Thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc không đối xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu)

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng...9 3.. ĐỀ 26Thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều theo nguyên tắc không đối xứng để điều chỉnh tốc độ độ

MỤC LỤC 1

ĐỀ 26 3

MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG I: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 5

I NGUYÊN LÝ CHUNG 5

II CẤU TẠO CHUNG 6

1 STATO 6

2 Roto 7

III ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 8

1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông θ 9

2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng 9

3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp 10

CHƯƠNG II: CHỌN PHƯƠNG ÁN MẠCH LỰC 12

I LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 12

II CHỌN SƠ ĐỒ MẠCH LỰC 12

III NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH LỰC 15

1 Khâu chỉnh lưu cầu một pha 15

2 Băm xung áp một chiều theo nguyên tắc không đối xứng 16

CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN MẠCH LỰC VÀ MÁY BIẾN ÁP 20

I TÍNH CHỌN MẠCH LỰC 20

II TÍNH CHỌN DIODE CHO MẠCH CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU KHIỂN 22

III TÍNH CHỌN MÁY BIẾN ÁP 23

1.Tính mạch từ 24

2 Tính toán dây quấn_số vòng và kích thước dây 24

3 Tính toán kích thước mạch từ 25

4 Tính toán kích thước cửa sổ 26

5 Kết cấu, dây quấn 26

6 Tính tổng sụt áp trong máy biến áp 27

IV TÍNH TOÁN BỘ LỌC 29

1 Tính toán chung 30

2 Tính toán thiết kế cuộn kháng lọc một chiều 31

CHƯƠNG IV: CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ MẠCH LỰC VÀ CÁC VAN BÁN DẪN 35

I SƠ ĐỒ VÀ TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ BẢO VỆ 35

II XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT CỦA ĐIỆN TRỞ 38

III TÍNH TOÁN APTOMÁT BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN 38

CHƯƠNG V: MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG 39

I XÂY DỰNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN 39

II NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG 39

CHƯƠNG VI: TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 43

I TÍNH TOÁN MÁY BIẾN ÁP XUNG 43

II TÍNH TOÁN CHO MẠCH KHUẾCH ĐẠI XUNG CHÙM 44

III LỰA CHỌN CỔNG LOGIC AND VÀ OR 47

IV TÍNH TOÁN CHO MẠCH TẠO XUNG CHÙM 50

V TÍNH TOÁN CHO KHÂU TẠO TRỄ 53

VI TÍNH TOÁN CHO MÁY PHÁT XUNG 54

VII TÍNH TOÁN MẠCH TẠO XUNG RĂNG CƯA 56

VIII TÍNH TOÁN CHO MẠCH SO SÁNH 58

IX TÍNH TOÁN CHO BỘ TRỪ ĐIỆN ÁP VÀ MẠCH GHIM ĐIỆN ÁP 60

X TÍNH TOÁN CHO BỘ PHẬN TẠO ĐIỆN ÁP ĐIỀU KHIỂN 61

CHƯƠNG VII: MÔ PHỎNG 65

I MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN 65

KẾT LUẬN 71

ĐỀ 26

Thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc

không đối xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều (kích từ nam

châm vĩnh cửu) với số liệu cho trước như sau:

Phương án Điện áp lưới Dòng điện

định mức

Điện áp phần ứng

Phạm vi điều chỉnh tốc độ

MỞ ĐẦU

Trong nền sản suất hiện đại, máy điện một chiều được coi là một loại máy điện quan trọng Nó được dùng làm động cơ điện, máy phát điện hay dùng trong các điều kiện làm việc khác

Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, vì vậy được dùng nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải.

Mặc dù động cơ điện có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp, nhưng luôn đi kèm với nó là những yêu cầu về điện áp, dòng điện Chính vì vậy cần một phương pháp nhằm đáp ứng được những yêu cầu trên

Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu những ứng dụng các linh kiện bán dẫn làm việc ở chế độ chuyển mạch vào quá trình biến đổi điện năng Hiện nay các thiết bị điện tử công suất chiếm hơn 30% trong số các thiết bị của một xí nghiệp hiện đại Nhờ chủ trương mở cửa ngày càng có thêm nhiều xí nghiệp mới, dây truyền sản xuất mới, đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện những kiến thức về điện tử công suất về vi mạch và vi xử lý Xuất phát từ yêu cầu thực tế và tầm quan trọng của bộ môn điện tử công suất các thầy cô trong bộ môn điện tử công suất đã cho chúng em từng bước tiếp xúc với việc thiết kế thông qua đồ án môn học điện tử công suất.

Đối với những sinh viên năm thứ 3, đây là lần đàu tiên tiếp xúc với thực tế Chính vì vậy, trong quá trình thực hiện đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót nên em rất mong sự góp ý của thầy cô và các bạn để đồ án được tốt hơn.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Tự động hoá xí nghiệp công nghiệp và đăc biệt là thầy giáo ts.Võ Minh Chính tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án này.

CHƯƠNG I: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Trong nền sản xuất hiện nay, động cơ điện Không Đồng Bộ đang chiếm ưu thế

so với động cơ điện một chiều Đó là do sự ra đời của các máy biến tần, tuy vậy việcđiều chỉnh tốc độ động cơ điện Không Đồng Bộ vẫn còn là việc khó khăn Do vậy,động cơ điện một chiều với đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt vẫn còn được dùng nhiềutrong trong các ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ

Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu về động cơ điện một chiều dưới các góc độ:

 Nguyên lý hoạt động chung.

 Cấu tạo chung.

 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ.

 Các chế độ khởi động của động cơ điện một chiều.

I NGUYÊN LÝ CHUNG

Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên nguyên lý của hiện tượng cảm ứngđiện từ

Như ta đã biết thanh dẫn có dòng điện đặt trong từ trường sẽ chịu tác dụng lực

từ Vì vậy khi cho dòng điện một chiều đi vào chổi than A và đi ra ở chổi than B thìcác thanh dẫn sẽ chịu tác dụng của lực từ Bên cạnh đó do dòng điện chỉ đi vào thanhdẫn nằm dưới cực N và đi ra ở các thanh dẫn chỉ nằm trên cực S nên dưới tác dụng của

từ trường lên các thanh dẫn sẽ sinh ra mô men có chiều không đổi và làm cho roto củamáy quay

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng vàmạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi

là động cơ kích từ độc lập

I

Để tiến hành mở máy, đặt mạch kích từ vào nguồn U kt, dây cuốn kích từ sinh ra

từ thông Φ Trong tất cả các trường hợp, khi mở máy bao giờ cũng phải đảm bảo có

Φ max tức là phải giảm điện trở của mạch kích từ R kt đến nhỏ nhất có thể Cũng cần đảm

bảo không xảy ra đứt mạch kích thích vì khi đó Φ = 0, M = 0, động cơ sẽ không quay được, do đó E ư = 0 và theo biểu thức U = E ư + R ư I ư thì dòng điện I ư sẽ rất lớn làm

cháy động cơ Nếu mômen do động cơ điện sinh ra lớn hơn mômen cản (M > M c) rôto

bắt đầu quay và suất điện động E ư sẽ tăng lên tỉ lệ với tốc độ quay n Do sự xuất hiện

và tăng lên của E ư , dòng điện I ư sẽ giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm hơn

II CẤU TẠO CHUNG.

Động cơ điện một chiều bao gồm hai phần chính là:

 Phần tĩnh: Stato.

 Phần quay: Roto.

Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đềuđược bọc cách điện thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt lên trên các cực

từ Các cuộn dây này được nối nối tiếp với nhau

b Cực từ phụ.

Cực từ phụ được đặt giữa các cực tù chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõithép của cực tù phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn

mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ nhờ cácbulông

c Gông từ.

Gông từ được dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ , đồng thời làm vỏ máy

2 Roto.

Roto của động cơ điện một chiều bao gồm các bộ phận sau: lõi sắt phần ứng,dây quấn phần ứng, cổ góp và các bộ phận khác

a Lõi sắt phần ứng.

Dùng để dẫn từ Thường làm bằng những tấm thép KTĐ (thép hợp kim silix)dày 0.5 mm bôi cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điệnxoáy gây nên

b Dây quấn phần ứng.

Là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứngthường làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ (công suất dưới vàikilowatt) thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa và lớn thường dùngdây tiết diện chữ nhật Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép

Để tránh khi bị văng ra do sức li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặthoặc phải đai chặt dây quấn Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay ba-ke-lit

c Cổ góp.

Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điệnxoay chiều thành một chiều Cổ góp có nhiều phiến đồng có đuôi nhạn cách điện vớinhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một trụ tròn Hai đầu trụ tròndùng hai vành ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành góp có cao hơn một ít để hàn cácđầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng

d Các bộ phận khác.

 Cánh quạt: dùng dể quạt gió làm nguội động cơ Động cơ điện một chiềuthường được chế tạo theo kiểu bảo vệ Ở hai đầu nắp động cơ có lỗ thông gió

Cánh quạt lắp trên trục động cơ Khi động cơ quay, cánh quạt hút gió từ ngoàivào động cơ Gió đi qua vành góp, cực từ, lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió

ra ngoài làm nguội động cơ

 Trục máy: trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục động cơthường được làm bằng thép cácbon tốt

III ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU.

Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình sau:

n n C

R R I U

.

0

e f u u e

C R R I n C U n

).

(  M e

f u

M R R C

U

n  

Từ hai phương trình trên ta thấy n (tốc độ của động cơ) phụ thuộc vào θ (từ thông), R (điện trở phần ứng), U (điện áp phần ứng) Vì vậy để điều chỉnh tốc độ của

động cơ điện một chiều ta có ba phương án

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông θ

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi bằng cách thay đổi điện trở phụ R f trên mạch phần ứng.

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.

1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông θ

Đồ thị hình trên cho thấy đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều ứng

n

0đm

Mđm(Iđm)

với các giá trị khác nhau của từ thông Khi từ thông giảm thì n0 tăng nhưng ∆n còntăng nhanh hơn do đó ta mới thấy độ dốc của các đường đặc tính cơ này khác nhau.Chúng sẽ cùng hôi tụ về điểm trên trục hoành ứng với dòng điện rất lớn: Iư = (U/Rư).Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ định mức Giới hạn trong việcđiều chỉnh tốc độ quay bằng phương pháp này là 1:2; 1:5; 1:8.

Tuy nhiên có nhược điểm khi sử dụng phương pháp là phải dùng các biện phápkhống chế đặc biệt do đó cấu tạo và công nghệ chế tạo phức tạp, khiến giá thành máytăng

M R R

Do Rf càng lớn đặc tính cơ càng mềm nên tốc độ sẽ thay đổi nhiều khi tải thayđổi (từ đồ thị cho thấy, khi I biến thiên thì ứng với cùng dải biến thiên của I đường đặctính cơ nào mềm hơn tốc độ sẽ thay đổi nhiều hơn)

Tuy nhiên phương pháp này làm tăng công suất và giảm hiệu suất

3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.

Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ cả trên và dưới định mức Tuynhiên do cách điện của thiết bị thường chỉ tính toán cho điện áp định mức nên thườnggiảm điện áp U Khi U giảm thì n0 giảm nhưng ∆n là const nên tốc độ n giảm Vì vậythường chỉ điều chỉnh tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức Còn nếu lớn hơn thì chỉ điềuchỉnh trong phạm vi rất nhỏ

Đặc điểm quan trọng của phương pháp là khi điều chỉnh tốc độ thì mô menkhông đổi vì từ thông và dòng điện phần ứng đều không thay đổi (M = CM θ Iư)

Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ trong giới hạn 1:10, thậm chí cao hơnnữa có thể đến 1:25

Phương pháp chỉ dùng cho động cơ điện một chiều kích thích độc lập hoặc songsong làm việc ở chế độ kích từ độc lập

CHƯƠNG II: CHỌN PHƯƠNG ÁN MẠCH LỰC

I LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ.

Theo đề bài thì động cơ làm việc với kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên từthông của nó không thay đổi và do đó ta không thể điều chỉnh tốc độ bằng cách thayđổi từ thông được

Cũng từ đề bài, điện áp phần ứng là U = 24(V), dòng điện phần ứng là Iư = 45(A) nên công suất của động cơ chỉ là 1080 (W) Công suất này nhỏ do đó ta khôngdùng phương pháp thêm điện trở phụ vào vì như vậy sẽ khiến hiệu suất kém đi

Với phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng ta thấyngay các ưu điểm của nó so với hai phương pháp trên là:

 Hiệu suất điều chỉnh cao (phương trình điều khiển là tuyến tính, triệt để) hơn, tổn hao công suất điêù khiển nhỏ.

 Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mômen ngắn mạch giảm, dòng ngắn mạch giảm Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động động cơ.

 Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điều chỉnh xác định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục

Tuy vậy phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏi phải cónguồn áp điều chỉnh được xong nó là không đáng kể so với vai trò và ưu điểm của nó.Vậy nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi

Bên cạnh đó để có giá trị mong muốn của nguồn một chiều thì khi lấy từ lướiđiện xoay chiều vào ta phải dùng thêm máy biến áp

Do công suất của động cơ P = Uư*Iư = 24 * 45 = 1080 (W) < 10 kW nên động

cơ làm việc với công suất ở đây là nhỏ Ta chọn mạch chỉnh lưu cầu một pha (loại 3pha chỉ dùng cho công suất trên 10 kW) Ta không chọn mạch chỉnh lưu 1 pha có điểmtrung tính vì như vậy chất lượng điện áp sẽ thấp và lúc này cấu tạo máy biến áp sẽphức tạp hơn (cuộn dây bên thứ cấp sẽ phức tạp)

Tải mà chúng ta xét ở đây là động cơ điện Với mô hình băm xung thì nóthường được ứng dụng trong các máy nâng hàng do đó yêu cầu về độ ổn định tốc độ là

không cao Ta hoàn toàn có thể chọn độ ổn định tốc độ trong một giới hạn nào đó Ở

đây để tiện cho việc tính toán ta sẽ chọn độ ổn định tốc độ của động cơ là 6.7%

Do chỉnh lưu cầu một pha nên biến áp ta dùng cũng là loại biến áp một pha

Sơ đồ mạch lực của hệ thống ban đầu như sau:

R5 R4

R3 R2

C5 C4

C3 C2

M1 L1

D20 D19

Sơ đồ khối của hệ thống như sau:

III NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH LỰC.

1 Khâu chỉnh lưu cầu một pha.

Trong khoảng thời gian từ 0 - ∏ van D1 và D4 dẫn, điện áp trên tải UAB bằngđiện áp U2 ở nửa chu kỳ đầu Dòng điện có chiều từ A sang B

Trong nửa chu kỳ tiếp theo, từ ∏ - 2∏ van D2 và D3 dẫn, điện áp trên tải UAB

bằng –U2 Dòng điện vẫn theo chiều thừ A sang B

Trong cả hai nửa chu kì của điện áp dòng điện đều có chiều không đổi từ Asang B, điện áp đầu ra AB luôn ở phần dương Do đó có thể thấy dòng xoay chiều đãđược chỉnh lưu thành dòng một chiều

Nếu tải thuần trở thì dạng dòng điện trên tải giống hệt dạng điện áp trên tải

5 H

V1 -110/110V

R1

A

U2

Còn nếu tải cảm thì dòng điện sẽ bị san phẳng.

2 Băm xung áp một chiều theo nguyên tắc không đối xứng.

Q1 Q4

D3 D2

Q3 Q2

+

t

t t

Trong mạch băm xung áp một chiều này ta sử dụng các van điều khiển hoàntoàn IGBT và các bóng bán dẫn Diode Sơ đồ bố trí các van như hình vẽ.

Ở đây ta coi như xung điều khiển dương thì bóng sẽ dẫn, xung điều khiển âmthì bóng sẽ bị khóa Giả sử lúc đầu ta đưa xung điều khiển vào cực G của các bóngIGBT như trên đồ thị Tức là:

 Từ 0-t 1 : van Q1 dẫn, van Q4 khóa

 Từ t 1 -T S : van Q1 khóa , van Q4 dẫn.

 Van Q2 luôn dẫn.

 Van Q3 luôn khóa

Xét quá trình hoạt động của mạch băm xung áp:

Trong khoảng thời gian từ t0-t1: van Q1, Q2 dẫn và van Q4, Q3 khóa Dòng điện

đi qua Q1, Q2 và có chiều từ A  B

Trong khoảng thời gian từ t1-t2: van Q1, Q3 khóa và van Q4, Q2 dẫn Tuy nhiêndòng diện tải không đảo chiều vì lúc này năng lượng trong điện cảm L1 sẽ sinh ra đểduy trì dòng điện chạy theo chiều từ A  B Dòng điện khép mạch qua van Q2 vàDiode D4

Trong khoảng thời gian từ t2-TS: tại thời điểm t2 năng lượng trong cuộn dây kếtthúc, lúc này chỉ còn năng lượng là sức điện động của phần ứng của động cơ Dòngđiện đảo chiều (chiều từ B  A) do sức điện động trong phần ứng của động cơ Cuộncảm lại tiếp tục tích lũy năng lượng theo chiều ngược với chiều ban đầu

Trong khoảng thời gian từ TS-t3: Van Q1, Q2 dẫn và van Q3, Q4 khóa.Tuynhiên dòng điện vẫn duy trì theo chiều như cũ (B  A) do năng lượng trong điện cảm

có tác dụng duy trì chiều dòng điện Ta thấy lúc này tổng sức điện động cảm ứng trênđiện cảm và sức điện động trong phần ứng của động cơ lớn hơn E Nên dòng điện sẽkhép mạch qua diode D1, qua nguồn E và diode D2

Ta nhận thấy trong khoảng thời gian từ t1 tới TS dòng điện qua tải đảo chiều, tuy

nhiên do quán tính cơ rất lớn so với quán tính điện nên động cơ không bị đảo chiều.

Từ đồ thị ta cũng nhận thấy điện áp trên tải trong khoảng thời gian này là bằng không,bởi vì trong khoảng thời gian này thì Q4 và Q2 dẫn nên 2 đầu A và B luôn nối mát, do

đó điện áp UAB = 0 Đây là điểm khác biệt giữa phương pháp điều khiển không đốixứng và đối xứng Nó cho ta thấy khi điều khiển không đối xứng thì điện áp ra đốixứng hơn khi điều khiển đối xứng vì nó không có phần âm Do đó phương pháp điềukhiển này tốt hơn

Từ đồ thị ta có dòng điện qua các van tương ứng với các khoảng thời gian đãnêu ở trên là:

2 , 4

0 1

2 1

, 2

0 0

1 2

, 1

0 0

2 , 1

I T

t T

I

I T

t t

I

I T

t t

I

I T

t I

S S D

Q

S D

Q

S Q

Q

S D

D

Điện áp ngược đặt lên các van là: Ung = E

CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN MẠCH LỰC VÀ MÁY BIẾN ÁP.

I TÍNH CHỌN MẠCH LỰC.

Để tính chọn được các diode và các bóng IGBT ta cần dựa vào hai tiêu chí đó làdòng điện và điện áp Vì vậy trước tiên ta cần xác định dòng điện trung bình chạy quacác van trong một chu kì xét, và điện áp ngược lớn nhất đặt lên các van đó

Xét dòng điện tính toán cho các van:

Từ nguyên tắc hoạt động của mạch băm xung áp đã trình bày ở trên ta có dòngtrung bình qua các van lần lượt là:

1 2

, 4

0 0

1 2

1 , 2

0 0

0 1

2 ,

1

0 0

0 2

,

1

I I

T

t T

I

I I

T

t t

I

I I

T

t t

I

I I

T t I

S S D

Q

S D

Q

S Q

Q

S D

D

Từ các biểu thức dòng điện trung bình qua các van ta thấy giá trị dòng trungbình qua các van đều nhỏ hơn hoặc bằng I0 Vậy để tính chọn van ta lấy luôn giá trị I0

làm giá trị dòng điện tính toán cho các van

Động cơ làm việc với công suất 1080 (W), đây là công suất nhỏ do đó ta lựachọn chế độ làm mát cưỡng bức cấp một (dùng quạt gió) nên hệ số làm mát là Ki = 2

Vậy dòng điện tính toán dùng để chọn van là:

Ilv = Ki *0 I0 = 2 * 45 = 90 (A)

Xét điện áp tính toán cho các van:

Theo yêu cầu của đề bài điện áp phần ứng Uứ = 24 (V)  về sơ bộ (chưa tínhsụt áp trên các van) thì nguồn một chiều có E = 24(V) Vậy điện áp đặt lên các van là:

) (

90

V U

A I

nv

lv

Ta tiến hành lựa chọn cụ thể như sau:

Ký hiệu Imax Un(V) Ipik(A) ∆U(V) Ith(A) Ir(mA) Tcp(0C)

Với:

 I max : Dòng điện chỉnh lưu cực đại.

 U n : Điện áp ngược đặt lên diode.

 I pik : Đỉnh xung dòng điện.

 ∆U: Tổn hao điện áp ở trạng thái mở của diode.

 I th : Dòng điện thử cực đại.

 I r : Dòng điện rò ở 25 0 C.

 T cp : Nhiệt độ làm việc cho phép.

b Chọn van điều khiển

Với đặc tính làm việc của mạch băm xung áp, các van điều khiển cần có khả năng điều khiểnhoàn toàn (tức là điều khiển được cả quá trình đóng và mở bằng tín hiệu xung điều khiển) Tachọn van ở đây là các bóng IGBT với thông số như sau:

Ký hiệu I cmax (A) U Ce

bão hòa(V)

P cmax U Cemax (V) U Gemax U Cemax (th) I GE (mA) t off (μs)s)

Một số thông số khác:

 Điện áp cực đại khi đưa vào cực điều khiển là U GE = ±20 (V)

 Dòng điện đưa vào cực điều khiển I G = 1 (mA).

 Điện áp rơi thuận trên IGBT sau khi thông là 1.49 (V).

 Các thông số thời gian:

t on 0.3 0.7 μs)s

II TÍNH CHỌN DIODE CHO MẠCH CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU KHIỂN.

Ta chọn mạch chỉnh lưu không điều khiển cầu một pha Với các van đã chọntrong mạch băm xung áp ta thấy điện áp sụt trên các van U v  2  1 45  2 9 (V)(sut

ap khi dong qua 2 IGBT) Vậy để điện áp phần ứng của động cơ là 24 (V) thì điện ápsau chỉnh lưu là:

Ud = 24+ 2.9 = 26.9(V)Vậy

) ( 9 26

A I

V U

d d

Dòng trung bình qua các diode là:

ID = Id / 2 = 22.5 (A)

Chọn chế độ làm mát như trong mạch băm xung áp ta có:

Ilv = 2 * 22.5 = 45 (A)(Ở đây ta không cần xét đến chế độ khởi động của động cơ vì ta chỉ quan tâmđến việc điều chỉnh tốc độ của động cơ)

 Xét điện áp tính toán cho van:

Ta có:

) ( 30 2 2 9 26

2 2

2 2

2

2 2

V U

U U

V U

A I

nv lv

Ta chọn chế độ làm mát cưỡng bức cấp một có quạt gió

Chọn 4 diode công suất

Ký hiệu I max (A) U n (V) I pik (A) ∆U (V) I n (mA) T cp ( 0 C) I th (A)

III TÍNH CHỌN MÁY BIẾN ÁP.

Trong phần này ta sẽ thực hiện tính toán các thông số sau cho máy biến áp:

 Tính toán kích thước mạch từ.

 Tính toán dây quấn, số vòng và kích thước dây.

 Tính toán kích thước mạch từ.

 Tính chọn kích thước cửa sổ.

 Tính chọn kết cấu dây quấn.

 Tính tổng sụt áp bên trong biến áp.

Để có thể tính chọn được máy biến áp trước tiên ta cần các đại lượng

a) Điện áp chỉnh lưu không tải : Udo = Ud + ∆Uv + ∆Uba + ∆Udn

Ở đó:

 U d : Điện áp chỉnh lưu.

 ∆U v = 2* 1= 2 (V) vì mỗi lần dòng điện đều đi qua 2 diode của mạch chỉnh lưu.

 ∆U ba = ∆U r + ∆U 1 = 2.7 (V) (chọn bằng 10% U d )

 U dn : sụt áp trên dây coi bằng 0.

6 31 0 7 2 2 9 26

c) Công suất máy biến áp nguồn cấp

Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển nên:

kS=1.23

Sba = kS * Pdmax = 1.23 * 1422 = 1749 (W).

1.Tính mạch từ.

Tiết diện trụ QFe của lõi máy biến áp là:

f m

S k

Q Fe

.

2 Tính toán dây quấn_số vòng và kích thước dây.

Điện áp cuộn dây thứ cấp:

) ( 35 9

0

6 31

Điện áp cuộn dây sơ cấp

Điện áp này bằng điện áp nguồn cấp Do biến áp một pha nên điện áp sơ cấp là điện áppha

) ( 5 63 3

1422 57

1

1 1

max 1 1

1

U

P k U

S

5 63

1422 57 1

21 2

max 2 2

2

U

P k U

35 1

) (

5 63 1

2 2 1 1

vong U

W

vong U

Với I: cường độ dòng qua các dây

J là mật độ dòng điện trong các dây Chọn J= 25 (A/mm2)

Ta có SCu1 = SCu2 = 14 ( )

5 2

Vậy ta chọn dây đồng có các thông số:

Đường kính thực của lõi : d = 4.1 (mm)

Tiết diện lõi đồng : S Cu = 13.2 (mm 2 )

) 2 13 35 2 13 5 63 ( 5 2 )

(

2 2

2 2 1 1 2

1

cm mm

Q

S W S

W k Q Q Q cs

Cu Cu

lđ cs cs cs

5 0 5 2

cs

Q h

) ( 4 15 2 2

) ( 1 5 ) ( 1 5 ) ( 8 12 ) ( 6 2

1 / 5 0 / 5 2 /

cm a h H

cm a c C

cm b cm a cm h cm c

a b a c a h

5 Kết cấu, dây quấn.

Dây quấn được bố trí theo chiều dọc trụ với mỗi cuộn dây được quấn thànhnhiều lớp dây, mỗi lớp dây quấn liên tục các vòng dây sát nhau Các lớp dây cách điệnbằng các bìa cách điện

Số vòng dây trên mỗi lớp:

) ( 27 10

43 4

10 43 4 2 8 12

1

1

vong d

h h W

hg: là khoảng cách cách điện với gông, chọn hg = 2 * dn

dn: đường kính dây quấn kể cả cách điện

h: chiều cao cửa sổ

Số lớp dây trong mỗi cửa sổ

) ( 4 2 27 5 63

2 2

1 1

lop W

W S

lop W

W S

vd ld

vd ld

Goi cdt là bề dày bìa cách điện trong cùng, còn cdn là bề dày cách điện ngoàicùng, ta chọn là 0.3 (mm)

b

H

h

a cC

Bề dày mỗi cuộn dây:

Bdi = d * Sid + cd * Sid Ta chọn cd = 0.1(mm) vì biến áp công suất nhỏ

Bd = 1.61(cm) < c = 3.15 (cm)

∆c = c – Bd = 3.15 – 1.61 = 1.89 thuộc vào khoảng [0.5 ÷ 2] (cm).Như vậy tính toán là hoàn toàn hợp lí

6 Tính tổng sụt áp trong máy biến áp.

Điện áp rơi trên điện trở:



) ( 9 0 45 ) ) 5 63

35 ( 021 0 014 0 (

) ( 014 0 10 2 14

10 1078 10

0172 0

) ( 021 0 10 2 13

10 1575 10

0172 0

) ( 25 ].

) (

[

2

4

1 3

2

2 2

4

1 3

1

1 1

2 1

2 1 2

V U

S

l R

S

l R

A I

I W

W R R U

r Cu Cu

d d r

I X m

U 



3 )[

R W X

Chọn cd = 0.3 (mm) vì biến áp có dòng tương đối nhỏ

 Xn = 0.0004(Ω) )  L = (Xn/ω) = (X) = (Xn/2πf) = 1.3 * 10f) = 1.3 * 10-6(H)

Điện áp ngắn mạch % của máy biến áp:

35

02 0 45 100

U

Z I

Dòng điện ngắn mạch máy biến áp:

02 0

35 35

A

Z nm  

Lưu ý: Các tính toán đã thể hiện ở trên chỉ mang tính lý thuyết, nó không

có ý nghĩa thực tế một cách hoàn toàn

Vậy các thông số của máy biến áp được tính như sau:

 Điện áp sơ cấp: U 1 = U N = 63.5 (V).

 Điện áp thứ cấp: U 2 = 35 (V).

 Số vòng dây bên sơ cấp: 64 (vòng).

 Số vòng dây bên thứ cấp: 35 (vòng).

 Dây đồng tròn có đường kính d = 4.1 (mm); d n = 4.43 (mm).

 Cửa sổ có chiều cao h = 12.8 (cm) và chiều rộng c = 2.6 (cm).

 Bề dày máy biến áp: b = 5.1 (cm).

 Khoảng cách giữa các cửa sổ: a = 5.1 (cm).

IV TÍNH TOÁN BỘ LỌC

Sự đập mạch của điện áp chỉnh lưu sẽ làm cho dòng điện tải cũng đập mạch theo, làm xấu đi chất lượng dòng điện một chiều, nếu tải là động cơ điện một chiều sẽ làm xấu quá trình chuyển mạch cổ góp của động cơ, làm tăng phát nóng của tải do các thành phần sóng hài.

Yêu cầu về hệ số đập mạch cho ta biết có cần bộ lọc một chiều hay không Khi

so sánh hệ số đập mạch cần có với hệ số đập mạch của bộ chỉnh lưu ta nhận thấy: Bộ chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển dùng các diode có hệ số đập mạch theo tính toán là 0.67

Nhưng theo lựa chọn đã đưa ra trong phần "Chọn sơ đồ mạch lực" thì tốc độ của động cơ chỉ được phép thay đổi 6.7% Hay nói cách khác hệ số đập mạch của điện áp đầu vào băm xung chỉ là 0.067 Do đó hệ số đập mạch sau sơ đồ chỉnh lưu chưa thoả mãn yêu cầu đặt ra với điện áp cung cấp cho động cơ Vậy chúng ta nhất thiết cần có bộ lọc một chiều Trong trường hơp này ta dùng bộ lọc LC (lọc cả dòng lẫn áp) như sau:

1 Tính toán chung.

Mục đích của việc tính toán bộ lọc là xác định các trị số cần thiết của điện cảm lọc và tụ điện lọc sao cho thoả mãn hệ số đập mạch mong muốn đồng thời hiệu chỉnh để có kích thước của bộ lọc vừa phải Trong thực tế tụ điện được chế tạo với các trị số qui chuẩn và chỉ cần chọn trị số phù hợp, còn điện cảm lọc phải tự thiết kế vì không có chế tạo chuẩn.

) ( 6 0 45

9 26

I

U R

Trị số điện cảm L thường được chọn theo biểu thức sau:

L>Lmin = 1 3 * 10 ( ) 1 3 ( )

) 1 (

2 1

mH H

m f m

R

dm dm

) ( 5

F C

mH L



2 Tính toán thiết kế cuộn kháng lọc một chiều.

Cuộn kháng một chiều có một số đặc điểm sau:

 Dòng qua cuộn kháng một chiều có hai thành phần: một chiều và xoay chiều Thường thì thành phần một chiều có giá trị lớn nên làm điểm làm việc của lõi thép bị đẩy lên gần vùng bão hoà Còn thành phần xoay chiều có giá trị nhỏ hơn nhiều do đó cường độ dòng điện từ nhỏ nên tổn thất trong thép không lớn.

 Để giữ trị số L ổn địnhkhi dòng tải thay đổi, cần tránh lõi thép bị bão hoà, vì vậy lõi thép phải có khe hở không khí(miếng đệm không khí nhiễm từ).

 Tần số thành phần xoay chiều (bậc cơ bản) của dòng điện tải thường không phải là 50(Hz) mà là bội của tần số lưới (100, 150, …)

 Loại thép kĩ thuật hay được dùng là loại thép cán nguội Kết cấu thường có dạng chữ E hay chữ O Ở đây ta chọn kết cấu chữ E Các kích thước của nó có mối quan hệ như sau:

Như đã nói ở trên các cuộn kháng không được chế tạo thành các qui chuẩn như

tụ điện Do đó ta cần tính toán thiết kế riêng cho cuộn kháng lọc này Các thông số cầnbiết để thực hiện tính toán là:

 Giá trị điện cảm lọc L = 5(mH)

 Dòng điện một chiều trung bình qua cuộn cảm, thường chính là dòng điện tảiđịnh mức Id = 45(A)

 Sụt áp một chiều tối đa cho phép trên cuộn kháng lọc U 2(V).

 Sụt áp xoay chiều tối đa cho phép trên cuộn kháng U=6(V).

 Tần số đập mạch của sóng hài cơ bản bậc một f 1 = 100(hz).

 Nhiệt độ môi trường nơi đặt cuộn kháng: T mt = 40( o C).

 Chênh lệch nhiệt độ tối đa cho phép giữa cuộn dây điện cảm và môi trường

) ( 3 5 6 6

* 0

) ( 9 7 6 6 2 1 )

3 2 (

) 8 0 6 0 ( ) 5 1 1 (

cm h

cm c

cm b

chon a

h

a c

a b

Tiết diện lõi thép: Sth = a.b = 52(cm2)

Độ dài trung bình dây quấn: ldq = 2(a+b) +  c= 45.6(cm)

Thể tích lõi thép: Vth = 2ab(a+h+c) = 3306(cm3)

2 Tính điện trở dây quấn ở nhiệt độ 20o C đảm bảo sụt áp cho phép

)205040(10

*26.41

452)

20(

10

*26.4

T I U

mt d

3 Số vòng dây của cuộn cảm

w = 414 20. 114 (vong)

l

S r dq

45

* 114

* 100

100

m A l

I w

* 114

* 44 4

10 6

*

*

* 44 4

10

T S

f w

U

th dm

* 100

52

* 114

* 8 67

100

2 2

mH l

S w

105

* 6 45 072

20

mm r

53

5

) /

(

0 0 08 11

0 /

) /

(

18 9

) (

24

21

) (

2 5

2

mm d

m m

R

m g

m

mm S

cm d

n Cu Cu

9 Xác định khe hở tối ưu

lkk = 1.6*10-3.w.Id = 1.6*10-3.114.45=8.2(mm)

 miếng đệm có độ dầy: lđệm = 0.5 * lkk = 4.1(mm)

10 Tính toán kích thước cuộn dây.

+) Chọn lõi cuộn dây có độ dầy 5(mm)  độ cao sử dụng để cuốn dây là:

12 Kiểm tra chênh lệch nhiệt độ

+) Tổn thất đồng trong dây quấn:

)2040(10

*26.41

45

*2

*02.1)

20(

10

*26.41

*

*02.1

3

T

I U

SCu = 2.hsd.(a+b+ cd)  1 4 * cd(  cd  2a)  882 (cm2 ))+)Hệ số phát nhiệt  :



( 10

* 46 0 8 18

5 10

* 03 1

5

2 0 3 6

6

cm C

Cu

3 310 330 10

* 46 0

Với giá trị tính toán thế này thì ta sẽ sử dụng biện pháp làm mát cưỡng bức cho

bộ lọc để nhiệt độ làm việc của nó nằm trong giới hạn cho phép

CHƯƠNG IV: CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ MẠCH LỰC VÀ CÁC VAN BÁN DẪN

I SƠ ĐỒ VÀ TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ BẢO VỆ

Do các phần tử kém khả năng chịu đựng các biến động mạnh về điện áp và dòng điện chính là các van bán dẫn nên việc bảo vệ mạch lực chủ yếu là bảo vệ các van bán dẫn khỏi hai trạng thái: quá dòng và quá áp.

Do trong mạch lực trước bộ phận chỉnh lưu ta đã có máy biến áp lực nên lượng điện cảm trong máy biến áp này đã có tác dụng như một điện cảm bảo vệ và ngăn chặn sự tăng dòng quá nhanh trong các van bán dẫn Vì vậy vấn đề quá dòng không cần xét đến nữa.

Trên thực tế quá áp gây hỏng van có hai dạng đó là: quá áp về biên độ vượt trị số cho phép của van và quá tốc độ tăng áp thuận đặt lên van Vậy để bảo vệ các van bán dẫn thì ta sử dụng mạch lực như sau:

Q1 Q4

D22 D21

Q3 Q2