong đó: ⊗UFe - tổn thất điện áp trên lõi thép

* Hiệu suất của thiết bị chỉnh lưu :

Đồ án môn học: Điện tử công suất

nh vi

ên th

ực hi ện :

http://www.ebo

21

= = 83,58( A)

Đồ án môn học: Điện tử công suất

Chương 4:

TÍNH CHỌN MẠCH BẢO VỆ

VÀ CUỘN KHÁNG SAN BẰNG

4.1 Tính cuộn kháng cân bằng :

Cuộn kháng san bằng được mắc nối tiếp với phần ứng của động cơ điện một chiều

nhằm mục đích giảm bớt độ nhấp nhô của điện áp chỉnh lưu dẫn đến động cơ làm việc

ổn định hơn Thành phần sóng đa hài của dòng chỉnh lưu không vượt quá 15% dòngđịnh mức Gía trị của cuộn kháng san bằng được chọn nhằm hạn chế biên độ của cácsóng đa hài này

Iài

≤ 15

% Im

= 15

%

*2,3

5

= 0,3

525(A)Lúc động cơ làm việc góc mở 〈 = 0 điện áp chỉnh lưu được

http://www.ebook.edu.vn

Đồ án môn học: Điện tử công suất

Nếu dừng lại ở hai số hạng đầu thì biểu thức giải tích của Ud là :

Ta có :

U d =  3 

Phương trình mạch tải: Ud + e

= E + R.id

↔d

i d t

+

Ri d

=

2 2

 3 

Ta nhận thấy rằng dòng điện tải id biến thiên quanh giá trị trung bình của nó

Vậy:

Id =

Id +iaR.id

=

RId+RiaTrong đó : ia là thành phần xoay

Đối với trường hợp đang xét thì :

1

4 2

2

;m

ặt khá

c

Ia

≤ 15

%

Iđ m

= 0,352

5 nên :

Sinh viên thực hiện:

Đồ án môn học: Điện tử công suất

L

⋅4 2

2

= 2 ⋅132,03

6 ⋅ 3,142 ⋅0,3525⋅ 50

=

0,2533(H)L: tổng điện cảm của dây san bằng,

2p : số cực từ; 2p =

4 →

ndm = 1500 v/phút

0,2 ⋅

2 ⋅ 2,35

= 0,0031(H)