Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển động cơ không đông bộ roto đây quấn luận văn, đồ án, đề tài tốt nghiệp

Luận văn, khóa luận tốt nghiệp, báo cáo là sản phẩm kiến thức, là công trình khoa học đầu tay của sinh viên, đúc kết những kiến thức của cả quá trình nghiên cứu và học tập một chuyên đề, chuyên ngành cụ thể. Tổng hợp các đồ án, khóa luận, tiểu luận, chuyên đề và luận văn tốt nghiệp đại học về các chuyên ngành: Kinh tế, Tài Chính Ngân Hàng, Công nghệ thông tin, Khoa học kỹ thuật, Khoa học xã hội, Y dược, Nông Lâm Ngữ... dành cho sinh viên tham khảo. Kho đề tài hay và mới lạ giúp sinh viên chuyên ngành định hướng và lựa chọn cho mình một đề tài phù hợp, thực hiện viết báo cáo luận văn và bảo vệ thành công đồ án của mình

MỤC LỤC i09 09 0 1

EU Tố 3

Chương I CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIÊU KHIÊN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐÔNG BỘ 4

I Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ (KĐB) 5-ccccsersecree, 4 1 Khái quát về máy điện KĐB - 6 tk TT HT HH TH diệt 4 2 Đặc tính cơ của động cơ KDB LH HT ng t1 TT kg kg 1kg kg kg KH K K00 ky 4 II Các nguyên tắc điêu chỉnh tốc độ động cơ KĐB .Ó 1 Điêu khiên động cơ băng điện trở phụ trong mạch rôto R¿ . 7

2 Điêu khiên động cơ băng điện áp sfafO c-cceenhhehererererrrrrre 4 Điêu khiên động cơ KĐB băng thay đôi sô đôi cực p -

5 Dieu khiên động cơ KĐB băng điện trở và điện khang phu mach stato 6 Điệu khiên động cơ KĐB băng cách thay đôi điện kháng rôto Xo

7 Điêu khiên động cơ KĐB băng sơ đô tâng

Chương 2 SƠ ĐÓ THIẾT KE

I Khái quát sơ đồ tầng

1.Sơ đồ tầng điện

2.Sơ đồ tầng điện cơ

IIL.Các sơ đồ nói tầng có thể sử dụng 1.Sơ đồ nối tầng máy điện

2.Sơ đồ nói tầng van- máy điện 3.Sơ đồ nói tầng van - 2c cecczsccez III.Các số liệu dùng cho tính toán, thiết kế hệ thống 1 Số liệu cho trước của động cơ

2 Các số liệu cần cho tính toán thiết kế -¿- + t+x+EE+E£E£EEEEEEEEEeEErEerrerxrree 18 Chương 3_TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN CÁC PHÀN TỬ TRONG MẠCH LỰC 20

I.Tính toán Diod chỉnh lưu 6 2< 2221311311151 1E51151 1151111 1 811 11 11 11 cư, 20 L.DiGn Ap NQUOC CUA VANE naOŨ - 20

2 Dòng điện làm việc của diode : EN0.0i0 2011 4 21

ILTính toán Tiristor nghịch lưu - << +22 +33 311 E38 E131 E51 1E 1 511111511 111 key 1.Điện áp ngược lớn nhất mà Tiristor phải chịu 2 Dòng điện làm việc của “TITIS{OT - - (6 5c + 3132111211 511511 E1 1 1 kg E0 0 23

IILTính toán máy biến áp nghịch lưu -2252+s+zx+zsezxezse+ Chương 4_LẬP SƠ ĐÒ KHÓI MẠCH ĐIỀU KHIÉN NGHỊCH LƯU I.Khái quát về các phương pháp điều khiễn tiristor -2- 5z©2+2x+zcxscxze2 1 Cấu tạo và hoạt động của fITISẨOT - 2c + 121112119 115111 119 11 11 11 8 xe 2 Các nguyên tắc điều khiển TiristOr - 2-2 2 ©S+E££E2E2EE2EEEEEeExerkerrrrex 47

ILLập sơ đồ khối của mạch điều khiển nghịch lưu - - 22s s+zx+zx+zxczzez+s 48

1 Lựa chọn khâu đồng pha - 2-2-2 9S£2EE+EE2EE£EEEEEEEEEEE121121111271 11111 te, 49

3 Lựa chọn khâu tạo xung khuếch đảại -2- tt 2E EE2E2E1E121511115511212211355 1x c52 52

4 chọn khâu tạo xung chùm cho điều khiển - 52s St vEEEEEeEErkererxrrerxree 54

5 Sơ G6 GiGu KEN oo cece cceceeccesssssessessessessessssecsscsssssessessesstsaessessessesseens 54 Chương 5 TÍNH TOÁN, CHỌN CÁC LINH KIỆN CỦA MẠCH ĐIÊU KHIỂN 58

I Các thông số cơ bản để tính toán mạch điều khiển - 2-2 5 se 2xx 58

II Tính biến áp xung (MBAX)

IIL Tính tầng khuếch đại cuối cùng

IV Chon cng AND .ccccsscssssssessessessessecsucssessessessessessssssssssssessessessesssssnsssessessessessesseees

V Tinh chọn bộ tạo xung chùÙm - - -c + E323 3311135183511 191115 11 811119111 1k ren

VII Tinh chon khau déng pha o cecccccccsessessesssessessessessesssessessessessessssssesesessessesseessees 65

Chương 6_TÍNH TOÁN VÀ DỰNG ĐẶC CƠ TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ TƯƠNG

ỨNG VỚI CÁC GÓC MỞ KHÁC NHAU CỦA TIRISTO -2- 2: 5c 55z+s2£z£+ 72

I Cac biéu thức liên quan tới việc tính toán và dựng đặc tính cơ nhân tạo 72

4 Quan hệ giữa độ trượt s và dòng điện Ï2 - ¿c5 52 +22 *** + E+ereeseezee 73

II Đặc tính điều chỉnh của hệ khi n = 0,Ñnqạ : - 2-52 252 2+EeEE£EE2EEEeEEzErrerxee 74

II Đặc tính điều chỉnh của hệ khi n = 0,6nẩm

IV Đặc tính điêu chỉnh của hệ khi n = 0,4ndm

IV Đặc tính điêu chỉnh của hệ khi n = 0,2nẩm

IV Đặc tính điêu chỉnh của hệ khi / =900 5c +22 3£ +2 E+EEvEEeeeersereeserrsee

Chwong7_SO DO NGUYEN LY DIEU CHINH TU DONG VA DAC TINH DIEU

CHINH CUA HE KIN u seesecsssssessessssescssssseccssnsecessssscecssnsceessnseecsssnsceesnneteesssneseennneceesnness

I, So dé nguyén ly diéu chỉnh tự động tốc độ động cơ l

II.Xác định hệ sô phản hôi tôc độ đê đảm bảo sai sô điêu chỉnh toc độ

1 Nguyên lý chung xây dựng một hệ điều khiển tối ưu .87

2 Tính toán thiết kế mạch vòng dòng điện 90

3 Mô tả mạch vòng điều chỉnh tốc độ 93

1.Xét hệ hở - - 6c cseerereree 97 2.Xét hệ kín 5:2 222v 2212222121221 re 99 0980.4100 ” 101

1000290079004 102

Lời mớ đầu

Trong quá trình sản xuất, truyền động điện là một trong những khâu quan trọng đề tạo ra năng suất lao động lớn Điều đó càng được thể hiện rõ nét trong các dây truyền sản xuất, trong các công trình xây dựng hiện đại, truyền động điện đóng vai trò quan trọng trong việc nang cao nang suất lao động và chất lượng sản phẩm vì thế các hệ thống truyền động điện luôn được quan tâm nghiên cứu để nâng cao chất lượng sản phâm

Khi nói đến truyền động điện thì người ta quan tâm nhất đó là động cơ điện và việc điều khiển động cơ điện một cách chính xác và đạt kết quả như mong muốn

Do có nhiều ưu điểm cả về kinh tế lẫn kỹ thuật nên động cơ không động bộ ngày càng được sử dụng phổ biến trong nền kinh tế quốc dân cũng như đời sống hàng ngày Vì vậy việc điều khiển động cơ không đồng bộ là một trong những vấn đề quan trọng

Trong quá trình học tập chúng em đã được học, nghiên cứu nhiều phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ và trong phạm vi đồ án tốt nghiệp em chỉ đi sâu

nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển cho động cơ không động bộ rôto dây quấn theo sơ

đồ tầng

Dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS-TS Bùi Đình Tiếu giảng viên bộ môn Thiết

Bị Điện-Điện Tử Trường ĐHBKHN em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình

với đề tài “Tính toán thiết kế truyền động động cơ KĐB rôto đây quấn theo sơ đồ tầng”

Do thời gian và hiểu biết thực tế còn hạn chế nên trong quá trình thiết kế còn có những sai sót nhất định, em mong được sự giúp đỡ chỉ bảo của các thầy cô trong bộ

môn để em hoàn thành tốt nhiệm vụ thiết kế đồ án tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội ngày 23/5/2007

Sinh viên Nguyễn Đức Trưởng

Chương I

CAC PHUONG PHAP DIEU KHIEN DONG CO KHONG DONG BO

I Nguyén ly lam viée cia dong co khong dong b6 (KDB)

1 Khái quát về máy điện KĐB

Động cơ xoay chiều KĐB được sử dụng nhiều nhất trong thực tế hiện nay nhờ các

ưu điểm: Đơn giản về cấu tạo, nhỏ gọn, hoạt động tin cậy, giá thành rẻ và chi phi van hành thấp Hơn nữa nó có thê đấu trực tiếp vào lưới điện xoay chiều ba pha mà không cần qua một thiết bị biến đổi nào

Có hai loại động cơ KĐB :

+ Động cơ KĐB rôto dây quấn + Động cơ KĐB rôto lồng sóc

Hinh 1.1 Ky hiệu động cơ KĐB

2 Đặc tính cơ của động cơ KĐB

Theo điều kiện cân bằng công suất trong động cơ, nếu gol:

- Công suất dién tir chuyén tir stato vao réto 14 Pip

- Cong suất cơ đưa ra trên trục động cơ là Pạo

- Công suất tốn thất trên động cơ là AP

Ta có Piz=P„+AP

Trong đó: Pịz=Mụ øy P.o=M.a

Khi coi động cơ va lưới điện là lý tưởng: tức là coi các thông sé day quan như điện

trở, điện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đồi, bỏ qua tổn thất trong lõi

thép và tổn thất do ma sát thì mômen cơ bằng mômen điện từ còn tôn hao công suất khi ay chỉ xét đến tổn hao đồng do rôto gây ra bên trên điện trở mạch rôto, tức là:

Mạ~M và AP=AP›;=3.];'”.R¿'

Trong đó: I;': Dòng rôto đã quy đôi vé stato

R¿': Điện trở Rôto đã quy đôi vé stato

1; =

(R +)? +X; Ss

Trong đó: Xam=X¡†X¿' : Điện kháng ngắn mạch của động cơ

U;: Trị số hiệu dung cua dién ap pha stato

Rj, X¡: Điện trở tác dụng va dién khang stato

R;',X;': Điện trở tác dụng và điện kháng rôto đã quy đổi vé stato s: Hệ sỐ trượt

Theo biểu thức P¡z=P,„FAP

Thay s=?~° vào biểu thức trên ta có: M=Ẻ › (2), @% (ạ.$

Thay I;` từ biểu thức (1) vào (2) ta có:

Đây là phương trinh đặc tính cơ của

động cơ không đồng bộ, cho s các giá

trị khác nhau, tức là ứng với mỗi giá

Các điểm cực trị của đừong cong đặc tính cơ trên gọi là điểm tơi hạn ứng với các tọa độ:

- Độ trựơt tới hạn: sụ=-——=®S——

3U?

2@,|R, + (RR) + X;, Nếu biểu diễn phương trinh (3) thông qua độ trượt tới hạn và mômen tới hạn ta có dạng phương trình đặc tính cơ thông dụng dạng Closs như sau:

M= 2⁄4 (I+a.s„)

- Mômen tới hạn: Mụ=

Trong đó a= R

ss th 5 + +as,, 2

Sy, 8

Dac tinh co trén cho thay quan hệ giữa tốc độ động cơ và mômen được chia làm 2 đoạn:

- — Đoạn I từ điểm không tải lý tưởng (s=0,ø= ø¿) đến điểm tới hạn (s=sạ) gọi là

đoạn công tác có độ cứng <0, động cơ chỉ làm việc xác lập trên đoạn này

- — Đoạn 2 từ tới hạn tới điểm ngắn mạch (s=l, œ=0) có độ cứng Ø >0 và chỉ ton tại trong quá trình khởi động hoặc quá độ

II Các nguyên tắc điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB

2a.f

Thay a= với f là tần số dong dién trong stato, p số đôi cực của động cơ

và Xam=X¡+X;' vào biểu thức (3) ta có :

Từ phương trình trên cho thấy ta có thể điều khiển được động cơ KĐB bằng cách tác

động vào các thông SỐ: Điện trở, điện kháng mạch rôto Ra, Xa; điện áp stato U¡; điện

trở và điện kháng stato Rị ,Xị; tần số dong dién stato f; và số đôi cừc p Ngoài các phương pháp tác động vào các thông số trên người ta còn điều khiển động cơ KĐB

bằng các sơ đồ đặc biệt để điều khiên động cơ thông qua điều chỉnh công suất trượt

trong mạch rôto, đó là các sơ đồ tầng Ta sẽ lần lượt khảo sát các phương pháp trên:

1 Điều khiển động cơ bằng điện trớ phụ trong mạch rôto R¿

Phương pháp này được sử dụng cho động cơ KĐB rôto dây quấn thông qua việc sử dụng điện trở phụ R¿ mạch rôto

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.3 Sơ đề và đặc tính nhân tạo khi thay đổi điện trở phụ rôto

Với phương pháp này ta có mômen tới hạn của động cơ:

Trong d6: R2=R2tRs la dién tro tong trong mach roto

Khi tang dién tro phu Rr khiến cho độ trượt tới hạn sụ, tăng khiến cho độ cứng đặc tính

cơ Ø giảm do đó điều chỉnh được tốc độ làm việc và mômen ngắn mạch của động cơ

Để tăng chất lượng điều chỉnh tốc độ, người ta dùng loại biến trở xung là loại biến

trở tự động có thể điều khiển nhờ khóa đóng cắt bằng linh kiện điện tử Tuy nhiên

phương pháp này chỉ sử dụng cho điều khién rôto đây quấn

2 Điều khiến động cơ bằng điện áp stato

Theo biểu thức (4) cho thấy sự ảnh hưởng của điện áp stato U¡ đến các thông số đầu

ra của động cơ Do vậy có thể điều khiển động cơ thông qua điện áp stato U; Việc điều khiển được thực hiện sử dụng một bộ nguồn có điện áp ra thay đổi (U¡=var) để cung cấp cho stato của động cơ:

Sơ đồ:

Hình 1.4 Sơ đồ và họ đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi điện ap stato

Do dòng điện động cơ tỷ lệ với bình phương của dién ap U, d6 truot toi han sj, khong

thay đổi theo điện áp

Mạ,=U)? Stn=const

Như vậy ta có đặc tính cơ khi thay đôi điện áp stato như trên

Việc điều khiển đối với động cơ KĐB rôto đây quấn và rôto lồng sóc có khác nhau

- — Đối với động cơ KĐB rôto lồng sóc: Do độ trượt tới hạn nhỏ,nên phần công tác trên các đặc tính điều chỉnh ngắn dẫn đến hiệu quả điều chỉnh tốc độ không cao Do

đó áp dụng phương pháp thường áp dụng phương pháp này cho điều chỉnh mômen và dòng điện khởi động

- — Đối với động cơ rôto dây quấn Người ta thường đưa thêm một bộ điện trở cố

điịnh và ba pha của rôto để làm tăng thêm độ trượt tới hạn của động cơ, do đó mở rộng được vùng điều chỉnh, tăng hiệu quả của điều chỉnh động cơ, do đó phương pháp này được áp dụng đề điều chỉnh tốc độ

3 Điều khiến động cơ KĐB bằng biến đối tần số

Việc điều khiển đông cơ KĐB bằng biến đổi tần số được dùng rộng rãi do tạo ra cho động cơ KĐB khả năng điều chỉnh các thông số đầu ra vượt trội

Phương pháp này cho phép điều chỉnh cả mômen và tốc độ động cơ với chất lượng cao

Sơ đồ khái quát của hệ bao gồm bộ nguồn biến tần có khả năng điều chỉnh, biến đồi

tần số và điện áp hoặc dòng điện cấp cho stato của động cơ và một khối điều khiển

dùng để xử lý các tín hiệu điều khiến hệ thống

Mm

a,

Hình 1.5 Sơ đỗ nguyên lý và đặc tính nhân tạokhi biến đổi tắn số

Ưu điểm của phương pháp: Các đặc tính nhân tạo có thể thấp hơn nếu f<f¿m và cũng

có thể cao hơn nếu f>fq„, tức là tốc độ làm việc mạ có thể lớn hơặc nhỏ hơn tốc độ

- _ Loại có một bộ dây quấn nhưng mỗi pha đều chia làm 2 phân đoạn, khi đổi nối ta

sẽ có các số đôi cực khác nhau

tồn;

By

Hình 1.6 Họ đặc tính cơ khi thay đổi p

Nhược điểm của phương pháp :

- Vì p chỉ có thé thay đổi theo các số tự nhiên do đó tốc độ thay đổi nhảy cấp

- Phương pháp này không kinh tế

5 Điều khiển động co KDB bằng điện trở và điện kháng phụ mạch stato

và nguyên lý, điện trở phụ stato Rạ và điện kháng phụ stato Xã đều có ảnh hưởng đến đặc tính cơ của động cơ KĐB Tuy nhiên do hạn chế của dạng đặc tính và chỉ tiêu chất lượng thấp, do đó ít được sử dụng trong điều chỉnh tốc độ

Sơ đồ nguyên lý và đặc tính điều chỉnh

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý và họ đặc tính cơ

Đối với động cơ KĐB rôfo lồng sóc có công suất trung bình và lớn, để hạn chế dòng điện khởi động, người ta mắc thêm điện trở phụ hoặc điện kháng phu vao stato

6 Điều khiến động cơ KĐB bằng cách thay đối điện kháng rôto Xp

Theo biểu thức (4) ta thấy có thể điều khiển động cơ KĐB bằng phương pháp thay

đổi điện kháng rôto Xa, tuy nhiên theo biểu thức Xz=2.z.b.La

Với ÿ là tần số dòng điện trong rôto =fi.s nhỏ vì s rất nhỏ, do đó muốn có X; lớn cần

có điện cảm Lạ lớn nên phương pháp này không kinh tế nên trong thực tế không dùng phương pháp này để điều khiển động cơ KĐB

7 Điều khiến động cơ KĐB bằng sơ đồ tầng

Như đã trình bày, khi động cơ làm việc ở tốc độ œ tương ứng với tốc độ trượt s

nào đó, công suất lấy từ lưới điện sau khi chuyền thành công suất điện tir Po=Ma.o,

chia làm 2 phần chính: Công suất cơ P¿ø=M.øœ và công suất trượt AP=P.z.s chuyển vào mạch rôto

Giả thiết bỏ qua các tốn thất trên các dây quấn, trên lõi thép và ma sát trên Ổ trục ta có: Pịz=P,g+AP,

Đối với các hệ thống điều khiển đã xét ở trên,Công suất tiêu tan AP, tỷ lệ với hệ số

trượt s Điều chỉnh càng sâu độ trượt càng lớn, tổn thất càng lớn dẫn đến chỉ tiêu năng lượng càng thấp

Do vậy, đối với các động cơ KĐB rôto dây quấn công suất lớn có AP; lớn người ta

sử dụng phương pháp điều khiển theo sơ đồ tầng nhằm mục đích sử dụng có ích công suất trượt khi điều chỉnh tốc độ động cơ

Để thực hiện được ý tưởng trên người ta đưa vào mạch rôto một thiết bị biến đối để tiếp nhận năng lượng AP; rồi biến đổi nó thành cơ năng bổ xung vào trục của động cơ cùng máy sản xuất hoặc thành điện năng có tần số bằng tần số lưới điện và trả về lưới

Chương 2

SƠ DO THIET KE

Động cơ yêu cau diéu khién 1a động cơ KĐB rô to dây quấn có công suất lớn, Do đó

để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và chỉ tiêu năng lượng ta chọn phương pháp điều khiển động cơ sử dụng sơ đồ tầng

I Khái quát sơ đồ tầng

Khi động cơ hoạt động nó sinh ra một năng lượng trượt ở mạch rô to Khi đưa một

S tăng lên làm cho Ez=E2am.s tăng lên Kết quả là dòng điện I, va mémen dién tir cua

động cơ tăng lên Cho đến khi mô men của thiết bị nói tang can bang voi momen M,

thì quá trình giảm tốc kết thúc, động cơ làm việc xác lập với tốc độ thấp hơn trước

Khi E;=E; thì =0 động cơ làm việc với tốc độ không tải lý tưởng Khi E=0 động cơ làm việc trên đặc tính gần với tự nhiên

Người ta chia sơ đồ tầng thành 2 loại theo nguyên lý biến đổi năng lượng trượt của động cơ:

Trong các sơ đồ nói tầng loại này, năng lượng trượt có tần số f=f,°.s ở mạch rôto của động cơ không đồng bộ được đưa đến đầu vào của bộ biến đổi BBĐ Qua bộ biến đổi sau khi trừ tôn thất trong dây quấn rôto Apa và tồn thất trong bộ biến đổi Apy, năng lượng trượt được biến đồi thành điện năng pa trả về lưới như như giản đồ năng lượng trong các sơ đồ này bộ biến đổi và động cơ chỉ liên hệ về điện với nhau vì vậy gọi là sơ đồ nối tầng điện

Mômen trên trục của thiết bị nối tầng là

độ và độ trượt khi tải định mức trên các đặc tính điều chỉnh

2.Sơ đồ tầng điện cơ

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý và biểu đồ năng lượng của hệ thống nối tầng điện cơ

Trong các sơ đồ nối tầng loại này năng lượng trượt sau khi qua bộ biến đổi được

biến thành điện năng và đưa đến động cơ phụ ĐP Động cơ phụ lại biến điện năng

thành cơ năng đưa lên trục động cơ ĐK như trên giản đồ năng lượng Như vậy hệ

thống biến đổi gồm BBD và ĐP liên hệ với ĐK cả về điện lẫn cơ Vì vậy gọi là sơ đồ

II.Các sơ đồ nối tầng có thể sử dụng

1.Sơ đồ nối tầng máy điện

a Sơ đồ và nguyên lý

Hình 2.3 Sơ đ nối tâng điện Sơ đề nối tầng điện cơ

Trong các sơ đồ trên:

ĐC là động cơ chính cần điều chỉnh tốc độ

BĐ là máy biến đồi để tạo nên E¿

M là máy một chiều để biến điện năng thành cơ năng đưa lên trục của máy phát đồng bộ FD trong sơ đồ tầng điện hoặc đưa vào động cơ chính trong sơ đồ tầng điện

cơ

FÐ là máy phát xoay chiều đồng bộ đề biến cơ năng thành điện năng trả về lưới

Rz là điện trở phụ đề khởi động động cơ chính ĐC

CD là cầu đao để chuyền đổi mạch rôto của ĐC từ trạng thái khởi động sang trạng thái làm việc

Đối với sơ đồ tầng điện trên BĐ có thể là máy biến đôi phần ứng hoặc máy biến tần Đối với sơ đồ này, việc điều chỉnh chỉnh tốc độ có thể thực hiện phía tren hoặc phía dưới tốc độ đồng bộ, nghĩa là có hai vùng điều chỉnh tốc độ:

Vùng tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ : Dòng năng lượng theo chiều từ rôto của

ĐC qua hệ thống biến đổi rồi về lưới

Vùng tốc độ cao hơn tốc độ đồng bộ : Dòng năng lượng sẽ có chiều ngược lại

Đối với sơ đồ tầng điện cơ: Điều chỉnh tốc độ chỉ thực hiện phía dưới tốc độ đồng

bộ nghĩa là chỉ có một vùng điều tốc Dòng năng lượng luôn theo một chiều từ rôto

ĐC qua hệ thống biến đổi rồi đưa lên trục động cơ

Nhân tố quan trọng nhất quyết định trạng thái làm việc của hệ thống là sức điện động phụ E; đưa vào rôto của động cơ ĐC bằng cách thay đổi E; hoặc góc lệch pha của E; và Ea của rôto ĐC ta sẽ điều chính được tốc độ của thiết bị nối tầng Trị số của

Er có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh kích từ của Mc, góc lệch pha có thê thay đổi

bằng cách điều chỉnh dòng kích từ của máy BĐ

b nhược điểm

Nhược điểm của các sơ đồ nối tầng máy điện đó là: Sử dụng quá nhiều các máy điện quay do đó kích thước và trọng lượng lớn, làm việc ồn ào, giá thành cao

2.Sơ đồ nối tầng van- máy điện

Đề khắc phục nhược điểm của các sơ đồ nối tầng máy điện, giảm bớt số lượng các máy điện quay người ta sử dụng các bộ biến đổi can tĩnh thay cho các máy biến đổi năng lượng trượt BĐ trong các sơ đồ nối tầng máy điện

Trong các sơ đồ trên sức điện động Er đưa vào mạch rôto ĐC là sức điện động một chiều do MC tạo ra

Dòng năng lượng chỉ theo một chiều từ rôto của ĐC đến bộ biến đổi do đó chỉ điều

Eme=K ® me ø me: Sức điện động máy một chiều MC

Điều chỉnh tốc độ thiết bị nối tầng trong các sơ đồ này thực hiện bằng cách thay đổi dòng kích từ của máy một chiều MC dẫn đến thay đổi Eme, thay đổi lạ khiến cho I›

thay đổi theo biểu thức:

3.Sơ đồ nối tầng van

Trong sơ đồ trên năng lượng trượt từ rôto động cơ chính ĐC, Sau khi qua bộ chỉnh lưu trở thành năng lượng một chiều nó lài được biến thành xoay chiều nhờ bộ nhịch lưuvà trả về lưới qua biến áp BA Sức điện động phụ E; đưa vào mạch rôto của động

cơ không đồng bộ ĐC là sức điện động của bộ nghịch lưu

Trị số của sức điện động phụ được điều chỉnh bằng cách thay đổi góc thông sớm của các van Tiristo

Bộ nghịch lưu NL(biến đổi) gồm các tiristo được điều khiển đóng mở bằng điện áp lưới do đó năng lượng trượt một chiều sẽ được biến đổi thành xoay chiều có tần số của điện áp lưới

Theo sơ đồ nay ta co:

_ _E,,-E,

“xa

Trong đó: R=RcL+RxL+BR: là điện trở tổng

Rez: Điện trở bộ chỉnh lưu

RA: Điện trở bộ nghịch lưu

- Kết cấu đơn giản, kích thước, khối lượng nhỏ gọn

- Không 6n ào khi làm việc

Từ các so sánh đánh giá trên te chọn sơ đồ thiết kế là sơ đồ nối tầng van dé điều khiển động cơ không đồng bộ

II.Các số liệu dùng cho tính toán, thiết kế hệ thống

1 Số liệu cho trước cúa động cơ

- Động cơ rôfo dây quấn loại MTM713-10

- Công suất định mức : Pa„=125 (KW)

- Tốc độ định mức: ngm = 576 vòng / phút

- Dòng điện định mức trong rôto: I›am= 196 A

- Sức điện động định mức của rôto: Ezzm=372 (V)

- Điện áp định mức: Ua„= 380 V (Điện áp dây)

- Điện trở và điện kháng stato: R¡ = 0,083 Q, X; = 0,081 Q

- Điện trở và điện kháng rôto: Ra = 0,02 O, X› = 0,098 Q

2 Tóc độ goc đồng bộ của động cơ

7 Điện trở và điện kháng quy đổi về stato

R’, = R¿.kẹ” = 0,02.1,302” = 0,0339 (Q) X'; =X;.kẹ” = 0,098.1,3027 = 0,166 (Q)

ở Điện kháng ngắn mạch của động cơ

Xam = Xi+ Xy’ = 0,081 + 0,166 = 0,247 (Q)

04

0.3 0.2

Chương 3

TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN CÁC PHÀN TỬ TRONG MẠCH LỰC

I.Tính toán Diod chỉnh lưu

Dé chon diode cho chỉnh lưu, người ta thường dựa vào hai thông số là điện áp và dòng điện

Khi đã đáp ứng được hai thông số cơ bản trên các thông số còn lại đêt tham khảo là: + Loại van nào có sụt áp AU nhỏ hơn sẽ ton hao ít hơn

+ Dòng điện rò của loại van nào nhỏ hơn sẽ cho chất lượng tốt hơn

+ Nhiệt độ cho phép của loại van nào cao hơn sẽ có khả năng chịu nhiệt tốt hơn + Điện áp và dòng điện điều khiên của của loại van nào nhỏ hơn thì đòi hỏi công

suất điều khiển nhỏ hơn

+ Loại van nào có thời gian chuyên mạch bé hơn sẽ nhạy hơn Tuy nhiên trong hầu hết các loại van bán dẫn, thời gian chuyển mạch thường tỷ lệ nghịch với tôn hao công

suất

Đối với các van động lực, việc lựa chọn được dựa vào các yếu tố cơ bản của dòng

tải, điện áp làm việc, điều kiện toả nhiệt và sơ đồ đã chọn

Các thông số cơ bản của van động lực được tính như sau:

1.Điện áp ngược của van:

Theo công thức 1.7 TLII ta co dién ap lam việc của van :

U,, = k„.D,

Trong đó: Kạy Là hệ số điện áp ngược Tra bảng I.I T2

Hệ số điện áp ngược đối với chỉnh lưu cầu 3 pha ta có : Kạ¿=xX6

` E 372 U¿; Là điện áp 2 en ap p pha xoay chiều U; =- 2=“ <=214.8 (V y :E CV (V)

Vậy tacó: „=6.2148=5261 (V)

VOI kay = V6 la hệ sỐ điện áp ngược của van

Điện áp ngược của van tính theo công thức 1.9n TL2 :

U,, = Kav Ủy,

Trong đó : Uạy Điện áp ngược diode

Kau: Hé số du trữ điện áp kạu = 1,6+2 Chọn kạu =2

U„ =k„„U, =18.526.1=947 (V) m

2 Dòng điện làm việc của diode :

Ti, = Ta = Kral voi Ty =k, 1,

Ta thấy dòng điện làm việc của van 138,85A với tôn hao điện áp trên cdc diode

thường lớn hơn 1 V do đó tổn hao trên van lớn hơn 100 W/1van Đề đảm bảo an toàn cho van khi làm việc ta chọn điều kiện toả nhiệt của van ta chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt trong với đầy đủ diện tích bề mặt cho phép, có quạt đối lưu

Khi đó có thể cho phép van làm việc tới 70% laạmv (lamv>1,43l¡y)

Chọn lạmp=1,6 lịy

Vậy dòng định mức của diode là:

lamp=1,6 I=1,6.138,85=222,16 (A)

Như vậy ta có các thông số của điode chỉnh lưu cần chon:

Unv=947 (V)

lạmp=222,16(A)

Đề chọn van hợp lý điện áp ngược và dòng điện định mức của van phải lớn hơn các thông số trên

Tra bảng P.I TL2 ta chọn ra 6 diode chỉnh lưu loại H300-1000 với các thông SỐ :

- Dòng điện chỉnh lưu cực đại : Imax = 300 (A)

- Điện áp ngược của Diod : Un = 1000 (A)

- Đỉnh xung dòng điện : Thik = 4800 (A)

- Tén hao điện áp ở trạng thái mở: AU= 1,4 (V)

- Nhiệt độ làm việc cho phép : To = 190 (°C)

IL Tinh toán Tiristor nghịch lưu

1.Điện áp ngược lớn nhất mà Tiristor phải chịu

Theo công thức 1.7 TL ta có điện áp làm việc của van :

Unmax= Kayv-U2ba

Trong do:

Ky : Hé số điện áp ngược Tra bảng 1.1 TL2 Hệ sỐ điện áp ngược đối với chỉnh lưu cầu 3 pha ta có : Kn=v6

Unba! Dién ap thr cap may bién áp

Ta thay theo sơ đồ Chỉnh lưu-nghịch lưu trên, nếu bỏ qua tất cả các sụt

Điện áp ngược của Tiristor can chon: Ur = Kay Unmax

Vay Unmax= V6 1,06.E 2nm

Trong đó : Uạy Điện áp ngược diode

Kau : Hé sé du trit dién ap kay = 1,7 +2 Chon kau =

U7 =kay VU " „max = 1,7.557,65=948 (V)

2 Dòng điện làm việc cúa Tiristor

Ty, = Tha = Kral 1, =k, 1,

Trong đó :

Khi đó có thể cho phép van làm việc tới 70% lạmv (lamv>1,43l¡), Chọn lạmp=l,7 ly

Vay dòng định mức của diode là: Tamp=1,7 Iy=1,7.138,85=236 (A)

Như vậy ta có các thông số của Tiristor cần chọn:

Unv=948 (V)

lạmp=236(A)

Để chọn van hợp lý điện áp ngược và dòng điện định mức của van phải lớn hơn các thông số trên

Tra bảng P.1 T2 ta chọn ra 6 Tiristor chỉnh lưu loại 303RBI100 với các thông SỐ :

- Dòng điện chỉnh lưu cực đại : Tmax = 300 (A)

- Điện áp ngược của Diod : Un = 1000 (A)

- Dinh xung dong dién : Thik = 8000 (A)

- Tổn hao điện áp 6 trang thai mo: AU=1,6 (V)

- Điện áp xung điều khién : U,=3,0 (V)

- Dòng điện xung điều khiển : i=150 (mA)

- Dòng điện tự giữ : I, = 500 (mA)

- Dong dién ro : I, = 30 (mA)

- Dao ham dién ap : dU/dt = 200 (V/s)

- Thời gian chuyền mạch : tom = 75 (us)

- Nhiệt độ làm việc cho phép : Top = 125 (°C)

III.Tính toán máy biến áp nghịch lưu

Chon máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ nối day A/Y , làm mát bằng không khí tự nhiên

Tính các thông số cơ bản

1.Điện áp pha sơ cáp của máy biến áp

U¡=380 (V) 2.Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp

Như phần tính toán trên ta có: U›y;=1,06.E„;=1,06 oR 7227.66 (V)

3 Dòng điện hiệu dụng thứ cấp

Tạ = lạ = 153 (A) 4.Dòng điện hiệu dụng sơ cáp

Inna = Kg Laa = 5 da = Guy 196 = 117.4 (A)

lba

5.Công suất biểu kiến của máy biến áp

Máy biến áp trong sơ đồ phải có công suất đủ để chuyền tải được công suất trượt lớn nhất trong dải điều chỉnh tốc độ động cơ:

K.: Hệ SỐ công suất theo sơ đồ mạch lực

Tra bảng 1.2 TL2 với sơ đồ cầu 3 pha k¿=1,05

Spa=1,05.125=131,25 (KVA)=131250 (VA)

Tính toán sơ bộ mạch từ

6.Tiết diện trụ Qr, của lõi thép MBA :

On =ky,| > (em)

Trong đó :

Spa: Cong suat biến áp (W)

kg : Hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mắt,

kọ=(4+ 5 ) với MBA đầu

kg =(5 +6) véi MBA khô, vậy chọn kg = 6

m: Số trụ của MBA ,m= 3 f: Tần số nguồn điện xoay chiều , f= 50 Hz

131250 3.50

7 Duong kinh tru

khi đó ta có sơ bộ tiết điện trụ Qre=

& Chọn loại thép

Chọn loại thép 2330, các lá thép dày 0,5 mm Chọn mật độ tự cảm sơ bộ B,=1 T

9 Tinh so b6 chiéu cao trụ

Chon ty số phụ m=h/dr¿ = 2+4 Ta chọn m=2, vậy chiều cao sơ bbộ của trụ là : h= 2.dpe = 2 16 = 32 (cm)

Tính toán dây quấn máy biến áp

Thông số các cuộn dây bao gồm số vòng dây và kích thước các cuộn dây

10 Số vòng dây 1 pha của cuộn sơ cấp

U,,

Mi Ga7g,8, L vòng)

Trong đó: U¡z: Điện áp pha sơ cấp do biến áp nối A/Y nên U¡=380 V

380 4,44.50.200.107*.1

11 Số vòng dây I pha ctia cuén thir cdp

12 Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp:

Mat độ dòng điện trong dây quấn MBA thường chọn trong khoảng J = 2 +2,75 (A/mm°) Đối với máy biến áp khô dây quấn bằng đồng ta chọn

Tra theo bảng tiêu chuân day quấn tiết diện chữ nhật V.2 TL3 ta được dây dẫn có tiết

diện S¡=43,83 có cá kích thước chưa kế cách điện là

a=3,5 mm

b=12,5 mm

Theo bảng VIIb TL3 về chiều đấy cách điện chuẩn, với a=3,5 mm chiều dày cách điện

là 0,22 mm(cả về 2 phía) với b=12,5 mm có chiều dày cách điện là 0,32 mm (cả về 2

Do tiết diện dây quấn khá lớn đo đó ta chọn đây quấn có tiết diện chữ nhật

Tra theo bảng tiêu chuẩn đây quấn tiết điện chữ nhật V.2 TL3 ta được dây dẫn có tiết

diện S;=72,94 có cá kích thước chưa kế cách điện là

a=4,1 mm

b=18 mm

Theo bang VIIb TL3 vé chiéu day cach dién chuan, vi a=4,1 mm chiéu day cach điện

là 0,24 mm(ca vé 2 phía) với b=12,5 mm có chiều đày cách điện là 0,32 mm (cả về 2

Dây quấn được bố trí theo kiểu dây quấn đồng tâm dọc trụ , mỗi cuộn dây được quấn thành nhiều lớp , mỗi lớp dây được quấn liên tục , các vòng dây sát nhau Các lớp dây được cách điện với nhau bằng bìa cách điện Cách tính các thông số này như sau:

17 Số vòng dây trên mỗi lớp của cuộn sơ cap

-2h `

W, ="——"".k, (vong) 1

Trong đó : b¡= 12,82 mm là chiều rộng của dây quấn kể cả cách điện

h, :Là khoảng cách cách điện với gông Khi dây quấn chữ nhật có kích thước lớn thì

22 Chọn khoảng cách từ trụ đến cuộn dây sơ cắp

Khoảng cách này thường được chọn từ 0,5 em đến 2 cm

Chọn cdạ¡=l (em)

23 Đường kính trong của Ống cách điện

De dre + 2cdo; — 2So; = 16 + 2.1 — 2.0,2 = 17,6 (cm)

24 Đường kính trong của cuộn sơ cấp

Du = D, + 2So) = 143 + 2.1 = 18 (cm)

Uguyén 224k 2tuiug - 222 77 ~.4⁄7 27

25 Chọn bê dày cách điện giữa 2 lớp của cuộn sơ cắp

Tính kết cấu dây quấn thứ cấp

31.Chọn sơ bộ chiều cao dây quần thứ cấp

Tinh toan kich thuéc mach tir

44 Số bậc thang trong nửa tiết diện trụ

= 26,04 (cm)

Tra bang 13.2 TL3 trang 457 ta có số bậc lõi sắt trong máy biến áp ba pha với đường kính trụ d=16 cm ta có 86 bac la 6

45 Toàn bộ tiết diện bậc thang cua tru

Tra bang XIII 8 trang 666 TL3 tiét dién tru bac thang lõi sắt có đường kính 16 cm là

50 Tiết diện gông

Tra bảng XIII2TL3 trang 666 ta có tiết điện gong MBA voi d=16 cm Sg=188,3 cm’

51 Chiêu dày của gông

B,=B,,Sr =113s,17%325 g O 178,89

£

=1,1255 (T)

57 Chiéu rộng cửa số

c=2.(cdoi + Bại + cdịa + Bạ; ) + cdạ¿ =2.(1 + 1,91 + 1+ 2,22) +2 = 14,26 (cm)

56 Khoảng cách giữa hai trục của trụ

Trong đó: Mr: Khối lượng trụ

mẹ.: Khối lượng riêng của thép dùng để chế tạo mạch từ

l¡, l› là chiều dài dây quấn sơ cấp và thứ cấp

Veu = 3.(43,83.107.53,14.10 + 72,94.107.41,7.10)=16,1 (dm’)

66 Khối lượng đồng

Meu = Vcụ.mcụ

Trong d6: Mcu: Khoi lượng đồng

mẹy: Khối lượng riêng của đồng

mcu=8,9 Kg/dm'

Meu = 16,1.8,9 = 143,4 (Kg)

67 Tổng khối lượng sắt và đồng

M = Mg + Mcu = 345,5+143,4 =488,9 (Kg)

Tính toán các thông số cơ bản của máy biến áp

68 Điện trở cuỘn sơ cấp của MBA ở nhiệt độ 75 “C

R, =p = 0,02133.—— = 0,0258 (Q

2 Ommˆ

m ) la điện trở suất của đồng 6 75 °C

Với p=0,02133 (

70 Dién trở của MBA quy đổi về thứ cấp

Ry, = Ry + aft = 0,0012+ 002se{ *| = 0,0213 (Q)

Trong đó : W;= 51 vòng là số vòng dây của cuộn thứ cấp

Rụ Da/2=23,82/2=11,91(cm) là bán kính trong của cuộn thứ cấp

h=21,21 cm là chiều cao cuộn thứ cấp

Ba = 1,91 cm=0,0191 m la bé dày cuộn sơ cấp

Bạ; = 2,22 cm=0,0222 m là bề dày cuộn thứ cấp

cdi = 1 cm =0,01m 1a bé day cách điện giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ câp

Điện áp ngắn mạch phân trăm

Khi thiết kế máy biến áp cho chỉnh lưu thường tính toán sao cho U„% lớn hơn 7%

để đảm bảo việc mở các Tiristo U,% = Uy," +U x? = V 183" +7,4? =7,68(%)

Nguyin Bie Trudug-TBRDBT 1 - X47 33

Tmax = Baal +e vm ] = Bass +e 74 ] = 4398,5 (A)

Nhận thấy : I„m„ = 4398,5 (A) < I„„ = 8000 (A) nên máy biến áp đạt yêu cầu

Apu

HD2 12V[

IV Tỉnh toán cuộn kháng lọc

* Tính thông số cơ bản của cuộn kháng

Sự đập mạch của điện áp chỉnh lưu làm cho dòng điện tải cũng đập mạch theo làm xấu đi chất lượng của dòng điện một chiều Do vậy cần thiết kết khang loc KL dé dam

bảo chất lượng của dòng điện một chiêu

Trị số điện cảm của cuộn kháng lọc thành phần dòng điện đập mạch được tính theo

M: Số lần đập mạch trong mỗi chu kỳ Với sơ đồ cầu 3 pha ta

co m=6 1%: Trị số hiệu dụng của dòng điện sóng hài cơ bản lấy theo dòng điện định mức của chỉnh lưu Để hạn chế sự đập mạch này ta cọn cuộn kháng

sao cho :I¡'%<10% ChọnI¡ %=10%

K: Bội số sóng hài

Với sơ đồ chỉnh lưu, thành phần sớng hài bậc 1 (K=1) có biên độ lớn nhất đo đó ta chỉ cần tính cuộn kháng theo thành phần hài bậc nhất (K=])

Uamax: Biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu

Ua„„ được xác định theo biểu thức Ven ms yp goc mo a

d0

Trong đó Uạo là điện áp chỉnh lưu cực đại

Uao=Ua+2A Up+2 A Ur+ AUa›+2A Ủya

Trong đó: Ua=2,34.Eanm=2,34.214,77=502 V Điện áp sau chỉnh

lưu AUp=l,4V Tổn thất điện áp trên một diode

AU+=l,6 V Tổn thất điện áp trên một Tiristo

AUa Tồn thất điện áp trên dây nối(bỏ qua)

AUpa=19,68 V Tén thất điện áp trên máy biến áp

Uao=502+2.1,4+2.1,6+19,68=527,68 (V)

Đối với sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiến ta tính cuộn kháng theo thành

phản sóng hài bậc một (K=]) tại góc điều khiển ø =0.Tra đồ thị 1.35 trang 55TL2 :

UdmaxiUdo 0,9

0,8 9,7 9,6 9,5 0,4 0,3 0,2

Điện cảm của máy biến ap la Lpa=0,14 mH

Vậy điện cảm của cuộn kháng cần tính toán là:

Lx=Li-2.LaA= l,98-2.0,14=1,44 (mH)

Như vậy kháng lọc cần thiết kế có các thông số như sau:

Điện cảm yêu cầu thiết kế: L=1,44 (mH)

Dòng điện định mức đi qua kháng lọc: lạ„m=240,5 (A)

Biên độ dòng xoay chiều bậc một: I„=10%la„=24 (A)

I 24 -

AUk = Z„.-z=2,71.-— =46Œ Ko ng Thy 80)

2._ Công suất của kháng lọc

I

Sk= AU, Jit = 46,24 =781(VA) cp

4 Tiét diện cực từ chính của cuộn kháng

Sx

On =k, mf”

Trong do: Qre: Tiết diện cực từ chính

K: Hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát Chọn điều kiện làm mát bằng không khí tự nhiên cho cuộn kháng ta có k=5

Khi có thành phần đòng xoay chiều bậc nhất chạy qua cuộn kháng thỉ trong cuộn kháng sẽ xuất hiện I sức điện động:

Ex = 4,44.W.f’.= 4,44.W.f B.Qre

Trong đó: W - Số vòng dây cuộn kháng

f =6.50 Tần số thành phần bậc nhát

B Mật độ từ cảm trông lõi B = 0,8T

Qre Tiét diện trụ

Vậy số vòng dây cuộn kháng:

Tiết diện sơ bộ của dây dẫn : S., =

Do tiết điện khá lớn nên ta chọn dây dẫn hình chữ nhật cách điện cấp B

Tra bang VI.2 trang 624TL3 ta c6 loai day dan sau: ax=5,6 mm

Trong đó c: chiều rộng cửa số mạch từ

h: Chiều cao cửa sổ mạch từ