Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển theo nguyên lý arccos cho phần ứng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Đồ án môn học: Điện tử công suấtLời nói đầu Ngày nay vớ i sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật ngày càng đáp ứng những nhucầu về tính hiện đại và tự động hóa trong mọi nghành công nghiệp.Bướ

Trang 1

Đồ án môn học: Điện tử công suất

Lời nói đầu

Ngày nay vớ i sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật ngày càng đáp ứng những nhucầu về tính hiện đại và tự động hóa trong mọi nghành công nghiệp.Bước tiến vượt bậccủa khoa học kỹ thuật là sự ra đời của công nghệ bán dẫn, nó là một yếu tố không thểthiếu trong ngành công nghiệp tự động hóa.Việc ứng dụng của nó rất rộng rãi trênnhiều lĩnh vự c đặc biệt trong lĩnh v ực đ iện tử công suất nó được ứng dụng để ch ế tạocác linh kiện điện tử góp phần tạo nên những mạch điều khiển ứng dụng trong điềukhiển động cơ

Điện tử công suất phục vụ rất hiệu quả cho truyền động điện đặc biệt là điềukhiển động cơ.Cũng nhằm mục đích tìm hiểu sâu hơn nữa về những ứng dụng quantrong trong điều khiển động cơ, đặc biệt là động cơ điện một chiều được sử dụng ngàycàng rộng rãi trong cuộc số ng, các sinh viên nghành Điện chúng tôi tham gia làm đồ

án môn học Điện tử công suất nhằm tìm hiểu kỹ hơn vấn đề này

Đồ án môn học “Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển theo nguyên lý arccos cho phần ứng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập” gồm

có 6 chương:

Chương 1:Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Chương 2:Tổng quan về bộ chỉnh lưu cầu một pha

Chương 3:Tính chọn mạch động lực

Chương 4:Tính chọn mạch bảo vệ và cuộn kháng san bằng

Chương 5:Thiết kế mạch điều khiển theo nguyên lý ARCCOS

Trang 2

Chương 1:

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

1.Đặc tính cơ của động cơ điện

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

Đặc điểm của động cơ kích từ độc lập là dòng điện kích từ và từ thông động cơkhông phụ thuộc dòng điện phần ứng.Sơ đồ nối dây như hình vẽ:

Hình 1.1 a:Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ song song

b:Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lậpKhi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và đ iện áp không đổi thì mạchkích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi làđộng cơ kích từ song song

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng vàmạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ đượcgọi là động cơ kích từ độc lập

rư : điện trở cuộn dây phần ứng

rcf : điện trở cuộn cực từ phụ

rb : điện trở cuộn bù

rct : điện trở tiếp xúc của chổi điện

Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức

Trong đó: E u = pN

Φ ω = KΦω 2π a

(1-1)

(1-2)

Trang 3

p: số đôi cực từ chínhN: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứnga: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng Φ: từ thông kích từ

Đây là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

Mặt khác mômen điện từ Mđt của động cơ tỉ lệ với từ thông và dòng điện phần ứng

Nếu b ỏ qua các tổn thất trong động cơ, gồm tổn thất ma sát trong ổ trục, tổn thất cơ

do tự quạt mát và tổn th ất thép thì mômen cơ trên trục động cơ coi như bằng

mômen điện từ, ta ký hiệu là M Nghĩa là Mđt = Mcơ = M

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

Nếu bỏ qua ảnh h ưởng của ph ản ứng phần ứng , từ thông của động cơ Φ = const

thì các phương trình đặc tính cơ điện (1-4) và phương trình đặc tính cơ (1-7) là

tuyến tính Đồ thị của chúng được biểu diễn trên hình là những đường thẳng

Trang 4

Sinh viên thực hiện: http://www.ebook.edu.vn 3

Trang 5

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

b:Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lậpTheo các đồ thị trên, khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có:

Inm , Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch

Mặt khác, phương trình đặc tính (1-4), (1-7) cũng có thể được viết ở dạng:

ωđược gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M

1.1.2 Xét ảnh hưởng các tham số đến đặc tính cơ:

Từ phương trình đặc tính cơ (1-7) ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tínhcơ: từ thông động cơ Φ, điện áp phần ứng Uư và điện trở phần ứng động cơ.Ta lầnlượt xét ảnh hưởng của từng tham số đó

Trang 6

Trang 7

1.1.2.1 Ảnh hưởng của điện trở phần ứng

Giả thiết Uư = Uđm = const và Φ = Φđm = const

Muốn thay đổi đ iện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần

ứng như hình 1.1 và 1.2 thì sẽ làm thay đổi được điện trở tổng của mạch này Trong

trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng:

Khi Rt càng lớn, β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc Ứng với Rf = 0 ta có

Trang 9

Như vậy 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

ω

ωo

TN

Uâm

ω

01ω02

U1

U2ω

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

ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định

Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ

và hạn chế dòng điện khi khởi động

Ảnh hưởng của từ thông:

Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm =const , không nối thêm điện trở phụ vào

mạch phần ứng,tứ c Rư = const.Bằng cách thay đổi dòng điện kích từ Ikt động

cơ ta sẽ làm thay đổi từ thông Trong trường hợp này:

Tốc độ không tải:ω = U dm = var

Độ cứng đặc tính cơ: β = −(KΦ

x)2 =var

R u

Do cấu tạo của độ ng cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông Nên

khi từ thông giảm thì ωox tăng, còn β sẽ giảm

Ta có một họ đặc tính cơ vớiω ox tăng dần và độ của đặc tính giảm dần khi giảm từ

thông

Trang 10

Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông:

Dòng điện ngắn mạch: I = U dm

= const

Mômen ngắn mạch: M nm = K Φ x I nm = var

Các đặc tính cơ đ iện và đặc tính cơ củ a động cơ khi giảm từ thông được

biểu diễn như hình

ω02

Hình 1.5: Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ

điện một chiều kích từ độc lập

Với dạng mômen của phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ

thì khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên

1.2 Tổng quan về điều chỉnh

-Động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm so với các động cơ khác, không

những có khả n ăng điều chỉnh tốc độ d ễ dàng mà cấu trúc mạch điều khiển

đơn -Để điều chỉnh tốc độ động cơ điện có 3 phương pháp:

+Điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ

+Điều chỉnh điện trở phụ mắc thêm vào phần

Trang 11

Hình 1.6 : a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Rưf

b) Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Rưf Như vậy:0<Ruf1<Ruf2<… thì ωdm>ω1>ω2>…, nhưng nếu ta tăng Rưf đến một giá trị nào đó thì sẽ làm cho M ≤ Mc và như thế động cơ sẽ không quay được và động cơ làm việc ở chế

độ ngắn mạch, ω=0.Từ lúc này, ta có thay đổi Rưf thì tốc độ vẫn bằng 0, nghĩa là không điều chỉnh tốc độ động cơ được nữa, do đó phương pháp điều chỉnh này là phương pháp điều chỉnh không triệt để

1.2.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ĐM dl bằng cách thay đổi từ

thông kích từ của động cơ:

Từ phương trình đặc tích cơ tổng quát:

Ta thấy rằng khi thay đổi Φ thì ωo và Δω đều thay đổi , vì vậy ta sẽ được đặc tínhđiều chỉnh dốc dần ( độ cứng β càng giảm) và cao hơn các đường đặc tính cơ tựnhiên khi Φ càng nhỏ, với tải như nhau thì tốc độ càng cao khi giảm từ thông

Trang 12

Hình 1.7 :a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Φ

b) Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Φ

Trang 13

Như vậy :

Φ

quá nhỏ

thì có thể lam cho tố c độ động cơ lớn quá giớ i 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 sẽ làm cho mômen

cho phép trên trục động cơ giảm nhanh, dẫn đển động cơ bị quá tải

1.2.3.Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của

Ta thấy rằng khi thay đổi Uư thì ωo thay đổi còn Δω =const, vì vậy ta sẽ được các

đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau.Nhưng muốn thay đổi U ư thì phải có

bộ nguồn một chiều thay đổi được điện áp ra , thường dùng các bộ biến đổi

Hình 1.8 : a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Uư

b) Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Uư Các

bộ biến đổi có thể là: Bộ biến đổi máy điện :dùng máy phát một chiều(F),máy khuếch đài

(MĐKĐ); bộ biến đổi từ:mạch khuyếch đại từ(KĐT) một pha ,ba pha:bộ biến đổi điện tử

bán dẫn: các bộ chỉnh lưu (CL) dùng thyristor, các bộ băm điện áp(BĐA) dùng thyristor,

transistor…

ω dm<ω1<ω2<…, nhưng nếu giảm

Φ đm > Φ 1> Φ 2>… thì

Trang 14

Trang 15

udi

Tại thời điểmθ1 = α1( 0 ≤ θ1 ≤ π) ta đưa xung kích khởi vào T1 và T3 làm cho T1, T3

mở lúc này trong mạch có dòng điện id qua tải qua T3 trở về nguồn,lúc này ud=u.Tại thời điểm θ = π thì u = 0, nhưng hai Thyristor T1, T3 vẫn mở vì tải là phần ứngcủa động cơ điện một chiều nên coi như có cuộn cảm mắc nối tiếp với tải Trong

di

quá trình T1 và T3 mở thì cuộn cảm L tích luỹ năng lượng e = - L dt nên khi u < 0thì T 1 và T3 vẫn còn dẫn điện qua tải đó là ứng với lúc cuộn cảm bắt đầu hoàn trảTrong nửa chu kỳ sau: π ≤ θ2 ≤ 2π, tính cực dương tại B, cực âm tại

A.HaiThyristor T2 và T4 cũng đang ở trạng thái chờ mở cho dòng chảy qua

Tại thời điểm: θ2= π+θ1 = π+α (α góc điều khiển) ta đưa xung kích khởi vào mở

Trang 16

Trang 17

Trang 18

2.2 Hiện tượng trùng dẫn:

Nh ư đã trình bày ở trên, chúng ta chỉ đề cập đến nguyên lý hoạt động củ a các

bộ biến đổi trong trường hợp lí tưởng, tức là không xét đến ảnh hưởng của điệnkháng Lk của nguồn điện xoay chiều.Khi xét đến cuộn kháng Lk của nguồn thìtrong mạch sẽ không xảy ra hiện tượng chuyển mạch tức thời.Hiện tượng trùng dẫn

là hiện tượng cả 4 Thyristor đều dẫn

Giả sử tại thời điểm θ1, T1,T3 mở cho dòng chảy qua iT1,3 = Id;

Khi θ = θ2 cho xung điều khiển mở T2,T4 vì sự có mặt của Lk nên dòng iT1,3 khôngthể giảm đột ngột từ Id về 0, mà dòng iT2,4 cũng không thể tăng đột ngột từ 0 đến Id.Lúc này cả 4 Thyristor đều mở (cùng dẫn)→ phụ tải bị ngắn mạch, Ud=0, nguồncũng bị ngắn mạch sinh ra dòng điện ngắn mạch(ik )

ik1 làm tăng dòng trong T4, làm giảm dòng trong T3;

ik2 làm tăng dòng trong T2, làm giảm dòng trong T1;

Trang 20

Khi Lk ≠ 0 trị trung bình điện áp : U d ' = U d − 2X k ⋅ Id

Hình 2.3 Sơ đồ mạch động lực hiện tượng trùng dẫn

Trang 21

Hình 2.4: Sơ đồ hiện tượng trùng dẫn

Trang 22

Chương 3:

TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC

Mạch động lực bao gồm : Máy biến áp và chọn Thyristor

3.1Chọn Thyristor

3.1.1.Điện áp ngược lớn nhất trên Thyristor

Máy biến áp công suất nh ỏ nên sụt áp trên điện trở tương đối lớn, khoảng 4%, sụt

áp trên điện kháng ít hơn khoảng 1,5% Điện áp sụt trên hai Thyristor nối tiếp là2V.Do có cuộn kháng san bằng nên sụt áp khoảng 0.8 % Vậy điện áp chỉnh lưukhông tải là:

Trong thiết kế ta phải tính cho trường hợp lớn nhất

Ud=max Để Ud max thì cosα =1 ⇒ α =0o

Giả sử ban đầu góc mở α =0o (cosα = 1 ) thì Thyristor dẫn như một điode ta có:

Trang 23

Trang 24

Giá trị trung bình của dòng chảy qua mỗi Thyristor :

Từ các thông số Unv = 316,8V; Iđm = 1,41A theo bảng p.2 trang 212 sách “Tính

toán thiết kế thiết bị điện tử công suất” ta chọn 4 Thyristor loại TCR22-6 có các

thông số sau:

Dòng điện của xung điều khiển I gmax = 200( μ A)

Sụt áp max của thyristo ở thời điểm dẫn Umax = 1,7(V)

= 25(V/s)

dt

Trang 25

Chọn mạch từ 2 trụ, tiết diện mỗi trụ được tính theo công thức kinh nghiệm:

f : Tần số nguồn điện xoay chiều

k- là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát.( ch ọn k=6 vì là biến áp khô) Mạch từ có dạng được trình bày trên hình vẽ, dùng tôn Silic, có đường kínhđược chuẩn hóa là d=4,5 cm, sử dụng loại thép Э330, các lá thép có độ dày là 0,5

Trang 26

Trang 27

Trang 28

Trang 29

1

3.3 Kết cấu dây quấn sơ cấp

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

Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp của cuộn sơ cấp:

Với h - chiều cao trụ

dn - dường kính dây quấn kể cả cách điện

hg - kho ảng cách điện với gông có thể tham khảo chọn,h g= dn=0,95 mm (ứng với dây dẫn sơ cấp được chọn)

Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp:

Chọn số lớp n11= 5 lớp.Như vậy có 585 vòng chia thành 5 lớp, chọn 4 lớp đầu vào

có 122 vòng, vòng thứ 5 có 585-4.122= 85 vòng

Giữa hai lớp đặt 1 lớp cách điện dày 0,1mm

Bề dày dây cuốn sơ cấp

e1 = K (d 1+ 0,1) = 5(0,95 + 0,1) = 5,25

mm Bán kính trung bình của dây quấn sơ cấp

r1tb = 4,5 + 5,25/2 = 7,125 mmChiều dài dây quấn sơ cấp

l1 = 2πr1tb 10-3n1 = 2 3,14 7,125 10-3 585 = 26,2

m Điện trở của dây dẫn ở nhiệt độ 750

CR1 = δ1 l1 (1+0,004 75) = 0,0297.26,2(1+0,004 75) =3,11 Ω

3.4 Kết cấu dây dẫn thứ cấp

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

Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp của cuộn thứ cấp:

Với h - chiều cao trụ

dn - dường kính dây quấn kể cả cách điện

hg - kho ảng cách điện với gông có thể tham khảo chọn,h g= dn=1,19 mm (ứng với dây dẫn thứ cấp được chọn)

Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn thứ cấp:

Trang 30

Trang 31

Bề dày của dây quấn thứ cấp

e

2 = K (d2+ 0,1) = 5(1,19 + 0,1) = 5,16 mmBán kính trung bình của dây quấn thứ cấp

r2tb = 4,5 +5,16/2 = 7,08 mmChiều dài dây quấn thứ cấp

l2 = 2πr2tb 10-3.n2 = 2 3,14 7,08 10-3 373 = 16,58

m Điện trở của dây dẫn ở nhiệt độ 750C

R2 = δ2l2 (1+0,004 75) = 0,0188.16,58.(1+0,004 75) = 0,405ΩGiữa dây quấn sơ cấp và thứ cấp để một khoảng cách 8 mm

Điện áp rơi trên điện kháng

* Hiệu suất của thiết bị chỉnh lưu :

Trang 32

Trang 33

Trang 34

Chương 4:

TÍNH CHỌN MẠCH BẢO VỆ VÀ CUỘN KHÁNG SAN BẰNG

4.1 Tính cuộn kháng cân bằng :

Cuộn kháng san bằng được mắc nối tiếp vớ i phần ứng của động cơ điện một chiều

nhằm mục đích giảm bớt độ nh ấp nhô của điện áp chỉnh lưu dẫn đến động cơ làm việc

ổn định hơn Thành phần sóng đa hài của dòng chỉnh lưu không vượ t quá 15% dòng

định mức Gía trị của cuộn kháng san bằng được chọn nhằm hạn chế biên độ của các

sóng đa hài này

Ishài ≤ 15% Iđm = 15%*2,35 = 0,3525(A)Lúc động cơ làm việc góc mở α = 0 điện áp chỉnh lưu được khai triển thành

chuỗi Fourier với chu kỳ là 2L:

Trang 35

Trang 36

Nếu dừng lại ở hai số hạng đầu thì biểu thức giải tích của Ud là :

Điện cảm L sinh ra suất điện động tự cảm :

e = − L dt di mỗi khi có sự biến thiên của dòng điện tải Ta có :

Trang 37

Trang 38

Các phần tử bán d ẫn công suất đượ c sử dụng ngày càng nhiều do có những ưu

điểm như gọn nhẹ, làm việc tin cậy, tác động nhanh, hiệu suất cao, dễ thực hiện tự

động hoá

Tuy nhiên, các phần tử bán dẫn công suất cũng đòi hỏi các điều kiện khắc khe

Trướ c hết là phải tôn trọng những trị số giới hạn sử dụng do nhà sản xuất đề ra đối với

• Tốc độ tăng trưởng lớn nhất của dòng điện dt di

• Thời gian khoá toff

Các phần tử bán dẫn công su ất cần được bảo vệ để chố ng lại những sự cố xảy

ra, những nhiễu loạn nguy hiểm như ngắn mạch tải, quá điện áp hoặc quá dòng điện

4.2.1 Công suất tổn thất và làm mát :

Khi Thyristor mở cho dòng chảy qua, công suất tổn thất bên trong sẽ đốt nóng

nó Mặt ghép là nơi bị đố t nóng nhiều nhất, người ta dùng kí hiệu Tj để chỉ nhiệt độ

mặt ghép, Tjm để chỉ nhiệt độ lớn nhất cho phép

Đối với bán dẫn Ge : Tjm = 800 ÷ 1000C

Định dạng
Số trang	63
Dung lượng	1,2 MB