đồ án Chỉnh Lưu Cầu 1 Pha - 123doc

đồ án THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU CẦU 1 PHA CÓ ĐẢO CHIỀU ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

Đồ án môn học-Điên tử công suất

e ⁄# 9® A

Loi noi dau solLjce

* Như chúng ta đã biết trong tất cả các hệ thống máy móc, thiết bị điện dùng trong sinh hoạt và sản xuất hiện nay chủ yếu sử dụng nguồn điện xoay chiều Tuy nhiên bên cạnh đó không ít những thiết bị điều khiển từ nguồn 1 chiều ,vì nhiều tính năng đặc biệt của nó

Nguồn điện 1 chiều có thể được sản xuất từ máy phát điện 1 chiều ,hoặc lấy từ nguồn xoay chiều qua các thiết bị chỉnh lưu ,lọc Dòng điện 1 chiều sản sinh ra từ MFĐIC thường có chất lượng coa hơn nhưng do thiết bị phức tạp và ít kinh tế nên trong kỷ thuật người ta thường tạo dòng điện 1 chiều bằng cách chỉnh lưu từ dòng xoay chiều.Đó cũng chính là nội dung và ý nghĩa của tập thuyết minh này

Nội dung tập thuyết minh này trình bày thiết kế bộ chính lưu cầu một pha có

điều khiển ,biến dòng xoay chiều thành dòng 1 chiều để điều khiển tốc độ phần ứng

của động cơ diện l chiều kích từ độc lập.Nội dung gồm có 5 phần:

> Phần I:Tổng quan vềbộ chỉnh lưu cầu 1 pha có diều khiển

> Phần 2:Tính chọn mạch động lựcvà cuộn kháng cân bằng

> Phần 3:Tính chọn mạch bảo vệ

> Phần 4:Thiết kế mạch bảo vệ theo nguyên lý ARCCOS

> Phân 5:Mô phỏng hệ htống trên Circuitmaker

Và một bản vẽ day đủ trên giấy A,

Với sự cố bắng nỗ lực của bản thân cùng với sự hướng dẫn giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn Doan Quang Vinh,thay giáo bộ môn Nguyễn Mạnh Hà và các thầy cô khác trong khoa.Nhưng do thời gian và năng lực còn hạn chế,kiến thức chuyên ngành chưa nhiều, nên chắc chắn trong quá trình thiết kế còn nhiều sai sót

„mong được các thầy cô chỉ dẫn thêm

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy giào hướng dẫn Đoàn Quanh Vinh, thầy giáo bộ môn Nguyễn Mạnh Hà cùng tất cả các thầy cô trong Khoa

Chúc các thầy cô cùng gia quyến luôn mạnh khoẻ và hạnh phúc,chúc buổi bảo

vệ thành công tốt đẹp

Sinh viên : Hoàng Văn c

Đồ án môn học-Điên tỉ công suất

Nhiệm vụ thiết kế và yêu cầu:

Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Tổng quan về bộ chỉnh lưu cầu một pha

Tính chọn mạch động lực

Tính chọn mạch bảo vệ và cuộn kháng san bằng

Thiết kế mạch điều khiển theo nguyên lý ARCCOS

Mô phỏng

Một bản vẽ đầy đủ về bộ chỉnh lưu trên giấyA+

Đồ án môn học-Điên tỉ công suất

Phần I : tổng quan về mạch chỉnh lưu câu một pha có điều khiển với phụ tải là

động cơ điện một chiêu

Trong sơ đồ này có 4 Thyristor T¡ ,T; ,T;,T¿ Các Thiristor này được điều khiển bằng các

xung dòng điện điều khiển tương ứng :ir,,lra.lrs.la¿

Mạch chỉnh lưu được cấp từ một nguồn điện xoay chiều qua MBA với điện áp thứ cấp

u, =U,,,sinU OOOO0t)

Các xung điều khiển này có chu kì với u ; nhưng xuất hiện không đồng thời với u; Các xung

ip, Lạ; Xuất hiện sau u¿ một góc [Ï ,còn các xung 1; và 1; xuất hiện sua u; một góc LTLL

Ta chỉ xét mạch này khi điện cảm L rất lớn và E nhỏ hơn giá trị trung bình của điện áp chính lưu U¿„.trong trường hợp đó mạch làm việc ở chế độ cung cấp liên tục điện áp cho phụ tải và dòng điện qua phụ tải hầu như không đổi và bằng giá trị trung bình của nó I,

Ngoài ra tuỳ theo góc mở chậm [l của Thyristor mà mạch này có thể làm việc ở 2 chế độ :

Chế độ nghịch lưu phụ thuộc khi: [ HHH và E<0 Chế độ chỉnh lưu khi: 0 O OOO va E>0

Ta chỉ xét trường hợp mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu

Trong nửa chu kỳ đầu của điện áp u; (0<=0<=r).u;>0 thì T;, T:, được phân cực thuận Do đó khi xung điều khiển i+¡, 1; đến góc pha 0=ơ các T, ,T› mở theo chu trình ,dòng điện đi từ A qua T, đến M qua tải đến N sau đó qua T› về B Điện áp chỉnh lưu uạ= u; =U;„„sinHŨ

điện áp trên T,,T; bằng 0

dòng diện qua phụ tải được xác định theo phương trình :

Đồ án môn học-Điên tỉ công suất

L =: +R.1a +E=u›=U;„„sin0

t

Lúc này 0=z ,u;=0 nhưng T, và T; vẫn chưa khoá vì dòng điện 1¿ qua chúng vẫn >0

Sang nữa chu kỳ sau của u; (<9<27) ,u; <0 các thyristor T› và T được phân cực thuận Do

đó khi xung điều khiển i; và ir; đến góc pha 0=ơ+z thì T; và Tạ mở theo chu trình ,dòng điện

đi từ B qua T; đến M qua phụ tải dén N sau d6 qua T, va vé A

Điện áp chỉnh lưu :uạ = -u; =-U›„sinH

Còn dòng điện chỉnh lưu biến thiên như nửa chu kỳ đầu

Sự mở của T; và Tạ làm cho uy =u„ và u„=ug ,Do đó điện áp trên T, và T; tại thời điểm

=ơœ+7r là: ur;=uA-u„=uA-ug=u;<0

Up =Uy-Up= Ua-Up=u,<0 điều này làm cho T; và T; tắt hắn một cách tự nhiên

Il — Biểu thức xác định U,, lụ

Do có điện cảm L trong mạch tải nên thực tế dong i, 14 donh lién tuc,i; =I,

Gía trị trung bình của điện áp chỉnh lưu

l œ+7r ; 2

ƯUạ=— [U-„ sin Ø.JØ = —U;„ cosØ

5 1 2m Khi T; và T: mở cho dòng chạy qua ta có phương trình :

Do ơ<z/2 nên ỦUạ luôn dương hay: U =R.l¿+E

-Giá trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu:

l,=(U-E)/R

HI Dạng đường cong điện áp và dòng điện chỉnh lưu

Với diện áp Uạ và dòng điện l¡ được xác định ta vẽ được đường cong điện áp va dòng điện như sau:

Đồ dn mon hoc-Dién tu công suất

Đồ án môn học-Điên tỉ công suất

Chỉnh lưu cầu điều khiển một pha ,tải R+L+E

IV Hiện tượng trùng dẫn

So đồ trùng dân được trình bày như hình vẽ

Đồ dn mon hoc-Dién tu công suất

Gia thiết T¡ và T: đang mở cho dòng chạy qua, 1rị 2=Ì

Khi 0=0; cho xung điều khiển mở T; và T¿ Vì sự có mặt của L nên dòng ¡+; skhông thể giảm đột ngột từ I¡ đến 0,mà dòng 1¡› ; cũng không tăng từ 0 đến l,

Lúc này cả 4 Thyristor đều mở cho dòng chạy qua,phu tải bị ngắn mạch ,uạ=0, nguồn e; cũng

1.¡ làm tăng dòng trong T; và giảm dòng trong T›

i lam tăng dòng trong T, va giam dong trong T,

7

Đồ án môn học-Điên tỉ công suất

Công suất động cơ:P=160W

Điện áp động cơ:U „=1 I0VDC

I.Tính chọn bộ biến đổi :

1.Xác đỉnh điện áp chỉnh lưu không tải và điện áp ra của MBA:

a.Điện áp chỉnh lưu không tải:

Bộ biến đổi chỉnh lưu Thyristor cần có giá trị điện áp không tải đảm bảo cấp cho phần ứng của động cơ điện một chiều Theo tài liệu hướng dẫn ĐTCS-NBính:Điện áp chỉnh lưu không tải

được tính như sau:

Uạ={C,* Ud+42Uama„+ Ï ¬% Uamaxt Uapmax |/b(3)

Trong đó:

b= 0.95:hệ số dao động

C, =1.06 :là hệ số dự trữ sụt áp

Uạ„„„:điện áp chỉnh lưu cực đại Ủạ„„„=U„z„=1 10V

4% U„,„:(ồn thất điện trở của động cơ gây ra

1.5% Usmax: tổn thất điện cảm của động cơ gây ra

Ugrmax=2:Dién áp sụt trên 2 Thyristor :

Thế các số vào (3) ta được :

Uạ=(1.06*1 10+0.04#1 10+0.015*110+2)/0.95=131V

Vậy điện áp chỉnh lưu không tai :U,;=131V

b.Giá trị hiệu dụng của điện áp pha thứ cấp MBA:

Đồ án môn học-Điên tỉ công suất

Ta có:

Hệ số dự tru điện áp:K,„=l1.6

Hệ số dự trử dòng điện :K=Il.2

Chon Thyristor chịu được:

-điện áp ngược lớn nhất:U,;„=K,„ŠU,„=1.6*205.6=329V

-dòng điện trung bình: I=K*#l=1.2*1.25=I.5A

Theo bang I.4 trang 32 DTCS-NBinh ta chọn Thyristor do Liên Xô (củ) chế tạo có các thông

số kỷ thuật sau:

MBA 1 pha ,ta chon mach tt 1 tru ,C=1uF,f=50Hz

-Tiết diện tính tóan theo công thức kinh ngiém :

S

= k* [2

Q Cf MBA dau nén chon k=5

363 1*50

Suy ra: Q=5 = 13.47 cm?

Đồ dn mon hoc-Dién tu công suất

Với công suất Q=13.47 cm? Theo trang 77 DTCS-NBinh va tan s6 50Hz , bề dày 0.35

mm.Ta chọn MBA có các thông số sau(chon theo Q=13.6 cm? )

Tiết diện thô = c*B=4*4=16cm?

Tiết diện hiệu quả:=0.95*20=15.2cm”

Trong luong tru :=7.5*0.152*2=2.28Kg

*Quylat:

Tiét dién thé:=a*B=4*4=16Kg

Tiết diện hiệu quả:=0.05*16=1.52Kg

Trọng lượnh Quylat:=7.5*0.152*1.6*1=1.824Kg

*Từ cảm

Trong cac tru chon:B,,=1.1T

Trong cdc Quylat chon:B’,,=1.1* = =1.1T

4.44fOB, 4.44*50*15.2*1.1*10~

Chon mat d6 dong dién J,=J,=2.75A/mm?

Đường kính phái dây quan sơ cấp:

Đồ dn mon hoc-Dién tu công suất

*Chon day quan:

Theo bang II.3 “Thong s6 day dan tiét dién tron’’:v6i

Vậy ta lồng vào trụ một ống làm bằng vật liệu cách điện dày Imm có bán kính trong 30mm

.Suy ra bán kính trong của dây quấn sơ cấp là:30mm

*Dây quấn sơ cấp

Dây quấn sơ cấp gồm 593 vòng chia làm 6 lớp(Š*100+93)

-Giữa 2 lớp đặt I lớp cách điện 0.1mm bằng bìa

-Bề dày dây quấn sơ cấp :

Dây quấn thứ cũng cấp gồm 391 vòng chia làm 4 lớp(3#100+91) :

-Giữa 2 lớ đặt I lớp cách điện 0.Imm bằng bìa ¡

truc e;hị e‡

-Bé day day quấn sơ cấp : :

*Điện áp rơi trên điện kháng:AU,=XI,

X :là điện kháng tren toàn bộ trụ được tính như sau:

Đồ án môn hoc-Điên tƒ công suất r= ñø +”, 2 = 32.86+ 46 2 =39.445

5.Tính cuộn kháng can bang:L,,

Mục đích của cuộn kháng cân bằng L„¿ là nhằm hạn chế mức thấp nhất dòng điện tuần hoàn,cản trở sự đột biến của dòng điện để MBA và Thyristor làm việc tốt hơn không bị nặng nề Giả sử góc mở œ¡=œ¿=0,để I„ đạt đến giá trị lớn nhất ,thì lúc đó nguồn U; bị ngắn mạch

sinh ra dòng điện ngắn mạch:

I,=l,=36.66 A

Lúc đó ta có phương trình cân bằng suất điện động :

diy) _ 710 J2U ,sin@ ;

Do an mon hoc-Dién tu céng sudt

Suy ra: La,=(L,-Lg,)/2=(4.17-0.00545)/2=2.08H

Vậy Ly =2.08H

II.Tính chọn bộ lọc LC:

Bộ lọc là một thiết bị nối giữa nguồn chỉnh lưu và phụ tải điện một chiều.Chức năng của bộ lọc là cho dòng điện có tấn số nào đó đi qua mà biên độ khong bị suy giảm ,đồng thời làm giảm mạch dòng điện ở tân số khác Đối với mạch chỉnh lưu công suất lớn ta dùng bọ lọc LC gồm có

tụ điện C mắc song song với phụ tải và một điện cảm mắc nối tiếp với phụ tải;(hình vẽ)

Bộ lọc có chức năng làm giảm nhỏ thành phan xoay chiêu của điện áp và dòng điện

chỉnh lưu Mà cụ thể trong mạch chỉnh lưu một pha hai nữa chu kỳ ta thiết kế là bộ lọc có nhiệm vụ chủ yếu là hạn chế thành phần sóng hài bậc cao và cho dòng điện một chiêu đi qua

Đồ dn mon hoc-Dién tu công suất

Nếu chỉ lấy 2 số hạng đầu thì theo khai triển Furier ,điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu 1 fa 2

nữa chu kỳ có dạng như sua:

wey, += \2U, cos20 =U, + a,V2U, cos 20

1 1 Trong đó:U; là giá trị hiệu dụng của điện áp thứ cấp MBA

a,=-—=04425

37

Nếu chúng ta giả thiết đối với sóng hài tần số thấp mà X; >>X¿ thì dòng điện xoay chiều chảy

qua L và C sẽ quyết định bởi X;, và có thể viết :

a,, J2U 2 noL

n=2 với chỉnh lưu 1 fa 2 nita chu ky

Đối với chỉnh lưu bán dẫn khi tính toán cũng như khi vận hành ta phải đặc biệt lưu ý đến vấn

đề bảo vệ quá dòng điện và quá điện áp

Vì van bán dfẫn có kích thước nhỏ ,nhiệt dung bé và nhiệt đọ dòng điện qua mặt tiếp giáp p_n lớn nên nó rất nhạy với quá tải về dòng.Hằng số thời gian phát nóng của một bản Silic trong van công suất lớn chỉ có vài phần trăm giây Do đó khâu bảo vệ đòi hỏi phải có độ tác động

nhanh cao

Mặt khác van bán dẫn cũng rất nhạy với quá điện áp Chỉ cần tồn tại mọt điện áp ngược lớn hơn gia trị cho phép trong khoảng vài Iis,mặt tiếp giáp p_n đã có thể bị chọc thủng về điện I.Bảo vệ quá dòng điện :

Có 2 loại quá dòng điện là: ngắn mạch và quá tải:

a).Ngắn mạch:

Đồ dn mon hoc-Dién tu công suất

Dùng để chỉ các trường hop sự cố tạo ra dòng điện quá lớn như ngắn mạch trên tải ,trên thanh

dẫn thứ cấp của MBA (ngắn mạch ngoài),ngắn mạch các pha do chọc thủng van (ngắn mạch

trong )„do đột biến nghịch lưu

b).Quá tải :

Xuất hiện trong thời gian làm việc xác lập hay quá độ Nó có giá trị không lớn lắm và cho phép tồn tại lâu dài hơn

Vì vậy để bảo vệ các Thyristor tránh dòng điện phá hoại ,ta dùng các dây chảy tác động

nhanh Loại dây chảy này có thể làm bằng dây chì hoặc làm bằng bạc là đặt trong vỏ sứ có chứa

cát thạch anh Hoạt động của dây chảy có thể chia làm 2 giai đoạn (hình vẽ)

-Giai đoạn 1 :giai đoạn chảy từ t=0 đến khi bắt đầu xuất hiệnhồ quang

-Giai đoan 2 :là giai doạn hồ quang bắt đầu t=t,„ đến kh cắt xong dòng điện sự cố t=t,;giai đoan này ,điện áp hồ quang tăng dần và do đó dòng điện sự cố giảm dần về 0

k

t

Hinh X.9

Dòng điện khi chạy qua dây chảy sẽ sinh ra một nhiệt lượng Q=i”Rt

Để bảo vệ quá điện áp cho bộ biến đổi ta chọn đặt dây chảy tại 3 vị trí như sau:

-Vị trí I:Đặt tại ngỏ vào của MBA

-Vi tri 2:Dat tai ngo ra cua MBA

-Vị trí 3:Mắc nối tiếp với mỗi Thyristor một dây chay.(hinh vé)

Đồ án môn học-Điên tử công suất 2.Bảo vệ quá điện áp :

Thyristor cũng rất nhạy với điện áp quá lớn so với điện áp định mức ta gọi đó là quá điện áp

Có 2 loại nguyên nhân gây ra quá điện áp :

a).Nguyên nhân nội tại :

Khi khoá Thyristor bằng điện áp ngược ,các điện tích đổi ngược hành trình tạo dòng điện

ngược trong khoảng thời gian rất ngắn(khoảng10-100us).Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược sức điện động cảm ứng rất lớn ,trong các điện cảm luôn luôn có ,của đường dây

nguồn dẫn đến các Thyristor Quá điện áp này là tổng của điện áp làm việc và LỄ

nói trên

b).Nguyên nhân bên ngoài :

Những nguyên nhân này thường xảy ra ngẩấu nhiên khi có sét đánh ,khi cầu chì nhảy ,khi

đóng ,cat MBA nguồn ,Cát MBA nguồn tức là cắt dòng điện từ hoá MBA,bấy giờ năng lượng từ

trường tích luỹ trong lõi sắt từ,chuyển thành năng lượng điện trường trong các tụ điện kí sinh ,rất

nhỏ giữa dây quấn sơ cấp và thứ cấp MBA (1/2LI=1/2CU”).Điện áp này có thể lớn gấp 5 lần

Người ta thường chọn điện áp định mức của Thyristor là U > 1.2U,„.Trị số này vẫn còn nhỏ hơn nhiều so với các quá điện áp nói trên Các quá điện áp có tốc độ tăng trưởng = lớn Đạo

t

hàm điện áp sinh ra các dòng điện chảy qua tụ C,đấu giữa anôt va catôt của

Thyristor ince Dién cam L han ché dong dién chay nay