Tài liệu Đồ án môn học “Thiết bị điều khiển , chương 2 doc

tính toán các thông số của mạch lực: A... Kết cấu dây quấn: Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm theo chiều dọc trụ, mỗi cuộn dây đ-ợc quấn thành nhiều lớp dây.. Mỗi lớp dây đ-ợc quấn liên t

Phần II Tính toán mạch động lực

I chọn sơ đồ mạch động lực:

Vì nguồn cấp một pha nên chọn sơ đồ thiết kế là cầu một pha không điều khiển

1

B

A 4

D

2 3

D

D

D C Hình 4 Sơ đồ động lực cầu một pha không điều khiển

4

D

D1

D3

D2

A

B

Tr

D

Hình 5.Sơ đồ động lực cầu một pha không điều khiển với băm xung một

chiều bằng Tranzitor

II tính toán các thông số của mạch lực:

A Các thông số cơ bản còn lại của động cơ:

+ Dòng điện phần ứng động cơ:

I-đm=

U η

P

dm dm

dm =

0,85.100

1500

= 17,6(A)

+ Điện trở mạch phần ứng động cơ đ-ợc tính gần đúng:

R-=0,5(1-đm)

I

U

udm

udm=0,5(1- 0,85)

17,6

100 = 0,42() + Điện cảm mạch phần ứng động cơ:

L-= 

I n 2pπ

60 U

dm dm

dm = 0,25

980 6 , 17 2 2

60 100

 = 0,007(H) =7(mH)

Trong đó:  = 0,25- là hệ số lấy cho động cơ có cuộn bù

p =2- là số đôi cực của động cơ

B Tính chọn Diod:

+ Điện áp ng-ợc lớn nhất mà Diod phải chịu:

Unmax=Knv.U2=KnV

K

U

u

d=

9 , 0

100

2 = 157,13(V)

Trong đó: Knv= 2

Ku=

π

2 2

= 0,9

+ Điện áp ng-ợc của Diod cần chọn:

Unv=Kdtu.Unmax=2.157,13 =314,26 (V) Trong đó: Kdtu>1,6, chọn Kdtu=2 + Dòng làm việc của van đ-ợc tính theo dòng hiệu dụng:

Ilv=Ihd =Khd.Id =

2

1

.17,6 = 12,4(A)

Trong đó: Khd=

2 1

+ Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt và đầy đủ diện tích toả nhiệt, không quạt đối l-u không khí, với điều kiện đó dòng định mức cần chọn:

Ilv=25%IđmV IđmV =

25

100 Ilv = 25

100 12,4 = 49,6(A)

Với UnV = 314,26(V) và IđmV = 49,6(A) chọn bốn Diod loại 1N2137R có các thông số:

+ Điện áp ng-ợc cực đại của van: Unmax= 500(V)

+ Dòng điện định mức của van: Iđm= 60(A)

+ Đỉnh xung dòng điện: Ipikmax= 700(A)

+ Sụt áp lớn nhất của Tiritor ở trạng thái dẫn: Umax= 1,4(V)

+ Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép: Tmax =175C

+ Dòng điện thử cực đại: Ith = 60(A)

C Tính toán máy biến áp chỉnh l-u: máy biến áp một pha

1 Điện áp chỉnh l-u không tải:

Udo=Ud +2UV +Udn +UBA= 100 + 2.1,4 + 5 = 107,8(V) Trong đó: Ud = 100(V)- điện áp chỉnh l-u

UV =1,4(V)- sụt áp trên van

Udn0- sụt áp trên dây nối

UBA=(510)%Ud chọn UBA= 5%Ud =

100

5

100 = 5(V)

2 Công suất tối đa của tải:

Pdmax = Udo.Id = 107,8.17,6 = 1897,28(W)

3 Công suất biến áp nguồn cấp:

SBA=S1BA=S2BA =Ks.Pdmax= 1,23.1897,28 = 2333,65(VA)

Trong đó: Ks=1,23- hệ số công suất

4 Tính toán sơ bộ mạch từ:

QFe=KQ

m.fS

BA =5

1.50

2333,65

=34(cm2)

Trong đó: KQ= 5- hệ số phụ thuộc vào ph-ơng thức làm mát

m=1- số pha của máy biến áp

5 Tính toán dây quấn máy biến áp:

 Điện áp cuộn dây sơ cấp: U1 = 220(V)

 Điện áp cuộn dây thứ cấp:

U2 =

9 , 0

8 , 107

K

U u

0  = 120(V)

 Số vòng dây của cuộn sơ cấp:

W1=

34

45.220 Q

45.U B

Q 4,44.f

U 10

Fe

1 T

Fe

4

1  



= 291(vòng)

Chọn loại thép 330,các lá thép có độ dày 0,5mm,BT =1(T)

 Số vòng dây của cuộn thứ cấp:

34

45.120 Q

45.U

Fe

2  = 159(vòng)

 Dòng điện của cuộn sơ cấp:

I1=

220 1

65 , 2333 1

1 

U

S

m

 Dòng điện của cuộn thứ cấp:

I2=

120 1

65 , 2333

S 2

BA

2  = 19,45(A)

 Tiết diện dây dẫn sơ cấp:

S1=

2,75

10,6 J

I

1

1  = 3,85(mm2)

Trong đó: J1= 2,75A/mm2- mật độ dòng điện trong máy biến áp

 Tiết diện dây dẫn thứ cấp:

S2=

2,75

19,45 J

I

2

2  = 7(mm2)

Trong đó: J2= 2,75A/mm2- mật độ dòng điện trong máy biến áp

 Đ-ờng kính dây dẫn sơ cấp:

d1=





85 , 3 4



Scu = 2,2(mm)

 Đ-ờng kính dây dẫn thứ cấp:

d2=







7 4

4Scu 2 = 3(mm)

6 Tính kích th-ớc mạch từ:

Chọn mạch từ có dạng nh- hình vẽ:

b a

c

C

 Chọn trụ hình chữ nhật với các kích th-ớc QFe= a.b

Trong đó: a- bề rộng của trụ; b- bề dày của trụ

Theo công thức kinh nghiệm: b/a= 0,51,5 => chọn: b/a=1

 QFe= a.b= a2= 34(cm2)

 a= b= 5,8(cm)= 58(mm)

 Chọn kích th-ớc cửa sổ:

Theo công thức kinh nghiệm: h/a=24 => chọn: h/a=2,5

c/a= 0,52,5 => chọn: c/a= 1,5

Từ đó ta có: h=2,5a=2,5.58= 145(mm)=14,5(cm)

c=1,5a=1,5.58= 87(mm)

 Chiều rộng toàn bộ mạch từ:

C=2.c + 2.a=2.87 + 2.58=290(mm)=29(cm)

 Chiều cao mạch từ:

H=h + a=145 + 58=203(mm)

 Diện tích do cuộn sơ cấp chiếm chỗ:

Qcs1=kld.W1.Scu1=2.291.3,58=585,58(mm2)

 Diện tích do cuộn thứ cấp chiếm chỗ:

Qcs2=kld.W2.Scu2=2.159.7=2226(mm2) Trong đó: kld=2 – hệ số lấp đầy

 Diện tích cửa sổ cả hai cuộn dây chiếm chỗ:

Qcs= Qcs1+ Qcs2=585,58+2226=2811,58(mm2)

7 Kết cấu dây quấn:

Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm theo chiều dọc trụ, mỗi cuộn dây đ-ợc quấn thành nhiều lớp dây Mỗi lớp dây đ-ợc quấn liên tục, các vòng dây quấn sát nhau Các lớp dây cách điện với nhau bằng các bìa cách điện Ơ đây chọn bìa cách điện giữa các lớp dây dày 0,1mm, giữa các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp là 1mm,lớp cách điện trong cùng và ngài cùng là 1mm

 Số vòng dây trên mỗi lớp của cuộn sơ cấp:

2,3

2.2,3 145

.k d

2h h

c n1

g  



= 58(vòng)

Trong đó: kc= 0,95- hệ số ép chặt

hg= dn1= d1+cđ =2,2+0,1=2,3(mm)- khoảng cách từ gông đến cuộn sơ cấp

 Số vòng dây trên mỗi lớp của cuộn thứ cấp:

3,1

2.2,3 145

.k d

2h h

c n2

g  



= 43(vòng)

Trong đó: kc= 0,95- hệ số ép chặt

dn2= d2+cđ =3+0,1=3,1(mm)

 Số lớp dây trong cửa sổ của cuộn sơ cấp:

nl1=

58

291 W

W

1l

1  = 5(lớp)

Nh- vậy cuộn sơ cấp có 291 vòng chia thành 5 lớp

 Số lớp dây trong cửa sổ của cuộn thứ cấp:

nl2=

43

159 W

W

2l

2  = 4(lớp)

Nh- vậy cuộn thứ cấp có 159 vòng chia thành 4 lớp.

 Bề dày cuộn sơ cấp:

Bd1=(d1+ cđ)nl1=(2,2 + 0,1).5 = 11,5(mm)

 Bề dày cuộn thứ cấp:

Bd2=(d2+ cđ)nl2=(3 + 0,1).5 = 15,5(mm)

 Tổng bề dày các cuộn dây:

Bd= Bd1+ Bd2+cđt+cđn+cđ12 Trong đó: cđt, cđn: bề dày cách điện trong cùng và ngoài cùng cđ12: bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp

=> Bd=11,5+15,5+1+1+1=30(mm)

 Kiểm tra lại:

Bd=30(mm) < c=87(mm) => thỏa mãn

 Kích th-ớc hợp lý giữa cuộn dây và trụ:

c=c- Bd=87- 30 =57(mm)

8 Khối l-ợng sắt:

MFe = VFe.mFe Trong đó:

 VFe: thể tích khối sắt

VFe=2.a.b.h +2.C.a.b=QFe.(2h +2C)=34(2.14,5+2.29)=2958(cm3)3(dm3)

 mFe: khối l-ợng riêng của sắt

mFe=7,85(kg/dm3)

MFe = VFe.mFe =3.7,85=23,55(kg)

9 Khối l-ợng đồng:

MCu =VCu.mCu Trong đó:

 VCu: thể tích khối đồng của các cuộn dây

VCu=SCu.l

SCu: tiết diện dây dẫn l: chiều dài dây quấn của cuộn dây

 mCu: khối l-ợng riêng của đồng

mCu=8,9(kg/dm3) Coi cuộn dây là khối hộp chữ nhật, thì chiều dài dây đồng tính theo biểu thức:

l =W.4.atb Trong đó: atb: chiều dài trung bình của vòng dây

 Chiều dài trung bình của cuộn dây sơ cấp:

atb1=a+2.cđt+Bd1=58+2.1+11,5=71,5(mm)

 Chiều dài trung bình của cuộn dây thứ cấp:

atb2=a+2cđt+Bd1+2cđ12+Bd2=58+2.1+11,5+2.1+15,5=89(mm)

 Chiều dài cuộn dây sơ cấp:

l1 =W1.4.atb1=291.4.71,5=83226(mm)=83,2(m)

 Chiều dài cuộn dây thứ cấp:

l2 =W2.4.atb2=159.4.89=56604(mm)=56,6(m)

 Thể tích khối đồng cuộn dây sơ cấp:

VCu1=SCu1.l1=3,85.83226=320420(mm3)=0,32(dm3)

 Thể tích khối đồng cuộn dây thứ cấp:

VCu2=SCu2.l2=7.56604=396228(mm3)=0,396(dm3)

 Khối l-ợng đồng cuộn dây sơ cấp:

MCu1 =VCu1.mCu=0,32.8,9=2,85(kg)

 Khối l-ợng đồng cuộn dây thứ cấp:

MCu2 =VCu2.mCu=0,396.8,9=3,52(kg)

 Tổng khối l-ợng đồng đã sử dụng:

MCu= MCu1 + MCu2 =2,85+3,52=6,37(kg)

10 Tính các thông số của Máy biến áp:

 Điện trở của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 750C:

R1=

3,85

83,2 46

1 S

l

1

1  = 0,47()

Trong đó:  = )

m

mm (Ω 46

 Điện trở của cuộn thứ cấp máy biến áp ở 750C:

R2=

7

56,6 46

1 S

l

2

2  = 0,17()

Trong đó:  = )

m

mm (Ω 46

 Điện trở của máy biến áp quy đổi về thứ cấp:

RBA=R2+R1

2

1

2

W

W















 = 0,17+ 0,47

2

291

159











 = 0,31().

 Sụt áp trên điện trở máy biến áp:

Ur =RBA.Id= 0,31.17,6 =5,45(V)

 Điện kháng máy biến áp quy đổi về thứ cấp:



























3

B B cd h

12 .10-10

Trong đó: r : bán kính trong của cuộn dây thứ cấp Chu vi trong của cuộn dây thứ cấp: Ct2=4.(atb2-Bd2)=4.(89-15,5)=294(mm)

Ct2=2 r => r=



294 2

2 

Ct =46,79(mm)

XBA=82.1592 









3

5 , 15 11,5 1

145

46,79

314.10-10= 0,2()

 Điện cảm máy biến áp quy đổi về thứ cấp:

LBA=

314

0,2

XBA



-4(H) = 0,63(mH)

 Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp:

BA

2

BA X 0,31 0,2

 Điện áp ngắn mạch phần trăm của máy biến áp:

Un% =

U

I Z

2

2

BA 100% =

120

0,37.19,45

100 =6 %

 Dòng điện ngắn mạch máy biến áp:

Inm =

37 , 0

120 Z

U

BA

2  = 324,3(A)

 Điện áp ngắn mạch tác dụng:

Unr% =

2

2 BA

U

I

R 100% =

120

0,31.19,45

100% =5%

 Điện áp ngắn mạch phản kháng:

Unx% =

U

I X

2

2

BA 100% =

120

0,2.19,45

100% =3,2%

 Dòng điện ngắn mạch tức thời cực đại:

Imax= 2Inm 









 e

1 U nxnr

U









  

e

1 3,2

5 π

=462(A) < Ipik=700(A)

 Kiểm tra máy biến áp thiết kế có đủ điện kháng để hạn chể tốc độ biến thiên của dòng chuyển mạch:

4 BA

2 C

2.6,3.10

.120 6 2.L

U 2 max

dt

di





 =233284,7(A/s) =0,23(A/s)

cp dt

di max dt

diC  C =100(A/s)

Vậy máy biến áp thiết kế sử dụng tốt

 Hiệu suất thiết bị chỉnh l-u:

=

2333,65

100,17,6 S

I

Ud d  =0,75

D Tính chọn tụ điện C, Tranzitor và diod xả năng l-ợng D:

 Chọn tụ điện: C=2000( F)

 Chọn Tranzitor:

Để thỏa mãn điều kiện làm việc của mạch kích từ với thông số định mức

UđmĐC=100(V), IđmĐC=17,6(A),chọn điều kiện làm mát bằng cánh tản nhiệt, Tranzitor cần chọn phải đảm bảo làm việc với thông số:

UCEO>kU.UđmĐC= 2,5.100 = 250(V)

IC>ki.IđmĐC= 5.17,6 =88(A)

=> Chọn Tranzitor loại QM100HC-M của Mistubishi có thông số:

UCEO=350(V), IC=100(A), IB=3(A)

 Chọn Diod D:

Điốt xả năng l-ợng có dòng điện làm việc lớn nhất chạy qua không thể

v-ợt quá 30% Ilv

Dòng điện lớn nhất của điốt không v-ợt quá 0,3.17,6 = 5,28(A) Dòng

điện này nhỏ, chọn điều kiện làm mát bằng vỏ điốt lúc đó dòng điện điốt cần chọn Iđm > 10.5,28 =52,8(A), điện áp cũng chọn t-ơng tự nh- của

tranzitor Uđm > 250(V)

Từ các thông số trên chọn điốt loại 1N2135 có thông số Imax = 60A,

Un = 400V, U = 1.4V

E Chọn các thiết bị bảo vệ:

a) Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn:

Khi van bán dẫn làm việc, có dòng điện chạy qua, trên van có sụt áp U,

do đó có tổn hao công suất P Tổn hao này sinh nhiệt, đốt nóng van bán dẫn Mặt khác van bán dẫn chỉ đ-ợc phép làm việc d-ới nhiệt độ cho phép

Tcp, nếu qua nhiệt độ cho phép các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng Để van bán dẫn làm việc an toàn không bị chọc thủng về nhiệt, ở đây ta dùng cánh tản nhiệt:

*Tính toán cánh tản nhiệt:

+ Tổn thất công suất trên một Diod:

P=U.Ilv=1,4.12,4 = 17,36(W)

+ Diện tích bề mặt toả nhiệt: STN=

T K

ΔP

m

Trong đó: T- độ chênh nhiệt độ so với môi tr-ờng

+ Chọn nhiệt độ môi tr-ờng: Tmt = 40C

+ Nhiệt độ làm việc cho phép của Diod: Tcp =175C

+ Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt: Tlv= 80C

T =Tlv- Tmt = 80C- 40C = 40C

Km- hệ số toả nhiệt bằng đối l-u và bức xạ

Chọn Km=8 











C m

W

0 2

STN =

8.40

17,36

= 0,054(m2) =540(cm2)

Chọn loại cánh toả nhiệt có 10 cánh, kích th-ớc mỗi cánh: h1.b=6.6(cm.cm) Tổng diện tích toả nhiệt của cánh:STN =10.2.6.6 =720(cm2)

c z

h

ho

h1

b

a

Hình dáng cánh tản nhiệt

Các kích th-ớc cơ bản nên chọn:

h0=515(mm); chọn h0 =10(mm)

h <180(mm); chọn h =70(mm)

c =23(mm); chọn c =3(mm)

z =512(mm); chọn z =10(mm)

b) Bảo vệ quá dòng điện cho van:

 Dùng Aptomat để đóng cắt mạch động lực, tự động cắt mạch khi quá tải và ngắn mạch Diod, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp

 Chọn một Aptomat có các thông số:

+ Dòng điện làm việc chạy qua Aptomat:

Ilv =

220

2333,65 220

SBA

+ Dòng điện Aptomat cần chọn:

Iđm=1,1.Ilv =1,1.10,6 =11,66(A)

Uđm=220(V)

+ Chỉnh định dòng ngắn mạch: Inm = 2,5.Ilv =2,5.10,6 =26,5(A)

+ Dòng điện quá tải: Iqt =1,5.Ilv =1,5.10,6 =15,9(A)

Chọn Aptomat loại BHP 2 cực do hãng Hwa Shih chế tạo có các thông số:

Iđm =15(A),Uđm =220(V)

 Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn khi sửa chữa hệ thống truyền

động và dùng để đóng cắt bộ nguồn chỉnh l-u khi không có tải

Dòng định mức của cầu dao: IđmCD =1,1.Ilv =IđmAp =11,66(A)

 Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Diod, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh l-u

+ Nhóm 1CC: Dòng điện định mức dây chảy nhóm 1CC:

I1CC =1,1.I2 =1,1 19,45 =21,4(A)

+ Nhóm 2CC: Dòng điện định mức dây chảy nhóm 2CC:

I2CC=1,1.Ihd =1,1.12,4 =13,64(A)

+ Nhóm 3CC: Dòng điện định mức dây chảy nhóm 3CC:

I3CC=1,1.Id =1,1.17,6 = 19,36(A)

Vậy chọn cầu chảy nhóm 1CC loại 25(A)

nhóm 2CC loại 16(A)

nhóm 3CC loại 20(A)

c) Bảo vệ quá điện áp cho van:

 Bảo vệ quá điện áp đ-ợc thực hiện bằng cách mắc R-C song song với Diod Khi có chuyển mạch, các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ng-ợc trong khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ng-ợc gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anod và catod của Diod Khi có mạch R- C mắc song song với Diod tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Diod không bị quá điện

áp

Mạch R-C bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch.

Có thể chọn gần đúng: R1=(530) ; C1=(0,254)F

 Bảo vệ xung điện áp từ l-ới điện ta mắc song song với tải ở đầu vào mạch R-C, nhờ mạch lọc này mà đỉnh xung gần nh- nằm lại hoàn toàn trên điện trở đ-ờng dây

Có thể chọn gần đúng: R2 =(520) ; C2= 4F

R1 C1

D

3CC 3CC

A

3

C

R

2CC

1

1 1

2CC

2CC 2CC

2 2

B

C AP

Tr

ĐC CD

Sơ đồ mạch động lực có đầy đủ các thiết bị bảo vệ