Thiết kế hệ truyền động cầu 3 pha | Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp

Đồ án Điện t ử công su ÁN ĐIỆN T ất T C h Ô iế N t G k S ế
U hệ truyền động cầu ba pha - động cơ điện một ĐỒ Ử ẤT
chiều theo phương pháp arcos (download tai tailieutuoi Lời nói đầu ***
Điện tửcông suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng dụng của các linh
kiện bán dẫn công suất làm việc ở chế độchuyển 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 tửcông suất. Đồ án môn học “Thiết kế hệ truyền động cầu ba pha-
động cơ điện một chiều theo phương pháp arcos” giúp em có điều kiện nghiên cưu sâu
hơn về chủ đề này. Đồ án gồm có 5 chương:
Chương 1:Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập và phương pháp
điều chỉnh tốc độ.
Chương 2:Tổng quan về bộ chỉnh lưu thyristor cầu ba pha. Thiết kế sơ đồ nguyên lý
hệ thống chỉnh lưu- đông cơ điện một chiều( hệ T-D) kích từ độc lập.
Chương 3:Tính chọn mạch động lực.
Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển theo nguyên lý arcos, hệ thống mạch bảo vệ.
Chương 5: kết luận và tài liệu tham khảo.
Với sự hướng dẫn rất nhiệt tình của cô giáo Trương Thị Bích Thanh và các thầy cô
trong bộ môn, em đã hoàn thành đồ án của mình cùng sự học hỏi và mở mang kiến thức.
Em xin chân thành cảm ơn tất cả thầy cô và bạn bè đã giúp đỡ em hoàn thành
nhiệm vụ của mình!
Đà nẵng, ngày 13 tháng 12 năm 2014
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Kỳ Thịnh
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Kỳ Thịnh 1
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU.
I. Tổng quan về động cơ một chiều.
1. Cấu tạo: thành phần chính của động cơ điện một chiều gồm có stator, rotor.
a) Stator (phần cảm ) .
Stator hay phần cảm là thành phần đứng yên được hình thành từ các lá thép kĩ thuật, cực từ,
dây quấn. Hình dạng của phần cảm trình bày trong hình vẽ 1.1
Hình 1.1 Stator của máy điện một chiều.
Stator gồm có các bộ phận chính như sau:
- Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường, gồm lõi thép và dây quấn kích từ lồng
ngoài lõi thép cực từ .Cực từ chính làm bằng lá thép kĩ thuật điện ép lại tán chặt.
- Cực từ phụ:cục từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi
chiều.lõi thép cực từ phụ thường làm bằng thép khối,trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn.
- Gông từ: dung làm mạch từ, nối liền các cực từ đòng thời dung làm vỏ máy.
- Các bộ phận khác: nắp máy, chổi than.
b) Phần quay(rotor):
- Rotor hay phần ứng của động cơ, gồm có lõi
thép, dây quấn phần ứng,cổ góp, trục máy…
- Lõi thép phần ứng dung để dẫn từ, có dạng
hình trụ thường được làm bằng các lá thép kĩ
thuật điện, 2 mặt có phủ 2 lớp cách điện ghép
lại,được dập lỗ để gắn rotor với trục,măỵ ngoài
được dập các rảnh để đặt dây quấn.
- Dây quấn phần ứng là thành phần sinh ra sđđ
và có dòng điện chạy qua, thường làm bằng dây đồng bọc
cách điện gồm nhiều phần tử Hình vẽ 1.2: cấu tạo của Roto máy điện một chiều
mắc nối tiếp với nhau, đặt trong rảnh của phần ứng tạo thành vòng kín
-Cổ góp (vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Kỳ Thịnh 2
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
2. Phân loại máy động cơ một chiều: Tùy theo cách kích từ của cực từ chính, ta phân
loại động cơ như sau:
1) Động cơ một chiều kích từ độc lập: mạch phần ứng không liên hệ trực tiếp về mạch
điện với mạch kích từ.
2) Động cơ một chiều kích từ song song: mạch kích từ nối song song với mạch phần ứng.
3) Động cơ một chiều kích từ nối tiếp: mạch kích từ nối tiếp với mạch phần ứng.
4) Động cơ một chiều kích từ hổn hợp: vừa kích từ song vừa kích từ nối tiếp.
3. Nguyên lý làm việc động một chiều:
- Đầu tiên, cấp nguồn áp một chiều vào dây quấn phần cảm để tạo ra từ trường kích từ ϕkt.
- Đồng thời cấp nguồn áp một chiều vào hai đầu phần ứng để tạo dòng điện Iư
qua các thanh dẫn trên phần ứng.
- Các thanh dẫn phần ứng mang dòng điện Iư và đặt trong từ trường kích từ sẽ
chịu tác động của lực điện từ F (hình H1.3a) tạo thành momen làm quay phần ứng.
- Cổ gốp bằng cách đảo chiều dòng điện đã đảm bảo cho Roto quay theo một chiều không đổi .
- Khi phần ứng quay, các thanh dẫn trên phần ứng cùng di chuyển cắt đường sức
từ trường phần cảm nên trên các thanh dẫn hình thành các sđđ e.
Hình 1.3 nguyên lí hoạt động của động cơ một chiều
- Giá trị sđđ e được xác định theo biểu thức: e = Blv.
Trong đó : B ( T ) : từ cảm nơi thanh dẫn quét.
l(m) : chiều dài dây dẫn nằm trong từ trường.
v(m/s): tốc độ dài của thanh dẫn.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Kỳ Thịnh 3
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
II. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập : là một dạng đặc biệt của động cơ
điện một chiều, khi mạch phần ứng không liên hệ trực tiếp về điện với mạch kích từ.
Nếu máy có công suất nhỏ, thì cực từ chính thường làm bằng nam châm vĩnh cửu, còn
máy có công suất lớn cần có nguồn kích từ riêng để điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng.
Hình vẽ 1.4: sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập. 1. Đặc tính cơ :
Phương trình cân bằng điện áp: Uư= Eư+ (Rư+ Rt)Iư (1)
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+ rc + f rb+ rct
rư: điện trở cuộn dây phần ứng r : điện trở phụ cf cuộn cực từ r : điện trở b cuộn bù
r : điện trở tiếp xúc của chổi điện ct
Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức: pN Eư=    k   (2)  2 a
Trong đó: 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
Φ: từ thông kích từ dưới một cực từ ω: tốc độ góc rad/s pN k=
hệ số phụ thuộc tỉ lệ cấu tạo của động cơ. 2 a 
Trường hợp tốc độ góc được tính bằng n vòng/phút : Eư=k Φn c (kc=0.105k) .
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Kỳ Thịnh 4
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT U R  R Từ phương trình u u f (1) và (2) ta có :    I
.(phương trình đặc tính cơ điện ) u k k
Mặt khác mômen điện từ Mdt của động cơ tỉ lệv ới từ thông và dòng điện phần ứng
được xác định bởi: Mđt= KΦIư . M Suy ra : I dt ư= .  k U R  R Ta lại có : u u f    M . 2 dt k k ( ) 
Trong trường hợp nếu tổn hao là nhỏ và ta bỏ qua nó thì có thể nói : Mdt=Mcơ=M.
Và ta có dạng mới của phương trình trên : U R  R u u f    M . dt k 2  k ( ) 
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 th n
ô g của động cơ Φ = const thì
các phương trình đặc tính cơ điện và phương trình đặc tính cơ là tuyến tính. Đồ thị của
chúng được biểu diễn trên hình là những đường thẳng. a b) )
Hình vẽ 1.5 : a)
đồ thị đặc tính cơ điện b) đồ thị đặc tính cơ U
- Từ đồ thị ta có khi I u
ư và M bằng không thì :   . o k
Ta có thể viết lại là:      . o R R Gọi R=Rư+R hoặc f ta có   M   I  u k 2 dt  k
Δω được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M (hay I)
- Độ cứng của đặc tính cơ : dM k2    . d R  R u f
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Kỳ Thịnh 5
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
2.Ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ: 
Dựa vào phương trình đặc tính cơ : U R u u R f    M . k 2 dt  k ( ) 
Ta thấy có ba đặc tính ảnh hưởng đến đặc tính cơ là Uư điện áp phần ứng, Φ từ thông
động cơ và điện trở phần ứng.
a) Ảnh hưởng của điện trở phần ứng:
Giả thiết Uư = Uđm= const và Φ= Φđm = const Muốn thay đổi điện trở mạch phần
ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng. U Ta có : dm    const. o k dm 2
Độ cứng đặc tính cơ : k  dm   R  R u f k 2 dm Khi Rf=0 ta có   có giá trị lớn nhất, TN Ru
gọi là đặc tính cơ tự nhiên.
Dể thấy với Rf càng lớn thì độ cứng càng giảm(như đồ thị).
Ứng với một phụ M , R c
f tăng thì tốc độ giảm Hình vẽ 1.6: đồ thị đặc tính cơ khi thayđôi điện trở
đồng thời điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm
b) Ảnh hưởng của từ thông động cơ:
Giả thiết điện áp phần ứng Uư= Uđm=const , không nối thêm điện trở phụ vào mạch
phần ứng,tức Rư= const. Thay đổi dòng điện kích từ Ikt động cơ sẽ làm thay đổi từ thông . U
Ta có :   dm  var o  k   k 2 Độ cứng:    var R  R u f
Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi từ
thông giảm thì ωx tăng còn β sẽ giảm. Ta có đồ thị đặc tính cơ với ωx tăng và độ cứng
của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông . a) b)
Hình vẽ 1.7 a) đặc tính cơ điện khi giảm từ thông .
b) đặc tính cơ khi giảm từ thông.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Kỳ Thịnh 6
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
c) Ảnh hưởng của điện áp:
Giả thiết từ thông Φ = Φdm=const, điện trở phần ứng Rư= const. Khi thay đổi
điện áp theo hướng giảm so với Udm. U
ta có: tốc độ không tải :    var. o  k dm 2
Độ cứng đặc tính cơ : k dm    const R  u R f
Như vậy họ đặc tính cơ là những đường tuyến tính song song như hình 1.8:
Hình vẽ 1.8: đồ thị đặc tính cơ khi thay dổi Uư .
3.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ kích từ độc lập:
- 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 giản.
- Để điều chỉnh tốc độ động cơ điện có 3 phương pháp:
+Điều chỉnh điện trở phụ mắc thêm vào phần ứng .
+Điều chỉnh từ thông động.
+Điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ.
a) phương pháp điều chỉnh bằng cách điều chỉnh điện trở phụ mắc
thêm vào phần ứng: U R  R
Từ phương trình đặc tính cơ : u u f    M 2 dt k k ( )  hay:      o
Dể tháy thấy rằng khi thay đổi Ruf thì ω =
0 const còn Δω thay đổi , vì vậy ta
sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh có cùng ω0 và dốc dần khi Ruf càng
lớn với tải như nhau thì tốc độ càng thấp:
Hình vẽ 1.9: a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập bằng cách thay đổi Rf
b) Đặc tính điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập bằng cách thay đổi Rf
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Kỳ Thịnh 7
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Như vậy: 0<… thì ω >ω
>…, nhưng nếu ta tăng R 1>ω uf1dm 2 ưf 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, ω=0.Từ lúc này, ta có thay đổi Rưf t hì tốc độ vẫn bằng 0,
nghĩa là không điều chỉnh tốc độ động cơ được nữa.
* Nhận xét: Nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời Inmvà Mnm
cũng giảm. Phương pháp này được dùng để hạn chế dòng điện động cơ khi khởi động.
- Ưu điểm : Đơn giản , dễ thực hiện nhất.
- Nhược điểm : + Độcứng đặc tính cơ thấp.
+ Tổn thất năng lượng trên điện trở lớn .
+ Phạm vi điều chỉnh hẹp.
b) phương pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi từ thông động: U R  R
Từ phương trình đặc tính cơ : u u f    M dt k 2  k ( ) hay:      o
Ta thấy rằng khi thay đổi Φ thì ωo và Δω đều thay đổi , vì vậy ta sẽ được đặc tính
điều chỉnh dốc dần ( độ cứng β càng giảm) và cao hơn các đường đặc tính cơ tự nhiên
khi Φ càng nhỏ, với tải như nhau thì tốc độ càng cao khi giảm từ thông.
Hình vẽ 1.10:
a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Φ.
b) Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Φ.
Nhưvậy : Φđm > Φ >Φ 1
2>… thì ωđm < ω1< ω2<…, nhưng nếu giảm Φ quá nhỏ thì có
thể làm 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.
*Nhận xét: - Ưu điểm : Công suất mạch điều chỉnh nhỏ, tổn thât năng lượng nhỏ.
- Nhược điểm :+Dải điều chỉnh không rộng.
+ Tốc độ nhỏ nhất bị chặn bởi đặc tính tự nhiên (φ=φđm) .
+ Tốc độ lớn nhất ωmax bị giới hạn bởi độ bền cơ khí và điều kiện chuyển mạch của động cơ.
Cũng có thể sản xuất những động cơ giới hạn điều chỉnh 1:5 thậm chí đến 1:8.
Nhưng phải dùng những phương pháp khống chế đặc biệt, do đó cấu tạo và công
nghệ chế tạo phức tạp khiến cho giá thành của máy tăng lên.
c) phương pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp phần ứng :
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Kỳ Thịnh 8
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Từ phương trình đặc tính cơ U R  R : u u f    M hay:       dt o k 2  k ( ) 
Ta thấy rằng khi thay đổi Uư thì ωo t hay đổi còn Δω=const nên β không đổi, vì vậy
ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau.Với một giá trị Mc thì
U tăng thì ω tăng tuyến tính theo. Nhưng muốn thay đổi Uư thì phải có bộ nguồn một
chiều thay đổi được điện áp ra , thường dùng các bộ biến đổi.
Hình vẽ 1.11: 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 dùng máy phát một chiều, bộ biến đổi từ
(mạch khuyếch đại từ), bộ biến đổi điện tử bán dẫn (các bộ chỉnh lưu có điều
khiển,các bộ băm điện áp. . .). Nhận xét : - Ư
u điểm : + không gây tổn hao phụ trong động cơ
+ dải điều chỉnh rộng D ≈10 : 1
+ độ cứng đặc tính cơ không đổi trong tồn dải điều chỉnh + dễ tự động hóa
- Nhược điểm : + phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp ra.
+ điều khiển phức tạp hơn.
e) sơ lược về phương pháp được chọn : phương
pháp điều khiển động cơ một chiều bằng bộ chỉnh
lưu Thyristor hệ T-Đ. Bộ chỉnh lưu thyristor là một
loại nguồn điện áp một chiều, nó trực tiếp biến đổi
dòng xoay chiều thành dòng một chiều. Việc điều
chỉnh điện áp đầu ra của bộ biến đổi được thực hiện
bằng cách điều chỉnh góc mở α của Thyristor.
Ud một chiều được đặc lên phần ứng của động Hình vẽ 1.12: sơ đồ nguyên lí hệ truyền đông T-Đ. cơ Ud=Uư. U R  R d u f
Phương trình đặc tính cơ trở thành :    M k 2 dt  k ( ) 
Phương pháp này mang tất cả các ưu điểm của việc điều khiển động
cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, cộng với đó là tính ưu việc
của bộ chỉnh lưu như rất gọn nhẹ, không tổn hao nhiều công suất.
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật như hiện nay thì phương pháp này
càng được sử dụng phổ biến trong sản xuất cũng như trong các lĩnh vực khác.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Kỳ Thịnh 9
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THYRISTOR, CH
ỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU
KHIỂN HOÀN TOÀN VÀ THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG CHỈNH
LƯU- ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU(HỆ T-D) KÍCH TỪ ĐỘC LẬP :
I.THYRISTOR: là linh kiện điện tử công suất có điều khiển cơ bản nhất, được sử
dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật.
1. Cấu tạo: gồm 4 lớp bán dẫn liên tiếp, tạo thành 3 lớp chuyển tiếp p-n.
Thyristor gồm ba cực : anot (A), catot(K), cực điều khiển(G)- như hình vẽ 2.1 * Kí hiệu :
Hình vẽ 2.2: cấu tạo Thyristor. Hình 2.1: kí hiệu thyristor.
2. Nguyên lý hoạt động a) Sự phân cực :
- phân cực ngược : khi UAK < 0
thyristor làm việc như một diốt bị
phân cực ngược và chỉ cho dòng điện
rò đi qua. Ở giá trị điện áp ngược lớn
từ 100V đến 3000V, tùy theo loại
Thyristor, năng lượng điện tử thiểu
số đủ sức ngay ra hiệu ứng thác làm
dòng điện tăng đột ngột, thyristor bị đánh thủng.
Hình vẽ 2.3: đặc tính vôn-ampe.
-Phân cực thuận : UA >
K 0 . Ban đầu, Thyristor không dẫn vì có một lớp PN bị phân cực
ngược. Nhưng nếu bị mồi bởi điện áp thuận lớn hoặc một xung dương vào ngõ G thì
Thyristor trở nên dẫn điện như một diot phân cực thuận. Để giải thích cho hoạt động của
thyristor ta xem thyristor gồm hai tranzitor mà bagơ của tranzitor này nối với colector của tranzito kia- như hình 2.4.
Hình vẽ 2.4:sơ đồ tương đương của thyrisror.
+ tăng điện áp thuận: khi tăng điện áp thuận, điện áp tren các lớp PN tăng lên khi năng
lượng đủ lớn tạo nên sự va chạm dây chuyền làm cho thyristor trỡ nên dẫn điện. Trị số
VB được gọi là điện áp mở.
+ mồi xung vào cực điều khiển G: Nếu đưa vào cực G một xung thì Thyristor sẽ được
mồi với điện áp thuận thấp hơn. Như sơ đồ hình 2.4, Ig làm chi T2 mở làm tăng dòng Ic2,
cũng là dòng điều khiển Ib1 của T1 , làm T1 mở, Ic1 tăng lại làm cho Ib2 tăng nên nhanh chóng cả T
bảo hòa . Tồn tại tại giá I 1 T2
H mà nếu IATrước khi dòng IG ngắc cần có thời gian để IA đạc đến hoặt vượt qua giá trị IL. Để khóa
Tyristor phải đặc vào Thyristor một điện áp ngược.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Kỳ Thịnh 1 0