Tài liệu Chương 3: Tính toán mạch động lực ppt

Tính chọn van động lực - Để cấp nguồn cho tải một một chiều Động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu, cần có bộ chỉnh lưu biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành một chiều.. - Ta lựa c

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC

Mạch động lực bao gồm:

+ Động cơ

+ Biến áp

+ Mạch van…

3.1 Tính chọn động cơ.

Từ yêu cầu thiết kế hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều và ưu điểm của động cơ kích từ độc lập ( chất lượng điều chỉnh tốc độ tốt, tổn hao phía kích từ nhỏ…) Nên khi thực hiện mô hình chúng em sử dụng loại động cơ công suất nhỏ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu có thông số:

P đm = 24 ( W ); I đm = 0.5 ( A ) ; n = 4600 ( Vòng/ phút )

3.2 Tính chọn van động lực

- Để cấp nguồn cho tải một một chiều ( Động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu), cần

có bộ chỉnh lưu biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành một chiều Các bộ chỉnh lưu này có thể là loại có điều khiển hoặc không có điều khiển

- Ta lựa chọn phương án dùng bộ chỉnh lưu có điều khiển để thực hiện việc biến năng lượng điện xoay chiều sang một chiều trong động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

mà ta sẽ dùng để thực hiện mô hình Vì nếu dùng bộ chỉnh lưu có điều khiển thì ta có thể thay đổi thời điểm đặt xung điện áp lên cực điều khiển, nhờ đó ta có thể điều chỉnh được điện áp chỉnh lưu

- Do mạch chỉnh lưu cầu không nhất thiết phải có biến áp nguồn, Khi điện áp ra của tải phù hợp với cấp điện áp nguồn xoay chiều thì ta có thể mắc trực tiếp mạch chỉnh lưu vào lưới điện Chính vì vậy mạch chỉnh lưu cầu có ưu điểm hơn hẳn so với mạch chỉnh lưu hình tia (Mạch chỉnh lưu cầu được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế, nhất là với cấp điện áp ra từ 10 V trở lên, dòng tải có thể lên tới 100 A)

- Vì sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha có ưu thế tốt nhất khi nguồn cấp là lưới ba pha công nghiệp, và tải có yêu cầu cao về chất lượng điện áp một chiều Còn các sơ đồ chỉnh lưu một pha thường được chọn khi nguồn cấp là lưới điện một chiều một pha hoặc công suất không quá lớn so với công suất của lưới ( P < 5 KW ), tải không có yêu cầu quá cao về chất lượng điện áp một chiều Nên ta sử dụng mạch chỉnh lưu cầu một pha

Vậy chúng ta sử dụng chỉnh lưu cầu một pha làm van động lực cho hệ truyền động T – Đ.

+ _ E R

L

Ud

i2

u2

T 1

T2

T 3

T4

3.2.1 Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha đối xứng.

- Nguyên lý hoạt động:

Do tải có phần tử điện cảm L nên thực tế dòng điện id là dòng liên tục (id = Id ) + Trong nửa chu kì đầu ( 0 ÷ Π/2 ): UAB > 0 nên Vannot của T1 và T2 dương Nếu

có xung điều khiển cho cả hai van T1 và T2 thì cả hai van này sẽ cùng dẫn Đồng thời đặt điện áp luới lên tải

+ Trong nửa chu kì sau ( Π/2 ÷ Π ): UAB < 0 nên VA của T3, T4 dương Nếu có xung điều khiển thì cả hai van đó cùng dẫn và đặt điện áp lưới lên tải, với chiều điện áp trùng với chiều điện áp trong nửa chu kì trước

- Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu ( hình 3.1)

+ Khi T1, T2 mở cho dòng chạy qua (trong chế độ chỉnh lưu), ta có phương trình:





d

d X E R

i

) (

.

( tích phân hai vế ta được Ud = R.Id + E với Ud =



2 2

.U2.cosα))

Vậy ta có: Id =

R

U

3-1)

Biểu thức (3-1) được dùng chung cho cả chu kì hoạt động ở chế độ chỉnh lưu của mạch chỉnh lưu cầu một pha đối xứng

Hình 3.1 Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu một pha, tải R + L + E

- Nhận xét:

+ Dòng điện chạy trong dây là dòng liên tục

+ Điện áp ngược đặt lên van, nhỏ hơn so với sơ đồ hình tia Ungược max = 2U2 + Sử dụng nhiều van, gấp đôi so với sơ đồ hình tia, nên có sơ đồ điều khiển phức tạp, sụt áp trong van cũng tăng gấp đôi, không thích hợp với tải cần dòng lớn, nhưng điện áp ra lại nhỏ Chính vì vậy ta không lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu một pha đối xứng làm mạch van động lực

R E

D1

T1

Uv

T2

D2

L

R E

D1

T1

Uv

T2

D2

3.2.2 Sơ đồ cầu chỉnh lưu không đối xứng (chỉnh lưu bán dẫn)

 Chỉnh lưu bán điều khiển thysistor mắc catốt chung (Hình 3.2a)

- Đặc điểm

+ Nhóm catốt chung là các thysistor, đựơc mở tại các thời điểm α) của nó

+ Nhóm anôt chung là các van điôt, luôn mở tự nhiên theo điện áp nguồn (Đ1

mở khi U2 bắt đầu dương, Đ2 mở khi U2 bắt đầu âm)

- Nguyên lý hoạt động:

 Trong khoảng ( α) ÷ Π ) T1, Đ1 dẫn

 Trong khoảng (Π ÷ (Π+α))) T1, Đ2 dẫn Do ở Π, Đ2 mở tự nhiên, làm Đ1 khóa

 Trong khoảng ((Π+α)) ÷ 2Π ) T2, Đ2 dẫn Do T2 được phát xung mở ở điểm (Π+α)) và dẫn làm cho T1 khóa

 Trong khoảng (2Π ÷(2Π+α))) T2,Đ1 dẫn Do Đ1 mở tự nhiên ở thời điểm 2Π

- Nhận xét:

+ Tại thời điểm T1, Đ2 và T2, Đ2 dẫn, có hiện tượng hai van dẫn thẳng hàng nên

ud = 0 ( các đoạn còn lại ud bám theo điện áp nguồn), dòng điện id vẫn liên tục nhưng chạy quẩn trong tải Đây chính là ưu điểm của mạch chỉnh lưu bán điều khiển, vì khi mắc mạch như vậy năng lượng điện sẽ không bị trả lại về nguồn, mà được giữ lại trong mạch

+ Thời gian dẫn dòng của các van thysistor và điôt bằng nhau (hình 3.3a)

IT1 = IT2 = I Đ1 = I Đ2 = Iv =

2

d

Hình 3.2 Sơ đồ chỉnh lưu bán điều khiển

a Sơ đồ chỉnh lưu bán điều khiển, Thysistor mắc song song (catốt chung)

b Sơ đồ chỉnh lưu bán điều khiển , thysistor mắc thẳng hàng

- Thông số chỉnh lưu bán điều khiển thysistor mắc cacốt chung (dùng chung cho mạch chỉnh lưu cầu 1 pha không đối xứng thysistor mắc thẳng hàng )

 U d  ( 1  cos  )U do

 U do 2 2U2  0 , 9U2



 Ung îc max  2 U 2

 2 1 , 11



d

I

I

 k®m= 1 0 , 67



do

m

U

U

 cos(-)=cos-h

2

d a

.U 2

.I X

 . 1  1 , 11

d

dm

I

I k

 1,23

P

S ba





 X I d

U 2. .



 h  2

Trong đó:

Udα) Điện áp trung bình ra tải

Ud0 Điện áp trung bình ra tải với α) =0

Ungược max Điện áp ngược cực đại đặt trên van

Id Trị số dòng trung bình qua tải

Iv Trị số dòng trung bình qua van

I1 Trị số dòng trung bình cơ cuộn sơ cấp máy biến áp

I2 Trị số dòng trung bình ở cuộn thứ cấp máy biến áp

Sba Công suất toàn phần máy biến áp

Kba Hệ số máy biến áp

Pd Công suất tác dụng của tải

Kdm Hệ số đập mạch

ΔUUγ Độ sụt áp do hiện tượng trùng dẫn

U1m Biên độ thành phần sóng hài bậc I

 Chỉnh lưu bán điều khiển thysistor mắc thẳng hàng ( hình3.2b)

- Đặc đểm:

+ Đ1, Đ2 mở tự nhiên ở các nửa chu kì: Đ1 mở khi u2 dương, Đ2 mở khi u2 âm + T1, T2 mở theo góc α), tuy nhiên, các van bị khoá theo theo nhóm

( Ví dụ: trong nhóm chung catốt thì T1 dẫn thì Đ2 khoá, Đ2 dẫn thì T1 khoá…)

- Nguyên lý hoạt động:

 Trong khoảng ( α)÷Π ): T1, Đ1 dẫn, ud =u2

 Trong khoảng (Π÷( Π+α))): Đ1, Đ2 dẫn, vì Đ2 dẫn ở Π làm T1 khoá, T2 chưa dẫn nên Đ1 chưa khóa

 Trong khoảng (( Π+α))÷2Π): T2, Đ2 dẫn

 Trong khoảng (2Π÷(2Π+α))):Đ1, Đ2 dẫn.

- Thông số: Giống ở mạch chỉnh lưu bán dẫn, thysistor mắc catốt chung

Hình 3.3 Biều đồ thời gian hoạt động của chỉnh lưu bán dẫn

a thysistor mắc catốt chung (Thysistor mắc song song)

b Thysistor mắc thẳng hàng

- Nhận xét:

+ Tại thời điểm hai van Đ1, Đ2 mắc thẳng hàng, tải bị ngắn mạch Tại thời điểm

đó ud = 0, dòng điện id chạy quẩn trong tải Do vậy năng lượng điện không bị trả lại lưới mà được giữ lại trong tải

+Thời gian dẫn dòng của van điốt lớn hơn thời gian dẫn dòng của van thysistor, thể hiện qua hình 3.3b

IT1 = IT2 = 







d

2



; I Đ1 = I Đ2 = 







d

2



Kết luận:

- Qua sự phân tích mạch chỉnh lưu điều khiển cầu một pha phía trên, em thấy điện áp ra trên tải ổn định hơn so với sơ đồ chỉnh lưu hình tia Dòng qua tải liên tục nên không có hiện tượng giật máy khi động cơ quay Nên chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha đối với tải động cơ công suất nhỏ là hoàn toàn phù hợp

- Tuy nhiên, giữa chỉnh lưu điều khiển cầu một pha đối xứng và không đối xứng, thì chỉnh lưu điều khiển cầu một pha không đối xứng cho phép sử dụng một nửa số van là thysistor Do đó sơ đồ điều khiển đơn giản hơn và giá thành thiết bị biến đổi cũng giảm hơn so với chỉnh lưu điều khiển cầu một pha đối xứng

- Trong chỉnh lưu điều khiển cầu một pha không đối xứng ta chọn sơ đồ chỉnh lưu điều khiển có thysisor mắc thẳng hàng Vì sơ đồ này có thời gian dẫn dòng của thysistor ít hơn thời gian dẫn dòng của điôt, nên thysistor có khả năng phục hồi trạng thái đóng cắt tốt hơn so với chỉnh lưu cầu mắc song song

Vậy ta chọn sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu một pha không đối xứng có thysistor mắc thẳng hàng.

3.2.3 Tính chọn van động lực

Các van trong mạch chỉnh lưu công suất, phải làm việc với dòng điện lớn, điện

áp cao, công suất phát nhiệt trên van khá lớn, do vậy, nên để đảm bảo mạch hoạt động

có độ tin cậy cao thì ta phải quan tâm tới hai chỉ tiêu sau:

+ Chỉ tiêu điện áp ( chủ yếu là điện áp ngược lớn nhất:U ng maxđặt lên van trong quá trình làm việc)

+ Chỉ tiêu dòng điện ( giá trị dòng điện trung bình hay hiệu dụng qua van)

 Điện áp ngược lớn nhất U ng max

Mạch van bao gồm thysistor và điôt cùng có :

max

.

ng

U = 2 U2 với U2 = U k

u

d

; Ku là hệ số điện áp tải (Ku = 0.9 )

Ud = 24 ( V ) Nên Ung.max = 2.U k

u

d

= 2.024,9= 37.7 ( V ) Với điều kiện làm mát tự nhiên, thì để cho van làm việc an toàn khi có sự cố sảy ra, ta phải chọn một độ dự trữ điện áp ( kdtu ) cho van với kdtu > 1.6

Ung.max.thực = kdtu.Ung.max Chọn kdtu = 3

Ta có: Ung.max.thực = 3.37,7 =113 ( V ) ( 3-1 )

 Dòng điện hiệu dụng qua van khi van làm việc I vlv

Với Ilv = Itb = ktb.Id

Trong đó: ktb là hệ số dòng điện trung bình

Id = 1 (A)

 ItbT =





 2



.Id Để đảm bảo độ tin cậy của thyristor khi dòng lớn thì α) = 0 IlvT = Id / 2= 0.25 ( A )







d

2



Để đảm bảo độ hoạt động tốt của điốt thì α) = Π IlvĐ = Id = 0.5 ( A )

Với điều kiện làm mát tự nhiên cho van , ΔUP < 20 W thì ta được phép chọn dòng điện làm việc tới 10% Ilv thực  Ilv thực >10 Ilv

Do vậy chọn Ilv thực = 12 Ilv thì:

IlvT thực = 12 0,25 = 3 ( A ) ( 3-2 ) IlvĐ thực = 12.1 = 6 ( A) ( 3-3 )

Từ ( 3-1) , ( 3-2 ) & ( 3-3 ) ta chọn các thysistor và điốt có

- Thông số của Điôt:

+ Dòng điện định mức của van: Imax = 5 ( V ) + Điện áp ngược của điôt: Un = 400 ( V ) + Dòng điện đỉnh của van điôt: Ipik = 16 ( A ) + Tổn hao điện áp của van: ΔUU = 0.7 ( V ) + Dòng điện rò ở nhiệt độ 25C : Ir = 8 ( mA )

- Thông số của Thysistor: ( KY202H11917)

+ Điện áp ngược cực đại: Ung.max = 400 ( V ) + Dòng điện làm việc cực đại: I đm = 10 ( A ) + Dòng điện đỉnh cực đại: Ipik = 200 ( A ) + Dòng điện xung điều khiển Ig = 200 ( mA ) + Điện áp xung điều khiển Ug = 5 ( V ) + Dòng điện tự giữ Ih = 300 ( mA )

+ Độ sụt áp trên van : ΔUU = 2 ( V )

3.3 Tính chọn các tham số máy biến áp lực

Từ thông số của động cơ:

U đm = 24 ( V ); P đm = 12 ( W );

Ta có: I đm =

U

P

dm

dm

24

12

0.5 ( A )

3.3.1 Điện áp chỉnh lưu không tải

Udo = Ud + ΔUUv + ΔUUba + ΔUUdn ( 3 – 1 )

Trong đó:

+ Udo Điện áp chỉnh lưu không tải

+ Ud Điện áp rơi trên tải động cơ

+ ΔUUv Sụt áp trên các van

+ ΔUUba Là sụt áp bên trong biến áp khi có tải với: ΔUUba = ΔUUR + ΔUUL

Với: ΔUUR là sụt áp trên điện trở và ΔUUL là sụt áp trên điện cảm ΔUUba có thể chọn sơ bộ khoảng (5÷10) %Ud

+ ΔUUdn Sụt áp trên dây nối

Với: Ud = 24 V

ΔUUv = ΔUUT + ΔUU Đ = 2 + 0.8 = 2.8 V

ΔUUba = ΔUUR + ΔUUL = 6% Ud = 6%.24 = 1.44 V ( Chọn sụt áp trên máy biến áp vào khoảng 6% điện áp trên tải) ΔUUdn  0 V do sụt áp trên dây nối là rất nhỏ nên bỏ qua

Ta có :

Udo = 24+2,8+1,44 = 28,24 V ;

Mặt khác điện áp ra của máy biến áp:

U2 =

K

U

u

d 0

= 280..924 = 31.38 V ( Mạch chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng có hệ số điện áp tải ku = 0.9)

Do vậy ta có thông số cơ bản của biến áp:

+ Điện áp pha sơ cấp của MBA: U1 = 220 V

+ Điện áp pha thứ cấp MBA là: U2 = 31.38 V

+ Dòng điện hiệu dụng phía thứ cấp MBA:

I2=k2.Id=1,11 Id =1,11.0,5 = 0,555(A) + Dòng điện hiệu dụng phía sơ cấp MBA:

I1 = k1 Kba Id = k1

1

2

U

U

.Id = 1 0 , 555 0 08

220

38 31

 (A) + Công suất tối đa của tải: Pdmax = Udo Id = 31,38 0,5 = 15.69 ( W )

+ Công suất biến áp nguồn ( hay công suất biểu kiến của máy biến áp Sba ):

Sba = ks Pdmax Trong đó:

ks là hệ số công suất tính theo mạch chỉnh lưu, đối với mạch

chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng ks = 1.23 Sba=ks.Pdmax = 1,23.15,69 = 19,30 W

3.3.2 Tính toán sơ bộ mạch từ

- Tiết diện sơ bộ trụ:

f m

S K

Q Fe

.



Trong đó:

 kQ là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát

Do chúng ta sử dụng MBA khô nên chọn kQ = 6

 Sba Công suất biểu kiến MBA

 m: Số trụ của MBA ( m = 1 với MBA 1 pha )

 f: Tần số nguồn xoay chiều: f = 50Hz

Fe Q

m.f 1.50

- Tính kích thước mạch từ:

Hình 3.4 Kết cấu mạch từ

+ Chọn hình dáng của trụ

 Do công suất của máy biến áp nhỏ hơn 10 KVA nên ta chọn trụ hình chữ nhật ( hình 3.4)

Với các kích thước Q Fe = a.b ; Trong đó: a là bề rộng của trụ

b là bề dầy của trụ

 Chọn độ dày của lá thép là 0.2 mm

+ Chọn kích thước cửa sổ

- Dựa vào các hệ số:

m=h/a; n = c/a; l = b/a ( h là chiều cao của trụ ) Trong đó:

m = ( 2 ÷ 4 ) ; n = ( 0,5 ÷ 2,5 ) ; l = ( 0,5 ÷ 1,5 ) là tối ưu hơn cả

Từ đó ta chọn m = 2.5 ; n = 0,5 ; l = 1,25

- Kết hợp QFe = a.b = 3.8 và l = a b = 1.25 ta được: a 1, 74cm

b 2,18cm











- Quy chuẩn theo kích thước chế tạo sẵn, ta có a 2,5cm

b 2cm









 Vậy ta chọn MBA có thông số mạch từ :

Loại lõi 20x20 a= 20mm

b=25mm

c=20mm

C=80mm h=50mm H=70mm Thông số phụ của lá thép:

Qt.Qc=50cm4

Vt=78,1cm3

Gt=620g S(50Hz)=48VA S(400Hz)=250

3.3.3 Tính toán dây quấn máy biến áp

 Tính số vòng dây quấn máy biến áp

B Q f

U W

Fe 44 , 4

10 4



Trong đó:

U Điện áp của cuộn dây cần tính [ V ]

B Từ cảm ( thường chọn B = (1,0  1,8) ) [ T ] ; Chọn B = 1 T

w Số vòng dây của cuộn dây cần tính [ vòng ]

QFe Tiết diện lõi thép [ cm2 ]

Ta có:

- Số vòng dây cuộn sơ cấp MBA:

2608 1

8 , 3 50 44 , 4

220

44 , 4

104 1

B Q f

U W

Fe

( Vòng )

- Số vòng cuộn thứ cấp

W2 = 2

1 1

U 31, 38

 Tính tiết diện dây dẫn:

J

I

S Cu  (mm2) Trong đó: I Dòng điện chạy qua cuộn dây [A];

J Mật độ dòng điện trong biến áp thường chọn 2  2,75 [A/mm2]

- Chọn mật độ dòng điện J1 = J2= 2,75 A/ mm2

- Tiết diện dây dẫn sơ cấp MBA

1

I 0,07

= =0,02909 (mm )

J 2,75

- Theo quy chuẩn ta chọn tiết diện SI=0,0314 mm2 ;ta tra được dây đồng có d1’ = 0,2 mm; khi bọc cách điện thì d1 = 0,24 mm

- Tiết diện dây thứ cấp MBA SII = 2 2

2

I 0,555

= =0,2 (mm )

J 2,75

- Theo quy chuẩn ta chọn tiết diện SII=0,2206 mm2; ta tra được dây đồng có d2’ = 0,53

mm ; khi bọc cách điện thì d2 = 0,60 mm

 Tính số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp

W11 =

1

2

d

h h

Trong đó:

hg: Độ dầy tấm phít cách điện giữa gông và dây cuốn chọn hg = 5mm

kc Hệ số ép chặt kc = 0,95

- Ta có :

W11 = 0,95.50-2.5=158,3

0,24 (vòng /lớp) Vậy chọn W11=158( vòng /lớp)

- Số lớp cuộn sơ cấp 1

11 11

2608

16 50

W n W

   ( lớp) Chọn số lớp n11 = 17

+ Số vòng lớp từ 116 là: 158 vòng/lớp

+ Số vòng lớp thứ 17 là: w’ = 2608 – 16.158 = 80 vòng

- Bề dày cuộn sơ cấp Bd1 = (d1+d2).n11 = (0,24 + 0,1).17 = 5,78 mm

- Giữa hai lớp chọn mộy lớp giấy cách điện dài 0,1 mm

 Tính số vòng dây trên một lớp của cuộn thứ cấp

W22 =

2

2

d

h h

k c  g =0 95 50 2 5 63 33

0 6

,



 ( vòng /lớp.)

- Chọn W22=63 (vòng/lớp)

- Số lớp của cuộn dây thứ cấp 2

22 22

372

6 0

63 ,

W n W

   lớp.Chọn số lớp n22 = 6

- Giữa hai lớp chọn mộy lớp giấy cách điện dài 0,1 mm

- Bề dày cuộn sơ cấp Bd2 = (dday +dcách điện).n22 = (0,6 + 0,1).5 = 4,2 mm

 Kiểm tra khoảng trống c ( giới hạn cửa sổ mạch từ).

Ta có phần lấp đầy dây quấn sơ cấp và thứ cấp

k = Bd1 + Bd2 = 5,78 +4,2 =9,98 mm < c = 20mm Vậy kết cấu mạch từ ta chọn là phù hợp

-Chiều dài trung bình vòng sơ cấp :

Bd2

Bd1

a12

h

G

Hinh 3.5 Mặt cắt dọc mạch từ