Đồ án Mạch chỉnh lưu ba pha hình tia điều khiển động cơ một chiều AC-DC

Chương 1. Tổng quan về chỉnh 3 ba pha có điều khiển Chương 2. Tính toán và thiết mạch động lực bảo vệ Chương 3. Tính toán mạch điều khiển Chương 4. Tổng quan về động cơ điện một chiều và các phương pháp điều chỉnh tốc độ Chương 5. Vẽ mạch chỉnh lưu ba pha hình tia sử dụng phần mềm ALTIUM DESIGNER

Mục lục

Mở đầu 4

Chương 1 Tổng quan về chỉnh 3 ba pha có điều khiển 5

1.1 Sơ đồ mạch chỉnh lưu ba pha hình tia 5

1.2 Nguyên lý hoạt động của sơ đồ 6

1.3 Tổng quan về Thyristor 7

1.3.1 Cấu tạo 7

1.3.2 Nguyên lý hoạt động 8

1.3.3 Đặc tính Volt - Ampe của Thyristor 9

Chương 2 Tính toán và thiết mạch động lực bảo vệ 10

2.1 Sơ đồ mạch động lực 10

2.2 Nguyên lý hoạt động 10

2.3 Tính toán thiết bị 10

2.3.1 Tính toán chọn THYRISTOR 10

2.3.1.1 Điện áp ngược của van 10

2.3.1.2 Dòng điện làm việc của van 11

2.3.2 Tính toán máy biến áp 12

2.4 Tính toán chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực 13

2.4.1 Giới thiệu 13

2.4.2 Bảo vệ quá dòng cho van 13

2.4.3 Bảo vệ quá điện áp cho van .14

Chương 3 Tính toán mạch điều khiển 16

3.1 Xác định yêu cầu cơ bản 16

3.2 Nguyên tắc điều khiển 16

3.3 Lựa chọn và thiết kế mạch điều khiển 17

3.3.1 Vi mạch TCA 785 17

3.3.2 Sơ đồ 19

3.3.3 Chức năng của các linh kiện 19

3.3.4 Phân tích hoạt động của mạch điều khiển .20

3.4 Tính toán chọn các thông số phần tử mạch điều khiển 21

3.5 Tính toán máy biến áp đồng pha 22

3.6 Tính chọn biến áp xung 23

Chương 4 Tổng quan về động cơ điện một chiều và các phương pháp điều chỉnh tốc độ 24

4.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 24

4.1.1 Khái quát chung 24

4.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều 24

4.2.1 Cấu tạo 24

4.2.2 Nguyên tắc hoạt động 25

4.3 Các phương pháp điều khiển động cơ 1 chiều 26

Chương 5 Vẽ mạch chỉnh lưu ba pha hình tia sử dụng phần mềm ALTIUM DESIGNER 29

5.1 Cài đặt phần mềm Altium và thư viện linh kiện cần thiết 29

5.2 Vẽ mạch sơ đồ nguyên lý 32

5.3 Vẽ mạch in 32

Tài liệu tham khảo 37

Tổng kết 38

Mục lục hình ảnh

Hình 1 1 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia 5

Hình 1 2 Chỉnh lưu tia 3 pha khi ∝=00 6

Hình 1 3 Chỉnh lưu tia 3 pha khi ∝< 300 6

Hình 1 4 Chỉnh lưu tia 3 pha khi ∝> 300 7

Hình 1 5 Sơ đồ cấu tạo Thyristor 8

Hình 1 6 Kí hiệu Thyristor 8

Hình 1 7 Đồ thị biểu diễn đường đặc tính Volt - Ampe của Thyristor 9

Hình 2 1 Sơ đồ tổng quát mạch động lực 10

Hình 2 2 Mạch R-C bảo vệ qúa điện áp do chuyển mạch 14

Hình 2 3 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực 15

Hình 3 1 Sơ đồ chân ICA 785 17

Hình 3 2 Sơ đồ vi mạch TCA 785 17

Hình 3 3 Sơ đồ một pha khâu khuếch đại xung 19

Hình 3 4 Sơ đồ một pha điều khiển Thyristor 20

Hình 3 5 Sơ đồ của hệ thống 23

Hình 4 1 Cấu tạo của động cơ một chiều 24

Hình 4 2 Pha 1 25

Hình 4 3 Pha 2 25

Hình 4 4 pha 3 26

Hình 5 1 Cài đặt thư viện bằng wed Snapeda 29

Hình 5 2 Cài đặt thư viện bằng trang Component Search Engine 31

Hình 5 3 Sơ đồ nguyên lý 32

Hình 5 4 Thay đổi thông số Cleareance 33

Hình 5 5 Chọn kích thước dây 33

Hình 5 6 Sơ đồ 2D sau khi đi dây 34

Hình 5 7 Phủ đồng Top Layer 35

Hình 5 8 Phủ đồng Bottom layer 35

Hình 5 9 Mặt trước của mạch chỉnh lưu 36

Hình 5 10 Mặt sau của mặt chỉnh lưu 36

Mở đầu

Trong mọi thời đại, đặc biệt là thời đại kinh tế tri thức ngày nay, lao động chân tay đang dần được thay thế bằng các thiết bị máy móc tiên tiến, hiện đại Để có được các thiết bị trên thì đội ngũ tri thức chính là lực lượng nòng cốt, sáng tạo và trở thành nguồn lực đặc biệt quan trọng trong chiến lược phát triển, tạo nên sức mạnh của mỗi quốc gia Vì con người, với tất cả những năng lực sáng tạo và phẩm chất tích cực của mình sẽ trở thành động lực phát triển cho công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa

Đối với mọi quốc gia nói chung và nước ta nói riêng thì những nghành đóng vai trò then chốt của nền kinh tế nước ta là: Điện, Than, Dầu Khí và ngành công nghiệp tự động hóa không nằm ngoài chiến lược phát triển kinh tế Công nghiệp tự động hóa các ngành nghề, đồng thời góp phần thúc đẩy quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, xây dựng cơ sở hạ tầng phục vụ dân sinh

Để nâng cao chất lượng sản phẩm, số lượng sản phẩm cũng như hỗ trợ cho con người những công việc phức tạp, ngành công nghiệp tự động hóa đã ra đời và mang lại những hiệu quả rất cao đáp ứng hoàn toàn những yêu cầu đó của con người

Tự động hóa là một lĩnh vực đã được hình thành và phát triển rộng lớn trên phạm vi toàn thế giới, nó đem lại một phần không nhỏ cho việc tạo ra các sản phẩm có chất lượng và độ phức tạp cao phục vụ nhu cầu thiết yếu cho cuộc sống Ở nước ta lĩnh vực tự động hóa đã được Đảng và nhà nước quan tâm và đầu tư rất lớn, cũng với các lĩnh vực công nghiệp chuyển dịch nền kinh tế theo định hướng công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước

Trong giới hạn đồ án II vận dụng các linh kiện điện tử đơn giản và các phương

pháp điều khiển được học Em được giao nhiệm vụ “Thiết kế chế tạo bộ chỉnh lưu tia ba pha điều khiển động cơ một chiều “

Nội dung đề tài bao gồm các chương:

❖ Chương 1 Tổng quan về chỉnh 3 ba pha có điều khiển

❖ Chương 2 Tính toán và thiết mạch động lực bảo vệ

❖ Chương 3 Tính toán mạch điều khiển

❖ Chương 4 Tổng quan về động cơ điện một chiều và các phương pháp điều chỉnh tốc độ

❖ Chương 5 Vẽ mạch chỉnh lưu ba pha hình tia sử dụng phần mềm ALTIUM DESIGNER

Chương 1 Tổng quan về chỉnh 3 ba pha có điều khiển

1.1 Sơ đồ mạch chỉnh lưu ba pha hình tia

Hình 1 1 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia

Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha:

+) Gồm một máy biến áp ba pha có thứ cấp nối sao có trung tính và ba pha thyristor nối với tải như hình 2.1

Điều kiện khi cấp xung điều khiển chỉnh lưu:

+) Thời điểm cấp xung điện áp tương ứng phải dương hơn so với trung tính +) Nếu có các thyristor khác đang dẫn thì điện áp pha tương ứng phải dương

so với pha kia, vì thế cần phải xét thời gian cấp xung đầu tiên

+) Do nguồn điện áp ba pha Ua, Ub, Uc lệch pha 120o, do đó tại từng thời điểm mỗi pha có điện áp dương hơn hai pha kia trong khoảng 120o

Góc mờ tự nhiên:

+) Trong các sơ đồ chỉnh lưu ba pha, góc mở thyristor phải được tính từ giao điểm hai đường cong điện áp pha Như vậy nếu xung điều khiển phát trước giao điểm các đường cong điện áp ta sẽ thu được điện áp gián đoạn, vì thế trong chỉnh

lưu hình tia ba pha, góc mở nhỏ nhất  = 0o để điện áp chỉnh lưu cực đại tại giao điểm hai đường cong điện áp

1.2 Nguyên lý hoạt động của sơ đồ

+) Khi góc  = 00

Các thyristor được cấp xung điều khiển ngay tại giao điểm các điện áp pha Điện áp chỉnh lưu sẽ cực đại bằng 2U, còn điện áp ngược cực đại khi thyristor vị khóa bằng - 3U 2

Hình 1 2 C hỉnh lưu tia 3 pha khi ∝=0 0

Giá trị trung bình của điện áp tải:

Hình 1 4 C hỉnh lưu tia 3 pha khi ∝> 30 0

Giá trị trung bình của điện áp tải:

Giải pháp là có thể làm mát hoặc bù điện áp vào để điện áp ra như mong muốn

1.3 Tổng quan về Thyristor

1.3.1 Cấu tạo

Thyristor dụng cụ bán dẫn gồm 4 lớp bán dẫn loại P và N ghép xen kẽ nhau

và có ba cực anot, katot và cực điều khiển riêng G

Hình 1 5 Sơ đồ cấu tạo Thyristor

Kí hiệu:

Hình 1 6 Kí hiệu Thyristor 1.3.2 Nguyên lý hoạt động

Khi Thyristor được nối với nguồn một chiều E > 0 tức cực dương đặt vào anot cực âm đặt vào catot, thì tiếp giáp J1, J3 được phần cực thuận còn miền J2 phân cực ngược, gần như toàn bộ điện áp được đặt lên mặt ghét J2, điện trường tại E1 của J2

có chiều từ N1 hướng tới P2 Điện trường ngoài tác động cùng chiều với E1, vùng chuyển tiếp là vùng cách điện càng được mở rộng ra, không có dòng điện chạy qua tiristor mặc dù nó được đặt dưới một điện áp dương

+) Mở Thyristor

Khi được phân cực thuận, Uak>0, thyristor có thể mở bằng hai cách:

Thứ nhất, có thể tăng điện áp anode-cathode cho đến khi đạt đến giá trị điện

áp thuận lớn nhất, Uth max Điện trở tương đương trong mạch anode-cathode sẽ giảm đột ngột và dòng qua thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định Phương pháp này trong thực tế không được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn

và không phải lúc nào cũng tăng được điện áp đến giá trị Uth max Hơn nữa như vậy xảy ra trường hợp thyristor tự mở ra dưới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước

Phương pháp thứ hai, được áp dụng trong thực tế, là đưa một xung dòng điện

có giá trị nhất định vào các cực điều khiển và cathode Xung dòng điện điều khiển

sẽ chuyển trạng thái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện

áp anode-cathode nhỏ Khi đó nếu dòng qua anode-cathode lớn hơn một giá trị nhất định gọi là dòng duy trì (Idt) thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển Điều này nghĩa là có thể điều khiển mở các thyristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ so với công suất của mạch lực mà thyristor

là một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện

1.3.3 Đặc tính Volt - Ampe của Thyristor

Hình 1 7 Đồ thị biểu diễn đường đặc tính Volt - Ampe của Thyristor

Đoạn 1: Ứng với trạng thái khoá của Thyristor, chỉ có dòng điện rò chảy qua Thyristor khi tăng U lên đến Uch (điện áp chuyển trạng thái), bắt đầu quá trình tăng nhanh chống của dòng điện Thyristor chuyển sang trạng thái mở

Đoạn 2: Ứng với giai đoạn phân cực thuận của J2 Trong giai đoạn này mỗi lượng tăng nhỏ của dòng điện ứng với lượng giảm lớn của điện áp đặt lên Thyristor, đoạn này gọi là đoạn điện trở âm

Đoạn 3: Ứng với trạng thái mở của Thyristor Khi này cả 3 mặt ghép đã trở thàng đẫn điện Dòng chảy qua Thyristor chỉ còn bị hạn chế bởi điện trở mạch ngoài Điện

áp rãi trên Thyristor rất lớn khoảng 1V Thyristor được giử ở trạng thái mở chừng nào I còn lớn hơn dòng duy trì IH

Đoạn 4: Ứng với trạng thái Thyristor bị đặt dưới điện áp ngược Dòng điện rất lớn, khoảng vài chục mA Nếu tăng U đên Ung thì dòng điện ngược tăng lên nhanh chống, mặt ghép bị chọc thủng, Thyristor bị hỏng Bằng cách cho Ig lớn hơn 0 sẽ nhận được đặt tính Volt - Ampe với các Uch nhỏ dần đi

Chương 2 Tính toán và thiết mạch động lực bảo vệ

+) Trong bộ biến đổ Thyristor: máy biến áp có nhiệm vụ biến đổi điện áp lưới cho phù hợp với điện áp cung cấp cho động cơ, tạo điểm trung tính, tạo pha cho chỉnh lưu nhiều pha, hạn chế biên độ dòng ngắn mạch, hạn chế tốc độ tăng dòng điện di/dt

(hiện tượng thác) nhằm bảo vệ van

+) Bộ lọc gồm tụ điện và cuộn khánh nhằm lọc những thành phần sóng hài bậc cao

+) Ud: điện áp tải của van

+) U2: điện áp nguồn xoay chiều của van

2.3.1.2 Dòng điện làm việc của van

Dòng điện làm việc của van được chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua van: I1v=Ihd

Dòng điện hiệu dụng Ihd= khd.Id = 0,58.59,5=34,51(A)

+) Dòng điện định mức của van: Iđm=60 A

+) Điện áp ngược cực đại của van: Unv= 1000 V

+) Đỉnh xung dòng định: Ipik= 1400 A

+) Điện áp của xung điều khiển: Uđk= 1,4 V

+) Dòng điện của xung điều khiển: Iđk= 150 mA

+) Dòng điện rò: Ir=25 mA

+) Độ sụt áp trên van U=1,8 V

+) Tốc độ biến thiên điện áp 𝑑𝑢

𝑑𝑡 = 1000 𝑉/𝑠 +) Thời gian chuyển mạch: tcm=180𝜇s

+) Nhiệt độ làm việc cho phép: Tmax=125oC

2.3.2 Tính toán máy biến áp

Ta chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ, có sơ đồ đấu nối dây ∆/𝑌, làm mát tự nhiên bằng không khí

Thông số cơ bản:

Điện áp pha sơ cấp máy biến áp: U1=380 V

Điện áp pha thứ cấp máy biến áp:

Phương trình cân bằng điện áp khi có không tải:

Udo.Cos𝛼min = Ud + 2∆Uv + ∆Udn +∆Uba

Trong đó:

+) Ud điện áp chỉnh lưu

𝛼min = 10o góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới

2∆Uv = 1,8 V : sụt áp trên Thyristor

∆Udn ≈0 : sụt áp trên dây nối

+) ∆Uba : Sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp

Chọn sơ bộ:

∆Uba= 5%.Ud= 5%.220=11V

 Ud0=Ud + 2∆Uv + ∆Udn +∆Uba

Cos𝛼min =220+2.1,8+0+11

𝑐𝑜𝑠10 =238,22 (V) Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp:

Do đó cần phải bảo vệ các Thyristor, cần phải làm đúng các tỉ số giới hạn sử dụng do nhà chế tạo đã định với từng phần tử gồm:

+) Điện áp ngược lớn nhất

+) Giá trị trung bình lớn nhất đối với dòng điện

+) Nhiệt độ lớn nhất đối với thiết bị điện

+) Tốc độ tăng lớn nhất của dòng điện di/dt

+) Thời gian khóa toff

+) Thời gian khóa ton

+) Dòng điện khích thích

+) Điện áp kích

Các phần tử dán dẫn công suất được bảo vệ chống nhiều sự cố bất ngờ xảy ra gây nhiễu loạn nguy hiểm như: ngắn mạch tải, quá điện áp và quá dòng điện

2.4.2 Bảo vệ quá dòng cho van

- Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động cắt mạch khi quá tải và ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đồi, ngắn mạch thứ cấp MBA ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu

- Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn khi sử dụng hệ thống truyền động và dùng để đóng cắt nguồn chỉnh lưu khi khoảng cách từ nguồn tới bộ chỉnh lưu đáng

kể

- Cầu chì tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Thyristor, ngắn mạch đầu

ra các bộ chỉnh lưu

2.4.3 Bảo vệ quá điện áp cho van

Bảo vệ quá điện áp cho quá trình đóng cắt Thyristor được thực hiện bằng cách mắc R-C song song với Thyristor Khi có sự chuyển mạch, các điện tích được tích

tụ trong lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng diện ngược gây ra suất điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa Anot và Katot của thyristor

Khi có mạch R-C mắc song song với Thyristor tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Thyristor không bị quá điện áp Tụ điện đóng vai trò lưu giữ điện tích và điện trở cung cấp đường phóng điện Khi Thyristor đóng

tụ điện sẽ sạc qua điện trở, khi Thyristor mở tụ điện sẽ phóng qua điện trở xuống Thyristor

Theo tài liệu: R = 5.1 Ω ; C = 0,25  F

Hình 2 2 Mạch R-C bảo vệ qúa điện áp do chuyển mạch

Bảo vệ xung điều khiển từ điện lưới ta mắc mạch R-C nhờ có mạch lọc này

mà đỉnh xung gần như nằm lại trên điện trở đường dây

Chọn: R = 12.5 Ω ; C = 4  F

Hình 2 3 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực

Chương 3 Tính toán mạch điều khiển

3.1 Xác định yêu cầu cơ bản

Mạch điều khiển đc tính xuất phát từ yêu cầu về mở xung Thyristor Các thông

số cơ bản để tính mạch điều khiển

+) Điện áp điều khiển Thyristor: Uđk = 1,4 V

+) Dòng điện điều khiển Thyristor: Iđk=150 mA

+) Thời gian mở Thyristor: Tm= 180𝜇s

+) Độ rộng xung điều khiển tx=2.tm=2.180=360 𝜇s

+) Tần số xung điều khiển fx= 3 kHz

+) Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U= ±18 V

+) Mức sụt điện áp: sx=0,15

Góc thông mở tự nhiên của mạch chỉnh lưu ba pha hình tia dịch pha so với điện áp pha một góc là 300 (nếu lệch mở Thyristor trước thời điểm góc thông mở tự nhiên này thì Thyristor không dẫn, vì Thyritor pha trước đó đang dẫn, điện áp còn đang dương hơn) Do đó, điện áp tựa làm nền đưa vào để mở Thyristor cũng cần dịch pha 1 góc 300 Để dịch pha điện áo đồng pha đi một góc 300 cần nối biến áp đồng pha có sơ cấp nối tam giác Khi đó điện áp thứ cấp mỗi pha biến áp trùng pha với điện áp dây (điện áp dây dịch pha so cới điện áp một góc là 300)

3.2 Nguyên tắc điều khiển



Ta lấy Uđkmax=Usmax

+) Để tạo thành 1 mạch điều khiển thường sử dụng các linh kiện: biến áp, biến áp xung, vi mạch TCA 785, transistor, diode, diode zener, điện trở, tụ điện, …

3.3 Lựa chọn và thiết kế mạch điều khiển

3.3.1 Vi mạch TCA 785

Hình 3 1 Sơ đồ chân ICA 785

IC điều khiển pha này nhằm điều khiển các thyristor, triac và transistor Các xung kích hoạt có thể được dịch chuyển trong một góc pha từ 0 ˚ đến 180 ˚ Các ứng dụng điển hình bao gồm mạch chuyển đổi, bộ điều khiển xoay chiều và bộ điều khiển dòng điện ba pha

Sơ đồ vi mạch TCA 785

Hình 3 2 Sơ đồ vi mạch TCA 785

Vi mạch TCA 785 còn được gọi là công tắc ngưỡng

Được bán rộng rãi trên thị trường, vi mạch này do hãng siemens chế tạo, được

sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiết bị điều chỉnh dòng điện xoạy chiều

TCA 785 là vị mạch phức hợp thực hiện 4 chức năng của 1 mạch điều khiển: +) Điện áp đồng bộ

+) Tạo điện áp răng cưa đồng bộ

+ Điện trở trong mạch tạo điện áp răng cưa: R9=20k -500k

+ Điện áp điều khiển U11 = 18 V

+ Dòng điện đồng bộ: Is = 200 𝜇𝐴

+ Tụ điện: C10 = 0,5𝜇𝐹

+ Tần số xung ra: f = 10-500Hz

Khâu khuếch đại xung

- Xung ra trên vi mạch TCA 785 chưa đủ lớn để có thể mở Thyristor, do đó cần khuếch đại xung có biên độ đủ lớn để có thể Thyristor động lực

- Khuếch đại tạo xung gồm linh kiện như: transistor, biến áp xung, diot và các điện trở phân cực cho tranzit

3.3.2 Sơ đồ

Hình 3 3 Sơ đồ một pha khâu khuếch đại xung

3.3.3 Chức năng của các linh kiện

+ Dz1: ổn áp, ổn định điện áp đầu vào cho khâu khuếch đại

+ D3: hướng dòng cấp cho transistor

+ D2, Dz2: Hạn chế quá điện áp trên cực C và E của transistor

+ R1, R2: như cầu phân áp để điều chỉnh điện áp đi vào transistor và hạn chế dòng phân cực IB của transistor

+ R3: hạn chế dòng vào Collector

+ D1: ngăn chặn xung áp âm có thể khi T bị khóa

+ R8: hạn chế dòng điều khiển