thiết kế bộ biến đổi dc-ac điều khiển động cơ một chiều

bộ nghịch lưu

Đồ án môn học

Trờng đại học s phạm kỹ thuật hng yên

Khoa Điện - Điện Tử

Giáo viên hớng dẫn : Đoàn Văn Điện

Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý

Nguyễn Hồng Quân

Lu Minh Thắng Khơng Thị Cần Thơ

Đồ án môn học

Mục lục

Lời nói đầu 3

Chơng 1 Giới thiệu chung về bộ điều áp 4

Chơng 2 Thiết kế mạch điều khiển 5

2.1 Sơ đồ mạch động lực 5

2.2.1 Giới thiệu một số sơ đồ 5

2.1.2 Lựa chọn sơ đồ 6

2.1.3 Nguyên lý hoạt động 6

2.2 Thyristor 10

2.2.1 Cấu tạo 10

2.2.2 Nguyên lý hoạt động 11

2.2.3 Ưng dụng 13

2.3 Thiết kế mạch điều khiển 13

2.3.1 Các yêu cầu đối với xung điều khiển 13

2.3.2 Khái niệm về mạch điều khiển 15

2.3.3 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng 16

2.3.4 Sơ đồ khối mạch điều khiển van 17

2.3.5 Mạch tạo điện áp đối xứng 19

2.3.6 Khâu đồng pha 19

Trờng Đại Học S Phạm Kỹ Thuật Hng Yên - 2 -

0

1

T

Đồ án môn học

2.3.7 Mạch tạo điện áp điều khiển 21

2.3.8 Khối so sánh

2.3.9 Mạch tạo xung chùm

2.3.10 Khâu khuếch đai và biến áp xung

2.4 Tính toán cho van và mạch điều khiển

2.4.1 Tính toán chọn thyristor

2.4.2 Tính toán cho mạch điều khiển

2.4.3 Tính chọn BAX

2.4.4 Bảo vệ thiết bị biến đổi

Chơng 3 Giới thiệu về thiết bị

3.1 Mô hình thiết bị

3.2 Bố trí thiêt bị

3.2 Cách sử dụng

Tài liệu tham khảo

Trờng Đại Học S Phạm Kỹ Thuật Hng Yên - 3 -

0

1

T

Đồ án môn học

Lời nói đầu

Với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn,các thiết bị biến đổi điện năng dùng các linh kiện bán dẫn công suất đã đ-

ợc sử dụng nhiều trong công nghiệp và đời sống nhằm đáp ứng các nhucầu ngày càng cao của xã hội Vì thế môn học Điện Tử Công Suất là mộttrong những môn khoa học đặc biệt trong các trờng kỹ thuật để ngời học

có điều kiện học tập nghiên cứu ra những ứng dụng phục vụ cho thực tiễn.Tuy nhiên những ứng dụng đó vẫn cha đợc khai thác triệt để trong hệthống điều khiển, đo lờng và điều chỉnh…

Trong quá trình học tập tại trờng Đại Học S Phạm Kỹ Thuật HngYên đợc sự chỉ đạo của nhà trờng của khoa Điện - Điện Tử và đặc biệt làthầy Đoàn Văn Điện đã hớng dẫn chúng tôi làm đề tài “Thiết kế bộ điều

áp xoay chiều cho động cơ một pha công suất lớn” Và trong cuốn thuyếtminh này chúng tôi đã trình bày đợc những vấn đề cơ bản mà đề tài đãyêu cầu Tuy nhiên với thời gian và kiến thức còn hạn chế nên nội dungcòn có những thiếu sót Chúng tôi rất mong nhận đợc những ý kiến đónggóp của các thầy, các cô và toàn thể các bạn để đề tài của chúng tôi đợchoàn thiện hơn

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!

Bộ điều áp xoay chiều cho động cơ

một pha công suất lớn Chơng 1 Khái niệm chung

Nguyên tắc : Cắt đi một phần trong mỗi nửa chu kỳ của điện áp

nguồn xuay chiều hình sin làm cho Ur < Unguồn

Ưu điểm: gọn nhẹ hiệu suất cao, làm việc tin cậy, điều chỉnh trơn

điện áp với phạm vi rộng với mọi cấp công suất

Nh

ợc điểm : độ tin cậy không bằng MBA, sơ đồ điều khiển phức

tạp, Uvào dạng sin nhng Ura khác sin

- Sơ đồ sử dụng 2 thyristor mắc song song ngợc (Ha)

Đặc điểm: Thích hợp với các sơ đồ điều khiển tải có công suất lớn.

Vì ngày nay thyristor đã đợc chế tạo có dòng đến 7000A thì việc

điều khiển xoay chiều đến hàng chục nghìn Ampe là hoàn toàn cóthể Tuy nhiên nó cũng có nhợc điểm là chất lợng điều khiển không

đợc tốt, nhất là về mặt đối xứng điện áp

Đặc điểm: Khắc phục đợc nhợc điểm của thyristor và có u điểm

hơn về mặt lắp ráp nhng triac hiện nay mới đợc chế tạo với dòngkhông lớn I < 400Anên không thích hợp với dòng tải lớn

- Sơ đồ sử dụng 2 diode và 2 thyristor catot chung(Hc)

Đặc điểm: Chỉ dùng để nối các cực điều khiển đơn giản.

- Sơ đồ sử dụng 4 diode và 1 thyristor (Hd)

Đặc điểm : Đợc dùng khi cần điều khiển đối xứng điện áp trên tải

tuy nhiên lại có tổn hao lớn trên các van bán dẫn nên hiệu suất lớn

Hình 2.1: Các sơ đồ 2.1.2 Lựa chọn sơ đồ

Căn cứ vào:

- Đặc điểm của tải Tải động cơ công suất lớn Điện áp điều chỉnh trơn 0  U lới Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại Nguồn cấp : điện áp lới

- Điều kiện làm việc : Có thể làm việc ngoài trời hoặc trong nhà

- Trình độ khả năng của ngời thiết kế và vận hành còn hạn chế

 ta chọn sơ đồ hình (Ha)

2.1.3 Nguyên lý làm việc

Khi tải là điện cảm (R+L) góc lệch

pha của tải

R

L arctag

  sẽ làm giảm sựbiến thiên của góc điều khiển 

Ta xét sự hoạt động của mạch với cáctrờng hợp của góc điều khiển 

V t

Z V

ở thời điểm t = T/2 + To thì T2 đủ điều kiện dẫn

- Đợc phân cực thuận(vì điện áp nguồn đã đổi dấu)

- Có xung điều khiển

 T2 dẫn và quá trình xảy ra tơng tự nh đối với chu kỳ dơng

điện áp

Hình 2.3: Dạng sóng điện áp 1 pha khi tải R- L với góc mồi     

trực tiếp với tảI Nh vậy khi thay đổi góc điều khiển giữa và  dòng

điện hiệu dụng thay đổi từ 0 đến cực đại = Vmax/Z

Z

V t

Z V

Bây giờ thành phần dòng cỡng bức if và il cùng dấu Dòng điện triệttiêu khi t1> + do đó lớn hơn    xung đến cực điều khiển của T2

ở thời điểm t    khi thyristor này có điện áp UAK âm do điện áp rơi

trong T1 đang dẫn đã đổi dấu và do vậy T2 không đợc mồi khi điện áp T2trở nên dơng tại t = t1 thì lại không còn xung trên cực điều khiển nữa Vì

lý do đó sơ đồ làm việc không bình thờng: Một nửa chu kỳ dòng điện biếnmất một cách đột ngột Dòng điện i chuyển từ V/Z sang V/Z 2

Hình2.4: Điều áp một pha, tải R-L hoạt động không bình thờng

- Nếu xung mồi có độ rộng đủ lớn thì khi t = t1 điện áp UAK củaT2 trở thành dơng và trên cực điều khiển của nó vẫn có xung mồi từ thời

điểm t = (    ) /  do vậy T2 dẫn Thành phần il trong biểu thức của i vẫnkhông đổi (giống nh khi T1 dẫn) Và tơng tự tại thời điểm t = t2 T1 sẽ dẫntrở lại Sau một vài chu kỳ thành phần il mất đi và dòng điện i trùng vớidòng cỡng bức hình sin if Việc chuyển góc    không tạo nên hoạt

động bình thờng nữa, trị số hiệu dụng I = V/Z Bộ điều áp sẽ làm việc nhmột khoá chuyển mạch đóng thờng xuyên khi   

Kết luận: Khi phụ tải của bộ điều áp có tính R+L thì tại thời điểmbằng 0 và bắt đầu đổi dấu của điện áp nguồn thì van làm việc ở giai đoạntrớc cha khoá lại mà vẫn tiếp tục dẫn dòng nhờ sức điện động tự cảm của

L Do đặc điểm này mà khi đặc tính tải của bộ điều áp biến đổi thì giá trịhiệu dụng của điện áp ra cũng thay đổi mặc dù ta giữ nguyên giá trị góc

điều khiển

Gọi  là khoảng kéo dài sự dẫn dòng của van do sức điện động tựcảm thì góc  sẽ tăng nếu ta giảm góc điều khiển và khi    thì  đạtgiá trị max = .Khi  = thì góc dẫn   max   có nghĩa là mỗi van sẽdẫn một nửa chu kỳ nếu nh vậy thì Utải luôn = Unguồn

Nếu độ dài xung đủ lớn ( ) thì khi phát tín hiệu mở van với cácgóc điều khiển nằm trong khoảng    góc dẫn   max   điện áp vàdòng điện trên tải có dạng sin các van nh những khoá chuyển mạch Vậyvới bộ điều áp này khi    ta không điều chỉnh đợc điện áp ra trên tải và





ii

Hình 2.5: Bộ điều áp một pha, tải R – L, xung điều khiển đủ rộng L, xung điều khiển đủ rộng

2.2 Thyristor

2.2.1 Cấu tạo:

Thyristor là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn PNPN liên tiếp tạo nênanốt, katôt và cực điều khiển

Hình2.6: a là cấu tạo, b là ký hiệu

Thyristor gồm một đĩa Silic từ đơn thể loại N, trên lớp đệm loạibán dẫn P có cực điều khiển bằng dây nhôm, các lớp chuyển tiếp đ-

ợc tạo nên bằng kỹ thuật bay hơi của Gali

2.2.2 Nguyên lý hoạt động

Đặt thyristor dới một điện áp một chiều , anốt nối vào cực dơng,catốt nối vào cực âm của nguồn điện áp, J1, J3 phân cực thuận, J2

phân cực ngợc Gần nh toàn bộ điện áp nguồn đặt trên mặt ghép J2

P 1 N

Điện trờng nội tại Ei của J2 có chiều từ N1 hớng về P2 Điện trờngngoài tác động cùng chiều với Ei vùng chuyển tiếp cũng là vùngcách điện càng mở rộng ra không có dòng điện chạy qua thyristormặc dù nó bị đặt dới điện áp thuận.

Hỡnh 2.7: ;Đặc tính volt-ampe của tiristor.

+) Mở thyristor

Cho một xung điện áp dơng Us tác động vào cực G (dơng sovới K), Các điện tử từ N2 sang P2 Đến đây một số ít điện tử chảyvào cực G và hình thành dòng điều khiển Is chạy theo mạch G- J3-K-G còn phần lớn điện tử chịu sức hút của điện trờng tổng hợp củamặt ghép J2 lao vào vùng chuyển tiếp này, tăng tốc, động năng lớn

bẻ gãy các liên kết nguyên tử silíc tạo nên các nguyên tử tự do mới

Số nguyên tử mới đợc giải phóng tham gia bắn phá trong vùng kếtiếp Kết quả là phản ứng dây truyền xuất hiện nhiều điện tử chạyvào N1 qua P1 và đến cực dơng của nguồnđiện ngoài gây nên hiệntợng dẫn ào ạt, J2 trở thành mặt ghép dẫn điện, bắt đầu từ một điểm

ở xung quanh cực G rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép

Thyristor khi + UAK> 1V hoặc IG> IGst thì thyristor sẽ mở Trong đó

IGst là dòng điều khiển đợc tra ở sổ tay tra cứu

+) Khoá thyristor có 2 cách :

- Làm giảm dòng điện làm việc I xuống dới giá trị dòng duy trì IH

- Đặt một điện áp ngợc lên thyristor, khi đó UAK < 0, J1 và J3 bịphân cực ngợc, J2 phân cực thuận, điện tử đảo chiều hành trìnhtạo nên dòng điện ngợc chảy từ catốt về anốt, về cực âm củanguồn điện ngoài

+) Xét sự biến thiên của dòng điện i(t) khi thyristor khoá

Từ t0 đến t1 dòng điện lớn, sau đó J1, J3 trở nên cách điện Do hiệntợng khuếch tán một ít điện tử giữa hai mặt J1 và J3 ít dần cho đếnhết, đồng thời J2 khôi phục tính chất của mặt ghép điều khiển

2.2.3 Ưng dụng

Thyristor đợc sử dụng trongcác bộ nguồn đặc biệt trong mạchchỉnh lu, bộ băm và bộ biến tần trực tiếp hoặc các bộ biến tần cókhâu trung gian một chiều

- ứng dụng của thyristor trong mạch điều khiển động cơ

- Chuyển mạch tĩnh

- Khống chế pha

- Nạp ăcquy

- Khống chế nhiệt

2.3 Thiết kế mạch điều khiển

2.3.1 Các yêu cầu đối với xung điều khiển

 Yêu cầu về độ lớn xung ĐK và dòng ĐK

- Giá trị lớn nhất không đợc vợt quá giá trị cho phép

- Giá trị nhỏ nhất phải đảm bảo thông mọi thyristor cùng loại ởmọi điều kiện làm việc

- Tổn hao công suất trung bình trên cực điều khiển cũng khôngquá giá trị cho phép

Để mở thông một cách tin cậy thì UGKvà IGK phảI thuộc vùng A

B là vùng không rõ ràng có thể mở đợc cũng có thể không mở đợc

C là vùng không mở đợc bất kỳ thyristor nào

Đờng a giới hạn dòng điện min

Đờng b giới hạn điện áp min

Đờng c là tổn hao công suất trung bình

I

GK

AB

0U

GK

Hình 2.9: Giới hạn vùng làm việc của thyristor

 Yêu cầu về độ rộng xung

Thông thờng Tx>= 5s

Nếu tăng độ rộng

xung sẽ cho phép giảm

biên độ xung điều khiển IG

 Yêu cầu về độ dốc sờn xung

Sờn trớc của xung càng dốc (Ts càng

nhỏ ) thì việc ĐK thông thyristor càng

tốt nhất làkhi mạch có nhiều thyristor

Thờng độ dốc sờn xung là Ts = 0,5

- Ví dụ với sơ đồ điều khiển các thyristor

trong sơ đồ chỉnh lu, độ lệch cho phép

của các xung điều khiển ở các kênh

khác nhau phải ở trong phạm vi 1  0 3 0

ứng với cùng điện áp giá trị điều khiển - Ví dụ đối với máy

biến áp xung thờng đợc sử dụng nh một khâu truyền xung cuối

cùng ở tầng khuyếch đại xung, điện áp chịu đựng giữa sơ cấp và

thứ cấp phải đạt đợc 1500v2000v khi điện áp lới 3x 380VAC

đựng giữa sơ cấp và thứ cấp phải đạt đợc 1500v2000v khi điện

áp lới 3x 380VAC

3000 2000

200 100 I(mA)

Tx

10 1000

I G

Tx 0

IG2

Hình 2.12: Cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển dùng biến áp xung

 Yêu cầu về độ tin cậy

- Điện trở ra của kênh điều khiển nhỏ để khi dòng rò tăng thìthyristor sẽ không tự thông

- Xung ĐK ít phụ thuộc vào biến động nhiệt và biến đổi điện ápnguồn

- Không ảnh hởng bởi nhiễu cảm ứng để không mở nhầm

 Đảm bảo phạm vi góc mở

Thờng  = 5  175 0

 Yêu cầu về lắp ráp và vận hành

2.3.2 Khái niệm mạch điều khiển

Nh đã biết để các van có thể mở đúng các thời điểm mongmuốn thì ngoài điều kiện là đặt điện áp thuận thì trên điện cực

điều khiển và katốt phải có một điện áp điều khiển Để có hệthống các tín hiệu ĐK xuất hiện đúng theo yêu cầu thì ta phải sửdụng một mạch điện để tạo ra các tín hiệu đó và đợc gọi là mạch

ĐK Điện áp ĐK phải đáp ứng đợc các yêu cầu cần thiết nh côngsuất, biên độ, thời gian tồn tại Các thông số cần thiết của tín hiệu

điều khiển đã đợc cho sẵn trong các tài liệu tra cứu về van Đặc

điểm của thyristor là khi van đã mở thì việc còn tín hiệu ĐK nữahay không không ảnh hởng đến dòng qua van, vì vậy ngời ta tạo

ra tín hiệu điều khiển có dạng các xung để hạn chế công suất vàtổn thất

2.3.3 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng

Theo nguyên tắc này ngời ta dùng hai điện áp:

- Điện áp đồng bộ us vợt trớc uAK= Um sint của thyristor một góc

bằng

2



đó là us = Um.cost

- điện áp điều khiển ucm là điện áp một chiều có thể điều chỉnh đợc biên

độ theo hai chiều ( dơng và âm)

- Nếu đặt us vào cổng đảo và ucm vào cổng không đảo của khâu so sánhthì us= ucm, ta xẽ nhận đợc một xung rất mảnh ở đầu ra khâu so sánhkhi khâu này lật trạng thái:

2.3.4 Sơ đồ khối mạch điều khiển van

Hình 2.14: Sơ đồ khối mạch điều khiển

 Nguyên lý cơ bản của khối điều khiển trên

Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động lực đợc đa dến mạch

đồng bộ hoá và trên đầu ra của mạch đồng bộ ta có điện áp thờng có

dạng hình sin với tần số bằng tần số điện áp nguồn cung cấp hoặc lệch

một góc pha xác định so với U nguồn và đợc gọi là điện áp đồng bộ

Uđb Uđb đa vào mạch phát điện áp răng ca kết quả ở đầu ra có điện

áp răng ca đồng bộ về tần số và góc pha so với Uđb đợc ký hiệu là

Urc Urc đa vào khối so sánh và ở đó còn có tín hiệu khác nữa là Uđk

-Điện áp một chiều, điều chỉnh đợc và đợc đa từ ngoài vào: Uđk và Urc

đợc mắc với cực tính ngợc nhau Nh vậy khối so sánh sẽ so sánh hai

tín hiệu nàyvà tại những thời điểm Uđk = Urc thì đầu ra của khối so

sánh sẽ thay đổi trạng thái không thành có (có chuyển thành không)

với chu kỳ bằng chu kỳ của Urc Nh vậy ta có thể thay đổi thời điểm

xuất hiện xung đầu ra của khối so sánh bằng cách biến đổi Uđk (giữ

nguyên Urc) Để có tín hiệu đủ yêu cầu về công suất, độ rộng, độ dốc,

sờn xung…Ta thực hiện qua các khối tạo xung, khuyếch đại xung,

biến áp xung Nhng thời điểm xuất hiện xung vẫn trùng với tín hiệu ra

của khối so sánh tức là khối so sánh đóng vai trò xác định giá trị góc

điều khiển  Hay chính là điều chỉnh Uđk ta sẽ có đợc giá trị góc 

Sau đây ta sẽ xét chi tiết các phần mạch điện của hệ thống điều

khiển

2.3.5 Mạch tạo điện áp đối xứng

(Để cấp nguồn cho mạch điều khiển)

Sơ đồ mạch:

Hình 2.15: Mạch tạo điện áp đối xứng

- Một MBA giảm áp Uvào =220V- AC là điện áp lới, Ura =

12V-AC, qua chỉnh lu cầu diode cho ra điện áp một chiều 12V – L, xung điều khiển đủ rộng DC Muốntạo đợc điện áp đối xứng 12V ta sử dụng 2 IC ổn áp : IC7812 ổn ápnguồn dơng và IC7912 ổn áp nguồn âm đợc mắc nh trên sơ đồ

2.3.6 Khâu đồng pha

Để tạo ra một hệ thống các xung xuất hiện lặp đi lặp lại với chu kỳbằng chu kỳ nguồn xoay chiều và điều khiển đợc thời điểm xuất hiệncủa chúng thì chúng ta phải có một mạch phát sóng răng ca nh hình vẽ(sử dụng hai khuyếch đại thuật toán)

Hình 2.16: Mạch tạo điện áp răng ca

chữ nhật không đối xứng uA1  là độ rộng xung âm của A1 còn phần

d-ơng UA1 đợc tích phân qua khuếch đại thuật toán A2 thành điện áp đồng bộxung răng ca

Nhận xét: ở vùng  xung điều khiển bị mất do không có điện áp

đồng bộ vì vậy ta càng giảm  càng tốt mà góc  là do điện áp VRdf

quyết định  để giảm  ta giảm VRdf để có  một vài độ thuộc phạm vicho phép

Hình 2.15: Giản đồ nguyên lý tạo điện áp răng ca

2.3.7 Mạch tạo điện áp điều khiển