Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều

Trong những năm gần đây với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của nền kinh tế xã hội, các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật ứng dụng vào các ngành công nghiệp nói chung và ngành công nghiệp điện tử nói riêng, các thiết bị điện tử công suất được ứng dụng và được chế tạo ngày càng nhiều, đặc biệt là ứng dụng vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống, làm cho yêu cầu về sự hiểu biết và thiết kế các loại thiết bị này hết sức cần thiết đối với kỹ sư ngành điện

Mục Lục

LỜI NÓI ĐẦU 2

Chương I: Tìm hiểu chung về động cơ điện một chiều 3

1.1, Cấu tạo, nguyên lý làm việc, ứng dụng 3

1.1.1 Cấu tạo: 3

1.1.2 Nguyên lý làm việc 4

1.1.3 Ứng dụng: 6

1.2, Phân loại 6

1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ 7

1.3.1, Điều chỉnh n bằng cách thay đổi f 7

1.3.2, Điều chỉnh n bằng cách thay đổi Rf 7

1.3.3, Điều chỉnh n bằng cách thay đổi U 8

Chương II: Lựa chọn phương án cung cấp điện cho động cơ điện một chiều 10

2.1 Các phương án: 10

2.1.1 Bộ chỉnh lưu có điều khiển 10

2.1.2 Bộ biến đổi xung áp 13

2.1.3 Cầu 1 pha 15

2.1.4 Cầu 3 pha 17

2.2 Chọn phương án 18

Chương III: Thuyết minh sự hoạt động của sơ đồ 19

3.1 Sơ đồ động lực 19

Chương IV: TÍNH TOÁN MẠCH LỰC 23

4.1 Tính chọn van động lực 23

4.2 Tính toán máy biến áp 24

4.3 Tính chọn các thiết bị bảo vệ 26

CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 28

5.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển theo nguyên tắc pha đứng 28

5.2 Thiết kế mạch điều khiển: 29

5.2.1 Tính toán các khâu trong mạch điều khiển: 29

5.2.2 Sơ đồ mạch điều khiển 32

Tài liệu tham khảo 34

Số liệu cho trước

Động cơ

điện một

chiều

LỜI NÓI ĐẦU

-Trong những năm gần đây với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của nền kinh tế

xã hội, các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật ứng dụng vào các ngành công nghiệp nóichung và ngành công nghiệp điện tử nói riêng, các thiết bị điện tử công suất đượcứng dụng và được chế tạo ngày càng nhiều, đặc biệt là ứng dụng vào các ngànhkinh tế quốc dân và đời sống, làm cho yêu cầu về sự hiểu biết và thiết kế các loạithiết bị này hết sức cần thiết đối với kỹ sư ngành điện

-Cùng với sự phát triển của ngành điện tử công suất thì việc ứng dụng động cơđiện một chiều vào công nghiệp là hết sức quan trọng và việc tính toán cấp nguồncho động cơ điện một cũng được coi trọng

-Để hiểu rõ được vai trò của điện tử công suất và động cơ điện một chiều thì trong

bản đồ án môn học này được sự hướng hẫn của thầy Nguyễn Đắc Nam với nội

dung:

“ Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều”

-Em có đưa ra một số phương án trình bày trong bản đồ án thiết kế Tuy nhiên với

sự hiểu biết và những kiến thức đã học còn hạn chế nên bản đồ án của em khôngtránh khỏi những thiếu sót nhất định.Em rất mong nhận được sự góp ý và chỉ bảocủa các thầy cô giáo để bản đồ án của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn

Sinh viên

Trịnh Ngọc Ninh Sơn

Chương I: Tìm hiểu chung về động cơ điện một

chiều1.1, Cấu tạo, nguyên lý làm việc, ứng dụng

để đảm bảo tiếp xúc tốt giữa chổi than và cổ góp khi quay

+ Giới thiệu về động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn được dùng rất phổ biến trongcác hệ thống truyền động chất lượng cao, dải công suất động cơ điện một chiều từvài W đến mW Giản đồ kết cấu chung của động cơ điện một chiều kích từ độc lậpđược thể hiện như hình vẽ dưới Phần ứng được biểu diễn bởi vòng tròn bên trong

có sức điện động Eư , ở phần stato có thể có vài dây cuốn kích từ:

Dây cuốn kích từ độc lập CKD, dây cuốn kích từ nối tiếp, dây cuốn cực từphụ CF, dây cuốn bù CB

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phầnứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau, lúc này động cơđược coi là động cơ kích từ độc lập.

1.1.2 Nguyên lý làm việc

Khi đóng động cơ, Roto quay đến tốc độ n, đặt điện áp Ukt nào đó lên dâycuốn kích từ thì trong dây cuốn kích từ có dòng điện ik và do đó mạch kích từ củamáy sẽ có từ thông Φ, tiếp đó ở trong mạch phần ứng, trong dây cuốn phần ứng sẽ

có dòng điện i chạy qua tương tác với dòng điện phần ứng Tăng từ từ dòng kích từ(bằng cách thay đổi Rkt) thì điện áp ở hai đầu động cơ sẽ thay đổi theo quy luật:

Edư = (1% ÷ 42%) Uđm

Khi có dòng ikt còn nhỏ thì E dư hoặc U tăng tỉ lệ thuận với ikt nhưng khi

Ukt bắt đầu lớn thì từ thông ф trong lõi thép bắt đầu bão hòa Cuối cùng khi ikt = iktbh

thì U=Eư bão hòa hoàn toàn

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

rcf: điện trở cuộn cực từ phụ

rb: điện trở cuộn bù

rct: điện trở tiếp xúc của chổi than

Sức điện động Eư của phần ứng động cơ xác định theo biểu thức

φ

ω ω

φ

φω

k.

E.u

k

πa

pN

2Trong đó:

p: số đôi cực từ chính

N: số thanh dẫn tác dụng của dây cuốn phần ứng

a: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

Uu

φ φ

Mđt

Thế vào (2) => 2 Mđt

) (k

Rf Ru k

Uu

φ φ

ω = − +

=> ω = f(M): đặc tính cơ theo momen

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì momen cơ trên trục điện cơbằng momen điện từ, ta kí hiệu là M nghĩa là Mđt=Mcơ = M

k

Rf Ru k

Uu

)

ω φ

Nhận xét: Nếu cho U, Rư + Rf, Φ là hằng số thì phương trình (3) sẽ làphương trình bậc nhất:

ω = ω0 + ∆ω

M k

Rf Ru

Ngày nay động cơ điện được dùng trong hấu hết mọi lĩnh vực, từ các động

cơ nhỏ dùng trong lò vi sóng để chuyển động đĩa quay, hay trong các máy đọc đĩa(máy chơi CD hay DVD), đến các đồ nghề như máy khoan, hay các máy gia dụngnhư máy giặt, sự hoạt động của thang máy hay các hệ thống thông gió cũng dựavào động cơ điện Ở nhiều nước động cơ điện được dùng trong các phương tiệnvận chuyển, đặt biệt trong các đầu máy xe lửa

Trong công nghệ máy tính: Động cơ điện được sử dụng trong các ổ cứng, ổquang (chúng là các động cơ bước rất nhỏ)

1.2, Phân loại

a Phân loại động cơ một chiều

- máy điện một chiều kích từ vĩnh cửu:

SD: truyền động có điều khiển với công suất 100kw,truyền động chính xác

- máy điện một chiều kích thích ngoài: 2 biến điều khiển độc lập là điềukhiển phần ứng vs điều khiển phần kích từ

SD: truyền động có điều khiển với cs trung bình vs cs lớn,cs tối đa hạn chế

- máy điện 1 chiều kích thích nối tiếp:

SD: trong truyền động xe cộ vs máy có cs lớn

- máy điện 1 chiều kích thích kép

SD: trong truyền động ko điều khiển,khởi động mềm

b.phân loại động cơ theo tốc độ quay:

- Máy điện một chiều tốc độ thấp: tốc độ quay ko tải N= 100-300 v/ph,công suất Pmax= 8MW

- Máy điện một chiều tốc độ TB : tốc độ quay ko tải N=1000-2000v/ph,công suất Pmax=1MW

- Máy điện một chiều tốc độ cao: công suất Pmax=0,6MW

U

Khi tăng Rđc ta chỉ có thể giảm được từ thông φ, khi đó ta được một họđường tính cơ có độ dốc khác nhau ứng với:φđm >φ'>φ ''>φ' '' và nđm<n1<n2<n3

Như vậy theo phương pháp này ta có thể điều chỉnh n>nđm

1.3.2, Điều chỉnh n bằng cách thay đổi R f

Khi đưa thêm Rf vào mạch

phần ứng, đặc tính cơ là:

K

M R R n

n o ( u + f ).

−

=

Theo phương pháp này n0=Cte,

khi tăng Rf độ dốc của đặc tính cơ

tăng lên, tức là tốc độ thay đổi nhiều

hơn khi tải thay đổi

1.3.3, Điều chỉnh n bằng cách thay đổi U

Thực tế có 2 phương pháp cơ bản để điều khiển tốc độ động cơ điện mộtchiều bằng điện áp:

- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng động cơ

- Điều chỉnh điện áp cho mạch kích từ động cơ

Nhưng thông thường người ta sử dụng cách điều chỉnh điện áp phần ứng.Khi thay đổi điện áp phần ứng thì tốc độ động cơ điện thay đổi theophương trình sau:

φ φ

Đặc tính thu được khi điều khiển là một họ đường song song:

Nguyên lý điều khiển:

Người ta thường dung phương pháp điều chế độ rộng xung để thay đổi điện

áp động cơ

Mạch nguyên lý:

Trong đồ thị trên : Iđk là dòng điều khiển, U là điện áp điều khiển.

Chương II: Lựa chọn phương án cung cấp điện

cho động cơ điện một chiều2.1 Các phương án:

2.1.1 Bộ chỉnh lưu có điều khiển

a)Mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng:

Trong sơ đồ có 4 Tiristor được điều khiển bằng các xung dòng tương ứng it1, it2, it3,

it4.Mạch chỉnh lưu được cung cấp một điện áp xoay chiều qua máy biến áp vớiđiện áp U2=U2msinωt (v)

+Hoạt động:

Trong nửa chu kì đầu của điện áp chỉnh lưu (0<ωt<π), U2>0, các Tiristor

T1 và T3 phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở

Tại thời điểm α=θ1=ωt1 ta cho xung điều khiển mở T1 và T3: Ud=U2

Dòng điện đi từ A qua T1 đến tải rồi qua T3 về B

Điện áp chỉnh lưu (ở 2 đầu phụ tải) Ud=U2=U2msinωt (v)

Khi T1 và T3 mở cho dòng chảy qua ta có phương trình để xác định dòngđiện qua tải:

t U

U E i

R dt

di

Tại lúc góc pha bằng π, U2=0 nhưng T1 và T3 vẫn chưa bị khóa vì dòngqua chúng vẫn còn lớn hơn 0.

Trong nửa chu ký sau của điện áp chỉnh lưu (π<ωt<2π), U2<0, các tiristorT2 và T4 phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở

Tại thời điểm θ=θ2=ωt2=π+α ta cho xung điều khiển mở T2 và T4: Ud=-U2

Dòng điện đi từ B qua T2 đến tải rồi qua T4 về A

Điện áp chỉnh lưu Ud=-U2=-U2msinωt (v)

Sự mở T2 và T4 làm cho UN=UB và UM=UA, do đó điện áp trên T1, T3 là:

UT1=UA-UM=UA-UB=U1<0

UT3=UN-UB=UA-UB=U2<0

Do đó làm cho T1 và T3 khóa một cách tự nhiên

+Biểu thức xác định dòng và áp:

Do điện cảm có giá trị rất lớn nên dòng qua tải id là dòng liên tục, id=Id

Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:

α ω

ω

α π α

cos

2 sin

+Nhận xét: Chỉnh lưu cầu một pha được sử dụng rộng rãi trong thực tế,

nhất là với cấp điện áp tải lớn hơn 10V Dòng tải có thể lên tới 100A Ưu điểm của

nó là không nhất thiết phải có biến áp nguồn Tuy nhiên do số lượng van gấp đôihình tia nên sụt áp trong mạch van cũng từng gấp đôi Do đó không phù hợp với tảicần có dòng lớn nhưng điện áp nhỏ

b, Sơ đồ tia ba pha

Khi điện áp có 3 pha đấu (Y) mỗi pha A, B, C đấu với một van, ca tốt đấuchung cho ta điện áp dương của tải còn trung tính điện áp sẽ là điện áp âm các pha

A, B, C dịch pha nhau 120o theo các đường cong điện áp pha vì vậy ta có điện ápcủa một pha dương hơn điện áp của 2 pha còn lại trong 1/3 chu kì Từ đấy thấyrằng tại mỗi một thời điểm chỉ có điện áp của một pha dương nên chỉ có một vandẫn mà thôi

+ Nguyên lý hoạt động

Khi anot của van nào dương hơn thì van đó mới được kích mở, thời điểm

ha điện áp của hai pha giao nhau được gọi là góc thông tự nhiên của các pha bándẫn Trong trường hợp này ta xét với góc α = 75 tính từ thời điểm mở tự nhiên

- Ở thời điểm α = 75 phát xung điều khiển TG1, lúc này T1 thỏa mãn ha điềukiện UAK>0, IG1>0→T1 mở (T2, T3 khóa) Do trong mạch có thêm điện cảm L nênxuất hiện giai đoạn điện áp âm của Pha A tới khi xuất hiện xung điều khiển IG2 của

T2 lúc này tiristor T2 thỏa mãn hai điều kiện là UAK>0, IG2>0 → T2 dẫn (T1, T3

khóa) tương tự cho T3 khi có xung điều khiển IG3 thì T3 dẫn (T1, T2 khóa)

Trong quá trình làm việc của các van như trên với giả thiết rằng Ld đủ lớn

để cho dòng điện là liên tục

Trong khoảng thời gian van dẫn dòng điện bằng dòng của tải khi van khóathì dòng điện van bằng 0 lúc này điện áp ngược mà van phải chịu bằng điện áp dâygiữa pha có van khóa với pha có van đang dẫn

* Điện áp trung bình nhận được trên tải là

α α

α π

cos

cos 17

, 1

cos 2

6 3

sin 2

2 3

2 2

2 6

5

6

do

α π

α π d

U

U U

θdθ U

π U

- Khi tải điện cảm (nhất là Ld đủ lớn) dòng điện và điện áp tải là cácđường cong liên tục nhờ có năng lượng dự trữ trong điện cảm để duy trì dòng điệnkhi điện áp đổi chiều

*Ưu điểm:

- Chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp một chiều tốt hơn chỉnh lưu mộtpha

- biên độ điện áp đập mạch thấp hơn

- Thành phần sóng hài bậc cao bé hơn, việc điều khiển các van bán dẫntrong trường hợp này cũng đơn giản

Để đóng cắt điện áp nguồn người ta thường dùng các khóa điện tử côngsuất vì chúng có đặc tính tương ứng với khóa lý tưởng, tức là khi khóa dẫn điện(đóng) điện trở của nó không đáng kể; còn khi khóa bị ngắt (mở ra) điện trở của nó

vô cùng lớn (điện áp trên tải mạng sẽ bằng không)

Trong khoảng thời gian 0 ÷ t1, khóa K đóng lại, điện áp trên tải UR sẽ có giátrị bằng điện áp nguồn (UR=E); còn trong khoảng t1 ÷ T khóa K mở ra và UR=0

b, Biểu thức tính toán

Như vậy giá trị trung bình của điện ap trên tải sẽ là:

γ λ

λ

E T E Edt T

Vậy để thay đổi điện áp có 2 cách

- Thay đổi thời gian đóng khóa K, khi giữ chu kì đóng cắt không đổi(phương pháp điều chế độ rung)

- Thay đổi tần số đóng cắt (f=1/T) và giữ thời gian đóng khóa K không đổi(λ=const)

Như vậy bộ biến đổi xung áp có khả năng điều chỉnh và ổn định điện áp ratrên phụ tải

- Chất lượng điện áp tốt hơn so với các bộ biến đổi liên tục

- Kích thước gọn nhẹ

Đối với các bộ biến đổi công suất trung bình (hàng chục kW) và nhỏ (vàikW), người ta thường dùng các khoá điện tử là các bóng bán dẫn lưỡng cực IGBT.Trong trường hợp công suất lớn (vài trăm kW trở lên) người ta sử dụng GTO hoặctiristo.

- Ta chỉ xét mạch này khi L rất lớn và E nhỏ hơn giá trị trung bình của điện

áp chỉnh lưu Trong trường hợp này, mạch làm việc ở chế độ cung cấp liên tục,dòng qua phụ tải hầu như không đổi và bằng giá trị trung bình của nó Id

Tương ứng với góc mở ta có hai chế độ làm việc của mạch chỉnh lưu là:-Khi α < π /2 và E < 0 mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu

-Khi α > π /2 và E > 0 mạch làm việc chế độ nghịch lưu phụ thuộc

Ta chỉ xét trường hợp mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu với góc điều khiển

α < π/2 và E > 0

b.Hoạt động:

Trong nửa chu kỳ đầu của đ.áp chỉnh lưu (0 < ωt < π),U2 > 0,các Tiristor T1và

T3

phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở

Tại thời điểm α = θ1 = ωt1 ta cho xung điều khiển mở T1 và T3 : Ud = U2.Dòng điện đi từ A qua T1 đến tải rồi qua T3 về B

Điện áp chỉnh lưu (ở hai đầu phụ tải ) Ud = U2 = U2msin ωt (v)

Khi T1 và T3 mở cho dòng chảy qua ta có phương trình để xác định dòng đi

ện qua tải:

Ldi/dt + R.id + E = U2 = U2msin ωt (v)

Tại lúc góc pha bằng π,U2 = 0 nhưng T1 và T3 vẫn chưa bị khóa vì dòng quachúng vẫn còn lớn hơn 0

Trong nửa chu kỳ sau của điện áp chỉnh lưu (π < ωt< 2π), U2 < 0 , các Tirist

or T2 và T4 phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở

Tại thời điểm θ = θ2= ωt2 = π + α ta cho xung điều khiển mở T2 và T4 : Ud =

-U2

Dòng điện đi từ B qua T2 đến tải rồi qua T4 về A

Điện áp chỉnh lưu (ở hai đầu phụ tải ) Ud = -U2 = -U2msin ωt (v)

Sự mở T2 và T4 làm cho UN = UB v à UM = UA Do đó điện áp trên T1 và T3 là:

UT1 = UA – UM = UA - UB = U1 < 0

UT3 = UN – UB = UA - UB = U2 < 0

d.Ưu nhược điểm

- Ưu điểm: điện áp ngược đặt lên mỗi van trong sơ đồ nhỏ sơ đồ này phù

hợp với mạch có dòng nhỏ

-Nhược điểm: không dùng được cho tải có công suất lớn, nếu dùng gây ra

hiện tượng công suất bị lệch pha Sơ đồ một pha dòng tải chạy qua 2 van nối tiếp

vì vậy tổn thất điện áp và công suất trên van sẽ lớn phù hợp điện áp chỉnh lưu cao

và dòng tải nhỏ

2.1.4 Cầu 3 pha

Hình 2.2 chỉnh lưu cầu 3 pha

a.Nguyên lí hoạt động

Chỉnh lưu cầu 3 pha được cấu tạo từ MBA 3 pha và 6 tirisor T1 →T6 Được

chia làm 2 nhóm : nhóm Catot chung T1, T2, T3 và nhóm Anot chung T’1,T’2,T’3.

Mỗi tirisor trong nhóm catot chung sẽ mở khi điện áp pha của cuộn dây thứcấp nối với nó là lớn nhất và nó có tín hiệu điều khiển iG

Mỗi tirisor trong nhóm Anot chung sẽ mở khi điện áp pha của cuộn dây thứcấp nối với nó là âm nhất và có tín hiệu điều khiển iG

Khi một trong 3 tirisor của nhóm mở thì 2 tirisor còn lại của nhóm sẽ bị khóalại

Dòng điện trung bình qua van : It = I d/ 3

Sdα= 1,05Pd

Điện áp thứ cấp : I2=0,816Id

c.Ưu nhược điểm

-Ưu điểm : số xung áp chỉnh lưu trong 1 chu kỳ lớn, vì vậy độ đập mạch

của điện áp chỉnh lưu thấp, chất lượng điện áp cao Không làm lệch pha điện lưới

-Nhược điểm : sử dụng số van lớn, giá thành cao Sơ đồ này chỉ dùng cho

tải có công suất lớn, dùng tải nhỏ và điện áp chỉnh lưu đòi hỏi độ bằng phẳng

2.2 Chọn phương án

Qua những ưu nhược điểm trên em thấy nên chọn bộ chỉnh lưu hình tia 3pha vì nó có ưu điểm :

- Chỉnh lưu hình tia ba pha cho hiệu suất cao

- Hiệu quả tốt và rất kinh tế khi nó sử dụng ít van