Đồ án điện tử công suất đồ án điện tử công suất đề tài: Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ đoc lập có đảo chiều theo nguyên tăc điều khiển riêng.Mạch đảm bảo tốc độ trơn và có khâu bảo vệ chống mất kích từ Với số liệu Udm=110 V Iđm=15 A Ukích từ=110V Ikích từ=1,2A Phạm vi điêu chỉnh 10:1 NHIÊM Vụ : 1) Tìm hiểu về công nghệ và yêu cầu kỹ thuật của thiết bị cần thiết kế. 2) Đề xuất các phơng án tổng thể,phân tích u,nhợc điểm của từng phơng án để đi đến lựa chon một phơng án phù hợp thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật. 3) Xây dựng chi tiết toàn bộ sơ đò nguyên lý mạch thiết kế (cả mạch lực và mạch điều khiển),sau đó thuyết minh sự hoạt động của sơ đồ này với đồ thị minh hoạ. 4) Tính toán mạch lực. 5) Tính toán mạch điều khiển. 6) Lập bảng trị số toàn bộ các phần tử và linh kiện tính toán đợc trong phần 4 và 5. 7) Kiểm chứng bằng chạy mô phỏng trên máy tính PC. 8) Kết luận. 9) Tài liệu tham khảo. Trang 1 Đồ án điện tử công suất CHƯƠNG I Tìm hiểu về động cơ điện một chiều kích từ độc lập I. 1) Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều Ngày nay,động cơ điện một chiều vẫn đợc coi là một loại máy điện quan trọng mặc dù máy điện xoay chiều rát thông dụng do động cơ điện một chiều vẫn có những u điểm nh khả năng điều chinh tốc độ rát tốt.Nó đợc dùngtrong những ngành đòi hỏi yêu cầu cao về mặt điều chinh tốc độ nh máy cán thép,bào hầm mỏ,giao thông vận tải. Mặt dù có một số nhợc điểm so vói máy điện xoay chiều nh giá thành cao,bảo quản cổ góp phức tạp (dễ sinh tia lửa điện) nhng do những u điểm của nó mà nó vẫn có tầm quan trọng nhát định trong nền sản xuất. 2) Cấu tạo Động cơ điện một chiều có hai phần chính Phần tĩnh và phần động 2.1)Phần tĩnh (stato). Phần Stato là bộ phận đứng yên của máy nó bao gồm cục từ chính,cc từ phụ (là bộ phận sinh ra từ trờng hay nó là phần cảm). a)Cực từ chính Là bộ phận sinh ra từ trờng,gồm có lõi sắt cực từ và dây quán kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ.Lõi thép cực từ làm bằng lõi thép kỹ thuật điện mỏng ,các cuộn kích từ đợc quấn bằng dây đồng boc cách điện và tẩm sơn cách điện trớc khi đặt lên cực từ các cuộn kích từ này đợc nối tiếp với nhau. b) Cực từ phụ. Cực từ phụ đợc đặt giữa các cực từ chính và dùng để cảI thiện đổi chiều.Lõi thép thờng làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt day quấn mà cấu tạo giống nh dây quấn cực từ chính c)Gông từ Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy. d) Nắp máy Bảo vệ máy khỏi bị những vật bên ngoài rơI vào làm h hỏng dây quấn và an toàn cho ngời vận hành.Trong động cơ điện nó đợc làm giá đỡ ổ bi +Cơ cấu chổi than : Để đa dòng điện từ phàn quay ra ngoài.Cơ cấu chổi than gồm có một chổi than đặt trong hộp chổi than đợc cố định trên giá chổi than và cách điện với giá,giá chổi than có thể quay đợc để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. 2.2) Phần quay hay Roto (phần ứng) Bao gồm những bộ phận chính sau : a)Lõi sắt phần ứng Dùng để dẫn từ. Thờng dùng những tấm thép kỹ thuậtdày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng Trang 2 Đồ án điện tử công suất 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 ngời ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lạ thành lõi sắt có thể tạo đợc những lỗ thông gió dọc trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thờng 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 đợc 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 lợng 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 thờng làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ có công suất dới vài kw thờng dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thờng dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn đợc cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. c) Cổ góp : Dùng để đổi chiều dòng điẹn xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có đợc 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 đợc dễ dàng. d) Các bộ phận khác. - Cánh quạt : dùng để quạt gió làm nguội máy. Máy điện một chiều thờng 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 th- ờng làm bằng thép cacbon tốt. 3) Phân loại máy điện Động cơ điện một chiều phân loại theo cách kích thích từ thành động cơ điện kích hích độc lập, động cơ điện kích thích song song ,kích thích nối tiếp,kích thích hỗn hợp Trên thực tế đặc tính của động cơ kích từ độc lập và kích thích song song là giống nhau nên khi cần công suất lớn ngời ta thờng dùng động cơ kích từ độc lập để có thể điều chỉnh dòng điện kích thích đợc thuận tiện do đó mà điều chỉnh tốc độ dễ dàng và kinh tế hơn mặc dù nó đòi hỏi có dòng bên ngoài. Trong đồ án này ta xét đến động cơ điện một chiều kích từ độc lập Trang 3 Đồ án điện tử công suất Sơ đồ Khi mà nguồn một chiều có công suất không quá lớn thì mạch phần ứng và mạch từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên gọi là động cơ điện một chiều kích từ độc lập 4) Nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều Khi cho điện áp U vào hai chổi than A,B trong dây quấn phần ứng sinh ra dòng điện I .Các thanh dẫn ab,cd có dòng điện nằm trong từ trờng sẽ chịu tác dụng của lực F đt tác dụng làm cho Roto quay ,khi phần ứng quay nửa vòng thì vị trí các thanh dẫn ab,cd đổi chỗ cho nhau do đó các phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều tác dụng không đổi đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi,khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trờng sẽ cảm ứng sức điện động E ,chiều quay xác định theo quy tắc bàn tay trái Phơng trình phần ứng U =E +R.I II.) Điều chỉnh tốc độ động cơ và đảo chiều 1) Phơng trình đặc tính cơ U = E +(R +R f )I U :điện áp phần ứng E :suất điện động phần ứng R ,R f :điện trở phần ứng,điện trở phụ trong mạch phần ứng I :dòng điện mạch phần ứng R =r +r ct +r b +r tc r :điện trở cuộn dây phần ứng r ct : điện trỏ cực từ phụ r b :điện trở cuộn bù Trang 4 E I R f U I kt R kt U CKT U kt E I R f U I kt R kt U CKT U kt Đồ án điện tử công suất r tx :điện trở tiếp xúc chổi điện E = .2 . K a NP = a NP K 2 . = P : số cực từ chính N :số đôI mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng : từ thông kích từ dới một cực từ W b : tốc độ góc (Rad/s) E = K e . n. u fuufu u I K RR K U K IRRU K E )( . ).( . + = + == Mômen điện từ M đt =K. .I Suy ra I = .K M dt Nếu bỏ qua tổn thất coi mômen điện từ bằng mômen cơ đầu trục M đt =M cơ =M M K RR K U fu u . ).( . 2 + = (1) Mômen phụ thuộc vào từ thông và dòng phần ứng Từ phơng trình (1) suy ra : để thay đổi tốc độ động cơ ta có thể dùng phơng pháp thay đổi điện áp phần ứng U ,từ thông tức là thay đổi dòng kích từ I kt và thay đổi điện trở phần ứng R ,R f M =K. .I .do đó muốn đảo chiều động cơ tức là đảo chiều mômen M ta có thể dùng phơng pháp đảo chiều từ thông (tức là đảo chiều dòng kích từ I kt ) hoặc là đảo chiều dòng điện phần ứng I 2) Các phơng pháp thay đổi tốc độ a) Phơng pháp thay đổi từ thông ,thay đổi dòng kích từ I kt .Với một phụ tải M c nhất định .Khi giảm tốc độ động cơ tăng lên Khi kích thích dòng khác nhau đặc tính cơ nhận đợc khác nhau và độ dốc khác nhau.Giao điểm mômen cản M =f(I) với các đờng trên cho biết tốc độ xác lập ứng với thông số khác nhau của từ thông . Trang 5 n M(I u ) I u dm nodm Đồ án điện tử công suất b) Thay đổi điện áp phần ứng -Để điều chỉnh điện áp phần ứng đông cơ điện một chiều cần có thiết bị nguồn nh máy phát điện một chiều kích từ độc lập , các bộ chỉnh lu điều khiển các thiết bị này có chức năng biến đổi lợng xoay chiều thành một chiều có suất điện động E b điều chỉnh đợc là nhờ tín hiệu U đk -Phơng trình đặc tính cơ của hệ thống nh sau: u dm bud dm b I K RR K E . + = vì từ thông của động cơ đợc giữ không đổi nên độ cứng của đặc tính cơ cũng không thay đổi còn tốc độ không tải lý tởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp U đk của hệ thống do đó có thể nói phơng pháp điều chỉnh này là triệt để Để xác định dải điều chỉnh tốc độ ta thấy rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tính ứng với điện áp định mức và từ thông cũng giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi động , khi mômen tải là định mức thì giá trị lớn nhất va nhỏ nhất của tốc độ là: dm M = max0max dm M = min0min Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là: M nmmin = M cmax = K M .M đm Trong đó : K M : hệ số quá tải về mômen, do họ đặc tính cơ là những đờng thẳng song song với nhau nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết: ( ) ( ) ( ) 1 1 1 1 1 max0 max0 minmin = = == M dm dm M dm M dm dmnm K M M K M D K M MM * Phạm vi điều chỉnh phụ thuộc tuyến tính vào Trang 6 BBĐ LK Đồ án điện tử công suất 3) Vấn đề đảo chiều Chiều quay động cơ phụ thuộc vào chiều quay mômen có thể dùng hai phơng pháp .Hoặc thay đổi chiều dòng phần ứng I hoặc đổi chiều từ thông (đổi chiều dòng kích từ I kt ). + Nếu dùng phơng pháp đảo chiều dòng kích từ .Khi máy đang quay thì do hệ số điện cảm của cuộn dây kích thích lớn (do có nhiều vòng dây) nên khi thay đổi dòng kích thích I kt thì xuất hiện suát điện động cảm ứng rất cao gây ra điện áp làm đánh thủng cách điện dây quấn kích thích . Do đó để đảo chiều quay động cơ ta chon phơng pháp đảo chiều dòng phần ứng I Từ những phân tích trên ta chon phơng pháp thay đổi tốc độ là thay đổi điện áp phần ứng U (tức là điều khiển U ) và đảo chiều quay bằng đảo chiều dòng phần ứng I 4) Một số yêu cầu kỹ thuật khác a) Độ trơn i i 1+ = Trong đó 1 , +ii là tốc độ ổn định của động cơ đạt đợc ở cấp i ,i+1 1 tức là hệ truyền động có thể ổn định ở mọi vị trí trong toàn dảI điều chỉnh b) Dải điều chỉnh tốc độ Là phạm vi điều chỉnh là tỉ số giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tốc độ làm việc ứng với mômen tảI đã cho min max =D max bị hạn chế bởi độ bền động cơ và độ bền của vành góp min bị chặn bởi yêu cầu về mômen khởi động ,khả năng quá tải và sai số tốc độ làm việc cho phép. Trang 7 min 0min max omax M đm M nmmin đk1 đk2 Đồ án điện tử công suất c) Chống mất kích từ Khi mở máy phảI đảm bảo chống mất kích từ mà nguyên nhân là do ngắn mạch kích thích Vì khi đó E =0 nên I = uu u R U R EU = U không đổi ,R rất nhỏ (điện trở cuộn dây phần ứng) nên I rất lớn làm cháy dây quấn và vành góp + cách khắc phục điều này là phảI có bộ phận nhận biết đợc mất kích từ ( 0= và do đó I =0) thì lập tức ngắt nguồn cấp cho phần ứng tức U =0. Khi đó I không lớn và tránh đợc sự cố trên. Trang 8 Đồ án điện tử công suất CHƯƠNG II Mạch lực I).Lựa chọn phơng án mạch lực Từ yêu cầu bài toán: U dm = 110V I dm = 15A U kt = 110V I kt = 1,2A Công suất định mức của động cơ điện 1 chiều S dm = U dm I dm = 110.15 = 1650W là nhỏ Công suất kích từ : S dmkt = U kt .I kt =110.1,2 = 132W Vì Sdm và Sdmkt nhỏ nên ta chọn mạch lực là mạch chỉnh lu 1 pha. Ta có các phơng án đa ra cho mạch lực : _ Chỉnh lu một nửa chu kỳ _ Chỉnh lu cả chu kỳ với biến áp có trung tính _ Chỉnh lu một pha . 1.) Chỉnh lu một nửa chu kỳ . Ud o Với sơ đồ này sóng điện áp ra một chiều bị gián đoạn trong một nửa chu kỳ khi điện áp anốt của van bán dẫn âm , do đó khi sử dụng sơ đồ chỉnh lu một nửa chu kỳ chất lợng điện áp tải xấu . Điện áp tải trung bình lớn nhất trên tải U do = 0,45U2 Vì chất lợng điện áp xấu nên hiệu suất của máy biến áp cũng thấp . S ba = 3,09.U d .I d +Ưu điểm _ Là loại chỉnh lu có nguyên lý đơn giản ít van +Nhợc điểm _Chất lợng điện áp xấu _Hiệu suất sử dụng máy biến áp thấp Trang 9 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 U2 R L T U1 Đồ án điện tử công suất 2.)Chỉnh lu cả chu kỳ với biến áp có trung tính T2 U1 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 R U2 U2 T1 L (dạng dòng ,áp trên tải và điện áp ngợc trên van T 1 trong trờng hợp tải thuần trở và tải điện cảm lớn) Xét với tải RL , điện cảm lớn để lọc dòng và áp có chất lợng tốt _Biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống hệt nhau, ở mỗi nửa chu kỳ có một van dẫn cho dòng chảy qua Trang 10 i T1 I d o a i d Ud 2? I d i T1 U d o 2? I d [...]... năng lợng dòng một chiều phía tải thành dòng điện xoay chiều cấp trở lại lới điện chế độ làm vi c nh vậy chính là khi ta hãm tái sinh để tiết kiệm năng lợng Để sức điện động E phát năng lợng trở lại lới điện thì dòng và áp phải ngợc chiều nhau Ud và Id ngợc nhau Do dòng điện chỉ chảy theo một chiều từ A đến K của thyristor nên ta điều chỉnh sao cho ư chiều dòng nh cũ ư đảo chiều sức điện động Ed ư ở... Trang 28 Đồ án điện tử công suất dạng tam giác, ta thờng gọi là điện áp tựa là điện áp răng ca Urc Nh vậy điện áp tựa cần có trong vùng điện áp dơng anod Dùng một điện áp một chiều Uđk so sánh với điện áp tựa Tại thời điểm (t1,t4) điện áp tựa bằng điện áp điều khiển (Urc = Uđk), trong vùng điện áp dơng anod, thì phát xung điều khiển Xđk Tiristo đợc mở từ thời điểm có xung điều khiển (t1,t4) cho tới cuối... cho thoả mãn hệ số đập mạch cho trớc đồng thời hiệu chỉnh dể có kích thớc vừa phải Ta dùng một điện cảm mắc nối tiếp với động cơ Điện kháng của điện cảm L Xd =w.L càng lớn so với Rd càng tốt L= 2.Rd mdm w1 (mdm 2 1).K dmr U d 143 = = 9,5() Rd = Id 15 Cầu một pha có mdm =2,w1 =2 f =100 kdm = 0,67 thay vào ta có L = 2.9,5 2.100..(2 2 1).0,67 = 0.015( H ) nh vậy ta cần có một cuộn cảm có trị số điện. .. van này đợc mở thông và đặt điện áp lới lên tải Ud = U2 Điện áp tải một chiều bằng điện áp xoay chiều (Ud = U2) cho đến khi nào T1 , T2 còn dẫn (Khoảng dẫn của các van phụ thuộc vào tải ) Nửa chu kỳ sau, điện áp đổi dấu , anot của T3 dơng và katot T4 âm , nếu có xung điều khiển mở đồng thời T3,T4 thì các van này đợc mở thông và Ud = U2 , với điện áp một chiều có cùng chiều với nửa chu kỳ trớc a Ud... Đối tợng cần điều khiển đợc đặc trng bởi góc II) Nguyên lý mạch điều khiển Ta có hai phơng pháp điều khiển thyristor là phơng pháp điều khiển ngang và phơng pháp điều khiển thẳng đứng.Để đơn giản ta dùng phơng pháp điều khiển thẳng đứng tuyến tính Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào anod của Tiristo, để có thể điều khiển đợc góc mở của Tiristo trong vùng điện áp + anod, ta cần tạo một điện áp tựa... sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anod và catod của Tiristor Khi có mạch R-C mắc song song với Tiristor tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Tiristor không bị quá điện áp Với thyristor ta đã chọn và theo kinh nghiệm ta chọn R = 20 ( ) và C = 4 ( àF ) IV) thiết kế bộ lọc một chiều Mục đích là để xác định trị số điện cảm lọc cần thiết. .. tính điện áp sụt một phần và đó là sụt áp gây ra do trùng dẫn U à 2 U à = 2. = à 2 U 2 sin ( + ) d = 0 2 U 2 ( cos cos( à + ) ) Trang 16 Đồ án điện tử công suất U à = 2 X c I d khi đó giá trị trung bình điện áp trên tải là Ud =Ud - 2 X c I d 2 2 2 X c I d = U 2 cos Ud =R.Id +E 3) Nghịch lu phụ thuộc Trong đông cơ điện một chiều có sức phản điện động ,trong điều kiện nào đó nó có thể làm vi c... điều khiển Hoạt động của mạch điều khiển hình 8 có thể giải thích theo giản đồ các đờng cong trên hình 9 nh sau: Điện áp vào tại điểm A (UA) có dạng hình sin, trùng pha với điện áp anod của Tiristo T, qua khuếch đại thuật toán (KĐTT) A1 cho ta chuỗi xung chữ nhật đối xứng UB Phần áp dơng của điện áp chữ nhật UB qua điôt D1 tới A2 tích phân thành điện áp tựa Urc Điện áp âm của điện áp ư 34 ư đồ án điện. .. áp xung, để đa tới mở Tiristo T Điện áp Ud sẽ xuất hiện trên tải từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên, tại các thời điểm t2, t4 trong chuỗi xung điều khiển, của mỗi chu kỳ điện áp nguồn cấp, cho tới cuối bán kỳ điện áp dơng anod ư 35 ư đồ án điện t công suất III) TíNH TOáN MạCH ĐIềU KHIểN (sơ đồ tỏng thể mạch điều khiển ) Thyristor dùng trong mạch là ACR44U08L - điện áp ngợc van : Un =800 (V) -... này là cho phép Trang 27 Đồ án điện tử công suất CHƯƠNG IV TíNH Toán mạch điều khiển I) Nhiệm vụ của mạch điều khiển: Nhiệm vụ của mạch điều khiển là tạo ra các xung vào ở những thời điểm mong muốn để mở các Tiristor của bộ chỉnh lu trong mạch động lực.Tiristor chỉ mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp dơng đặt trên Anod và có xung áp dơng đặt vào cực điều khiển Sau khi tiristor đã mở thì xung điều . Đồ án điện tử công suất đồ án điện tử công suất đề tài: Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ đoc lập có đảo chiều theo nguyên tăc điều khiển riêng.Mạch. tốt. 3) Phân loại máy điện Động cơ điện một chiều phân loại theo cách kích thích từ thành động cơ điện kích hích độc lập, động cơ điện kích thích song song ,kích thích nối tiếp ,kích thích hỗn hợp . mà nguồn một chiều có công suất không quá lớn thì mạch phần ứng và mạch từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên gọi là động cơ điện một chiều kích từ độc lập 4) Nguyên lý làm vi c động