Đồ án thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ đoc lập có đảo chiều theo nguyên tăc điều khiển riêng

Đồ án điện tử công suất ĐỀ TÀI: Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ đoc lập có đảo chiều theo nguyên tăc điều khiển riêng.Mạch đảm bảo tốc độ trơn và có khâu bảo

Đồ án điện tử công suất

ĐỀ TÀI:

Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ đoc lập có đảo chiều theo nguyên tăc điều khiển riêng.Mạch đảm bảo tốc độ trơn và có khâu bảo vệ chống mất kích từ

1) Tìm hiểu về công nghệ và yêu cầu kỹ thuật của thiết bị cần thiết kế

2) Đề xuất các phương án tổng thể,phân tích ưu,nhược điểm của từng phương án

để đi đến lựa chon một phương án phù hợp thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật 3) Xây dung chi tiết toàn bộ sơ đò nguyên lý mạch thiết kế (cả mạch lực và mạch điều khiển),sau đó thuyết minh sự hoạt động của sơ đồ này với đồ thị

minh hoa

4) Tính toán mạch lực

5) Tính toán mạch điều khiển

6) Lập bảng trị số toàn bộ các phần tử và linh kiện tính toán được trong phần 4

Đồ án điện tử công suất

CHƯƠNG I TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MOT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

1

1) Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều

Ngày nay,động cơ điện một chiều vẫn được coi là một loại máy điện quan

trọng mặc dù máy điện xoay chiều rát thông dụng do động cơ điện một chiều vẫn

có những ưu điểm như khả năng điều chinh tốc độ rát tốt.NÑó được dùngtrong những ngành đòi hỏi yêu cầu cao về mặt điều chính tốc độ như máy cán thép,bào hầm mỏ,giao thông vận tải

Mặt dù có một số nhược điểm so vói máy điện xoay chiều như giá thành

cao,bảo quản cổ góp phức tạp (dễ sinh tia lửa điện) nhưng do những ưu điểm của nó

mà nó vẫn có tầm quan trọng nhát định trong nền sản xuất

2) Cấu tạo

Động cơ điện một chiêu có hai phần chính Phần tĩnh và phần động

2.1)Phần tĩnh (stato)

Phần Stato là bộ phận đứng yên của máy nó bao gồm cục từ chính,cưc từ

phụ (là bộ phận sinh ra từ trường hay nó là phần cảm)

a)Cực từ chính

Là bộ phận sinh ra từ trường,gồm có lõi sắt cực từ và dây quán kích từ

lồng ngoài lõi sắt cực từ.Lõi thép cực từ làm bằng lõi thép kỹ thuật điện mỏng ,các

cuộn kích từ được quấn bằng dây đồng boc cách điện và tẩm sơn cách điện trước khi

đặt lên cực từ các cuộn kích từ này được nối tiếp với nhau

b) Cực từ phụ

Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cảiI thiện đổi

chiều.Lõi thép thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt day quấn

mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính

c)Gông từ Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy

d) Nắp máy

Bảo vệ máy khỏi bị những vật bên ngoài rơI vào làm hu hỏng dây quấn và

an toàn cho người vận hành.Trong động cơ điện nó được làm giá đỡ ổ bi

+Cơ cấu chổi than : Để đưa dòng điện từ phàn quay ra ngoài.Cơ cấu chổi than gồm có một chổi than đặt trong 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

2.2) Phần quay hay Roto (phan ting)

Đồ án điện tử công suất

điện xoáy gây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì dat day

quấn vào

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

khi ép lạ thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió đọc trục

Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt

Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục

Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá 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 phát 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 máy

điện nhỏ có công suất dưới vài kw thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép

c) Cổ góp : Dùng để đổi chiều dòng điẹn xoay chiều thành một chiều Cổ góp gồm nhiều phiến

đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp

thành một hình trục tròn Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại

Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica Đuôi vành góp có cao lên một ít

để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng

d) Các bộ phận khác

- Cánh quạt : dùng để quạt gió làm nguội máy Máy điện một chiều thường chế tạo

theo kiểu bảo vệ ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió Cánh quạt lắp trên trục máy ,

khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ Gió đi qua vành góp, cực

từ lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy

- Trục máy : trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt

3) Phân loại máy điện

Động cơ điện một chiều phân loại theo cách kích thích từ thành động cơ điện kích hích độc lập, động cơ điện kích thích song song ,kích thích nối tiếp,kích thích hỗn hợp

Trên thực tế đặc tính của động cơ kích từ độc lập và kích thích song song là giống

nhau nên khi cần công suất lớn người ta thường dùng động cơ kích từ độc lập để có

thể điều chỉnh dòng điện kích thích được thuận tiện do đó mà điều chỉnh tốc độ dễ dàng và kinh tế hơn mặc dù nó đòi hỏi có dòng bên ngoài

Trong đồ án này ta xét đến động cơ điện một chiêu kích từ độc lập

Khi mà nguồn một chiều có công suất không quá lớn thì mạch phần ứng và mạch

từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên gọi là động cơ điện một chiều kích từ độc lập

4) Nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều

Trang 3

Đồ án điện tử công suất

Khi cho điện áp U vào hai chổi than A,B trong dây quấn phần ứng sinh ra dòng

điện I„ Các thanh dẫn ab,cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu tác dụng của lực E„ tác dụng làm cho Roto quay ,khi phần ứng quay nửa vòng thì vị trí các thanh

dẫn ab,cd đổi chỗ cho nhau do đó các phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều

tác dụng không đổi đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi,khi động cơ quay các

thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động E„,chiều quay xác định theo quy

Đồ án điện tử công suất

Mômen phụ thuộc vào từ thông và dòng phần ứng

Từ phương trình (1) suy ra : để thay đổi tốc độ động cơ ta có thể dùng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng U, ,từ thông Ø tức là thay đổi dòng kích từ I,„ và thay đổi dién tro phan ting R, ,R,

M=K.ø.I, do đó muốn đảo chiều động cơ tức là đảo chiều mômen M ta có thể

dùng phương pháp đảo chiêu từ thông (tức là đảo chiều dòng kích tir I, ) hoac 1a

đảo chiều dòng điện phần ứng I,

2) Các phương pháp thay đổi tốc độ a) Phương pháp thay đổi tir thong @ ,thay đổi dòng kích từ I., Với một phụ tải M,

nhất định Khi Ø giảm tốc độ động cơ tăng lên

Khi kích thích dòng khác nhau đặc tính cơ nhận được khác nhau và độ dốc

khác nhau.Giao điểm mômen cản M, =f(,) với các đường trên cho biết tốc độ xác lập ứng với thông số khác nhau của từ thông

b) Thay đổi điện áp phần ứng

-Để điều chỉnh điện áp phần ứng đông cơ điện một chiều cần có thiết bị nguồn

như máy phát điện một chiều kích từ độc lập , các bộ chỉnh lưu điều khiển các thiết bị này có chức năng biến đổi lượng xoay chiều thành một chiều có suất điện

động E, điều chỉnh được là nhờ tín hiệu U„,

Đồ án điện tử công suất

-_ Để xác định dải điều chỉnh tốc độ ta thấy rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị

chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tính ứng với điện áp định mức và từ thông cũng giữ ở giá trị định mức Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi động , khi mômen tải là định mức thì giá trị lớn nhất va nhỏ nhất của tốc độ là:

Mam (may = %o max | |

Trong đó : Kụ: hệ số quá tải về mômen, do họ đặc tính cơ là những đường thẳng

song song với nhau nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết:

1 M Onin = (Mu mi, — M am Yai = a Ky = 1)

Đồ án điện tử công suất

Chiều quay động cơ phụ thuộc vào chiều quay mômen có thể dùng hai phương

pháp Hoặc thay đổi chiều dòng phần ứng I„ hoặc đổi chiều từ thông (đổi chiều dòng

kich tir I,,)

+ Néu ding phương pháp đảo chiều dòng kích từ Khi máy đang quay thì do hệ số điện cảm của cuộn dây kích thích lớn (do có nhiều vòng dây) nên khi thay đổi dòng kích thích I, thì xuất hiện suát điện động cảm ứng rất cao gây ra điện áp làm đánh thủng cách điện dây quấn kích thích

Do đó để đảo chiều quay động cơ ta chon phương pháp đảo chiêu dòng phần ứng I,

Từ những phân tích trên ta chon phương pháp thay đổi tốc độ là thay đổi điện áp phần ứng U, (tức là điều khiển U, ) và đảo chiều quay bằng đảo chiều đòng phần

Trong đó ø,,œ,., là tốc độ ổn định của động cơ đạt được ở cấp ¡ ,i+l

z ->1 tức là hệ truyền động có thể ổn định ở mọi vị trí trong toàn dal diéu

+ cách khắc phục điều này là phảI có bộ phận nhận biết được mất kích từ

(ø=0 và do đó I,=0) thì lập tức ngắt nguồn cấp cho phần ứng tức U„ =0 Khi đó I, không lớn và tránh được sự cố trên

Trang 7

Công suất định mức của động cơ điện 1 chiều

Sam = Usmlam = 80.20 = 1600 Công suất kích từ :

Sm¿ = U.Í=50.2 = 100W

Vì S¿„ và S„„ nhỏ nên ta chọn mạch lực là mạch chỉnh lưu 1 pha

Ta có các phương án đưa ra cho mạch lực : _ Chỉnh lưu một nửa chu kỳ

_ Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính

_ Chỉnh lưu một pha

1.) Chỉnh lưu một nửa chu kỳ

Với sơ đồ này sóng điện áp ra một chiều bị gián đoạn trong một nửa chu kỳ khi

điện áp anốt của van bán dẫn âm, do đó khi sử dụng sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu

kỳ chất lượng điện áp tải xấu

Điện áp tải trung bình lớn nhất trên tải U,, =0,45U2

Vì chất lượng điện áp xấu nên hiệu suất của máy biến áp cũng thấp

Đồ án điện tử công suất

2.)Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính

Đồ án điện tử công suất

_ Biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống hệt nhau, ở mỗi nửa chu

kỳ có một van dẫn cho dòng chảy qua

_Khi 9= ơ cho phát xung mở T,,, T; dẫn do điện áp đầu anot dương và có xung

mở Khi 9 =II, điện áp trên anot = 0 nhưng do có cuộn cảm L nên vẫn còn dòng điện I, nên T, chưa khoá , T, tiếp tục dẫn cho đến khi 9 = II + ơ , phát xung mở T; thì T; bị khoá và T; dẫn T, khoá không phải dòng đã về 0 mà là do T; dẫn

T; lại dẫn cho đến khi 0 = 2II + œ , T, được phát xung mở , T, dẫn và T; bị khoá

lại

Quá trình cứ như vậy cho đến khi điện áp tải đập mạch có tần số bằng 2 lần tần

số điện áp xoay chiều

(Dạng điện áp tải , dòng trên các van T,,T; và điện áp ngược trên van T, được

vẽ trên hình )

Với ơ : là góc điều khiển mở

+ Điện áp trung bình trên tải

Điện áp chỉnh lưu không điều khiển khi tải là thuần trở

+ Điện áp ngược trên van là lớn U„=242 U,

Tải có điện cảm lớn nên dòng tải liên tuc i, = I, Mỗi van dẫn thông một nửa chu kỳ

+ Dòng hiệu dụng qua van (chính là dòng hiệu dụng qua máy biến áp)

_ Dòng qua van không quá lớn

_ Điều khiển van đơn giản + Nhược điểm

_ Chế tạo máy biến áp phải có 2 cuộn giống nhau mỗi cuộn làm việc 1nửa chu kỳ

_ Chế tạo biến áp phức tạp _ Hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn _ Điện áp ngược trên van là lớn

3.) Chỉnh lưu cầu một pha

Trang 10

Nửa chu kỳ đầu U;> 0, Anot của T, dương , Katot của T, âm Nếu có xung

điều khiển mở đồng thời T, và T; thì cả hai van này được mở thông và đặt điện áp lưới lên tải U„ = U; Điện áp tải một chiều bằng điện áp xoay chiều (U, = U,) cho dén khi nao T, , T, con dẫn (Khoảng dẫn của các van phụ

thuộc vào tải ) Nửa chu kỳ sau, điện áp đổi dấu , anot của T; dương và katot T„ âm , nếu có

xung điều khiển mở đồng thời T;,T, thì các van này được mở thông và Ủ, = - U;, với điện áp một chiều có cùng chiều với nửa chu kỳ trước

Trang 11

Đồ án điện tử công suất

(Các đặc tính điện áp tải , dòng qua tải , dòng qua van và điện áp ngược trên van được biểu diễn trên hình vẽ)

+ Giá trị trung bình của tải

* Nhan xét : Chất lượng điện áp của chỉnh lưu cầu một pha giống như chỉnh lưu hình tia Hình dạng đường cong điện áp , dòng tải , dòng qua van bán dẫn, hệ số đập mạch như trong chỉnh lưu hình tia

_ Số van nhiều hơn

_ Điều khiển van T, ,T; và nhóm T; , T, phải đồng thời nên khó khăn hơn

* Nhận xét chung

Từ các phân tích trên ta lựa chọn mạch lực là mạch chỉnh lưu điều khiển cầu một pha

II Phan tich mạch lực

1 Mạch lực ta chọn là mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng 4 góc phần tư

Tải ta coi là RLE , cuộn cảm L được thêm vào để lọc điện áp và dòng

Trang 12

Đồ án điện tử công suất

+ Điện áp trung bình tải UỦ¿= 2⁄2 U;cosơ

ñ R2Uasin 040 = ñ [Ria+ n [XL4ia+ n Jao

Trong máy biến áp có cuộn dây nên có điện cam L,

Giả sử T, /T; đang mở cho dòng chảy qua ir, ir; =Ï, Khi Ø=II+z phát xung mở T;,T,

Vì có L„ nên dòng i;,,i; không giảm đột ngột về 0 ma dong i,,,i;, cũng không

tăng đột ngột từ 0 đến l, Lúc này cả 4 van cùng mở thông cho dòng chảy qua ,phụ tải bị ngắn mạch uạ =0

Trang 14

9

i= Í 212 sin(Ø + ø) = Ý2U2 (cosø — cos(Ø + Z))

0 Xe X¢

dat i, =i.) ty shy =hy =0,5.1,

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

i, : lam tang dòng trong T, va lam giảm dong trong T,

2.X.da

42;

cosa —cos(a +/)=

Ta thấy so với không trùng dẫn đặc tính điện áp sụt một phần và đó là sụt áp gây

ra do tring dan AU,

Đồ án điện tử công suất

Uy =R.1, +E

3) Nghịch lưu phụ thuộc

Trong đông cơ điện một chiều có sức phản điện động ,trong điều kiện nào đó nó có

thể làm việc ở chế độ nghịch lưu - là chế độ biến đổi năng lượng dòng một chiều

phía tải thành dòng điện xoay chiều cấp trở lại lưới điện chế độ làm việc như vậy

chính là khi ta hãm tái sinh để tiết kiệm năng lượng

Để sức điện động E phát năng lượng trở lại lưới điện thì dòng và áp phải ngược

chiều nhau U¿ và I¡ ngược nhau

Do dòng điện chỉ chảy theo một chiều từ A đến K của thyristor nên ta điều chỉnh

sao cho

-_ chiều dòng như cũ

- dao chiéu sttc dién dong E,

- 6 trong ché d6 chinh luu véi géc md 1a a thi Uy =Uy) cosa

nén néu a> = > Uy < Otttc 1a dién áp trên tải thay đổi cực tính và ngược chiều van

Do đó đẻ duy trì dòng chảy qua van từ A đến K của van thì ta phải đảo chiều E„ và đảm bảo |z| >|U¿| vậy ở chế độ chỉnh lưu ,dòng trong mạch được duy trì bởi

U, -E >0 thì trong chế độ nghịch lưu phụ thuộc dòng được duy trì bởi |£|—|Ua„| >0 Trong chế độ nghịch lưu lưới điện nhận năng lượng từ phía tải

Điều kiện hoạt động chế độ nghịch lưu phụ thuộc

Đồ án điện tử công suất

Xét dạng điện áp trên van

Trong mạch có điện cảm biến áp nên nó có quá trình trùng dẫn với góc trùng dan uw xét T,,T; đang dẫn , 2= z phát xung mo T, ,T, ,U, > U, nên có dòng qua van và TI,T; vẫn còn dẫn từ đó 4 van cùng dẫn trong khoảng ¿ Sau đó TI ,T; khoá và T;,T, mở

Điện áp ngược trên van T1 ,T; U„„ =42.U;.sinØ =U›(6)

Điện áp ngược chỉ xuất hiện trên van trong khoang từ Ø=ø+/ đến Ø=II vì sau

đó điện áp trên TI ,T; lại là thuận (U„ > Ủ/)

Như vậy trong một chu kỳ làm việc mỗi van chỉ chịu điện áp ngược trong khoảng

từ Ø=z+¿ đến Ø=II tức là trong khoảng thời gian ø = II- (z + ¿) ,khoảng thời gian này khá nhỏ

Nếu TI~(ø + )< đ„ (ứng với thời gian phục hồi Thyristor)

„Thyristor sẽ tự mở trở lại không cần dòng điều khiển (mở tự nhiên )

Trang 17

Đồ án điện tử công suất

Khi đó trong mạch cả hai nguồn cùng phát năng lượng khi đó I, rất lớn gây sự

cố sập nghịch lưu

Do đó để an toàn phải có II~ (ø + 11) > Oo

Chọn đ„„ =10” (ứng với tị =555 us thi cd thể khoá van Thyristor thông thường )

— # <TI~ (4+ Ø„yy)

Vậy góc mở z phải thoả mãn trong nghịch lưu phụ thuộc là

<a <t-(u4+ Boy)

Trang 18

Đồ án điện tử công suất

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN MẠCH LỰC 1) TINH CHON VAN

+ Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu

U,„ =k,„.U=k, 2

k,, thé sé k,, =V2

k, :hệ số điện áp (mạch cầu 1 pha) k, =n?

U,=110 (dién ap trung binh trén tai)

10 11

Uy max = V2 = = 110=172,7(v)

2/2 2

II điện áp ngược van cần chọn

+Từ hai thông số U,„„„ và l¿„ ta chọn 4 van thyristor loại

ACR44U08LE với các thông số như sau

- điện áp ngược van : Uy =800(V)

- dong định mức van th =44 (A)

- đỉnh xung dòng điện > Tie max 550C A)

- dong xung diéu khién 2 Lge max = 200(mA)

- điện áp xung điều khiển : Ủ„„„„ =3 (V)

- đòng điện giữ :Ïm„„ =25 (MA)

- dong điện dò tTeimax =10 (mA)

- độ sụt áp lớn nhất + AU pax =2,7V)

- tốc độ thay đổi điện áp a = 600(V /s)

- thời gian chuyển mach : tuy = Õ(/6 )

- nhiệt độ làm việc cho phép :T,„„ =125 °C

ID TÍNH TOÁN MÁY BIẾN ÁP CHỈNH LƯU

Trang 19

Đồ án điện tử công suất

Chọn máy biến áp một pha làm mát bằng không khí tự nhiên

1) Do khi làm việc với máy biến áp ,có sụt áp trên đường tải

- sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp

AUb„ =AUy +AUy =6%U; =0.06.220 =13.2(V)

- sụt ấp trên van lực AU, =2,7(V)

- sụt áp do quá trình chuyển mạch AU „=0.LU¿ (theo kinh nghiệm )

Ug =VUgo +2.AUy + AU gn + AU pg + AUL

5 Uy = Udo t2AUy + WU an + AU pg _ 110+2.2,7 413,240 _yaaryy

Công suất biểu kiến máy biến áp

Pạ =U, I¿ =143.15 =2145 (W) Suy ra S,, =1,05.P, =1,05.2145 =2252 (W) 2) điện áp sơ cấp máy biến áp

+U, =220 (V) 3) điện áp pha thứ cấp máy biến áp

** TINH TOAN MACH TU VA DAY

Chọn mạch từ ghép từ những lá thép kỹ thuật 3330 dây máy biến áp là dây đồng

0,5 mm ,với mật độ từ cảm trong trụ

B.=IT

Trang 20

+ chọn hệ số máy biến áp với máy biến áp khô £,=6 + số trụ máy biến áp m =l

+ tần số dòng xoay chiều f=50 (HZ)

_„ [2252 _ 2

+ Q=6 150 = 40,3(cm~ ) Q=a.b =40,3 (em) với cách chọn thông số tối ưu là

m =h/a =2,5 ; n =c/a =0,7 ;l =b/a =1,5

S, =L/J,= 10,8/2,75=3.93 (mm?)

+đường kính dây

49

dị = lật = — =2,240mm?) Chuẩn hoá đường dây chọn d, =2,26 mm

S, =4,012 mm?

Trang 21

Đồ án điện tử công suất

Tính lại mật độ dòng dién J, =1,/S, =10,8/4,012 =2,69 (A/mm?)

Như vậy cuộn sơ cấp quấn thành 5Š lớp giữa các lớp có 1 tờ giấy cách điện mong 0,1 mm _ Bé day day quấn cuộn sơ cấp

ống dây cách điện làm bằng vật liệu cách điện Imm có bán kính trong q,; =40 mm

chiéu cao str dung h,, =h= 150 mm