Đồ án thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập

LỜI NÓI ĐẦU Trong công cuộc đổi mới công nghệp hóa hiện đại hóa đất nước, vấn đề ápdụng khoa học kĩ thuật vào các quy trình sản xuất là vấn đề cấp bách hàng đầu.Cùng với sự phát triển củ

Trường đ i h c bách khoa Hà N iạ ọ ộ

.

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

CHƯƠNG I: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ VÀ PHÂN TÍCH 3

1.1 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập 3

1.2 Bộ chỉnh lưu 7

CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN MẠCH LỰC 9

2.1 Chọn mạch động lực 9

2.2 Tính toán máy biến áp động lực 11

2.2.1 Tính toán điện áp chỉnh lưu không tải 11

2.2.2 Tính toán thông sô máy biến áp 12

2.3 Tính chọn các thông số cơ bản của mạch lực 12

2.3.1 Chọn van động lực 12

2.3.2 Chọn thyristor 13

2.3.3 Bảo vệ quá điện áp cho van 13

2.4 Xác định phạm vi góc điều khiển 13

2.5 Chọn động cơ 14

CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 14

3.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển Thyristor 14

3.2 Cấu trúc mạch điều khiển 16

3.3 Khâu đồng bộ 16

3.4 Khâu tạo răng cưa 17

3.5 Khâu so sánh 18

3.6 Khâu tạo xung chùm 20

3.7 Khâu khuếch đại tạo xung 21

CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM 22

4.1 Mô phỏng trên proteus 22

4.2 Mô phỏng trên Matlab 25

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

LỜI NÓI ĐẦU Trong công cuộc đổi mới công nghệp hóa hiện đại hóa đất nước, vấn đề ápdụng khoa học kĩ thuật vào các quy trình sản xuất là vấn đề cấp bách hàng đầu.Cùng với sự phát triển của một số ngành như điện tử, công nghệ thông tin……ngành tự động hóa công nghiệp cũng đã phát triển vượt bậc Tự động hóa các quytrình sản xuất đang rất phổ biến, có thể thay thế sức lao động con người, đem lạinăng suất cao, chất lượng sản phẩm tốt.

Hiện nay, các hệ thống dây chuyền tự động trong các nhà máy, xí nghiệp được

sử dụng rất rộng rãi, vận hành có độ tin cậy cao Vấn đề quan trọng trong các dâychuyền sản xuất là điều chỉnh tốc độ động cơ, để nâng cao năng xuất.Với hệ truyềnđộng điện một chiều được ứng dụng nhiều trong các yêu cầu điều chỉnh cao, cùngvới sự phát triển không ngừng của kỹ thuật điện tử và kỹ thuật vi điện tử Hệtruyền động một chiều điều chỉnh đồng thời điện áp phần ứng động cơ và từ thông

đã trở thành giải pháp tốt cho các hệ thống có yêu cầu chất lượng cao

Cùng với sự phát triển của ngành điện tử công suất ứng dụng động cơ điện mộtchiều và công nghiệp là hết sức quan trọng Việc sử dụng động cơ 1 chiều vớinhiều mục đích như để đảm bảo yêu cầu công nghệ của phụ tải Để hiểu rõ đượcvai trò của hệ truyền động điện, điện tử công suất và động cơ điện 1 chiều thôngqua môn đồ án II này, được sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Danh Huy với nội dungchính của đề tài:

Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập,điều chỉnh động cơ, có bảo vệ mất kích từ

Công suất định mức (kW) Điện áp định mức(V) Dải điều chỉnh Nguồn cấp

Em xin chân thành cảm ơn sự tận tình giúp đỡ của thầy Nguyễn Danh Huy đã

Trường đ i h c bách khoa Hà N iạ ọ ộ

LÊ VĂN NAM

CHƯƠNG I: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ VÀ PHÂN TÍCH.

1.1 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập

1.1.1 Động cơ một chiều kích từ độc lâp

1.1.1.1 Động cơ một chiều kích từ độc lập gồm 2 phần chính là roto và stato

- Phần stator (phần tĩnh): đó là phần đứng yên của máy, gồm các bộ phần như

cực từ chính, cực từ phụ, gông từ, chổi than , nắp máy

+ Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường gồm lõi sắt cực từ và dây quấnkích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ được tạo thành từ những láthép kĩ thuật điện hay thép cacbon tán chặt Dây quấn kích từ được quấnbằng dây dồng bọc cách điện

+Cực từ phụ: cực từ phụ là cực từ đặt giữa các cực từ chính Lõi thép cảucực từ phụ được làm bằng thép khối

+ Gông từ: gông từ là mạch từ dùng để nối liền các cực từ, đồng thời là vỏmáy

- Phần roto (phần động) : là phần chuyển động của động cơ, bao gồm lõi sắt

dây quấn, cổ góp và một số bộ phận khác

+ Lõi sắt phần ứng: là lõi sắt dùng để dẫn từ, được làm từ những tấm thép

kĩ thuật điện, có phủ lớp cách điện mỏng giữa hai mặt

+ Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra suất điện động và có dòng chạy qua.Dây quấn được làm bằng dây đồng có bọc cách điện

+ Cổ góp: hay gọi là vành góp dùng để đổi dòng xoay chiều thành dòngmột chiều

1.1.1.2 Nguyên lí làm việc:

- Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần

ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc nàyđộng cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập

Trường đ i h c bách khoa Hà N iạ ọ ộ

Hình 1.1: Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập

- Để tiến hành mở máy, đặt mạch kích từ vào nguồn Ukt, dây quấn kích từ sinh

ra từ thông Φ.Trong tất cả các trường hợp, khi mở máy bao giờ cũng phải

đảm bảo có Φmax tức là phải giảm điện trở của mạch kích từ Rkt đến nhỏ nhất

có thể Cũng cần đảm bảo không xảy ra đứt mạch kích thích vì khi đó Φ= 0,

M = 0, động cơ sẽ không quay được, do đó Eư =0 và theo biểu thức U = Eư +

RưIư thì dòng điện Iư sẽ rất sớm làm cháy động cơ Nếu momen do động cơđiện sinh ra lớn hơn momen cản, roto bắt đầu quay và suất điện động Eư sẽtăng lên tỉ lệ với tốc độ quay n Do sự xuất hiện và tăng lên của Eư, dòngđiện Iư sẽ giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm hơn Tăng dần Iư bằng cáchtăng Uư hoặc giảm điện trở mạch điện phần ứng cho tới khi máy đạt tốc độđịnh mức Trong quá trình tăng Iư cần chú ý không để lớn quá so với Iđmđểkhông xảy ra cháy động cơ

1.1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ:

1.1.2.1 Phương pháp thay đổi điện trở phụ

- Phương pháp này người ta thường áp dụng để hạn chế dòng điện khởi động

và điều khiển tốc độ động cơ dưới tốc độ cơ bản Tuy vậy nhương phươngpháp này điều khiển tốc độ không triệt để

Hình 1.2: Đặc tính điều chỉnh động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ.

1.1.2.2 Phương pháp thay đổi từ thông

- Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh

mômen điện từ của động cơ M = K.Φ.Iư và sức điện động quay của động cơ

E ư = K.Φ.ω Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến nên hệ điều chỉnh

từ thông cũng là hệ phi tuyến:

i k = + ωk

Trong đó rk– điện trở dây quấn kích thích

Thường khi điều chỉnh điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trịđịnh mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính

là đặc tính có điện áp phần ứng định mức, từ thông định mức và được gọi làđặc tính cơ bản

Trường đ i h c bách khoa Hà N iạ ọ ộ

Hình 1.3:Đặc tính điều chỉnh động cơ bằng cách thay đổi từ thông

Vì βΦ = nên độ cứng đặc tính cơ giảm rất nhanh khi ta giảm từ thông

để tăng tốc độ cho động cơ

1.1.2.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

- Khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ

song song với đặc tính cơ tự nhiên

Hình 1.4: Đặc tính điều chỉnh động cơ bằng thay đổi điện áp

- Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp ( giảm áp ) thì mômen ngắn mạch, dòng

điện ngắn mạch giảm và tốcđộ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhấtđịnh Do đó phương pháp này cũng được dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ

và hạn chế dòng điện khi khởi động

1.2 Bộ chỉnh lưu.

1.2.1 Mạch chỉnh lưu tia ba pha

Hình 1.6: Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha

Nhận xét: Chỉnh lưu tia ba pha cần có biến áp nguồn để đưa điểm trung tính

ra tải Công suất máy biến áp này hơn công suất một chiều 1,35 lần, tuynhiên sụt áp trên mạch van nhỏ nên thích hợp trong phạm vi điện áp thấp Vì

sử dụng nguồn ba pha nên cho phép nâng công suất tải lên nhiều Mặt khác

độ đập mạch ra sau chỉnh lưu cũng giảm đáng kể nên kích thước bộ lọc cũngnhỏ đi nhiều

1.2.2 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha

R1

L1 T3

T2 T1

Trường đ i h c bách khoa Hà N iạ ọ ộ

Hình 1.1: sơ đồ dạng sóng của chỉnh lưu cầu 3 pha

- Các van nhóm lẻ thay nhau dẫn cho điện áp ở điểm katốt chung UKC,các vannhóm chẵn thay nhau dẫn cho điện áp ở điểm anốt chung UAC

- Công thức:

- Nhận xét: chỉnh lưu cầu ba phalàloại được sử dụng rộng rãi nhất vì ưu điểm

lớn hơn cả Nó cho phép đấu thẳng vào điện lưới 3 pha, độ đập mạch nhỏhơn 5% Nếu có sử dụng máy biến áp thì gây méo lưới điện ít hơn các loạikhác Đồng thời công suất mạch chỉnh lưu này có thể lớn đến hang trăm kW.Nhược điểm là sụt áp trên van lớn gấp đôi so với sụt áp trên van của sơ đồhình tia

- Chọn mạch van:

Theo đề bài Pd = 30 (kW), Udm =440 V

Pd = 30 > 5 (kW) ta nên chọn sơ đồ ba pha

Udm cao nên ta nên chọn sơ đồ cầu

 Như vậy: Ta sẽ chọn mạch lực là chỉnh lưu sơ đồ cầu 3 pha có điều khiển

CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN MẠCH LỰC

Trường đ i h c bách khoa Hà N iạ ọ ộ

Hình 2.1: Sơ đồ mạch lực

2.2 Tính toán máy biến áp động lực.

 Chọn máy biến áp ba pha sơ đồ đấu dây Y/Y0, làm mát bằng không khí tựnhiên

2.2.1 Tính toán điện áp chỉnh lưu không tải

Udo = Ud,kt = Ud + Uv+ UR+ UX

Trong đó: Ud :Điện áp chỉnh lưu yêu cầu

Uv: sụt áp trên van

UR : sụt áp trên điện trở thuần

UX: sụt áp gây bởi hiện tượng chuyển mạch

Chọn sụt áp tương đối trên điện trở dây cuốn: eR =4%

Sụt áp tương đối trên điện kháng tản: eX = 7%

Sụt áp trên điện trở là:

Sụt áp chuyển mạch là:

- Giá trị dòng hiệu dụng thứ cấp MBA: I2 = 0,816 Id = 51,02 (A).

- Giá trị dòng hiệu dụng sơ cấp MBA : I1 = I2 / kba = 32,396 (A)

2.3 Tính chọn các thông số cơ bản của mạch lực

2.3.1 Chọn van động lực

- Dòng trung bình qua van là: Iv = Id /3 =20,84 (A)

- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van, tính tới trường hợp điện áp nguồn lên caonhất (hơn 10% định mức ) là:

Giả sử điều kiện làm mát tự nhiên, van gắn lên tản nhiệt:

Chọn van có dòng cho phép ít nhất là: 62,53 (V)

Van chọn có hệ số dự trữ quá điện áp ku =2

Tức Umax> 2Ung.max =2* 552,38 = 1104,72(V)

2.3.2 Chọn thyristor

Với các thông số về dòng và áp ta chọn Thyristor T10_80 ( theo bảng 2.2.1 trang

429 sách hướng dẫn thiết kế điện tử công suất ), có các thông số sau:

- Dòng trung bình tối đa cho phép qua van: Itb = 80(A)

- Dòng điện đỉnh: Iđỉnh = 1200(A)

- Dòng điện rò khi van ở trạng thái khóa: Irò = 6(A)

- Điện áp tối đa mà van chịu được: Umax =1200(V)

- Tốc độ tăng điện áp thuận max: du / dt = 1000(V/s)

- Thời gian phục hồi tính chất khóa của van: tph = 100(s)

- Giá trị tốc độ tăng dòng: di / dt = 150(A/s)

- Sụt áp thuận cho van: U = 2,7 (V)

- Dòng điều khiển: Iđk = 150(mV)

- Điện áp điều khiển nhỏ nhất đám bảo mở van: U = 4(V)

2.3.3 Bảo vệ quá điện áp cho van.

Bảo vệ quá điện áp do trong quá trình đóng cắt các thyristor được bảo vệ bằngcách mắc R- C song song với thyristor Khi có sự chuyển mạch, các điện tích tụtrong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo dòng điện ngược trong khoảng thờigian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện tạo ra suất điện động cảmứng rất lớn trong các điện cảm, làm cho quá điện áp giữa anot và katot trênthyristor Khi có R-C mắc song song với thyristor tạo ra mạch vòng phòng điệntích trong quá trình chuyển mạch nên thyristor không bị quá điện áp

Ta chọn thông số R1 và C1 như sau: R1 = 5 – 30 ()

C1 = 0,25 - 4 ()

2.4 Xác định phạm vi góc điều khiển

- Chọn góc mở cực tiểu : với góc mở này là góc dự trữ ta có thể bù được sựgiảm điện áp lưới

- Khi góc mở nhỏ nhất thì điện áp trên tải là max

- Khi góc mở lớn nhất thì điện áp trên tải là min

- Từ đó ta có:

Trường đ i h c bách khoa Hà N iạ ọ ộ

3.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển Thyristor

Thyristor chỉ được mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp dương đặt lêncực anode và có xung điện áp dương đặt vào cực điều khiển, sau khi Thyristor đã

mở thì xung điều khiển không còn tác dụng nữa, dòng điện chạy qua Thyristor dothông số của mạch động lực quyết định và Thyristor sẽ khóa khi dòng điện chạyqua nó bằng 0, muốn mở lại ta phải cấp xung điều khiển lại

Do đó, với điện áp hình sin, tùy thuộc vào thời điểm cấp xung điều khiển mà

ta có thể khống chế được dòng điện Thyristor Để thực hiện được các đặc điểm này

ta có thể dùng 2 nguyên tắc sau:

- Nguyên tắc điều khiển ngang

- Nguyên tắc điều khiển dọc

Hiện nay điều khiển Thyristor trong sơ đồ chỉnh lưu, người ta thường dùngnguyên tắc điều khiển dọc, nên em sử dụng phương pháp này để thiết kế mạch điềukhiển

Nội dung của phương pháp này:

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển ngang

Sơ đồ cấu trúc và đồ thị minh họa như hình Ở đây, Utựa tạo ra điện áp tựa có dạng

cố định( thường là dạng răng cưa), theo chu kì do nhịp đồng bộ của Udb Khâu sosánh SS xác định điểm cân bằng của hai điện áp Utựa và Uđk để phát động khâu tạoxung TX Như vậy trong nguyên tắc này thời điểm phát xung hay góc mở van thayđổi do sự thay đổi của trị số Uđk

Hình 3.2: hình minh họa.

3.2 Cấu trúc mạch điều khiển

Mạch điều khiển bao gồm các khâu cơ bản sau:

Trường đ i h c bách khoa Hà N iạ ọ ộ

3.3 Khâu đồng bộ

- Chọn mạch đồng bộ hai nữa chu kì:

Hình 3.4: Sơ đồ mạch đồng pha

Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kì có điểm giữa dùng điôt D1, D2 và tải cho chỉnh lưu

là điện trở R0 Điện áp chỉnh lưu Ucl sau khi được tạo ra thì đưa tới cực (+) củaOpam để so sánh với 0 ( vì cực ( - ) của opam nối đất )

Nếu Ucl > 0 thì Udb bằng điện áp bão hòa (Ubh)

Nếu Ucl > 0 thì Udb bằng điện áp bão hòa âm (-Ubh)

Điểm giao nhau của Ucl và 0 là điểm chuyển trạng thái của điện áp ra

Dạng điện áp ra được mô phỏng trên phần mềm proteus

3.4 Khâu tạo răng cưa

Hình 3.5: Mạch tạo răng cưa.

- Hoạt động:

+ Khi Udb< 0 thì D3 dẫn ; Do

UR4 = Udb Udb = UC1

Khi Cnạp đạt đến ngưỡng của điôt ốn áp Dz thì nó thông giữ điện áp ra ở vị trị

số ổn áp này ( nếu không có Dz UC tăng đến +Udb )

+ Khi Udb > 0 thì D3 khóa Tụ được phóng UC giảm đến 0 và Dz giữ UC ở giá trị

- 0,7

- Tính toán:

Trường đ i h c bách khoa Hà N iạ ọ ộ Chọn tụ C = 220 (nF).

Chọn R6 = 51k nối tiếp biến trở P1 = 8k

- Ta sử dụng phần tử OA vì cho phép đảm bảo độ chính xác cao nhất là dùng

OA chuyên dụng coparator, có giá thành hạ, không cần chỉnh định phức tạp

- So sánh dùng OA kiểu hai cửa:

Hình 3.6: Mạch so sánh

Hai điện áp cần so sánh được đưa tới hai cực khác nhau của OA.

Trong trường hợp trên Uđk= U+, Utựa = U –

Dạng xung so sánh được mô phỏng tròn phần mềm Proteus

3.6 Khâu tạo xung chùm

- Để tạo được xung chùm ta tạo xung dao động rồi cho kết hợp với xungđồng pha

- Tạo dao động xung: ta dùng Opam tạo xung dao động , Opam được sử dụngnhư bộ so sánh hai cửa

- Để kết hợp giữa dao đông xung và xung đồng pha ta dùng cổng AND

Trường đ i h c bách khoa Hà N iạ ọ ộ

Hình 3.7: Mạch tạo xung chùm

- Hoạt động của mạch dao động xung:

+ Tụ C liên tục được phóng – nạp làm cho Opam đảo trạng thái, mỗi lầnđiện áp trị số của bộ chia điện áp R1, R2

+ Tổng trở bộ phân áp ( R1 + R2) 20 (k)

+ Dùng tần số cao để tạo xung ( fxc = 6 – 12 kHz )

- Chọn thông số mạch dao động xung:

Mạch tạo xung chùm có tần số:

Chọn C 10 (nF) , R1 = 5 (k) , R2 = 15 (k) , R3=10 (k)

Chọn loại Opam là TL082

Dạng xung chùm được mô phỏng tròn phần mềm Proteus

3.7 Khâu khuếch đại tạo xung

- Nhiệm vụ : Tạo xung để mở Thyristor, xung để mở Thyristor có yêu cầu:+ Đủ công suất

+ Có sườn dốc thẳng đứng, thường là xung chữ nhật

+ Cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực Dùng biến áp xung

- Một số cách khuếch đại xung

+ Trực tiếp: Không cho phép cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực.+Ghép qua phần tử quang: Chỉ chịu được dòng tải vài chục mA

Không đủ công suất để mở van lực

+ Bằng cách khuếch đại xung: Thông dụng nhất hiện nay, Dễ cách ly giữamạch điều khiển và mạch lực, truyền xung dưới dạng xung chùm

Chọn cách khuếch đại bằng biến áp xung

- Khuếch đại bằng biến áp xung: