Đồ án môn học điện tử công suất

Qua môn học điện tử công suất này để liên hệ giữa lý thuyết đã được học với ứng dụng vào thực tiễn Thầy giáo Phạm Quốc Hải đã giao nhiệm vụ cho tôi "Thiết kế bộ điều chỉnh và ổn định t

TÊN ĐỀ TÀI

(ĐỀ SỐ 12- PHƯƠNG ÁN 3)

Thiết kế bộ điều chỉnh và ổn định tốc độ quạt thông gió dùng động cơ

không đồng bộ rôto ngắn mạch Mạch có bảo vệ mất pha và chống quá tải lâu dài

1 Tìm hiểu về công nghệ và yêu cầu kỹ thuật của thiết bị cần thiết kế

2 Đề xuất các phương án tổng thể, phân tích ưu nhược điểm của từng phương án để đi đến lựa chọn phương án phù hợp thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật

3 Xây dựng chi tiết toàn bộ sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế (cả mạch lực và mạch điều khiển), thuyết minh sự hoạt động của sơ đồ với đồ thị minh hoạ

4 Tính toán mạch lực

5 Tính toán mạch điều khiển

6 Lập bảng trị số toàn bộ các phần tử và linh kiện tính toán được trong mục

4 và 5

7 Tài liệu tham khảo

Nội dung đồ án gồm 04 phần:

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ 3 PHA RÔTO LỒNG SÓC

VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG Tra g 6

1 Quá trình áp dụng động cơ không đồng bộ 3 pha lồng sóc:

1.1 Động cơ điện rôto lồng sóc rãnh sâu:

1.2 Động cơ điện rôto lồng sóc kép:

2 Đặc tính mở máy và điều chỉnh tốc độ bằng p/pháp thay đổi điện áp: 2.1 Đặc tính mở máy:

2.1.a Mở máy trực tiếp:

2.1.b Mở máy bằng cách dùng điện kháng nối tiếp và mạch stato: 2.1.c Mở máy bằng cách dùng máy biến áp tự ngẫu nối tiếp và

mạch stato:

2.1.d Mở máy bằng cách chuyển đổi nối sao - tam giác:

2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc bằng cách thay đổi điện áp:

3 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc tải quạt gió:

PHẦN 2: GIỚI THIỆU, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG MẠCH LỰC

Tran 13

1 Giới thiệu các van điện tử công suất:

1.1 Thyristor:

1.2 Triac (Tridiode alternative current):

2 Giới thiệu các sơ đồ cơ bản để ĐAXC 3 pha và chọn sơ đồ thiết kế:

3 Nguyến lý hoạt động của mạch động lực – sơ đồ ĐAXC 3 pha dùng 06 Thyristor dấu song song ngựơc cấp nguồn cho động cơ 3 pha rôto lồng sóc:

4 Phương pháp tính toán các thông số khi thay đổi điện áp:

1 Tính toán các thông số của động cơ không động bộ 3 pha rôto lồng sóc:

2 Tính chọn Thyristor và các thiết bị bảo vệ:

2.1 Tính chọn Thyristor:

2.2 Tính chọn các thiết bị bảo vệ:

PHẦN 4: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN

II Yêu cầu:

III Thiết kế mạch điều khiển:

1 Nguyên lý thiết kế mach điều khiển:

2 Cấu trúc mạch điều khiển Thyristor:

2.1 Khâu đồng pha:

2.2 Khâu so sánh:

2.3 Khâu khuếch đại tạo xung:

2.4 Mạch tạo xung chùm:

3 Lựa chọn sơ đồ mạch điều khiển:

4 Thiết kế mạch khởi động và có chức năng hạn chế dòng điện trong quá trình khởi động bằng cách tăng dần điện áp:

5 Thiết kế mạch bảo vệ chống quá tải lâu dài:

6 Thiết kế mạch bảo vệ chống mất pha:

7 Tính toán các thông số linh kiện của sơ đồ mạch điều khiển:

7.1 Tính chọn biến áp xung:

7.2 Tính tầng khuếch đại cuối cùng:

7.3 Chọn cổng AND và OR:

7.4 Chọn IC khuếch đại thuật toán:

7.11 Tạo nguồn nuôi:

7.12 Tính toán máy biến áp đồng pha làm nguồn nuôi cho mạch điều khiển:

5 Bảng trị số toàn bộ các phần tử và linh kiện tính toán được ở trên:

SINH VIÊN ĐÃ HOÀN THÀNH

VÀ NỘP ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Ngày……….Tháng………….Năm 2007

(ký và họ tên)

Đoàn Thế Thuận KẾT QUẢ ĐIỂM ĐÁNH GIÁ

LỜI NÓI ĐẦU

Tự Động Hoá là một trong những ngành quan trọng hàng đầu trong công

cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước Sự giáo dục đóng vai trò quan trọng trong công cuộc này đặc biệt là đào tạo ra đội ngũ cán bộ có tay nghề cao biết kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết và thực tiễn lao động sản xuất

Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện, điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hoá đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới Tự động hoá quá trình sản xuất đang được phổ biến rộng rãi trong các hệ thống công nghiệp trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng Tự động hoá không những làm giảm nhẹ sức lao động cho con người mà còn góp phần rất lớn trong việc nâng cao năng suất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm

Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, ngày càng có thêm nhiều xí nghiệp mới sử dụng kỹ thuật cao, đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện

phải nắm vững những kiến thức về Điện tử công suất, Truyền động điện, Vi

mạch để xứng đáng trong vai trò kỹ thuật hiện tại

Qua môn học điện tử công suất này để liên hệ giữa lý thuyết đã được học

với ứng dụng vào thực tiễn Thầy giáo Phạm Quốc Hải đã giao nhiệm vụ cho tôi

"Thiết kế bộ điều chỉnh và ổn định tốc độ quạt thông gió dùng động cơ không đồng bộ rôto ngắn mạch, có bảo vệ mất pha và chống quá tải lâu dài"

Việc làm đồ án môn học Điện tử công suất đã giúp tôi ôn lại phần lý thuyết

đã được học ở trường, đem kiến thức trong sách vở đi liên hệ tới thực tiễn lao động sản xuất thật là bổ ích cho bản thân

Sau một thời gian được sự hướng dẫn của thầy giáo Phạm Quốc Hải, đồ

án của tôi đã hoàn thành nhưng vì khả năng và thời gian còn hạn chế nên chắc chắn vẫn có nhiều sai sót Bản thân tôi rất mong được sự chỉ bảo và tạo điều kiện thuận lợi của Thầy giáo Tôi xin chân thành cảm ơn

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ 3 PHA RÔTO LỒNG SÓC

VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG G

1 Quá trình áp dụng động cơ không đồng bộ 3 pha lồng sóc:

Ðộng cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc là loại máy

điện được dùng rộng rãi nhất trong thực tế Ưu điểm nổi bậc của động cơ này là: cấu tạo đơn giản, so với động cơ một chiều thì động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc có giá thành hạ, vận hành tin cậy, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, ngoài ra động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc còn dùng trực tiếp với lưới điện xoay chiều 3 pha nên không cần trang bị thêm các trang thiết bị biến đổi

là một loại thiết bị huyết mạch không thể thiếu được trong các nghành công

nghiệp, tiểu thủ công nghiệp cụ thể : Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho các máy gia công cơ khí vv.Trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió Trong nông nghiệp dùng làm máy bơm, máy chế biến nông sản Trong đời sống hàng ngày, máy điện không đồng bộ cũng dần dần chiếm một vị trí quan trọng như quạt gió, máy quay đĩa, động cơ trong tủ lạnh

Tóm lại theo sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa, tự động hóa và sinh hoạt hàng ngày, phạm vi ứng dụng các máy điện không đồng bộ rôto lồng sóc ngày càng rộng rãi, Động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc có đặc tính làm việc tốt, nhưng do đặc tính mở máy không được như động cơ điện rôto dây quấn, dòng điện mở máy lớn mà mômen mở máy lại không lớn lắm Để cải thiện được đặc tính mở máy động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc, nguời ta đã chế tạo ra nhiều kiểu đặc biệt, trong đó hiện nay dùng nhiều nhất là động cơ điện rôto rãnh sâu và rôto hai lòng sóc hay lồng sóc kép chúng có đặc tính mở máy tương đối tốt

1.1 Động cơ điện rôto lồng sóc rãnh sâu:

Loại động cơ này rãnh rôto hẹp và sâu (chiều sâu

bằng 10÷12 lần chiều rộng rãnh) Khi có dòng điện cảm

ứng trong thanh dẫn rôto, từ thông tản Φt2 phân bố như

trên hình vẽ bên, từ thông tản móc vòng dưới thanh dẫn

nhiều hơn đoạn trên Khi mở máy rôto chưa quay, dòng

điện rôto có tần số lớn bằng tần số Stato f Điện kháng

tản của rôto sẽ lớn hơn điện trở và có tác dụng quyết

định đến sự phân bố dòng điện rôto Lúc mở máy điện

kháng tản phía dưới lớn, dòng điện tập trung phía trên

thanh dẫn gần miệng rãnh Do sự phân bố dòng điện tập

trung nhiều ở phía miệng rãnh, tiết diện dẫn điện của

thanh coi như bị nhỏ đi, điện trở rôto R2 tăng lên sẽ làm

tăng mômem mở máy Khi mở máy xong, tần số, dòng

điện rôto nhỏ, tác dụng trên bị yếu đi, điện trở rôto bị

giảm xuống như lúc bình thường

Φt2

1.2 Động cơ điện rôto lồng sóc kép :

Rôto của động cơ có hai lồng sóc như hình bên

các thanh dẫn của lồng sóc ngoài (còn gọi là lồng

sóc mở máy) có tiết diện nhỏ và điện trỏ suất lớn

Lồng sóc trong có tiết diện lớn, điện trở nhỏ

Như ở trên, khi mở máy dòng điện tập trung ở

lồng sóc ngoài có điện trở R2 lớn, mômem mở máy

lớn Khi làm việc bình thường, dòng điện lại phân

bố đều ở cả hai lồng sóc, điện trở R2 nhỏ xuống

Động cơ điện không đồng bộ rôto rãnh sâu và lồng sóc kép có đặc tính mở máy tốt, nhưng vì từ thông tản lớn, nên cosφ thấp hơn lồng sóc thường

2 Đặc tính mở máy và điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi điện áp:

2.1 Đặc tính mở máy:

Trong quá trình mở máy của động cơ điện không đồng bộ, mômen mở máy

là đặc tính chủ yếu nhất trong những đặc tính mở máy của động cơ điện Muốn cho máy quay được thì mômen mở máy của động cơ điện phải lớn hơn mômen tải tĩnh Theo yêu cầu của nhà sản xuất, động cơ điện không đồng bộ lúc làm việc thường phải mở máy và ngừng máy nhiều lần Tùy theo tính chất của tải và tình hình của lưới điện mà yêu cầu về mở máy đối với động cơ điện cũng khác nhau Có khi chỉ mở máy trực tiếp với công suất máy nhỏ, có khi yêu cầu mở máy với công suất lớn thì phải dùng kháng điện hay máy biến áp tự ngẫu nối tiếp vào mạch stato, có khi dùng phương pháp chuyển đổi sao - tam giác để mở máy

Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ điện phải có tính năng mở máy thích ứng Trong nhiều trường hợp, do phương pháp mở máy hay do chọn động cơ điện có tính năng mở máy không thích đáng nên thường làm hỏng máy Nói chung khi mở máy một động cơ cần xét đến những yêu cầu cơ bản sau:

Ø Phải có mômen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải

Ø Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt

Ø Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẽ tiền, chắc chắn

Ø Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng nhỏ càng tốt

2.1.a Mở máy trực tiếp:

Đây là phương pháp đơn giản nhất, chỉ việc đóng trực tiếp động cơ vào lưới điện Khuyết điểm của phương pháp này là dòng điện mở máy lớn, làm sụt điện

áp lưới điện rất nhiều, nếu quán tính của máy lớn thời gian mở máy lâu, có thể làm chảy cầu chì bảo vệ, vì vậy phương pháp này chỉ dùng được khi công suất mạng điện lớn hơn động cơ rất nhiều

Dòng điện mở máy trực tiếp của động cơ lồng sóc lấy nguồn từ mạng điện vào khoảng 6 lần dòng điện định mức: Imở=6*Iđịnhmức

2.1.b Mở máy bằng cách dùng điện kháng nối tiếp và mạch stato:

Điện áp mạng điện đặt vào động cơ qua kháng

điện lúc mở khởi động từ K2 mở khởi động từ K1

đóng khi động cơ đã quay ổn định thì đóng khởi

động từ K2 đồng thời cắt khởi động từ K1, nhờ có

điện áp rơi trên kháng điện, điện áp đặt vào động

cơ giảm đi K lần, dòng điện sẽ giảm đi K lần, song

mômem giảm đi K2 lần vì mômem tỉ lệ với bình

phương điện áp

2.1.c Mở máy bằng cách dùng máy biến áp tự ngẫu nối tiếp và mạch stato:

Điện áp mạng điện đặt vào sơ cấp máy biến áp tự

ngẫu như hình bên, điện áp thứ cấp máy biến áp tự

ngẫu đặt vào động cơ, thay đổi vị trí con chạy để cho

lúc mở máy điện áp đặt vào động cơ nhỏ sau đó tăng

lên dần bằng điện áp định mức Gọi K là hệ số biến áp

của máy biến áp tự ngẫu, U1 là điện áp pha lưới điện,

U Z

U I

n n

dc dc

*

1

=

=

- Dòng điện I1 của mạng điện cung cấp cho động cơ

lúc có máy biến áp tự ngẫu là dòng điện sơ cấp máy

biến áp tự ngẫu:

Z K

U K

I I

n

dc

*2

n

1

1 = (2.1.c2)

So sánh (2.1.c1) và (2.1.c2) ta th ấy lúc có máy

biến áp tự ngẫu, dòng điện của lưới điện giảm đi K2

lần, đây là một ưu điểm so với phương pháp dùng điện

kháng (dòng điện chỉ giảm đi K lần) Vì thế phương

pháp dùng máy biến áp tự ngẫu được dùng nhiều đối

với động cơ công suất lớn Điện áp đặt vào động cơ

giảm đi K lần, nên mômem giảm đi K2 lần

2.1.d Mở máy bằng cách chuyển đổi nối sao - tam giác:

Phương pháp này chỉ dùng được với những

động cơ khi làm việc bình thường dây quấn stato

nối hình tam giác

Khi mở máy ta nối sao K1 đóng lúc này điện áp

đặt vào mỗi pha giảm đi 3 lần, sau khi mở máy

xong ta đổi nối lại thành tam giác K2 đóng đồng

n d

máy kiểu đổi nối sao-tam giác dòng điện dây mạng

điện giảm đi 3 lần, mômem giảm đi ( 3)2 = 3 lần

Qua các nghiên cứu trên ta thấy rằng mômem mở máy giảm nhiều, để khắc phục hiện tượng này người ta đã chế tạo ra: động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc kép và động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc rãnh sâu, hai loại này có đặc tính mở máy tốt hơn nhiều so với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc thường

Stato-ĐC

2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc bằng cách thay đổi điện áp

Đối với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc, để tạo nên từ trường trong khe hở không khí phải có dòng điện từ hoá, dòng điện chậm sau điện áp 900 Từ trường quay quét quanh các thanh dẫn làm cảm ứng trong dây quấn rôto lồng sóc khép kín (ngắn mạch), một sức điện động và tạo nên dòng điện Vì tính chất điện cảm của dây quấn nên dòng điện sẽ chậm sau điện áp, dòng điện Stato phải chịu một biến đổi để cân bằng với ảnh hưởng từ của dòng điện rôto Tương tác giữa dòng điện rôto và từ thông tạo nên mômem cùng chiều với từ trường quay Tốc độ quay của rôto phải luôn khác với tốc độ đồng bộ vì cần có dòng điện cần được cảm ứng trong rôto Dòng điện đó tạo nên mômem quay Độ lệch tương ứng giữa tốc độ của từ trường quay (từ trường stato) và tốc độ rôto gọi là hệ số trượt S

- Khi thay đổi điện áp thì đường đặc

tính mômem M=f*S sẽ thay đổi (hình

bên) do đó hệ số trượt thay đổi, tốc

độ động cơ thay đổi, hệ số trượt S1,

S2, S3 tương ứng với điện áp U1đm,

0.85U1đm, 0.7U1đm

- Nhược điểm của phương pháp điều

chỉnh tốc độ bằng cách giảm điện áp

là làm giảm khả năng quá tải của

động cơ, dải điều chỉnh hẹp, tăng tổn

hao ở dây quấn rôto:

∆Pđt=S*Pđt=S*M*ω1

- Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách

thay đổi điện áp được dùng chủ yếu

với các động cơ công suất nhỏ có hệ

số trượt tới hạn lớn, phù hợp với tải

Khi nghiên cứu ta phải giả thiết:

- 3 pha của động cơ là đối xứng

- Các thông số của động cơ không đổi nghĩa là phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở của rôto không phụ thuộc vào tần số của dòng điện rôto, mạch từ

- Tổng dẫn của mạch từ không đổi, dòng điện từ hoá không phụ thuộc vào vào tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stato của động cơ

- Bỏ qua các tổn thất ma sát và tổn thất thép

- Điện áp lưới hoàn toàn sin

- U1 trị số hiệu dụng của của điện áp pha stato

- Iµ, I1, I2 dòng điện từ hoá, dòng điện stato, dòng điện rôto qui đổi về stato

- Xµ, X1, X2 điện kháng từ hoá, điện kháng stato, điện kháng rôto qui đổi về stato

- Rµ, R1, R2 điện trở tác dụng lên mạch từ hoá của cuộn dây stato và rôto

đã qui đổi về stato

- S là độ trượt của động cơ:

π

ω =

+ f1 tần số của điện áp lưới

+ P số đôi cựu từ của động cơ

+ +

=

X S

R R X

R U I

nm

2 2

2 1

2 2 1 1

1 1

µ µ

R U I

nm

µ µ

=

2 2 1 1

=

X S

R R

U I

nm

2 2

2 1

1

' 2

' 2

)(

1

nm

nm

X R

R

U I

I

++

=

Để tìm phương trình đặc tính cơ của động cơ ta dựa vào điều kiện cân bằng công suất trong động cơ Công suất điện chuyển từ stato sang rôto:

Công suất P12 chia thành hai thành phần:P12=P cô+∆P2

- Pcô: công suất cơ đưa ra trên trục động cơ

- ∆P2: công suất tổn hao đồng trong rôto

hay: M ω1=M ω1+∆P2 ⇒ ∆P2 =M*(ω1−ω)=M*ω*S (3.6)

2 2

R I

Thay giá trị I2' đã tính được ở trên và biến đổi ta có mômem của động cơ:

S X s

R R

R U M

nm

3

2

2 ' 2 1 1

' 2 2

PHẦN 2: GIỚI THIỆU, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG MẠCH LỰC

1 Giới thiệu các van điện tử công suất:

Điều áp nhờ các thiết bị bán dẫn hiện nay được sử dụng rộng rãi do có nhiều

ưu điểm vượt trội so với các phương pháp điều áp trên Sử dụng phương pháp này cho phép hệ thống có thể tự động hóa một cách dễ dàng và cải thiện được

- Các lỗ của vùng P tràn sang vùng N là nơi có ít lỗ

- Các điện tử của vùng N chạy sang vùng P là nơi có ít điện tử

Đó là hiện tượng khuếch tán Kết quả là miền -<x<0

nghèo đi về điện tích dương và giàu lên về điện tích âm,

người ta nói trong vùng này xuất hiện một điện tích

không gian âm Miền 0<x<h mất điện tích âm và được

điện tích dương, vậy trong miền này xuất hiện một điện

tích không gian dương

Sự phân cực của mặt ghép P-N:

- Phân cực thuận:

Khi thiết bị bán dẫn, gồm hai mẫu P và N, được đặt dưới

điện áp nguồn có tính cực như sau: (điện trường ngoài

ngược với điện trường nội tại i) thì dòng điện i chảy rất dễ

dàng trong mạch Trong trường hợp này điện trường tổng

có chiều của điện trường ngoài Điện trường tổng làm dễ

dàng cho sự di chuyển của các điện tích đa số Các điện tử

tái chiếm vùng chuyển tiếp, khiến nó trở thành dẫn điện Ta

nói mặt ghép P-N phân cực thuận Vậy sự phân cực thuận

hạ thấp barie điện thế

- Phân cực ngược:

Mặt ghép P-N phân cực ngược khi ta đặt điện áp nguồn

vào mạch theo sơ đồ: Điện trường ngoài tác động cùng

chiều với điện trường nội tại i Điện trường tổng hợp cản

trở sự di chuyển của các điện tích đa số Các điện tử của

vùng N chạy thẳng về cực dương của nguồn, khiến cho

vùng N có điện thế càng lớn hơn vùng P Vùng chuyển tiếp

lại càng rộng ra Kết quả là không có dòng điện nào chảy

qua mặt ghép P-N Khi đó người ta nói mặt ghép bị phân

Khi đặt Thyristor dưới điện áp một chiều, anôt nối vào

cực dương, catôt nối vào cực âm của nguồn điện áp, nên J1

và J3 phân cực thuận, J2 bị phân cực ngược Gần như toàn

bộ điện áp nguồn đặt lên mặt ghép J2 Điện trường nội tại

của J2: Ei2 có chiều hướng từ N1 về P2, điện trường ngoài

tác động cùng chiều với Ei2, vùng chuyển tiếp càng mở

rộng ra, không có dòng điện chảy qua mạch mặc dù nó bị

Như vậy khi đặt Thyristor dưới điện áp UAK>0, Thyristor ở tình trạng sẵn sàng mở cho dòng chảy qua, nhưng nó còn đợi lệnh, tín hiệu Ig từ cực điều khiển:

⇔ UAK> 0 và Ig > Igst →Thyristor mở

- Igst là giá trị dòng điện điều khiển ghi trong sổ tay tra cứu Thyristor

- Thời gian mở Thyristor ton là thời gian cần thiết để thiết lập dòng điện chính chảy trong Thyristor, tính từ thời điểm phóng dòng Ig vào cực điều khiển Thời gian mở Thyristor kéo dài khoảng 10µs

v Khóa Thyristor:

Một Thyristor đã mở thì sự hiện diện của tín hiệu điều khiển Ig không còn cần thiết nữa Để khoá Thyristor có hai cách:

+ Giảm dòng điện làm việc xuống dưới giá trị dòng duy trì H ở trên

+ Đặt một điện áp ngược lên Thyristor

Khi đặt điện áp ngược lên

Thyristor: UAK<0, hai mặt ghép J1,J3

bị phân cực ngược, J2 phân cực thuận

Những điện tử trước thời điểm đảo

tính cực UAK đang có mặt tại P1,N1,P2

bây giờ đảo chiều hành trình, tạo nên

dòng điện ngược chảy từ catôt về

anôt, về cực âm của nguồn điện áp

ngoài

Lúc đầu của quá trình, từ t0→t1,

dòng điện ngược khá lớn, sau đó J1,

rồi J3 trở nên cách điện Còn lại một ít

điện tử bị giữ lại giữa hai mặt ghép J1

và J3, hiện tượng khuếch tán sẽ làm

chúng ít dần đi cho đến hết và J2 khôi

phục lại tính chất của mặt ghép điều

khiển

Thời gian khoá toff tính từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược I0 cho đến khi dòng điện ngược bằng 0 (t2) Đấy là khoảng thời gian mà ngay sau đó nếu đặt điện áp thuận lên Thyristor, Thyristor cũng không mở, toff kéo dài khoảng vài chục µs Trong bất cứ trường hợp nào cũng không được đặt Thyristor dưới điện

áp thuận khi Thyristor chưa bị khoá, nếu không có thể có nguy cơ gây ngắn mạch nguồn

Đặc tính Vôn-Ampe của Thyristor gồm bốn đoạn:

v Đoạn 1 ứng với trạng thái khoá của Thyristor, chỉ có dòng điện rò chảy qua Thyristor Khi tăng điện áp đến Uch (điện áp chuyển trạng thái), bắt đầu quá trình tăng nhanh chóng của dòng điện, Thyristor chuyển trạng thái mở

v Đoạn 2 ứng với giai đoạn phân cực thuận của J2, trong giai đoạn này mỗi một lượng tăng nhỏ của dòng điện ứng với một lượng giảm lớn của điện áp đặt lên Thyristor Đoạn 2 còn được gọi là đoạn điện trở âm

v Đoạn 3 ứng với trạng thái mở của Thyristor Khi này cả 3 mặt ghép đã trở thành dẫn điện Dòng điện chạy qua Thyristor chỉ còn hạn chế bởi điện trở mạch ngoài Điện áp rơi trên Thyristor rất nhỏ, khoảng 1Volt Thyristor được giữ ở trạng thái mở chừng nào dòng điện còn lớn hơn dòng điện duy trì H

v Đoạn 4 ứng với trạng thái Thyristor bị đặt dưới điện áp ngược, dòng điện ngược rất nhỏ, khoảng vài chục mA Nếu tăng điện áp đến UZ thì dòng điện ngược tăng lên mãnh liệt, mặt ghép bị chọc thủng- Thyristor hỏng Bằng cách cho chững Ig>0, sẽ nhận được một họ đặc tính Vôn-Ampe với các Uch

nhỏ dần đi như hình vẽ trên

1.2 Triac (Tridiode alternative current):

Triac là thiết bị bán dẫn ba cực, bốn

lớp, có đường đặc tính Vôn-Ampe đối

xứng, nhận góc mở α trong cả hai

chiều Như vậy Triac được chế tạo để

làm việc trong mạch điện xoay chiều,

có tác dụng như hai Thyristor đấu song

song ngược

Đối với triac người ta không dùng

thuật ngữ anôt và catôt như ở Thyristor

mà dùng thuật ngữ “đầu nối” B1 và B2

Về hình dáng bề ngoài Triac giống như

một Thyristor, vậy phải căn cứ vào mã

hiệu để phân biệt

* Nguyên lý làm việc của Triac:

Trường hợp B2(+), G(+), Triac Tmở cho dòng chảy qua như một Thyristor thông thường

Trường hợp B2(-), G(-), các điện tử từ N3 phóng vào P2, chúng phần lớn bị trường nội tại Ei1 hút vào khiến cho barie này giảm thấp, gần như toàn bộ điện

áp ngoài được đặt lên J2 khiến cho barie này cao lên Nếu điện áp ngoài đủ lớn làm cho barie này cao đến mức hút vào những điện tích thiểu số (các điện tử của

P1) và làm động năng của chúng đủ lớn để bẻ gẫy các nguyên tử của Si trong vùng, kết quả là một phản ứng dây chuyền thì T’mở cho dòng chảy qua

2 Giới thiệu các sơ đồ cơ bản để ĐAXC 3 pha và chọn sơ đồ thiết kế:

2.1 Sơ đồ số 1 dùng Triac:

Điều khiển đơn giản có 3 van

Tải có thể đấu Υ hoặc ∆

2.3 Sơ đồ số 3 dùng Diôt và Thyristor:

-Sơ đồ dùng 03 Diôt và 03 Thyristor

đấu song song ngược

-Mạch điều khiển đơn giản hơn, nhưng

điện áp đầu ra không đạt được đối

xứng cần thiết

2.4 Sơ đồ số 4 dùng Thyristor:

-Sơ đồ dùng 01 trong 03 ba pha có

điều khiển các pha còn lại nối

trực tiếp với nguồn nên điện áp

đầu ra mất đối xứng mạnh

Thường dùng điều khiển trong

thời gian ngắn như dùng ở chế độ

khởi động hoặc dùng để điều áp

trong các máy hàn xung (hàn

điểm)

2.5 Sơ đồ số 5 dùng Thyristor:

-Sơ đồ dùng 06 Thyristor, chỉ ứng

dụng cho tải đấu sao, trường hợp

thiết bị loại này 06 đầu dây tải

phải được đưa ra ngoài để đấu

mạch điều chỉnh ở điểm trung

tính của tải

2.6 Sơ đồ số 6 dùng Thyristor:

-Sơ đồ dùng 03 Thyristor, đơn giản

hơn, số lượng van giảm đi phân

nửa nên các van làm việc nặng nề

hơn

2.7 Sơ đồ số 7 dùng Thyristor:

-Sơ đồ dùng 06 Thyristor, tải nối tam

giác

-Các van điều chỉnh được đưa vào từng

pha của tải do vậy các pha độc lập

nhau, không ảnh hưởng với nhau

2.8 Chọn sơ đồ thiết kế

Qua nghiên cứu cụ thể tính ưu việc của các sơ đồ trên ta nhận thấy: sơ đồ

hình 2.2 (dùng 06 Thyristor đấu song song ngược) là sơ đồ có đặc tính làm việc

tốt nhất, đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật, nên chọn thiết kế cho đồ án này

3 Nguyên lý hoạt động của mạch động lực - sơ đồ ĐAXC 3 pha dùng 06 Thyristor đấu song song ngựơc cấp nguồn cho động cơ 3 pha rôto lồng sóc:

Ngày nay nhờ sự phát triển nhanh của thiết bị điện tử công suất nên dùng

van điện tử như Thyristor, Triac…để điều chỉnh tốc độ động cơ nói chung và động cơ không đồng bộ rôto rồng sóc nói riêng bằng cách giảm trị số hiệu dụng của điện áp nguồn một cách đơn giản

Nhờ các xung điều khiển các Thyristor làm cắt từng đoạn điện áp nguồn hình sin do đó trị số hiệu dụng của điện áp đặt vào stato sẽ giảm đi Việc điều chỉnh tốc độ bằng di pha có nhiều khuyết điểm, nhất là giảm hiệu suất khi hệ số trượt lớn, vì rằng khi tốc độ giảm các tổn hao tăng lên do đó cần phải giảm mômem để tránh cho rôto bị phát nóng, phương pháp điều chỉnh tốc độ này chỉ dùng cho một số tải có mômem giảm theo tốc độ như quạt gió Ở các góc mở đặc biệt các sóng hài điều hoà bậc (3m-1) ngược với sóng cơ bản, như sóng điều hoà bậc 5 (m=2) tạo ra mômem cản nếu nguồn đầu vào có chứa thành phần này Mặc dù biến đổi điện áp là phương pháp điều chỉnh tốc độ trong giới hạn hẹp nhưng nó cho phép mở máy động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc dễ dàng, thường dòng điện mở máy trực tiếp ban đầu bằng 6 lần dòng điện định mức Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha trình bày sau được điều chỉnh với góc mở αlớn để hạn chế dòng điện mở máy, sau đó góc mở được giảm dần để tăng tốc độ động cơ, do đó hạn chế được biên độ dòng điện, việc tăng dần điện áp để mở máy có hai ưu điểm: một là duy trì dòng điện trong giới hạn cho phép, hai là cho

phép điều chỉnh được mômem tăng tốc tránh cho trục phải chịu được các ứng suất cơ học lớn giữa các phần quay

Ưu điểm khác nữa là điều chỉnh điện áp là khi động cơ làm việc với tải nhỏ thì hiệu suất cao

Phạm vi thay đổi góc điều khiển phụ thuộc vào phạm vi điều chỉnh tốc độ Góc điều khiển nhỏ nhất αmin góc này tương ứng với tốc độ cao nhất, do đó bằng tốc độ định mức, nên điện áp đặt vào động cơ lúc này là Uđm và bằng điện áp nguồn, điện áp và dòng điện tải là hình sin hoàn chỉnh Lý thuyết đã chứng minh rằng trong trường hợp này góc điều khiển phải bằng góc pha tải φ (tức là αmin

=φ) Như vậy theo đề bài phạm vi điều chỉnh tốc độ là 2,5:1 tức là tốc độ thấp nhất là:

5 , 2

min

n n

U

U ZA = a = m* ; Sin θ

Z

U i

điện áp xoay chiều dùng

06 Thyristor dấu song

b Nếu α<φ<αgh, αgh mà giá trị vẫn còn tồn tại chế độ cả 3 van thuộc về 3 pha vẫn dẫn điện, lúc này đường cong điện áp trên tải sẽ có dạng như sau, trong mỗi nửa chu kỳ sẽ có 3 đoạn mà UZA=Uac/2 hoặc UZA=Uab/2 và một đoạn

UZA=0

Như vậy cả 3 pha dẫn điện thì:

R i d

d L Sin

* 2

=

θω

* 2 2

Khi Thyristor của pha a khoá ta có: uZA = 0

Giải phương trình trên ta sẽ tìm được biểu thức của dòng điện ứng với từng đoạn nêu trên (trong nửa chu kỳ có 6 đoạn), biểu thức tổng quát sẽ là :

( ) A e Sin

Z

U K

n n

n

α

β ϕ

n: Số thứ tự của các đoạn trong mỗi chu kỳ;

K’n= 2 nếu điện áp là điện áp pha;

K’n=

2

3

nếu điện áp là điện áp dây uab/2, uac/2;

β=(0, ÷π/6) tuỳ thuộc vào số đoạn

αn : giá trị ban đầu của góc θ

4 Phương pháp tính toán các thông số khi thay đổi điện áp:

a Xác định điện áp cấp vào stator của động cơ từ bộ điều áp: U 1 =f(U đk)

Để xác định điện áp cấp vào stator của động cơ thông qua bộ điều áp, ta sử dụng quan hệ ν2 = f(α,ϕ)

Trong đó: α - góc mở của Thyristor

ϕ - xác định từ hệ số công suất cosϕν

b Xác định các thông số khi thay đổi điện áp:

Như ta đã biết, khi thay đổi điện áp thì momen cũng sẽ thay đổi theo tỷ lệ với bình phương lần sự thay đổi của điện áp Do đó ta có thể xây dựng được các công thức xác định momen tới hạn và momen ngắn mạch của đường đặc tính

nhân tạo thứ i nào đó

Ta đã có các số liệu của đường đặc tính tự nhiên: Uđm ; Mthđm ; Mnmđm

Với đường đặc tính thứ i có điện áp là Ui ta sẽ tính được:

thdm dm

i thy M U

i

M

M U

thdm

thy dm

i

M

M U

PHẦN 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC

1 Tính toán các thông số của động cơ không động bộ 3 pha rôto lồng sóc:

Theo số liệu trong phương án 3 đã cho:

Công suất: Pđm = 50 kW

Điện áp định mức: Uđm = 380/220 kV

Cosϕđm = 0.82

Hiệu suất: ηđm = 0.85 Phạm vi điều chỉnh tốc độ: D= ωmax/ωmin = 2,5÷1

* 60

- Với dải điều chỉnh 2,5 :1 thì tốc độ lúc này là :

5 , 2

1500 5

, 2 min = n dm =

n = 600 (v/ph )

b Công suất tính toán:

85,0

P

c Mômen định mức của động cơ:

)(3181500

105055,9

602

3

Nm P

n

P M

dm dm dm

dm

∗Π

10.50cos

3dc

Thyristor song song ngược- hình 2.2 để làm việc nhẹ nhàng hơn Chọn Thyristor

ta phải dựa vào các yếu tố cơ bản như điện áp, dòng điện, điều kiện toả nhiệt của van bán dẫn Theo các yêu cầu của tải ta có thể chọn Thyristor như sau:

ü Chọn Thyristor theo dòng điện và điều kiện làm mát:

- Phần trên ta đã tính được dòng điện định mức của động cơ: Iđmđc= 109 (A)

- Theo sơ đồ trên, dòng điện qua mỗi Thyristor là:

50

100 07 , 77 50

100

ü Chọn Thyristor theo điện áp:

- Với các sơ đồ điều áp ba pha không trung tính, điện áp của van bán dẫn nên chọn theo điện áp dây của lưới Do đó điện áp làm việc cực đại Ulv của van bán dẫn được tính: UTlv= 2 *Ud= 2 ∗Ud= 2 ∗.380 = 537 (V)

Theo hệ số dự trữ điện áp Kdt của van bán dẫn UV được chọn: (Kdt=1,6÷2)

UV=Kdt*UTlv ⇒ UV=1,8*UTlv = 1,8* 537 = 967 (V)

Từ các thông số trên, ta chọn loại Thyristor tên T15-160 của liên xô sản xuất

có các thông số:

Dòng điện hiệu dụng ứng ở trạng thái mở: IRMS=160 (A)

Tốc độ tăng trưởng điện áp cho phép: =500

dt

du

(Vµs) Nhiệt độ của lớp bán dẫn lớn nhất cho phép: tomax=90 (oC)

Điện áp điều khiển lớn nhất cho phép: Uđk=3 (V)

Dòng điện lớn nhất của xung điều khiển cho phép: Iđk=300 (mA)

Dòng điện đỉnh ứng với tần số 50Hz I =650 (A)

Dòng điện hiệu dụng ứng ở trạng thái mở: IRMS=160 (A)

Sụt áp lớn nhất của tiristor ở trạng thái dẫn: ∆U=1,8 (V)

Thời gian chuyển mạch của Thy tq=20(ms)

2.2 Tính chọn các thiết bị bảo vệ

Sơ đồ mạch động lực với đầy đủ các thiết bị bảo vệ:

ü Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn:

Khi làm việc, các van có dòng chảy qua, trên van có sụt áp, do đó có tổn hao

công suất ∆P, tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn Mặt khác, van bán

dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép nào đó Tcp, nếu quá nhiệt độ

cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị hỏng Để van bán dẫn làm việc an toàn,

không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý

ü Tính toán cánh toả nhiệt

Tổn thất công suất trên một Thyristor:

∆P=∆U*ITlv=1,52*77,07=118 (w) Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: Sm=∆P k m τ

Trong đó:

+ τ độ chênh nhiệt độ so với môi trường, chọn nhiệt độ môi trường

Tmt=35oC Nhiệt độ làm việc cho phép của Thyristor Tcp=90oC Chọn nhiệt độ trên cánh tỏa nhiệt: Tlv= 80oC

⇒ τ= Tlv- Tmt= 80-35 =45oC + km: hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ, chọn km=8 (

Cm

w 2o )

+ Vậy diện tích bề mặt tỏa nhiệt: Sm=118(45*8)=0,33 (m2)

ü Bảo vệ quá dòng điện cho Thyristor:

Để bảo vệ ngắn mạch và quá tải về dòng điện, có thể dùng Aptômat hoặc cầu chì ở đây ta chọn cả Aptômat và cầu chì, mắc như sơ đồ trên

Aptômat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động đóng mạch khi qua tải và ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu Aptômat được chọn theo điều kiện làm việc lâu dài, dựa vào các yêu cầu: IđmA≥Itt, UđmA≥Utt.

Trong đó:

+ IđmA, UđmA tương ứng là dòng điện và điện áp định mức của Aptômat + Itt, Utt tương ứng là dòng điện và điện áp tính toán, đối với tải là động cơ thì các đại lượng đó là giá trị định mức của động cơ

Ta chọn: IđmA=1,1*IđmĐ=1,1*109=120 (A); UđmA=UđmĐc=380 (V)

Dựa vào các đại lượng trên, chọn loại Aptômat loại AB kí hiệu 400AF ABH400 (3 cựu) do Hãng LG chế tạo, có các thông số:

Uxung=6 (kV); Ucđmax=690 (V); Uđm=600 (V); Iđm=250 (A)

Chỉnh định dòng ngắn mạch: Inm=2,5*Itt=2,5*120=300 (A)

Trong vận hành, thường động cơ chỉ cho phép quá tải 50%, dòng quá tải là

Iqtđc=1,5*IđmĐc=1,5*109=164 (A) Khi dòng quá tải vượt quá 164 (A) thì bộ phận tác động nhiệt phải khởi động

để cắt Aptômat Muốn vậy phải chỉnh định rơle nhiệt cắt khi dòng điện đạt 150 (A) với hệ số khởi động nhiệt là:

(giây)

Mặc dù Aptômat có ưu điểm hơn hẳn cầu chì là khả năng làm việc chắc chắn, an toàn, đóng cắt đồng thời ba pha và khả năng tự động hoá cao, nhưng Aptômat có giá trị đắt hơn, do vậy trong những trường hợp không cần thiết, ta

có thể dùng cầu chì thay cho Aptômat Như ở đây ta chọn cầu chì để bảo vệ các Thyristor như hình đã vẽ Khi dòng điện lớn quá trị số cho phép đi qua, cầu chì

sẽ tác động làm đứt mạch, do đó bảo vệ được các Thyristor

Các thông số đặc trưng cho dây chảy là điện áp định mức, dòng điện định mức Không nên đặt dây chảy vào mạch điện có điện áp cao hơn điện áp của dây chảy Dòng điện định mức của dây chảy phải bằng hoặc lớn hơn dòng bảo vệ nó, nhưng không lơn hơn 10%

⇒ ICC = 1,1* IT=1,1*77,07 = 84,77 (A).Chọn loại cầu chì ống loại 3NA2 832

do Siemens chế tạo, có các thông số:

Iđm=125 A; Uđm=500 V

ü Bảo vệ quá điện áp cho van:

Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Thyristor được thực hiện bằng cách mắc R2-C2 song song với Thyristor, người ta còn gọi mạch R-C này là mạch trợ

giúp cho chuyển mạch Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các

lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn

Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm, làm cho quá điện áp giữa anôt và catôt của Thyristor Khi có mạch R2-C2 mắc song song với các Thyristor tạo ra mạch vòng phóng

điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Thyristor không bị quá điện áp Các

trị số chính xác phụ thuộc vào điện áp của mạch và năng lượng tích luỹ do nguồn quá độ và người ta cũng dựa vào các công thức thực nghiệm dựa trên các tính toán từ trước

Theo kinh nghiệm, thường: R20=(5÷30) (Ω); C20=(0,25÷4) (µF)

PHẦN 4: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN

I Mục đích:

Khi thiết kế ta cần quan tâm đến các yếu tố sau:

Ø Thyristo chỉ mở cho dòng chảy qua khi có điện áp dương đặt lên anôt và

có tín hiệu dương (xung dương) đặt vào cực điều khiển của Thyristor Tín hiệu này có điện áp từ 2÷10V, và dòng điều khiển khoảng 10µA, thời gian

mở của Thyristor tm hay độ rộng xung tx = 20 ÷ 100 µs đối với thiết bị chỉnh lưu; tx ≤ 10 µs đối với các thiết bị biển đổi tần số cao Độ dốc sườn trước khoảng 150÷200V/độ

Ø Trong trường hợp mạch có tính điện cảm lớn độ rộng xung cần phải lớn hơn khoảng 50µs thì mới đảm bảo thời gian dòng tải kịp tăng lên đến giá trị dòng duy trì của Thyristor

II Yêu cầu:

Ø Mỗi Thyristo đều có một đặc tính đầu vào, đó là quan hệ giữa điện áp trên cực điều khiển và dòng điện chạy qua cực điều khiển: Uđk=f(iđk)

Ø Do sai lệch về thông số chế tạo và điều khiển làm cho ngay cả Thyristor cùng loại cũng có đặc tính đầu vào khác nhau Với mỗi loại Thyristor các đặc tính này dao động giữa hai đặc tính giới hạn

Ø Về yêu cầu độ lớn của điện áp và dòng điện điều khiển có 3 yêu cầu chủ yếu sau:

ü Giá trị lớn nhất không vượt qua giá trị ở sổ tay tra cứu

ü Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo mở được tất cả các Thyristor cùng loại ở mọi điều kiện làm việc

ü Tổn hao công suất trung bình ở cực điều khiển phải nhỏ hơn giá trị cho phép

* Yêu cầu về độ rộng của xung điều khiển:

Ø Thông thường độ rộng của xung điều khiển không nhỏ hơn 5s và tăng độ rộng của xung điều khiến sẽ cho phép giảm nhỏ xung điều khiển