Đồ án điện tử công suất NGUYỄN NGỌC THĂNG TĐH1−K47 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Khoa Điện Bộ môn Tự Động Hóa ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT THIẾT KỀ NGUỒN CẤP ĐIỆN CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP KHÔNG ĐẢO CHIỀU Giáo viên phụ trách : ĐỖ TRỌNG TÍN Họ và tên : NGUYỄN NGỌC THĂNG Lớp : Tự động hóa 1 – K 47 Số hiệu sinh viên : 20022615 1 ỏn in t cụng sut NGUYN NGC THNG TH1K47 H Ni 7- 2005 Chng 1 4 TèM HIU V NG C IN MT CHIU 4 Chng 2 9 CHN PHNG N 9 Sau khi phân tích đánh giá về chỉnh lu ,từ các u nhợc điểm của các sơ đồ chỉnh lu ,với tải và động cơ điện một chiều với công suất vừa phải nh trên thì sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha điều khiển đối xứng là hợp lí hơn cả ,bởi lẽ ở công suất này để tránh lệch tải biến áp ,không thể thiết kế theo sơ đồ một pha ,sơ đồ tia 3 pha sẽ làm mất đối xứng điện áp nguồn .Nên sơ đồ thiết kế ta chọn là sơ đồ cầu 3 pha có điều khiển đối xứng 13 I. Tớnh toỏncu nkhỏng l c. 14 2. Tớnh toỏn b o van m ch l c. 17 Chơng 4 : 27 Thiết kế mạch điều khiển 27 III.T NH TON M CH I U KHI N. 31 1. Tớnh toỏn khõu ng pha. 31 3. Khõu so sỏnh 34 34 4 . Khõu phỏt xung chựm 34 5 . Khõu khu ch i xung v bi n ỏp xung. 37 7. Tớnh bi n ỏp ngu n nuụi v ng pha. 40 8 .Khõu ph n h i t c . 42 KT LUN 47 TI LIU THAM KHO 48 2 Đồ án điện tử công suất NGUYỄN NGỌC THĂNG TĐH1−K47 SỐ LIỆU Thiết kế nguồn cấp cho động cơ một chiều kích từ độc lập không đảo chiều.Mạch phải đảm bảo điều chỉnh tốc độ trơn và ổn định tốc độ, đồng thời có khâu bảo vệ quá tải và chống mất kích từ. Phương án Các số liệu cho trước Uđm(V) Iđm(A) U kích từ(V) I kích từ(A) Phạm vi điều chỉnh tốc độ 5 120 100 120 12 30:1 MỤC LỤC CHƯƠNG I .Tổng quan về máy điện một chiều …………2 CHƯƠNG II .Chọn phương án …………7 CHƯƠNG III . Thiết kế và tính toán mạch lực …………11 CHƯƠNG IV . Thiết kế và tính toán mạch điều khiển …………26 CHƯƠNG V . Mô phỏng ……………43 - Kết luận - Tài liệu tham khảo 3 Đồ án điện tử công suất NGUYỄN NGỌC THĂNG TĐH1−K47 Chương 1 TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng. Nó có thể dùng làm động cơ điện, máy phát điện hay dùng trong những điều kiện làm việc khác. Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, có nhiều ưu việt hơn so với 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 đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Động cơ điện một chiều được dùng nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao vể điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải… I. CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Cấu tạo động cơ điện một chiều có thể chia thành hai phần chính là phần tĩnh (stato) và phần quay (rôto) 1. Phần tĩnh hay stato Đây là phần đứng yên của động cơ, bao gồm các bộ phận chính sau: a. Cực từ chính : Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cácbon dày 0,5 mm đến 1 mm ép lại và tán chặt. Trong động cơ nhỏ có thẻ dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ bulông. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ này được nối nối tiếp với nhau. b. Cực từ phụ Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép của cực từ 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 cũng được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông. c. Gông từ Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong động cơ nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày uốn và hàn lại. Trong động cơ điện lớn thường dùng thép đúc. Có thể dùng gang làm vỏ máy trong động cơ điện nhỏ. d. Các bộ phận khác : - Nắp động cơ : Để bảo vệ động cơ khỏi bị những vật ngoài rơi vào làn hư hỏng dây quấn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện. Trong động cơ điện nhỏ và vừa, nắp 4 Đồ án điện tử công suất NGUYỄN NGỌC THĂNG TĐH1−K47 động cơ còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp động cơ thường làm bằng gang. - Cơ cấu chổi than : Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định chặt lại. 2. Phần quay hay rôto Phần quay gồm có những bộ phận sau: a. Lõi sắt phần ứng Lõi sắt phần ứng dùng để đẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện (thép hợp kim silic) dày 0,5 mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào. Trong những động cơ cỡ trung trở lên, người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành từng đoạn nhỏ. Giữa các đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe thông gió ngang trục. Khi động cơ làm việc, gió thổi qua các khe làm nguội dây quấn và lõi sắt. Trong động cơ điện nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép chặt trực tiếp vào trục. Trong động cơ điện lớn hơn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto. b. Dây quấn phần ứng Dây quấnphần ứng là phần sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong động cơ điện nhỏ (công suất dưới vài kilôoat) thương dùng dây có tiết dện tròn. Trong động cơ điện vừa và lớn, thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật. Dây quấn đựợc cách điện cẩn thẩn với rãnh của lõi thép. Để tránh khi quay bị văng ra so sức ly tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc phải đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakêlit. c. Cổ góp Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Cổ góp có nhiều phiến đồng có đuôi nhạn cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một trụ tròn. Hai đầu trụ tròn dùng hai vành ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành góp có cao hơn một ít để hàn các đầu 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 chiều thường 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 ngoài vào 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 động cơ : trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục động cơ 5 Đồ án điện tử công suất NGUYỄN NGỌC THĂNG TĐH1−K47 thường được làm bằng thép cácbon tốt. II. CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG Phương trình đặc tính cơ điện : ω = φ K U u - φ K RR fu + I ư Phương trình đặc tính cơ : ω = φ K U u - 2 )( φ K RR fu + M Từ phương trình đặc tính trên ta thấy có 3 thông số ảnh hưởng tới đặc tính cơ: - Ảnh hưởng của điện trở phần ứng : Để thay đổi điện trở phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R f vào mạch phần ứng. R f càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm. - Ảnh hưởng của điện áp phần ứng : Khi giảm điện áp thì mômen ngắn mạch giảm, dòng điện ngắn mạch giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với 1 phụ tải nhất định. - Ảnh hưởng của từ thông : Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng I kt động cơ. Khi giảm từ thông thì vận tốc động cơ tăng. III. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch 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. 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 6 n n 0 R f =0,TN R f1 R f3 R f2 0 M mđ (I mưđ ) M(I )ư Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện trở phần ứng Φđm> Φ1 > Φ2 Φ 2 Φ 1 M c Φ đ m ,TN Mnm2 Mnm1 Mnm Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi thay đổi từ thông Đồ án điện tử công suất NGUYỄN NGỌC THĂNG TĐH1−K47 điện I ư sẽ giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm hơn. Tăng dần I ư bằng cách tăng U ư hoặc giảm điện trở mạch điện phần ứng cho đến khi máy đạt tốc độ định mức. Trong quá trình tăng I ư cần chú ý không để lớn quá so với I đm để không xảy ra cháy động cơ. IV. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU Từ biểu thức : ω = φ K U u - 2 )( φ K RR fu + M ta thấy rằng việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều có thể thực hiện được bằng cách thay đổi các đại lượng Φ, R ư , U. 1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phần ứng Ứng với mỗi giá trị của R f có một đặc tính cơ khác nhau trong đó R f = 0 là đặc tính cơ tự nhiên. Ta thấy nếu R f càng lớn thì đặc tính cơ sẽ có độ dốc càng cao nghĩa là tốc độ thay đổi nhiều khi tải thay đổi. Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ quay định mức và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ điện. Vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng ở động cơ có công suất nhỏ 2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mômen điện từ của động cơ M = K.Φ.Iư và sức điện động quay của động cơ E ư = K.Φ.ω Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến nên hệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi tuyến: i k = kb k rr e + + ω k dt d φ trong đó r k – điện trở dây quấn kích thích r b – điện trở của nguồn điện áp kích thích ω k – số vòng dây của dây quấn kích thích Thường khi điều chỉnh điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trị định mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc tính có điện áp phần ứng định mức, từ thông định mức và được gọi là đặc tính cơ bản. 7 ω ω 0 U đm ω 01 U 1 ω 02 U 2 ω 03 U 3 ω 04 U 4 M c M(I) Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện áp phần ứng Đồ án điện tử công suất NGUYỄN NGỌC THĂNG TĐH1−K47 Vì β Φ = u R K 2 )( φ nên độ cứng đặc tính cơ giảm rất nhanh khi ta giảm từ thông để tăng tốc độ cho động cơ 3. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp phần ứng Khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên. Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp ( giảm áp ) thì mômen ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Do đó phương pháp này cũng được dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động. 8 Đồ án điện tử công suất NGUYỄN NGỌC THĂNG TĐH1−K47 Chương 2 CHỌN PHƯƠNG ÁN Nguồn điện một chiều cấp cho động cơ điện một chiều có thể lấy được từ nhiều cách khác nhau. Lấy trực tiếp từ máy phát điện một chiều hoặc có thể dùng bộ biến đổi một chiều. Trong thực tế, bộ biến đổi một chiều có thể dễ dàng thiết kế nhờ các mạch chỉnh lưu sử dụng các van bán dẫn. Hơn nữa, các mạch chỉnh lưu sử dụng van điều khiển còn có thể dễ dàng điều khiển được theo yêu cầu của từng loại tải. Do các ưu điểm đó, ta sẽ thiết kế nguồn một chiều thông qua các mạch chỉnh lưu điện áp xoay chiều lấy từ lưới điện. Dưới đây là một số mạch chỉnh lưu cơ bản và hay được sử dụng. 1. Mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng - Các van dẫn lần lượt theo từng cặp (T 1 , T 2 ) và (T 3 , T 4 ). - Góc mở van α, góc dẫn các van λ 0 – α : T 1 , T 2 dẫn α – α + λ : T 3 , T 4 dẫn, đồng thời T 1 , T 2 khóa lại Công thức: U dα = π 22 U 2 cosα = 0,9U 2 cosα I dα = Rd U d α I v = 2 d I S ba = 1,23P d U ngmax = 2 U 2 9 Đồ án điện tử công suất NGUYỄN NGỌC THĂNG TĐH1−K47 I 2 = 1,11I d * Nhận xét: Chỉnh lưu cầu một pha sử dụng rộng rãi trong thực tế, nhất là với cấp điện áp tải lớn hơn 10V. Dòng tải có thể lên tới 100A. Ưu điểm của nó là không nhất thiết phải có biến áp nguồn. Tuy nhiên do số lượng van gấp đôi hình tia nên sụt áp trong mạch van cũng tưng gấp đôi. Do đó nó không phù hợp với tải cần có dòng lớn nhưng điện áp nhỏ. 2. Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha điều khiển đối xứng - Dòng điện i d phẳng do L d rất lớn. - Hoạt động của mạch với góc điều khiển α θ : 0 0 – 30 + α : T 3 dẫn θ : 30 + α – 150 0 + α : T 1 dẫn θ : 150 + α – 270 0 + α : T 2 dẫn Các van hoạt động riêng, độc lập Công thức: U dα = π 2 63 U 2 cosα = 1,17U 2 cosα I dα = Rd U d α I v = 3 d I S ba = 1,35P d U ngmax = 6 U 2 I 2 = 0,58I d * Nhận xét: Chỉnh lưu tia 3 pha cần có biến áp nguồn để đưa điểm trung tính ra tải. Công suất máy biến áp này hơn công suât một chiều 1,35 lần, tuy nhiên sụt áp trong mạch van nhỏ 10 R1 L1 T3 T2 T1 [...]... sơ cấp : cd 11= 0 ,1 mm 26-Bề dầy cuộn sơ cấp Bd1= (a1+cd 11) .n 11= (1. 56 + 0 ,1) .7 = 11 .62mm =1, 162 (cm) 27- Đờng kính ngoài của cuộn sơ cấp Dn1= Dt1+2.Bd1 =11 + 2 .1, 162= 13 .324 (cm) 28- Đờng kính trung bình của cuộn sơ cấp Dtb1= D t1 -D n1 2 = 11 13 .324 = 12 ,16 2 (cm) 2 29- Chiều dài dây quấn sơ cấp l1 = W1..Dtb= .293 .12 ,16 2 =11 194,9(cm) 30- Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp :cd 01= 1, 0... 7, 515 (Kg) 63- Thể tích đồng VCu = 3.(S1.L1 + S2.L2) = 3.(5,7 .10 -6 .11 1,949+ 30 .10 -6.28, 814 ) = 4, 51. 10 -3 (m3) 64- Khối lợng của đồng MCu = VCu mCu =4, 51. 8,9 =40 ,13 9 (Kg) *) Tính các thông số của máy biến áp 65- Điện trở của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 75 0 C R1= l1 11 1,94 = 0,0 213 3 = 0, 418 () 5,7 S1 Trong đó 75 = 0,0 213 3 () 66- Điện trở cuộn thứ cấp máy biến áp ở 750C R2= l2 28, 814 = 0,0 213 3... H= 10 0 W.Id lth 10 0 .15 1 .10 0 17 476.8( A / m) 86.4 2.5.Tính cờng độ từ cảm:chỉnh lu 3 pha có 6 đập mạch trong một chu kì điện áp =50.6=300Hz dm U .10 4 6 .10 4 2,45 .10 -3 (T) = 4,44 W.fdm s th 4,44 .15 1.300 .12 1,50 2.6 Tính hệ số từ thẩm: vì B . Đồ án điện tử công suất NGUYỄN NGỌC THĂNG TĐH1−K47 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Khoa Điện Bộ môn Tự Động Hóa ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT THIẾT KỀ NGUỒN CẤP ĐIỆN CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU KÍCH. động cơ tăng. III. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc. KT LUN 47 TI LIU THAM KHO 48 2 Đồ án điện tử công suất NGUYỄN NGỌC THĂNG TĐH1−K47 SỐ LIỆU Thiết kế nguồn cấp cho động cơ một chiều kích từ độc lập không đảo chiều. Mạch phải đảm bảo điều chỉnh