Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ đoc lập có đảo chiều theo nguyên tăc điều khiểnUdm=110 V;Iđm=15 A;Ukích từ=110V;Ikích từ=1,2A;Phạm vi điêu chỉnh101

1 Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều Ngày nay,động cơ điện một chiều vẫn đợc coi là một loại máy điện quan trọng mặc dù máy điện xoay chiều rát thông dụng do động cơ điện một ch

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

2) Đề xuất các phơng án tổng thể,phân tích u,nhợc điểm của từng phơng án để đi

đến lựa chon một phơng án phù hợp thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật

3) Xây dựng 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 hoạ

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 đợc trong phần 4 và 5

7) Kiểm chứng bằng chạy mô phỏng trên máy tính PC

1) Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều

Ngày nay,động cơ điện một chiều vẫn đợc 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 u điểm nh khả năng điều chinh tốc độ rát tốt.Nó đợc dùngtrong những ngành đòi hỏi yêu cầu cao về mặt điều chinh tốc độ nh máy cán thép,bào hầm

mỏ,giao thông vận tải

Trang 1

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

b) Cực từ phụ

Cực từ phụ đợc đặt giữa các cực từ chính và dùng để cảI thiện đổi

chiều.Lõi thép thờng làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt day quấn màcấu tạo giống nh 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 h hỏng dây quấn và

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

+Cơ cấu chổi than : Để đa dòng điện từ phàn quay ra ngoài.Cơ cấu chổi than gồm có một chổi than đặt trong hộp chổi than đợc cố định trên giá chổi than vàcách điện với giá,giá chổi than có thể quay đợc để điều chỉnh vị trí chổi than cho

đúng chỗ

2.2) Phần quay hay Roto (phần ứng)

Bao gồm những bộ phận chính sau :

a)Lõi sắt phần ứng

Dùng để dẫn từ Thờng dùng những tấm thép kỹ thuậtdày 0,5mm phủ cách

điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng

điện xoáy gây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì dặt dâyquấn vào

Trong những động cơ trung bình trở lên ngời ta còn dập những lỗ thông gió đểkhi ép lạ thành lõi sắt có thể tạo đợc những lỗ thông gió dọc trục

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

Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng đợc ép trực tiếp vào trục.Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto Dùng giá rôto có thể tiếtkiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lợng rôto

c) Cổ góp :

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

đồng có đợc mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợpthành 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 đợc dễ dàng

d) Các bộ phận khác

Trang 2

Đồ án điện tử công suất

- Cánh quạt : dùng để quạt gió làm nguội máy Máy điện một chiều thờng chế tạotheo 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 ờng làm bằng thép cacbon tốt

th-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 ngời ta thờng dùng động cơ kích từ độc lập để có thể

điều chỉnh dòng điện kích thích đợc 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 chiều kích từ độc lập

Sơ đồ

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

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 trờng sẽ chịu tác dụng của lực Fđt 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 cácthanh dẫn cắt từ trờng sẽ cảm ứng sức điện động E ,chiều quay xác định theo quy tắc bàn tay trái

E I

RfU

Ikt

Rkt

U CKT

Ukt

E I

RfU

Ikt

Rkt

U CKT

Ukt

f u

K

R R K

U K

I R R U

R R K

U u u f

) (

Mômen phụ thuộc vào từ thông và dòng phần ứng

Từ phơng trình (1) suy ra : để thay đổi tốc độ động cơ ta có thể dùng phơng pháp thay đổi điện áp phần ứng U ,từ thông  tức là thay đổi dòng kích từ Ikt và thay đổi

điện trở phần ứng R ,Rf

M =K. I do đó muốn đảo chiều động cơ tức là đảo chiều mômen M ta có thể dùng phơng pháp đảo chiều từ thông (tức là đảo chiều dòng kích từ Ikt ) hoặc là đảochiều dòng điện phần ứng I

2) Các phơng pháp thay đổi tốc độ

a) Phơng pháp thay đổi từ thông  ,thay đổi dòng kích từ Ikt Với một phụ tải Mc

nhất định Khi  giảm tốc độ động cơ tăng lên

Khi kích thích dòng khác nhau đặc tính cơ nhận đợc khác nhau và độ dốc khác nhau.Giao điểm mômen cản M =f(I) với các đờng trên cho biết tốc độ xác lập ứng với thông số khác nhau của từ thông

Trang 4

Đồ án điện tử công suất

b) Thay đổi điện áp phần ứng

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

nh máy phát điện một chiều kích từ độc lập , các bộ chỉnh lu điều khiển các thiết

bị này có chức năng biến đổi lợng xoay chiều thành một chiều có suất điện động

Eb điều chỉnh đợc là nhờ tín hiệu Uđk

-Phơng trình đặc tính cơ của hệ thống nh sau:

u

dm

b ud dm

K

R R K

của hệ thống do đó có thể nói phơng pháp điều chỉnh này là triệt để

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

max 0 max

0

min min

M

dm

M

dm dm

nm

K

M M

K

M D

K

M M

BBĐ

LK

Đồ án điện tử công suất

3) Vấn đề đảo chiều

Chiều quay động cơ phụ thuộc vào chiều quay mômen có thể dùng hai phơng pháp Hoặc thay đổi chiều dòng phần ứng I hoặc đổi chiều từ thông (đổi chiều dòng kích từ Ikt)

+ Nếu dùng phơng 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 Ikt 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 phơng pháp đảo chiều dòng phần ứng I

Từ những phân tích trên ta chon phơng pháp thay đổi tốc độ là thay đổi điện áp phầnứng U (tức là điều khiển U ) và đảo chiều quay bằng đảo chiều dòng phần ứng I 4) Một số yêu cầu kỹ thuật khác

Trong đó i, i1 là tốc độ ổn định của động cơ đạt đợc ở cấp i ,i+1

  1 tức là hệ truyền động có thể ổn định ở mọi vị trí trong toàn dảI điều chỉnh

 max bị hạn chế bởi độ bền động cơ và độ bền của vành góp

min bị chặn bởi yêu cầu về mômen khởi động ,khả năng quá tải và sai số tốc

u

R

U R

E U





Trang 6

Đồ án điện tử công suất

U không đổi ,R rất nhỏ (điện trở cuộn dây phần ứng) nên I rất lớn làm cháy dây quấn và vành góp

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

(  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 đợc sự cố trên

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 lu một nửa chu kỳ

chất lợng điện áp tải xấu

Điện áp tải trung bình lớn nhất trên tải

_Chất lợng điện áp xấu

_Hiệu suất sử dụng máy biến áp thấp

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

T2 U1

Đồ án điện tử công suất

(dạng dòng ,áp trên tải và điện áp ngợc trên van T1 trong trờng hợp tải thuần trở vàtải điện cảm lớn)

Xét với tải RL , điện cảm lớn để lọc dòng và áp có chất lợng tốt

_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 θ = α cho phát xung mở T1 , T1 dẫn do điện áp đầu anot dơng và có xung

mở Khi θ =Π , điện áp trên anot = 0 nhng do có cuộn cảm L nên vẫn còn dòng điện

Id nên T1 cha khoá , T1 tiếp tục dẫn cho đến khi θ = Π + α , phát xung mở T2 thì T1 bịkhoá và T2 dẫn T1 khoá không phải dòng đã về 0 mà là do T2 dẫn

T2 lại dẫn cho đến khi θ = 2Π + α , T1 đợc phát xung mở , T1 dẫn và T2 bị khoá lại

Quá trình cứ nh 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 T1,T2 và điện áp ngợc trên van T1 đợc vẽtrên hình )

Trang 9

Đồ án điện tử công suất

Với α : là góc điều khiển mở

+ Điện áp trung bình trên tải

+ Điện áp ngợc trên van là lớn

Unv = 2 2 U2

Tải có điện cảm lớn nên dòng tải liên tục id = Id

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

Nửa chu kỳ đầu U2 > 0 , Anot của T1 dơng , Katot của T2 âm Nếu có xung

điều khiển mở đồng thời T1 và T2 thì cả hai van này đợc mở thông và đặt điện

áp lới lên tải Ud = U2 Điện áp tải một chiều bằng điện áp xoay chiều (Ud

= U2) cho đến khi nào T1 , T2 còn dẫn (Khoảng dẫn của các van phụ thuộc vào tải )

Nửa chu kỳ sau, điện áp đổi dấu , anot của T3 dơng và katot T4 âm , nếu có

xung điều khiển mở đồng thời T3,T4 thì các van này đợc mở thông và Ud = -

U2 , với điện áp một chiều có cùng chiều với nửa chu kỳ trớc

Trang 10

Đồ án điện tử công suất

(Các đặc tính điện áp tải , dòng qua tải , dòng qua van và điện áp ngợc trên

van đợc biểu diễn trên hình vẽ)

+ Giá trị trung bình của tải

2

U = Udo cosα

Udo : điện áp trung bình tải trong chỉnh lu cầu không điều khiển

+ Dòng qua máy biến áp cũng bằng dòng qua van (khi van mở)

+ Giá trị hiệu dụng dòng thứ cấp biến áp

Trang 11

2) Trïng dÉn

Trang 13

Trong máy biến áp có cuộn dây nên có điện cảm La

Giả sử T1 ,T2 đang mở cho dòng chảy qua iT1,iT2 =Id

Khi      phát xung mở T3,T4

Vì có La nên dòng iT1,iT2 không giảm đột ngột về 0 mà dòng iT3,iT4 cũng không tăng đột ngột từ 0 đến Id

Lúc này cả 4 van cùng mở thông cho dòng chảy qua ,phụ tải bị ngắn mạch ud =0 Nguồn e2 bị ngắn mạch sinh ra dòng ngắn mạch ic

Phơng trình

2 2sin a a (X a .L a)

d

di X

U

đặt ic =ic1 +ic2 ,ic1 =ic2 =0,5.ic

ic1 :làm tăng dòng trong T4 và làm giảm dòng trong T2

ic2 : làm tăng dòng trong T3 và làm giảm dòng trong T1

.

2 22

,

1

c d

U I

i

Khi kết thúc giai đoạn trùng dẫn tức khi    , thì iT1,2 =0

Trang 14

Đồ án điện tử công suất

2

2

2 cos

.

.

2

sin 2

2

2

2

0 2

U

d U

U I

cos 2 2 2

Để sức điện động E phát năng lợng trở lại lới điện thì dòng và áp phải ngợc chiềunhau Ud và Id ngợc nhau

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

- chiều dòng nh cũ

- đảo chiều sức điện động Ed

- ở trong chế độ chỉnh lu với góc mở là  thì Ud =Ud0 cos .

Trang 15

 tức là điện áp trên tải thay đổi cực tính và ngợc chiều van Do

đó đẻ duy trì dòng chảy qua van từ A đến K của van thì ta phải đảo chiều Ed và đảm bảo E  U d vậy ở chế độ chỉnh lu ,dòng trong mạch đợc duy trì bởi

Ud –E >0 thì trong chế độ nghịch lu phụ thuộc dòng đợc duy trì bởi E  U d  0

Trong chế độ nghịch lu lới điện nhận năng lợng từ phía tải

Điều kiện hoạt động chế độ nghịch lu phụ thuộc

Xét dạng điện áp trên van

Trong mạch có điện cảm biến áp nên nó có quá trình trùng dẫn với góc trùng dẫn 

xét T1,T2 đang dẫn ,    phát xung mở T3 ,T4 ,UA > UK nên có dòng qua van và T1,T2 vẫn còn dẫn từ đó 4 van cùng dẫn trong khoảng  Sau đó T1 ,T2 khoá và

T3,T4 mở

Điện áp ngợc trên van T1 ,T2 Unv = 2 U2 sin  U2 

Trang 16

Đồ án điện tử công suất

Điện áp ngợc chỉ xuất hiện trên van trong khoang từ      đến    vì sau đó

điện áp trên T1 ,T2 lại là thuận (UA > UK )

Nh vậy trong một chu kỳ làm việc mỗi van chỉ chịu điện áp ngợc trong khoảng từ





   đến    tức là trong khoảng thời gian     (    ) ,khoảng thời gian này khá nhỏ

Nếu   (    )  off (ứng với thời gian phục hồi Thyristor)

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

Khi đó trong mạch cả hai nguồn cùng phát năng lợng khi đó Id rất lớn gây sự cố sập nghịch lu

Do đó để an toàn phải có   (    )  off

off  10

 ( ứng với toff =555 s thì có thể khoá van Thyristor thông thờng )

) (  off

knv :hệ số knv = 2

ku :hệ số điện áp (mạch cầu 1 pha) ku =



2 2

Ud =110 (điện áp trung bình trên tải)

110

+Từ hai thông số Un max và Iđm ta chọn 4 van thyristor loại

ACR44U08LE với các thông số nh sau

- điện áp ngợc van : Un =800 (V)

- dòng định mức van : Iđm =44 (A)

- đỉnh xung dòng điện : Ipi k max =550( A)

- dòng xung điều khiển : Iđk max = 200(mA)

- điện áp xung điều khiển : Uđk max =3 (V)

- dòng điện giữ : Ih max =25 (mA)

- dòng điện dò :Ir max =10 (mA)

- độ sụt áp lớn nhất : Umax  2 , 7 (V)

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

dt

dU



- thời gian chuyển mạch : tcm = 6(s)

- nhiệt độ làm việc cho phép :Tmax =125 0C

II) TíNH toán máy biến áp chỉnh lu

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 đờng tải

Trang 18

Đồ án điện tử công suất

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

) ( 2 , 13 220 06 , 0

%.

U U

, 0

0 2 , 13 7 , 2 2 110 1

, 0 1

2

V U

U U U

( Hệ số dòng thứ cấp máy biến áp k2 =1)

5) Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp

I1 k ba .I2= 15 10 , 8 ( )

220

159 2

b

h

H

c C

Hình 1 sơ đồ kết cấu máy biến áp

§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt

m f

S k



+ chän hÖ sè m¸y biÕn ¸p víi m¸y biÕn ¸p kh« k q=6

+ sè trô m¸y biÕn ¸p m =1

+ tÇn sè dßng xoay chiÒu f=50 (HZ)

+ Q= 40 , 3 ( )

50 1

2252

Q = a.b =40,3 (cm ) víi c¸ch chän th«ng sè tèi u lµ

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

220

44 ,

(vßng) +W1 =246 =4.56 +22

Nh vËy cuén s¬ cÊp quÊn thµnh 5 líp gi÷a c¸c líp cã 1 tê giÊy c¸ch ®iÖn máng 0,1 mm BÒ dµy d©y quÊn cuén s¬ cÊp

e1 =5.d1 +6.0,1 =17,2 mm < c

13) Cuén thø cÊp

d2 = 2,63 mm

Trang 20