Thiết kế mạch điều khiển cho chỉnh lưu tia ba pha để cấp điện cho động cơ điện một chiểu không đảo chiều quay

76 740 2
Thiết kế mạch điều khiển cho chỉnh lưu tia ba pha để cấp điện cho động cơ điện một chiểu không đảo chiều quay

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng dụng của các linh kiện bán dẫn công suất làm việc ở chế độ chuyển mạch và quá trình biến đổi điện năng. Ngày nay, không riêng gì ở các nước phát triển, ngay cả ở nước ta các thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và cả trong lĩnh vực sinh hoạt. Các xí nghiệp, nhà máy như: ximăng, thủy điện, giấy, đường, dệt, sợi, đóng tàu….. đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu của công nghiệp điện tử nói chung và điện tử công suất nói riêng. Đó là những minh chứng cho sự phát triển của ngành công nghiệp này. Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đaị hoá đất nước, ngày càng có nhiều xí nghiệp mới, dây chuyền mới sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện những kiến thức về điện tử công suất. Cũng với lý do đó, trong học kỳ này em được nhận đồ án môn học điện tử công suất, đề tài: “Thiết kế mạch điều khiển cho chỉnh lưu tia ba pha để cấp điện cho động cơ điện một chiểu không đảo chiều quay”.

Điện tử cơng suất LỜI NĨI ĐẦU Điện tử cơng suất lĩnh vực kỹ thuật đại, nghiên cứu ứng dụng linh kiện bán dẫn công suất làm việc chế độ chuyển mạch trình biến đổi điện Ngày nay, khơng riêng nước phát triển, nước ta thiết bị bán dẫn thâm nhập vào ngành công nghiệp lĩnh vực sinh hoạt Các xí nghiệp, nhà máy như: ximăng, thủy điện, giấy, đường, dệt, sợi, đóng tàu… sử dụng ngày nhiều thành tựu công nghiệp điện tử nói chung điện tử cơng suất nói riêng Đó minh chứng cho phát triển ngành cơng nghiệp Với mục tiêu cơng nghiệp hố đaị hố đất nước, ngày có nhiều xí nghiệp mới, dây chuyền sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán kỹ thuật kỹ sư điện kiến thức điện tử công suất Cũng với lý đó, học kỳ em nhận đồ án môn học điện tử công suất, đề tài: “Thiết kế mạch điều khiển cho chỉnh lưu tia ba pha để cấp điện cho động điện chiểu không đảo chiều quay” Điện tử công suất Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ bảo tận tình thầy Khương Cơng Minh thầy Lê Tiến Dũng q trình làm đồ án mơn học với đề tài Mặc dù dành nhiều cố gắng khơng tránh khỏi sai sót định, em mong góp ý, bảo thầy, cô Điện tử công suất MỤC LỤC Chương 1: Tổng quan động điện chiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cách thay đổi điện áp……………………… Trang Chương 2: Tổng quan chỉnh lưu Tiristor hình tia ba pha Thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống chỉnh lưu - động điện chiều (hệ T Đ) có đảo chiều…………………………………………………………………… T rang 11 Chương 3: Tính chọn phần tử mạch động lực ………… Trang 19 Chương 4: Tính chọn phần tử mạch điều kết khiển……………….Trang 32 Chương 5: Mạch bảo vệ luận……………………………….Trang 41 Tài liệu tham khảo…………………………………………… … Trang 44 Điện tử công suất CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG CÁCH THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP Trong sản xuất đại, máy điện chiều coi loại máy quan trọng Nó dùng làm động điện, máy phát điện hay dùng điều kiện làm việc khác Động điện chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt , máy dùng nhiều ngành cơng nghiệp có u cầu cao điều chỉnh tốc độ cán thép, hầm mỏ hay giao thông vận tải I- Tổng quan động điện chiều: 1/ Phân loại : Động điện chiều chia làm nhiều loại theo bố trí cuộn kích từ :  Động điện chiều kích từ độc lập  Động điện chiều kích từ song song  Động điện chiều kích từ nối tiếp  Động điện chiều kích từ hỗn hợp Điện tử cơng suất 2/ Ưu nhược điểm động điện chiều: - Ưu điểm: Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ Có nhiều phương pháp hãm tốc độ - Nhược điểm: Tốn nhiều kim loại màu Chế tạo, bảo quản khó khăn Giá thành đắt máy điện khác 3/ Sơ đồ nguyên lý hoạt động Uæ Rf E RKT CKT IKT UKT II- Đặc tính máy điện chiều: Quan hệ tốc độ mơmen động gọi đặc tính động ω = f(M) n = f(M) Điện tử công suất Quan hệ tốc độ mômen máy sản xuất gọi đặc tính máy sản xuất ωc= f(Mc) nc= f(Mc) Ngoài đặc tính cơ, động điện chiều người ta cịn sử dụng đặc tính điện đặc tính điện biểu diễn quan hệ tốc độ dòng điện mạch động cơ: ω = f(I) n = f(I) 1/ Phương trình đặc tính cơ: Theo sơ đồ hình (1-1) ta viết phương trình cân điện áp Uæ mạch phần ứng sau: Rf E Uæ = Eæ + (Ræ +Ræ)Iæ Trong đó: - điện áp phần ứng, (V) - sức điện động phần ứng,(V) RKT CKT IKT UKT Ræ - điện trở mạch phần ứng Rf - điện trở phụ mạch phần ứng Ræ = ræ + rcf + rb + rct Với: Trong đó: rỉ - điện trở cuộn dây phần ứng rcf - điện trở cuộn cực từ phụ rb- điện trở cuộn bù rct- điện trở tiếp xúc chổi than Hình 1- Điện tử cơng suất Sức điện động phần ứng động xác định theo biểu thức: pN = 2πa φω = kφω Trong đó: p- số đơi cực từ N- số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng a- số đôi mạch nhánh song song cuộn dây phần ứng φ- từ thông kích từ cực từ ω- tốc độ góc,rad/s pN k = 2πa - hệ số cấu tạo động Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vịng/phút) thì: = Ke.φn 2πn n Với: ω = 60 = 9.55 Vì vậy: pN = 60a φn pN Ke = 60a hệ số sức điện động động K Ke = 9.55 ≈ 0.105K Từ biểu thức trên, ta có: Điện tử cơng suất ω= U ỉ Rỉ + R f − Iỉ Kφ Kφ Là phương trình đặc tính điện động Mặt khác, mômen điện từ Mât động xác định bởi: Mât= Kφ Iæ Suy ra: M ât Iæ = K φ Thay giá trị Iỉ vào phương trình đặc tính động ta được: ω= U æ Ræ + R f − M ât Kφ ( Kφ ) Nếu bỏ qua tổn thất tổn thất thép mômen trục động mômen điện từ, ta ký hiệu M Nghĩa Mât= Me= M Khi ta được: ω= U ỉ Rỉ + R f − M Kφ ( Kφ ) Đây phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Giả thiết phản ứng phần ứng bù đủ, từ thơng φ = Const, phương trình đặc tính điện phương tình đặc tính tuyến tính Đồ thị chúng biểu điển hình (1-2) đường thẳng Theo đồ thị trên, Iæ= M = ta có: Điện tử cơng suất ω= = ω0 Kφ ω0: gọi tốc độ khơng tải lý tưởng động U Còn ω = ta có: I ỉ = R − R = I nm æ f Và M = KφInm = Mnm Inm, ω0 ωâm ω I Iâm ω0 ω ωâm I Inm Mâm M nm a Âàûc cå âiãûn cuía âäüng cå b Âàûc cå cuía âäüng cå âiãûn mäüt chiãưu kêch tỉì âäüc láûp âiãûn mäüt chiãưu kờch tổỡ õọỹc lỏỷp Hỗnh 1-2 Inm,Mnm: c gi l dịng điện ngắn mạch mơmen ngắn mạch Mặt khác từ phương trình đặc tính điện phương trình đặc tính viết dạng: Điện tử cơng suất ω= U ỉ RI − = ω − ∆ω K φ Kφ ω= Uæ R − M K φ ( Kφ ) ω0 = Uæ Kφ ∆ω = RM RI æ = ( Kφ ) gọi độ sụt tốc độ ứng với giá trị Kφ M 2/ Xét ảnh hưởng tham số đến đặc tính cơ: Từ phương trình đặc tính ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: Từ thơng động φ, điện áp phần ứng Uæ, điện trở phần ứng động cơ.Ta xét ảnh hưởng tham số đó: a) Ảnh hưởng điện trở phần ứng: Giả thiết Uæ=Uâm= Const ω0 TN(Rn) φ = φâm= Const Rf1 Rf2 Hỗnh 1-3 Mc 10 Rf3 Rf4 in tử cơng suất Hình 4-3 62 Điện tử cơng suất Pin Symbol Chân Kí hiệu GND Function (Chức năng) Q2 Ground Output inverted Nối đất Đầu số đảo QU Output U Đầu U Output inverted Đầu số đảo Q1 VSYNC I Synchronous voltage Điện áp đồng Inhibit Chân khoá QZ VREF R9 Output Z Đầu Z Stabilized voltage Điện áp chuẩn Ramp resistance Điện trở tuyến tính 10 11 12 13 14 C10 V11 C12 L Q1 Ramp capacitance Tụ tuyến tính Control voltage Điện áp điều khiển Pulse extension Mở rộng xung Long pulse Xung dài Output Đầu số 15 16 Q2 Vs Output Supply voltage 63 Đầu số Điện áp nguồn nuôi Điện tử công suất b) Sơ đồ vi mạch TCA 780: 64 Điện tử cơng suất -Có thể điều chỉnh góc mở α từ 00 đến 1800 điện -Thông số chủ yếu TCA 780: +Điện áp nuôi: Us = 18 V +Dòng điện tiêu thụ: IS = 10 mA 65 Điện tử cơng suất +Dịng điện ra: I = 50 mA +Điện áp cưa: Ur max = (US – 2) V +Điện trở mạch tạo điện áp cưa: R9 = 20 k Ω - 500 k Ω +Điện áp điều khiển: U11 = -0,5 – (Us – 2) V +Dịng điện đồng bộ: IS = 200 µ A +Tụ điện: C10 = 0,5 µ F +Tần số xung ra: f = 10 – 500 Hz c ) Nguyên lý hoạt động : TCA 780 hoạt động theo nguyên tăc điều khiển thẳng đứng tuyến tính +Tụ C10: tham gia vào khâu tạo điện áp cưa, nạp dòng điện i từ chân số 10 dòng i điều chỉnh R (thường R9 = 20 k Ω - 500 k Ω ) Dịng điện i tính: i= U 3,3 = R9 R (Thường chọn R9 = 200 k Ω ) i.t C10 (Thường chọn C10 = 0,5 µ F) U 10 = +Uc : điện áp điều khiển lấy từ chân 11 (Khoảng 0,5 – 16 V) 66 Điện tử công suất +Ur = Uc – Uv : Uc = Ur tức Uv =0 TCA làm nhiệm vụ so sánh tạo xung Bằng cách làm thay đổi U c điều chỉnh thời điểm xuất xung tức điều chỉnh góc mở α +Tại thời điểm t = t0, U10 = Uc = U11, xuất xung dương chân 15 nên V(t)>0, xuất xung chân 14 V(t) 300 pF +US : điện áp nguồn nuôi từ chân 6, 13, 16 với điện áp chiều (18 V) Lưu ý: +Trường hợp sơ đồ chỉnh lưu hình tia pha sử dụng tiristor ta cần sử dụng xung lấy từ chân số 15 +Để có xung điều khiển cho tiristor cần có vi mạch TCA 780 đảm nhận 3/ Khâu khuếch đại xung: -Xung vi mạch TCA 780 chưa đủ lớn để mở tiristor, cần khuếch đại xung có biên độ đủ lớn để mở tiristor động lực 67 Điện tử công suất -Khuếch đại tạo xung gồm linh kiện: transistor, biến áp xung, diot điện trở phân cực cho tranzitor a) Sơ đồ pha khâu khuếch đại xung: Hình 4-6 b) Chức linh kiện: - Dz1:diot ổn áp,ổn định điện áp đầu vào khâu khuếch đại - D3: hướng dòng cung cấp cho transistor - D2, Dz2: hạn chế điện áp cực colector emitor transistor 68 Điện tử công suất - R1, R2: điện trở hạn chế dòng phân cực IB transistor - Rc:điện trở hạn chế dòng collector - D4:ngăn chặn xung áp âm có T bị khóa - Rg: hạn chế dịng điều khiển - R3: điều khiển biên độ sườn xung c) Hoạt động sơ đồ: Giả sử tín hiệu vào Uc (là tín hiệu logic) lấy từ chân 15 (và 14) TCA 780 -Khi Uc = “1” (mức logic 1)thì tranzitor dẫn bão hồ Giả sử t = 0, Uc = “1”, tranzitor dẫn, điện cảm L biến áp xung ngăn không cho I c = US ngay, mà dòng Ic tăng từ từ theo hàm Rc mũ −t Uc ic = (1 − e T ) Rc với T = L1 Rc -Khi Uc = “0” (mức logic 0) Dz1 bị chặn lại tranzitor bị khoá Khi t = t1 Uc = “0” ta có: − t1 US U i L (t1 ) = i c (t1 ) = (1 − e T ) = I < S Rc Rc Tranzitor bị khoá  Ic = 69 Điện tử công suất 2 Vậy khơng có diot D2 lượng W = L.I sinh điện áp cực C E, điện áp vượt 100V nên phá huỷ transistor Khi có D2: UCE = UC – UE = 0,8 (V) D2 mở cho dịng chạy qua làm ngắn mạch điểm C, F cuộn sơ cấp máy biến áp xung Do đó: UCE = US + 0,8 (V) 4/ Khâu truyền hàm điều khiển: Khi có xung cuộn dây thứ cấp máy biến áp xung, xung truyền qua D4 đến điều khiển mở tiristor T phân cực thuận 5/ Tính chọn thơng số phần tử mạch điều khiển: a) Tính chọn phần tử khâu khuếch đại xung: Chọn diot D4 dùng điều khiển tiristor 91RC60: US = V, Ig = 300 mA Chọn diot D4 loại S310 Liên Xô với thông số: UCE = 40 V, UBE = V, Ic max = 300 mA, β = 13 – 25 Với IC = 150 mA, chọn β = 20 → IB = I C 150 = = 7,5mA β 20 Điện trở Rc: Rc = U CE − U − ∆U D U S − U − ∆U D 18 − 15,2 − 0,6 = = = 14,667(Ω) Ic Ic 150.10 − 70 Điện tử công suất ⇒ Rc = 15(Ω) Tính chọn R1: U BE 3.10 R1 = = = 70,58(Ω) I c I B 150.7,5.10 −6 Chọn D2, D3 loại S310 có thơng số: I = 0,5 A, Ung max = 20 V, UV = ∆UD3 = 0,6 V Diot Dz loại diot zener loại 1W3815 có thơng số: Imax = 264 mA, U0N = 16 V, Pmax = W Tính chọn Dz1 R2: Dòng điện từ chân 14 15 qua diot D1 50 mA Biên độ xung Ux = 16 V Chọn Dz1 diot zener loại KU139A có thơng số U = 3,7 V; Imax = 70 mA; Imin = 30 mA Dòng điện chân 14 15 qua diot D1 50 mA Biên độ xung Ux = 16 V Điện trở R2 tính sau: R2 = U X − U − U BE 16 − 3,7 − = = 186(Ω) I 150 b) Chọn phần tử bên TCA 780: Ta chọn R q = 100(kΩ) 71 Điện tử cơng suất C10 = 0,5( µF ) C12 = 0,5( µF ) c) Tính tốn máy biến áp đồng pha: Máy biến áp đồng pha máy biến áp tạo nguồn cung cấp cho TCA 780 Máy biến áp đồng pha có điện áp lớn 380/220 V, có sơ đồ nối dây ∆∕Ү để tạo độ lệch 300 cách tự nhiên, đồng thời tạo đồng pha máy biến áp thứ cấp Độ dài xung cưa độ dài máy biến áp đồng pha với điện áp điều khiển cực đại là: U max = U dk sin 170 = UC sin 170 = 16 = 91,954(V ) 0,174 TCA có dịng vào đồng khoảng I5 = 200 ( µA) Vậy điện trở R5 tính sau: R5 = U 91,954 = = 0,46.10 (Ω) = 460( kΩ) I5 200 Tỉ số biến áp máy biến áp đồng pha: n= U1 380 = = 4,133 U 91,954 Dòng điện sơ cấp máy biến áp là: I1 = I2 200 = = 48,397( µA) n 4,133 Cơng suất máy biến áp đồng pha: 72 Điện tử công suất S = U1 I = 380 48,397 106 = 55,77 103 (W) Công suất máy biến áp đồng pha tương đối nhỏ d) Tính chọn biến áp xung: Tỉ số biến áp biến áp xung tính theo cơng thức: m= U1 UX (thường m = -3 ) Chọn m = Vậy điện áp sơ cấp biến áp xung là: U1 = m UX = (7 + 0,6) = 15,2 (V) Với UX = Uq + ∆Up = (7 + 0,6) (V) Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I1 = Ig = 150(mA) *Mạch từ: Chọn vật liệu sắt từ ∋ 330, lõi sắt từ có dạng hình chữ nhật, làm việc phần đặc tính từ hố tuyến tính B S = 2,2 T, ∆B = 1,7 T làm việc f = 50 Hz, có khe ∆H = 50 A/m Từ thẩm lõi thép từ: µ= ∆B 0,7 = = 1,4.10 −6 µ ∆H 50.10 Vì mạch từ có khe hở nên phải tính từ thẩm trung bình Sơ ta chọn chiều dài trung bình đường sức: 73 Điện tử cơng suất L = 0,1 m; khe hở lkh = 10-5 µ tb = L l kh + L µ = 0,1 10 −5 + 0,1 1,4.10 − = 5,8.10 −3 Thể tích lõi sắt từ: V = φ1 = µ tb µ t X S U S I 5,8.10 −3.10 −6 5.10 −4 0,15.15,2.0,15 = ∆B 0,7 = 2,204 10-6 (m) = 2,204 (cm3) Chọn thể tích (cm3) Chọn số liệu thiết kế: l = (cm), a = =1,5 (cm) Số vòng dây cuộn sơ cấp biến áp xung: U tx1 15,2.5.10 −4 W1 = = = 95(vòng ) ∆B.φ K 0,7.1,5.0,76.10 − Số vòng dây cuộn thứ cấp biến áp xung: W2 = U2 7,6.95 W1 = = 47,5(vịng ) U1 15,2 74 Điện tử cơng suất CHƯƠNG MẠCH BẢO VỆ VÀ KẾT LUẬN I-Mạch bảo vệ: 1/Giới thiệu : Các phần tử bán dẫn cơng suất sử dụng ngày rộng rãi, có nhiều ưu điểm như: gọn nhẹ, làm việc với độ tin cậy cao, tác động nhanh, hiệu suất cao, dễ dàng tự động hoá…… Tuy nhiên phần tử bán dẫn cơng suất khó tính tốn hay bị hư hỏng nhiều nguyên nhân khác 75 Điện tử cơng suất Do cần phải bảo vệ tiristor, cần phải tôn trọng tỉ số giới hạn sử dụng nhà chế tạo định với phần tử - Điện áp ngược lớn - Giá trị trung bình lớn dịng điện - Nhiệt độ lớn thiết bị - Tốc độ tăng trưởng lớn dòng điện di dt - Thời gian khoá toff - Thời gian mở ton - Dịng điện kích thích - Điện áp kích Các phần tử bán dẫn cơng suất cần bảo vệ chống nhiều cố bất ngờ xảy gây nhiễu loạn nguy hiểm như: ngắn mạch tải, điện áp dòng điện Các phần tử bán dẫn nhạy cảm với nhiệt độ Trong làm việc với nhiệt độ nhiệt độ cho phép dù thời gian ngắn phá huỷ thiết bị Đối với bán dẫn Ge: TjM = 800 - 1000 Đối với bán dẫn Si: TjM = 1800 – 2000 Nếu phần tử bán dẫn không làm mát khả chịu dịng điện cịn 30% - 50% Để cho tiristor làm việc tốt ta dùng 76 ... lượng điều chỉnh cao, dải điều chỉnh rộng Thực tế có phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều điện áp: +Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động 14 Điện tử công suất +Điều chỉnh điện áp cấp cho. .. trung bình điện áp pha dẫn Hiện tượng chuyển mạch làm giảm điện áp trung bình III- Hệ thống chỉnh lưu - động có đảo chiều Bộ chỉnh lưu kép điều khiển chung: Trong chỉnh lưu kép điều khiển chung,... hai chỉnh lưu Để giảm dòng cân bằng, cuộn kháng cân L L2 phải thêm vào mạch chỉnh lưu hình vẽ Như vậy, hai chỉnh lưu hoạt động, động làm việc theo chiều có chỉnh lưu cung cấp dòng cho phần ứng động

Ngày đăng: 03/02/2015, 09:15

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan