LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây cùng với việc phát triển ngày càng mạnh mẽ của các lĩnh vực khoa học, ứng dụng của chúng vào các ngành công nghiệp nói chung và các ngành điện tử nói riêng, các thiết bị điện tử có công suất lớn được chế tạo ngày càng nhiều, đặc biệt là ứng dụng của nó trong nền kinh tế quốc dân cũng như trong đời sống làm cho yêu cầu về sự hiểu biết và thiết kế các loại thiết bị này là hết sức cần thiết đối với sinh viên, kỹ sư ngành điện. Hiện nay mạng điện ở nước ta chủ yếu là mạng điện xoay chiều với tần số công nghiệp. Để cung cấp nguồn điện một chiều có giá trị điện áp và dòng điện điều chỉnh được cho những thiết bị điện dùng trong các hệ thống truyền động điện một chiều người ta đã hoàn thiện bộ chỉnh lưu có điều khiển dùng Tiristor. Trong đề tài của em là thiết kế bộ chỉnh lưu có đảo chiều cung cấp cho động cơ điện một chiều có đảo chiều. Bao gồm các chương: Chương 1: Tổng quan về hệ truyền động điện T- Đ. Chương 2: Tính toán và thiết kế mạch công suất. Chương 3: Tính toán và thiết kế mạch điều khiển. Qua việc thiết kế đồ án đã giúp em hiểu rõ hơn những gì mình đã được học trong môn Điện tử công suất. Hiểu được những ứng dụng thực tế của các thiết bị công suất trong đời sống cũng như trong công nghiệp. Nội dung đồ án chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Em mong các thầy cô chỉ bảo thêm để em hoàn thành tốt hơn nhiệm vụ. Các số liệu cho trước: Nguồn 3.380 VAC ± 10% ;50Hz. Động cơ:1,5 kw; 110 VDC; 5000 v/ph. 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN T- Đ. 1.1. Giới thiệu về động cơ điện một chiều. 1.1.1. Định nghĩa động cơ điện một 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 ngành 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 ngành 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. Định nghĩa động cơ điện một chiều. Động cơ điện là loại máy điện biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ. Động cơ điện một chiều là động cơ hoạt động với dòng điện một chiều. 1.1.2. Phân loại động cơ điện một chiều. Động cơ điện một chiều được chia làm 3 loại dựa vào cách quấn dây. 2 1: Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp gồm có một cuộn dây kích từ được nối nối tiếp với cuộn dây phần ứng. 2: Động cơ điện một chiều kích từ song song. Động cơ điện một chiều kích từ song song gồm có một cuộn dây kích từ được nối song song với cuộn dây phần ứng. Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ song song Trong đó: U u là điện áp phần ứng. U kt là điện áp cuộn kích từ. E u là sức điện động phần ứng. R kt và R f là các điện trở cuộn kích từ và điện trở cuộn phần ứng. 3 : Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp. 3 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp gồm có một cuộn kích từ nối tiếp nối nối tiếp với cuộn dây phần ứng,một cuộn kích từ song song nối song song với cuộn dây phần ứng. 1.2. Giới thiệu về hệ truyền động điện T-Đ. - Hệ thống chỉnh lưu – Động cơ (CL- ĐC) dùng bộ biến đổi là một loại nguồn điện áp một chiều. Khi nối nó với mạch phần ứng của động cơ một chiều ta sẽ được hệ thống CL- ĐC. - Khác với máy phát điện một chiều, bộ biến đổi trực tiếp biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều không qua một khâu trung gian cơ học nào cả. - Hệ thống chỉnh lưu sử dụng Tiristor gọi là hệ chỉnh lưu Tiristor và nối hệ thống chỉnh lưu này với động cơ điện một chiều ta được hệ thống chỉnh lưu T- Đ. Hiện nay, các Tiristor được dùng phổ biến để tạo ra các bộ chỉnh lưu có điều khiển bởi các tính chất ưu việt của chúng: gọn nhẹ, tổn hao ít, tác động nhanh…. - Chỉnh lưu có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng điện kích thích động cơ. Tuỳ theo yêu cầu cụ thể của truyền động mà có thể sử dụng các sơ đồ chỉnh lưu thích hợp, để phân biệt chúng ta có thể căn cứ vào các dấu hiệu sau: o Số pha: 1pha, 3pha, 6pha… o Sơ đồ nối: hình tia, hình cầu đối xứng- không đối xứng. o Số nhịp: số xung áp đập mạch trong thời gian một chu kỳ điện áp nguồn. o Khoảng điều chỉnh: là vị trí của đặc tính ngoài trên mặt phẳng toạ độ [U d ;I d ]. o Chế độ năng lượng: chỉnh lưu, nghịch lưu phụ thuộc. o Tính chất dòng tải: liên tục, gián đoạn. - Nguyên lý điều khiển 4 Động cơ điện một chiều nhận năng lượng từ lưới điện xoay chiều thông qua bộ chỉnh lưu. Bộ chỉnh lưu biến đổi điện lưới xoay chiều thành nguồn điện một chiều cấp điện cho phần ứng động cơ điện một chiều. Khi điều khiển góc mở của các Tiristor( tức là Tiristor chỉ được mở khi điện áp Anot dương hơn Katot) ta điều khiển được điện áp phần ứng tức là điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều. *Đặc điểm của hệ chỉnh lưu: • Ưu điểm: - Độ tác động nhanh cao, tổn thất ít giảm tiếng ồn, hiệu suất lớn. - Có khả năng điều chỉnh trơn với phạm vi điều chỉnh rộng . - Có thể thiết lập hệ tự động để mở rộng rải điều chỉnh và cải thiện điều kiện làm việc của hệ. • Nhược điểm: - Khả năng linh hoạt khi chuyển đổi trạng thái làm việc không cao, khả năng quá tải về dòng và áp của van kém. - Sức điện động của bộ biển đổi có biên độ đập mạch lớn gây tổn hao phụ trong động cơ và làm xấu điều kiện chuyển mạch trên cổ góp động cơ làm xấu điện áp nguồn. - Khi điều chỉnh sâu hệ số công suất thấp nhất. - Chế độ làm việc của chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển và vào các tính chất của tải, trong truyền động điện, tải của chỉnh lưu thường là cuộn kích từ (R-L) hoặc mạch phần ứng động cơ (R-L-E). - Có thể đảo chiều động cơ bằng 2 cách: đảo chiều điện áp phần ứng hoặc đảo chiều từ thông kích từ. 5 1.3. Các phương pháp đảo chiều quay động cơ điện một chiều. Do chỉnh lưu Tiristor dẫn dòng theo một chiều và chỉ điều khiển được khi mở, còn khoá theo điện áp lưới, cho nên truyền động van đảo chiều khó khăn và phức tạp hơn truyền động máy phát- động cơ. Cấu trúc mạch lực cũng như cấu trúc mạch điều khiển hệ truyền động T – Đ đảo chiều có yêu cầu an toàn cao và có logic điều khiển chặt chẽ. Có hai nguyên tắc cơ bản đẻ xây dựng hệ truyền động T – Đ đảo chiều: - Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ động cơ. - Giữ nguyên chiều dòng kích từ và đảo chiều dòng điện phần ứng. Trong thực tế, các sơ đồ truyền động T – Đ có nhiều song đều thực hiện theo một trong hai nguyên tắc trên và được phân ra 5 loại sơ đồ chính sau: Hình 1.3a: Truyền động dùng một bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quay bằng đảo chiều dòng kích từ. 6 Hình 1.3b: Truyền động dùng một bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quay bằng công tắc tơ chuyển mạch ở phần ứng( từ thông giữ nguyên không đổi). Hình 1.3c: Truyền động dùng hai bộ biến đổi cấp cho phần ứng điều khiển riêng. 7 Hình 1.3d: Truyền động dùng hai bộ biến đổi nối song song ngược điều khiển chung. 8 Hình 1.3e: Truyền động dùng hai bộ biến đổi nối theo sơ đồ chéo điều khiển chung. Mỗi loại sơ đồ thích hợp với từng loại tải và yêu cầu công nghệ khác nhau: Loại 1.3a dùng cho công suất lớn rất ít đảo chiều. Loại 1.3b dùng cho công suất nhỏ tần số đảo chiều thấp. Loại 1.3c dùng cho mọi dải công suất có tần số đảo chiều lớn. Loại 1.3d,e dùng cho dải công suất vừa và lớn có tần số đảo chiều cao, so với ba loại trên thì nó thực hiện đảo chiều êm hơn nhưng lại có kích thước cồng kềnh, vốn đầu tư và tổn thất lớn hơn. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT 2.1. Các phương án thiết kế bộ chỉnh lưu có đảo chiều cung cấp cho động cơ điện một chiều. 2.1.1. Chỉnh lưu hình tia ba pha. Khi biến áp có 3 pha đấu (Y) mỗi pha A,B,C đấu với một van, catot đấu chung cho ta điện áp dương của tải, còn trung tính biến áp sẽ là điện áp âm. Các pha A,B,C dịch pha nhau 120 0 theo các đường cong điện áp pha vì vậy ta có điện áp của một pha dương hơn điện áp của 2 pha còn lại trong 1/3 chu kì. Từ đó thấy rằng tại mỗi thời điểm chỉ có điện áp của một pha dương nên chỉ có một van dẫn. 9 Nguyên lý mở thông các van: Khi anốt của van nào dương hơn thì van dó mới được kích mở, thời điểm hai điện áp của hai pha giao nhau được gọi là góc mở tự nhiên của các van bán dẫn. Các tiristor chỉ được mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm góc mở tự nhiên. Chỉnh lưu tia ba pha được phân biệt bởi hai vùng khác nhau: -Khi α < π/6 thì việc mở van bán dẫn không phụ thuộc vào tải dạng gì. Trong vùng mở điện áp dương các van dẫn liên tục: có sự chuyển mạch từ van này sang van kia, không có sự trả năng lượng về lưới. Các đường U d , i d liên tục. -Khi α > π/6 thì các van được mở trong khoảng nào tuỳ thuộc tính chất của tải: nếu tải thuần trở thì đường cong điện áp và dòng điện là gián đoạn còn nếu tải là điện cảm và nhất là điện cảm lớn thì thì đường cong dòng điện và điện áp là các đường cong liên tục. Với tải điện cảm tiristor được dẫn có phần âm điện áp nên có sự trả năng lượng về lưới. Tải thuần trở Tải điện cảm lớn Ta xét sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia: 10 [...]... nhau trong đó có lúc động cơ trở thành máy phát điện Năng lượng phát ra này trả về lưới điện xoay chiều Để thoả mãn yêu cầu này bộ CL chuyển sang hoạt động ở chế độ nghịch lưu vì nó hoạt động (đồng bộ ) theo nguồn xoay chiều nên gọi là nghịch lưu phụ thuộc - Như vậy mạch điện lúc này có 2 nguồn sức điện động : e1 :sđđ lưới xoay chiều Ed:sđ đ một chiều - Ta biết rằng một nguồn sức điện động sẽ phát được... được năng lượng nếu chiều sức điện động và dòng điện trùng nhau,ngược lại nó sẽ nhận năng lượng khi chiều 17 sức điện động và dòng điện ngược nhau Xuất phát từ nguyên tắc trên ta thấy rằng với bộ chỉnh lưu chỉ cho phép dòng điện đi theo một chiều xác định thì để có chế độ nghịch lưu cần phải thực hiện hai điều kiện : +Về phía một chiều :bằng cách nào đó chuyển đổi chiều E d để có chiều dòng và Ed trùng... trùng nhau +Về phía xoay chiều :điểu khiển mạch chỉnh lưu sao cho điện áp u d 0 Sự mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì u a > ub Lúc này T6 và T1 cho dòng chảy qua, điện áp trên tải: Ud = Uab = Ua - Ub Khi θ = θ2 = 3π/6 + α cho. .. tuỳ thuộc vào tính chất của tải là thuần trở hay điện cảm 2.1.2 Chỉnh lưu cầu ba pha a Chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng có thể coi như hai sơ đồ ba pha hình tia mắc ngược chiều nhau ud Hình 2.3: Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha + Nhóm catốt chung : T1,T3 và T5 + Nhóm anốt chung : T4,T6 và T2 Điện áp các pha thứ cấp MBA U a = 2 U 2 sinθ 2π ) 3 4π U c = 2.U 2 sin(θ ) 3 U b =... cần phải có bộ lọc - Không đảo được chiều dòng - Không thực hiện được chế độ nghịch lưu phụ thuộc - Dòng trung bình qua các van là khác nhau π+α Id 2π π-α = Id 2π I tbD = I tbT c Chế độ nghịch lưu phụ thuộc Nghịch là quá trình chuyển năng lượng từ phía dòng một chiều sang dòng xoay chiều (quá trình chuyển năng lượng ngược lại với chế độ CL ) Trong hệ TĐĐ một chiều, động cơ điện cần làm việc ở những... ∆Ur + ∆Ux : sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp Chọn sơ bộ ∆Uba = 6%.Ud = 6% 110 = 6,6 (V) Từ phương trình cân bằng điện áp tải ta có: Udo = = = 123,1 (V) Điện áp pha thứ cấp : U2 = Udo/ku = = 52,59 (V) Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA: I2 = khd.Id Khd: Hệ số dòng điện hiệu dụng ; khd = Id = = = 13,64 (A) 20 I2 = khd.Id = 13,64 = 11,14 (A) Dòng điện hiệu dụng sơ cấp MBA: I1 = kba I2 = (U2/U1)