Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay

Chương 1: Tổng quan về các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ. Chương 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực. Chương 3: Lựa chọn thiết kế mạch điều khiển. Chương 4: Thiết kế vòng kín theo nguyên lý tối ưu hóa module.

Trang 1

Lời nói đầu

Trong quá trình sản xuất truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công

đoạn cuối cùng của một công nghệ sản xuất Đặc biệt trong dây truyền sản xuất

tự động hiện đại, truyên động điện đóng vài trò quan trọng trong việc nâng caonăng suất và chất lợng sản phẩm Vì vậy các hệ truyền động luôn luôn đợc quantâm nghiên cứu và nâng cao chất lợng để đáp ứng với yêu cầu công nghệ mới.Ngày nay do ứng dụng tiến bộ kỹ thuật điện tử, tin học, các hệ truyền động

điện ngày càng phát triển và có những thay đổi đáng kể Đặc biệt do công nghệsẩn xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện nên các bộ biến đổi

điện tử công suất trong hệ truyện động diện không những đáp ứng đợc độ nhanh,

độ chính xác cao mà còn góp phần làm giảm kích thớc giá thành của hệ Mộttrong các hệ đó là hệ truyền động của động cơ điện một chiều

Do u điểm của động cơ một chiều về điều chỉnh tốc độ nên hiện nay độngcơ điện một chiều đợc sử dụng rộng rãi đặc biệt trong các lĩnh vực nh giao thôngvận tải, cơ khí luyện kim… vì vậy việc điều khiển động cơ điện một chiều là một vì vậy việc điều khiển động cơ điện một chiều là mộttrong những vấn đề quan trọng trong lĩnh vực truyền động điện Để điều khiển

động cơ điện thì có rất nhiều hệ nh MF- ĐC, Hệ XA- ĐC, CL-ĐC Đối với mỗi

hệ lại có những u nhợc điểm riêng Khí chế tạo các thiết bị điện tử công suất đòihỏi có những kiến thức không chỉ mạch động lực mà còn những kiến thức vềmạch điều khiển và tính chọn các thiết bị thế nào cho hợp lý cũng rất cần thiết Vì thế việc tìm hiều một cách tỷ mỷ về lĩnh vực điện tử công suất là việc cần

thiết, nên trong đề tài của em “Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay ” đợc trình bày gồm 4 chơng: Chơng 1: Tổng quan về các phơng pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ

Chơng 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực

Chơng 3: Lựa chọn thiết kế mạch điều khiển

Chơng 4: Thiết kế vòng kín theo nguyên lý tối u hóa module

Do hạn chế về nhiều mặt nên để tài không tránh khỏi những thiếu sót, em rấtmong nhận đợc sự góp ý, nhận xét của các thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo: Nguyễn Vũ Thanh, các thầy cô trong

bộ môn TBĐ - ĐT, khoa SPKT và các bạn cùng khóa đã nhiệt tình, quan tâm,giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án này

Hà Nội, ngày 15 tháng 5 năm 2009

Sinh viênNgô Thị Nguyệt Anh

Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.3681

Trang 2

Mục lục

Lời nói đầu 1

Danh sách hình vẽ 4

Mở đầu 5

Chơng 1 Tổng quan về các phơng pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ 7

1.1 Động cơ một chiều và các phơng trình đặc tính cơ 7

1.1.1 Động cơ một chiều 7

1.1.2 Phơng trình đặc tính 8

1.2 Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều 11

1.2.1 Thay đổi điện trở phụ 12

1.2.2 Thay đổi từ thông 13

1.2.3 Thay đổi điện áp phần ứng 14

1.2.4 Nhận xét chung về các phơng pháp 15

CHƯƠNG 2 lựa chọn thiết kế mạch động lực 17

2.1 Chọn sơ đồ mạch động lực 17

2.1.1 Điều chỉnh tốc độ truyền động điện/ 17

2.1.2 Khảo sát hệ truyền động chỉnh lu _ động cơ 19

2.1.3 Chọn sơ đồ chỉnh lu nguồn một chiều 23

2.2 tính toán sơ đồ mạch động lực 33

2.2.1 Tính chọn Thyristor : 34

2.2.2 Tính toán máy biến áp chỉnh lu 35

2.2.3 Thiết kế cuộn kháng lọc 48

2.2.4 Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực 56

CHơNG 3: thiết kế mạch điều khiển 61

3.1 Yêu cầu và nhiệm vụ của mạch điều khiển 61

3.1.1 Yêu cầu mạch điều khiển: 61

3.1.2 Chức năng: 61

3.2 Nguyên tắc điều khiển 62

3.2.1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos :“ ” .62

3.2.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính: 64

3.3 Sơ đồ khối mạch điều khiển 64

3.3.1 Khâu đồng pha 66

3.3.2 Khâu so sánh 68

3.33 Tạo xung chùm điều khiển 69

3.3.4 Khâu khuếch đại 71

3.4 Sơ đồ mạch điều khiển 73

3.4.1 Sơ đồ mạch điều khiển của Tiristor.(trang bên) hinh3.11 73

3.4.2 Nguyên lí hoạt động của mạch điều khiển: 74

3.5 Tính toán mạch điều khiển 74

3.5.1 Tính biến áp xung: 75

Trang 3

3.5.2 Tính tầng khuếch đại cuối cùng: 76

3.5.3 Chọn cổng AND: 77

3.5.4 Chọn tụ C 3 và R 9 : 78

3.5.5 Tính chọn bộ tạo xung chùm: 78

3.5.6 Tính chọn tầng so sánh: 79

3.5.7 Tính chọn khâu đồng pha: 80

3.5.8 Tạo nguồn nuôi: 80

3.5.9 Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha: 81

Chơng 4: thiết kế mạch vòng kín theo nguyên lý tối u module 87

4.1 Khái quát chung về điều khiển tối u module 87

4.1.1 Sơ qua về phơng pháp dùng bộ khuếch đại tổng: 87

4.1.2 Phơng pháp điều khiển tối u module: 88

4.2 Mô hình hệ thống chỉnh lu_động cơ đơn giản 88

4.2.1 Hàm truyền của động cơ một chiều kích từ độc lập: 89

4.2 2 Hàm truyền của bộ thyristor 90

4.3 Nguyên lý điều khiển tối u modul 91

4.4 Hệ thống điều khiển động cơ một chiều hai mạch vòng 95

4.5 Cấu trúc cơ bản của hệ tự động điều chỉnh tối u module hai mạch vòng 95

4.6 Mô phỏng hệ thống động cơ một chiều 97

kết luận 106

tài liệu tham khảo 107

Trang 4

Danh sách hình vẽ

H.1.1: Sơ đồ nối dây của động cơ điện kích từ độc lập 8

H.1.2: Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 10

H.1.3: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 10

H.1.4: Các đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi thay đổi Rf mạch điện phần ứng 12

H.1.5: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi

giảm từ thông 14

H.1 6 Các đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập 15

H.2.1 Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi van 20

H.2-2 Đặc tính cơ của động cơ trong hệ CL- Đ 22

H.2.3 Chỉnh lu tia ba pha 25

H.2.4 Đờng cong điện áp tải khi góc mở   60 0 26

H.2.5 Chỉnh lu tia sáu pha 27

H.2.6 Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng 29

H.2.7 Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển không đối xứng 31

H.2.8 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực 33

H.2.9 Các bậc thang ghép thành trụ 41

H.2.10 Kết cấu mạch từ cuộn kháng 52

H.2.11 Mạch động lực có các thiết bị bảo vệ 56

H.2.12 Mạch R_C bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch 59

H.2.13 Mạch RC bảo vệ quá điện áp từ lới 59

H.2.14 Mạch cầu ba pha dùng điôt tải RC bảo vệ do cắt MBA non tải 59

H.3.1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos 63

H.3.2 Nguyên lý điều khiển chỉnh lu 64

H.3.3 Sơ đồ mạch điều khiển 65

H.3.4: Hình dạng xung điều khiển Thyristor 65

H.3.5 Sơ đồ đấu dây biến áp đồng pha 67

H.3.6 Khâu đồng pha dùng KĐTT 68

H.3.7 Sơ đồ các khâu so sánh thờng gặp 70

H.3.8 Một số sơ đồ chùm xung 72

H.3.9 Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm 73

H.3.10 Sơ đố các khâu khuếch đại 78

H.3.11 Sơ đồ mạch điều khiển 81

H.3.12 Sơ đồ nguyên lí tạo nguồn nuôi  12V 81

H.3.13 Kích thớc mạch từ biến áp 83

Trang 5

Mở đầu

1 Tên đề tài.

Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu cho động cơ điện một chiều

kích từ độc lập không đảo chiều quay.

2 Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây kỹ thuật điện tử và bán dẫn công suất lớnphát triển mạnh mẽ, các thiết bị điện tử công suất có nhiều u điểm: có khả năng

điều khiển rộng, có chỉ tiêu kinh tế cao, kích thớc và trọng lợng thấp, độ tin cậy

và độ chính xác cao… vì vậy việc điều khiển động cơ điện một chiều là một ứng dụng của chúng vào việc biến đổi năng lợng là điềukhiển điện áp và dòng điện xoay chiều thành một chiều và ngợc lại ngày càngsâu, rộng

Khi chế tạo các thiết bị điện tử công suất đòi hỏi có những kiến thức khôngchỉ mạch động lực mà cả kiến thức về mạch điều khiển và tính chọn các thiết bịthế nào cho hợp lý cũng rất cần thiết

Hiện nay động cơ một chiều đợc sử dụng rộng rãI trong các lĩnh vực nh giaothông vận tải, cơ khí, … vì vậy việc điều khiển động cơ điện một chiều là một.do có u điểm về ổn định tốc độ Vì vậy việc điều khiển

động cơ một chiều là một trong những vấn đề quan trọng trong truyền động điện.Vì vậy trong đồ án này tôi đi nghiên cứu về “ Thiết kế bộ nguồn chỉnh lucho động cơ điện một chiều kích từ độc lập” để làm rõ hơn về động cơ điện mộtchiều kích từ độc lập Hy vọng đề tài này sẽ giúp ích cho các bạn đang và muốnnghiên cứu về động cơ một chiều

3 Đối tợng và mục tiêu nghiên cứu

 Đối tợng nghiên cứu:

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay

 Mục tiêu nghiên cứu:

Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu cho động cơ điện một chiều kích từ độc

lập không đảo chiều quay

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

 Thiết kế mạch động lực cho động cơ điện một chiều

 Thiết kế mạch điều khiển cho động cơ điện một chiều

 Thiết kế mạch vòng kín theo nguyên lý tối u module ổn định tốc độ

5 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài “ Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu cho động cơ điện một chiều

kích từ độc lập không đảo chiều quay ” dành cho sinh viên chuyênngành điện các trờng trung học chuyên nghiệp và cao đẳng, đại học vàcác trung tâm đào tạo nghề điện

Trang 6

6 Phơng pháp nghiên cứu

Tổng hợp và phân tích lý thuyết làm cơ sở thiết kế mạch động lực

và mạch điều khiển phù hợp với thông số yêu cầu, qua đó thiết kế mạchvòng kín theo nguyên lý tối u module điểu khiển để ổn định động cơ

7 Dự kiến kết cấu nội dung.

Dự kiến kết cấu nội dung của đề tài gồm 4 chơng:

Thiết kế mạch điều khiển

Chơng này trình bày về nhiệm vụ, yêu cầu và nguyên tắc hoạt độngcủa mạch điều khiển qua đó lựa chọn mạch điều khiển đa ra các thông

số để tính toán mạch phù hợp với yêu cầu của đề bài

Chơng 4:

Thiết kế mạch vòng kín theo nguyên lý tối u module

Chơng này sẽ trả lời cho câu hỏi:

 Thế nào là nguyên lý tối u module?

 Mục đích làm gì?

 Xây dựng các hàm truyền thế nào?

 Kết quả mô phỏng matlap ra sao?

8 Dự kiến kết quả nghiên cứu

 Thiết kế mạch động lực, mạch điều khiển phù hợp với yêu cầu đặt ra

 Thiết kế mạch vòng theo nguyên lý tối u module để ổn định

Trang 7

Chơng 1 Tổng quan về các phơng pháp điều chỉnh tốc độ

Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm có các dây quấn phần cảm vàphần ứng Các dây quấn phần cảm có dòng điện một chiều tạo nên từ trờng và từthông cực từ  qua phần ứng Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức điện động

và có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thờng làm bằng dây đồng có bọccách điện Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờmột lò xo tì chặt lên cổ góp Kết cấu của cổ góp gồm có nhiều phiến đồng có

đuôi nhạn cách điện với nhau bằng lớp mi ca và hợp thành một trụ tròn Chứcnăng của vành góp và các chổi điện là để làm khép mạch dòng điện trong cácthanh dẫn phần ứng, dới một cực nào đó, theo một chiều đã cho, không phụthuộc vào tốc độ đã cho

Về phơng diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều u việthơn so với các loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ

dễ dàng mà cấu trúc mạch lực , mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạtchất lợng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc rộng

Trang 8

r : ®iÖn trë cuén d©y phÇn øng

rcf : ®iÖn trë cuén cùc tõ phô

Trang 9

Trong đó:

p : số đôi cực từ chính

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

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

Biểu thức (1 -3) là phơng trình đặc tính cơ điện của động cơ

Mặt khác mô men điện từ Mđt của động cơ đợc xác định bởi :

Mđt= KI (1 - 4)Suy ra:

Thay giá trị I vào (1 - 3) ta đợc:

dt u

M I

Đây là phong trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độclập

đặc tính cơ điện (1 - 3) và đặc tính cơ (1 - 6) là tuyến tính Đồ thị của chúng đợcbiểu diễn trên H 1-2 và H 1-3 là những đờng thẳng

Trang 10

Theo các đồ thị trên, khi I = 0 hoặc M = 0 ta có :

Theo các đồ thị trên, khi I  hoặc M=0 ta có: u 0

Trang 11

 : là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M

Ta có thể biểu diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vị t ơng

đối với điều kiện từ thông là định mức ( = đm)

1.2 Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều

Từ phơng trình đặc tính cơ (1 - 6) ta thấy rằng việc điều chỉnh tốc độ của

động cơ điện một chiều có thể thực hiện đợc bằng cách thay đổi một trong ba đạilợng sau:

 Điện trở phụ trên mạch phần ứng

 Thay đổi từ thông

 Thay đổi điện áp phần ứng

1.2.1 Thay đổi điện trở phụ

Giả thiết rằng U = Uđm = const và  = đm = const Muốn thay đổi điện trởmạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng

Trong trờng hợp này tốc độ không tải lý tởng:

dm o

dm

U

const K

Trang 12

điểm của các đờng đặc tính trên với đờng Mc = f() cho biết trị số tốc độ xác lậpkhi điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở phụ Rf

ox tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông nh H.1 -5

Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368

Trang 13

1.2.3 Thay đổi điện áp phần ứng.

Phơng pháp này thờng chỉ áp dụng đợc đối với động cơ điện một chiềukích từ nối tiếp hoặc động cơ điện kích từ song song làm việc ở chế độ kích từ

độc lập Bởi vì đối với động cơ kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp thì khi thay

Hình1 - 5 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

đ

1

U2U

3

Mc0

13

Trang 14

Chú ý: khi giảm áp đặt vào phần ứng động cơ :Ta thấy rằng khi thay đổi

điện áp (giảm áp) thì mô men ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơgiảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định

Nói chung vì không cho phép vợt quá điện áp định mức nên việc điềuchỉnh tốc độ trên tốc độ định mức không đợc áp dụng hoặc chỉ đợc thực hiệntrong một phạm vi rất hẹp Phơng pháp này cũng đợc sử dụng để điều chỉnh tốc

độ động cơ và hạn chế dòng điện ngắn mạch khi khởi động

điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức Hơn nữa việc điều chỉnh từthông không hạn chế đợc dòng điện ngắn mạch khi khởi động (I =U \ R) Chínhvì điều đó mà giới hạn điều chỉnh tốc độ bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và

đổi chiều dòng điện của máy điện

Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạchphần ứng để tăng R, chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dới tốc độquay định mức và luôn kèm theo tổn hao năng lợng trên điện trở phụ, làm giảmhiệu suất của động cơ điện, vì vậy phơng pháp này chỉ đợc áp dụng ở những

động cơ điện có công suất lớn và trung bình, cụ thể trên thực tế thờng dùng đốivới động cơ điện trong cần trục

Phơng pháp điều chỉnh tốc độ quay bằng cách thay đổi điện áp phần ứngcũng chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay dới tốc độ định mức vì không thể nângcao điện áp lớn hơn điện áp định mức của động cơ điện Ưu điểm của phơngpháp này là không gây thêm tổn hao trong động cơ điện, có thể thay đổi tốc độ

đợc vô cấp Tuy nhiên, phơng pháp này đòi hỏi phải có nguồn riêng có điện áp

điều chỉnh đợc

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, việc tạo ra các loạinguồn điện một chiều có thể điều khiển đợc không còn là một vấn đề phức tạp.Các nguồn điện một chiều nh chỉnh lu, băm áp … vì vậy việc điều khiển động cơ điện một chiều là một ngày càng trở nên thông dụng.Việc ứng dụng các bộ nguồn này vào lĩnh vực điều khiển động cơ điện một chiều

là rất hợp lý và thuận tiện Ưu điểm của các bộ nguồn này là có độ tác động

Trang 15

nhanh, kích thớc gọn nhẹ, công suất lắp đặt nhỏ, giá thành hợp lý Do những u

điểm nổi bật trên và sự phù hợp với yêu cầu đầu bài đã cho nên phơng pháp điềuchỉnh tốc độ đợc dùng ở đây là phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng đặt vào

động cơ

Trang 16

CHƯƠNG 2 lựa chọn thiết kế mạch động lực 2.1 Chọn sơ đồ mạch động lực

2.1.1 Điều chỉnh tốc độ truyền động điện

Điều chỉnh tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động

điện tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của các máy sản xuất Điều chỉnhtốc độ truyền động điện là dùng các phơng pháp thuần tuý điện, tác động lên bảnthân hệ thống truyền động điện (nguồn và động cơ điện ) để thay đổi tốc độ quaycủa trục động cơ điện

Tốc độ làm việc của truyền động điện do công nghệ yêu cầu và đợc gọi làtốc độ đặt, hay tốc độ mong muốn Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơthờng bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc

độ thực so với tốc độ đặt Trong các hệ truyền động điện tự động thờng dùng cácphơng pháp khác nhau để ổn định tốc độ động cơ

Để đánh giá chất lợng của một hệ thống truyền động điện thờng căn cứvào một số chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cơ bản, các chỉ tiêu này cũng đợc tính đếnkhi thiết kế hoặc chỉnh định các hệ thống truyền động điện

16

Trang 17

 Độ trơn của điều chỉnh tốc độ

Độ trơn của điều chỉnh tốc độ đợc định nghĩa :

Trong đó: i : giá trị tốc độ ổn định đạt đợc ở cấp i

i+1: giá trị tốc độ ổn định đạt đợc ở cấp kế tiếp (i + 1)

Từ chỉ tiêu độ trơn của điều chỉnh tốc độ ta có thể phân loại :

Hệ điều chỉnh vô cấp nếu  = i+1 / i1, tức là hệ truyền động có thểlàm việc ổn định ở mọi giá trị trong suốt dải điều chỉnh

- Hệ điều chỉnh có cấp nếu nó chỉ có thể làm việc ổn định ở một số giá trịcủa

tốc độ trong dải điều chỉnh

 Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và điều chỉnh tải

Với các động cơ điện một chiều và xoay chiều thì chế độ làm việc tối u thờng làchế độ định mức của động cơ Để sử dụng tốt động cơ khi điều chỉnh tốc độ cần

lu ý đến các chỉ tiêu nh: dòng điện động cơ không vợt quá dòng điện định mức,

đảm bảo khả năng quá tải về mômen (trong khoảng thời gian ngắn), đảm bảoyêu cầu về ổn định tĩnh khi có nhiễu… vì vậy việc điều khiển động cơ điện một chiều là mộttrong toàn dải điều chỉnh

Vì vậy khi thiết kế hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ, ngời ta thờngchọn hệ truyền động cũng nh phơng pháp điều chỉnh sao cho đặc tính điều chỉnhcủa hệ bám sát yêu cầu đặc tính của tải Nếu đảm bảo đợc điều kiện này, thì tổnthất trong quá trình điều chỉnh sẽ là nhỏ nhất

Trang 18

 Chỉ tiêu kinh tế và các chỉ tiêu khác

Chỉ tiêu kinh tế có ý nghĩa quan trọng, nhiều khi là chỉ tiêu quyết địnhcho việc chọn các phơng án điều chỉnh Chỉ tiêu kinh tế thể hiện ở vốn đầu t, chiphí vận hành hệ thống và ở hiệu quả do áp dụng phơng pháp điều chỉnh đem lại.Trong chi phí vận hành thì tổn thất năng lợng khi biến đổi và khi điều chỉnh

đóng vai trò quan trọng, ngoài ra hệ số công suất cos của hệ thống cũng gópphần ảnh hởng không nhỏ đến chi phí vận hành

Ngoài các chỉ tiêu chung đã nêu ở trên, trong từng trờng hợp cụ thể còndùng các chỉ tiêu khác nữa để đánh giá hệ truyền động điện, ví dụ độ trơn điềuchỉnh, khả năng tự động hoá hệ thống Việc đánh giá chung hệ truyền động điện

là bài toán tối u đa mục tiêu, tuỳ từng trờng hợp có thể chọn ra các chỉ tiêu u tiên

để quyết định chọn lựa các phơng án điêù chỉnh

2.1.2 Khảo sát hệ truyền động chỉnh lu _ động cơ

 Sơ đồ nguyên lý và phơng pháp điều chỉnh

Bộ biến đổi van điều khiển là một bộ nguồn điện áp một chiều Khi nốivào mạch phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập ta sẽ đợc một hệ thốngvan_động cơ theo sơ đồ sau:

I ư

E Đ

ĐK

U ĐK

H.2.1 Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi van

Bộ biến đổi van -động cơ trực tiếp biến đổi điện áp xoay chiều thành điện

áp một chiều có thể điều chỉnh đợc để cung cấp cho mạch phần ứng động cơ.Một bộ biến đổi van có thể bao gồm: máy biến áp lực, tổ van, kháng lọc, thiết bịbảo vệ và hệ thống diều khiển Trong đó máy biến áp điện lực dùng để biến đổi

điện áp lới cho phù hợp với cấp điện áp của động cơ Ngoài ra còn biến đổi sốpha, tạo điểm trung tính khi cần thiết, hạn chế biên độ của dòng ngắn mạch giảm

Trang 19

tốc độ, tăng dòng trong van và cải thiện dạng sóng dòng điện nhận từ lới Khánglọc có tác dụng lọc thành phần dòng điện xoay chiều, hạn chế vùng dòng điệngián đoạn và hạn chế vùng dòng điện cân bằng với nhữnh hệ chỉnh lu có đảochiều Hệ thống điều khiển có tác dụng tạo ra các xung điều khiển với góc mở 

điều khiển đợc

Tổ van thờng là bộ chỉnh lu tiristo có điều khiển, có suất điện động Ebphụ thuộc vào giá trị của pha xung điều khiển với thời điểm đặt xung áp điềukhiển

đã chọn t ( t = ) lên các van Tuỳ theo yêu cầu mà ta có thể dùng nguồnchỉnh lu thích hợp nh: chỉnh lu một pha, sáu pha, chỉnh lu cầu, chỉnh lu tia Với hệ biến đổi van đông cơ có một số đặc điểm: về u điểm của chỉnh lu

động cơ là: độ tác động nhanh, cao, không gây ồn và dễ tự động Do các van có

hệ số khuếch đại cao nên có thể thiết lập hệ tự động vòng kín để mở rộng dải

điều chỉnh và cải thiện các đặc tính làm việc của hệ

Trang 20

dm

, 0

2 dm

K

cos Ebm

; Rkh

R Rb

) K (

Trang 21

p R

Giới hạn giữa vùng dòng điện gián đoạn và liên tục là đờng elíp nh trên

Hình 2-8 Toạ độ của điểm biên giữa dòng liên tục và dòng gián đoạn B(Iblt , blt ) đợc xác định :

Khi thay đổi góc điều khiển  ta sẽ xác định đợc đờng biên giữa dòng

điện gián đoạn và dòng liên tục Nhận thấy khi tăng các thông số p, L của mạchphần ứng sẽ thu hẹp vùng dòng điện gián đoạn

21

Trang 22

(2 6)

0

K

cos E

Các bộ chỉnh lu điốt không thể làm thay đổi điện áp ra nên ta chỉ xét cácmạch chỉnh lu có điều khiển

Vì ta thiêt kế nguồn cung cấp cho cho động cơ một chiều, tải có yều cầu

về việc hoàn trả về lới nên đòi hỏi chất lợng khá cao về điện áp, hơn nữa ở đâynguồn cấp cho bộ chỉnh lu đợc lấy trực tiếp từ nguồn (3 pha) Do vậy dới đây ta

sẽ bỏ qua các phơng án chỉnh lu 1 pha và 2 pha, chỉ xét các phơng án chỉnh lu từ

3 pha trở lên

2.1.3.2 Chỉnh lu tia ba pha

Khi biến áp có ba pha đấu sao (  ) trên mỗi pha A,B,C ta nối một van

nh hình 2.9a, ba catod đấu chung cho ta điện áp dơng của tải, còn trung tính biến

áp sẽ là điện áp âm Ba pha điện áp A,B,C dịch pha nhau một góc là 1200 theocác đờng cong điện áp pha, chúng ta có điện áp của một pha dơng hơn điện ápcủa hai pha kia trong khoảng thời gian 1/3 chu kỳ ( 1200 ) Từ đó thấy rằng, tạimỗi thời điểm chỉ có điện áp của một pha dơng hơn hai pha kia

Trang 23

Nguyên tắc mở thông và điều khiển các van ở đây là khi anod của vannào dơng hơn van đó mới đợc kích mở Thời điểm hai điện áp của hai pha giaonhau đợc coi là góc thông tự nhiên của các van bán dẫn Các Tiristior chỉ đợc mởthông với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm góc thông tự nhiên (nh vậy trong chỉnh

lu ba pha, góc mở nhỏ nhất  = 00 sẽ dịch pha so với điện áp pha một góc là 300)

23

Trang 24

UAB, đến khoảng t3  t4 các van T1, T2 khoá, còn T3 dẫn lúc này T1 chịu điện

UT1

I1 I2 I3

Ud

t Id

I1 I2 I3

t t

Trang 25

Hình 2.4 Đờng cong điện áp tải khi góc mở   60 0

với a.- tải thuần trở, b.- tải điện cảm.

Khi tải điện cảm (nhất là điện cảm lớn) dòng điện, điện áp tải là các đờngcong liên tục, nhờ năng lợng dự trữ trong cuộn dây đủ lớn để duy trì dòng điệnkhi điện áp đổi dấu, nh đờng cong nét đậm trên hình 2.4b (tơng tự nh vậy là đờngcong Ud trên hình 2.4b) Trên hình 2.4 mô tả một ví dụ so sánh các đờng cong

điện áp tải khi góc mở   600 tải thuần trở hình 2.10a và tải điện cảm hình2.4b

33

Trong đó: U do = 1,17.U 2f điện áp chỉnh lu tia ba pha khi van là điôt.

U 2f - điện áp pha thứ cấp biến áp 2.1.3.3 Chỉnh lu tia sáu pha

Hình 2.5 Chỉnh lu tia sáu pha

a.- Sơ đồ động lực; b.- đờng cong điện áp tải.

T5 B*

T6 C*

t

25

Trang 26

L T6

T4 T2

Sơ đồ chỉnh lu tia ba pha ở trên có chất lợng điện áp tải cha thật tốt lắm.Khi cần chất lợng điện áp tốt hơn chúng ta sử dụng sơ đồ nhiều pha hơn Mộttrong những sơ đồ đó là chỉnh lu tia sáu pha Sơ đồ động lực mô tả trên hình2.5a

Sơ đồ chỉnh lu tia sáu pha đợc cấu tạo bởi sáu van bán dẫn nối tới biến áp

ba pha với sáu cuộn dây thứ cấp, trên mỗi trụ biến áp có hai cuộn giống nhau vàngợc pha Điện áp các pha dịch nhau một góc là 600 nh mô tả trên hình 2.5b.Dạng sóng điện áp tải ở đây là phần dơng hơn của các điện áp pha với đập mạchbậc sáu Với dạng sóng điện áp nh trên, ta thấy chất lợng điện áp một chiều đợccoi là tốt nhất

Theo dạng sóng điện áp ra (phần nét đậm trên giản đồ hình 2.5b) chúng

ta thấy rằng mỗi van bán dẫn dẫn thông trong khoảng 1/6 chu kỳ So với các sơ

đồ khác, thì ở chỉnh lu tia sáu pha dòng điện chạy qua van bán dẫn bé nhất Do

đó sơ đồ chỉnh lu tia sáu pha rất có ý nghĩa khi dòng tải lớn Trong trờng hợp đóchúng ta chỉ cần có van nhỏ có thể chế tạo bộ nguồn với dòng tải lớn

2.1.3.4 Chỉnh lu cầu ba pha

 Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng

Sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng hình 2.6a có thể coi nh haisơ đồ chỉnh lu tia ba pha mắc ngợc chiều nhau, ba Tiristo T1,T3,T5 tạo thànhmột chỉnh lu tia ba pha cho điện áp (+) tạo thành nhóm anod, còn T2,T4,T6 làmột chỉnh lu tia cho ta điện áp âm tạo thành nhóm catod, hai chỉnh lu này ghéplại thành cầu ba pha

Theo hoạt động của chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng, dòng điệnchạy qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời điểm cần

mở Tiristo chúng ta cần cấp hai xung điều khiển đồng thời (một xung ở nhómanod (+), một xung ở nhóm catod (-)) Ví dụ tại thời điểm t1 trên hình 2.6b cần

mở Tiristo T1 của pha A phía anod, chúng ta cấp xung X1, đồng thời tại đóchúng ta cấp thêm xung X4 cho Tiristo T4 của pha B phía catod

Khi chúng ta cấp đúng các xung điều khiển, dòng điện sẽ đợc chạy từpha có điện áp dơng hơn về pha có điện áp âm hơn Ví dụ trong khoảng t1  t2pha A có điện áp dơng hơn, pha B có điện áp âm hơn, với việc mở thông T1, T4dòng điện dợc chạy từ A về B

Trang 27

Trang 28

A B C A

X1

X2 X3

I2 I4

I6 0

Điện áp ngợc các van phải chịu ở chỉnh lu cầu ba pha sẽ bằng 0 khi vandẫn và bằng điện áp dây khi van khoá Ta có thể lấy ví dụ cho van T1 (đờng congcuối cùng của hình 2.12b) trong khoảng t1  t3 van T1 dẫn điện áp bằng 0,

Hình 2.6 Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng

a- sơ đồ động lực, b- giản đồ các đờng cong cơ bản,

c, d - điện áp tải khi góc mở = 60 0 = 60 0

28

Trang 29

trong khoảng t3  t5 van T3 dẫn lúc này T1 chịu điện áp ngợc UBA, đến khoảngt5  t7 van T5 dẫn T1 sẽ chịu điện áp ngợc UCA.

Khi điện áp tải liên tục, nh đờng cong Ud trên hình 2.12b trị số điện áptải đợc tính theo công thức (2-7)

Khi góc mở các Tiristo lớn lên tới góc   600 và thành phần điện cảmcủa tải quá nhỏ, điện áp tải sẽ bị gián đoạn nh các đờng nét đậm trên hình 2.12d(khi góc mở các Tiristo  =900 với tải thuần trở) Trong các trờng hợp này dòng

điện chạy từ pha này về pha kia, là do các van bán dẫn có phân cực thuận theo

điện áp dây đặt lên chúng (các đờng nét mảnh trên giản đồ Ud của các hình vẽ2.12b, c, d), cho tới khi điện áp dây đổi dấu, các van bán dẫn sẽ có phân cực ng -

ợc nên chúng tự khoá

Sự phức tạp của chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng nh đã nói trên làcần phải mở đồng thời hai van theo đúng thứ tự pha, do đó gây không ít khókhăn khi chế tạo vận hành và sửa chữa Để đơn giản hơn ngời ta có thể sử dụng

điều khiển không đối xứng

 Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển không đối xứng

Loại chỉnh lu này đợc cấu tạo từ một nhóm (anod hoặc catod) điều khiển

và một nhóm không điều khiển nh mô tả trên hình 2.13a Trên hình 2.13b mô tảgiản đồ nguyên lý tạo điện áp chỉnh lu (đờng cong trên cùng), sóng điện áp tải

Ud (đờng cong nét đậm thứ hai trên hình 2.13b), khoảng dẫn các van bán dẫnT1,T2,T3,D1,D2,D3 Các Tiristo đợc dẫn thông từ thời điểm có xung mở cho đến

khi mở Tiristo của pha kế tiếp Ví dụ T1 mở thông từ t1 (thời điểm phát xung mởT1) tới t3 (thời điểm phát xung mở T2) Trong trờng hợp điện áp

tải gián đoạn Tiristo đợc dẫn từ thời điểm có xung mở cho đến khi điện áp dây

đổi dấu Các điôt tự động dẫn thông khi điện áp đặt lên chúng thuận chiều Ví dụD1 phân cực thuận trong khoảng t4  t6 và nó sẽ mở cho dòng điện chạy từ pha

B về pha A trong khoảng t4  t5 và từ pha C về pha A trong khoảng t5  t6

D1

D2

D3

T1 T2 T3

T1

T2 T3

D1 D2

D3 0

29

Trang 30

Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển không đối xứng có dòng điện và điện áptải liên tục khi góc mở các van bán dẫn nhỏ hơn 600, khi góc mở tăng lên vàthành phần điện cảm của tải nhỏ, dòng điện và điện áp sẽ gián đoạn

Theo dạng sóng điện áp tải ở trên trị số điện áp trung bình trên tải bằng 0khi góc mở đạt tới 1800 Ngời ta có thể coi điện áp trung bình trên tải là kết quảcủa tổng hai điện áp chỉnh lu tia ba pha

Việc kích mở các van điều khiển trong chỉnh lu cầu ba pha có điều khiển

dễ dàng hơn, nhng các điều hoà bậc cao của tải và của nguồn lớn hơn

So với các loại chỉnh lu thì chỉnh lu cầu ba pha hiện nay là sơ đồ có chất lợng

điện áp tốt nhất, hiệu suất sử dụng biến áp tốt nhất Sau khi phân tích đánh giá vềchỉnh lu, từ các u nhợc điểm của các sơ đồ chỉnh lu, với các tải là động cơ điệnmột chiều có công suất vừa phải nh trên, thì sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha là hợp líhơn cả, bởi lẽ ở công suất này để tránh mất đối xứng biến áp ( không thể thiết kếtheo sơ đồ một pha hoặc tia ba pha vì sẽ mất đối xứng điện áp nguồn ), ngoài ra

do tải yêu cầu hoàn trả năng lợng về lới nên sơ đồ thiết kế ta chọn là sơ đồ cầu 3pha có điều khiển đối xứng

Hình 2.7 Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển không đối xứng

a- sơ đồ động lực, b- giản đồ các đờng cong

30

Trang 32

L= 2.Lba+L+Lk

Rk,Lk là điện trở và điện kháng của máy biến áp qui đổi về thứ cấp :

Rba=R2+R1

2 1

Lba=L2+L1

2 1

dm

I n p

U

2

60

Tính chọn dựa vào các yếu tố cơ bản dòng tải ,điều kiện toả nhiệt ,điện

áp làm việc ,các thông số cơ bản của van đợc tính nh sau :

+)Điện áp ngợc lớn nhất mà Thyristor phải chịu :

Điện áp ngợc của van cần chọn :

Unv = KdtU Un max =1,8 209,33 = 376,794 Lấy bằng 377 (V)

Trong đó : KdtU : hệ số dự trữ điện áp ,

Trang 33

Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ diện tích toả nhiệt ; Không có quạt đối lu không khí ,với điều kiện đó dòng định mức của van cần chọn :

Iđm =Ki Ilv =3,2 45,847 = 147 (A)

(Ki là hệ số dự trữ dòng điện và chọn Ki =3,2)

từ các thông số Unv ,Iđmv ta chọn 6 Thysistor loại 151RC40 có các thông số sau :

Điện áp ngợc cực đại của van : Un = 400 (V)

Dòng điện định mức của van : Iđm =150 (A)

Đỉnh xung dòng điện : Ipik =4000 (A)

Dòng điện của xung điều khiển : Iđk =150 (mA)

Điện áp của xung điều khiển : Uđk =2,5(V)

Dòng điện rò : Ir =8 (mA)

Dòng điện tự giữ :Ih =50 (mA)

Sụt áp lớn nhất của Thyristor ở trạng thái dẫn là : U = 1,7 (V)

Tốc độ biến thiên điện áp :

dt

dU

=200 (V/s)Thời gian chuyển mạch : tcm = 80 (s)

Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép :Tmax=125 oC

2.2.2 Tính toán máy biến áp chỉnh lu

+)Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ đấu dây /Y làm mát bằng không khí tự nhiên

3 Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp

Phơng trình cân bằng điện áp khi có tải :

Udo cos min =Ud +2 Uv +Udn + Uba

Trong đó :

min =100 là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện lới

Uv =1,6 (V) là sụt áp trên Thyristor

Udn 0 là sụt áp trên dây nối

Uba = Ur + Ux là sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến

áp

Chọn sơ bộ :

Trang 34



ba dn

Trong đó :

kQ : hệ số phụ thuộc phơng thức làm mát ,lấy kQ = 6

m : số trụ của máy biến áp

f : tần số xoay chiều , ở đây f = 50 (Hz)Thay số ta đợc :

Q

4

Ta chọn chiều cao trụ là 21 cm

Trang 35

*)Tính toán dây quấn

10 Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp:

W1=

T

Fe B Q f

U

44 , 4

4,44.50.59,4.10 1 =288,1(vòng) Lấy W1= 288 vòng

11 Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp :

12 Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp:

Với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô, chọn J1= J2= 2,75 (A/mm2)

Trang 36

13 Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp:

Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn : S1 = 12,30 (mm2)

Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật ,cách điện cấp B

Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn : S2= 23,6 (mm2)

*)Kết cấu dây dẫn sơ cấp :

Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục

17 Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp:

W11=

1

2



 (vòng)

Trong đó :

kc= 0,95 là hệ số ép chặt

h : là chiều cao trụ

hg : là khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp

Trang 37

n11=6 líp

Nh vËy cã 288 vßng chia thµnh 6 líp chän 6 líp ®Çu vµo cã 48 vßng

20 ChiÒu cao thùc tÕ cña cuén s¬ cÊp :

23 §êng kÝnh trong cña èng c¸ch ®iÖn :

Dt= dFe + 2.a01- 2.S01 =9 + 2.1 - 2.0,1 = 10,8 (cm)

24 §êng kÝnh trong cña cuén s¬ cÊp:

Dt1= Dt + 2.S01=10,8 + 2.0,1= 11 (cm)

26 BÒ dÇy cuén s¬ cÊp:

31 Chän s¬ bé chiÒu cao cuén thø cÊp:

Trang 38

35 Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp:



 r12=

2 12

44 Với đờng kính trụ d= 9 cm ,ta có số bậc là 5 trong nửa tiết diện trụ

Trang 39

45 Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ:

Qbt= 2.( 8,6.1,1 + 7,7.0.85 + 6,3.0,7 + 4,8.0,5 + 2,8 0.3) = 47,31 (cm2)

46 Tiết diện hiệu quả của trụ:

Bậc 2 n2= 8,5

.2 280,5  lá.

Bậc 3 n3= 7

.2 280,5  lá.

Bậc 4 n4= 5

.2 200,5  lá.

Bậc 5 n5= 3

.2 120,5  lá.

*)Để đơn giản trong việc chế tạo gông từ ,ta chọn gông có tiết diện hình chữ

nhật có các kích thớc sau:

Chiều dày của gông bằng chiều dày của trụ : b = dt = 6,9 cm

Chiều cao của gông bằng chiều rộng tập lá thép thứ nhất của trụ : a = 8,5 cm

Tiết diện gông : Qbg= a x b = 58,65 (cm2)

Trang 40

49 Tiết diện hiệu quả của gông:

Qg= khq.Qbg = 0,95 58,65 = 55,72 (cm2)

50 Số lá thép dùng trong một gông:

hg =

5 , 0

b

= 69

1380,5 (lá).

51 Tính chính xác mật độ từ cảm trong trụ:

BT =

T

Q W f

U

44 ,

1,324,44.50.288.45.10  (T)

Tiêu đề	Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay
Tác giả	Ngô Thị Nguyệt Anh
Người hướng dẫn	Thầy Giáo: Nguyễn Vũ Thanh
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điện
Thể loại	Đồ án
Năm xuất bản	2009
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	130
Dung lượng	2,76 MB