Thiết kế bộ kích từ cho động cơ đồng bộ

Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ kích từ 1.1: Giới thiệu chung về chủng loại thiết bị được giao thực hiện thiết kế, công nghệ kích từ. Động cơ đồng bộ được dùng rộng rãi trong các hệ thống tryền động điện công suất lớn, không cần điều chỉnh tốc độ, làm việc ở chế độ dài hạn. Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử, động cơ đồng bộ được nghiên cứu, ứng dụng nhiều trong công nghiệp, ở mọi loại dải công suất. Động cơ đồng bộ có những nguyên tắc sau đây: 1.1.1: Nguyên tắc điều khiển mở máy

THIẾT KẾ MÔN HỌC MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỀ BÀI: Đề số 30 Thiết kế bộ kích từ cho động cơ đồng bộ Yêu cầu công nghệ Thông số thiết kế Thiết kế mạch chỉnh lưu có điều khiển Động cơ 1850HP, Kích từ 25 DVC, 15KW Hải Phòng, năm 2012 ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ 1 Mục lục Lời mở đầu Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ và phương pháp điều khiển kích từ của động cơ đồng bộ ba pha 1.1: Giới thiệu chung về chủng loại thiết bị được giao thực hiện thiết kế, công nghệ kích từ. 1.1.1: Nguyên tắc điều khiển mở máy 1.1.2: Nguyên tắc điều chỉnh kích thích 1.2: Giới thiệu chung về mạch lực, mạch điều khiển. 1.2.1: Giới thiệu về mạch lực 1.2.2: Giới thiệu chung về mạch điều khiển Chương 2 : Thiết kế mạch lực 2.1: Chọn phương án chỉnh lưu 2.2: Lựa chọn phương án thiết kế mạch điều khiển 2.3: Tính toán chọn van 2.4: Tính toán các thông số điện áp, dòng điện và công suất máy biến áp 2.5: Tính toán mạch từ MBA Chương 3 : Thiết kế mạch điều khiển 3.1: Tính toán khâu đồng pha và nguyên lý hoạt động của mạch. 3.2: Giới thiệu các khâu điều khiển cần biết 3.2.1: Khâu tạo điện áp răng cưa. 3.2.2: Khâu so sánh. 3.2.3: Khâu phát xung chùm. 3.2.4: Khâu khuyếch đại xung và biến áp xung. 2 3.2.5: Khâu phản hồi. 3.3: Tính toán khối nguồn và MBA đồng pha. 3.4: Tính toán các khâu điều khiển. 3.5: Ghép nối thành sơ đò hoàn chỉnh. ( có bản vẽ A3 ) Kết luận: … Tài liệu tham khảo: … 3 Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ kích từ 1.1: Giới thiệu chung về chủng loại thiết bị được giao thực hiện thiết kế, công nghệ kích từ. Động cơ đồng bộ được dùng rộng rãi trong các hệ thống tryền động điện công suất lớn, không cần điều chỉnh tốc độ, làm việc ở chế độ dài hạn. Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử, động cơ đồng bộ được nghiên cứu, ứng dụng nhiều trong công nghiệp, ở mọi loại dải công suất. Động cơ đồng bộ có những nguyên tắc sau đây: 1.1.1: Nguyên tắc điều khiển mở máy Quá trình mở máy chia làm 2 giai đoạn: Khởi động không đồng bộ và đưa vào đồng bộ - Trong giai đoạn thứ nhất, sau khi dây quấn stato được nối vào lưới điện 3 pha, từ trường quay được tạo ra sẽ tác dụng lên dây quấn khởi động ( hay là lồng sóc khởi động đặt trong roto của máy ) lên momen quay đưa tốc độ động cơ lên gần tốc độ đồng bộ - Trong giai đoan thứ hai, dòng kích từ sẽ được đưa vào roto, động cơ sẽ tự kéo vào đồng bộ và dây quấn khởi động ( lồng sóc khởi động ) hết tác dụng Trong giai đoạn đầu, ở trong dây quấn kích thích cũng có sức điện động cảm ứng lớn. Điều đó làm cho mạch roto thêm phức tạp. Điều khiển trong quá trình khởi động là phải điều khiển cả hai giai đoạn đó trong mạch stato cũng như trong mạch roto. 4 Để hạn chế dòng điện, có thể dùng cách giảm điện áp bằng biến áp tự ngẫu hoặc dùng cuộn kháng. Người ta rất ít dùng điện trở phụđể hạn chế dòng điện vì tổn thất năng lượng lớn và chỉ tiêu chất lượng khởi động không tôt. Với động cơ công suất nhỏ và ở điện áp thấp thì có thể cho phép sử dụng điện trở phụ để hạn chế dòng điện. Trong giai đoạn khởi động không đồng bộ,dây quấn kích thích ở roto không được hở mạch vì sức điện động cảm ứng tạo thành có thể chọc thủng cách điện. Không phụ thuộc vào cách nối mạch stato, mạch điện roto có thể có ba cách nối. a. Cách nối thứ nhất: Roto được nối trực tiếp vào máy kích thích ngay từ đầu. Sơ đồ này gọi là sơ đồ kích thích trực tiếp. Sơ đồ này đơn giản, làm việc chắc chắn và kinh tế. Tuy vậy không phải bao giờ cũng áp dụng được. b. Cách nối thứ hai : Dây quấn kích thích được nối vào máy kích thích qua một điện trở phụ. Khi không thoả mãn điều kiện t kđ1 ≤ t kt , nghĩa là kích thích hình thành sớm quá ảnh hưởng đến dòng điện stato làm khó khăn cho quá trình kéo vào đồng bộ. Để hạn chế ảnh hưởng của dòng điện kích thích trong qúa trình khởi động không đồng bộ người ta mắc thêm điện trở phụ vào mạch kích thích của động cơ không đồng bộ. điều kiện để áp dụng sơ đồ: M c ≤ 40%M dd . Ngược lại nếu kích thích hình thành quá chậm thì quá trình khởi độnh không đồng bộ kéo dài sẽ gây quá tải ở dây quấn khởi động. c. Cách nối thứ ba: Dây quấn kích thích được nối vào điện trở phóng điện. Khi đạt tốc độ vào đồng bộ thì loại bỏ điện trở phóng điện và đóng vào máy kích từ. Về 5 mặt khởi động và kéo vào đồng bộ thì đây là sơ đồ tốt nhất và được gọi là sơ đồ gián tiếp. Khi không thoả mãn các điều kiện: M c ≤ 40%M dđ và t kđ1 ≤ t kt thì ta phải sử dụng sơ đồ này. Điện trở phóng điện ở sơ đồ này có những nhiệm vụ sau: - Hạn chế điện áp trên dây quấn kích thích. - Làm tốt đặc tính khởi động của động cơ. - Tiêu tán nhanh năng lượng từ trường khi ngắn mạch phía stato hoặc khi cắt động cơ khỏi lưới. 1.1.2: Nguyên tắc điều chỉnh kích thích Động cơ điện đồng bộ cũng được dùng để truyền động các máy sản xuất có momen phụ tải biến đổi lớn (ví dụ như các máy cán lớn, máy nâng ở hầm mỏ ). Lúc này nếu phụ tải tăng mà kích thích vẫn giữ không đổi thì sẽ dẫn đến làm giảm công suất phản kháng phát vào lưới điện, tăng công suất tiêu thụ từ lưới điện, giảm khả năng tải của động cơ. Hệ thống điều khiển có thể có bộ phận tự động điều khiển kích thích. Khi phụ tải tăng lên, dòng điện qua cuộn dòng điện của biến áp cũng tăng lên, còn điện áp ở cuộn điện áp có thể giảm xuống. Kết quả diện áp ở cuộn ra của biến áp cũng tăng lên, do đó điện áp một chiều sau cầu chỉnh lưu cũng tăng lên, kích của động cơ được tăng lên. Những thay đổi lớn của tải mà kích thích vẫn không được điều chỉnh theo có thể gây nên dao động lớn về tốc độ và có khả năng đưa động cơ ra khỏi chế độ đồng bộ. Lúc này phải cắt động cơ ra khỏi nguồn bằng rơle bảo vệ dòng điện cực đại. Nếu quá trình công nghệ không cho phép dù chi là tạm thời thì khi đó phải áp dụng sơ đồ tự động hoá đồng bộ. Và đây chính là nhiệm vụ thiết kế của đồ án Điện tử công suất được giao. 1.2: Giới thiệu chung về mạch lực, mạch điều khiển. 6 1.2.1: Giới thiệu chung về mạch lực. Mạch lực bao gồm các khối cơ bản sau: a. Biến áp lực (BAL): - Biến điện áp xoay chiều có biên độ cần thiết với điện áp phù hợp của tải. - Ngoài ra còn làm nhiệm vụ cách ly giữa nguồn chỉnh lưu (CL) với lưới điện xoay chiều. b. Chỉnh lưu điều khiển (CLĐK): có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha thành điện áp một chiều có biên độ phù hợp với tải. c. Khâu lọc: gồm điện kháng L và tụ điện C tác dụng san phẳng điện áp ra của khâu CLĐK (vốn có biên độ điện áp nhấp nhô) thành điện áp một chiều phẳng phù hợp với yêu cầu của tải. Khâu lọc phải thiết kế sao cho tiêu thụ công suất nhỏ nhất. d. Khâu phản hồi điện áp: Lấy một phần nhỏ điện áp tải đưa trở về mạch điều khiển để ổn áp. Muốn vậy thì điện áp phản hồi về phải là phản hồi âm. e. Khâu phản hồi dòng: Lấy tín hiệu điện áp tỷ lệ với dòng tải phản hồi trở về mạch điều khiển để bảo vệ dòng hay ngắn mạch. Ngoài ra còn có khâu đóng ngắt bằng cầu dao điện bảo vệ đặt phía trước biến áp lực. 1.2.2: Giới thiệu chung về mạch điều khiển Muốn tiristor mở cho dòng điện chạy qua thì ta phải đặt lên anot của tiristor điện áp dương, đồng thời đưa xung điều khiển vào cực điều khiển. Khi mà tiristor đã mở thì xung điều khiển không còn tác dung và dòng điện chạy qua tiristor do tải quyết định. a. Chức năng của mạch điều khiển: - Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ riêng của điện áp đặt trên anot-catot của tiristor. - Tạo được các xung đủ để điều khiển mở được tiristor (độ lớn của xung đủ lớn và độ rộng xung vừa đủ để mở -> giảm công suất điều khiển). b. Các yêu cầu với mạch điều khiển: 7 Mạch điều khiển là một khâu quan trọng trong các bộ biến đổi vì nó quyết định đến chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi. Do vậy để đạt được chất lượng và độ tin cậy cao của bộ biến đổi, nó phải thoả mãn các yêu cầu sau: • Yêu cầu về độ lớn của xung điều khiển: - Mỗi tiristor đều có một đặc tính là quan hệ giữa điện áp đặt trên cực điều khiển và dòng điện chảy vào cực điều khiển. Quan hệ đó được biểu diễn trên hình vẽ sau: - Do sai lệch về thông số chế tạo và điều kiện làm việc làm cho tiristor mặc dù cùng loại cũng cõ đặc tính U đk = f(I đk ) khác nhau. - Với mỗi loại tiristor các đặc tính này dao động giữa hai đặc tính (1) và (2) về yêu cầu độ lớn của điện áp và dòng điện điều khiển.t x =1000 µs t x =100 µs (2) (1) I II đường giới hạn công suất điều khiển 0 U đk I đk 8 Có 3 yêu cầu chủ yếu sau về dòng điện và điện áp điều khiển: + Các giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị cho phép. + Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo cho tất cả các tiristor cùng loại làm việc được. + Tổn hao công suất trung bình ở cực điều khiển nhỏ hơn giá trị cho phép. Trên hình vẽ ta thấy yêu cầu đối với mạch điều khiển là phải tạo ra được tín hiệu điều khiển nằm trong vùng (I). • Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển: Thông thường độ rộng xung điều khiển lớn hơn 5 µs (t x =5÷10 µs đối với tiristor làm việc ở tần số cao và t x = 50÷200 µs với tiristor làm việc ở tần số thấp) và tăng độ rộng của xung điều khiển sẽ cho phép giảm nhỏ xung điều khiển (như hình vẽ). Khi mạch tải có điện cảm lớn thì dòng tải tăng chậm nên ta phải tăng độ rộng của xung điều khiển. Độ rộng của xung điều khiển được tính theo biểu thức: dtdi I t dt x / = Trong đó: I dt : dòng duy trì của tiristor. di/dt: tốc độ tăng của dòng tải. • Yêu cầu về độ dốc sườn trước của xung: - Độ dốc sườn trước của xung càng cao thì việc mở tiristor càng dễ. Thông thường yêu cầu độ dốc sườn trước của xung điều khiển là: 9 1,0≥ dt dI dk A/µs. - Độ dốc sườn trước của xung càng tăng thì đốt nóng cục bộ tiristor càng giảm. • Yêu cầu về tính đối xứng của xung trong kênh điều khiển: Trong các bộ biến đổi có nhiều pha, tính đối xứng của xung điều khiển rất quan trọng. Nếu xung điều khiển mất đối xứng sẽ làm cho dòng anode ở các pha có hình dạng khác nhau và giá trị khác nhau làm mất cân bằng sức từ động của máy biến áp. Do vậy, giảm hiệu suất sử dụng của máy biến áp. Chương 2: Thiết kế mạch lực Sơ đồ nhuyên lý: T1 T3 T5 T2 T4 T6 Rkt Lkt ( Lkt>>Rkt ) La Lb Lc Ua Ub Uc 2.1: Chọn phương án chỉnh lưu Trước hết, chúng ta phân loại chỉnh lưu thành các loại sơ đồ sau và xét ưu nhược điểm của chúng: Các phương án thiết kế mạch lực: Số liệu yêu cầu: Vd=115 (V), Id = 300 (A) Tải của kích từ: W L >> R (tải cảm lớn -> dòng liên tục) 10 [...]... quá trình điều khiển phức tạp hơn 2.2: Lựa chọn phương án thiết kế mạch điều khiển Từ mạch lực và yêu cầu của xung điều khiển ta đi đến thiết lập sơ đồ khối cho mạch điều khiển Ta phải lựa chọn các mạch phù hợp cho từng khâu trong khối sao cho đạt được tín hiệu điều khiển cần thiết: đồng pha Utựa So sánh K ĐX BAX Máy phát xung Uđk 16 a Khâu đồng pha Đây là khâu có nhiệm vụ xác định thời điểm mốc để... V Kết quả là ở đầu ra của khuếch đại thuật toán OP3 có một dãy xung vuông liên tiếp -Uph là tín hiệu lấy về từ chiết áp (được nối song song với điện trở và điện kháng kích từ) .nó có tác dụng ổn định chế độ làm việc của động cơ: cụ thể khi điện áp kích từ vào động cơ giảm dẫn đến Uph giảm làm cho Ung2 tăng → α giảm → cos( α ) tăng → Ud tăng và ngược lại Và chọn Uph=2(V) - Vì dòng vào khuếch đại thuật... 470 9,5 × 0,35 × 10 −1 78 = 235 9,5 × 0,35 × 10 −1 (lá) (lá) (lá) 22 CHƯƠNG 3: Thiết kế mạch điều khiển Tính toán khâu đồng pha và nguyên lý hoạt động của mạch D1 R1 a +E 220V a' ( II ) OP1 BADF D2 -E R2 +E RX1 Ung R3 a Nguyên lý hoạt động: Khi sơ cấp của MBA đồng pha được nối vào lưới điện (hình trên chỉ vẽ 1 pha của MBA đồng pha) Lúc này thứ cấp của MBA xuất hiện hai điện áp Ua0 và -Ua0 có độ lớn... khiển Do vậy mà khối đồng pha có thể dùng biến áp để cách li hoặc dùng phần tử otocupler (phototransistor) - Trong khâu này ta chọn biến áp để cách li kết hợp với bộ khuếch đại thuật toán và diode chỉnh lưu để taọ ra xung đồng bộ Sơ đồ mạch: D1 R1 E+ OP1 E- D2 R2 R Rx1 Udk1 - Sở dĩ ta chọn sơ đồ trên là vì khi thay đổi giá trị của Uđk1 ta sẽ thay đổi được độ rộng của xung đồng bộ b Khâu tạo Utựa Trong... RX3 R8 Yêu cầu của thiết kế với sơ đồ cầu chỉnh lưu 3 pha đối xứng α = arccos 75 = 55 0 130 Góc điều khiển Đây là giá trị mà động cơ làm việc ổn định Do vậy ta phải điều chỉnh biến trở Rx để có Ung2 thoả mãn yêu cầu trên 29 a/ Nguyên lý hoạt động Điện áp răng cưa được đưa vào cửa đảo của OP3 - Khi UD = (Udk2-UIII) > 0 thì UIV= (E-2) (V) - Khi UD=(Udk2-UIII) < 0 thì UIV= - (E - 2) V Kết quả là ở đầu... áp và dòng điện: - Thực ra sơ đồ cầu pha ba đối xứng là hai sơ đồ hình trên 3 pha ghép lại Mỗi sơ đồ hình từ ba pha hoạt động ở một nửa chu kỳ điện áp - Sơ đồ hình từ ba pha thứ nhất gồm T1, T3, T5 ghép catot chung 13 - Sơ đồ hình từ ba pha thứ hai ghép anot chung gồm T2, T4, T6 Góc mở α được tính từ giao điểm của các nửa hình sin L>>R dòng tải là liên tục - Giá trị trung bình của điện áp trên tải: Ud... hoạt động + Tín hiệu từ khâu phát xung được đưa vào cực bazơ của T1 khi tín hiệu dương Do đó D4 thông → Ube1 > 0 → T1 khoá ( T1 là transistor thuận) và ngược lại khi tín hiệu âm thì Ube1< 0 nên T1 mở bão hoà Kết quả là tín hỉệu ở colector của T1 là những xung âm có chu kì trùng với chu kì của máy phát xung( T1 có vai trò khuyếch đại tín hiệu) +Tín hiệu từ colector của T1 cùng với tín hiệu đầu ra của bộ. .. bằng không Do vậy mà có nhiều thành phẩn sóng hài bậc cao Kết luận: Với tải L>>R, Ud=115 (V), Id=320 (A) và qua các phân tích về ưu nhược điểm ở trên, sinh viên thiết kế chọn sơ đồ cầu ba pha đối xứng Bởi vì khi dòng điện tải lớn, điện áp tải cao thì dòng điện trung bình chảy qua van nhỏ và điện áp ngược trên van nhỏ hơn so với sơ đồ chỉnh lưu từ ba pha Mặt khác, công suất tổn hao trên van với tải trên... răng cưa trải dài quá 1/2 chu kì 18 của điện áp lưới làm cho việc xác định góc điều khiển từ điện áp răng cưa rất khó khăn ở sơ đồ hình 2 mạch cũng khá đơn giản, điện áp tựa cũng trải ra cả 1/2 chu kì của điện áp lưới nhưng do đóng mở transistor ở vùng lân cận không nên mạch hoạt động kém tin cậy ở sơ đồ hình 3 do khuếch đại thuật toán hoạt động có độ tin cậy cao nên tạo ra tín hiệu Utựa có chất lượng... hoạt động của các thiết bị khác Do vậy mà ta phải dùng các sơ đồ chỉnh lưu ba pha • Phương án 2: Chọn một trong các sơ đồ sau: - Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển - Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng - Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển không đối xứng a Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển: Sơ đồ mạch nguyên lý : La Lb Lc T1 Ua T2 Ub T3 Uc ( Lkt>>Rkt ) BAL Lkt Rkt u t 11 * Nguyên lý hoạt động: . THIẾT KẾ MÔN HỌC MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỀ BÀI: Đề số 30 Thiết kế bộ kích từ cho động cơ đồng bộ Yêu cầu công nghệ Thông số thiết kế Thiết kế mạch chỉnh lưu có điều khiển Động cơ 1850HP, Kích. sóc khởi động đặt trong roto của máy ) lên momen quay đưa tốc độ động cơ lên gần tốc độ đồng bộ - Trong giai đoan thứ hai, dòng kích từ sẽ được đưa vào roto, động cơ sẽ tự kéo vào đồng bộ và dây. 1.1: Giới thiệu chung về chủng loại thiết bị được giao thực hiện thiết kế, công nghệ kích từ. Động cơ đồng bộ được dùng rộng rãi trong các hệ thống tryền động điện công suất lớn, không cần