Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải động cơ điện 1 chiều

Các thiết bị điện tử công suất có nhiều ưu điểm: có khả năng điều khiển rộng, có chỉ tiêu kinh tế cao, kích thước và trọng lượng thấp, độ tin cậy và chính xác cao…ứng dụng của chúng vào

Trang 1

Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho tải động cơ điện 1 chiều

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

1 Đầu đề thiết kế:

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải động cơ điện 1 chiều

2 Các số liệu ban đầu:

3 Nội dung thuyết minh và các phần tính toán:

1 Khái quát về các bộ nguồn chỉnh lưu điều khiển

2 Lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu

3 Thiết kế mạch động lực

4 Thiết kế mạch điều khiển

5 Xác định hàm truyền bộ chỉnh lưu

6 Thuyết minh sơ đồ của hệ thống

4 Các bản vẽ ( ghi rõ các loại bản vẽ , kích thước bản vẽ ):

Trang 2

SVTH: NGÔ VĂN BẢN Trang 2

Trang 3

LỜI NÓI ĐẦU

Những năm gần đây kỹ thuật điện tử và bán dẫn công suất lớn phát triển mạnh mẽ Các thiết bị điện tử công suất có nhiều ưu điểm: có khả năng điều khiển rộng, có chỉ tiêu kinh tế cao, kích thước và trọng lượng thấp, độ tin cậy và chính xác cao…ứng dụng của chúng vào việc biến đổi năng lượng

là điều khiển điện áp và dòng điện xoay chiều thành một chiều và ngược lại ngày càng sâu rộng

Ngày nay, không chỉ ở các nước phát triển, ngay ở nước ta các thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và cả trong sinh hoat gia đình Các xí nghiệp và nhà máy như xi măng, thuỷ điện, giấy, đường, dệt, sợi, đóng tàu là những minh chứng

Nhờ chủ trương mở cửa ngày càng có thêm nhiều xí nghiệp với những dây chuyền sản xuất mới, đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện phải có những kiến thức về điện tử công suất, về vi mạch và vi xử lý Xuất phát từ yêu cầu thực tế và tầm quan trọng của bộ môn điện tử công suất các thầy cô trong bộ môn điện tử công suất đã cho chúng em từng bước tiếp xúc với việc thiết kế thông qua những đồ án môn học

Trang 4

MỤC LỤC

Lời nói đầu trang 1

Chương I

Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều

I Cấu tạo chung của động cơ 1 chiều……… trang 4

II Nguyên lý làm việc của động cơ 1 chiều ……… trang 7 III Giới thiệu về ĐCĐ 1 chiều kích từ độc lập……… trang 7

IV Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ từ đó đưa ra phương

án thiết kế bộ nguồn cung cấp……… trang 15

Trang 5

III.4 Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch lực……… trang 52

Chương IV

Thiết kế mạch điều khiển

IV.1 Yêu cầu chung đối với mạch điều khiển……….trang 57 IV.2 Nguyên lý chung của mạch điều khiển……… trang 57 IV.3 Tính biến áp xung……… trang 63 IV.4 Tính tầng khuếch đại cuối cùng……… trang 65 IV.5 Chọn cổng AND……… trang 66 IV.6 Chọn tụ C3 và R9……… trang 66

IV.7 Tính chọn bộ tạo xung chìm……… trang 67 IV.8 Tính chọn tầng so sánh………trang 68 IV.9 Tính chọn khâu đồng pha………trang 68 IV.10 Tạo nguồn nuôi……….trang 69 IV.11 Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha……… trang 71 IV.12 Sơ đồ hệ thống……… trang 75

Chương V

Xác định hàm truyền của bộ chỉnh lưu

V.I Mô hình hệ thống CL – ĐC 1 chiều đơn giản……… trang 77 V.II Nguyên lý điều khiển MODUL tối ưu……….trang

80

Trang 6

V.III Xác định hàm truyền của bộ chỉnh lưu……… trang 83

CHƯƠNG I

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU

I Cấu tạo chung của động cơ 1 chiều:

1 Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều :

Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện xoay chiều thông dụng

Do động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như khả năng điều chỉnh tốc

độ rất tốt, khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải Chính vì vậy

mà động cơ một chiều được dùng nhiều trong các nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải mà điều quan trọng là các nghành công nghiệp hay đòi hỏi dùng nguồn điện một chiều

Bên cạnh đó, động cơ điện một chiều cũng có những nhược điểm nhất định của nó như so với máy điện xoay chiều thì giá thành đắt hơn chế tạo và bảo quản cổ góp điện phức tạp hơn ( dễ phát sinh tia lửa điện ) nhưng do những ưu điểm của nó nên động cơ điện một chiều vẫn còn có một tầm quan trọng nhất định trong sản suất

Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều hiện nay vào khoảng

10000 KW, điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000 V Hướng phát triển hiện nay là cải tiến tính năng của vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động

cơ và chế tạo những động cơ có công suất lớn hơn

2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều: Động cơ điện một chiều có thể

phân thành hai phần chính : phần tĩnh và phần động

Trang 7

2.1 Phần tĩnh hay stato: Đây là phần đứng yên của máy, bao gồm các bộ

phận chính sau:

a, Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau

b, Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu rạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông

c, Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

d, Các bộ phận khác:

- Nắp máy : Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang

- Cơ cấu chổi than : để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặy lên

cổ góp Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá

Trang 8

Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại

2.2 Phần quay hay rôto:

Bao gồm những bộ phận chính sau :

a, Lõi sắt phần ứng: dùng để dẫn từ Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì dặt dây quấn vào

Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lạ thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt

Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto

b, Dây quấn phần ứng:

Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài kw thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép

Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để

đè chặt hoặc đai chặt dây quấn Nêm có làm bằng tre, gỗ hay bakelit

Trang 9

c, Cổ góp: dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng

d, Các bộ phận khác:

- Cánh quạt : dùng để quạt gió làm nguội máy Máy điện một chiều thường chế tạo theo kiểu bảo vệ ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió Cánh quạt lắp trên trục máy, khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ Gió

đi qua vành góp, cực từ lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy

- Trục máy : trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt

II Nguyên lý làm việc của ĐCĐMC:

ĐCĐMC làm việc trên nguyên lý khi dòng điện chạy trong khung dây đặt

- phương trình đặc tính cơ điện của động cơ:

Trang 10

III Giới thiệu về động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập:

Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn dùng rất phổ biến trong các

hệ thống truyền động chất lượng cao, dải công suất động cơ điện một chiều

tư vài W đến hàng MW, giản đồ kết cấu chung của động cơ điện một chiều kích từ độc lập được thể hiện như hình1.1, phần ứng được biểu diễn vòng

kích từ: dây quấn kích từ độc lập CKĐ, dây quấn kích từ nối tiếp CKN, dây quấn cực từ phụ CF, dây quấn bù CB

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 nhau,lúc này động

cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập

Hình 1.1: Giản đồ kết cấu chung của ĐCĐMC kích từ độc lập

Trang 11

phần ứng sẽ có dòng điện i chạy qua tương tác với dòng điện phần ứng Tăng

cơ sẽ thay đổi theo quy luật sau:

cùng khi Ikt = Ikt bão ho à thì U = Eư bão hào hoàn toàn

Hình 1.2: Đặc tính Vol-Ampe của ĐC 1 chiều kt độc lập

1 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

Để thành lập phương trình đặc tính cơ ta xuất phát từ phương trình cân bằng điện áp của động cơ:

Trang 12

rcf - điện trở cuộn cực từ phụ (Ω)

rb - điện trở cuộn bù (Ω)

rct - điện trở tiếp xúc của chổi điện (Ω)

N - số thanh dẫn tác dụng của dây quấn phần ứng

a - số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

 - từ thông kích từ dưới một cực từ (Wb)

pN

k =

Từ phương trình cân bằng điện áp

Mặt khác mômen điện từ của cơ điện được xác định bởi:

Trang 13

ω0 ∆ω

M

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mô men cơ trên trục điện cơ bằng

u

2

R + RU

( )

trình đặc tính cơ điện (1) và phương trình đặc tính cơ là tuyến tính đồ thị của chúng được thể hiện như sau:

Nhận xét : Nếu cho U, Rư + Rf ,  là hằng số

2 Ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ:

Trang 14

kφ (k )φ

Ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ đó là: từ thông động

ảnh hưởng của từng tham số đó

a Ảnh hưởng của điện trở phần ứng:

Như vậy khi thay đổi điện trở phụ ta được một họ đặc tính cơ như hình vẽ,

thời dòng điện và mômen men ngắn mạch cũng giảm Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản

Rf1

Rf2

Mc M

Rf3

Hình 1.5

Trang 15

b ảnh hưởng của điện áp phần ứng:

dm

U

Độ cứng đặc tính cơ:  =

-2

u

R

(k )φ

= hằng số

Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đường đặc tính cơ tự nhiên Nhận thấy rằng khi thay đổi điện áp, thực chất là giảm áp thì mô men ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ của động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định Vì vậy phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ và hạn chế dòng điện khi khởi động

*.Đặc điểm

- Tốc độ điều chỉnh bằng phẳng

- Phạm vi điều chỉnh rộng

- Để thực hiện phương pháp này ta cần phải có nguồn điện áp thay đổi được (bộ biến đổi điện áp bằng điện tử công suất )

ω

ω01

ω02 Udm(TN)

ω03 U1

ω04 U2

M(I)

U3 ω ω0 Ru(TN) Rf1

Rf2

Mc M

Rf3

Hình 1.5

Trang 16

Hình 1.6

c ảnh hưởng của từ thông:

x

U

Độ cứng đặc tính cơ :  =

-2 x u

(k )

Rφ

= biến số

(2),(3) – đường đặc tính khi giảm  với

đm = 1 <2 <3

hình 1.7

và độ cứng của đặc tính giảm dần

* Đặc điểm:

- Tốc độ bằng phẳng

- Phạm vi rộng

- Vùng điều chỉnh nđm < nđc

n

(3)

(2)

(1)

Mđm M ω ω01 ω02 Udm(TN) ω03 U1 ω04 U2 M(I)

U3

Trang 17

- Với điều chỉnh tốc độ thực hiện trong máy kích từ thì dòng điện nhỏ,

tổn hao ít, hiệu suất cao

IV Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ từ đó đưa ra phương án thiết kế bộ nguồn cung cấp: 1 Điều chỉnh điện trở mạch phần ứng và mạch kích từ. Đối với phương pháp này (biến trở) chỉ tạo ra được những tốc độ động cơ thấp hơn tốc độ động cơ bản bằng cách giảm độ cứng đặc tính cơ Nó là phương pháp điều chỉnh không triệt để, giải điều chỉnh phụ thuộc vào mômen tải, độ chính xác duy trì tốc độ không cao, độ tinh điều chỉnh kém 2 Điều chỉnh điện áp mạch kích từ (điều chỉnh từ thông). Đối với phương pháp này khi giảm từ thông độ cứng đặc tính cơ sẽ giảm theo biểu thức: =(kφ)2/Rư còn tốc độ không tải lí tưởng thì tăng theo quan hệ ω=U/kφ do đó sai số tĩnh tăng tỉ lệ nghịch với từ thông * c c M 1 M R 1 s =Δω = = β ω U kφ như vậy độ chính xác duy trì không cao SVTH: NGÔ VĂN BẢN Trang 17  

2 2

1 1

0 0

Mm2 Mnm Mnm M Inm I

Hình 1.8

Trang 18

Phương pháp này có chỉ tiêu kinh tế cao không yêu cầu nhiều thiết bị phức tạp, công suất mạch điều khiển nhỏ và tổn thất năng lượng không nhiều, có khả năng tự động hoá hệ thống và tạo được những đặc tính tốt Tuy nhiên giải điều chỉnh không rộng, thông thường D = 1,5 các động cơ đặc biệt

3 Điều chỉnh điện áp nguồn.

Phương pháp này là phương pháp được đánh giá tốt vì:

- Đây là phương pháp điều chỉnh triệt để, có thể điều chỉnh tốc độ trong bất kì vùng tải nào, kể cả khi không tải lí tưởng

- Đặc tính cơ tuy mềm hơn đặc tính tự nhiên nhưng cứng hơn các đặc tính biến trở

- Đảm bảo sai số nhỏ, khả năng quá tải lớn, giải điều chỉnh rộng và tổn thất ít

- Mạch điều chỉnh công suất nhỏ, thao tác nhẹ nhàng có khả năng cải thiện hệ thành tự động vòng kín

Từ ba phương pháp trên ta thấy phương pháp 3 là phương pháp khả thi nhất trong việc điều khiển ĐCĐMC theo yêu cầu của đồ án

Cần có bộ biến đổi để cung cấp điện cho mạch phần ứng hoặc mạch kích

từ của động cơ Có hai loại bộ biến đổi cho động cơ điện một chiều là bộ chỉnh lưu có điều khiển và bộ biến đổi xung áp một chiều (băm xung một chiều)

Tuy nhiên bộ biến đổi xung áp một chiều cần có thêm bộ chỉnh lưu để chỉnh lưu dòng xoay chiều nên bộ biến đổi này phức tạp giá thành cao Trong yêu cầu của đồ án ta không chọn sơ đồ này và sẽ sử dụng sơ đồ chỉnh lưu Trisistor - động cơ để thiết kế nguồn cung cấp cho ĐCĐMC

Trang 19

* Động cơ điện một chiều làm việc với điện áp nguồn cung cấp ở đây chỉ có dòng xoay chiều ba pha 380/220 V, vì thế để cung cấp điện cho động cơ ta phải tạo ra bộ chỉnh lưu có điều khiển ba pha

* Sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển ba pha có các loại sau :

Do yêu cầu thiết kế cũng như công nghệ để mạch lực đơn giản và gọn nhẹ sẽ không dùng loại sơ đồ Chỉnh lưu 6 pha hình tia và Chỉnh lưu 6 pha cuộn kháng cân bằng

Trang 20

CHƯƠNG II

KHÁI QUÁT VỀ CÁC BỘ NGUỒN CHỈNH LƯU ĐIỀU

KHIỂN VÀ LỰA CHỌN SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU

I TÓM TẮT LÝ THUYẾT

Để cấp nguồn cho tải một chiều, cần thiết kế các bộ chỉnh lưu Các bộ chỉnh lưu biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành một chiều Các loại bộ biến đổi này có thể là chỉnh lưu không điều khiển và chỉnh lưu có điều khiển

Để giảm công suất vô công, người ta thường mắc song song ngược với tải một chiều 1 điốt (loại sơ đồ này được gọi là sơ đồ có điốt ngược) Trong các

sơ đồ chỉnh lưu có điốt ngược, khi có và không có điều khiển, năng lượng được truyền từ phía lưới xoay chiều sang một chiều, nghĩa là các loại chỉnh lưu đó chỉ có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu nhận năng lượng từ lưới Các

bộ chỉnh lưu có điều khiển, không điốt ngược có thể trao đổi năng lượng theo cả 2 chiều Khi năng lượng truyền từ lưới xoay chiều sang tải một chiều thì bộ nguồn làm việc ở chế độ chỉnh lưu nhận năng lượng từ lưới, khi năng lượng truyền theo chiều ngược lại thì bộ nguồn sẽ làm việc ở chế độ nghịch lưu trả năng lượng về lưới

II LỰA CHỌN SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU

II.1 Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha

a Nguyên lý:

Khi biến áp có ba pha đấu (Y) mỗi pha A,B,C đấu với một van, catốt đấu chung cho ta điện áp dương của tải còn trung tính biến áp sẽ là điện áp

vậy ta có điện áp của một pha dương hơn điện áp của hai pha còn lại trong 1/3 chu kỳ.Từ đấy thấy rằng tại mỗi một thời điểm chỉ có điện áp của một pha dương nên chỉ có một van dẫn mà thôi

Trang 21

Hình 2.1b: giản đồ các đường cong khi góc mở α=30 0

Trang 22

thêm điện cảm L nên xuất hiện giai đoạn điện áp âm của pha A tới khi xuất

UAK >0, IG2 >0 → T2 dẫn (T1,T3 khoá) tương tự cho T3 khi có xung điều khiển IG3 thì T3 dẫn (T1, T2 khoá )

lớn để cho dòng điện là liên tục

- Trong khoảng thời gian van dẫn dòng điện bằng dòng điện của tải khi van khoá thì dòng điện van bằng ‘0’ lúc này điện áp ngược mà van phải chịu bằng điện áp dây giữa pha có van khoá với pha có van đang dẫn

* Điện áp trung bình nhận được trên tải là:

5π+α 6

2

π +α 6

UR

Nhận xét:

- Khi tải thuần trở dòng điện và điện áp trên tải liên tục hay gián đoạn

Định dạng
Số trang	44
Dung lượng	459,05 KB