Thiết kế bộ chỉnh lưu có đảo chiều cho động cơ điện 1 chiều, dùng phương pháp điều khiển riêng

Lời Cám ƠnQua nhiều tháng miệt mài tìm tòi nghiên cứu đến nay bản đồ án với chủ đề “ Thiết kế bộ chỉnh lu có đảo chiều cho động cơ điện 1 chiều, dùng phơngpháp điều khiển riêng” của em đ

Lời Cám Ơn

Qua nhiều tháng miệt mài tìm tòi nghiên cứu đến nay bản đồ án với chủ đề

“ Thiết kế bộ chỉnh lu có đảo chiều cho động cơ điện 1 chiều, dùng phơngpháp điều khiển riêng” của em đã đợc hoàn thành Đây không những là sự lỗlực hết sức của bản thân em mà còn là sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô đặcbiệt là Thầy Dơng Văn Nghi ngời đã trực tiếp hớng dẫn em hoàn thành bản đồ

án này Vì thiếu kinh nghiệm thực tế cũng nh những hạn chế của bản thân nênbản đồ án này còn sơ sài, không tránh khỏi sự sai sót và chắc cha áp dụng vàothực tế đợc, kính mong các thầy cô cùng các bạn bỏ qua và góp ý để bản thiết

kế đợc hoàn chỉnh hơn

Qua đây em xin gửi tới tất cả các thầy cô, các bạn và đặc biệt là thầy Dơng Văn Nghi lời cám ơn sâu sắc nhất

Đặc biệt ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị điện tử côngsuet, đã mở ra một hớng mới cho bài toán điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có

đảo chiều Nguồn một chiều để cung cấp cho động cơ đợc chỉnh lu ngay từ nguồn

đIện xoay chiều có sẵn trong công nghiềp thông qua các bộ chỉnh lu đIều khiểndùng Tizitto

2 Bài toán thực tế

Trong thực tế sản xuất ta thờng gặp những cơ cấu chuyển động yêu cầu có

đảo chiều Ví dụ nh ở máy bào giờng ( máy bào dọc), chuyển động chính của máy

là chuyển động tịnh tiến thẳng của dao cắt với hai hành trình ngợc và hành trìnhthuận Khi có tín hiệu mở máy doa cắt bắt đầu chuyển động và đi trạng thái vàohành trình thuận với tốc độ v1, khi đI đến cuối hành trình thuận bàn dao gạt vàocông tắc hành trình ra lệnh cho động cơ quay ngợc lại đa dao về vị trí ban đầu vớitốc độ v2

Từ đó yêu cầu động cơ truyền chuyển động cho dao phảI có khả năng đảochiều, phảI có tốc độ hợp lý trong quá trình ăn dao để bảo vệ dao cắt, trong hànhtrình thuận khi gia công thô hoặc tinh để bảo đảm độ bóng cho sản phẩm Đối vớimáy bào thì hành trình ngợc là hành trình vô công do đó cần tăng cao tốc độ đểnâng cao hiệu suât cho máy cũng nh giảm thời gian gia công Cùng mục đích nhvậy thì trong quá trình đổi chiều cần cho động cơ hoạt động ở chế độ hãm táI sinh

Để thoả mãn đợc yêu cầu đó thì hệ thống truyền chuyển động cho dao cóthể là một cơ cấu máy phát - động cơ hoặc động cơ một chiều đợc đIều khiển bởi

bộ chỉnh lu bán dẫn…

Hệ máy phát - động cơ thờng có cơ cấu kồng kềnh, giá thành cao, hiệu suấtthờng không quá 64%, khi hoạt động gây tiếng ồn lớn, khó tự động hoá, khó đIềuchỉnh sâu tốc độ Chỉ đợc áp dụng trong những cơ cấu có công suất lớn, yêu cầuquá tảI cao đặc biệt thích hợp trong công nghiệp hầm mỏ

Còn đối với hệ thống chỉnh lu - động cơ 1 chiều có u đIểm nổi bậtlà độ tác

động nhanh, không gây ồn lại dễ tự động hoá Với trờng hợp máy bào giờng cócông suất không cao, yêu cầu tự động hoá cao thì hệ thống chỉnh lu - động cơ đIện

Sơ đồ.

T N

N T Uđk

BBĐ

id

D

Ld CK

+Cuộn L để lọc nguồn một chiều tạo ra bởi bộ biến đổi

Hoạt động:

-Bộ biến đổi chỉnh lu nguồn 3 fa thành nguồn 1 chiều ,với Uđk

-khi muốn quay thuận các tiếp điểm T đóng, N mở

-khi muốn quay ngợc lại các tiếp điểm N đóng, T mở và nguồn áp cấp cho phầnứng động cơ đảo dấu, động cơ sẽ quay ngợc lại

Ph

ơng án 2

Sử dụng hai bộ biến đổi đối xứng cầu 3 fa, dùng phơng pháp điều khiển chungTại một thời điểm cả hai bộ biến đổi đều nhận đợc xung mở,nhng chỉ có một bộbiến đổi cấp dòng cho động cơ,bộ kia làm việc ở chế độ đợi

Sơ đồ:

Lcb

Lcb

A1 K1

BBĐI

id1

Lcb icb

D Ld

Đặc tính điều khiển của BĐ1 là đờng I, đặc tính điều chỉnh của BĐ 2 là đờng II

min

I II

Giả thiết 1</2; 2>/2 sao cho : Ed1  Ed2

Thì dòng điện chỉ có thể chảy từ BĐ1 sang động cơ mà không thể chảy từ BĐ1sang BĐ2 đợc Để đạt đợc trạng thái này thì các góc điều khiển phải thoả mãn các

điều kiện : 2   1hay2 1

Nếu tính đến góc chuyển mạch  và góc khoá  thì giá trị lớn nhất của góc điềukhiển của bộ biến đổi đang ở chê độ nghịch lu đợi phải là :

0

cb

Ed Ed I

Ph

ơng án 3

Sử dụng hai bộ biến đổi đối xứng cầu 3 fa, dùng phơng pháp điều khiển riêng Sơ đồ :

So sánh các ph ơng án:

- Phơng án I: đơn giản,dễ cho việc thiết lập ,điều khiển hệ thống nhng thời gian tác

động chậm,không có hãm tái sinh.Khi có số lần đảo chiều lớn thì các tiếp điểm cơkhí dễ xẩy ra sự cố khi thời gian sử dụng tăng lên,số lần đảo chiều lớn,(các tiếp

điểm này có thể không tác động ,hoặc tác động trễ dẫn đến ngắn mạch qua BBĐgây sự cố,tiếp điểm bị hỏng cơ khí do đóng cắt nhiều )

-Ph

ơng án II Thời gian tác động nhanh, có hãm tái sinh lấy lại năng lơng cho lới

điện, tính đảo chiều bảo đảm hơn pha I khi số lần đảo chiều lớn do khả năng làmviệc với tần số cao của các phần tử điện tử Tuy nhiên phơng án này phức tạp chokhâu điều khiển khi đảo chiều, thiết kế mạch điều khiển

Từ những so sánh này ta thấy với hệ thống của ta lên chọn phơng án II để đảm bảo

an toàn với tần số đảo chiều lớn

Phơng pháp điều khiển chung không có khoảng thời gian trễ nhng có dòngcân bằng chảy giữa hai bộ BĐ, phải sử dụng các cuộn kháng cân bằng khiến hệthống cồng kềnh, làm việc không chắc chắn khi đảo chiều

-Ph

ơng án III Thời gian tác động nhanh, có hãm tái sinh lấy lại năng lơng cho lới

điện, tính đảo chiều bảo đảm hơn pha I khi số lần đảo chiều lớn do khả năng làmviệc với tần số cao của các phần tử điện tử

Phơng pháp điều khiển riêng có u điểm làm việc chắc chắn an toàn, không

có dòng cân bằng chảy qua 2 bộ biến đổi, tuy nhiên có trạng thái trễ 

Đối với máy bào giờng yêu cầu số lần đảo chiều cao và đồng thời khôngcần dòng đIện liên tục nên phơng án 3 là tối u nhất Vì vậy ta chọn phơng án 3 cho

hệ thống

Chơng II sơ đồ và nguyên lý hoạt động của

đồ hình tia Các tham số tính cho chỉnh lu điều khiển giống bảng tính toán dungcho điốt ở chỉnh lu điều khiển tiristor ta chỉ đi sâu vào quá trình điều khiển củamạch

Để hiểu sơ bộ vấn đề ta phân tích trên sơ đồ cầu một pha cấp cho tảI tổngquát là Rd  Ld  Ed trong đó Ed đặc trng cho sức đIện động phần ứng của độngcơ một chiều

ở nửa chu kỳ dơng của điện áp nguồn xoay chiều e(t) = Emsint, tiristor T1

vàT3 có thể dẫn nhng chỉ sau thời điểm vì từ thời điểm đó mới có e(t) > Ed để cho

đIện áp trên van là dơng UAK= e(t)-Ed > 0

2.2a Chế độ dòng liên tục 2.2b.dòng gián đoạn 2.2c.Dòng tới hạn

Để mở van, ở thời điểm  t =  cho phát xung điều kiển vào cực G các van T1,T3

làm chúng dẫn (Góc  tính từ điểm chuyển mạch tự nhiên đến điểm phát xung

mở van đợc gọi là góc mở hay góc điều khiển) Từ lúc van dẫn ta có ud=Emsin t

Ud Ed

Rd id

- Dòng điện qua T1, T3 ở thời điểm (  ) cũng chính là dòng tải cha giảm

về đến không do tính điện cảm của mạch.Nh vậy dòng tải sẽ tiếp tục tồn tại vàchuyển sang chế độ van 2 mở ra Ta có chế độ dòng điện liên tục, vì với mọi thời

điểm đều có Id > 0

- Dòng điện đi qua T1và T3 đã kịp giảm về 0 (và hai van này khoá lại trớc khihai van T2, T4 mở ra Ta có chế độ dòng điện gián đoạn Vì dòng tải có giai đoạnbằng 0, lúc này cả 4 van đều không dẫn

- Ranh giới giữa hai chế độ này góc điều khiển tơng ứng là góc điều khiển tớihạn

 

Hằng số C xác định theo điều kiện biên phụ thuộc vào chế độ làm việc

a.Chế độ dòng điện gián đoạn

Điều kiện biên 1 i   ( ) 0* ; trong các biểu thức tính toán đều lấy gốc từ

điểm qua o của u xoay chiều nếu so với  quy định lệch đi một lợng

m d

Dòng điện gián đoạn sẽ đạt tới chế độ tới hạn khi góc  n (không còn

đoạn Ud = E) Góc điều khiển tơng ứng với điểm giới hạn này xác định theo ta

u I

ra này phải lới điện xoay chiều, để thỏa mãn yêu cầu này bộ chỉnh lu chuyển sanghoạt động ở chế độ nghịch lu; vì nó hoạt động (đồng bộ) theo nguồn xoay chiềunên gọi là nghịch lu phụ thuộc

Nh vậy mạch điện lúc này có hai nguồn sức điện động

Sơ đồ thay thế chỉnh l u với tải động cơ điện.

Ta biết rằng một nguồn sức điện động sẽ phát đợc năng lợng nếu chiều sức

điện động và dòng điện trùng nhau, ngợc lại nó sẽ nhận năng lợng khi chiều sức

điện động và dòng điện ngợc nhau Xuất phát từ nguyên tắc trên ta thấy rằng với

bộ chỉnh lu chỉ cho phép dòng điện đi thep một chiều xác định thì để có chế độnghich lu cần phải thực hiện 2 điều kiện:

-Về phía một chiều : bằng cách nào đó chuyển đổi Ed để có chiều dòng vàsức điện động trùng nhau

-Về phía xoay chiều : Điều khiển mạch chỉnh lu sao cho điện áp ud < 0 để

có dấu phù hợp dòng tức là bộ chỉnh lu làm việc chủ yếu với nửa chu kỳ âm của

Đồ thị dòng điện áp với tr ờng hợp nghịch l u phụ thuộc.

II mạch chỉnh lu đIều khiển riêng

1.Sơ đồ nguyên lý:

- Động cơ một chiều

- BBĐ1, BBĐ2: Là các bộ chỉnh lu điều khiển mắc theo sơ đồ cầu có nhiệm vụbiến đổi dòng điện xoay chiều từ thứ cấp máy biến áp thành dòng điện một chiềucấp cho động cơ

- FX1 và FX2 : là hai bộ phát xung điều khiển tơng ứng cho BBĐ1 và BBĐ2

- SI1 và SI2 là các xen sơ dòng điện dùng cho vòng hồi tiếp

- SIO1 và SIO2: là các xen sơ cảm ứng dong điện

- Ri1 và Ri2 : là các bộ điều chỉnh dòng điện

-S  1 và S 2 : là các xen sơ tốc độ đóng vai trò khâu phản hồi tốc độ

- R 1 và R  2 : là các bộ điều chỉnh tốc độ

- HCD1 và HCD2 : là các phần tử hạn chế dòng điện trong quá trình quá độ

- LOG : là khối logic để điều khiển sự làm việc của 2 bộ FX1 và FX2

- MBA : máy biến áp lực

Fx LOG

Giả sử tại thời đIểm từ 0t1bộ phát xung FX1hoạt động phát xung điều khiển BBĐ

1 làm việc ở chế độ chỉnh lu( 1

2



  ) Còn BBĐ 2 bị khoá do FX2 không hoạt động.Tại t1 fát lệnh điều khiển đảo chiều(ilđ chuyển tử lôgic 1 xuống lôgic 0) 

b1chuyển tử 0 lên 1 và FX1 bị khoá quá trình chuyển mạch ở BBĐ1 không thựchiện đợc do không có xung điều khiển tử FX1 phát vào

Dòng điện phần ứng giảm dần về 0, thời điểm này (t2) đợc xác định bằng cảmbiến dòng điện không SIO1 Sau khoảng thời gian trễ    t2 t2 đảm bảo BBĐ1

bị khoá hoàn toàn, dòng điện phần ứng bị triệt tiêu Tại t3 tín hiệu lôgic b2 chuyển

từ mức 1 xuống mức 0 cho phép bộ phát xung FX1 hoạt động phát xung điềukhiển mở BBĐ2 với góc 2

2



  và sao cho dòng điện phần ứng không vợt quágiá trị cho phép, động cơ đợc hãm tái sinh, nếu nhịp điệu giảm  2phù hợp vớiquán tính của hệ thì có thể duy chì dòng điện hãm và dòng điện khởi động ngợckhông đổi, điều này đợc thực hiện với các mạch vòng điều chỉnh tự động dòng

điện của hệ thống (Si và Ri )

Mạch vòng hồi tiếp âm bao gồm S R,  có nhiệm vụ khởi động tốc độ cho độngcơ khi nhiễu loạn (tải ) thay đổi

&

&

iLd i2L

i1L

-1 -1 -1

b1 b'1



1

 1

b1

b'1 b'2

i1l i2l

i ld Ed



i t

t t t t t

iL§ = 0 : ph¸t xung ®iÒu khiÓn më bé BB§2

b

a T2 T6 T4

T5 T3 T1

FL

Đồ thị dòng điện và điện áp khi không tính đến trùng dẫn và ở chế độ dòng liêntục.

Điện áp mạch trên tải là:

5 6

2 2

6

3 6

6

2 sin 2

Chơng III

Tính Chọn Thiết kế các phần tử của mạch công suất

I.Chọn van công suất:

Động cơ một chiều có công suất 25KW và điện áp định mức Udm = 400V

2500

62,5( )400

Khi chọn van công suất ta cần quan tâm đến hai chỉ tiêu sau:

- Chỉ tiêu về dòng điện , ở đây thờng phải tính đợc trị số dòng trung bình (hayhiệu dụng) lớn nhất chạy qua van , mặt khác cũng cần phải quan tâm đếndạng dòng đIện , giá trị dòng điện đỉnh, dòng quá tảI, chế độ làm việcmát tuỳ theo từng chế độ cụ thể để chọn

- Chỉ tiêu về điện áp chủ yếu là điện áp đặt lên van trong quá trình làm việc

1) Chọn van theo chỉ tiêu dòng điện.

Đối với sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha đã chọn tra sổ tay ta có các tham số

2 2

Van đợc chọn phải thoả mãn điều kiện: Iv  k Ilv. tbv

Khi làm việc van phải chịu đợc mức độ dòng điện quá tải gấp 1,2 lần dòng điện

định mức Ngoài ra dòng qua van trong một khoảng thời gian tăng lên vài lần(nh chế độ khởi động , chế độ cỡng bức dòng điện …) Do đó khi chọn van phảituỳ thuộc và đặc điểm làm việc cụ thể của van mà chọn hệ số dự trữ dòng điện(klv).ở đây với chế độ tải ổn định và dòng qua van dới 100A ta chỉ cần chọn :

Dạng dòng điện qua van cũng ảnh hởng lớn đến trị số dòng cho phép qua van.Trong tất cả các mạch chỉnh lu van đều dẫn dòng theo chu kỳ lới điện xoay chiều, quy chuẩn nhất là dạng dòng điện hình sin và kéo dàI 1800 điện Nếu khoảngdẫn bị thu hẹp thì giá trị dòng điện qua van cũng phải giảm đi theo quy luật gần

2)Chọn theo chỉ tiêu điện áp

Van đợc chọn phải đảm bảo nguyên tắc đIện áp

Ungmaxth=1,05Udmax=1,05.400 =420V

Ungmaxth  0,7.Ungmaxchon > Ungmaxchon 420

để van có thể dẫn đợc dòng đIện thực tế là 30A thì dòng cho phép qua van phảIlớn hơn 30/0,4=75A

Từ các tiêu chuẩn trên ta chọn van chỉnh lu cho mạch này là loại T-80-8 do LiênXô chế tạo với các thông số nh sau:

- Trị số hiệu dụng điện áp cuộn thứ cấp MBA U2

- Trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp MBA I2

- Trị số hiệu dụng dòng điện cuộn sơ cấp MBA I1

- Công suất biểu kiến 1 fa

Đặc điểm của MBA chỉnh lu là công suất thứ cấp và công suất sơ cấp không bằngnhau nh các MBA lực thông thờng Điều này chủ yếu do dòng điện không sin gây

ra Vì vậy công suất tính toán 1 fa MBA chỉnh lu cũng tính bằng công thức khácvới công thức thông thờng :

Udm: ĐIện áp 1 chiều ra tải định mức

U v: Sụt áp trung bình trên các van

 Sụt áp do hiện tợng chuyển mạch (trùng dẫn ) coi nh bằng 0

Đối với trờng hợp đang xét thì:

Udm=400 VDC

m k c

d dm

Ur C

Điện áp sau khi ra khỏi bộ biến đổi có dạng nhấp nhô mạnh với tần số đập mạch

là 6.Vì vậy để động cơ làm việc bình thờng thì điện áp phải đợc lọc trớc khi đa vào

động cơ Trong thực tế có nhiều phơng pháp lọc khác nhau nh:

- Lọc bằng cuộn cảm : loại này dùng đơn giản một cuộn cảm mắc nối tiếp với tụ

Điện kháng của điện cảm L (Xd=L) càng lớn so với đIện trở Rd càng tốt Vì tải cócông suất lớn thờng có Rd nhỏ nên điều này thực hiện càng dễ thực hiện khi dòngtải càng tăng , do đó loại lọc này rất phổ biến trong những mạch công suất lớn

Điện áp sau BBĐ có dạng mấp mô với tần số đập mạch là 6 Trong trờng hợp góc

mở   0, dùng khai triển Furie và giữ lại thành phần điều hoà cơ bản ta đợc dạng

Th-từ ) Loại thép kỹ thuật điện thích hợp cho chế tạo cuộn kháng là loại thép cánnguội , có kết cấu chữ E.

2)Tính điện trở dây quấn ở 20 độ C để đảm bảo sụt áp cho phép

Sụt áp trên cuộn lọc là do trở kháng của nó Nói cách khác nguyên nhân làm cuộnlọc phát nóng chính là do địện trở thuần của cuộn dây vì vậy điện trở này không

đợc quá mức cho phép

Với nhiệt độ môi trờng Tmt =400C

Độ quá nhiệt cho phép  T 500C

Sụt áp một chiều cho phép U 2V

Sụt áp xoay chiều cho phép : U8 V

Ta thấy giá trị tính toán lớn hơn giá trị yêu cầu 5% nên chấp nhận đợc.

8)Tiét diện dây

Nếu số vòng dây là 121 thì điện trở để đảm bảo yêu cầu có tiết diện là:

2 3

20

69.2400,072 0,072 59,07( )

Nếu lấy khoảng cách giữa hai lớp dây quấn (dành cho lớp cách điện) cd là 1

mm thì độ dày của cả cuộn dây là :

cd

 = n(d+cd ) = 9 (0,6+0,1)=6,3 cm

11)Độ dày cuộn dây

cd

 nhỏ hơn kích thớc cửa sổ c= 9,6 nên cuộn dây lọt trong cửa sổ

12)Kiểm tra độ chênh lệch nhiệt

Tổn thất trong cuộn dây đồng :

PCu= 1,02 3 1,02.2.62,53

117, 4( )

1 4, 26.10 ( 20) 1 4, 26.10 (40 20)

d mt

U I

w T

117, 4

50,05 7,7.10 3017,5

Tính toán và thiết kế mạch điều khiển

I.Yêu cầu đối với mạch điều khiển

- Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi Tiristo vì nó đóng vaitrò chủ đạo trong việc quyết định chất lợng và độ tin cậy của BBĐ Yêu cầu củamạch điều khiển có thể tóm tắt trong 6 điểm chính sau:

+ Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển

+ Yêu cầu về độ lớn xung điều khiển

+ Yêu cầu về độ dốc sờn trớc của xung (càng cao thì việc mở càng tốt thôngthờng 0,1A/μ,

dt

diDK

 )

+ Yêu cầu về sự đối xứng của xung trong các kênh điều khiển

+ Yêu cầu về độ tin cậy

Điện trở kênh điều khiển phải nhỏ để Tiristor không tự mở khi dòng ròtăng

.Xung điều khiển ít phụ thuộc vào dao động nhiệt độ, dao động điện ápnguồn

Cần khử đợc nhiễu cảm ứng để tránh mở nhầm

+ Yêu cầu về lắp ráp vận hành

Thiết bị thay thế dễ lắp ráp và điều chỉnh

Dễ lắp lẫn và mỗi khối có khả năng làm việc độc lập

II Nguyên lý chung của mạch điều khiển.

1 Nhiệm vụ của mạch điều khiển: là tạo ra các xung vào ở những thời điểm

mong muốn để mở các van động lực của bộ chỉnh lu

- Tiristor chỉ mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp dơng đặt trên Anốt và cóxung áp dơng đặt vào cực điều khiển không còn tác dụng gì nữa

- Chức năng của mạch điều khiển :

+ Điều chỉnh đợc vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dơng của

điện áp đặt trên anốt – katốt của tiristor

+ Tạo ra đợc các xung đủ điều kiện mở tiristor độ rộng xung tx < 10s Biểuthức độ rộng xung:

dt di

I

t dt

x 

Trong đó: Iđt là dòng duy trì của tiristor

di/dt : tốc độ tăng trởng của dòng tải