Bài tập trang bị điện cho phương tiện giao thông

Bài tập lớn môn trang bị điện cho phương tiện giao thông trang bị điện điện tử trong công nghiệp và giao thông vận tải đại học giao thông vận tải Bài tập lớn môn trang bị điện cho phương tiện giao thông trang bị điện điện tử trong công nghiệp và giao thông vận tải đại học giao thông vận tải Bài tập lớn môn trang bị điện cho phương tiện giao thông trang bị điện điện tử trong công nghiệp và giao thông vận tải đại học giao thông vận tải

1 Ngô Thanh Tuyền 10 10 Nhóm trưởng, tổng hợp lý

thuyết, tính toán động cơ

2 Phạm Trọng Thuận 10 10 Lý thuyết động cơ, tính

9 Đào Đình Trung 10 10 Lý thuyết chỉnh lưu, tính

toán máy biến áp

10 Hoàng Văn Trung 8 8 Lý thuyết máy biến áp

11 Nguyễn Đăng Trung 10 10 Lý thuyết máy biến áp,

tính toán chỉnh lưu

12 Phạm Hữu Tuấn 10 10 Lý thuyết chỉnh lưu, tính

toán máy biến áp

13 Đào Thanh Tùng 10 10 Lý thuyết động cơ, tính

toán động cơ

14 Nguyễn Đăng Tùng 10 10 Lý thuyết động cơ , tính

toán động cơ

15 Phạm Duy Tùng 10 10 Lý thuyết thiết bị bảo vệ,

Dây quấn stato làm bằng dây dẫn điện được bọc cách điện (dây điện từ) được đặt trongcác rãnh của lõi thép Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong ba dây quấn ba pha stato sẽtạo ra từ trường quay Dây quấn ba pha có thể nối sao hoặc tam giác

Vỏ máy

Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc bằng gang, dùng để giữ chặt lõi thép, cố định máy trên

bệ, bảo vệ máy và đỡ trục rôto

Rôto dây quấn gồm lõi thép và dây quấn

Lõi thép do các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau tạo thành các rãnh hướng trụcTrong rãnh lõi thép rôto, đặt dây quân ba pha Dây quấn rôto thường nối sao, ba đầu ranối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng (vành trượt), được nối với ba biến trở bên ngoài đểđiều chỉnh tốc độ và mở máy

Động cơ không đồng bộ có hai loại: Động cơ rôto lồng sóc và động cơ rôto dây quấn

II NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ ba pha:

Khi ta cho dòng điện ba pha tần số f vào ba dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ là n1 = 60f/p

Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rôto và cảm ứng các sức điện động Vìdây quấn rôto nối kín mạch, nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện trong cácthanh dẫn rôto

Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điệnrôto, kéo rôto quay với tốc độ n < n1 và cùng chiều với n1

Tốc độ quay của rôto n luôn luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1 vì tốc độ bằng nhauthì trong dây quấn rôto không còn sức điện động và dòng điện cảm ứng, cho nên lực điện

từ bằng không

=

Do đó:

=

Mđt: mômen điện từ gồm hai phần

Phần nhỏ tổn thất trên cuộn dây và tổn thất cơ do ma sát ở các ổ bi, ký hiệu ∆M

Phần lớn biến thành mômen quay của động cơ M

Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ.

IV.ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

1. Ưu Điểm:

- Trong công nghiệp hiện nay phần lớn đều sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha Vì

nó tiện lợi hơn, với cấu tạo, mẫu mã đơn giản, giá thành hạ so với động cơ một chiều

- Ngoài ra động cơ không đồng bộ ba pha dùng trực tiếp với lưới điện xoay chiều bapha, không phải tốn kém thêm các thiết bị biến đổi Vận hành tin cậy, giảm chi phí vậnhành, bảo trì sữa chữa Theo cấu tạo người ta chia động cơ không đồng bộ ba pha làm hailoại

- Động cơ roto dây quấn và động cơ roto lồng sóc

2. Nhược Điểm:

Bên cạnh những ưu điểm động cơ không đồng bộ ba pha cũng có các nhược điểm sau:

- Dể phát nóng đối với stato, nhất là khi điện áp lưới tăng và đối với roto khi điện áplưới giảm

- Làm giảm bớt độ tin cậy vì khe hở không khí nhỏ

- Khi điện áp sụt xuống thì mômen khởi động và mômen cực đại giảm rất nhiều vìmômen tỉ lệ với bình phương điện áp

CHƯƠNG II: ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

I. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ

Tốc độ của động cơ điện không đồng bộ: n = 60f/p.(1-s) (vòng/phút)

1. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số (f)

Thay đổi tần số f của dòng điện stato được thực hiện bằng bộ biến tần Khi thay đổi tần

số người ta mong muốn giữ cho từ thông không đổi, cho nên phải giữ cho tỷ số điện áp vàtần số không đổi

Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số cho phép điều chình tốc độ một cách bằngphẳng trong phạm vi rộng và cho cà nhóm động cơ, song giá thành tương đối đắt

2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực (p)

Số đôi cực của từ trường quay phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn

Muốn thay đổi p ta phải thay đổi cách đấu dây hoặc có cách cấu tạo dây quấn đặc biệtPhương pháp này chỉ áp dụng cho loại roto lồng sóc

Mặc dù điều chỉnh tốc độ nhảy cấp, nhưng có ưu điểm là giữ nguyên độ cứng của đặctính cơ, được sử dụng trong các máy luyện kim, máy tàu thủy.

Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực từ như hình vẽ dưới

3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho stato

Phương pháp này chỉ thực hiện việc giảm điện áp

Khi giảm điện áp đường đặc tính M=f(s) sẽ thay đổi do đó hệ số trượt thay đổi, tốc độđộng cơ thay đổi

Nhược điểm của phương pháp này là giảm khả năng quá tải của động cơ, phạm vi điềuchỉnh hẹp, tăng tổn hao và chỉ sử dụng cho các động cơ công suất nhỏ có hệ số trượt tớihạn lớn

4 Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở rôto của động cơ rôto dây quấn

Khi tăng điện trở, dòng điện rôto giảM dẫn đến lực từ giảm cho nên tốc độ quay củađộng cơ giảm

Phương pháp này đơn giản, điều chỉnh trơn và khoảng điều chỉnh tương đối rộng

II. CÁC PHƯƠNG PHÁP ÁP DỤNG TRÊN TÀU ĐIỆN

Để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ cũng như tốc độ chuyển động của đoàntàu có các phương pháp sau:

- Thay đổi hệ số trượt s

- Thay đổi số đôi cực p của dây quấn động cơ

- Thay đổi tần số dòng điện f

a Thay đổi hệ số trượt s có thể thực hiện bằng phương pháp:

- Đưa điện trở phụ vào mạch roto Khi đó công suất trượt được tỏa ra dưới dạng nhiệt ởmạch điện của dây quấn roto

- Đưa sức điện động phụ có tần số trượt vào mạch roto nhờ nối cấp điện hay nối cấpđiện-cơ các máy không đồng bộ Công suất trượt chỉ tiêu hao 1 phần trong mạch điện rotodưới dạng nhiệt, còn chủ yếu sử dụng có ích

b Từ các yêu cầu sử dụng động cơ điện kéo trên tàu điện, yêu cầu về tải trọng trục,yêu cầu về không gian lắp đặt, cũng như yêu cầu về độ tin cậy, phạm vi tốc độ của đầumáy thì việc thay đổi kết cấu động cơ điện kéo (thay đổi p) trong quá trình vận hành rấtphức tạp, cũng như việc thay đổi hệ số trượt s không thể thực hiện trên đầu máy vì hạnchế không gian lắp đặt, phạm vi điều chỉnh tốc độ hẹp Việc đưa điện trở vào mạch rotogây tổn thất lớn nên chỉ sử dụng cho các máy có công suất nhỏ

c Phương pháp điều chỉnh tần số điện áp cung cấp cho động cơ tuân theo quy luậtU/f = const tức là ϕ = const, nghĩa là điều chỉnh tự động tần số với U/f = const

Có 2 phương pháp thực hiện:

- Điều khiển dựa trên nguyên tắc điều chế vector không gian

- Điều khiển dựa trên nguyên tắc điều biến độ rộng xung

CHƯƠNG III: BỘ CHỈNH LƯU

I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠCH CHỈNH LƯU

Gồm các con diode hoặc các thyristor: gọi chung là các van công suất

Một mạch chỉnh lưu là một mạch điện có các thiết bị điện tử, dùng để biến đổidòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Các mạch chỉnh lưu có thể dùngtrong các bộ nguồn cấp điện, và trong các mạch tách sóng của tín hiệu vô tuyến.Các mạch chỉnh lưu có thể được lắp bằng các điốt bán dẫn, các đèn chỉnh lưu thủyngân và các kỹ thuật

khác Khi chỉ dùng một điốt đơn lẻ để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều, bằng cáchkhóa không cho phần dương hoặc phần âm của dạng sóng đi qua mạch điện, thìthuật ngữ "chỉnh lưu" và "điốt" có thể được xem như là một Đa số các mạch chỉnhlưu sử dụng nhiều điốt với các cách sắp xếp khác nhau để có thể biến đổi từ xoaychiều thành một chiều tốt hơn trường hợp sử dụng một điốt riêng lẻ

3. Phân loại

- Mạch chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ

- Mạch chỉnh lưu 1 pha 2 nửa chu kỳ có điểm giữa

- Mạch chỉnh lưu tia 1 pha

- Mạch chỉnh lưu tia 3 pha

- Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha

- Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha

- Mạch chỉnh lưu m pha

4. Các tham số chính của mạch chỉnh lưu

- Ud: giá trị trung bình điện áp nhận được ngay sau mạch van chỉnh lưu

- Id: giá trị trung bình của dòng điện từ van cấp ra

- Itb: giá trị trung bình của dòng điện chảy qua 1 van của mạch van

- Ungmax: điện áp ngược cực đại mà van phải chịu khi làm việc

- U1,U2,U2i, I2i: là trị số hiệu dụng của điện áp và dòng điện phía sơ cấp và thứ cấptrên máy biến áp

II. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠCH CHỈNH LƯU CẦU 3 PHA ĐIỀU KHIỂN TOÀN PHẦN

I. Sơ đồ

Giả thiết tải có điện kháng đủ lớn để dòng tải Id có thể coi là liên tục và phẳng

II. Dạng điện áp ra

Góc mở 15 độ

Dạng áp nguồn, áp trên tải và dòng trên tải - Góc kích = 15o

Góc mở 60 độ

Dạng áp nguồn, áp trên tải và dòng trên tải - Góc kích = 60o

III. Các công thức tính toán: mạch chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển

Ở đây vẫn phải đảm bảo góc điều khiển các van phải như nhau: α1 = α2 = … = αn = α.Theo đồ thị ud(θ) ta thấy góc giới hạn θth giữa dòng liên tục và dòng dán đoạn bằng 60o.Vậy:

+ Nếu α 600 thì ta sẽ có quy luật dễ nhớ là:

Udα = Udn.cosα = 2,34.U2.cosα+ Nếu α600 thì dòng điện sẽ gián đoạn Điện áp chỉnh lưu nhận được ( xem đồ thị ud

với giai đoạn T1T6 dẫn khi ud = uah) là:

Udα = U2sinθdθ = U2

= Udθ

CHƯƠNG IV: MẠCH NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP

I. Giới thiệu chung về mạch nghịch lưu độc lập

- Nghịch lưu độc lập là thiết bị biến đổi nguồn điện một chiều thành nguồn điện xoaychiều (còn gọi là biến đổi DC-AC) có tần số ra có thể thay đổi được và làm việc với phụtải độc lập

- Nguồn 1 chiều thông thường là điện áp chỉnh lưu, ắc quy và các nguồn 1 chiều độclập khác

- Nghịch lưu độc lập được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cung cấp điện, các

hệ truyền động xoay chiều, giao thông, truyền tải điện năng,

- Phân loại:

+ Theo sơ đồ có nghịch lưu một pha, nghịch lưu ba pha

+ Theo quá trình điện từ xảy ra trong nghịch lưu có nghịch lưu nguồn áp, nghịch lưunguồn dòng, nghịch lưu cộng hưởng

Nghịch lưu nguồn dòng là thiết bị biến đổi nguồn dòng một chiều thành dòng xoaychiều có tần số tùy ý

Nghịch lưu nguồn áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoaychiều có tần số tùy ý

Nghịch lưu cộng hưởng, khác với 2 dạng nghịch lưu trên ở chỗ các quá trình xảy ratrong mạch qua các khóa được đặc trưng bởi nguồn cung cấp và các cuộn cảm được mắcthêm vào hay có sẵn của tải Chính vì thế mà dòng ở mạch tải có dạng gần sin

II. Giới thiệu về mạch nghịch lưu nguồn áp 3 pha

Nghịch lưu nguồn áp 3 pha là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều sang nguồn áp xoaychiều ba pha với tần số tùy ý, điện áp mong muốn

1. Cấu tạo:

Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp ba pha được mô tả trên hình (……) Sơ đồ gồm 6 van độnglực IGBT Trong IGBT có tích hợp các diode ngược nhằm trả công suất phản kháng vềlưới tránh được hiện tượng quá áp ở đầu nguồn.mạch nghịch lưu độc lập áp 3 pha đượccoi như mạch ghép thành từ 3 mạch nghịch lưu áp 1 pha Ba nhánh của mạch nghịch lưulàm việc lệch nhau từng đôi một một góc 2

Đầu vào của mạch nghịch lưu được bố trí một tụ điện song song với nguồn DC, nhằmđảm bảo nguồn tiếp nhận công suất phản kháng của tải, và đóng vai trò làm phẳng điện áp

2. Nguyên lý làm việc

Để tạo ra điện áp xoay chiều 3 pha có cùng biên độ nhưng lệch pha nhau một góc 120o,các van được điều khiển theo thứ tự như được ký hiệu trên sơ đồ, mỗi van sẽ vào dẫn cáchnhau 60o Khoảng điều khiển dẫn của mỗi van có thể trong khoảng từ 120o đến 180o Đểthuận tiện cho việc xây dựng hệ thống điều khiển thường chọn các giá trị 120o, 150o hoặc

180o

Luật dẫn điện của các van phải tuân theo đồ thị H Như vậy T1 và T4 dẫn lệch nhaumột góc 180 ̊ và tạo ra pha a, T3 và T6 dẫn lệch nhau một góc 180 ̊ và tạo ra pha B, T2 vàT5 dẫn lệch nhau một góc 180 ̊ và tạo ra pha C

 Dạng điện áp đầu ra được xây dựng như sau: + Trong khoảng 0÷ t1: T1, T6 , T5 dẫn sơ đồ thay thế

có dạng như hình a Ta thấy UZA= E/3

+ Trong khoảng t1÷ t2: T1, T2 , T6 dẫn sơ đồthay thế có dạng như hình b

Ta thấy UZA= 2E/3

+ Trong khoảng t2÷ t3: T1, T2 , T3 dẫn sơ đồ thay thế có dạng như hình c

3. Phương pháp điều chế kinh điển PWM

Điện áp ở đầu ra của bộ nghịch lưu được điều chỉnh nhờ điều chế độ rộng thay đổi theophương pháp biến điệu bề rộng xung, chứa chủ yếu là thành phần sóng hài cơ bản Trênnhững phụ tải mang tính cảm, như cuộn dây của động cơ xoay chiều, điện áp này tạo nêndòng điện rất gần hình sin

Phương pháp biến điệu bề rộng xung có nhiều dạng, trong đó ta xét hai dạng cơ bảnsau:

+ Nghịch lưu PWM đơn cực

+ Nghịch lưu PWM lưỡng cực

Hai phương pháp trên có những ưu điểm và nhược điểm nhất định, để lựu chọn đượcmột phương pháp PWM thích hợp ta phải tiến hành phân tích ưu nhược điểm của từngloại.

 Phương pháp nghịch lưu PWM đơn cực

Hình 3.9 Nguyên lí và các dạng điện áp của PWM đơn cực

Nội dung của phương pháp là so sánh một sóng sin chuẩn, có tần số bằng tần sốcủa điện áp ra nghịch lưu mong muốn, với một điện áp răng cưa tần số cao.Trong nhữngkhoảng điện áp sin chuẩn cao hơn điện áp răng cưa van được mở để đưa điện áp ra tải,trong những khoảng thời gian điện áp sin chuẩn thấp hơn điện áp răng cưa van khóa lại đểđiện áp ra trên tải bằng không Điện áp sẽ được tao ra riêng cho nửa chu kỳ dương và âm

 Phương pháp nghịch lưu PWM lưỡng cực

Hình 3.10 Nguyên lí và dạng điện áp của PWM lưỡng cực

Nội dung của phương pháp là so sánh một sóng sin chuẩn, tần số bằng tần số của điện

áp ra nghịch lưu mong muốn, với một điện áp răng cưa tần số cao Điện áp ra sẽ là +E khisin chuẩn cao hơn xung răng cưa và là –E khi sin chuẩn thấp hơn xung răng cưa

 So sánh hai phương pháp nghịch lưu

Hai phương pháp trên là hai phương pháp nghịch lưu PWM cơ bản Về cấu trúc mạchđộng lực của hai phương pháp không có gì khác nhau, mà chỉ khác nhau về nguyên tắcđiều khiển chuyển mạch các van bán dẫn Hai phương pháp trên có những ưu điểm vànhược điểm nhất định

+ Khả năng đáp ứng cao về ổn định dòng điện cũng như tần số Do có phần điện áp âmtrong điều biến điện áp pha nên có khả năng khống chế dòng điện tốt hơn.

 Nhược điểm:

Nhược điểm lớn nhất của nghịch lưu PWM lưỡng cực là sự phức tạp của mạch điềukhiển do phải phối hợp đóng cắt của các van dẫn

Tùy vào bài toán mà ta cần chọn được phương pháp điều chế tối ưu

CHƯƠNG V: MÁY BIẾN ÁP

I. KHÁI NIỆM CHUNG

Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc trên nguyên lí cảm ứng điện từ, biếnđổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống dòng điện xoaychiều ở điện áp khác, với tần số không thay đổi

Hình 1: Sơ đồ truyền tải điện đơn giản

Ta có, dòng điện truyền tải trên đường dây:

I = P/(Ucosφ)

Và tổn hao công suất trên đường dây:

ΔP = Rd I2 = RdP2/(U2cos2φ)

Trong đó: P là công suất truyền tải trên đường dây

U là điện áp truyền tải của lưới điện

Rd là điện trở đường dây tải điện trên đường dây

cosφ là góc lệch pha giữa dòng điện I và điện áp U

II CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP 3 PHA

Máy biến áp có các bộ phận chính sau đây: lõi thép, dây quấn và vỏ máy

Hình 2: Sơ đồ máy biến áp truyền tải 220kV-250MVA

1 Lõi thép máy biến áp

Hình 3: Mạch từ máy biến áp kiểu lõi 3 pha

Lõi thép MBA dùng để dẫn từ thông, được chế tạo bằng các vật liệu dẫn từ tốt, thường

là théo kỹ thuật điện có bề dày từ 0,35 ÷ 1 mm mặt ngoài các lá thép có sơn cách điện rồighép lại với nhau thành lõi thép, để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên Lõi thép

gồm hai phần: Trụ và Gông (hình 3) Trụ T là phần để đặt dây quấn còn gông G là phần

nối liền giữa các trụ để tạo thành mạch từ kín Trụ và gông có thể ghép với nhau bằngphương pháp ghép nối hoặc ghép xen kẽ Ghép nối thì trụ và gông ghép riêng, sau đódùng xà ép và bu lông vít chặt lại Ghép xen kẽ thì toàn bộ lõi thép phải được ghép đồngthời và các là thép được xếp xen kẽ với nhau

Sau khi ghép, lõi thép cũng được vít chặt bằng xà ép và bu lông Phương pháp này tuyphức tạp xong giảm được tổn hao do dòng điện xoáy gây nên và rất bền về phương diện

cơ học, vì thế hầu hết các máy biến áp hiện nay đều dùng kiểu ghép này

Do dây quấn thành hình tròn, nên tiết diện ngang của trụ thép thường làm thànhhình bậc thang gần tròn Gông từ vì không có dây quấn, do đó, để thuận tiện cho việc chếtạo tiết diện ngang của gông có thể làm đơn giản: hình chữ nhật, hình chữ thập hoặc hìnhchữ T

Để đảm bảo an toàn: toàn bộ lõi thép được nối đất với vỏ máy và vỏ máy phảiđược nối đất

2 Dây quấn máy biến áp.

Hình 4: Dây quấn máy biến áp