Đề tài: Thiết kế bộ chỉnh lưu có đảo chiều cung cấp cho đông cơ điện một chiều. Điện áp nguồn cấp ba pha 380V xoay chiều, f=50 hz. Động cơ có công suất 10kw, điện áp phần ứng 400V, tốc độ quay 3000 vòngphút.

Cũng với lý do đó, trong học kỳ này em được nhận đồ án môn học điện tử công suất, đề tài: “ Thiết kế bộ chỉnh lưu có đảo chiều cung cấp cho động cơ điện một chiều ” Em xin chân thành cảm

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ THIẾT KẾ MÔN HỌC

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Họ và tên: Nguyễn Đình Phong Lớp: ĐTĐ53 ĐH2

Đề tài: Thiết kế bộ chỉnh lưu có đảo chiều cung cấp cho đông cơ điệnmột chiều Điện áp nguồn cấp ba pha 380V xoay chiều, f=50 hz Động cơ

có công suất 10kw, điện áp phần ứng 400V, tốc độ quay 3000 vòng/phút

NỘI DUNG ĐỀ CƯƠNG

Chương 3: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

3.1: Lựa chọn phương án điều khiển

3.2: Mạch điều khiển

Kết luận

Tài liệu tham khảo

Giáo viên hướng dẫn Hải Phòng, ngày tháng năm 2014 Người làm đề cương

Nguyễn Đình Phong

LỜI MỞ ĐẦU

Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng dụng của cáclinh kiện bán dẫn công suất làm việc ở chế độ chuyển mạch và quá trình biến đổiđiện năng

Ngày nay, không riêng gì ở các nước phát triển, ngay cả ở nước ta các thiết bịbán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và cả trong lĩnh vựcsinh hoạt Các xí nghiệp, nhà máy như: xi măng, thủy điện, giấy, đường, dệt, sợi,đóng tàu… đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu của công nghiệpđiện tử nói chung và điện tử công suất nói riêng Đó là những minh chứng cho

sự phát triển của ngành công nghiệp này

Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, ngày càng có nhiều xínghiệp mới, dây chuyền mới sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ

sư điện những kiến thức về điện tử công suất Cũng với lý do đó, trong học kỳ

này em được nhận đồ án môn học điện tử công suất, đề tài: “ Thiết kế bộ chỉnh lưu có đảo chiều cung cấp cho động cơ điện một chiều ”

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy Đặng Hồng

Hải, trong quá trình làm đồ án môn học với đề tài trên Mặc dù đã dành nhiều cố

gắng nhưng cũng không tránh khỏi những sai sót nhất định, em mong được sựgóp ý, chỉ bảo của thầy, cô

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Trọng Hòa

Chương 1

CHỈNH LƯU CÓ ĐẢO CHIỀU

1.1 MẠCH LỰC

1.1.1 Giới thiệu chung về đông cơ điện một chiều

Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ điện một chiều vẫn được coi là một loạimáy quan trọng mặc dù có rất nhiều loại máy móc sử dụng nguồn xoay chiều.Động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như khả năng điều chỉnh tốc độ tốt,khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải Chính vì vậy mà động cơđiện một chiều được dùng nhiều trong các ngành công nghiệp có yêu cầu cao vềđiều chỉnh tốc độ

Bên cạnh đó động cơ điện một chiều cũng có những nhược điểm nhất địnhcủa nó như so với máy điện xoay chiều thì giái thành đắt hơn, chế tạo và bảoquản cổ góp điện phức tạp hơn (dễ phát sinh tia lửa điện) nhưng do có những ưuđiểm nên động cơ điện một chiều vẫn còn có một tầm quan trọng nhất địnhtrong sản xuất

- Phân loại

Động cơ điện một chiều chia làm nhiều loại 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

- Sơ đồ nguyên lí

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lí động cơ điện một

chiều

1.1.2 Các phương pháp đảo chiều động cơ

- Dùng phương pháp đảo chiều bằng đảo dấu điện áp đặt vào phần ứngđộng cơ nhờ 2 mạch chỉnh lưu

Hình 1.2: Phương pháp đảo chiều bằng đảo dấu điện áp đặt vào phần ứng

- Dùng phương pháp đảo chiều kích từ

Hình 1.3: Phương pháp đảo chiều kích từ

- Đảo chiều phần ứng động cơ bằng công tắc tơ T và N

Kt

Kt

Hình 1.4: Đảo chiều phần ứng động cơ bằng công tắc tơ

- Đảo chiều kích từ bằng công tắc tơ T và N

Hình 1.5: Đảo chiều kích từ bằng công tắc tơ

1.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

1.2.1 Phương pháp điều khiển chung

A

B

C

L1 L2 Rd Ld

Ed L3 L4 Ud1 Ud2

Hình 1.6: Chỉnh lưu đảo chiều điều khiển chung

N N

Lúc này cả 2 mạch chỉnh lưu cùng phát xung điều khiển, nhưng khác chế độnhau, một mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu (là mạch xác định dấu của điện ápmột chiều hoặc là chiều quay của động cơ), còn mạch kia làm việc ở chế độnghịch lưu (là quá trình chuyển năng lượng điện áp từ dòng một chiều sangdòng xoay chiều)

Do hai bộ chỉnh lưu đặt cùng cho một tải nên giá trị trung bình của chúngphải gần bằng nhau Ut = Ud1= - Ud2

Biểu thức này chính là luật phối hợp điều khiển hai mạch chỉnh lưu

Tuy nhiên luật phối hợp này mới chỉ đảm bảo trị số trung bình của hai bộ vanbằng nhau còn giá trị tức thời của chúng thi khác nhau Ud1  Ud2 Sự chênh lệchđiện áp giữa chúng làm xuất hiện dòng điện chảy qua hai mạch van mà khôngqua tải, vì vậy cần thêm cuộn kháng Lcb mắc nối tiếp với tải vì thế sẽ làm tăngkích thước, giá thành,giảm hiệu suất của thiết bị

Phương pháp này thường chỉ sử dụng khi cần có độ tác động nhanh hoặc phảiđảo thường xuyên với tần suất lớn

1.2.2 Phương pháp điều khiển riêng

A B C

Rd Ld

Ed Ud1 Ud2

Hình 1.7: Chỉnh lưu đảo chiều điều khiển riêng

Đặc điểm của phương pháp này là các bộ chỉnh lưu làm việc không đồng thờivới mỗi chiều điện áp ra chỉ có một bộ chỉnh lưu được phát xung và chạy ở chế

độ nghịch lưu, còn bộ kia được nghỉ, không được phát xung điều khiển Như vậykhông có dòng điện chảy liên thông giữa hai mạch do đó không cần các cuộncảm cân bằng và hai bộ chỉnh lưu dược đấu song song ngược nhau một cách trựctiếp Tuy nhiên điều này dẫn đến buộc phải loại trừ khả năng hai bộ cùng hoạtđộng, vì vậy sẽ làm xuất hiện dòng ngắn mạch xuyên thông gây sự cố cho thiết

bị Do đó quá trình đảo chiều phải thực hiện theo trình tự chặt chẽ

Phương pháp này có tốc độ đảo chiều thấp, độ tác động không nhanh, dễ thực hiện

Nhận xét

Phương pháp điều khiển riêng có tốc độ đảo chiều thấp hơn phương pháp điềukhiển chung, song không cần phải đảm bảo yêu cầu về phối hợp điều khiển giữahai mạch chỉnh lưu nên dễ thực hiện hơn

Chương 2

THIẾT KẾ MẠCH LỰC

2.1.YÊU CẦU KĨ THUẬT

Yêu cầu cụ thể là thiết kế bộ điều khiển chỉnh lưu có đảo chiều cung cấp chođộng cơ điện một chiều

 Yêu cầu của nguồn xoay chiều cấp cho bộ chỉnh lưu

- Giá trị định mức của điện áp nguồn xoay chiều: Uđm=380V

- Số pha nguồn: 3pha

2.2.1.Lựa chọn sơ đồ thiết kế

 Dùng chỉnh lưu một pha với tải công suất lớn có thể làm mất cân bằngpha của nguồn điện cung cấp, điều này sẽ không tốt cho mạch điện

 Vì tải cần chất lượng điện áp 1 chiều tốt nên ta chọn chỉnh lưu 3 pha

 Vì yêu cầu của đề dùng chỉnh lưu điều khiển nên chọn phương án chỉnhlưu Thyristor

 Từ các lí luận trên ta phân tích các sơ đồ chỉnh lưu điều khiển ba pha đểtìm ra phương án thích hợp nhất

 Chỉnh lưu hình tia 3 pha

Hình 2.1: Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha

Hình 2.2: Dạng điện áp ra trên tải

Chế độ dòng liên tục

Khi dòng điện chỉnh lưu id là liên tục thì quy luật điều chỉnh:

Udα = Udocosα - Uγ Id = Ud α−Ed Rd

Uγ = kγXaId = kγ2πfLfLaId

 Chỉnh lưu cầu 3 pha

Ở mạch này người thiết kế sử dụng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển đượcmắc theo sơ đồ cầu 3 pha đối xứng bao gồm 6 thyristor được chia thành 2 nhóm:

- Nhóm anôt chung gồm T2, T4, T6

- Nhóm catôt chung gồm T1, T3, T5

cầu 3 pha

Hình 2.4: Dạng điện áp ra trên tải

 Hoạt động của sơ đồ

Giả thiết T5 và T6 đang cho dòng chảy qua Vt=Vc ,Vg=Vb :

Khi  = 1 = /6 +  cho xung điều khiển mở T1 ( tiristo này mở vì ua > 0 )

Sự mở của T1 làm cho T5 bị khóa lại một cách tự nhiên vì ua > ub Lúc này T6

và T1 cho dòng chảy quá, điện áp trên tải:

Ud = Uab = Ua - Ub

Khi Khi  = 1 = 3/6 +  cho xung điều khiển mở T2 , tiristo này mở vì khiT6 dẫn dòng, nó đặt Ub lên anốt T2 Khi  = 2 thì Ub > Uc Sự mở T2 làm choT6 bị khóa lại một cách tự nhiên vì Ub >Uc Các xung điều khiển lệch nhau /3được lần lượt đưa đến điều khiển của tiristo theo thứ tự 1,2,3,4,5,6…1

Trong mỗi nhóm, khi một tiristo mở, nó sẽ khóa ngay tiristo dẫn dòng trướcnó

Điện áp trên mạch tải là Ud

Do góc điều khiển α càng tăng thì điện áp ra càng xấu và hệ số đập mạch càngtăng nên ta tính cuộn kháng lọc cho hệ số đập mạch lớn nhất

Theo đồ thị hệ số đập mạch tương đối thì hệ số đập mạch lớn nhất k*

 Độ dài trung bình đường sức lth = 2(a+h+c) = 2(5+15+4) = 48 (cm)

 Độ dài trung bình dây quấn

ldq = 2(a+b) + πfL.c = 2(5+7,5)+πfL.4 = 37,56 (cm)

 Khe hở tối ưu L kk=1,6.10−3w I d=1,6.10−3.313 25=12.52(mm)

 Kích thước của cuộn dây

 Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng : J=2,75(A/mm2)

 Tiết diện dây cuốn cuộn kháng: S k=I

J=

25 2,75=9,09(mm

 Tính số vòng dây trên một lớp: w1=

hsd

b k =

14 1,5=9,3( vòng )≈9( vòng)

 Bề dày cuộn dây Bd= (a1+ cd1) n1 = (3,53 + 0,1).11 = 40(mm)

 Tổng bề dày cuộn dây Bd2= Bd + a01 = 40 + 3 = 43(mm)

 Kiểm tra diện tích cửa sổ:

Điện áp ngược của van cần chọn

Uv= Ungmax kuv = 2,2.400 = 880(V) (kuv là hệ số dự trữ dòng điện )

Dòng điện trung bình qua van của van được tính theo dòng điện dòng hiệudụng: Itbv= Id/3 = 25/3 = 8,3 (A) ( trong sơ đồ cầu ba pha )

Chọn điều khiển làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ điện tích toảnhiệt không có quạt đối lưu không khí, với điều kiện đó dòng định mức của vancần chọn Iđm = klv Itbv =7 8,3 = 58,1(A) (klv là hệ số dự trữ dòng điện )

Từ các thông số Unv , Iđmv ta chọn 6 tiristor loại có thông số sau:

Cấp điện áp của van 1200(V)

Dòng điện định mức của van 80(A)

Sụt áp lớn nhất của tiristor ở trạng thái dẫn U = 1,6(V)

Tốc độ biến thiên điện áp du/dt = 200 A/s

Tốc độ biến thiên dòng điện di/dt = 100 A/s

Thời gian chuyển mạch tq = 110s

Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép Tmax =1250C

2.2.4.Tính toán MBA chỉnh lưu

 Tính công suất biểu kiến của MBA:

S = K.P =1,05.P = 1,05 10000 = 10500(VA)

 Điện áp pha sơ cấp của MBA U1=380(V)

 Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp

Đối với sơ đồ cầu 3 pha ta có

2.2.5 Bảo vệ van

 Bảo vệ quá áp cho van dùng RC đấu song song

Hinh 2.6 Sơ đồ mạch bảo vệ quá áp cho van dùng RC

Điện áp ngược lớn nhất khi hoạt động bình thường

Ungmax = Ud = 400(V)

Hệ số quá áp: k = Ungcp/ Ungmax = 1200/400 = 3

Theo hệ só k này tra đồ thị 1.22 có

C*min = 0,19 R*max = 2,2 R*min = 1,2

Ở giai đoạn chuyển mạch trùng dẫn giữa hai van ta có ta có tốc độ tăng dònglớn nhất sẽ tương ứng điện áp bằng biên độ điện áp dây nên

Chọn áptômát tác động nhanh cỡ 10ms

Áptômát đặt ở đầu vào biến áp lực dùng để đóng ngắt mạch động lực, tự độngbảo vệ khi quá tải và ngắt mạch Tiristor, ngắt mạch đầu ra độ biến đổi, bảo vệvan

Chương 3 :

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

3.1.1 Phương pháp điều khiển riêng

A B C

Rd Ld

Ed Ud1 Ud2

Hình 3.1: Chỉnh lưu đảo chiều điều khiển riêng

Đặc điểm của phương pháp này là các bộ chỉnh lưu làm việc không đồng thờivới mỗi chiều điện áp ra chỉ có một bộ chỉnh lưu được phát xung và chạy ở chế

độ nghịch lưu, còn bộ kia được nghỉ, không được phát xung điều khiển Như vậykhông có dòng điện chảy liên thông giữa hai mạch do đó không cần các cuộncảm cân bằng và hai bộ chỉnh lưu dược đấu song song ngược nhau một cách trựctiếp Tuy nhiên điều này dẫn đến buộc phải loại trừ khả năng hai bộ cùng hoạtđộng, vì vậy sẽ làm xuất hiện dòng ngắn mạch xuyên thông gây sự cố cho thiết

bị Do đó quá trình đảo chiều phải thực hiện theo trình tự chặt chẽ

Trong quá trình đảo chiều luôn tồn tại một khoảng thời gian mà cả hai bộ vanlúc đó đều không hoạt động (cùng ngắt xung diều khiển) và dòng tải bằng khônggọi là khoảng chết của hệ thòi gian của khoảng chết này phụ thuộc vào hai giaiđoạn kế tiếp:

 Giai đoạn để đảm bảo dòng tải đã giảm dưới mức dòng duy trì củathyristor trong nhóm van đang dẫn dòng cần khóa lại Giai đoạn này phụ thuộcvào phần tử đo dòng và nhiễu của hệ; nếu đặt sensor dòng điện ở phía xoaychiều có thẻ bị nhiễu theo đường dây nguồn do sóng hài bậc cao đi qua mạch

RC bảo vệ của van; nếu đặt sensor dòng điện ở phía một chiều cần phải lọc đậpmạch của chỉnh lưu và chống lại hiện tượng chôi Vì vậy ngưỡng tác độngsensor phải vài phần trăm giá trị dòng định mức

 Giai đoạn dành cho thyristor phục hồi tính chất khóa sau khi đã khóa,thường chỉ cỡ 1ms là đủ

Trong quá trình đảo chiều sẽ sảy ra quá trình biến động của điện áp và dòngđiện tải vì vậy để rút ngắn giai đoạn giảm dòng của bộ van đang hoạt động khibắt đầu đảo chiều có thẻ không ngắt ngay xung cưa bộ van này, mà trước đótăng góc điều khiển vượt 900 để xả nhanh năng lượng tích lũy ở tải về nguồnxoay chiều rồi mới ngắt xung khi dòng về không

 Khối điều khiển đảo chiều

Trong sơ đồ này chỉ sử dụng một khâu phát xung chung cho hai bộ van nhằmđảm bảo tối đa đặc tính điều chỉnh hai chiều như nhau, thơi gian chết sẽ dàikhoảng 8 đến 10ms

Hình 3.2: Hệ chỉnh lưu đảo chiều động cơ điện một chiều

Hình 3.3: Đồ thị biến thiên dòng điện và thứ tự hoạt động của các khóa

 Quá trình hoạt động của sơ đồ

 Thời điển t0: lượng đặt đảo dấu tương ứng với lệnh đảo chiều xuất hiện

K7 K5

K8

 Thời điển t1:

- Đóng khóa K6 để tăng góc điều khiển vượt 900 để xả nhanh năng lượngtích lũy ở tải

- Ngắt các khóa K3, K6 để dừng các bộ điều chỉnh RI và RU

 Thời điểm t2: cảm biến dóng điện tác động báo đạt ngưỡng dòng không

 Thời điểm t3: hết thời gian chễ T1 đảo bả dòng điện tải thật sự bằng không

- Ngắt xung điều khiển nhóm van 1

 Thời điểm t4: hết thời gian trễ T2 (kết thúc khoảng chết)

- Đóng khóa K1 cho khâu điều chỉnh dòng điện hoạt động trở lại

- Đóng K5 cho mạch điều chỉnh chênh lệch áp hoạt động

- Ngắt K3, K6 ngừng hoạt động các mạch liên quan

- Đóng khóa K8 bắt đàu phát xung cho bộ van thứ hai hoạt động

 Thời điểm t5: cảm biến dòng điện tác động do dòng tải xuất hiện và vượtngưỡng không

Udp

Urc Udb

3.2.2 Nguyên lí mạch điều khiển

-OA1

C1 D3

D4 R2

R3

+ OA2 R4

-R5

Hình 3.5 :Sơ đồ tạo xung đồng bộ dạng âm hai nửa chu kì,

chính xác điểm nguồn qua không

 Nguyên lí hoạt động của khâu

Trong trạng thái bình thường khi tụ C kết thúc một quá trình phóng hay nạp thìkhông có dòng qua tụ nữa, lúc đó chỉ có dòng qua 4 điện trở làm điện áp ở đầu ra

củ tụ: U = 0,5E mặt khác điện thế cổng (+) của OA2 sẽ dương hơn điện thế cổng(-), giữ cho đầu ra OA2 ở trạng thái ổn định dương +Ubh

Khi điện áp trước tụ C đột biến từ +Ubh xuống –Ubh sẽ làm điốt D3 khóa còn D4

vẫn dẫn, do D3 khóa điện thế cổng (-) đột biến thành –E, D4 dẫn đưa điện áp âm vàocổng (+) của OA2 làm cho nó âm hơn cổng (-) nên đầu ra lật trạng thái xuống –Ubh,xuất hiện dòng i1 đi qua R5 – R4 – D4 – C – OA1 nạp cho tụ, dòng này sẽ giảm dầntheo độ nạp của tụ làm cho điện thế cổng (+) cũng dương dần lên theo Khi điện thếcổng (+) đạt đến giá trị -E thì OA2 lật về trạng thái ổn định ban đầu

Khi điện áp trước tụ C đột biến từ -Ubh lên +Ubh sẽ làm điốt D4 khóa còn D3 dẫn,

do D4 khóa điện thế cổng (+) đột biến về không, D3 dẫn đưa điện áp dương vàocổng (-) cuả OA2 làm cho nó dương hơn cổng (+) nên đầu ra lật trạng thái xuống –

Ubh, xuất hiện dòng i1 di qua OA1- D3 – R2 – R3 – (-E) nạp cho tụ, dòng này sẽ giảmdần theo độ nạp của tụ làm cho điện thế cổng (-) cũng dương âm dần Khi điện thếcổng (-) về không thì OA2 lật về trạng thái ổn định ban đầu

3.2.2.b Khâu tạo điện áp tựa

D5

R7

-+ OA3

Z1

C2

R8

+E

Hình 3.6: Sơ đồ tạo răng cưa đi xuống một nửa chu kì bằng OA

Nguyên lí hoạt động của khâu

Điện áp đầu vào điốt D5 có dạnh xung hình chữ nhật chỉ có hai trị số âm vàdương bằng giá rị bão hòa

Ở nửa chu kì đầu khi điện áp đầu vào D5 UD5<0 điốt D5 dẫn, điện thế giữa haicủa (+) và (-) của OA3 bằng nhau và bằng không do điểm (+) nối đất, lúc đó điện

áp trên tụ C bằng điện áp đầu ra của OA3, điện áp trên điện trở R8 bằng điện áp đầuvào của D5

R2 << R3 nên có thê bỏ qua dòng iR8 Như vậy dòng qua tụ bằng dòng iR7 và điện

áp trên tụ cũng như đầu ra tăng trưởng tuyến tính Khi điện áp trên tụ đạt trị sốngưỡng của điốt ổn áp Dz thì nó thông và giữ điện áp ra ở trị số ổn áp này