thiết kế bộ chỉnh lưu có đảo chiều cung cấp cho động cơ điện một chiều

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 công nghê
Chương 2: Tính toán và thiết kế mạch công suất.
Chương 3: Mô phỏng
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% ;f= 50Hz.
Động cơ: 22 kw; 440 VDC; 3000 v/ph.


Chương 1 : Tổng quan về công nghê
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. Động cơ điện một chiều.
Khái niệm: 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.


2.1. Cấu tạo và phân loại động cơ điện một chiều.
2.1.1 Cấu tạo
Động cơ điện 1 chiều gồm 2 phần chính: Phần tĩnh và phần động
- Phần tĩnh (stator)
Đây là phần đứng yên của máy bao gồm các bộ phận chính sau:
+ cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường chính gồm lỗi sắt cực từ và
dây cuốn cực từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi thép của cuộn kích từ được làm

bằng lá thép kĩ thuật điện hay thep cacbon dày 0.5- 1 mm được ép lại và tán
chặt. trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ dc gắn chặt vào vỏ
máy nhờ bulong. Dây quấn kích từ dc quần bằng đồng bọc cách điện và mỗi
quận dây đều bọc cách điện vs nhau tạo thành khối tẩm sơn cách điện trc khi đặt
lên các cực từ.
+ Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải
thiện đảo chiều . Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên các
thân cực từ phụ có đặt dây quấn và cấu tạo giống như cực từ chính. Cực từ phụ
dc gắn vào vỏ bằng bulong.
Gông từ: dùng để ghép nối các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong động
cơ nhỏ và thường dùng thép dày uốn và hàn lại. Trong máy lớn thường dùng
thép đúc. Có khi dùng gang
+ Các bộ phận khác
Bao gồm:
 Nắp máy: Dùng bảo vệ khi có vật xung quanh rơi, va vào gây hư
hỏng dây quấn và đảm bảo cho người khỏi chạm vào điện.Trong
máy điện nhỏ và vừa , nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi.
Thì lắp máy làm bằng gang
 Cơ cấu trổi than:Để đưa dòng điện từ phần quay bên trong ra
ngoài. Cơ cấu trổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi
nhờ 1 lò xo lên cổ góp. Hộp chổi than dc cố định trên giá chổi than
và cách điện vs giá. Giá chổi than có thể quay dc để điều chỉnh vị
trí chổi than cho đúng chỗ. Khi dùng vít cố định.


- Phần quay (rotor)
+ Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ. Thường dùng các tấm thép kĩ thuật
điện phủ cách điện ở 2 mặt rồi ép chặt nhằm giảm thiểu dòng xoáy gây ra. Trên
lõi thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây cuốn vào .
Trong những động cơ điện trung bình đổ lên, người ta thường dập những

lỗ thông gió để khi ghép lại có thể tạo thành những lỗ thông gió dọc trục.
Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường dc chia làm những
đoạn nhỏ. Giữa những đoạn ấy thường để một khe là khe hở thông gió. Khi máy
làm vc gió thổi vào khe hở làm nguội lõi thép và dậy cuốn.
+ Dây quấn phần ứng
Dây quấn phần ứng là phần sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy
qua, thường dc làm bằng đồng bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ công suất vài
KW thì thường dùng dây điện có tiết diện tròn. Trong máy điện cỡ lớn thì
thường dùng dây quấn có tiết diện hình chữ nhật. Dây quấn dc cách điện với
rãnh của lõi thép.
Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm. Ở miệng rãnh có dùng mêm để
đè chặt hoặc đai chặt dây quấn.
+ Cổ góp
Dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện 1 chiều. Cổ góp nhiều
phiến đồng dc mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0.4 đến 1.2 mm . Hay
đầu trục hình tròn dùng 2 ốp chữ V ép chặt lại. Giữa vành và ốp và trụ tròn dc
bọc cách điện bằng mica.
+ Các bộ phận khác
Cánh quạt: Dùng để làm nguội máy . Cánh quạt dc lắp trên trục máy . Khi
động cơ quay , gió dc hút từ ngoài vào trong máy.
Trục máy: Trên đó đặt lõi thép sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi.
Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt.

2.1.1 Phân loại
Động cơ điện một chiều được chia làm 3 loại dựa vào cách quấn dây.


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:
Uu là điện áp phần ứng.
Ukt là điện áp cuộn kích từ.
Eu là sức điện động phần ứng.
Rkt và Rf là các điện trở cuộn kích từ và điện trở cuộn phần ứng.
3 : Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp.


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.
2.2. 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.


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.


Hình 1.3d: Truyền động dùng hai bộ biến đổi nối song song ngược điều khiển
chung.

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 chọn mạch công suất
1. Mạch chỉnh lưu 3 pha tiristo đảo chiều bằng rơ le

Ưu nhược điểm: Dễ đấu nối và dễ dàng sử dụng

2. Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha tiristo mắc song song ngược
điều khiển chung

Sơ đồ chỉnh lưu đảo chiều điều khiển chung
Ta co
Ut= Ud1=Ud2
+ Nếu dòng điện liên tục ta có:
Ud1= Ud0 - cos1
Ud2= Ud0 - cos2
Vậy Ud0. cos1= - Ud0. cos2
Hay cos1 + cos2 = 0
1+ 2 = 180
+ Lúc này cả 2 mạch chỉnh lưu cùng phát sung điều khiển, nhưng luôn
khác chế độ nhau. Một mạch ở chế độ Chỉnh lưu mạch còn lại ở chế độ nghịch


lưu. Vì 2 mạch cùng đấu chung 1 tải nên giá trị trung bình của chúng phải gần
bằng nhau.

Biểu thức này chính là luật phối hợp luật điều khiển của phương pháp này
- Tuy nhiên luật này mới chỉ đảm bảo sự cân bằng về giá trị 1 chiều .
Còn giá trị tức thời của điện áp chỉnh lưu 2 mạch là khác nhau Ud1
Ud2
- Sự chênh lệch điện áp giữa chúng làm xuất hiện 1 dòng điện luẩn quẩn
giữa 2 mạch van mà ko qua tải
- Để hạn chế dòng điện xoáy này cần phải dùng thêm cuộc kháng L mắc
nối tiếp mạch chỉnh lưu với tải. Như thế làm tăng công suất đặt và giá
thành hệ thống . Tuy nhiên phương pháp này cho phép điều chỉnh

nhanh tối đa.
3. Mạch chỉnh lưu 3 pha tiristo mắc song song ngược điều
khiển riêng
Sơ đồ

Nguyên lí hoạt động:


- Khi điều khiển riêng 2 bộ biến đổi làm việc riêng rẽ nhau. Tại 1 thời điểm
phát xung điều khiển vào 1 bộ biến đổi còn 1 bộ biến đổi kia bị khóa do chưa có
xung điều khiển. Hệ có 2 bộ biến đổi là BĐ1 và BD2 với các mạch phát xung
tương ứng FX1 và FX2.Trật tự của bộ phát xung này dc quy định bởi các tín
hiệu logic b1 và b2. Quá trình hãm và đảo chiều dc miêu tả bằng đồ thị thời
gian. Trong khoảng thời gian từ 0 T1, bộ biến đổi b1 làm việc ở chế độ chỉnh
lưu với < còn bộ biến đổi 2 khóa . Tại t1 phát lệnh đảo chiều bởi iLĐ góc điều
khiển tăng đột biến lớn hơn dòng điện phần ứng giảm về bằng không lúc này
các xung để khóa BD1. Thời điểm T2 dc xác định bằng bộ cảm biến dòng điện
I1. Trong khoảng thời gian trễ t= t2 - t3 bộ BD1 bị khóa hoàn toàn, dòng điện
phần ứng bị triệt tiêu. Tại t3 sdd E vẫn dương, tín hiệu logic b2 kích cho FX2
mở BD2 với góc > và sao cho dòng điện phần ứng khồn vượt quá giá trị cho
phép động cơ dc hãm tái sinh. Nếu nhịp điệu giảm phù hợp với quán tính của
hệ thì có duy trì dòng điện hãm và dòng điện khởi động ngược ko đổi. Điều này
được điều khiển từ các mạch vòng điều chỉnh tự động dòng điện của hệ trên sơ
đồ của khối logic.

Tính toán động cơ van và chọn mạch công suất


Từ những ưu nhược điểm trên ta họn mạch chỉnh lưu 3 pha
tiristo đảo chiều bằng rơ le là phù hợp nhất

Mạch công suất


Tính toán động cơ

Udm = 440V , nđm = 3000v/p , P = 22 KW

Idm =

= = 50(A)
Rư : điện trở mạch phần ứng động cơ được tính
Rư : 0.5 (1-) = 0,5 . ( 1- 10%) = 3.96
Lư : Điện cảm mạch phần ứng động cơ được tính theo công thức :
Lư = = = 1,3.
+ Tính toán van tiristo
Tính chọn dựa vào các yếu tố cơ bản của dòng tải, sơ đồ đã chọn, điều
khiển tỏa nhiệt, điện áp làm việc, các thông số cơ bản của van được tính
như sau:
Ta chọn: knv = , ku = 3/П
=> Ulv = (/3). Ud = (/3). 440 = 460,5 (V)
- Điện áp ngược của van cần chọn là:
Unv = kdt . Ulv = 1,3 . 460,5 = 598,7 (V)
- Trong đó kdtU : hệ số dự trữ điện áp chọn ktdU = 1,3
Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng điện hiệu dụng :
Ilv= Kdt. Id= = = 29,4(A)
Idm = Ki . Ilv = 29,4 . 1.6 = 47,04 (A)
(Chọn ki =1,6 :Hệ số dự trữ dòng điện
Ta chọn tiristor loại T 221 N có các thông số định mức sau:
Điện áp ngược cực đại của van: Un = 600 V

Dòng điện định mức của van: Iđm = 221 A
Điện áp của xung điều khiển: Ug = 1.2 V
Sụt áp lớn nhất của tiristor ở trạng thái dẫn : U = 1.74 V


Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép: Tmax =1250C
Tốc độ biến thiên của điện áp = 1000 V/s
Tốc độ biến thiên dòng điện = 150 A/
Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép Tmax = 125
Tính toán thông số máy biến áp.
Chọn MBA ba pha ba trụ sơ đồ đấu dây /Y (làm mát bằng không khí tự
nhiên)
- Tính các thông số cơ bản
a) Tính công suất biểu kiến của MBA
S = K.P =1,05.P = 1,05 . 22000 = 23100 (VA)
Trong đó:
K – Hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực.
P – Công suất cực đại của tải.
b) Điện áp pha sơ cấp của MBA
U1=380(V)
c) Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp
Phương trình cân bằng điện áp khi có tải :
Udo . cos (min) = Ud + 2.Uv + Udn + Uba
Trong đó min = 100 góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới .
Uv = 1,7 (v) sụt áp trên tiristor
Udn = 0 sụt áp trên dây nối
Uba = Ur + Ux : sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp.
Chọn sơ bộ
Uba = 6%.Ud = 6% . 440 = 26,4(V)
Từ phương trình cân bằng điện áp tải ta có:

Udo = = = 479 (V)
Điện áp pha thứ cấp :


U2 = Udo/ku = = 212,9 (V)
Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA:
I2 = khd.Id
Khd: Hệ số dòng điện hiệu dụng ; khd =
Id = = = 50 (A)
I2 = khd.Id = .50 = 40,8 (A)
Dòng điện hiệu dụng sơ cấp MBA:
I1 = kba .I2 = (U2/U1). I2 = .40,8 = 22,8 (A)
+ Tính toán thiết bị bảo vệ
Bảo vê quá nhiêt cho van bán dẫn
Khi làm việc với dòng chạy qua trên van có sụt áp, do có tổn hao
công suất
Mặt khác van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho
phép Tcp nào đó. Nếu quá nhiệt độ này thì ván sẽ bị phá hỏng. Để cho
van bán dẫn làm việc an toàn, không bị trọc thủng về nhiệt, ta phải thiết
kế hệ thống tỏa nhiệt hợp lí.
+ Tính toán cánh tỏa nhiệt
+ Tổn thất công suất trên 1 tiristor
=.I = 1,74. 29,4 = 51,2 (W)
Diện tích bề mặt toả nhiệt:
p : tổn hao công suất (W)
T:độ chênh lệch so với môi trường
Tmt = 400C
Nhiệt độ làm việc cho phép của Tcp=1250C
Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt
Tlv=800C

T=Tlv-Tmt =80 – 40 = 400C
Km :Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ
Chọn Km=8 (w/m2. 0C)


Vậy:
Stn = = 0.16(m2)
Chọn loại cánh toả nhiệt có 12 cánh
Kích thước mỗi cánh a.b=25.10(cm)
Tổng diện tích toả nhiệt của cánh
S=12.2.25.10=6000 (cm2)
Bảo vê quá dòng điên của van
Áptômát dùng để đóng ngắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắt
mạch Tiristor, ngắt mạch đầu ra độ biến đổi, ngắt mạch thứ cấp MBA ngắt mạch
ở chế độ nghịch lưu.
+Chọn 1 Aptomat có:
- Dòng điện làm việc chạy qua aptomat
Ilv = = = 35,7 (A)
Trong đó: Sba là công suất của máy biến áp
Dòng điện aptomat cần chọn:
Idm = 1,1.Ilv = 1,1.35,7 = 39,27 (A)
Udm = 380 V
Có 3 tiếp điểm chính , có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện.
- Chỉnh định dòng ngắn mạch
Inm = 2,5.Ilv = 2,5.35,7 = 89.25 (A)
- Dòng quá tải
Iqt = 1,5.Ilv = 1,5.35,7 = 53,55 (A)
Cầu chi
- Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Tiristor ngắn mạch
đầu ra của bộ CL.

Nhóm 1CC: Dòng điện định mức dây chảy nhóm 1cc
I1cc = 1,1.I2 = 1,1.40,8 = 44,88 (A)
Nhóm 2CC : Dòng điện định mức dây chảy nhóm 2cc
I2cc = 1,1.Ihd = 1,1.Ilv= 1,1.35,7= 39.27(A)


Nhóm 3CC : Dòng điện định mức dây chảy nhóm 3cc
I3cc = 1,1.Id = 1,1.50 = 55 (A)
Vậy ta có thể chọn cầu chì nhóm
1cc loại 50 (A)
2cc loại 50 (A)
3cc loại 70 (A)
Bảo vê quá điên áp cho van
Bảo vệ quá điện áp : do quá trình đóng cắt các Tiristor được thực hiện bằng
cách mắc R-C song song với Tiristor. Khi có sự chuyển mạch, các điện tích tích
tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng
thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra
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 .

C1

R1

T

Theo kinh nghiệm R1=(5 ->30)
C1=(0,25-> 4)F

Chọn R1=5,1(), C1=0,25F


* Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện

R2

C2
R2

R2

C2

C2

Ta mắc mạch R-C như hình vẽ. Có mạch lọc này đỉnh xung gần như nằm lại
hoàn toàn trên điện trở đường dây.
Chọn R1=12,5() C1=4F
+ Để bảo vệ van do cắt mạch đột ngột biến áp van tải ,người ta thường mắc một
mạch R—C ở đầu ra của một mạch chỉnh lưu cầu 3 pha phụ bằng các diod công
suất bé . Thông thường giá trị tự chọn trong khoảng 10 -200F .

Chọn R3 = 470 �, C = 10 �F

Chương 3 : Mô phỏng mạch công suất

C1

R1

T


Điện áp nguồn