thiết kế bộ chỉnh lưu có đảo chiều cung cấp cho động cơ điện một chiều

LỜI NÓI ĐẦUTrong những năm gần đây cùng với việc phát triển ngày càng mạnh mẽcủa các lĩnh vực khoa học, ứng dụng của chúng vào các ngành công nghiệp nóichung và các ngành điện tử nói riê

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây cùng với việc phát triển ngày càng mạnh mẽcủa các lĩnh vực khoa học, ứng dụng của chúng vào các ngành công nghiệp nóichung và các ngành điện tử nói riêng, các thiết bị điện tử có công suất lớn đượcchế tạo ngày càng nhiều, đặc biệt là ứng dụng của nó trong nền kinh tế quốc dâncũng như trong đời sống làm cho yêu cầu về sự hiểu biết và thiết kế các loạithiết bị này là hết sức cần thiết đối với sinh viên, kỹ sư ngành điện

Hiện nay mạng điện ở nước ta chủ yếu là mạng điện xoay chiều với tần

số công nghiệp Để cung cấp nguồn điện một chiều có giá trị điện áp và dòngđiện điều chỉnh được cho những thiết bị điện dùng trong các hệ thống truyềnđộng điện một chiều người ta đã hoàn thiện bộ chỉnh lưu có điều khiển dùngTiristor

Trong đề tài của em là thiết kế bộ chỉnh lưu có đảo chiều cung cấp chođộng cơ điện một chiều có đảo chiều Bao gồm các chương:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ

Chương 2: Tính toán và thiết kế mạch công suất.

Chương 3: Mô phỏng

Qua việc thiết kế đồ án đã giúp em hiểu rõ hơn những gì mình đã đượchọc trong môn Điện tử công suất Hiểu được những ứng dụng thực tế của cácthiết bị công suất trong đời sống cũng như trong công nghiệp Nội dung đồ ánchắc chắn còn nhiều thiếu sót Em mong các thầy cô chỉ bảo thêm để em hoànthành tốt hơn nhiệm vụ

Các số liệu cho trước:

Nguồn 3.380 VAC ± 10% ;f= 50Hz

Động cơ: 22 kw; 440 VDC; 3000 v/ph

Chương 1 : Tổng quan về công nghệ

1 Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều.

Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi là một loạimáy quan trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụngnguồn điện xoay chiều thông dụng

Do động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như khả năng điều chỉnhtốc độ rất tốt , khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải Chính vìvậy mà động cơ một chiều được dùng nhiều trong các ngành công nghiệp cóyêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép , hầm mỏ, giao thông vận tải

mà điều quan trọng là các ngành công nghiệp hay đòi hỏi dùng nguồn điện mộtchiều

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

Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều hiện nay vào khoảng

10000 KW, điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000 V Hướng phát triển hiệnnay là cải tiến tính năng của vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ vàchế tạo những động cơ có công suất lớn hơn

2 Động cơ điện một chiều.

Khái niệm: Động cơ điện là loại máy điện biến đổi năng lượng điệnthành năng lượng cơ Động cơ điện một chiều là động cơ hoạt động với dòngđiện một chiều

2.1 Cấu tạo và phân loại động cơ điện một chiều.

2.1.1 Cấu tạo

Động cơ điện 1 chiều gồm 2 phần chính: Phần tĩnh và phần động

- Phần tĩnh (stator)

Đây là phần đứng yên của máy bao gồm các bộ phận chính sau:

+ cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường chính gồm lỗi sắt cực từ và dây cuốn cực từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi thép của cuộn kích từ được làm bằng lá thép kĩ thuật điện hay thep cacbon dày 0.5- 1 mm được ép lại và tán chặt trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối Cực từ dc gắn chặt vào vỏ máy nhờ bulong Dây quấn kích từ dc quần bằng đồng bọc cách điện và mỗi quận dây đều bọc cách điện vs nhau tạo thành khối tẩm sơn cách điện trc khi đặtlên các cực từ

+ Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đảo chiều Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên các thân cực từ phụ có đặt dây quấn và cấu tạo giống như cực từ chính Cực từ phụ

dc gắn vào vỏ bằng bulong

Gông từ: dùng để ghép nối các cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động

cơ nhỏ và thường dùng thép dày uốn và hàn lại Trong máy lớn thường dùng thép đúc Có khi dùng gang

+ Các bộ phận khác

Bao gồm:

 Nắp máy: Dùng bảo vệ khi có vật xung quanh rơi, va vào gây hư hỏng dây quấn và đảm bảo cho người khỏi chạm vào điện.Trong máy điện nhỏ và vừa , nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Thì lắp máy làm bằng gang

 Cơ cấu trổi than:Để đưa dòng điện từ phần quay bên trong ra

ngoài Cơ cấu trổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi nhờ 1 lò xo lên cổ góp Hộp chổi than dc cố định trên giá chổi than

và cách điện vs giá Giá chổi than có thể quay dc để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ Khi dùng vít cố định

- Phần quay (rotor)

+ Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ Thường dùng các tấm thép kĩ thuật điện phủ cách điện ở 2 mặt rồi ép chặt nhằm giảm thiểu dòng xoáy gây ra Trên lõi thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây cuốn vào

Trong những động cơ điện trung bình đổ lên, người ta thường dập những

lỗ thông gió để khi ghép lại có thể tạo thành những lỗ thông gió dọc trục

Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường dc chia làm những đoạn nhỏ Giữa những đoạn ấy thường để một khe là khe hở thông gió Khi máylàm vc gió thổi vào khe hở làm nguội lõi thép và dậy cuốn

+ Dây quấn phần ứng

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua, thường dc làm bằng đồng bọc cách điện Trong máy điện nhỏ công suất vài

KW thì thường dùng dây điện có tiết diện tròn Trong máy điện cỡ lớn thì

thường dùng dây quấn có tiết diện hình chữ nhật Dây quấn dc cách điện với rãnh của lõi thép

Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm Ở miệng rãnh có dùng mêm để

đè chặt hoặc đai chặt dây quấn

+ Cổ góp

Dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện 1 chiều Cổ góp nhiều phiến đồng dc mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0.4 đến 1.2 mm Hay đầu trục hình tròn dùng 2 ốp chữ V ép chặt lại Giữa vành và ốp và trụ tròn dc bọc cách điện bằng mica

1: Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp gồm có một cuộn dây kích từ được nốinối tiếp với cuộn dây phần ứng

2: Động cơ điện một chiều kích từ song song

Động cơ điện một chiều kích từ song song gồm có một cuộn dây kích từđược nối song song với cuộn dây phần ứng

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ song song

Trong đó:

Uu là điện áp phần ứng

Ukt là điện áp cuộn kích từ

Eu là sức điện động phần ứng

Rkt và Rf là các điện trở cuộn kích từ và điện trở cuộn phần ứng

3 : Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp gồm có một cuộn kích từ nốitiếp nối nối tiếp với cuộn dây phần ứng,một cuộn kích từ song song nối songsong với cuộn dây phần ứng.

2.2 Các phương pháp đảo chiều quay động cơ điện một chiều.

Do chỉnh lưu Tiristor dẫn dòng theo một chiều và chỉ điều khiển được khi

mở, còn khoá theo điện áp lưới, cho nên truyền động van đảo chiều khó khăn

và phức tạp hơn truyền động máy phát- động cơ Cấu trúc mạch lực cũng nhưcấu trúc mạch điều khiển hệ truyền động T – Đ đảo chiều có yêu cầu an toàncao và có logic điều khiển chặt chẽ

Có hai nguyên tắc cơ bản đẻ xây dựng hệ truyền động T – Đ đảo chiều:

- Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ độngcơ

- Giữ nguyên chiều dòng kích từ và đảo chiều dòng điện phần ứng

Trong thực tế, các sơ đồ truyền động T – Đ có nhiều song đều thực hiện theomột trong hai nguyên tắc trên và được phân ra 5 loại sơ đồ chính sau:

Hình 1.3a: Truyền động dùng một bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiềuquay bằng đảo chiều dòng kích từ

Hình 1.3b: Truyền động dùng một bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiềuquay bằng công tắc tơ chuyển mạch ở phần ứng( từ thông giữ nguyên khôngđổi).

Hình 1.3c: Truyền động dùng hai bộ biến đổi cấp cho phần ứng điều khiểnriêng

Hình 1.3d: Truyền động dùng hai bộ biến đổi nối song song ngược điều khiểnchung.

Hình 1.3e: Truyền động dùng hai bộ biến đổi nối theo sơ đồ chéo điều khiểnchung

Mỗi loại sơ đồ thích hợp với từng loại tải và yêu cầu công nghệ khác nhau:Loại 1.3a dùng cho công suất lớn rất ít đảo chiều.

Loại 1.3b dùng cho công suất nhỏ tần số đảo chiều thấp

Loại 1.3c dùng cho mọi dải công suất có tần số đảo chiều lớn

Loại 1.3d,e dùng cho dải công suất vừa và lớn có tần số đảo chiều cao, so với baloại trên thì nó thực hiện đảo chiều êm hơn nhưng lại có kích thước cồng kềnh,vốn đầu tư và tổn thất lớn hơn

Chương 2 Tính chọn mạch công suất

1 Mạch chỉnh lưu 3 pha tiristo đảo chiều bằng rơ le

Ưu nhược điểm: Dễ đấu nối và dễ dàng sử dụng

2 Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha tiristo mắc song song ngược điều khiển chung

Sơ đồ chỉnh lưu đảo chiều điều khiển chung

Ta có

Ut= Ud1=Ud2+ Nếu dòng điện liên tục ta có:

Ud1= Ud0 - cosα1Ud2= Ud0 - cosα2Vậy Ud0 cosα1= - Ud0 cosα2

Hay cosα1 + cosα2 = 0

α1+ α2 = 180°

+ Lúc này cả 2 mạch chỉnh lưu cùng phát sung điều khiển, nhưng luôn khác chế độ nhau Một mạch ở chế độ Chỉnh lưu mạch còn lại ở chế độ nghịch

lưu Vì 2 mạch cùng đấu chung 1 tải nên giá trị trung bình của chúng phải gần bằng nhau.

Biểu thức này chính là luật phối hợp luật điều khiển của phương pháp này

- Tuy nhiên luật này mới chỉ đảm bảo sự cân bằng về giá trị 1 chiều Còn giá trị tức thời của điện áp chỉnh lưu 2 mạch là khác nhau Ud1 ≠

3 Mạch chỉnh lưu 3 pha tiristo mắc song song ngược điều khiển riêng

Sơ đồ

Nguyên lí hoạt động:

- Khi điều khiển riêng 2 bộ biến đổi làm việc riêng rẽ nhau Tại 1 thời điểm phát xung điều khiển vào 1 bộ biến đổi còn 1 bộ biến đổi kia bị khóa do chưa cóxung điều khiển Hệ có 2 bộ biến đổi là BĐ1 và BD2 với các mạch phát xung tương ứng FX1 và FX2.Trật tự của bộ phát xung này dc quy định bởi các tín hiệu logic b1 và b2 Quá trình hãm và đảo chiều dc miêu tả bằng đồ thị thời gian Trong khoảng thời gian từ 0→ T1, bộ biến đổi b1 làm việc ở chế độ chỉnhlưu với α<π2 còn bộ biến đổi 2 khóa Tại t1 phát lệnh đảo chiều bởi iLĐ góc điềukhiển α tăng đột biến lớn hơn π2 dòng điện phần ứng giảm về bằng không lúc này các xung để khóa BD1 Thời điểm T2 dc xác định bằng bộ cảm biến dòng điện I1 Trong khoảng thời gian trễ t= t2 - t3 bộ BD1 bị khóa hoàn toàn, dòng điện phần ứng bị triệt tiêu Tại t3 sdd E vẫn dương, tín hiệu logic b2 kích cho FX2 mở BD2 với góc α> π2 và sao cho dòng điện phần ứng khồn vượt quá giá trị cho phép động cơ dc hãm tái sinh Nếu nhịp điệu giảm α 2 phù hợp với quán tính của hệ thì có duy trì dòng điện hãm và dòng điện khởi động ngược ko đổi Điều này được điều khiển từ các mạch vòng điều chỉnh tự động dòng điện của

hệ trên sơ đồ của khối logic

Tính toán động cơ van và chọn mạch công suất

Từ những ưu nhược điểm trên ta họn mạch chỉnh lưu 3 pha tiristo đảo chiều bằng rơ le là phù hợp nhất

Mạch công suất

Tính toán động cơ

Udm = 440V , nđm = 3000v/p , P = 22 KW

Idm = Udm P = 22000440 = 50(A)

Rư : điện trở mạch phần ứng động cơ được tính

Rư : 0.5 (1-n) Udm Idm = 0,5 ( 1- 10%) 44050 = 3.96

Lư : Điện cảm mạch phần ứng động cơ được tính theo công thức :

Lư = 2 π P nđm Idm Udm 60 = 2 π 22000.3000 50440.60 = 1,3.10−6

+ Tính toán van tiristo

Tính chọn dựa vào các yếu tố cơ bản của dòng tải, sơ đồ đã chọn, điều khiển tỏa nhiệt, điện áp làm việc, các thông số cơ bản của van được tính như sau:

Ta chọn: knv = √6, k u = 3√6/П

=> Ulv = (/3) Ud = (/3) 440 = 460,5 (V)

- Điện áp ngược của van cần chọn là:

Unv = kdt Ulv = 1,3 460,5 = 598,7 (V)

- Trong đó kdtU : hệ số dự trữ điện áp chọn ktdU = 1,3

Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng điện hiệu dụng :

Ilv= Kdt Id= Id

√3 = 50

√3 = 29,4(A)Idm = Ki Ilv = 29,4 1.6 = 47,04 (A)

(Chọn ki =1,6 :Hệ số dự trữ dòng điện

Ta chọn tiristor loại T 221 N có các thông số định mức sau:

Điện áp ngược cực đại của van: Un = 600 V

Dòng điện định mức của van: Iđm = 221 A

Điện áp của xung điều khiển: Ug = 1.2 V

Sụt áp lớn nhất của tiristor ở trạng thái dẫn : U = 1.74 V

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

Tốc độ biến thiên của điện áp du dt = 1000 V/s

Tốc độ biến thiên dòng điện di dt = 150 A/μ s

Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép Tmax = 125° C

Tính toán thông số máy biến áp.

Chọn MBA ba pha ba trụ sơ đồ đấu dây /Y (làm mát bằng không khí tựnhiên)

- Tính các thông số cơ bản

a) Tính công suất biểu kiến của MBA

S = K.P =1,05.P = 1,05 22000 = 23100 (VA)

Trong đó:

K – Hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực

P – Công suất cực đại của tải

b) Điện áp pha sơ cấp của MBA

U1=380(V)

c) Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp

Phương trình cân bằng điện áp khi có tải :

Udo cos (min) = Ud + 2.Uv + Udn + Uba

Trong đó min = 100 góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới

Uv = 1,7 (v) sụt áp trên tiristor

Udn = 0 sụt áp trên dây nối

Uba = Ur + Ux : sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp.Chọn sơ bộ

Uba = 6%.Ud = 6% 440 = 26,4(V)

Từ phương trình cân bằng điện áp tải ta có:

Udo = U d+ 2.U v+U dn+U bacos10 =440+2.1,7+ 26.4cos10 = 479 (V)

+ Tính toán thiết bị bảo vệ

Bảo vệ quá nhiệt cho van bán dẫn

Khi làm việc với dòng chạy qua trên van có sụt áp, do có tổn hao công suất ∆ P

Mặt khác van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp nào đó Nếu quá nhiệt độ này thì ván sẽ bị phá hỏng Để cho van bán dẫn làm việc an toàn, không bị trọc thủng về nhiệt, ta phải thiết

kế hệ thống tỏa nhiệt hợp lí

+ Tính toán cánh tỏa nhiệt+ Tổn thất công suất trên 1 tiristor

∆ P=∆ U.I = 1,74 29,4 = 51,2 (W)Diện tích bề mặt toả nhiệt:

S= ΔPP

k m .τ

p : tổn hao công suất (W)

T:độ chênh lệch so với môi trường

Tmt = 400C

Nhiệt độ làm việc cho phép của Tcp=1250C

Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt

Chọn loại cánh toả nhiệt có 12 cánh

Kích thước mỗi cánh a.b=25.10(cm)

Tổng diện tích toả nhiệt của cánh

S=12.2.25.10=6000 (cm2)

Bảo vệ quá dòng điện của van

Áptômát dùng để đóng ngắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắtmạch Tiristor, ngắt mạch đầu ra độ biến đổi, ngắt mạch thứ cấp MBA ngắtmạch ở chế độ nghịch lưu

Nhóm 2CC : Dòng điện định mức dây chảy nhóm 2cc

I2cc = 1,1.Ihd = 1,1.Ilv= 1,1.35,7= 39.27(A)

Nhóm 3CC : Dòng điện định mức dây chảy nhóm 3cc

I3cc = 1,1.Id = 1,1.50 = 55 (A)

Vậy ta có thể chọn cầu chì nhóm

1cc loại 50 (A)2cc loại 50 (A)3cc loại 70 (A)

Bảo vệ quá điện áp cho van

Bảo vệ quá điện áp : do quá trình đóng cắt các Tiristor được thực hiện bằngcách mắc R-C song song với Tiristor Khi có sự chuyển mạch, các điện tích tích

tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảngthời 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 giữaanod và catod của Tiristor

Khi có mạch R-C mắc song song với Tiristor tạo ra mạch vòng phóng điệntích trong quá trình chuyển mạch nên Tiristor không bị quá điện áp

Theo kinh nghiệm R1=(5 ->30)

C1=(0,25-> 4)F

Chọn R1=5,1(), C1=0,25F

* Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện

Ta mắc mạch R-C như hình vẽ Có mạch lọc này đỉnh xung gần như nằm lạihoàn toàn trên điện trở đường dây

Chọn R1=12,5() C1=4F

+ Để bảo vệ van do cắt mạch đột ngột biến áp van tải ,người ta thường mắc mộtmạch R—C ở đầu ra của một mạch chỉnh lưu cầu 3 pha phụ bằng các diod côngsuất bé Thông thường giá trị tự chọn trong khoảng 10 -200F

T