Đồ án điện tử công suất

Khái quát chung: Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục trọng một phạm vi rộng và trong nhiều trường hợp cần có đặc tính cơ đặc biệt, thiết bị đơn giản hơn và r

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GVHD : TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH

SVTH : LÊ XUÂN TRUNG.

MSSV : 105110393

NHÓM : 34

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ

A ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 Khái quát chung:

Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục trọng một phạm

vi rộng và trong nhiều trường hợp cần có đặc tính cơ đặc biệt, thiết bị đơn giản hơn

và rẻ tiền hơn các thiết bị điều khiển của động cơ ba pha.Vì một số ưu điểm nhưvậy cho nên động cơ điện một chiều được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp,trong giao thông vận tải…

2.1 Cấu tạo của độn cơ điện một chiều.

Động cơ điên một chiều chia thành 2 thành phần chin:

- phần tỉnh( stato)

Gồm các bộ phận như sau:

Cực chỉnh từ: là bộ phận sinh ra từ trường, gồm lỏi sắt cực từ và dây quấn kích từ.+ Lỏi sắt cực từ làm bằng lá thép kỹ thuật điện dày( 0,5-1)mm ép lại và tán chặt.+ Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bóc cách điện

Trong các máy có công suất nhỏ cực từ chính là một nam châm vinh cửu Còntrong máy có công suất lớn cực từ là nam châm điện

Cực từ phụ đặt giửa cực từ chính dùng để cải thiện trình trạng làm việc cảu máyđiện và đổi chiều

+ lỏi thép cực từ phụ có thể là một khối hoạc được gép bằng các lá thép tùy theochế độ làm việc

Xung quanh cực từ phụ được đặt giây quấn cực từ phụ, dây quấn cực từ phụđược nối với dây quấn phần ứng

Gông từ: dùng đẻ làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.

- Phần quay(roto)

Bao gồm các bộ phận sau:

+ lỏi thép phần ứng: dùng đẻ dẩn từ, thường dùng những tấm thép kỷ thuật điệndày 0.5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòngđiện xoáy gây lên

Trong máy điện nhỏ lỏi thép phần ứng được ép trực tiếp vào trục còn tong máyđiên lớn giửa trục và lỏi sắt có giá roto

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua, nóthường được làm bằng đồng bọc cách điện

Cổ góp: dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều

Cơ cấu nối than: dùng để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài

2.2 phân loại động cơ điện một chiều.

Cũng như máy phát, động cơ điện củng được phân loại theo cách kích thích từ

thành các động cơ sau:

- Động cơ điện kích từ độc lập:

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có quộn kích từ được câp điện từ mộtnguồn điện ngoai độc lập với nguồn điện cấp cho mạch phần ứng

- Động cơ kích từ nối tiếp:

Động cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng

- Động cơ kích từ hổn hợp:

Gồm 2 dây quấn kích từ: dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếptrong đó dây quấn kích từ song song là chủ yếu

2.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng códòng điện Iư Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực Fđttác dụng làm cho rôto quay

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ

cho nhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều

lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi

Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sức điện động Eư

Ở động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên

sức điện đông Eư còn được gọi là sức phản diện.

Hình 1 Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập

Theo hình 1 ta viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng :

Rb: Điện trở cuộn bù ( Ω)

Rct: Điện trở tiếp xúc chổi điện (Ω)

• Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thưc sau:

trong đó : p : Số đôi cực từchính

N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

a : Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

Ø: Từ thông kích từ dưới mỗi cực từ(wb)

ω: Tốc độ góc (rad/s)

K = : Hệ số cấu tạo động cơ

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

Thay (1) và (2) và biến đổi ta được : ; (4)

Biểu thức (4) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.Mặt khác, mômen điệntừ: Mđt= (5)

Nếu bỏ qua tổn thất trong các ổ trục, tổn thất tự quạt mát và tổn thất trong thép thìmômen cơ trên trục của động cơ bằng mômen điện từ, ta ký hiệu là M, tức là :

Không xét đến ảnh hưởng của phản ứng phần ứng ngang trục làm giảm từ thông

Ø của động cơ tức là xem Ø=const thì quan hệ ω=f(M,I) là tuyến tính

Mặt khác : phương thình đặc tính (4) và (6) cũng có thể viết dưới dạng:

( Rcb=Uđm/ Iđm được gọi là điện trở cơ bản )

Từ(4) và (6) ta viết đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vị tương đối

ω*=1- R*I* (13)

ω = 1- R*M (14) ∗ ∗

• Độ cứng của đặc tính cơ:

• Công suất (năng lượng điện)

Từ phương trình lý tưởng : IU =(Eư+IRư)I (16)

Ta có Pđiện=Pđt+ΔΡ

Trong đó Pđt = IEư công suất điện từ

ΔP =I2Rư tổn hao công suất cơ trên điện trở phần ứng

Thực tế :Pđiện=Pđt+ ΔPư+ ΔP0 (17)

Với ΔP0 tổn hao ma sát do sự quay

Từ biểu thức (4) hoặc (6) ta thấy ω là một hàm phụ thuộc R, Ø,U : ω=f(R,Φ,U) do〈

đó để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập

có ba phương pháp điều khiển sau :

- Điều khiển điện trở phụ phần ứng

- Điều khiển từ thông kích từ

- Điều khiển điện áp phần ứng

Sau đây ta xem xét từng phương pháp điều khiển một

2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

•Nguyên lý điều chỉnh:

Nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng

Ta đã phân tích ở trên nên ta có ω= f Rf, Ø〈 kt, U, giả thiết rằng :Nếu giữØ=Øđm=const ; U= Uđm= const; Rư=const thì ω=f(Rf)

Muốn thay đổi được giá trị Rf của mạch phần ứng bằng cách nối tiếp một điện trởphụ(Rf) thay đổi được giá trịvào mạch phần ứng Lúc này ta có : R = Rư+ Rf

Từ phương trình đặc tính cơ :

Từ phương trình trên ta thấy : khi tăng giá trị của Rf thì tốc độ của động cơ giảm,khi giảm giá trị của Rf thì tốc độ của động cơ tăng

Lúc này ta có tốc độ không tải lý tưởng:

Như vậy khi thay đổi Rf cho ta một họ đặc tính như sau:

Hình 1-3 : Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ở những điệntrở phụ khác nhau

•Nhận xét: Nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời Inm và Mnm

cũng giảm Phương pháp này được dùng để hạn chế dòng điện động cơ khi khởiđộng

- Ưu điểm : Đơn giản , dễ thực hiện

- Nhược điểm : + Độ cứng đặc tính cơ thấp

+ Tổn thất năng lượng trên điện trở lớn

+ Phạm vi điều chỉnh hẹp

2.2 Phương pháp điều chỉnh bằng từ thông kích từ:

•Nguyên lý điều chỉnh:

Điều chỉnh từ thông kích từ của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mô men điện

từ của động cơ M = kØIư và sức điện động quay của động cơ

thay đổi Økt, mà từ thông kích từ do dòng kích từ sinh ra

Vậy để điều chỉnh Økt ta mắc thêm biến trở Rv vào mạch kích từ, khi điều chỉnh Økt

ta phải tuân theo điều kiện sau

Không thể tăng dòng kích từ Ikt lớn hơn dòng định mức của cuộn dây kích từ vì nóphá hỏng cuộn kích từ và khi Økt = Øđm đã bảo hòa rồi, nếu muốn tăng Ikt thì Økt

cũng không tăng đáng kể nên ta điều chỉnh bằng cách giảm Økt

•Trong trường hợp này ta có:

- Tốc độ không tải lý tưởng

- Độcứng của đặc tính cơ

Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế hường điều chỉnh giảm từ thông Nên khi từthông giảm thì ωx tăng, còn β sẽ giảm Ta có đồ thị đặc tính cơ với ωx tăng dần và

độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông

- Mô men ngắn mạch : Mnm = kØxInm = var (Mnm > Mnm1 > Mnm2)

Từ đồ thị đặc tính ta thấy ω0<ω1<ω2.Vậy phương pháp điều chỉnh từ thông làphương pháp điều chỉnh trên tốc độ cơ bản

•Các chỉ tiêu chất lượng khi giảm từ thông Økt

- Tốc độ không tải lý tưởng: tăng

- Cũng có thể sản xuất những động cơ giới hạn điều chỉnh 1:5 thậm chí đến 1:8nhưng phải dùng những phương pháp khống chế đặc biệt, do đó cấu tạo và cộngnghệ chế tạo phức tạp khiến cho giá thành của máy tăng lên

2.3 Phương pháp điều khiển động cơ điện mợt chiều kích từ độc lập bằng thay đổi điện áp phần ứng:

Giả thiếtØ = Øđm=const; Rư=const,(Rf=0), M = const Lúc này ω= f(Uư)

Khi thay đổi điện áp phần ứng ta có:

Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng cho ta một họ các đặc tính sau

Với Uđm>U1>U2>U3>………>Ui

Hình 1-6 : Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi điện

áp phần ứng thay đổi

Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ songsong với đặc tính tự nhiên

•Nhận xét :

- Ưu điểm : + không gây ồn

+ không gây tổn hao phụ trong động cơ

Hình 1-7 : Sơ đồ ngyên lý điều chỉnh động cơ

Bộ biến đổi dùng để biến đổi điện áp xoay chiều của lưới điện thành một chiều

và điều chỉnh được giá trị điện áp đầu ra theo yêu cầu Điện trở trong của bộ biến

đổi Rbđ phụ thuộc vào loại thiết bị, vì thông thường công suất của bộ bến đổi vàđộng cơ xấp xỉ bằng nhau nên Rbđ cũng có giá trị đáng kể so với Rư của động cơ

Từ sơ đồ nguyên lý ta có sơ đồ thay thế

Hình 1-8 : Sơ đồ thay thế nguyên lý điều chỉnh động cơ

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

Tốc độ không tải lý tưởng

Trong đó : ka là hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi

Uđk là điện áp điều khiển

Từ phương trình (23) và (24) ta có đồ thị đặc tính được biểu diễn như sau

Hình 1-9 : Đồ thị đặc tính cơ điện khi Ubđ thay đổi

Từ đồ thị ta thấy, khi Ubđ thay đổi thì ta có những tốc độ không tải lý tưởng khácnhau, còn độ cứng đặc tính cơ không đổi và đặc tính điều chỉnh dốc hơn đặc tính tựnhiên

•Nhận xét :

- Điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào, kể cả không tải lý tưởng , đặc tính

cơ điều chỉnh tuy mềm hơn đặc tính tự nhiên nhưng cứng hơn phương pháp dùngbiến trở và thay đổi Økt

- Điều khiển phước tạp, vốn đầu tư lớn nhưng nó là phương pháp tốt hơn so vớihai phương pháp trên

• Kết luận : Sau khi phân tích ba phương pháp điều khiển nêu trên thì phươngpháp điều khiển bằng thay đổi điện áp phần ứng là tốt hơn cả Cho nên em chọnphương pháp làm phương pháp nguyên cứu cho đề tài của em

3 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP BẰNG THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP PHẦN ỨNG

- Hiện nay trong công nghiệp người ta thường sử dụng ba loại bộ biến đổi sau: + Bộ biến đổi máy phát điện một chiều

+ Bộ biến đổi xung áp một chiều

+ Bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển

- Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi đó ta có các hệ truyền động sau: + Hệ máy phát – động cơ( F – Đ)

+ Hệ điều chỉnh xung áp – động cơ( XA – Đ)

+ Hệ chỉnh lưu Tiristo – động cơ( T – Đ)

Chương II

TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU THYRISTOR HÌNH CẦU 3 PHA THIẾT KẾ SƠ ĐỒN NGHUYÊN LÝ HỆ THỐNG CHỈNH LƯU ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU(hệ T- Đ) KÍCH TỪ ĐỘC LẬP.

PHA.

1. 1 giới thiệu về thyristor.

Thyristor là linh kiện gồm 4 lớp bán dẩn P1-N1-P2-N2 liên tiếp tạo nên

ba cực: anot A, catot K và cực điều khiển G(gate) Tại ba vị trí tiếp xúcnhau của các lớp P1-N1-P2-N2 tạo nên các lớp tiếp giáp J1,J2,J3

Về lý thuyết có hai loại thyristor:

- Thyristor kiểu N hay thyristor có cực điều khiển G nối với vùng N gần anot

- Thyristor kiểu P hay thyristor có cực G nối với vùng P gần catot

- Hoạt động của thyristor:

- Thysristor làm việc ở ba trạng thái: đóng – mở – khóa

UBR: điện áp ngược đánh thủng

UBO: điện áp tự mở của thyristor

UTO: điện áp rơi trên Thyristor

IL latching

IH dòng duy trì

+ thysristor khóa nếu UAK < 0 và sẻ vẩn kháo nếu ta cho UAK > 0.

+ thysristor chuyển qua trạng thái từ khóa sang dẩn nếu đồng thời đảm bảo 2điều kiện: UAK > 0, và có dòng điều khiển IG đủ mạnh( về cả công suất vàthời gian) Khi thyristor đã dẩn nếu ngắt dòng điều khiển đi( cho IG=0) nó sẻvẩn dẩn chừng nao dòng điện qua nó lớn hơn một giá trị gọi là dòng duy trỳ

- Trong thực tế người ta sử dụng thyristor kiểu N nhiều hơn

1.1 sơ đồ chỉnh lưu cầu thyristor cầu 3 pha.

1.2 các tham số chính của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha:

- giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu

- Công suất tính toán mạch MBA nguồn: Sba = 1,05.Pd

- Hệ sơ đồ mạch cảu điện áp chỉn lưu Kđm = 0,057 sơ đồ chỉnh lưu 3 pha( Hgồm 6 thyristor chia than hai nhóm)

+ Nhóm catot chung: T1,T3,T5

+ Nhóm anot chung: T2,T4,T6

- Điện áp pha:

- Hoạt động của sơ đồ.

Giả thiết T5 và T6 đang cho dòng chảy qua VF = U2C ,VG = U2b khi choxung điều khiển mơ T1 Thyristor mở vì U2a >0 Sự mở của T1 làm cho T5

bị khóa lại một cách tự nhiên và U2a > U2c, lúc này T6 và T1 cho dòng chạyqua Điện áp trên tải Ud = Uab =U2a = U2b

Khi cho sung điều khiển mở T2 Thyristor này mở vì khi T6 dẩn dòng, nóđặt U2b nên anot T2 mà U2b > U2c sự mở của T2 làm cho T6 bị khóa lại mộtcách tự nhiên U2b > U2c

Các sung điều khiển lệch nhau được lần lượt đưa đến cực điều khiển củacác thyristor theo thứ tự 1,2,3,4,5,6,1,2…

Trong mổi nhóm khi 1 Thyristor mở nó sẻ khóa ngay thyristor dẫn dòngtrước nó

Tóm tắt bảng:

Giá trị trung bình điện áp tải:

Lc Iư

ea eb

ec Lc Lc

ic

Nhận xét: Chỉnh lưu cầu thyristor cầu 3 pha là loại được sử dụng nhiều nhất trongthực tế vì có nhiều ưu điểm hơn cả Nó cho phép đấu thẳng vào lưới điện 3 pha, độđập mạch rất nhỏ(5)

Nếu có dùng biến áp thì gây méo lưới điệ ít hơn các loại trên đông thời công suấtMBA cũng chỉ xấp xỉ bằng công suất tải công suất mạch chỉnh lưu có thể rất lớnlên tới hàng trăm kw

Nhược điểm của nó là sụt áp trong mạch van gấp đôi sơ đồ hình tia nên không phùhợp vơi điện áp ra tải dới 10V

2.2.2 Hiện tượng trùng dẫn

Giả sử T1 , T2 đang dẫn dòng Khi θ = θ1 cho xung điều khiển mở T3 , do Lc ≠

0 nên iT3 không thể tăng đột ngột từ 0 → Id và dòng iT1 cũng không thể giảm đột ngột từ Id → 0 Cả ba thyristor T1 , T3 , T5 đều dẫn dòng , hai nguồn ea , eb nối ngắnmạch

Nếu chuyển gốc toạ độ từ 0 đến θ1 ta có :

.

6 2

[ cosα – cos(θ + α) ] ; (2-5)

T1 T4

T6

T5 T2

Dòng điện chạy trong T3 là iT3 = ic ;

Giả thiết quá trình trùng dẫn kết thúc khi θ = θ2 và ký hiệu μ = θ2 – θ1 là góc trùng dẫn

Khi θ = μ , iT1 = 0 , ta có biểu thức sau :

cosα – cos(μ + α) = 6 2

2

U

I

X c d

(2-6)Hình dạng điện áp tải Ud trong giai đoạn trùng dẫn trong khoảng θ1 → θ2 T2 dẫn dòng , T1 , T3 trùng dẫn dòng Vậy có thể viết các phương trình sau :

Do trùng dẫn ( Lc ≠ 0) nên trị trung bình của điện áp tải bị giảm đi một ∆Uμ ,

và được xác định như sau :

; (2-12)

2.2.3 Nghịch lưu phụ thuộc.

Ta có ở chế độ chỉnh lưu dòng điện trung bình trên tải Id và điện áp trung bình

Ud luôn cùng chiều Công suất tiêu thụ trên tải P = Ud.Id luôn dương và chiều củacông suất luôn từ phía nguồn xoay chiều chuyển qua tải một chiều , ta nói bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu

a )

M

N _

+

Tải Ud

vẫn còn dương Tiếp tục tăng α > 2

π

, điện áp chỉnh lưu trung bình đổi dấu Cực

M trỏ thành âm ( - ) và N thành dương ( + ) , điện áp – Ud tăng dần đến khi α = π

Vì điện áp Ud đổi chiều trong khi Id có chiều không đổi nên công suất P đổi dấu Điều này có nghĩa là tải một chiều đã trở thành nguồn phát và công suất truyền ngược từ phía tải về nguồn Ta nói bộ biến đổi đã chuyển sang làm việc ở chế độ nghịch lưu Lưu ý rằng ở chế độ nghịch lưu , lưới xoay chiều nhận công suất tác dụng từ phía tải nhưng vẫn tiếp tục cung cấp công suất phản kháng và ảnh hưởng đến dạng sóng , tần số của điện áp xoay chiều ta nói rằng sơ đồ này làm việc ở chế

độ nghịch lưu phụ thuộc

Để lưới có thể nhận năng lượng từ phía tải thì tải phải là một nguồn phát và điện áp của tải phải lớn hơn điện áp của nguồn để đảm bảo cho van bán dẫn phân cực thuận

Hình 2-9 : Sơ đồ dạng sóng của nghịch lưu phụ thuộc