Thiết kế bộ kích từ cho động cơ đồng bộ

Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ kích từ 1.1: Giới thiệu chung về chủng loại thiết bị được giao thực hiện thiết kế, công nghệ kích từ. Động cơ đồng bộ được dùng rộng rãi trong các hệ thống tryền động điện công suất lớn, không cần điều chỉnh tốc độ, làm việc ở chế độ dài hạn. Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử, động cơ đồng bộ được nghiên cứu, ứng dụng nhiều trong công nghiệp, ở mọi loại dải công suất. Động cơ đồng bộ có những nguyên tắc sau đây: 1.1.1: Nguyên tắc điều khiển mở máy

THIẾT KẾ MÔN HỌC MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ĐỀ BÀI: Đề số 30

Thiết kế bộ kích từ cho động cơ đồng bộ

Thiết kế mạch chỉnh lưu có điều khiển Động cơ 1850HP, Kích từ 25 DVC, 15KW

Hải Phòng, năm 2012

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ

Chương 3 : Thiết kế mạch điều khiển

3.1: Tính toán khâu đồng pha và nguyên lý hoạt động của mạch

3.2: Giới thiệu các khâu điều khiển cần biết

3.2.1: Khâu tạo điện áp răng cưa

3.2.2: Khâu so sánh

3.2.3: Khâu phát xung chùm

3.2.4: Khâu khuyếch đại xung và biến áp xung

3.2.5: Khâu phản hồi.

3.3: Tính toán khối nguồn và MBA đồng pha

3.4: Tính toán các khâu điều khiển

3.5: Ghép nối thành sơ đò hoàn chỉnh ( có bản vẽ A3 )

Kết luận: …

Tài liệu tham khảo: …

Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ kích từ

1.1: Giới thiệu chung về chủng loại thiết bị được giao thực hiện thiết kế, công nghệ kích từ.

Động cơ đồng bộ được dùng rộng rãi trong các hệ thống tryền động điện công suất lớn, không cần điều chỉnh tốc độ, làm việc ở chế độ dài hạn Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử, động cơ đồng bộ được nghiên cứu, ứng dụng nhiều trong công nghiệp, ở mọi loại dải công suất Động cơ đồng bộ có những nguyên tắc sau đây:

1.1.1: Nguyên tắc điều khiển mở máy

Quá trình mở máy chia làm 2 giai đoạn: Khởi động không đồng bộ và đưa vào đồng bộ

- Trong giai đoạn thứ nhất, sau khi dây quấn stato được nối vào lưới điện

3 pha, từ trường quay được tạo ra sẽ tác dụng lên dây quấn khởi động ( hay là lồng sóc khởi động đặt trong roto của máy ) lên momen quay đưa tốc độ động cơ lên gần tốc độ đồng bộ

- Trong giai đoan thứ hai, dòng kích từ sẽ được đưa vào roto, động cơ sẽ

tự kéo vào đồng bộ và dây quấn khởi động ( lồng sóc khởi động ) hết tác dụng

Trong giai đoạn đầu, ở trong dây quấn kích thích cũng có sức điện động cảm ứng lớn Điều đó làm cho mạch roto thêm phức tạp Điều khiển trong quá trình khởi động là phải điều khiển cả hai giai đoạn đó trong mạch stato cũng như trong mạch roto

Để hạn chế dòng điện, có thể dùng cách giảm điện áp bằng biến áp tự ngẫu hoặc dùng cuộn kháng Người ta rất ít dùng điện trở phụđể hạn chế dòng điện vì tổn thất năng lượng lớn và chỉ tiêu chất lượng khởi động không tôt Với động cơ công suất nhỏ và ở điện áp thấp thì có thể cho phép sử dụng điện trở phụ để hạn chế dòng điện.

Trong giai đoạn khởi động không đồng bộ,dây quấn kích thích ở roto không được hở mạch vì sức điện động cảm ứng tạo thành có thể chọc thủng cách điện

Không phụ thuộc vào cách nối mạch stato, mạch điện roto có thể có ba cách nối

a Cách nối thứ nhất: Roto được nối trực tiếp vào máy kích thích ngay từ đầu Sơ đồ này gọi là sơ đồ kích thích trực tiếp Sơ đồ này đơn giản, làm việc chắc chắn và kinh tế Tuy vậy không phải bao giờ cũng áp dụng được

b Cách nối thứ hai :

Dây quấn kích thích được nối vào máy kích thích qua một điện trở phụ

Khi không thoả mãn điều kiện tkđ1 ≤ tkt , nghĩa là kích thích hình thành sớm quá ảnh hưởng đến dòng điện stato làm khó khăn cho quá trình kéo vào đồng bộ Để hạn chế ảnh hưởng của dòng điện kích thích trong qúa trình khởi động không đồng bộ người ta mắc thêm điện trở phụ vào mạch kích thích của động cơ không đồng bộ điều kiện để áp dụng sơ đồ:

mặt khởi động và kéo vào đồng bộ thì đây là sơ đồ tốt nhất và được gọi là sơ

đồ gián tiếp Khi không thoả mãn các điều kiện:

Mc ≤ 40%Mdđ và tkđ1 ≤ tkt thì ta phải sử dụng sơ đồ này Điện trở phóng điện ở sơ đồ này có những nhiệm vụ sau:

- Hạn chế điện áp trên dây quấn kích thích

- Làm tốt đặc tính khởi động của động cơ

- Tiêu tán nhanh năng lượng từ trường khi ngắn mạch phía stato hoặc khi cắt động cơ khỏi lưới

1.1.2: Nguyên tắc điều chỉnh kích thích

Động cơ điện đồng bộ cũng được dùng để truyền động các máy sản xuất

có momen phụ tải biến đổi lớn (ví dụ như các máy cán lớn, máy nâng ở hầm mỏ ) Lúc này nếu phụ tải tăng mà kích thích vẫn giữ không đổi thì sẽ dẫn đến làm giảm công suất phản kháng phát vào lưới điện, tăng công suất tiêu thụ từ lưới điện, giảm khả năng tải của động cơ Hệ thống điều khiển có thể

có bộ phận tự động điều khiển kích thích

Khi phụ tải tăng lên, dòng điện qua cuộn dòng điện của biến áp cũng tăng lên, còn điện áp ở cuộn điện áp có thể giảm xuống Kết quả diện áp ở cuộn ra của biến áp cũng tăng lên, do đó điện áp một chiều sau cầu chỉnh lưu cũng tăng lên, kích của động cơ được tăng lên

Những thay đổi lớn của tải mà kích thích vẫn không được điều chỉnh theo có thể gây nên dao động lớn về tốc độ và có khả năng đưa động cơ ra khỏi chế độ đồng bộ Lúc này phải cắt động cơ ra khỏi nguồn bằng rơle bảo

vệ dòng điện cực đại

Nếu quá trình công nghệ không cho phép dù chi là tạm thời thì khi đó phải

áp dụng sơ đồ tự động hoá đồng bộ Và đây chính là nhiệm vụ thiết kế của

đồ án Điện tử công suất được giao

1.2: Giới thiệu chung về mạch lực, mạch điều khiển.

1.2.1: Giới thiệu chung về mạch lực.

Mạch lực bao gồm các khối cơ bản sau:

a Biến áp lực (BAL):

- Biến điện áp xoay chiều có biên độ cần thiết với điện áp phù hợp của tải

- Ngoài ra còn làm nhiệm vụ cách ly giữa nguồn chỉnh lưu (CL) với lưới điện xoay chiều

b Chỉnh lưu điều khiển (CLĐK): có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều

ba pha thành điện áp một chiều có biên độ phù hợp với tải

c Khâu lọc: gồm điện kháng L và tụ điện C tác dụng san phẳng điện áp ra của khâu CLĐK (vốn có biên độ điện áp nhấp nhô) thành điện áp một chiều phẳng phù hợp với yêu cầu của tải Khâu lọc phải thiết kế sao cho tiêu thụ công suất nhỏ nhất

d Khâu phản hồi điện áp: Lấy một phần nhỏ điện áp tải đưa trở về mạch điều khiển để ổn áp Muốn vậy thì điện áp phản hồi về phải là phản hồi âm

e Khâu phản hồi dòng: Lấy tín hiệu điện áp tỷ lệ với dòng tải phản hồi trở

về mạch điều khiển để bảo vệ dòng hay ngắn mạch

Ngoài ra còn có khâu đóng ngắt bằng cầu dao điện bảo vệ đặt phía trước biến áp lực

1.2.2: Giới thiệu chung về mạch điều khiển

Muốn tiristor mở cho dòng điện chạy qua thì ta phải đặt lên anot của tiristor điện áp dương, đồng thời đưa xung điều khiển vào cực điều khiển Khi mà tiristor đã mở thì xung điều khiển không còn tác dung và dòng điện chạy qua tiristor do tải quyết định

a Chức năng của mạch điều khiển:

- Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ riêng của điện áp đặt trên anot-catot của tiristor

- Tạo được các xung đủ để điều khiển mở được tiristor (độ lớn của xung

đủ lớn và độ rộng xung vừa đủ để mở -> giảm công suất điều khiển)

b Các yêu cầu với mạch điều khiển:

Mạch điều khiển là một khâu quan trọng trong các bộ biến đổi vì nó quyết định đến chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi Do vậy để đạt được chất lượng và độ tin cậy cao của bộ biến đổi, nó phải thoả mãn các yêu cầu sau:

• Yêu cầu về độ lớn của xung điều khiển:

- Mỗi tiristor đều có một đặc tính là quan hệ giữa điện áp đặt trên cực điều khiển và dòng điện chảy vào cực điều khiển Quan hệ đó được biểu diễn trên hình vẽ sau:

- Do sai lệch về thông số chế tạo và điều kiện làm việc làm cho tiristor mặc

dù cùng loại cũng cõ đặc tính Uđk= f(Iđk) khác nhau

- Với mỗi loại tiristor các đặc tính này dao động giữa hai đặc tính (1) và (2)

về yêu cầu độ lớn của điện áp và dòng điện điều khiển.tx =1000 µs

tx =100 µs

(2) (1) I II

đường giới hạn công suất điều khiển

0

Uđk

Iđk

Có 3 yêu cầu chủ yếu sau về dòng điện và điện áp điều khiển:

+ Các giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị cho phép

+ Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo cho tất cả các tiristor cùng loại làm việc được

+ Tổn hao công suất trung bình ở cực điều khiển nhỏ hơn giá trị cho phép

Trên hình vẽ ta thấy yêu cầu đối với mạch điều khiển là phải tạo ra được tín hiệu điều khiển nằm trong vùng (I)

• Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển:

Thông thường độ rộng xung điều khiển lớn hơn 5 µs (tx=5÷10 µs đối với tiristor làm việc ở tần số cao và tx = 50÷200 µs với tiristor làm việc ở tần số thấp) và tăng độ rộng của xung điều khiển sẽ cho phép giảm nhỏ xung điều khiển (như hình vẽ) Khi mạch tải có điện cảm lớn thì dòng tải tăng chậm nên ta phải tăng độ rộng của xung điều khiển Độ rộng của xung điều khiển được tính theo biểu thức:

Trong đó: Idt: dòng duy trì của tiristor

di/dt: tốc độ tăng của dòng tải

• Yêu cầu về độ dốc sườn trước của xung:

- Độ dốc sườn trước của xung càng cao thì việc mở tiristor càng dễ Thông thường yêu cầu độ dốc sườn trước của xung điều khiển là:

1 , 0

từ động của máy biến áp Do vậy, giảm hiệu suất sử dụng của máy biến áp

Ua Ub Uc

2.1: Chọn phương án chỉnh lưu

Trước hết, chúng ta phân loại chỉnh lưu thành các loại sơ đồ sau và xét ưu nhược điểm của chúng:

Các phương án thiết kế mạch lực:

Số liệu yêu cầu: Vd=115 (V), Id = 300 (A)

Tải của kích từ: WL >> R (tải cảm lớn -> dòng liên tục)

• Phương án 1: Chọn một trong các sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển một pha một nửa chu kỳ (-) chỉnh lưu có điều khiển một pha hai nửa chu kỳ, chỉnh lưu cần có điều khiển một pha.

Nhận thấy các sơ đồ nêu trên chỉ thích hợp đối với dòng tải nhỏ vì đối với dòng tải lớn mà chọn các sơ đồ trên thì sẽ gây ra sự mất đối xứng của lưới -> ảnh hưởng tới sự hoạt động của các thiết bị khác

Do vậy mà ta phải dùng các sơ đồ chỉnh lưu ba pha

• Phương án 2: Chọn một trong các sơ đồ sau:

- Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển

- Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng

- Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển không đối xứng

a Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển:

Sơ đồ mạch nguyên lý :

Ua Ub Uc

La Lb Lc

T1 T2 T3 BAL

( Lkt>>Rkt )

u

t

- Do điện áp ngược trên van lớn cho nên nó được sử dụng cho tải

có yêu cầu điện áp thấp và dòng điện lớn dễ dàng cho việc chọn van

- Do chỉ có một van dãn nên sụt áp trên van là nhỏ -> công suất tiêu thụ của van nhỏ

- Việc điều khiển mở van là dễ dàng

Nhược điểm:

- Điện áp ra có độ đập mạch lớn -> xuất hiện nhiều thành phần điều hoà bậc cao

- Hiệu suất sử dụng máy biến áp không cao Sở dĩ như vậy là vì điện áp chảy trên van không đối xứng qua trục hoành, do vậy khi khai triển chuỗi Furie -> xuất hiện thành phần một chiều và thành phần xoay chiều Tuy nhiên MBA chỉ làm việc với thành phần xoay chiều -> giảm hiệu suất MBA.

b Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng:

Ua Ub Uc

- Sơ đồ hình từ ba pha thứ hai ghép anot chung gồm T2, T4, T6

Góc mở α được tính từ giao điểm của các nửa hình sin

L>>R dòng tải là liên tục

- Giá trị trung bình của điện áp trên tải:

αα

π cos 2,34 .cos

2

6 3

- Điện áp ra đập mạch nhỏ do vậy mà chất lượng điện áp tốt

- Hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt do dòng điện chạy trong van đối xứng

- Điện áp ngược trên van là lớn nhưng do Udo=2,34U2 -> nó có thể được sử dụng với điện áp khá cao

Nhược điểm:

- Mạch điều khiển phức tạp do ta phải tiến hành điều khiển đồng

bộ các van dãn với nhau

- Điện áp rơi trên van lớn do nhiều van hơn sơ đồ CL từ

c Sơ đồ cầu không đối xứng:

( 2

6 3

Nhận xét:

Chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng so với chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng quá trình điều khiển đơn giản hơn Nhưng điện áp chỉnh lưu có lúc bằng không Do vậy mà có nhiều thành phẩn sóng hài bậc cao

Kết luận:

Với tải L>>R, Ud=115 (V), Id=320 (A) và qua các phân tích về ưu nhược điểm ở trên, sinh viên thiết kế chọn sơ đồ cầu ba pha đối xứng Bởi vì khi dòng điện tải lớn, điện áp tải cao thì dòng điện trung bình chảy qua van nhỏ và điện áp ngược trên van nhỏ hơn so với sơ đồ chỉnh lưu từ ba pha Mặt khác, công suất tổn hao trên van với tải trên là rất nhỏ so với công suất tải và hiệu suất sử dụng máy biến áp rất tốt Do vậy ta chọn sơ đồ này Tuy nhiên sơ đồ này có nhược điểm là quá trình điều khiển phức tạp hơn

2.2: Lựa chọn phương án thiết kế mạch điều khiển

Từ mạch lực và yêu cầu của xung điều khiển ta đi đến thiết lập sơ đồ khối cho mạch điều khiển Ta phải lựa chọn các mạch phù hợp cho từng khâu trong khối sao cho đạt được tín hiệu điều khiển cần thiết:

ng pha đồ

Ut a ự

So sánh

K X Đ BAX

Máy phát xung

Uđk

a Khâu đồng pha

Đây là khâu có nhiệm vụ xác định thời điểm mốc để tính góc mở α

Nó liên hệ chặt chẽ về pha với điện áp lực Bên cạch đó nó còn để cách li mạch điều khiển và mạch lực ở đầu vào hệ điều khiển Do vậy mà khối đồng pha có thể dùng biến áp để cách li hoặc dùng phần tử otocupler

E-Rx1 Udk1

- Sở dĩ ta chọn sơ đồ trên là vì khi thay đổi giá trị của Uđk1 ta sẽ thay đổi

được độ rộng của xung đồng bộ

b Khâu tạo Utựa

Trong thực tế có rất nhiều mạch tạo ra Utựa Ví dụ:

- Mạch chỉ dùng diode, tụ điện và điện trở ghép lại với nhau như hình 1

- Mạch dùng transistor và các linh kiện điện tử khác như hình 2

- Mạch dùng khuếch đại thuật toán như hình 3

R

S ơ đồ

m ch: ạ

Hình 1.

R

C Udp

Ecc

Hình 2

Udp

Dz C

của điện áp lưới làm cho việc xác định góc điều khiển từ điện áp răng cưa rất khó khăn.

ở sơ đồ hình 2 mạch cũng khá đơn giản, điện áp tựa cũng trải ra cả 1/2 chu kì của điện áp lưới nhưng do đóng mở transistor ở vùng lân cận không nên mạch hoạt động kém tin cậy

ở sơ đồ hình 3 do khuếch đại thuật toán hoạt động có độ tin cậy cao nên tạo ra tín hiệu Utựa có chất lượng rất tốt

c Khâu so sánh

Khâu này có nhiệm vụ tạo ra góc điều khiển α (hay tín hiệu điều khiển dòng và áp ở thời điểm yêu cầu) Sơ đồ này ta cũng dùng khuếch đại thuật toán

2.4: Tính toán các thông số điện áp, dòng điện và công suất máy biến áp

+ Công suất biến áp nguồn được tính bởi:

Sba = Ks .Pd = 1,05.15.103 = 15,75 KW

+ Điện áp các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp:

- Điện áp thứ cấp U2 = 10,68 V

- Điện áp sơ cấp bằng điện áp pha nguồn cấp (220 V)

+ Dòng điện các cuộn dây:

- Dòng điện của cuộn thứ cấp:

tỷ trọng γb=75 kg/dm3

tổn hao p=1,3 w/kg.Bề dày lá tôn silic ∋ 310 : 0,35(mm)

a. Tính toán chiều cao sơ bộ của trụ :

Dựa vào công thức kinh nghiệm:

π β π

hq

T l

+Thq :Tiết diện hiệu quả Thq=Q

+β :là hệ số quan hệ giữa chiều cao và chiều rộng của biến áp,

thường bằng 1,15÷1,35.Ta chọn β=1,2

- Suy ra :

) ( 26 2

, 1

14 , 3

78 4 14 ,

35 , 0 5 , 9

35 , 0 5 , 9

35 , 0 5 , 9

CHƯƠNG 3: Thiết kế mạch điều khiển

R1

R2

R3 RX1

OP1 +E

a' BADF

UI >Ung1 thì UD=(UI-Ung1)>0 Suy ra điện áp ra của OP1 là UII >0 (UII 2)V ) và ngược lại nếu UD=(UI-Ung1)< 0 thì UII=-( E-2) V Vì vậy mà điện áp

Dien ap dong pha sau chinh luu

b Tính toán khối đồng pha

+ tp:Thời gian phóng của tụ điện ;

+ tn:Thời gian nạp của tụ điện

Trong thực té tính toán để có dải đièu khiển lớnn từ 0÷Udđmax thì tn<< tp

→

) ( 65 , 2

15 65

,

1 3

3 1 3

×

=

R R

R R

R

E R

x x

ng

Cuối cùng ta chọn :Rx1=0÷10 (kΩ) và điều chỉnh để Rx1=4,66 (kΩ)

+ Chọn D1,D2:

- Gọi Id là dòng chảy qua tải Rd ( chọn Rd =56 Ω ).Ta có:

) ( 2 , 0 56

12 9 , 0

A R

U I

d

d

Chọn Ilv=25%.Iđmv (dòng làm việc của van bằng 25% dòng điện định mức của van)

→ Iđmv=4×Ilv=4×0,2=0,8 (A)

- Điện áp ngược trên van :

34 12 2 2 2

Chọn D1và D2 là loại D-1001 với I=1 (A) và Ungnãx=200 (V)

+ Tính dòng điện chạy ở thứ cấp của máy biến áp đồng pha:

I3=0,58×Id=0,116 (A)