Đồ án 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 suất Lời nói đầu Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật ngày càng đáp ứng những nhu cầu về tính hiện đại và tự động hóa trong mọi nghành công nghiệp.Bước tiến vượt bậc của khoa học kỹ thuật là sự ra đời của công nghệ bán dẫn, nó là một yếu tố không thể thiếu trong ngành công nghiệp tự động hóa.Việc ứng dụng của nó rất rộng rãi trên nhiều lĩnh vực đặc biệt trong lĩnh vực điện tử công suất nó được ứng dụng để chế tạo các linh kiện điện tử góp phần tạo nên những mạch điều khiển ứng dụng trong điều khiển động cơ. Điện tử công suất phục vụ rất hiệu quả cho truyền động điện đặc biệt là điều khiển động cơ.Cũng nhằm mục đích tìm hiểu sâu hơn nữa về những ứng dụng quan trong trong điều khiển động cơ, đặc biệt là động cơ điện một chiều được sử dụng ngày càng rộng rãi trong cuộc sống, 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 Chương 6:Mô phỏng Với sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy PGS.TS Đoàn Quang Vinh và các thầy cô trong bộ môn, tôi đã hoàn thành đồ án của mình với sự học hỏi và mở mang kiến thức. Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả thầy cô và bạn bè đã giúp đỡ tôi hoàn thành nhiệm vụ của mình! Đà nẵng, ngày 22 tháng 12 năm 2008 Sinh viên thực hiện Sinh viên thực hiện:   1 Đồ án môn học:  Điện tử công suất 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 cơ không phụ thuộc dòng điện phần ứng.Sơ đồ nối dây như hình vẽ: . U æ Uæ IKT Iư  CKT E  a,  RKT Rf  I KT  E CKT  UKT  Rf RKT b, 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 lập Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ song song. 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 này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập. Phương trình đặc tính cơ: Theo sơ đồ hình 1.1 ta có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau: Uư = Eư + (Rư + Rt)Iư trong đó: Uư : điện áp phần ứng Eư : sức điện động phần ứng Rư : điện trở của mạch phần ứng Rt : điện trở phụ trong mạch phần ứng Iư : dòng điện mạch phần ứng Với Rư = rư + rcf + ri + rct 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 (1-1) Trong đó: Eu pN 2 a  K (1-2) Sinh viên thực hiện:   2 Đồ án môn học:  Điện tử công suất p: số đôi cực từ chính N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng : từ thông kích từ dưới một cực từ : tốc độ góc pN 2 a Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì: E ö K cn 60 9.55  (1-3) Vì vậy : pN 60a Từ đó ta có: K c K c pN 60 a K 9.55 : Hệ số sức điện động của động cơ  0.105K U u Ru R f K K Đây là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ. (1-4) Mặt khác mômen điện từ Mđt của động cơ tỉ lệ với từ thông và dòng điện phần ứng được xác định bởi: Mđt = K Iư (1-5) M dm K thay giá trị Iư vào (1-4) ta được: U u R R K K  (1-6) Nếu bỏ qua các tổn thất trong động cơ, gồm tổn thất ma sát trong ổ trục, tổn thất cơ do tự quạt mát và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ coi như bằng mômen điện từ, ta ký hiệu là M. Nghĩa là Mđt = Mcơ = M. U u R R K K  (1-7) Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Nếu bỏ qua ảnh hưởng của phản ứng phần ứng , từ thông của động cơ = 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. Sinh viên thực hiện:   3 Đồ án môn học: ω ωo ωdm  ω ωo ωdm  Điện tử công suất Iâm  Inm  I  M âm  M nm 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 lập Theo các đồ thị trên, khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có: U u K o : được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ Khi o =0 ta có: I ö U R ö R f  I nm  (1-9) Và M KI nm M nm (1-10) 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:  U u K − R K .I uo− (1-11) U u K R  K  2 .Mo− (1-12) trong đó: U u K   được 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 tính cơ: từ thông động cơ Φ, điện áp phần ứng Uư và điện trở phần ứng động cơ.Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng tham số đó. Sinh viên thực hiện:   4 Đồ án môn học:  Điện tử công suất 1.1.2.1 Ảnh hưởng của điện trở phần ứng Giả thiết Uư = Uđm = const và =đm = const Muốn thay đổi điện 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: o U dm K dm  const Độ cứng của đặc tính cơ: 2 Ru R f Khi Rt càng lớn, càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. Ứng với Rf = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên TN−  K dm Ru 2  (1-13) TN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các đường đặc tính có điện trở phụ. Như vậy khi thay đổi điện trở phụ Rf ta được một họ đặc tính biến trở có dạng như hình vẽ:  o  TN(Rn) Rf Rf  1 2 Rf M c Rf  3 4  M Hình 1.3: Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng Ứng với một phụ tải Mc nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen 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. 1.1.2.2 Ảnh hưởng của điện áp phần ứng: Giả thiết từ thông Φ=Φdm=const, điện trở phần ứng Rư = const. Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Udm , ta có: Sinh viên thực hiện:   5 Đồ án môn học:  Điện tử công suất Tốc độ không tải:ox  U x K dm   var Độ cứng đặc tính cơ:−  K dm Ru 2   const 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.  o 01  TN  Uâm U1 02 03 04  M c  U2 U3 U4  M(I) Hình 1.4: Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm áp đặt vào phần ứng động cơ 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,tức 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:ox U dm K x  var Độ cứng đặc tính cơ:−  K x Ru 2   var Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi từ thông giảm thìox tăng, còn sẽ giảm. Ta có một họ đặc tính cơ vớiox tăng dần và độ của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông. Sinh viên thực hiện:   6 Đồ án môn học: Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông:  Điện tử công suất Dòng điện ngắn mạch: I nm U dm Ru  const Mômen ngắn mạch: M nm  K x I nm var Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông được biểu diễn như hình  02 01 2   02 01   2 01 0 1  dm  TN  M c   ñm , TN Inm I M nm2 M nm1 M nm M 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 năng điều chỉnh tốc độ dễ 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 ứng +Điều chỉnh từ thông động 1.2.1 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phần ứng: Từ phương trình đặc tình cơ tổng quát:  U u K − Ru∑ (K)2  M ⇒=o- Ta thấy rằng khi thay đổi Ruf thì0 = const còn thay đổi , vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh có cùng0 và dốc dần khi Ruf càng lớn với tải như nhau thì tốc độ càng thấp: Sinh viên thực hiện:   7 Đồ án môn học:  Điện tử công suất Ckt  Uư  Rkt  -  dm 1   0  TN Rưf1 Ikt  RF 2  Rưf2 . Iư E a, 0  b, Mc M 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1>2>…, 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,=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 ĐMdl bằng cách thay đổi từ thông kích từ của động cơ: Từ phương trình đặc tích cơ tổng quát:  U u K − Ru∑ (K)2  M ⇒=o- Ta thấy rằng khi thay đổi thìo và đều thay đổi , vì vậy ta sẽ được đặc tính điều chỉnh dốc dần ( độ cứng càng giảm) và cao hơn các đường đặc tính cơ tự nhiên khi càng nhỏ, với tải như nhau thì tốc độ càng cao khi giảm từ thông Uu -  02  0 Ikt  Ckt   Rkt  01 0dm 2 1  2  1  dm Iu  E  a)  0  Mc  b)  Mn2 Mn1 M Hình 1.7 :a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi b) Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Sinh viên thực hiện:   8 Đồ án môn học:  Điện tử công suất Như vậy : đm > 1> 2>… thìdm <1 <2 <…, nhưng nếu giảm quá nhỏ thì có thể lam 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 , 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 động cơ: Từ phương trình đặc tích cơ tổng quát:  U u Ru K (K)2  M ⇒=o- Ta thấy rằng khi thay đổi Uư thìo thay đổi còn =const, vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau.Nhưng muốn thay đổi Uư thì phải có bộ nguồn một chiều thay đổi được điện áp ra , thường dùng các bộ biến đổi.  0dm  dm Uudm BBĐ Uu  Mc 1 2 Mc  Uu1> 0 M Uu= 0 E -Uudm Iu -udm + a) b) 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… Sinh viên thực hiện:   9 Đồ án môn học: Chương 2: TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA id  Điện tử công suất iT1 i  A T11 1 T2  ud  L E2 U T4 B  T3  R iT4 Hình 2.1 Sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển cầu một pha 2.1. Nguyên lí làm việc: u= 2 Usin Trong nửa chu kỳ đầu : 0≤1≤, u > 0 cực dương tại A, cực âm tại B. Hai Thyristor T1 và T3 đang ở trạng thái sẵn sàng dẫn điện vì chưa có xung kích khởi đưa vào cực điều khiển. Tại thời điểm1 =1( 0≤1≤) 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 = thì u = 0, nhưng hai Thyristor T1, T3 vẫn mở vì tải là phần ứng của động cơ điện một chiều nên coi như có cuộn cảm mắc nối tiếp với tải. Trong quá trình T1 và T3 mở thì cuộn cảm L tích luỹ năng lượng e = - L di dt nên khi u < 0 thì T1 và T3 vẫn còn dẫn điện qua tải đó là ứng với lúc cuộn cảm bắt đầu hoàn trả năng lượng về nguồn . Trong nửa chu kỳ sau:≤ 2≤ 2, 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=+θ1 =+ ( góc điều khiển) ta đưa xung kích khởi vào mở T2 và T4→ T2 và T4 dẫn còn T1, T3 khoá. Vì vậy trong mạch xảy ra quá trình trên và lặp lại liên tục.Vì có điện cảm L trong mạch tải nên thực tế dòng liên tục id = Id. Khi T1,T3 mở ta có: 2⋅U sin R⋅ id E X L di d Sinh viên thực hiện:   10 Đồ án môn học: ↔ 2U sin Ri d E X  di âi dt  Điện tử công suất ↔ I D  2U sin i d d I∫ di âi ↔ U di R⋅ I d E Trong đó: Udi = Udiocos; Udio = 2U m  ; U m 2U Nên  R 2 2U  → I d S ; Id :là dòng chỉnh lưu(dòng trong mạch tải) Dạng sóng điện áp chỉnh lưu: ud ud  0    2  u i d i v1,3 i v2,4  I d  I d  I d     i  Hình 2.2: Dạng sóng điện áp chỉnh lưu Sinh viên thực hiện:   11 Đồ án môn học:  Điện tử công suất 2.2. Hiện tượng trùng dẫn: Như đã trình bày ở trên, chúng ta chỉ đề cập đến nguyên lý hoạt động của các bộ biến đổi trong trường hợp lí tưởng, tức là không xét đến ảnh hưởng của điện kháng Lk của nguồn điện xoay chiều.Khi xét đến cuộn kháng Lk của nguồn thì trong 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1, T1,T3 mở cho dòng chảy qua iT1,3 = Id; Khi 2 cho xung điều khiển mở T2,T4. vì sự có mặt của Lk nên dòng iT1,3 không thể 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, nguồn cũng bị ngắn mạch sinh ra dòng điện ngắn mạch(ik ) dik d Nếu chuyển gốc toạ độ từ 0 sang 2 , ta có: 2U sin X k dik d → ik I km⎡cos− cos⎤ 2U X k⎣⎦ I km U km  Lk Đặt ik ik1 ik 2 , với ik1 ik 2 ik 2 ik1 làm tăng dòng trong T4, làm giảm dòng trong T3; ik2 làm tăng dòng trong T2, làm giảm dòng trong T1; ik 2,4 2U 2 X k⎣⎦ ik1,3 I d− 2U 2 X k⎣⎦ Kết thúc giai đoạn trùng dẫn tức là khi ; iT1,3= 0 nên phương trình chuyển mạch có dạng: cos− cos Xác địnhU : 2 X k I d 2U  U  ∫ 2U sin⋅ d 2U 2  ⎡cos− cos⎦** Từ (*) và (**) ta có:U 2 X k I d  Với U d 2 2U  cos Sinh viên thực hiện:   12 Đồ án môn học: Khi Lk≠ 0 trị trung bình điện áp : U d ' U d−    2 X k⋅ I d  i d  Điện tử công suất L K  V 1  i K2  V 2  L u  E V 4  i K1  V 3 R Hình 2.3 Sơ đồ mạch động lực hiện tượng trùng dẫn Sinh viên thực hiện:   13 Đồ án môn học: d  Điện tử công suất 0          2    i d i v1  i v2 0   I d    Hình 2.4: Sơ đồ hiện tượng trùng dẫn Sinh viên thực hiện:   14 Đồ án môn học:  Điện tử công suất Chương 3: TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC Mạch động lực bao gồm : Máy biến áp và chọn Thyristor.