Đồ án Điện tử công suất: Thiết kế bộ chỉnh lưu hình cầu 1 pha kép để điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập có đảo chiều

Chia sẻ: Ngọc Toàn | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:54

Thêm vào BST

Báo xấu

252
lượt xem 65
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đồ án nghiên cứu tổng quan về động cơ điện một chiều; chỉnh lưu hình cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn; thiết kế và tính chọn các phần tử mạch động lực; thiết kế các phần tử mạch điều khiển; mạch bảo vệ và kết luận. Mời các bạn cùng tham khảo đồ án để nắm chi tiết nội dung nghiên cứu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án Điện tử công suất: Thiết kế bộ chỉnh lưu hình cầu 1 pha kép để điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập có đảo chiều

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU HÌNH CẦU 1 PHA KÉP ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP CÓ ĐẢO CHIỀU Người hướng dẫn: TS. GIÁP QUANG HUY Sinh viên thực hiện: Số thẻ sinh viên: Nhóm HP / Lớp:
Ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH ẢNH Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG: 1.1.1 Khái niệm: Động cơ điện một chiều là loại máy điện một chiều biến điện năng dòng một chiều thành cơ năng. Khi máy điện một chiều làm việc ở chế độ động cơ thì công suất đầu vào là công suất điện cơ, công suất đầu ra là công suất cơ. Hình 1. : Hình ảnh động cơ điện một chiều. 1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều: Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai thành phần chính gồm: phần tĩnh và phần động. Hình 1. : Cấu tạo động cơ điện một chiều.
1 Thép, 2 Cực chính với cuộn kích từ, 3 Cực phụ với cuộn dây, 4 Hộp ổ bi, 5 Lõi thép, 6 Cuộn phần ứng, 7 Thiết bị chổi, 8 Cỗ góp, 9 Trục, 10 Nắp hộp đấu dây. 1.1.3 Phân loại động cơ điện một chiều: Động cơ điện một chiều được phân loại theo kích từ thành những loại sau: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồn riêng lẻ. Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp với phần ứng. Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có hai cuộn dây kích từ, một cuộn mắc song song với phần ứng, một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng. 1.1.4 Nguyên lý động cơ điện một chiều: Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên tác dụng của từ trường lên khung dây dẫn có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường. Khi hoạt động động cơ điện một chiều biến điện năng của dòng điện một chiều thành cơ năng. 1.2 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU: 1.2.1 Đặc tính động cơ điện: Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động cơ: M = f(ω). 1.2.2 Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: nguồn một chiều cấp cho phần ứng và cấp cho kích từ độc lập nhau. Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy 5
Hình 1. : Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập Phương trình cân bằng điện áp: Uư = Eư +(Rư + Rf).Iư Sức điện động của phần ứng động cơ: Eư = K Momen điện từ của động cơ: M = KIư Phương trình đặc tính cơ điện: Hình 1. : Hình ảnh đặc tính cơ – điện Phương trình đặc tính cơ:
Hình 1. : Hình ảnh đặc tính cơ 1.2.3 Đặc tính cơ tự nhiên: Đặc tính cơ tự nhiên: là đặc tính cơ có các tham số định mức và không sử dụng thêm các thiết bị phụ trợ khác. Mỗi động cơ chỉ có một đặc tính cơ tự nhiên. Phương trình đặc tính cơ – điện tự nhiên: Phương trình đặc tính cơ tự nhiên: 1.2.4 Đặc tính cơ nhân tạo: Đặc tính cơ nhân tạo là đặc tính cơ có một trong các tham số khác định mức hoặc có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ. Mỗi động cơ có thể có nhiều đặc tính cơ nhân tạo. Phương trình đặc tính cơ: 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAY ĐỔI TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU: 1.3.1 Thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng: Từ phương trình đặc tính cơ: Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy 7
Ta thấy rằng khi thay đổi Rf thì còn thay đổi, vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh có cùng và dốc dần khi Rf càng lớn, với tải như nhau thì tốc độ càng thấp. Hình 1. : Đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Rf Đặc điểm điều chỉnh: Tốc độ không tải lý tưởng không đổi. Chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía giảm. Khi Rf tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng mềm độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn. Tổn hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở phụ. Nếu ta tăng Rf đến một giá trị nào đó thì sẽ làm MMc như thế động cơ sẽ không quay được và động cơ làm việc ở chế độ ngắn mạch (). Từ lúc này, ta có thể thay đổi Rf 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. Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cần trục, thang máy, máy nâng, máy xúc. Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp thì giá trị điện trở đóng vào càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm dẫn đến sự ổn định tốc độ khi phụ tải thay đổi kém. Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp thì tổn hao phụ càng cao. Phương pháp thay đổi Rf chỉ phù hợp khi khởi động động cơ.
1.3.2 Thay đổi từ thông kích từ của động cơ: Từ phương trình đặc tính cơ: Ta thấy rằng khi thay đổi thì và đều thay đổi, vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh dốc dần và cao hơn đặc tính cơ tự nhiên khi càng nhỏ, với tải như nhau thì tốc độ càng cao khi giảm từ thông . Hình 1. : Đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Đặc điểm điều chỉnh: Giảm từ thông thì tốc độ thay đổi tỉ lệ nghịch, từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn. Dòng điện ngắn mạch không đổi. Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông. Nếu giảm quá nhỏ thì 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. Như vậy, để đảm bảo chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng phần ứng momen trên trục động cơ giảm nhanh động cơ bị quá tải. Ưu điểm: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều chỉnh vô cấp và cho tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản. Phương pháp nảy thường được dùng cho các máy như: máy mài vạn năng, máy bào giường,… Việc điều chỉnh được thực hiện trên mạch kích từ nên tổn thất năng lượng ít, thiết bị đơn giản nên giá thành thấp. Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy 9
Nhược điểm: Do điều chỉnh sâu nên giảm, sai số tĩnh lớn, kém ổn định với tốc độ cao. Nghĩa là điều chỉnh càng sâu thì càng lớn. Nên đặc tính càng dốc momen nhỏ đến khi nhỏ hơn momen phụ tải thì động cơ không chạy được. 1.3.3 Thay đổi điện áp phần ứng của động cơ: Từ phương trình đặc tính cơ: Ta thấy rằng khi thay đổi Uư thì thay đổi còn , 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. : Đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Uư Đặc điểm điều chỉnh: Tốc độ động cơ tăng/giảm theo chiều tăng/giảm của điện áp phần ứng. Thay đổi được cả tốc độ không tải lý tưởng , và dòng điện ngắn mạch. Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh. Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ về phía giảm vì chỉ có thể thay đổi với UưUđm. Ưu điểm: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng động cơ sẽ giữ nguyên độ cứng đường đặc tính nên được dùng nhiều trong các máy cắt gọt kim loại. Đảm bảo tính kinh tế, tổn hao năng lượng thấp, phạm vi điều chỉnh rộng. Nếu kết hợp với phương pháp điều chỉnh từ thông thì ta có thể điều chỉnh tốc độ lớn hơn và nhỏ hơn tốc độ định mức.
Nhược điểm: Phương pháp này cần một bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp. 1.4 KẾT LUẬN CHUNG: Qua phân tích 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều trên, thì phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng là tốt hơn cả và triệt để nhất. Vì vậy, chúng em lựa chọn phương pháp thay đổi điện áp phần ứng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều. Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy 11
CHƯƠNG 2: CHỈNH LƯU HÌNH CẦU 1 PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG: 2.1.1 Khái niệm: Chỉnh lưu là các bộ biến đổi tĩnh cho phép chuyển đổi năng lượng của một nguồn với các đại lượng xoay chiều thành một nguồn khác với các đại lượng một chiều. Ứng dụng: Cấp nguồn cho các tải một chiều như: Động cơ điện một chiều, bộ nạp acquy, mạ điện phân, máy hàn một chiều, nam châm điện, truyền tải điện một chiều cao áp,…. 2.1.2 Phân loại: Dựa theo số pha nguồn cấp cho các van chỉnh lưu: 1 pha, 2 pha, 3 pha, 6 pha… Dựa theo loại van bán dẫn: Mạch chỉnh lưu không điều khiển. Mạch chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn. Mạch chỉnh lưu bán điều khiển. Dựa theo sơ đồ mắc van: Sơ đồ hình tia: Số van bằng số pha nguồn cung cấp. Các van đấu chung một đầu nào đó với nhau: Anode chung hoặc Cathode chung. Sơ đồ hình cầu: Một nữa số van mắc chung nhâu Anode, một nữa số van mắc chung Cathode. 2.1.3 Đặc điểm của điện áp và dòng điện chỉnh lưu: 2.1.3.1 Điện áp chỉnh lưu: ud: Giá trị tức thời của điện áp chỉnh lưu. uσ: Thành phần xoay chiều.
Ud: Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu. p: Số xung đập mạch của sóng điện áp chỉnh lưu. fσ(1): Tần số của sóng điều hòa bậc 1 thành phần xoay chiều của ud. f: Tần số điện áp lưới. Giá trị hiệu dụng của điện áp chỉnh lưu: Uσ: Giá trị hiệu dụng thành phần xoay chiều của điện áp chỉnh lưu. 2.1.3.2 Dòng điện chỉnh lưu: id: Giá trị tức thời của dòng điện chỉnh lưu. idσ: Thành phần xoay chiều. Uσ(n): Giá trị hiệu dụng của sóng điều hòa bậc n thành phần xoay chiều của điện áp chỉnh lưu. : Tần số góc của sóng điều hòa bậc n thành phần xoay chiều. Nhấp nhô của dòng tải: Do thành phần xoay chiều của điện áp chỉnh lưu gây ra. Nếu L → ∞ Iσ(n) → 0 id= Id Dòng phẳng tuyệt đối. 2.2 CHỈNH LƯU HÌNH CẦU 1 PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN 2.2.1 Sơ đồ mạch nguyên lý: Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy 13
Hình 2. : Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn 2.2.2 Nguyên lý làm việc: Hình 2. : Sơ đồ và đồ thị u, i của chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển Xét ở những chu kỳ làm việc xác lập: Trong () điện áp u1 > 0 Giả sử T2, T4 đang dẫn dòng phản kháng id = iT2 = iT4 = ipk > 0; T1, T3 đang khóa, ud 0 và có xung điều khiển T 1, T3 mở id = iT1 = iT3 > 0, còn T2, T4 khóa, ud > 0. Trong () điện áp u2 > 0 T1, T3 vẫn đang dẫn dòng phản kháng id = iT1 = iT3 = ipk > 0, ud 0 và có xung điều khiển T2, T4 mở id = iT2 = iT4 > 0; còn T1, T3 khóa, ud > 0. Cứ như vậy, chúng ta sẽ điều khiển mở lần lượt từng cặp T1, T3 rồi đến T2, T4 cách nhau một góc .
2.2.3 Điện áp và dòng điện chỉnh lưu: Trị trung bình điện áp chỉnh lưu: Dòng trung bình qua tải: Trị trung bình dòng qua thyristor: Áp khóa và áp ngược cực đại đặt lên linh kiện: Um 2.2.4 Hiện tượng trùng dẫn: Hiện tượng trùng dẫn là trạng thái các nhánh thyristor ở cùng nhóm cùng dẫn điện tại thời điểm chuyển mạch. Hình 2. : Hiện tượng trùng dẫn chỉnh lưu cầu 1 pha. Hình 2. : Đồ thị dạng sóng khi xảy ra hiện tượng trùng dẫn Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy 15
Trong máy biến áp có cuộn dây nên có điện cảm L nên trong mạch sẽ xảy ra hiện tượng trùng dẫn. Giả sử T1, T3 đang mở cho dòng chảy qua iT1 = iT3 = Id. Khi phát xung mở T2, T4. Vì có L nên dòng iT1, iT3 không giảm đột ngột về 0 và dòng iT2, iT4 cũng không tăng đột ngột từ 0 Id. Lúc này, cả 4 van cùng mở không cho dòng chảy qua, phụ tải bị ngắn mạch Ud = 0. Hệ quả của hiện tượng trùng dẫn: Hiện tượng chuyển mạch làm giảm điện áp tải. Hiện tượng chuyển mạch hạn chế phạm vi điều khiển điện áp điều khiển và do đó hạn chế phạm vi điều khiển điện áp chỉnh lưu. Hiện tượng chuyển mạch làm biến dạng điện áp nguồn. 2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU: 2.3.1 Khái niệm chung: Xung điều khiển đưa vào thyristor lúc điện áp đặt lên anode thyristor phải là xung dương. Phải biết khi nào điện áp đặt lên thyristor dương. Phải có điện áp đồng bộ: đồng bộ với điện áp khóa đặt lên thyristor. Sơ đồ khâu phát xung – bộ điều khiển: Hình 2. : Sơ đồ khối điều khiển thyristor
2.3.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính: Hình 2. : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính Điện áp điều khiển Uc là điện áp một chiều. Điện áp đồng bộ Udb là điện áp răng cưa. Điện áp so sánh uss = Uc Udb. Khi Uc = Udb uss = 0 là thời điểm so sánh tạo xung điều khiển. Góc điều khiển: Điện áp chỉnh lưu: Ud = Udo.cos(kUc). 2.3.3 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos: Hình 2. : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy 17
Điện áp điều khiển Uc là điện áp một chiều. Điện áp đồng bộ Udb là một đường cosin: Udb = Umcos Điện áp so sánh uss = Uc Udb. Khi Uc = Udb uss = 0 là thời điểm so sánh tạo xung điều khiển. Khi thì Uc = Udb =Umcos Góc điều khiển Điện áp chỉnh lưu: 2.4 BỘ CHỈNH LƯU CẦU 1 PHA KÉP ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN: 2.4.1 Sơ đồ nguyên lý: Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha kép điều khiển hoàn toàn có cấu tạo gồm bộ chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển mắc song song ngược với nhau. Hình 2. : Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha kép điều khiển hoàn toàn 2.4.2 Nguyên lý hoạt động: Để phân tích nguyên lý hoạt động ta tách ra một sơ đồ chỉnh lưu để phân tích. Đây là sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển. Nguyên lý hoạt động được trình bày như ở phần trước.
2.4.3 Phương pháp điều khiển hai bộ biến đổi mắc song song ngược: Ở chế độ làm việc bình thường, trong hai bộ chỉnh lưu mắc song song ngược chỉ có một bộ cung cấp điện áp một chiều và điều chỉnh điện áp cho tải. Khi chúng ta cần đảo chiều động cơ thì bộ biến đổi phải đổi trạng thái cho nhau. Để thực hiện điều này ta dùng 2 phương pháp: Phương pháp điều khiển tuyến tính khống chế phụ thuộc hai bộ chỉnh lưu mắc song song ngược (điều khiển chung). Phương pháp điều khiển độc lập hai bộ chỉnh lưu mắc song song ngược (điều khiển riêng). Hình 2. : Sơ đồ hai bộ chinh lưu mắc song song ngược 2.4.3.1 Điều khiển đảo chiều theo phương pháp khống chế tuyến tính phụ thuộc: Phương pháp này ta đưa xung đồng thời vào hai bộ chỉnh lưu, tức là xung điều khiển hai bộ này liên hệ chặt chẽ với nhau theo quan hệ: Với : góc mở ứng với bộ chỉnh lưu 1. : góc mở ứng với bộ chỉnh lưu 2. Điện áp chỉnh lưu trung bình trên phụ tải với giả thuyết là dòng liên tục, bỏ qua tổn hao. Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy 19
Bộ chỉnh lưu 1: Bộ chỉnh lưu 2: Mà Như vậy, ta thấy thành phần một chiều của điện áp đầu ra của 2 sơ đồ chỉnh lưu là bằng nhau nên chúng không gây ra thành phần điện áp khép vòng qua các van của 2 sơ đồ chỉnh lưu. Xét giản đồ dòng điện trong quá trình khống chế đảo chiều: Hình 2. : Giản đồ dòng điện điều khiển đảo chiều tuyến tính phụ thuộc. Từ thời điểm t = 0 với tdc phát xung cho 2 bộ theo quan hệ: Ud1 = Udocos BCL 1: làm việc ở chế độ chỉnh lưu. Ud1 = Udocos BCL 2: làm việc ở chế độ nghịch lưu chờ. Từ thời điểm tdc đến t1 ta tiến hành tăng góc mở đồng thời giảm. Điện áp trên BCL 2 giảm. Do đó, tốc độ động cơ giảm, nhưng tốc độ động cơ không giảm nhanh bằng điện áp của chỉnh lưu do quán tính nên suất điện động của động cơ lớn hơn điện áp chỉnh lưu nên BCL 2 đủ điều kiện nghịch lưu. (|Eư| > |Ud| và ) Bộ chỉnh lưu 2 chuyển sang chế độ nghịch lưu trả năng lượng về lưới đồng thời hãm cưỡng bức ta gọi là hãm tái sinh. Khi Ud = 0. Từ thời điểm t1 ta tiến hành giảm góc mở tăng để đảo chiều điện áp của hai bộ chỉnh lưu.