Tài liệu Đề tài: Thiết kế nguồn cung cấp điện cho động cơ một chiều kích từ độc lập docx

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 chỉn

Chu Văn Quyền

Hà Nội, Ngày 19 Tháng 9 Năm 2012

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 Thiristor (SCR)

Trong đề tài của chúng em là thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập có đảo chiều theo nguyên tắc điều khiển chung Mạch đảm bảo điều chỉnh tốc độ trơn và có khâu bảo vệ chống mất kích từ Bao gồm các chương:

Chương I : Giới thiệu về động cơ điện một chiều

Chương II: Lựa chọn các phương án

Chương III: Tính toán mạch lực

Chương IV : Tính toán mạch điều khiển

Chương V: Kiểm chứng mạch thiết kế bằng chương trình Circuti Maker Qua việc thiết kế đồ án đã giúp chúng 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 Chúng

em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giảng dạy bộ môn Điện tử công suất,

đồ án này

Nguyễn Đình Hoàng Chu Văn Quyền

Trang

I

ìm hiểu về động cơ một chiều

Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng Nó có thể dùng làm động cơ điện, máy phát điện hay dùng trong những điều kiện làm việc khác

Động cơ điện một chiều có đặc tính tốc độ rất tốt, có nhiều ưu việt hơn so với nhiều loại động cơ khác Không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ

dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng Động cơ điện một chiều dùng nhiều trong ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải…

1.1.Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Cấu tạo động cơ điện một chiều có thể chia thành hai thành phần chính là phần tĩnh (stato) và phần quay rôto)

cơ nhỏ có thể dùng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ bulông Dây cuốn kích từ được cuốn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được cách điện kỹ thành một khối và t m sơn cánh điện trước khi đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích từ dặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau

b)Cực từ phụ

Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây cuốn mà cấu tạo giống như dây cuốn cực từ chính Cực từ phụ cũng được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông

c)Gông từ

Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động cơ nhỏ và thường dùng thép tấm dày uốn hàn lại Trong động cơ điện lớn thường dùng thép đúc Có thể dùng gang làm vỏ máy trong động cơ điện nhỏ

d)Các bộ phận khác

- Nắp động cơ : Để bảo vệ động cơ khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây cuốn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện Trong động cơ điện nhỏ và vừa, nắp động cơ có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp này nắp động cơ thường làm bằng gang

- Cơ cấu chổi than : Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ Sau khi điều chỉnh xong dùng vít cố định chặt lại

1.1.2 Phần quay hay rôto

Phần quay gồm những bộ phận sau:

a)Lõi sắt phần ứng

Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện thép hợp kim silic dày 0.5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây lên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào

Trong những động cơ cỡ trung trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió

để ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục

Trong động cơ điện cỡ lớn thì lõi sắt chia thành từng đoạn nhỏ Giữa các đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe thông gió ngang trục Khi động cơ làm việc, gió thổi qua các khe làm nguội dây quấn và lõi sắt

Trong động cơ điện cỡ nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép chặt trực tiếp vào trục Trong động cơ điện cỡ lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt gia rôto Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto

b)Dây quấn phần ứng

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong dộng cơ điện nhỏ công suất dưới vài kilôoát thường dùng dây tiết diện tròn Trong động cơ điện vừa và lớn, thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây quấn được cách điện cận thận với rãnh của lõi thép

Để tránh khi quay bị văng ra so sức li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để chèn chặt hoặc phải đai chặt dây quấn Nêm có thể bằng tre, gỗ hay bakêit c)Cổ góp

Cổ góp n còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng diện xoay chiều thành một chiều Cổ góp có nhiều phiến đồng có đuôi nhận cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4mm đến 1,2mm và hợp thành một

trụ tròn Hai đầu trụ tròn dùng hai vành ốp chữ V ép chặt lại Giữa vành góp

có cao hơn một ít để hàn các đầu dây của phần tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng

d)Các bộ phận khác

- Cánh quạt : Dùng để quạt gió làm nguội động cơ Động cơ điện một chiều thường được chế tạo theo kiểu bảo vệ Ở hai đầu lắp động cơ có lỗ thông gió Cánh quạt lắp trên động cơ, khi động cơ quay, cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ Gió đi qua vành góp, cưc từ, lõi sắt và dây cuốn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội động cơ

-Trục động cơ : trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục động cơ thường được làm bằng thép cácbon tốt

- nh hưởng của điện trở phần ứng : Để thay đổi điên trở phần ứng ta nối tiếp

đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm

- nh hưởng của điện áp phần ứng : Khi giảm điện áp thì mômen ngắn mạch giảm, dòng điện ngắn mạch và giảm tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định

động cơ Khi giảm từ thông thì vận tốc động cơ tăng

1.3 Sơ đồ nguyên l của động cơ 1 chiều kích từ độc lập

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập

(Hình 1.1 Động cơ điện một chiều)

nhất có thể Cũng cần đảm bảo không xảy ra đứt mạch kích thích vì khi đó

động cơ điện sinh ra lớn hơn mômen cản ( M ) rôto bắt đầu quay và suất

1.4 Phương pháp điều chỉnh tốc độ cho động cơ điện 1 chiều

R

R u  f

M (1.4)

ta thấy rằng việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều có thể thực hiện

1.4.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phần ứng

Ứng với mỗi giá trị của R f có một đặc tính cơ khác nhau trong đó R f = 0 là

cao nghĩa là tốc độ thay đổi nhiều khi tải thay đổi Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ quay định mức và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ điện Vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng ở động cơ có công suất nhỏ

1.4.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh

Eư = K.Φ.ω Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến nên hệ điều chỉnh

từ thông cũng là hệ phi tuyến:

ik =

k b

k

r r

rk – điện trở dây quấn kích thích

Thường khi điều chỉnh điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trị định mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc tính có điện áp phần ứng định mức, từ thông định mức và được gọi là đặc tính cơ bản Vì βΦ =

u

R

K )2

từ thông để tăng tốc độ cho động cơ

1.4.3 Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp phần ứng

Khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên

Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp giảm áp thì mômen ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định Do đó phương pháp này cũng được dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ

và hạn chế dòng điện khi khởi động

hương

ác phương án điều khiển

Nguồn điện một chiều cấp cho động cơ điện một chiều có thể lấy được từ nhiều cách khác nhau Lấy trực tiếp từ máy phát điện một chiều hoặc có thể dùng bộ biến đổi một chiều Trong thực tế, bộ biền đổi một chiều có thể dễ dàng thiết kế nhờ các mạch chỉnh lưu sử dụng các van bán dẫn Hơn nữa, các mạch chỉnh lưu sử dụng van điều khiển còn có thể dễ dàng điều khiển dược theo yêu cầu của từng loại tải Do các ưu điểm đó, ta thiết kế nguồn một chiều thông qua các mạch chỉnh lưu điện áp xoay chiều lấy từ lưới điện Dưới đây

là một số mạch chỉnh lưu cơ bản và hay được sử dụng

2.1 Mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng

2.2 Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha điều khiển đối xứng

2.3 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng

- Hoạt động của mạch : Các van nhóm lẻ thay nhau dẫn cho điện áp ở điểm

Chỉnh lưu ba pha sơ đồ cầu là loại được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế

Ưu điểm : Nó cho phép có thể đấu thẳng vào lưới điện ba pha, độ dập mạch nhỏ 5% Nó có thể sử dụng máy biến áp thì gây méo lưới điện ít hơn các loại trên Đồng thời công suất mạch chỉnh lưu này có thể lên tới vài trăm KW Nhược điểm : Mạch này là sụt áp trên van gấp đôi sụt áp trong mạch sơ đồ hình tia

Tóm lại :

Theo đồ án thì = 600 (V), = 220 (A) ta có công suất của động cơ là

3.1 Tính toán máy biến áp MB

+ Dòng làm việc trung bình trên tải -DC) : = 220 A

Vì công suất máy biến áp lớn ta chọn

+ Thiết kế tiết diện trụ :

Để đảm bảo cho kích thước của MB được phù hợp đảm bảo yêu cầu công

Chọn a 11 (cm) ,b = 17 (cm)

Chọn những lá thép có bề dày từ 0,35mm đến 0,5mm Vậy ta chọn những lá thép có bề dày 0,35mm

+ Chiều cao của trụ :

Số vòng cuộn sơ cấp là = = 220.0,24 = 53 (vòng)

Tính tiết diện dây dẫn :

+ Tiết diện dây dẫn sơ cấp MB :

=

Tiết diện dây dẫn thứ cấp MB :

= =

+ Tính số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp :

Bề dày cuộn sơ cấp :

= ( + ) = (4,5 + 0,1).4 = 18,4 (mm)

Số vòng dây trên một lớp của cuộn thứ cấp : Từ công thức 3.5 ta có

: hệ số ép chặt, chọn

h : chiều cao

Bề dày cuộn sơ cấp :

Tổng chiều cao của MB :

Với sơ đồ cầu ba pha ta có :

=

= 73,33 (A) Chọn hệ số dự trữ dòng là K 1,4

= K = 1,4.73,33 = 102,66 (A)

Từ thông số kỹ thuật trên ta chọn : SCR LS431050

b)Tính bảo vệ van

* Bảo vệ dòng điện cho van

+ Áttômát : dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắn mạch

Thyritor cũng rất nhạy cảm với điện áp quá lớn so với điện áp định mức, ta gọi là quá điện áp Người ta chia làm hai nguyên nhân gây ra quá điện áp : + Nguyên nhân nội tại : Đó là sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn Khi khóa thyritor bằng điện áp ngược, các điện tích nói trên đổi ngược lại hình thành dòng điện trong khoảng thời gian rất ngắn Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm Do vậy giữa anốt va katốt của thyritor xuất hiện quá điện áp

+ Nguyên nhân bên ngoài : Những nguyên nhân này thường xảy ra ngẫu nhiên khi cắt không tải một máy biến áp trên đường dây khi co sấm sét…

Đẻ bảo vệ van người ta dùng mạch R-C, mạch R-C đấu sống với thyritor nhằm bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích di chuyển mạch gây nên

Mạch R-C đấu giữa các pha thứ cấp MB là bảo vệ quá điện áp do cắt không tải MB gây nên

C = ,

√

√

Trong đó L là điện cảm của mạch RLC

Vậy tromg mạch bảo vệ quá áp ta thường chọn R 80( ), C=0,25( )

Để dáp ứng yêu cầu công nghệ người ta thường chọn sao cho

hương ính toán mạch điều khiển

Sau khi thiết kế mạch lực ta nhận thấy cần có một hệ thống đúng để điều khiển mạch lực nói trên Mạch điều khiển này phải đáp ứng được nhu cầu cần thực hiện của mạch điều khiển

Có hai hệ thống điều khiển là hệ đồng bộ và hệ không đồng bộ

Hệ đồng bộ : Trong hệ này góc điều khiển mở, van luôn được xác định xuất phát từ một thời điểm cố định của điện áp mạch lực Vì vậy trong mạch điều khiển phải có một khâu thự hiện nhiện vụ này gọi là khâu đồng bộ dể đảm bảo mạch điều khiển hoạt động theo nhịp của điện áp lực

được tính dựa vào trạnh thái của tải chỉnh lưu và góc điều khiển đồng bộ Tuy nhiên để bộ chỉnh lưu hoạt động bình thường bắt buộc phải thực hiện điều khiển theo mạch vòng kín

Hiện nay đại đa số các mạch chỉnh lưu điều khiển theo sơ đồ đồng bộ vì khâu đồng bộ co ưu diểm hoạt động ổ định va dễ thực hiện

4.1 Cấu trúc mạch điều khiển

4.1.1 Sơ đồ cấu trúc

a.Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển ngang :

Hình 4.1 Cấu trúc mạch điều khiển ngang

Trong đó : 1- Khâu đồng bộ

2 – Khâu dịch pha

3 – Khâu tạo xung

4 – Khâu khuyếch đại xung

b Sơ đồ cấu trúc điều khiển dọc :

Đ

(Hình 4.2 Cấu trúc mạch điều khiển dọc Trong đó : 1- Khâu đồng bộ

2 – Khâu tạo

3 – Khâu tạo xung và so sánh

4 – Khâu khuyếch đại xung

5– Khâu tạo

4.1.2 Các nguên tắc điều khiển trong hệ thống

Như đã nêu ở sơ đồ cấu trúc trên, có hai nguyên tắc điều khiển sau :

a)Nguyên tắc điều khiển ngang

Khâu đồng bộ thường táo ra điện áp hính sin có góc lệch pha cố định so với điện áp lực Khâu dịch pha có nhiệm vụ thay đổi góc pha của điện áp theo tác động của điện áp điều khiển Xung điều khiển được tạo ra ở khâu tạo xung

khuyếch đại xung KĐX) được tăng đủ công suất gửi tới cực điều khiển của

chiều ngang của trục thời gian

b)Nguyên tắc điều khiển dọc

đồ thị đó là sự di chuyển dọc trục

c)Chức năng điều khiển

- Phát xung điều khiển đến các van lực theo đúng pha và góc điều khiển cần thiết

- Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc + tương ứng với điện áp ra của tải mạch lưc

- Cho phép bộ chỉnh lưu làm việc bình thường với các chế độ khác nhau do tải yêu cầu như, chế độ khởi động, chế độ nghịch lưu, chế độ dòng điện liên tục

điều khiển với mọi van không được lệch quá giá trị cho phép

- Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện xoay chiều dao động cả về giá trị điện áp và tần số

- Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt

- Độ tác động của mạch điều khiển nhanh, dưới 1ms

- Thực hiện các yêu cầu về bảo vệ bộ chỉnh lưu từ khóa điều khiển nếu cần nên ngắt xung điều khiển khi sự cố , thông báo các hiện tượng không bình thường của lưới điện và bản thân bộ chỉnh lưu

- Đảm bảo xung điều khiển phát tới các van lực để mở chắc van, phải thỏa mãn yêu cầu :

+ Đủ công suất

+ Có sườn xung đối xứng để mở van chính xác vào thời điểm quy định,

+ Độ rộng xung điều khiển đủ cho dòng qua van kịp vượt trị số dòng điện duy

+ Có dạng phù hợp với sơ đồ chỉnh lưu và tính chất tải

4.2 Sơ đồ mạch điều khiển

Sơ đồ

Hình 4.3 Sơ đồ mạch điều khiển