Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ đoc lập có đảo chiều theo nguyên tăc điều khiển riêng mạch đảm bảo tốc độ trơn và có khâu bảo vệ chống mất kích từ

Đồ án điện tử công suất đồ án điện tử công suất đề tài: Thiết kế nguồn cấp điện cho ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu kÝch tõ ®oc lËp cã đảo chiều theo nguyên tăc điều khiển riêng.Mạch đảm bảo tốc độ trơn có khâu bảo vệ chống kÝch tõ Víi sè liƯu Udm=110 V I®m=15 A UkÝch từ=110V Ikích từ=1,2A Phạm vi điêu chỉnh 10:1 NHIÊM Vụ : 1) Tìm hiểu công nghệ yêu cầu kỹ thuật thiết bị cần thiết kế 2) Đề xuất phơng án tổng thể,phân tích u,nhợc điểm phơng án để đến lựa chon phơng án phù hợp thoả mÃn yêu cầu kỹ thuật 3) Xây dựng chi tiết toàn sơ đò nguyên lý mạch thiết kế (cả mạch lực mạch điều khiển),sau thuyết minh hoạt động sơ đồ với đồ thị minh hoạ 4) Tính toán mạch lực 5) Tính toán mạch điều khiển 6) Lập bảng trị số toàn phần tử linh kiện tính toán đợc phần 7) Kiểm chứng chạy mô máy tính PC 8) Kết luận 9) Tài liệu tham khảo CHƯƠNG I Tìm hiểu động điện chiều kích từ độc lập I 1) Giới thiệu chung động điện chiều Ngày nay,động điện chiều đợc coi loại máy điện quan trọng máy điện xoay chiều rát thông dụng động điện chiều có u điểm nh khả điều chinh tốc độ rát tốt.Nó đợc dùngtrong ngành đòi hỏi yêu cầu cao mặt điều chinh tốc độ nh máy cán thép,bào hầm mỏ,giao thông vận tải Trang Đồ án điện tử công suất Mặt dù có số nhợc điểm so vói máy điện xoay chiều nh giá thành cao,bảo quản cổ góp phức tạp (dễ sinh tia lửa điện) nhng u điểm mà có tầm quan trọng nhát định sản xuất 2) Cấu tạo Động điện chiều có hai phần Phần tĩnh phần động 2.1)Phần tĩnh (stato) Phần Stato phận đứng yên máy bao gồm cục từ chÝnh,cc tõ phơ (lµ bé phËn sinh tõ trêng hay phần cảm) a)Cực từ Là phËn sinh tõ trêng,gåm cã lâi s¾t cùc tõ dây quán kích từ lồng lõi sắt cực tõ.Lâi thÐp cùc tõ lµm b»ng lâi thÐp kü thuËt điện mỏng ,các cuộn kích từ đợc quấn dây đồng boc cách điện tẩm sơn cách điện trớc đặt lên cực từ cuộn kích từ ®ỵc nèi tiÕp víi b) Cùc tõ phơ Cùc từ phụ đợc đặt cực từ dùng để cảI thiện đổi chiều.Lõi thép thờng làm thép khối thân cực từ phụ có đặt day quấn mà cấu tạo giống nh dây quấn cực từ c)Gông từ Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền cực từ đồng thời làm vỏ máy d) Nắp máy Bảo vệ máy khỏi bị vật bên rơI vào làm h hỏng dây quấn an toàn cho ngời vận hành.Trong động điện đợc làm giá đỡ ổ bi +Cơ cấu chổi than : Để đa dòng điện từ phàn quay ngoài.Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt hộp chổi than đợc cố định giá chổi than cách điện với giá,giá chổi than quay đợc để điều chỉnh vị trí chổi than cho chỗ 2.2) Phần quay hay Roto (phần ứng) Bao gồm phận sau : a)Lõi sắt phần ứng Dùng để dẫn từ Thờng dùng thép kỹ thuậtdày 0,5mm phủ cách điện mỏng hai mặt ép chặt lại để giảm tổn hao dòng điện xoáy gây nên Trên thép có dập hình dạng rÃnh để sau ép lại dặt dây quấn vào Trong động trung bình trở lên ngời ta dập lỗ thông gió để ép lạ thành lõi sắt tạo đợc lỗ thông gió dọc trục Trong động điện lớn lõi sắt thờng chia thành đoạn nhỏ, đoạn có để khe hở gọi khe hở thông gió Khi máy làm việc gió thổi qua khe hở làm nguội dây quấn lõi sắt Trong động điện chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng đợc ép trực tiếp vào trục Trong động điện lớn, trục lõi sắt có đặt giá rôto Dùng giá rôto tiết kiệm thép kỹ thuật điện giảm nhẹ trọng lợng rôto b) Dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng phần phát sinh suất điện động có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thờng làm dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ có công suất dới vài kw thờng dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa lớn thờng dùng dây tiết diện chữ nhật Dây quấn đợc cách điện cẩn thận với rÃnh lõi thép c) Cổ góp : Dùng để đổi chiều dòng điẹn xoay chiều thành chiều Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có đợc mạ cách điện với lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm hợp thành hình trục tròn Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp trụ tròn cách điện mica Đuôi vành góp có cao lên để hàn đầu dây phần tử dây quấn phiến góp đợc dễ dàng d) Các phận khác Trang Đồ án điện tử công suất - Cánh quạt : dùng để quạt gió làm nguội máy Máy điện chiều thờng chế tạo theo kiểu bảo vệ hai đầu nắp máy có lỗ thông gió Cánh quạt lắp trục máy , động quay cánh quạt hút gió từ vào động Gió qua vành góp, cực từ lõi sắt dây quấn qua quạt gió làm nguội máy - Trục máy : đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt ổ bi Trục máy thờng làm thép cacbon tốt 3) Phân loại máy điện Động điện chiều phân loại theo cách kích thích từ thành động điện kích hích độc lập, động điện kích thích song song ,kích thích nối tiếp,kích thích hỗn hợp Trên thực tế đặc tính động kích từ độc lập kích thích song song giống nên cần công suất lớn ngời ta thờng dùng động kích từ độc lập để điều chỉnh dòng điện kích thích đợc thuận tiện mà điều chỉnh tốc độ dễ dàng kinh tế đòi hỏi có dòng bên Trong đồ án ta xét đến ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu kÝch tõ ®éc lËp U Rf E I U CKT Rkt Ikt Sơ đồ Ukt Khi mà nguồn chiều có công suất không lớn mạch phần ứng mạch từ mắc vào hai nguồn chiều độc lập nên gọi ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu kÝch tõ ®éc lËp 4) Nguyên lý làm việc động điện chiều Khi cho điện áp U vào hai chổi than A,B dây quấn phần ứng sinh dòng điện I Các dẫn ab,cd có dòng điện nằm từ trờng chịu tác dụng lực Fđt tác dụng làm cho Roto quay ,khi phần ứng quay nửa vòng vị trí dẫn ab,cd đổi chỗ cho phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều tác dụng không đổi đảm bảo động có chiều quay không đổi,khi động quay dẫn cắt từ trờng cảm ứng sức điện động E ,chiều quay xác định theo quy tắc bàn tay trái Phơng trình phần ứng U =E +R.I II.) Điều chỉnh tốc độ động đảo chiều 1) Phơng trình đặc tính U = E +(R +Rf)I U :điện áp phần ứng E :suất điện động phần ứng R ,Rf :điện trở phần ứng,điện trở phụ mạch U Rf E I U CKT Rkt Ikt Ukt Trang Đồ án điện tử công suất phần ứng I :dòng điện mạch phần ứng R =r +rct +rb +rtc r :điện trở cuộn dây phần ứng rct :điện trỏ cùc tõ phơ rb :®iƯn trë cn bï rtx :®iƯn trë tiÕp xóc chỉi ®iƯn P N θ ω=K θ ω E = Π a P N K= Π a P : sè cùc tõ chÝnh N :số đôI mạch nhánh song song cuộn dây phần øng θ : tõ th«ng kÝch tõ díi mét cùc tõ Wb ω : tèc ®é gãc (Rad/s) E = Ke θ n E u U−(R u + R f ) I u U ( Ru + R f ) = = − Iu K θ K θ Kθ K Mômen điện từ Mđt =K I M dt Suy I = K θ ω= NÕu bá qua tổn thất coi mômen điện từ mômen đầu trục Mđt =Mcơ =M = Uu K R u +R f (K θ )2 M (1) Mômen phụ thuộc vào từ thông dòng phần ứng Từ phơng trình (1) suy : để thay đổi tốc độ động ta dùng phơng pháp thay đổi điện áp phần ứng U ,từ thông tức thay đổi dòng kích từ Ikt thay ®ỉi ®iƯn trë phÇn øng R ,Rf M =K θ I muốn đảo chiều động tức đảo chiều mômen M ta dùng phơng pháp đảo chiều từ thông (tức đảo chiều dòng kích từ Ikt ) đảo chiều dòng điện phần ứng I 2) Các phơng pháp thay đổi tốc độ a) Phơng pháp thay đổi từ thông ,thay đổi dòng kích từ Ikt Với phụ tải Mc định Khi giảm tốc độ động tăng lên n nodm dm Iu M(Iu) Trang Đồ án điện tử công suất Khi kích thích dòng khác đặc tính nhận đợc khác độ dốc khác nhau.Giao điểm mômen cản M =f(I) với đờng cho biết tốc độ xác lập ứng với thông số khác từ thông b) Thay đổi điện áp phần ứng -Để điều chỉnh điện áp phần ứng đông điện chiều cần có thiết bị nguồn nh máy phát điện chiều kích từ độc lập , chỉnh lu điều khiển thiết bị có chức biến đổi lợng xoay chiều thành chiều có suất điện động Eb điều chỉnh đợc nhờ tín hiệu Uđk LK BBĐ -Phơng trình đặc tÝnh c¬ cđa hƯ thèng nh sau:  Eb R  Rb  ud I u K dm K dm - từ thông động đợc giữ không đổi nên độ cứng đặc tính không thay đổi tốc độ không tải lý tởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp Uđk hệ thống nói phơng pháp điều chỉnh triệt để - Để xác định dải điều chỉnh tèc ®é ta thÊy r»ng tèc ®é lín nhÊt cđa hệ thống bị chặn đặc tính đặc tính ứng với điện áp định mức từ thông giữ giá trị định mức Tốc độ nhỏ dải điều chỉnh bị giới hạn yêu cầu sai số tốc độ mômen khởi động , mômen tải định mức giá trị lớn va nhỏ tốc độ là:  max  max  M dm   M dm Để thoả mÃn khả tải đặc tính thấp dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là: Mnmmin = Mcmax = KM.M®m Trong ®ã : KM: hƯ số tải mômen, họ đặc tính đờng thẳng song song với nên theo định nghĩa độ cứng đặc tính ta có thÓ viÕt:   M nm  M dm  M dm  K M  1    M dm  max  1  M dm  M dm KM   1   max  D KM * Ph¹m vi điều chỉnh phụ thuộc tuyến tính vào Trang Đồ án điện tử công suất omax max đk1 0min đk2 Mđm Mnmmin 3) Vấn đề đảo chiều Chiều quay động phụ thuộc vào chiều quay mômen dùng hai phơng pháp Hoặc thay đổi chiều dòng phần ứng I đổi chiều từ thông (đổi chiều dòng kích từ Ikt) + Nếu dùng phơng pháp đảo chiều dòng kích từ Khi máy quay hệ số điện cảm cuộn dây kích thích lớn (do có nhiều vòng dây) nên thay đổi dòng kích thích Ikt xuất suát điện động cảm ứng cao gây điện áp làm đánh thủng cách điện dây quấn kích thích Do để đảo chiều quay động ta chon phơng pháp đảo chiều dòng phần ứng I Từ phân tích ta chon phơng pháp thay đổi tốc độ thay đổi điện áp phần ứng U (tức điều khiển U ) đảo chiều quay đảo chiều dòng phần ứng I 4) Một số yêu cầu kỹ thuật khác a) Độ trơn = i+1 i Trong i , i+1 tốc độ ổn định động đạt đợc cấp i ,i+1 tức hệ truyền động ổn định vị trí toàn dảI điều chỉnh b) Dải điều chỉnh tốc độ Là phạm vi điều chỉnh tỉ số giá trị lớn giá trị nhỏ tốc độ làm việc ứng với mômen tảI đà cho D= max max bị hạn chế độ bền động độ bền vành góp bị chặn yêu cầu mômen khởi động ,khả tải sai số tốc độ làm việc cho phép c) Chống kích từ Khi mở máy phảI đảm bảo chống kích từ mà nguyên nhân ngắn mạch kích thích U Eu U = Ru Vì E =0 nên I = Ru Trang Đồ án ®iƯn tư c«ng st U kh«ng ®ỉi ,R rÊt nhá (điện trở cuộn dây phần ứng) nên I lớn làm cháy dây quấn vành góp + cách khắc phục điều phảI có phận nhận biết đợc kích từ ( =0 I =0) ngắt nguồn cấp cho phần ứng tức U =0 Khi I không lớn tránh đợc cố CHƯƠNG II Mạch lực I).Lựa chọn phơng án mạch lực Từ yêu cầu toán: Udm= 110V Idm = 15A Ukt = 110V Ikt = 1,2A Công suất định mức động điện chiều Sdm = UdmIdm = 110.15 = 1650W nhỏ Công suÊt kÝch tõ : Sdmkt = Ukt.Ikt=110.1,2 = 132W V× Sdm Sdmkt nhỏ nên ta chọn mạch lực mạch chỉnh lu pha Ta có phơng án ®a cho m¹ch lùc : _ ChØnh lu mét nửa chu kỳ Trang Đồ án điện tử công suất _ Chỉnh lu chu kỳ với biến áp cã trung tÝnh _ ChØnh lu mét pha 1.) ChØnh lu mét nöa chu kú T Ud U1 U2 o L R Với sơ đồ sóng điện áp chiều bị gián đoạn nửa chu kỳ điện áp anốt van bán dẫn âm , sử dụng sơ đồ chỉnh lu nửa chu kỳ chất lợng điện áp tải xấu Điện áp tải trung bình lớn tải Udo = 0,45U2 Vì chất lợng điện áp xấu nên hiệu suất máy biến áp thấp Sba = 3,09.Ud.Id +Ưu điểm _ Là loại chỉnh lu có nguyên lý đơn giản van +Nhợc điểm _Chất lợng điện áp xấu _Hiệu suất sử dụng máy biến ¸p thÊp 2.)ChØnh lu c¶ chu kú víi biÕn ¸p cã trung tÝnh T1 U2 U1 U2 R L T2 5 Trang Đồ án điện tử công suÊt a Ud o 2? id iT1 iT1 Id Id Id Ud o 2? (dạng dòng ,áp tải điện áp ngợc van T1 trờng hợp tải trở tải điện cảm lớn) Xét với tải RL , điện cảm lớn để lọc dòng áp có chất lợng tốt _Biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống hệt nhau, nửa chu kỳ có van dẫn cho dòng chảy qua _Khi = cho phát xung mở T1 , T1 dẫn điện áp đầu anot dơng có xung mở Khi = , điện áp anot = nhng có cuộn cảm L nên dòng điện Id nên T1 cha khoá , T1 tiÕp tơc dÉn cho ®Õn θ = + , phát xung mở T2 T1 bị khoá T2 dẫn T1 khoá dòng đà mà T2 dẫn T2 lại dẫn = + , T1 đợc phát xung mở , T1 dẫn T2 bị khoá lại Quá trình nh điện áp tải đập mạch có tần số lần tần số điện áp xoay chiều (Dạng điện áp tải , dòng van T1,T2 điện áp ngợc van T1 đợc vẽ hình ) Với : góc điều khiển mở Trang Đồ án điện tử công suất + Điện áp trung bình tải + Ud = 2π ∫ √2 α √2 U2.sinθdθ = π U2.cosα = Udo.cosα √2 Udo = π U2 = 0,9.U2 : Điện áp chỉnh lu không điều khiển tải trở + Điện áp ngợc van lớn Unv = U2 Tải có điện cảm lớn nên dòng tải liên tục id = Id Mỗi van dẫn thông nửa chu kỳ + Dòng hiệu dụng qua van (chính dòng hiƯu dơng qua m¸y biÕn ¸p) √ 2π Id ∫ I ¿ ¿ ¿¿ dθ¿¿¿ d¿ Ihd = 2π = √2 = 0,71.Id + HÖ sè đập mạch Kđm = 0,67 + Công suất máy biến ¸p Sba = 1,48.UdId  NhËn xÐt : + ¦u ®iĨm : _ So víi chØnh lu mét nưa chu kỳ chỉnh lu hình tia có điện áp với chất lợng tốt _ Dòng qua van không lớn _ Điều khiển van đơn giản + Nhợc điểm _ Chế tạo máy biến áp phải có cuộn giống cuộn làm việc 1nửa chu kỳ _ Chế tạo biến áp phức tạp _ Hiệu suất sử dụng biến áp xấu _ Điện áp ngợc van lớn 3.) Chỉnh lu cầu pha Xét với tải RL , điện cảm L đủ lớn để lọc dòng , áp , dòng liên tục _ M¹ch cã T1 , T3 chung Katot T2 , T4 chung Anot Nửa chu kỳ đầu U2 > , Anot T1 dơng , Katot T2 âm NÕu cã xung ®iỊu khiĨn më ®ång thêi T1 T2 hai van đợc mở thông đặt điện áp lới lên tải Ud = U2 Điện áp tải chiều điện áp xoay chiều (Ud = U2) T1 , T2 dẫn (Khoảng dẫn van phụ thuộc vào tải ) Trang