TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ------ BÁO CÁO MÔN HỌC ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Tổng quan về hệ thống chỉnh lưu cấp nguồn cho động cơ một chiều
Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều
Ngày nay động cơ điện một chiều được sự rộng rãi trong các lĩnh vực như: giao thông vận tải (tàu điện ngầm, ô tô điện, tàu hỏa,…), thiết bị gia dụng (máy hút bụi, máy xay sinh tố,…), trong công nghiệp (băng tải, máy CNC, robot công nghiệp,…) Động cơ điện một chiều nổi bật với khả năng có thể điều chỉnh tốc độ n bằng phẳng, phạm vi điều chỉnh rộng, momen mở máy Mmm lớn
Bên cạnh nhưng ưu điểm đó thì động cơ điện một chiều cũng có những nhược điểm nhất định như: cấu tạo phức tạp vì có cơ cấu cổ góp, giá thành cao, độ tin cậy kém,… Khi sử dụng động cơ điện một chiều cũng cần có một bộ nguồn một chiều kèm theo
1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều có cấu tạo gồm hai thành phần chính là: phần tĩnh (Stato) và phần quay (Roto)
Hình 1-2: Hình ảnh động cơ 775 12VDCHình 1-1: Hình ảnh động cơ điện một chiều
Hình 1-3: Cấu tạo của động cơ điện một chiều
1.1.3 Phân loại động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều có thể phân loại theo phương pháp kích từ thành những loại sau:
- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồn riêng lẻ
- Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng
- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp với phần ứng
- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có hai cuộn dây kích từ, một cuộn mắc song song với phần ứng, một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng
1.1.4 Nguyên lý động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên tác dụng của từ trường lên khung dây dẫn có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường Khi hoạt động động cơ điện một chiều biến điện năng của dòng điện một chiều thành cơ năng.
Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
1.2.1 Đặc tính động cơ điện Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động cơ:
1.2.2 Sơ đồ nối dậy của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: nguồn một chiều cấp cho phần ứng và cấp cho kích từ độc lập nhau
Hình 1-4: Sơ đồ đấu nối động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
- Phương trình cân bằng điện áp: ử ử ử f ử
- Sức điện động của phần ứng động cơ
- Momen điện từ của động cơ:
- Phương trình đặc tính cơ - điện: ử ử f ử
Hình 1-5: Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều
- Phương trình đặc tính cơ: ử ử f
Hình 1-6: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
1.2.3 Đặc tính cơ tự nhiên Đặc tính cơ tự nhiên: là đặc tính cơ có các tham số định mức và không sử dụng thêm các thiết bị phụ trợ khác Mỗi động cơ chỉ có một đặc tính cơ tự nhiên
- Phương trình đặc tính cơ – điện tự nhiên: ử ử ử
- Phương trình đặc tính cơ tự nhiên:
1.2.4 Đặc tính cơ nhân tạo Đặc tính cơ nhân tạo là đặc tính cơ có một trong các tham số khác định mức hoặc có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ Mỗi động cơ có thể có nhiều đặc tính cơ nhân tạo
Phương trình đặc tính cơ: ử ử f
Hệ thống chỉnh lưu hình cầu một pha điều khiển hoàn toàn
1.3.1 Sơ đồ mạch nguyên lý
Hình 1-7: Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn
Xét ở những chu kỳ làm việc xác lập:
- Trong (0 ) điện áp u 1 0 Giả sử T2, T4 đang dẫn dòng phản kháng d T2 T4 pik i i i i 0 ;
- Đến 1 u 1 0và có xung điều khiển T1, T3 mở i d i T1 i T3 0, còn T2,
- Trong ( 2 ) điện áp u 2 0 T1, T3 vẫn đang dẫn dòng phản kháng d T1 T3 pik d i i i i 0,u 0
- Đến 2 u2 0và có xung điều khiển T2, T4 mở d T2 T4 i i i 0
Cứ như vậy, chúng ta sẽ điều khiển mở lần lượt từng cặp T1, T3 rồi đến T2, T4 cách nhau một góc
1.3.3 Điện áp và dòng điện chỉnh lưu
- Trị trung bình điện áp chỉnh lưu: d m m
- Dòng trung bình qua tải:
Hình 1-8: Đồ thị u,i của chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển
Hình 1-8: Sơ đồ u,i của chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển
- Trị trung bình dòng qua Thyristor: v1AV d
- Áp khóa và áp ngược cực đại đặt lên linh kiện: Um
Hiện tượng trùng dẫn là trạng thái các nhánh Thyristor ở cùng nhóm cùng dẫn điện tại thời điểm chuyển mạch
Hình 1-9: Hiện tượng trùng dẫn chỉnh lưu cầu 1 pha
Hình 1-10: Đồ thị dạng sóng khi sảy ra hiện tượng trùng dẫn
Trong máy biến áp có cuộn dây nên có điện cảm L nên trong mạch sẽ xảy ra hiện tượng trùng dẫn
Giả sử T1, T3 đang mở cho dòng chảy quai T1 i T3 I d Khi phát xung mở
T2, T4 Vì có L nên dòng i T1 i T3 không giảm đột ngột về 0 và dòng i T2 i T4 cũng không tăng đột ngột từ 0 I d Lúc này, cả 4 van cùng mở không cho dòng chảy qua, phụ tải bị ngắn mạch U d 0
Hệ quả của hiện tượng trùng dẫn:
- Hiện tượng chuyển mạch làm giảm điện áp tải
- Hiện tượng chuyển mạch hạn chế phạm vi điều khiển điện áp điều khiển và do đó hạn chế phạm vi điều khiển điện áp chỉnh lưu
- Hiện tượng chuyển mạch làm biến dạng điện áp nguồn.
Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu
Xung điều khiển đưa vào Thyristor lúc điện áp đặt lên Anode Thyristor phải là xung dương
Phải biết khi nào điện áp đặt lên Thyristor dương
Phải có điện áp đồng bộ: đồng bộ với điện áp khóa đặt lên Thyristor
Sơ đồ khâu phát xung – bộ điều khiển:
So sánh Khếch đại và phát xung Đồng bộ
Hình 1-11: Sơ đồ khối điều khiển Thyristor
1.4.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính
Hình 1-12: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính
- Điện áp điều khiển Uc là điện áp một chiều
- Điện áp đồng bộ Udb là điện áp răng cưa
- Điện áp so sánh u ss U c U db
- Khi U c U db u ss 0là thời điểm so sánh tạo xung điều khiển
- Điện áp chỉnh lưu: Ud U cos k.Ud0 c
1.4.3 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos
Hình 1-13: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos
- Điện áp điều khiển Uc là điện áp một chiều
- Điện áp đồng bộ Udb là một đường cosin: U db U cos m
- Điện áp so sánh: u ss U c U db
- Khi U c U db u ss 0 là thời điểm so sánh tạo xung điều khiển
Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha kép điều khiển hoàn toàn
Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha kép điều khiển hoàn toàn có cấu tạo gồm bộ chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển mắc song song ngược với nhau
Hình 1-14: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha kép điều khiển hoàn toàn
1.5.2 Nguyên lý hoạt động Để phân tích nguyên lý hoạt động ta tách ra một sơ đồ chỉnh lưu để phân tích Đây là sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển Nguyên lý hoạt động được trình bày như ở phần trước
1.5.3 Phương pháp điều khiển hai bộ biển đổi mắc song song ngược Ở chế độ làm việc bình thường, trong hai bộ chỉnh lưu mắc song song ngược chỉ có một bộ cung cấp điện áp một chiều và điều chỉnh điện áp cho tải
Khi chúng ta cần đảo chiều động cơ thì bộ biến đổi phải đổi trạng thái cho nhau Để thực hiện điều này ta dùng 2 phương pháp:
- Phương pháp điều khiển tuyến tính khống chế phụ thuộc hai bộ chỉnh lưu mắc song song ngược (điều khiển chung)
- Phương pháp điều khiển độc lập hai bộ chỉnh lưu mắc song song ngược (điều khiển riêng)
Hình 1-15: Sơ đồ hai bộ chỉnh lưu mắc song song ngược
1.5.3.1 Điều khiển đảo chiều theo phương pháp khống chế tuyến tỉnh phụ thuộc
Phương pháp này ta đưa xung đồng thời vào hai bộ chỉnh lưu, tức là xung điều khiển hai bộ này liên hệ chặt chẽ với nhau theo quan hệ:
α1: góc mở ứng với bộ chỉnh lưu 1
α2:góc mở ứng với bộ chỉnh lưu 2 Điện áp chỉnh lưu trung bình trên phụ tải với giả thuyết là dòng liên tục, bỏ qua tổn hao
Như vậy, ta thấy thành phần một chiều của điện áp đầu ra của 2 sơ đồ chỉnh lưu là bằng nhau nên chúng không gây ra thành phần điện áp khép vòng qua các van của 2 sơ đồ chỉnh lưu
Xét giản đồ dòng điện trong quá trình khống chế đảo chiều ibbd1 ibbd2 t1 tđc
Hình 1-16: Giản đồ dòng điện điều khiển đảo chiều tuyến tính phụ thuộc
Từ thời điểm t= 0 với tác phát xung cho 2 bộ theo quan hệ:
: làm việc ở chế độ chỉnh lưu
: làm việc ở chế độ nghịch lưu chờ
Từ thời điểm tđc đến t1 ta tiến hành tăng góc mở α1 đồng thời α2 giảm Điện áp trên BCL 2 giảm Do đó, tốc độ động cơ giảm, nhưng tốc độ động cơ không giảm nhanh bằng điện áp của chỉnh lưu do quán tính nên suất điện động của động cơ lớn hơn điện áp chỉnh lưu nên BCL 2 đủ điều kiện nghịch lưu E ư U và d 2
Bộ chỉnh lưu 2 chuyển sang chế độ nghịch lưu trả năng lượng về lưới đồng thời hãm cưỡng bức ta gọi là hãm tái sinh Khi 1 2 U d 0
Từ thời điểm t, ta tiến hành giảm góc mở α2 tăng α1 để đảo chiều điện áp của hai bộ chỉnh lưu
: làm việc ở chế độ nghịch lưu chờ
: làm việc ở chế độ chỉnh lưu
Sự xuất hiện dòng điện và hạn chế
- Ta thấy rằng khi cả hai sơ đồ chỉnh lưu cùng làm việc tuy giá trị trung bình bằng nhau nhưng giá trị tức thời của điện áp trên đầu ra của hai sơ đồ có lúc không bằng nhau, điều này tạo nên sự chênh lệch điện thế tức thời gây ra dòng điện khép vòng qua các van và các pha nguồn cung cấp mà không đi qua tải, nó được gọi là dòng cân bằng d1 d2 cb
- Do tổng trở của nguồn rất nhỏ nên giá trị dòng điện này có thể rất lớn làm hỏng các van và phá hủy chế độ làm việc của bộ biến đổi Vì vậy, ta cần phải có biện pháp hạn chế dòng điện cân bằng Như ta đã biết dòng cân bằng không có thành phần một chiều mà chỉ có thành phần xoay chiều nên ta sử dụng các cuộn kháng để hạn chế dòng cân bằng (đặc điểm của điện cảm là hạn chế dòng xoay chiều nhưng cho dòng một chiều đi qua nó dễ dàng và không gây nên tổn thất công suất tác dụng)
Phối hợp góc điều khiển:
- Điện áp đặt vào phần ứng của động cơ: U d U cos d0
Trong đó: U d0 constdo vậy tốc độ của động cơ phụ thuộc vào α
- Theo nguyên tắc điều khiển thẳng đứng, muốn thay đổi góc mở a thì thay đổi Uc Do đó, điều kiện: 1 2 với 1 ta có U , c1 2 ta có Uc2 Ta phải điều khiển sao cho c1 c2
U U const Muốn có điều đó ta sử dụng mạch trừ sao cho: U c2 U const U c1
Hình 1-17: Mạch trừ sử dụng OPAMP
- Theo nguyên lý mạch OPAMP:
Vì I1 = I2 nên Uc2 = U2-Uc1 Điều khiển tốc độ tức là thay đổi góc mở α hay chính là thay đổi Uc Trong trường hợp này ta dùng một biến trở
1.5.3.2 Phương pháp điều khiển đảo chiều theo phương pháp khống chế độc lập Đây là phương pháp khống chế sao cho một thời điểm chỉ cho một bộ làm việc Thyristor mở dẫn dòng còn bộ kia không làm việc
Xét giản đồ dòng điện của bộ chỉnh lưu ibbd1 ibbd2 t1 tđc
Hình 1-18: Giản đồ dòng điện điều khiển đảo chiều khống chế độc lập
- Giả sử BCL1 đang làm việc ở chế độ chỉnh lưu
và BCL 2 không có xung điều khiển nên không có dòng qua BCL 2
- Tại thời điểm tđc ta cần đảo chiều động cơ, BCL1 mất xung điều khiển nhưng iBCL1 chưa về 0 ngay mà giảm từ từ về 0
- Tại thời điểm t1, iBCL1 = 0 nhưng ta vẫn chưa cấp xung để kịch mở BCL2 mà phải sau khoảng thời gian ta thì ta mới cấp xung kích mở BCL2 Lý do là khoảng thời gian tk để BCL1 khóa chắc chắn và khôi phục tính chất van của bộ này Trong khoảng thời gian tk cả 2 bộ chỉnh lưu không làm việc
- Tại thời điểm t2 ta cấp xung để kích mở BCL 2 và chỉ duy nhất BCL 2 dẫn dòng
Ta sử dụng phương pháp này phải cần bộ logic có mạch tạo trễ thời gian là tk
Như vậy với phương pháp khống chế này thì không xuất hiện dòng cân bằng nên không cần mắc thêm cuộn kháng hạn chế dòng cân bằng Nhưng nhược điểm là thời gian gián đoạn dòng lớn hơn nhiều so với phương pháp khống chế tuyến tính phụ thuộc.
Kết luận chung
Qua phân tích trên cả 2 phương pháp đều có thể dùng để điều khiển đảo chiều động cơ phù hợp với công nghệ nhưng chúng ta cần độ đáp ứng nhanh (không có giản đoạn dòng) nên ta chọn phương pháp khống chế tuyến tính phụ thuộc
Thiết kế và tính chọn các thiết bị mạch động lực
Giới thiệu chung
2.1.1 Sơ đồ khối mạch động lực
Van chỉnh lưu Khối lọc
Phụ tải một chiều Lưới điện
Hình 2-1: Sơ đồ khối mạch động lực
2.1.2 Chức năng của các khối trong mạch động lực
- Khối biến áp mạch lực:
Chuyển đổi điện áp của lưới điện U1 sang điện áp U2 phù hợp với tải
Cách ly với điện áp lưới
- Khối van chỉnh lưu: Chuyển đổi điện áp đầu ra của khối biến áp mạch lực từ điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều
- Khối bảo vệ: Bảo vệ các van bán dẫn trong khối van chỉnh lưu
- Khối lọc: Lọc điện áp xoay chiều còn sau chỉnh lưu
- Khối phụ tải một chiều: Đóng vai trò là phụ tải (ở đây là động cơ điện một chiều kích từ độc lập)
Tính toán mạch động lực
Thông số của động cơ:
Pđm 5,5 kW Tốc độ = 1750 vòng/phút
2.2.1 Tính chọn van Thyristor Để có thể tính chọn van Thyristor ta cần dựa vào các yếu tố sau:
1 Điện áp ngược max: n max nv 2 nv d u
;k nv 2 và U d U ủm 240V vào phương trỡnh 2.1 ta được:
2 Điện áp ngược của Thyristor cần chọn: nv ủtu n max
(hệ số dự trữ điện áp chọn là: kđtu = 1,8)
3 Dòng định mức của động cơ: uủm ủm
4 Dòng làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng: lv hd hd d d
Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầu đủ diện tích toả nhiệt Không có quạt đối lưu không khí, với điều kiện có dòng định mức của van cần chọn: I lv (10 40)% I ủmv ở đõy chọn I lv 25% I ủmv
5 Dòng điện định mức của van: ủmv i lv
Từ các thông số trên ta chọn loại Thyristor: N044RH08JOO có các thông số sau:
- Điện áp ngược cực đại của van: Uđmv = 800 (V)
- Dòng điện định mức của van: Iđmv = 100 (A)
- Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 750 (A)
- Dòng điện của xung điều khiển: Iđk = 100 (mA)
- Điện áp của xung điều khiển: Uđk = 3 (V)
- Dòng điện tự giữ: Ih = 160 (mA)
- Dòng điện rò: Ir = 10 (mA)
- Sụt áp lớn nhất của thyristor khi dẫn: ∆U = 2,22 (V)
- Tốc độ biến thiên điện áp: du 400 (V/s) dt Ư
Hình 2-2: Sơ đồ nguyên lí mạch động lực
- Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép: Tmax 5 °C
2.2.2 Tính chọn máy biến áp chỉnh lưu
Chọn máy biến áp 1 pha 3 trụ làm mát bằng không khí tự nhiên
2.2.2.1 Tính các thông số cơ bản
1 Xác định công suất tối đa của tải max d d
2 Công suất biểu kiến của máy biến áp s d s
S – Công suất biểu kiến của biến áp (VA) ks – Hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực, với sơ đồ cầu 1 pha là 1,23
Pd – Công suất của tải (W)
3 Điện áp sơ cấp của máy biến áp: U 1 380 (V)
4 Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp
Phương trình cân bằng điện áp khi có tải: d0 min d v ba dn
– góc dự trữ khi có sự suy giảm điện áp lưới
– sự sụt áp trên dây nối
là sụt áp trên Thyristor ba r x
là sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp, những đại lượng này khi chọn sơ bộ vào khoảng ( 5-10%)
Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có: d v ba dn d0 min
5 Điện áp thứ cấp máy biến áp:
6 Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp:
7 Dòng điện hiệu dụng sơ cấp của máy biến áp:
2.2.2.2 Tính toán sơ bộ mạch từ
1 Tiết diện sơ bộ trụ: ba
Trong đó: kQ – hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, lấy k Q 6
(k Q 4 5nếu là biến áp dầu, k Q 5 6 nếu là biến áp khô) m – số trụ của máy biến áp f – tần số xoay chiều, ở dây f 50 Hz
Chuẩn hóa đường kính trụ theo tiêu chuẩn d 8 (cm)
3 Chọn loại thép E330 các lá thép có độ dày 0,5 mm
Chọn mật độ từ cảm của trụ B 1 (T) t
4 Chọn tỷ số m h 2,3, suy ra h = 2,3.d = 2,3.8 = 18,4 (cm)
Ta chọn chiều cao trụ là 18 cm
2.2.2.3 Tính toán dây quấn biến áp
Thông số các cuộn dây cần tính bao gồm số vòng dây và kích thước dây
1 Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp:
2 Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp:
3 Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp:
Với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô, chọn J1 = J2 = 2,75 (A/mm2)
4 Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp:
Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B
Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: S1= 8,90 (mm 2 )
Kích thước dây dẫn có thể cách điện:
5 Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp:
6 Tiết diện dây dẫn thứ cấp của máy biến áp:
Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B
Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: S2 = 12,3 (mm 2 )
Kích thước dây dẫn có kể cách điện:
7 Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp:
2.2.2.4 Kết cấu dây dẫn sơ cấp
Dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục, mỗi cuộn dây được quấn thành nhiều lớp dây Mỗi lớp dây được quấn liên tục, các vòng dây sát nhau Các lớp dây cách điện với nhau bằng các bìa cách điện
1 Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp của cuộn sơ cấp: g
Trong đó: kc = 0,95 - hệ số ép chặt h - chiều cao trụ hg - khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp, thường chọn trong khoảng 1,5 cm b1 - chiều rộng của dây quấn chữ nhật kể cả cách điện
Số lớp dây trong cửa sổ được tính bằng tỉ số vòng dây W của cuộn dây W1 hoặc W2 cần tính, trên số vòng dây 1 lớp
2 Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp:
Các số liệu tính toán W11, n11 được làm tròn theo nguyên tắc: số vòng làm tròn xuống (bỏ số lẻ), số lớp làm tròn lên (sau khi bỏ số lẻ phần nguyên công thêm 1)
Chọn số lớp n11= 13 lớp Như vậy có 363 vòng chia thành 13 lớp, chọn 12 lớp đầu vào có
29 vòng, lớp thứ 13 có 363 – 12.29 = 15 vòng
3 Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp:
4 Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày: S01 = 0,1 (cm)
5 Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp chọn: a01 = 1,0 (cm)
6 Đường kính trong của ống cách điện: t Fe 01 01
7 Đường kính trong của cuộn sơ cấp
8 Chọn bề dày giữa 2 lớp dây ở cuộn sơ cấp: cd11 = 0,1 (mm)
9 Bề dày cuộn sơ cấp: d1 1 11 11
10 Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp: n1 t1 d1
11 Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp: t1 n1 tb1
12 Chiều dài dây quấn sơ cấp:
13 Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp: cd12 = 1 (cm)
2.2.2.5 Kết cấu dây quấn thứ cấp
1 Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp
2 Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp:
3 Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp
4 Chọn số lớp dây quấn thứ cấp n12 = 15 lớp Chọn 14 lớp đầu có 19 vòng, lớp thứ 15 có
5 Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp
6 Đường kính trong của cuộn dây thứ cấp t2 nl 12
7 Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp: cd2 = 0,1 (mm)
8 Bề dày cuộn sơ cấp:
9 Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp: n2 t2 d2
10 Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp t2 n2 tb2
11 Chiều dài dây quấn thứ cấp:
12 Đường kính trung bình cắc cuộn dây: t1 n2
13 Chọn khoảng cách giữa 2 cuộn thứ cấp: cd22 = 2 (cm)
2.2.2.6 Tính kích thước mạch từ
1 Với đường kính trụ d = 8 cm, ta có số bậc là 4 trong nửa tiết diện trụ
Hình 2-3: Các bậc thang ghép thành trụ
2 Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ
Qbt 2.(7,5.1,4 6,5.0,9 5,5.0,6 4.0,5) 24,45 (cm ) (2.45) (thông số tra theo bảng 41-a sách thiết kế máy biến áp điện lực – Phan Tử Thụ)
3 Tiết diện hiệu quả của trụ
Q k Q 0,95.24,45 23,227 (cm ) (2.46) với khq = 0,95 – hệ số hiệu quả
4 Tổng chiều dày các bậc thang của hình trụ dt 2.(1,4 0,9 0,6 0,5) 6,8 (cm) (2.47)
5 Số lá thép dùng trong các bậc
0,5 Để đơn giản trong việc chế tạo gông từ, ta chọn gông có tiết diện hình chữ nhật có các kích thước sau
6 Chiều dày của gông bằng chiều dày của trụ : b = dt = 8 (cm)
7 Chiều cao của gông bằng chiều rộng tập lá thép thứ nhất của trụ: a = 7,5 (cm)
9 Tiết diện hiệu quả của gông:
10 Số lá thép dùng trong một gông: g b 8 h 16 (lá)
11 Tính chính xác mật độ từ cảm trong trụ
12 Mật độ từ cảm trong gông
01 d1 12 d2 22 c 2.(cd B cd B ) cd (2.53) Thay số c 2.(1 2.483 1 2.865) 2 16,696 (cm)
14 Tính khoảng cách giữa hai tâm trục c' c d 16,696 8 24,696 (cm) (2.54)
H h 2.a 18 2.7,5 33 (cm) (2.56) 2.2.2.7 Tính khối lượng của sắt và đồng
4 Khối lượng của gông g g Fe
M V m 9,66.8,9 85,974 (kg) (2.63) 2.2.2.8 Tính các thông số của máy biến áp
1 Điện trở của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 75°C
2 Điện trở cuộn thứ cấp máy biến áp ở 75 ∘ C
3 Điện trở của máy biến áp quy đối về thứ cấp
4 Sụt áp trên điện trở máy biến áp r BA d
5 Điện kháng máy biến áp quy đổi về thứ cấp
6 Điện cảm máy biến áp quy đổi vể thú cấp
7 Sụt áp trên điện kháng máy biến áp
8 Sụt áp trên máy biến áp
9 Điện áp trên động cơ khi có góc mở min 10 d0 min V BA
10 Tổng trở ngắn mach qui đổi về thứ cấp
11 Tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp
12 Tổn hao có tải có kể đến 15% tổn hao phụ:
13 Điện áp ngắn mạch tác dụng nr BA 2
14 Điện áp ngắn mạch phản kháng
15 Điện áp ngắn mạch phần trăm
16 Dòng điện ngắn mạch xác lập
17 Dòng điện ngắn mạch tức thời cực đại nr nx
I : ủổnh xung max cuỷa Thyristorpik
18 Kiểm tra máy biến áp thiết kế có đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến thiên của dòng chuyển mạch
Giả sử chuyển từ mạch T1 sang T3 ta có phương trình
Suy ra: di c max 0,56 (A/ s) < di c cp 100 (A/ s) dt dt
Vậy máy biến áp thiết kế sử dụng tốt
19 Hiệu suất thiết bị chỉnh lưu
2.2.3 Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực
2.2.3.1 Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ Ư
Hình 2-4: Mạch động lực có thiết bị bảo vệ
2.2.3.2 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn
Khi làm việc với dòng điện có dòng điện chạy qua trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công suất ∆p, tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn Mặt khác van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp nào đó, nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng Để van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý
- Tính toán cánh tản nhiệt:
1 Tổn thất công suất trên 1 thyristor: p U.Ilv 2,22.22,2 49,3 (W)
2 Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: m m
- - độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường
Chọn nhiệt độ môi trường T mt 40 C o
Nhiệt độ làm việc cho phép của thyristor T cp 125 C o
Chọn nhiệt độ trên cánh tỏa nhiệt T lv 80 C o
K m hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ Chọn K m 8 (W / m C) 2 o
Chọn loại cánh tỏa nhiệt có 8 cánh, kích thước mỗi cánh a x b = 10 x 10 (cm x cm)
3 Tổng diện tích tỏa nhiệt của cánh:
2.2.3.3 Bảo vệ quá dòng điện cho van
Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động đóng mạch khi quá tải và ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra độ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu
1 Dòng điện làm việc chạy qua aptomat ba lv
2 Dòng điện aptomat cần chọn ủm lv
Có 3 tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện
3 Chỉnh định dòng ngắn mạch nm lv
4 Dòng quá tải qt lv
Từ thông số trên chọn aptomat BKJ63N do hãng LS Electric chế tạo, có thông số Iđm = 16A,
5 Chọn cầu dao có dòng định mức ủmcd lv
Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn khi sửa chữa hệ thống truyền động và dùng để đóng, cắt bộ nguồn chỉnh lưu khi khoảng cách từ nguồn cấp tới bộ chỉnh lưu đáng kể
Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu
6 Nhóm 1cc: dòng điện định mức dây chảy nhóm 1cc
7 Nhóm 2cc: dòng điện định mức dây chảy nhóm 2cc
8 Nhóm 3cc: dòng điện định mức dây chảy nhóm 3cc
Vậy chọn nhóm cầu chảy nhóm:
2.2.3.4 Bảo vệ quá điện áp cho van
Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Thyristor được thực hiện bằng cách mắc R-
C song song với Thyristor Khi có sự chuyển mạch, các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anod và catod của thyristor Khi có mạch R–C mắc song song với Thyristor tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Thyristor không bị quá điện áp
Hình 2-5: Mạch R-C bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch
Hình 2-6: Mạch R-C bảo vệ quá điện áp từ lưới
Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện ta mắc mạch R–C như hình 1.72 nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây
- Trị số R–C được chọn theo tài liệu [4]: R 2 12,5 ( ) ; C 2 4 ( F) Để bảo vệ van do cắt đột biến áp non tải, người ta mắc một mạch R–C ở đầu ra của mạch chỉnh lưu cầu 1 pha phụ bằng các diode công suất bé
Hình 2-7: Mạch cầu một pha dùng diode tải RC bảo vệ do cắt MBA non tải
Thông thường giá trị tự chọn trong khoảng 10 200 ( F)
- Chọn giá trị điện trở R 4 1,4 (k )
Chức năng: Để hạn chế thành phần xoay chiều của điện áp sau chỉnh lưu và giảm độ nhấp nhô của dòng điện và điện áp qua tải
Ta chọn bộ lọc LC ĐC
Hình 2-8: Sơ đồ mạch lọc LC
Thành phần Ud được qua tải cong thành phần xoay chiều đều bị lọc toàn bộ ở khâu lọc
Hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu q: đánh giá chất lượng tại 1 điểm đo
Hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu phụ thuộc vào số xung đập mạch p và góc điều khiển α, q tốt nhất khi α = 0 (Van diode)
Hệ số san bằng: đánh giá hiệu quả của khâu lọc
(1)in dout sb in out (1)out din
Giả sử độ sụt áp một chiều trên bộ lọc không đáng kể: U din U dout
Hệ số ksb càng lớn hơn 1 thì càng tốt nên ta chọn ksb = 11
Tính toán các thông số của mạch điều khiển
Tính biến áp xung
Chọn vật liệu làm lõi sắt là sắt ferit HM Lõi có dạng hình xuyến, làm việc ren một phần của đặc tính từ hóa có: B 0,3 (T) H 30 (A / m)không có khe hở không khí
- Tỷ số biến áp xung (thường m = 2÷3): chọn m = 3
- Điện ỏp cuộn thứ cấp mỏy biến ỏp xung:U 2 U ủk 3 (V)
- Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung:U 1 m.U 2 3.3 9 (V)
- Dũng thứ cấp cuộn biến ỏp xung:I 2 I ủk 0.1 (A)
- Dòng sơ cấp cuộn biến áp xung:I 1 I 2 0.1 0.033 (A) m 3
- Độ từ thẩm trung bình tương đối lõi sắt: tb 6
Trong đú : à 0 1,25.10 (H / m) 6 là độ từ thẩm của khụng khớ
Thể tích lõi thép cần có:
Chọn mạch từ OA-20/25-6,5 có thể tích
V Q.l 0,162.7,1 1,15 cm3 Với thể tích đó ta có các kích thước mạch từ như sau: a 2,5 (mm );
- Số vòng dây quấn sơ cấp máy biến áp xung:
- Theo định luật cảm ứng điện từ:
- Số vòng dây thứ cấp:
- Tiết diện dây quấn sơ cấp:
- Chọn mật độ dòng điện:
- Đường kính dây quấn sơ cấp:
- Tiết diện dây quấn thức cấp:
Hình 3-1: Hình chiếu lõi biến áp xung
- Đường kính dây quấn thứ cấp:
- Kiểm tra hệ số lấp đầy:
Như vậy cửa sổ đủ diện tích cần thiết
Tính tầng khuếch đại cuối cùng
Chọn Tranzitor công suất Tr3 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông số sau:
- Tranzitor loại NPN, vật liệu bán dẫn là Si
- Điện áp giữa Collector và Base khi hở mạch Emitter: U CBO 40 (V)
- Điện áp giữa Emitter và Base khi hở mạch Collector:U EBO 4 (V)
- Dòng điện lớn nhất ở Collector có thể chịu đựng: I C max 500 (mA)
- Công suất tiêu tán ở Collector: P C 1,7 (W)
- Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T CP 175 C o
- Dòng làm việc của Collector:I c3 I 1 33,3 (mA)
- Dòng làm việc của Base:I B3 I C3 33,3 0,66 (mA)
Ta thấy rằng với loại Thyristor đã chọn có công suất điều khiển khá bé: ủk ủk
U 3 (V);I 100 (mA), nên dòng Collector-Base của Tranzitor Tr3 khá bé, trong trường hợp này ta có thể không cần Tranzito Tr2 mà vẫn có đủ công suất điều khiển
Chọn nguồn cấp cho máy biến áp xung:E 12 (V)
Tất cả các điôt trong mạch điều khiển đều dùn g loại 1N4009 có tham số:
- Dũng định mức: I ủm 10 (mA)
- Điện áp ngược lớn nhất: U N 25 (V)
- Điện áp để điôt mở thông:U m 1 (V)
Chọn tụ C 2 và R 6
Điện trở R6 dùng để hạn dòng đưa vào base của tranzitor Tr2, chọn R6 thỏa mãn điều kiện:
Tính chọn tầng so sánh
Mỗi kênh điều khiển phải dùng 3 khuếch đại thuật toán, do đó ta chọn 3 IC TL084 do Texas Intruments chế tạo, các IC này có khuếch đại thuật toán Thông số IC:
- Điện áp nguồn nuôi: V cc 18 (V), ta chọn: V cc 12 (V)
- Hiệu điện thế giữa 2 đầu vào: 30 (V)
- Công suất tiêu thụ: P 680 (mW) 0,68 (W)
- Tổng trở đầu vào: R in 10 (M ) 6
- Dòng điện đầu ra: Ira 30 pA
- Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: du 13 (V/ s) dt
- Sơ đồ chân IC TL084:
Hình 3-2: Sơ đồ chân IC TL084
- Dòng điện vào được hạn chế Ilv < 1 (mA)
Khi đó dòng vào KĐTT: v max 3
Tính chọn khâu đồng pha
Điện áp tựa hình thành do sự nạp của tụ C1, mặt khác để đảm bảo điện áp tựa có trong một chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được r 3 1
Chọn tụ C 1 0,1 ( F) thì điện trở 3 r 6
(3.15) Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp mạch R3 thường chọn là biến trở lớn hơn 50 (k ) Chọn tranzitor Tr1 loại A564 có các thông số:
- Tranzitor loại NPN làm bằng Si
- Điện áp giữa Collector và Base khi hở mạch Emittor: U CBO 25 (V)
- Điện áp giữa Emittor và Base khi hở mạch Collector: U EBO 7 (V)
- Dòng điện lớn nhất ở Collector có thể chịu đựng: I C max 100 (mA)
- Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T CP 150 C o
- Dòng cực đại của Base: I B3 I c 100 0,4 (mA)
- Điện trở R2 hạn chế dòng đi vào bazo tranzitor Tr1 được chọn như sau:
- Chọn điện áp xoay chiều đồng pha: U A 9 (V) Điện trở R1 hạn chế dòng đi vào khuếch đại thuật toán A1, thường chọn R1 sao cho dòng vào khuếch đại thuật toán I V 1(mA) Do đó:
Tạo nguồn nuôi
Thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi, chọn kiểu máy biến áp 3 pha 3 trụ mỗi trụ có 5 cuộn dây, một cuộn sơ cấp và bốn cuộn thứ cấp
Hình 3-3: Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn nuôi mạch điều khiển
Cuộn thứ cấp thứ nhất:
Cần tạo ra nguồn điện áp 12(V)(có ổn áp) để cấp cho nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ Nguồn này được cấp bởi ba cuộn dây thứ cấp a1, b1, c1
Hai chỉnh lưu tia ba pha để tạo điện áp nguồn nuôi đối xứng cho IC Điện áp đầu ra của ổn áp chọn 12V Điện áp vào của IC ổn áp chọn 20V Điện áp thứ cấp ba cuộn dây a1, b1, c1 là:
Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7812 và 7912, các thông số chung của vi mạch này:
- Điện áp đầu ra: IC7812 có U ra 12(V), IC7912 có U ra 12(V)
- Dòng điện đầu ra: I ra 0 1(A)
- Tụ điện C1, C2 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao
Cuộn thứ cấp thứ hai a2, b2, c2 tạo nguồn nuôi cho biến áp xung, cấp xung điều khiển cho các thyristor (+12 V) Do mức độ sụt xung cho phép tương đối lớn nên nguồn này không cần ổn áp Mỗi khi phát xung điều khiển công suất xung đáng kể, nên cần chế tạo cuộn dây này riêng rẽ với cuộn dây cấp nguồn cho IC, để tránh gây sụt áp nguồn nuôi
Cuộn thứ cấp thứ ba, thứ tư a3, b3, c3, a4, b4, c4 là các cuộn dây đồng pha Các cuộn dây này cần lấy trung thực điện áp hình sin của lưới, tốt nhất nên quấn biến áp riêng Tuy nhiên, theo kinh nghiệm có thể quấn chung với biến áp nguồn nuôi cũng có thể được.
Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha
- Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi IC: U 21 14 (V)
- Công suất tiêu thụ ở 3 IC TL084 sử dụng làm khuếch đại thuật toán
- Công suất biến áp xung cấp cho cực điều khiển thyristor: x NX dk
- Điện áp thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi biến áp xung:
- Điện ỏp lấy ra ở thứ cấp cuộn dõy đồng pha a3, b3, c3, a4, b4, c4: U ủf 5 (V)
- Dòng điện chạy qua cuộn dây đồng pha chọn: Iđf = 10 (mA)
- Công suất các cuộn dây đồng pha: ủf ủf ủf
- Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi:
- Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy:
- Dòng điện sơ cấp máy biến áp:
- Tiết diện trụ của máy biến áp tính theo công thức:
- S – Công suất biểu kiến của máy biến áp (VA)
- kQ – hệ số phụ thuộc phương thức làm mát
- (k Q 4 5 nếu là biến áp dầu; k Q 5 6 nếu là biến áp khô)
- m – là số trụ của máy biến áp
- f – là tần số nguồn điện xoay chiều (f = 50 Hz)
- Vì tiết diện này quá nhỏ nên ta chọn chuẩn hóa tiết diện trụ theo bảng: Q t 1,63 (cm ) 2
- Kích thước mạch từ lá thép dày 0,5mm
- Số lượng lá thép: 68 lá a = 12mm; b = 16mm; h = 30mm; hệ số ép chặt kc = 0,85
Hình 3-4: Kích thước mạch từ biến áp
- Chọn mật độ từ cảm B = 1 T ở trong trụ ta có số vòng dây quấn sơ cấp:
Chọn mật độ dòng điện: J 1 J 2 2,75 (A / mm ) 2
- Tiết diện dây quấn sơ cấp:
- Đường kính dây quấn sơ cấp:
Chọn d 1 0,1 (mm) để đảm bảo độ bền cơ
- Đường kính có kể cách điện: d1cd 0,12 (mm) (3.29)
- Số vòng dây thứ cấp w21:
- Số vòng dây thứ cấp w22:
- Tiết diện dây quấn thứ cấp:
Chọn mật độ dòng điện: J 2 4 (A / mm ) 2
- Đường kính dây quấn các cuộn thứ cấp vì kích thước nhỏ không đáng kể chọn: 0,26 (mm)
Tính chọn diot cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi:
- Dòng điện hiệu dung qua diot:
- Điện áp ngược của diot:
- Chọn diot có dòng định mức: ủm i Dhd
- Điện áp định mức của diot:
U k U 2.34,3 68,6 (V) (3.36) Chọn diot loại KII208A có các thông số:
- Điện ỏp định mức: U ủm 100 (V)
Mô phỏng kết quả trên phần mền PSIM
Mạch đồng bộ hóa
Hình 4-1: Sơ đồ mạch đồng bộ hóa
Hình 4-2: Đồ thị điện áp đồng bộ
Hình 4-3: Đồ thị khâu đồng pha
Mạch tạo xung răng cưa
Hình 4-4: Sơ đồ mạch tạo răng cưa
Hình 4-5: Đồ thị điện áp ra của mạch tạo răng cưa
Mạch so sánh
Hình 4-6: Sơ đồ mạch so sánh
Hình 4-7: Sơ đồ điện áp ra của mạch so sánh
Mạch khuếch đại xung
Hình 4-8: Sơ đồ mạch khuếch đại xung
Hình 4-9: Đồ thị điện áp ra của mạch khuếch đại xung
Sơ đồ mạch điều khiển
Hình 4-10: Sơ đồ mạch điều khiển
