ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Họ và tên: Lớp: Giáo viên hướng dẫn: GVC. Khương Công Minh I. ĐỀ TÀI: “ THIẾT KẾ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU “ II.SỐ LIỆU BAN ĐẦU: 1. Nguồn điện lưới xoay chiều 3 pha:220380V. 2. Tải là động cơ điện một chiều kích từ độc lập có: Pđm = 10 kW ; Uđm =220V; Iđm = 63 A ; nđm=1000vphút Ru =0,3 Ω Hệ số dữ trữ điện áp : Ku = 1,51,8 Hệ số dữ trữ dòng điện: Kd=1,11,4 III.NỘI DUNG THIẾT KẾ : 1. Tổng quan về động cơ điện một chiều và các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp. 2. Tổng quan về bộ chỉnh lưu Thyristor hình cầu ba pha. Thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống chỉnh lưu động cơ điện một chiều (hệ TĐ) đó . 3. Tính chọn các phần tử mạch động lực. 4. Tính chọn mạch điều khiển. 5. M ạch b ảo vệ và kết luận IV. B ẢN V Ẽ: Sơ đồ nguyên lý :A3 V. GI ÁO VI ÊN H Ư ỚNG D ẪN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

1 Nguồn điện lưới xoay chiều 3 pha:220/380V

2 Tải là động cơ điện một chiều kích từ độc lập có:

III.NỘI DUNG THIẾT KẾ :

1 Tổng quan về động cơ điện một chiều và các phương pháp điều chỉnh tốc

độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp

2 Tổng quan về bộ chỉnh lưu Thyristor hình cầu ba pha Thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống chỉnh lưu - động cơ điện một chiều (hệ T-Đ) đó

Chương I TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CÁC

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

Chương II TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU THYRISTOR

HÌNH CẦU BA PHA SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG CHỈNH

LƯU - ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU (HỆ T-Đ)

Chương III TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ MẠCH ĐỘNG LỰC

Chương IV TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Chương V MẠCH BẢO VỆ VÀ KẾT LUẬN

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CÁC PHƯƠNG

PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

1 Tổng quan về động cơ điện một chiều

1.1 Khái quát

Do có thể điều chỉnh tốc độ dể dàng nên động cơ điện một chiều được dùng phổ biến trong hệ thống truyền động điện của các nghành công nghiệp, giao thông vận tải đặc biệt ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng với dải công suất động cơ một chiều (Đ) từ vài W đến vài ngàn MW

1.1.1 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

1.1.2 Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều:

- Ưu điểm:

Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ

üCó nhiều phương pháp hãm tốc độ

- Nhược điểm:

Tốn nhiều kim loại màu

Chế tạo, bảo quản khó khăn

Giá thành đắt hơn các máy điện khác

1.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập :

Quan hệ giữa tốc độ và mômen động cơ gọi là đặc tính cơ của động cơ:

Trong phạm vi của đề tài này chỉ xét đến đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

1.2.1 Phương trình đặc tính cơ :

Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều là quan hệ n=f(M), đây là đặc tính

quan trọng nhất của động cơ

Từ sơ đồ trên ta có phương trình cân bằng điện

của mạch phần ứng như sau:

Uư = Eư + Rư Iư (1)

Trong đó : Uư , Eư , Rư , Iư lần lược là điện

áp ,sức điện động, điện trở, dòng điện của mạch

phần ứng

Suất điện động Eư phần ứng của động cơ

được xác định theo biểu thức sau:

N : số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

a : số đôi mạch nhánh song song cuộn phần ứng

Khi trong thanh dẫn có dòng điện iư thì thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tác dụng, chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái và nó sẽ tạo ra một mômen điện từ có độ lớn:

 là hệ số mômen

Iư là dòng điện phần ứng

Trong chế độ động cơ M và n ngược chiều, Eư ngược chiều iư

Từ phương trình (1) ,(2) và (3) ta có phương trình đặc tính cơ điện của động cơ như sau:



dt u

e C C

M R C

dt u

e C K

M R K

Nếu bỏ qua các tổn hay 2







e M u

e C K

M R K

U





Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều:

Về phương diện điều chỉnh tốc độ , động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác, không những có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt tốc độ điều chỉnh cao trong dãi điều chỉnh tốc độ rộng

Trên thực tế ta có ba thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mômen điện từ, ta ký hiệu là M Nghĩa là Mđt= Me= M Khi đó ta được: 2

U

phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động

cơ điện một chiều:

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông kích từ của động cơ

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của động cơ Trong đề tài này chúng ta sẽ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp trên phần ứng của động cơ

2.1 Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng:

Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát

Theo phương pháp này ta có n0=const, nên khi tăng Rf độ dốc của đặc tính

cơ tăng lên tức tốc độ thay đổi nhiều hơn khi tải thay đổi

này , ta có thay đổi Rưf thì tốc độ vẫn bằng không, nghĩa là không điều chỉnh tốc độ động cơ được nữa Do đó phương pháp này là phương pháp điều chỉnh không triệt để

2.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông kích từ động cơ:

Ta có phương trình đặc tính cơ:

Như vậy: đm > 1 > 2 >

nđm <n1 <n2

Tuy nhiên khi giảm  quá nhỏ có thể làm cho tốc độ động cơ lớn quá giới hạn cho phép, hoặc làm cho điều kiện chuyển mạch bị xấu đi do dòng phần ứng tăng cao, hoặc để đảm bảo chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng phần ứng và như vậy làm cho mômen cho phép trên trục động cơ giảm nhanh, dẫn đến động cơ bị quá tải

a Đặc tính điều chỉnh tốc độ b Đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Rưf bằng cách thay đổi 

u

C C

M R C

U

n n

n 0  

Ta thấy: khi thay đổi Uư thì n0 thay đổi, còn n= const, vì vậy ta có các

đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau

Nhưng muốn thay đổi Uư thì ta phải có bộ nguồn một chiều có thể thay đổi

điện áp ra, thường dùng bộ biến đổi Bộ biến đổi có chức năng biến năng lượng

điện xoay chiều thành một chiều có suất điện động Eb điều chỉnh được nhờ tín

hiệu điều khiển Uđk

Ơí chế độ xác lập ta có phương trình đặc tính của hệ thống như sau:

Eb-Eư= Iư(Rb+Rưd) Vì: Eư = C en

e

ud b e

b

C

R R C

Mặt khác:M C MI u



M U n

ud b

C C

R

R 



Vì từ thông của động cơ được giử không

đổi nên độ cứng của đặc tính cơ cũng

không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng

thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển

Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phương

pháp điều chỉnh này là triệt để

Để xác định được dãíy điều chỉnh tốc

độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ

thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản, là đặc

tính ứng với điện áp phần ứng định mức và

từ thông cũng được giữ ở giá trị định mức Tốc độ nhỏ nhất của dãy điều chỉnh bị

giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi động Khi mômen tải là

định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:

dm

M n

nmax  0max 



dm o

M n

nmin  min 

Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là:

dm M c





1

1

max 0 max

M

dm

K M n

M K

M n

Khi phụ tải làm việc chế độ xác lập ta có mômen do động cơ sinh ra đúng bằng mômen tải trên trục

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay

đổi điện áp phần ứng là rất thích hợp trong

trường hợp mômen tải là hằng trong toàn dãy

điều chỉnh

2.4 Phạm vi điều chỉnh tốc độ:

Ta có phương trình đặc tính động cơ

điện một chiều kích từ độc lập:

C C

R C

U n

M e u e

d

C

R C

Giữ cho C e= const và thay đổi Ud ta được họ đặc tính cơ của động cơ điện một chiều là những đường thẳng song song

Khi tải không đổi: I const



CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU THYRISTOR HÌNH CẦU BA PHA

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG CHỈNH LƯU - ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT

1.2 Các yêu cầu kĩ thuật của bộ chỉnh lưu

- Giá trị trung bình điện áp ra của bộ chỉnh lưu Ud(Ed) phải đáp ứng được các yêu cầu của tải đó là: phải giữ ổn định cho tải hay phải thay đổi theo tải

-Hệ số san bằng của điện áp ra (Ksb) phải nhỏ hơn giá trị Ksb cho phép trong đó Ksb cho phép là do tải quy định

Ksb < Ksb cho phép-Công suất của bộ chỉnh lưu phải đáp ứng công suất của tải

1.3 Phân loại bộ chỉnh lưu

Dựa vào khả năng điều chỉnh giá trị trung bình điện áp ra của bộ chỉnh lưu Ud(Ed), thiết bị bán dẫn dùng làm van chỉnh lưu và hình dạng của điện áp ra mà ta phân lọai các bộ chỉnh lưu như sau:

1.3.1 Phân loại theo thiết bị dùng làm van chỉnh lưu:

Dựa theo thiết bị dùng làm van chỉnh lưu ta có thể chia bộ chỉnh lưu ra 2 loại sau:

-Chỉnh lưu dùng diod (không điều chỉnh được giá trị điện áp ra)

-Chỉnh lưu dùng Thyristor (điều chỉnh được giá trị điện áp ra)

1.3.2 Phân loại theo dạng sóng điện áp ra:

-Chỉnh lưu 1 pha (1 pha

chu kì) hay sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia

- Chỉnh lưu 6 pha (3 pha

2 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha dùng Thyristor

2.1 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng

2.1.1 Sơ đồ mạch và dạng sóng

2.1.2 Hoạt động của sơ đồ

Giả thiết T5 và T6 đang

cho dòng chảy qua VF= u2c, VG=u2b

Khi    

6

1 cho xung điều khiển mở T1 Thyristor này mở vì u2a>0 sự mở T1 làm cho T5 bị khóa lại một cách tự nhiên vì u2a>u2c Lúc này T6 và T1 cho dòng chạy qua Điện áp trên tải:

Trong một nhóm, khi một

Thyristor mở nó sẽ khóa ngay

Thyristor dẫn dòng trước đó, ta có

bảng tóm tắt sau:

Trị trung bình của điện áp trên tải:

Đường bao phía trên biểu diễn

điện thế của điểm F là vF Đường bao

phía dưới biểu diễn điện thế điểm G là

vG Điện áp trên mạch tải là:

ud=vF-vG là khoảng cách thẳng đứng

giữa 2 đường bao:

2 2

2 6 5

6

U d

Nếu chuyển gốc tọa độ từ 0 sang 1, ta có:

) 6

5 sin(

e a

) 6 sin(

e b

Điện áp ngắn mạch u c e b e a  6U2sin()

Dòng điện ngắn mạch ic được xác định bởi phương trình:

X

U i

Dòng điện chạy trong T1 là i I d i c

2

6

2 ) cos(

6

0 0



2.2 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng

2.2.1 Sơ đồ mạch và dạng sóng

Trong sơ đồ cầu ba pha đối xứng nếu ta thay 3 Thyristor T2, T4, T6 bằng 3 diod D2, D4, D6 ta sẽ được sơ đồ cầu ba pha không đối xứng như sau:

2.2.2 Hoạt động của sơ đồ

Với sơ đồ trên ta có thể coi nó gồm hai khối ba pha hình tia có điều khiển và không điều khiển nối tiếp nhau và hoạt động độc lập với nhau với cùng một phụ tải

Trong khoảng 0 đến 1: T5 và D6 cho dòng tải id=Id chảy qua, T5 đặt điện thế

u2c lên anôt D2

Khi  1 điện thế catôt D2 là u2c bắt đầu nhỏ hơn u2b diod D2 mở dòng tải

id=Id chảy qua T2 và D5, ud=0

Khi  2 cho xung điều khiển mở T1

Trong khoảng 2 đến 3: T1 và D2 cho dòng tải Id chạy qua D2 đặt điện thế

ud2 là thành phần điện áp tải do nhóm anot chung tạo nên

Trị tức thời của điện áp tải: ud = ud1-ud2

Trị trung bình của điện áp tải: Ud = Ud1-Ud2

6 3 sin

2 2

2 6 5

6 1

U d

6 3 sin

2 2

2 6 11

6 7 2

U d

2.3 Bộ biến đổi đảo dòng

2.3.1 Sơ đồ và dạng sóng

2.3.2 Hoạt động của sơ đồ

Sơ đồ gồm 2 bộ biến đổi G1 và G2 đấu song song ngược với nhau và các cuộn kháng cân bằng Lc Từng bộ biến đổi có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu hoặc nghịch lưu

Nếu  là góc mở đối với G1 1,  là góc mở đối với G2 2 thì sự phối hợp giá trị

0

1 U  

U d

0 cos

Khi 1 2  900 U d1 U i2  0 động cơ ở trạng thái dừng

Giả thử cần khởi động cơ quay thuận ta cho uc=uc1

G1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu còn G2 chuẩn bị sẵn sàng làm việc ở chế độ nghịch lưu Nếu bây giờ cần giảm tốc độ động cơ ta cho uc=uc2

Đặc điểm của chế độ đảo dòng đang xét là có một dòng điện lúc thì chạy từ

G1 vào G2, lúc thì chảy từ G2 vào G1 mà không qua mạch tải Người ta gọi đó là dòng điện tuần hoàn

Dòng điện tuần hoàn làm cho máy biến áp và các Thyristor làm việc nặng nề hơn Để hạn chế dòng điện tuần hoàn người ta dùng 4 điện cảm Lc

 Trị trung bình của dòng điện tuần hoàn:

cos 2

6 2

X

U I

3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống chỉnh

lưu-động cơ điện một chiều (hệ T-D)

Sau khi phân tích đánh giá về các sơ đồ

chỉnh lưu, từ các ưu nhược điểm của các sơ đồ

chỉnh lưu, với tải là động cơ điện một chiều có

công suất vừa phải thì sơ đồ chỉnh lưu cầu ba

pha điều khiển đối xứng là hợp lý hơn cả Với sơ

đồ này chúng ta sẽ có điên áp ra với chất lượng

điện áp ra tốt nhất, đồng thời sẽ tránh được sự

lệch tải của máy biến áp

Sơ đồ nguyên lý mạch động lực như sau:

TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ MẠCH ĐỘNG LỰC

1 Tính chọn van động lực

Van động lưc được lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản: dòng tải, sơ đồ đã

chọn, điều kiện tản nhiệt, điện áp làm việc

Ta có các thông số ban đầu của mạch động lực như sau:

Nguồn lưới xoay chiều 3 pha: 220V/380V

Tải là động cơ điện một chiều kích từ độc lập có:

Pđm = 8KW; Uđm = 220V; Iđm = 43,5A; nđm = 1500 vòng/phút;

Các thông số còn lại được tính:

5 , 43 220

10 8

220 ).

1 (

5 ,

U

dm dm

5 , 43 1500 1 2

60 220 25

, 0 2

60







Trong đó   0 , 25 là hệ số lấy cho động cơ có cuộn bù

1.1 Tính chọn tiristor

a Điện áp ngược của van

Với sơ đồ cầu ba pha đối xứng ta có điện áp ngược cực đại đặc lên mỗi van tính theo công thức:

Unmax=K nv.U2f (*)

trong đó U2f là trị hiệu dụng điện áp thứ cấp máy biến áp

Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:

Theo đề ta có Ud=Uđm=220V  Ung max=220

3



=230,383(V)

Để có thể chọn van theo điện áp hợp lý, điện áp ngược của van cần chọn phải lớn hơn điện áp làm việc được tính từ công thức trên qua hệ số dự trử điện áp

K Vậy: U’n max=Ku.Un max=1,8 230,383=414,690(V)

b Điện áp làm làm việc của van:

Dòng làm việc của van được chọn theo dòng điện hiệu dụng của sơ đồ trên (Ilv=Ihd) Dòng điện hiệu dụng được tính:

Ihd=khd.Id

Trong đó: Ihd,Id là dòng điện hiệu dụng của van và dòng điện tải

khd là hệ số xác định dòng hiệu dụng Hệ số này được xác định theo bảng 8.2 (trang 249 sách ĐTCS của tác giả Lê Văn Doanh), ta có

1

k I



Để van bán dẫn có thể làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, phải chọn và thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý Với công suất tải trên, ta chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt và có đủ diện tích tản nhiệt; không có quạt đối lưu không khí Với điều kiện trên thì van được cho phép làm việc tới 40%Iđmv.(với điều kiện làm mát bằng nước thì dòng điện làm việc trên van lên đến 90% Iđmv) Ở đây ta chọn hệ số dự trử dòng điện Kd=4

) ( 459 100 115 , 25 4

SH100DY10 có các thông số sau:

Điện áp ngược cực đaị của van Unmax=300(V)

Dòng điện định mức của van Iđmv=100(A)

Đỉnh xung dòng điện Ipik= 2000(A)

Dòng điện của xung điều khiển Iđk= 150(mA)

Điện áp xung điều khiển Uđk= 2,5(V)

Dòng điện rò Ir= 30(mA)

Sụt áp lớn nhất ở trạng thái dẫn U= 2,57(V)

Tốc độ biến thiên điện áp 200 (V/s)

dt

du



Thời gian chuyển mạch t cm  15 (s)

Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép Tmax = 125 0C

2 Tính toán máy biến áp chỉnh lưu

Chọn máy biến áp ba pha ba trụ sơ đồ đấu dây  /Y , làm mát tự nhiên bằng không khí

 Tính các thông số cơ bản:

1 Điện áp pha sơ cấp MBA:

U1=380(V)

2 Điện áp pha thứ cấp MBA:

Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:

BA dn

v d

cos

2 , 13 0 57 , 2 2 220 cos

2

0 min

V U

U U U



Điện áp pha thứ cấp máy biến áp:

) ( 196 , 109 6

3

420 , 255

2 3

196 , 109

1

2 2

U

U I

phương thức làm mát bằng không khí

m là số trụ của máy biến áp, với mba ba pha ta có m=3

f - tần số dòng điện xoay chiều, f=50 Hz

) ( 914 , 52 50

3

327 , 11666

Chuẩn hóa đường kính trụ theo tiêu chuẩn: d=8 (cm)

9 Chọn loại thép: Để giảm tổn hao sắt trong mạch từ ta chọn lõi thép là các lá tôn silic dày 0,5mm

Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ BT=1(T)

10 Chọn tỷ số m = h/d=2,3(thông thường m=22,5)

h=2,3.d=2,3.8=20 (cm)

Chọn chiều cao trụ h=20 (cm)

 Tính toán dây quấn

11 Số vòng dây mỗi pha sơ cấp mba:

080 , 294 10

1 914 , 52 50 44 , 4

380

44 ,

196 , 109

1 1

13 Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong mba:

Với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô, chọn J1=J2=2,75(A/mm2)

14 Tiết diện dây dẫn sơ cấp mba:

S1= 4 , 78 ( )

75 , 2

14 ,

Chọn dây dẫn hình chữ nhật, cách điện cấp B

Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: S1=4,87(mm2)

Kích thước dây có kể cách điện: S1cđ= a1xb1 = 1,08x4,7 mm

15 Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp

) / ( 70 , 2 87 , 4

14 ,

58 ,

Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: S2=18,90(mm )

Kích thước dây có kể cách điện: S2cđ= a2xb2= 2,24x8,6 mm

17 Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp:

) / ( 57 , 2 9 , 18

58 ,

 Kết cấu dây quấn sơ cấp

Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục

18 Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp

c

k b





trong đó:

kc= 0,95 là hệ số ép chặt;

h - chiều cao trụ;

hg- khoảng cách từ gông đến cuộn sơ cấp Chọn sơ bộ hg=5 mm

49 , 46 95 , 0 47 , 0

1 2 25

47 , 0 46 1