Hoạt động của sinh viên - Hoạt động/Nội dung 1: Tổng quan về hệ thống chỉnh lưu cấp nguồn cho động cơ 1 chiều Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Vận dụng được các kiến thức về thiết kế mạch lực, mạc
Thông tin chung
STT Họ và tên MSSV Lớp- khóa
Tên sản phẩm: Báo cáo đồ án môn học
II ĐÁNH GIÁ 1 (Điểm từng tiêu chí và điểm cuối cùng làm tròn đến 0,5 điểm)
Mục tiêu/Ch uẩn đầu ra học phần
Tiêu chí đánh giá sản phẩm Điểm tối đa Điểm đánh giá
SV1 SV2 SV3 SV4 SV5
Vận dụng kiến thức thiết kế mạch lực và mạch điều khiển trong bộ biến đổi công suất, hệ truyền động điện là yếu tố quan trọng trong các công nghệ sản xuất hiện đại.
2 L1.2 Thiết kế, tính chọn được thiết bị cho mạch lực và mạch điều khiển 5
Hà Nội, ngày … tháng … năm 20…
Giảng viên căn cứ vào mục tiêu và chuẩn đầu ra của học phần cũng như sản phẩm của chủ đề nghiên cứu để xây dựng tiêu chí đánh giá, xác định điểm tối đa cho từng tiêu chí.
PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM
STT Họ và tên MSSV Lớp- khóa
SV1 Trần Đình Hùng 2021600203 TDH01-K16
SV2 Nguyễn Mạnh Hùng 2021601449 TDH01-K16
SV3 Võ Huy Hoàng 2021600493 TDH01-K16
SV4 Hoàng Minh Hiếu 2021600768 TDH01-K16
SV5 Vũ Mạnh Cường 2021600141 TDH01-K16
II Nội dung học tập
1 Đề tài : Tính toán thiết kế hệ thống điện tử công suất ứng dụng trong hệ truyền động điện
Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cấp cho động cơ điện kích từ độc lập Thông số cơ bản của động cơ và bộ nguồn như sau:
Công suất động cơ (kW) 11 Điện áp định mức (V) 440
Mạch động lực ĐTCS Chỉnh lưu SCR tia 3 pha
Khi tính toán và lựa chọn van bán dẫn cùng các thiết bị công suất như máy biến áp, aptomat, công tắc tơ, cầu chì và bộ lọc công suất, cần tham khảo tài liệu chuyên ngành để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống Việc lựa chọn đúng thiết bị sẽ góp phần tối ưu hóa hoạt động và bảo vệ an toàn cho các mạch điện.
- Thiết kế mạch điều khiển bằng mạch analog/số hoặc vi điều khiển (tài liệu 7)
- Mô phỏng mạch lực và mạch điều khiển trên phần mềm Psim hoặc Matlab
- Các bản vẽ mạch động lực và mạch điều khiển vẽ trên Autocad hoặc visio khổ A3, gửi file qua email và in đóng vào quyển.
PHẦN THUYẾT MINH Chương 1: Tổng quan về hệ thống chỉnh lưu cấp nguồn cho động cơ 1 chiều
Chương 2: Tính toán thiết kế mạch lực
Chương 3: Tính toán thiết kế mạch điều khiển
Chương 4: Mô phỏng và phân tích kết quả
2 Hoạt động của sinh viên
- Hoạt động/Nội dung 1: Tổng quan về hệ thống chỉnh lưu cấp nguồn cho động cơ 1 chiều
Mục tiêu của bài viết là giúp người học vận dụng kiến thức về thiết kế mạch lực và mạch điều khiển trong bộ biến đổi công suất, cũng như hệ truyền động điện, ứng dụng trong các công nghệ sản xuất hiện đại.
- Hoạt động/Nội dung 2: Tính toán thiết kế mạch lực
Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Thiết kế, tính chọn được thiết bị cho mạch lực
- Hoạt động/Nội dung 3: Tính toán thiết kế mạch điều khiển
Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Thiết kế, tính chọn được thiết bị cho mạch điều khiển
- Hoạt động/Nội dung 4: Mô phỏng và phân tích kết quả
Mục tiêu/chuẩn đầu ra: thực hiện mô phỏng kết quả bằng phầm mềm matlab, PSIM và đánh giá kết quả.
III Nhiệm vụ học tập
1 Hoàn thành Tiểu luận, Bài tập lớn, Đồ án/Dự án theo đúng thời gian quy định
2 Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề được giao trước giảng viên và những sinh viên khác.
IV Học liệu thực hiện Tiểu luận, Bài tập lớn, Đồ án /Dự án
[1] Quách Đức Cường, Nguyễn Đăng Toàn, Tổng hợp hệ thống điện cơ, NXB Khoa học kỹ thuật, 2019.
[2] Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi,
“Điều chỉnh tự động truyền động điện”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2005.
[3] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, “Điện tử công suất”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2005.
[4] Nguyễn Phùng Quang, “Matlab&Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2008
[5] Trần Trọng Minh, Giáo trình điện tử công suất, NXBGD 2012
[6] Phạm Quốc Hải, Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất, NXB KHKT 2009
[7] Trần Văn Thịnh, “Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất”, Nhà xuất bản Giáo dục, 2008
2 Phương tiện, nguyên liệu thực hiện Tiểu luận, Bài tập lớn, Đồ án/Dự án
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHỈNH LƯU CẤP NGUỒN CHO ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU 9
1.1 Tổng quan về mạch chỉnh lưu SCR tia 3 pha 9
1.1.1 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha 9
1.2 Tổng quan về động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập 20
1.2.1 Giới thiệu động cơ điện 1 chiều 20
1.2.2 Cấu tạo của máy điện 1 chiều kích từ độc lập 21
1.2.3 Phương trình đặc tính của động cơ điện 1 chiều 23
1.2.4 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ 1 chiều kích từ độc lập .29
CHƯƠNG 2 - TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC 32
2.1 Sơ đồ mạch động lực 32
2.3 Tính chọn các thiết bị cơ bản mạch động lực 33
2.4 Tính toán máy biến áp chỉnh lưu 35
2.4.1 Tính toán các thông số cơ bản 35
2.4.2 Tính toán sơ bộ mạch từ 36
2.5 Thiết kế cuộn kháng lọc 44
2.5.1 Xác định góc mở cực tiểu và cực đại 44
2.5.2 Xác định các thành phần sóng hài 45
2.5.3 Xác định điện cảm cuộn kháng lọc 46
2.5.4 Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc 47
2.6 Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực 50
2.6.2 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn 51
2.6.3 Bảo vệ quá dòng điện cho van 52
2.6.4 Bảo vệ quá điện áp cho van 53
CHƯƠNG 3 - TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 55
3.1 Tính chọn các phần tử trong khâu khuếch đại xung: 55
3.2 Chọn các phần tử bên ngoài TCA 780: 56
3.3 Tính toán máy biến áp đồng pha: 56
CHƯƠNG 4 - MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 59
4.1 Mô phỏng bộ chỉnh lưu 3 pha tia dùng THYRISTOR 59
4.2 Mô phỏng động cơ DC 60
Hình 1-1: Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha 11
Hình 1-2: Sơ đồ dạng sóng tia 3 11
Hình 1-4 Giản đồ đường cong khi a= 30o tải thuần trở 17
Hình 1-5: Giản đồ đường cong khi góc mở a= 60o 17
Hình 1-15: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông 32
Hình 1-16: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng 33
Hình 2-1: Sơ đồ nguyên lý mạch động lưc 34
Hình 2-2 Bố trí cuộn dây biến áp 40
Hình 2-3: Sơ đồ kết cấu lõi thép máy biến áp 42
Hình 2-4: Hình chiếu bằng của máy biến áp có trục hình chữ nhật 43
Hình 2-5Kết cấu cuộn từ mạch kháng 50
Hình 2-6: Hình dáng và kích thước giới hạn cho cánh tỏa nhiệt cho 1 van bán dẫn 54
Hình 2-7: Mạch R-C bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch 56
Hình 2-8: Mạch R-C bảo vệ điện áp từ lưới 56
Hình 3-1: Sơ đồ nguyên lý mạch động lực 56
Hình 4-1: Mô phỏng bằng Psim 61
Hình 4-2: kết quả mô phỏng 61
Hình 4-3: Thông số sử dụng 62
Hình 4-4: Mô phỏng động cơ DC bằng simulink 62
Hình 4-5: Động cơ một chiều kích từ độc lập trên simulink 63
Hình 4-6: Kết quả mô phỏng 63
Danh mục bảng biểu Bảng 2-1 35
Trong thời đại cách mạng công nghiệp 4.0, tự động hóa sản xuất và ứng dụng công nghệ hiện đại là điều thiết yếu Ngành điện tử công suất, đặc biệt là truyền động điện, đang dẫn đầu trong việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng công nghệ mới cho quy trình sản xuất công nghiệp.
Trong những năm gần đây, ngành điện tử công suất và truyền động điện đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể cho nền công nghiệp Việt Nam Sự gia tăng nhanh chóng của các nhà máy công nghiệp và năng suất cao trong ngành khai thác khoáng sản đều nhờ vào những cải tiến thiết bị và ý tưởng sáng tạo từ ngành này Điều này đã giúp giảm đáng kể giá thành sản phẩm, cải thiện tình hình lạm phát và nâng cao đời sống của người dân.
Việc trang bị và ứng dụng kiến thức về điện tử công suất và truyền động điện cho sinh viên là rất quan trọng, giúp họ củng cố kiến thức đã học và áp dụng vào thiết kế thực tế Đề tài “Thiết kế” được giao cho em nhằm phát triển kỹ năng và hiểu biết trong lĩnh vực này.
8 kế bộ nguồn 1 chiều cấp cho động cơ điện kích từ độc lập” do giảng viên Quách Đức Cường hướng dẫn.
Do kiến thức còn hạn chế và kinh nghiệm thực tế chưa phong phú, đồ án này có thể có những thiếu sót Chúng tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ quý thầy cô và bạn đọc.
Chúng em xin chân thành cảm ơn.
Nhóm sinh viên thực hiện
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHỈNH LƯU CẤP NGUỒN CHO ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU
Tổng quan về mạch chỉnh lưu SCR tia 3 pha
1.1.1 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha
Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha:
Hình 1-2: Sơ đồ dạng sóng tia 3 Hình 1-1: Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha
Gồm 1 máy biến áp 3 pha có thứ cấp nối Yo, 3 pha Thyristor nối với tải như hình 1.2.
Điều kiện khi cấp xung điều khiển chỉnh lưu:
+Thời điểm cấp xung điện áp pha tương ứng phải dương hơn so với trung tính.
Khi biến áp đấu hình sao (Y), mỗi pha A, B, C được kết nối với một van, trong đó ba catod được đấu chung cho điện áp dương của tải Trung tính của biến áp sẽ tạo ra điện áp âm Ba pha này có sự dịch chuyển góc 120 độ theo các đường cong điện áp pha, với điện áp của một pha luôn cao hơn điện áp của hai pha còn lại trong khoảng thời gian 1/3 chu kỳ.
+Nếu có các Thyristor khác đang dẫn thì điện áp pha tương ứng phải dương hơn pha kia Vì thế phải xét đến thời gian cấp xung đầu tiên.
Góc mở α được xác định khi điện áp áp dụng lên van chuyển từ giá trị âm đến 0, tức là từ trạng thái đóng sang trạng thái mở, cho đến khi xung điều khiển bắt đầu được đưa vào.
+Điện áp gây nên quá trình chuyển mạch: điện áp dây.
- Điện áp pha thứ cấp máy biến áp v a = √ 2u 2 sin θ v b = √ 2u 2 sin ( θ − 2 π / 3 ) v c = √ 2 u 2 sin ( θ+ 2 π / 3 )
- Qua hình trên ta thấy:
Lúc θ 1 v b > v c v a có giá trị lớn nhất nên T1 mở cho dòng chạy qua T2;
Lúc θ 2 v c >v a v b có giá trị lớn nhất nên T2 mở cho dòng chạy qua T1;
Trong đó: R: điện trở của động cơ.
E: suất điện động phản kháng của động cơ.
Giả thiết tải : R, L,Eu , chuyển mạch tức thời. Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp: u 1 =U m sin θ u 2 =U m sin(¿θ−2π
*Nhịp V1: khoảng thời gian từ θ 1 →θ 2 Tại θ 1 điện áp đặt lên u1 > 0, có xung kích khởi: T1 mở, khi đó:
+Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u1: ud = u1
+Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện qua van 1: id = Id = i1
Trong nhịp V1: uV2 từ âm chuyển lên 0, khi uV2 = 0 thì T2 mở, lúc này uV1 = u1 – u2 = 0 và bắt đầu âm nên T1 đóng, kết thúc nhịp V1, bắt đầu nhịp V2.
+Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u2: ud = u2
+Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện dòng điện qua van 2: id = Id = i2
Trong nhịp V2: uV3 từ âm chuyển lên 0, khi uV3 = 0 thì T3 mở, lúc này uV2 = u2 – u3 = 0 và bắt đầu âm nên T2 đóng, kết thúc nhịp V2, bắt đầu nhịp V3.
+Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u3: ud = u3
+Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện dòng điện qua van 3: id = Id = i3
Trong nhịp V3: uV1 từ âm chuyển lên 0, khi uV1 = 0 thì T1 mở, lúc này uV3 = u3 – u1 = 0 và bắt đầu âm nên T3 đóng, kết thúc nhịp V3, bắt đầu nhịp V1.
Trong mạch điện, dòng điện phụ thuộc vào tải, với tải thuần trở, dòng điện id và điện áp ud có cùng dạng sóng Khi điện kháng tải tăng, dòng điện trở nên bằng phẳng hơn Khi điện cảm Ld tiến tới vô cực, dòng điện id sẽ ổn định và không thay đổi, tức là id = Id.
Trị trung bình của điện áp tải:
Trong đó : : Góc mở Thyristor.
Giả sử T1 đang cho dòng chạy qua, iT1 = Id Khi θ=θ 2 cho xung điều khiển mở T2.
Cả 2 Thyristor T1 và T2 đều cho dòng chảy qua làm ngắn mạch 2 nguồn ea và eb. Nếu chuyển gốc toạ độ từ θ sang θ 2 ta có: e a = √ 2 U 2 sin ( ¿ θ + 5 π
Dòng điện ngắn mạch được xác định bởi phương trình:
Nguyên tắc điều khiển Thyristor yêu cầu anod phải có điện áp dương để kích mở Thời điểm giao nhau của hai pha được xem là góc thông tự nhiên của Thyristor Các Thyristor chỉ được mở với góc mở tối thiểu.
Trong mạch điện, tại mỗi thời điểm chỉ có một Thyristor dẫn, đảm bảo dòng điện qua tải liên tục Trong khoảng thời gian t bằng 1/3 chu kỳ, nếu điện áp tải bị gián đoạn, thời gian dẫn của các Thyristor sẽ giảm Tuy nhiên, trong cả hai trường hợp, dòng điện trung bình của các Thyristor vẫn bằng 1/3 Id trong thời gian Thyristor dẫn Dòng điện của Thyristor khi khóa bằng 0, và điện áp mà Thyristor phải chịu tương đương với điện áp giữa pha có Thyristor khóa và pha có Thyristor đang dẫn.
Khi tải thuần trở dòng điện và điện áp tải liên tục hay gián đoạn phụ thuộc vào góc mở Thyristor
+Nếu 30 Ud , Id liên tục +Nếu > 30 Ud , Id gián đoạn
Hình 1-5: Giản đồ đường cong khi góc mở a= 60o Hình 1-4 Giản đồ đường cong khi a= 30o tải thuần trở
Nhận xét: So với chỉnh lưu 1 pha:
+Chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện một chiều tốt hơn.
+Biên độ điện áp đập mạch tốt hơn.
+Thành phần sóng hài bậc cao bé hơn.
+Việc điều khiển các van bán dẫn cũng tương đối đơn giản hơn.
Dòng điện ở các cuộn thứ cấp của biến áp 3 pha 3 trụ là dòng điện 1 chiều, do từ thông lõi thép không đối xứng tạo ra công suất lớn Khi chế tạo biến áp động lực, các cuộn dây thứ cấp cần được đấu theo hình sao (Y), trong đó dây trung tính phải có kích thước lớn hơn dây pha để chịu tải tốt hơn.
1.1.3 Tổng quan về thiristor a) Cấu tạo:
Là dụng cụ bán dẫn gồm 4 lớp bán đẫn loại P và N ghép xen kẽ nhau và có 3 cực anốt, catốt và cực điều khiển riêng G
Hình 1-6 b) Nguyên lý hoạt động:
Khi Thyristor được kết nối với nguồn một chiều E > 0, với cực dương ở anốt và cực âm ở catốt, các tiếp giáp J1 và J3 sẽ được phân cực thuận, trong khi miền J2 bị phân cực ngược Điều này dẫn đến việc hầu hết điện áp được đặt lên mặt ghép J2, tạo ra điện trường nội tại E1.
J2 di chuyển từ N1 đến P2, trong khi điện trường bên ngoài tác động cùng chiều với E1 Kết quả là vùng chuyển tiếp, hay còn gọi là vùng cách điện, được mở rộng, và không có dòng điện chạy qua tiristor mặc dù nó chịu một điện áp dương.
Khi một xung điện áp dương Ug được áp dụng vào cực G (dương so với K), các electron từ N2 di chuyển sang P2 Một phần nhỏ trong số đó tạo thành dòng điều khiển Ig chảy qua mạch G1 - J3 - K - G, trong khi phần lớn electron bị hút vào vùng chuyển tiếp dưới tác động của điện trường tổng hợp tại J2 Những electron này được tăng tốc, tạo ra động năng lớn, làm gãy các liên kết giữa các nguyên tử Si và sinh ra thêm electron tự do Những electron mới này tiếp tục tấn công các nguyên tử Si khác trong vùng chuyển tiếp, dẫn đến một phản ứng dây chuyền, làm gia tăng điện trường vào vùng N1 qua P1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài, gây ra hiện tượng dẫn điện mạnh mẽ.
J2 bắt đầu trở thành mặt ghép dẫn điện từ một điểm xung quanh cực và sau đó phát triển ra toàn bộ mặt ghép với tốc độ lan truyền khoảng 1m/100µs.
Khi đặt Thyristor ở UAK > 0, Thyristor sẽ ở trạng thái sẵn sàng cho dòng chảy qua, nhưng vẫn cần tín hiệu Ig từ cực điều khiển để kích hoạt.
Ig > Igst thì Thyristor mở.
Một khi Thyristor đã mở thì tín hiệu Ig không còn tác dụng nữa Để khoá Thyristor có 2 cách:
Giảm dòng điện làm việc I xuống giá trị dòng duy trì Id Đặt một điện áp ngược lên Thyristor UAK < 0, hai mặt J1, J3 phân cực ngược, J2 phân cực thuận.
Những điện tử trước thời điểm đảo cực tính UAK < 0 đang có mặt tại P1,
N1, P2, bây giờ đảo chiều hành trình, tạo nên dòng điện ngược chảy từ Catốt về Anốt và về cực âm của nguồn điện áp ngoài.
Trong giai đoạn đầu từ t0 đến t1, dòng điện ngược đạt giá trị cao, sau đó các điện trở J1 và J3 trở nên cách điện Một lượng nhỏ điện tử vẫn giữ lại giữa hai mặt ghép, và hiện tượng khuếch tán sẽ làm giảm dần số lượng điện tử này cho đến khi hết, dẫn đến việc J2 phục hồi tính chất của mặt ghép điều khiển.
Thời gian khoá toff được xác định từ thời điểm dòng điện ngược bằng 0 (t2), trong khoảng thời gian này, Thyristor không mở dù có điện áp thuận Thời gian khoá toff kéo dài khoảng vài chục micro giây Việc đặt điện áp thuận lên Thyristor trước khi nó bị khoá có thể gây ra ngắn mạch nguồn, do đó cần phải tránh Trong sơ đồ hình (b), Thyristor được khoá bằng điện áp ngược thông qua công tắc K, trong khi sơ đồ (c) cho phép tự động khoá Thyristor Khi Thyristor trong mạch (c) mở, Thyristor khác sẽ tự động khoá lại Khi một xung điện áp dương được đặt vào G1, Thyristor T1 mở, tạo ra hai dòng điện: dòng thứ nhất chảy qua mạch +E - R1 - T1 - -E, và dòng thứ hai qua mạch +E - R2 - T1 - -E.
Khi tụ C được nạp điện đến giá trị E, bản cực dương ở B và bản cực âm ở A, việc tác động một xung điện áp dương vào G2 để mở T2 sẽ làm điện thế tại điểm B được đặt vào catốt của T1 Kết quả là T1 sẽ chịu điện áp Uc = -E và bị khoá lại.
-T2 mở lại xuất hiện 2 dòng điện:
Dòng thứ nhất chảy theo mạch: + E - R1-C - T2 - -E.
Còn dòng thứ hai chảy theo mạch: +E - R2 - T2 - -E.
- Tụ C được nạp ngược lại cho đến giá trị E, chuẩn bị khoá T2 khi ta cho xung mở
T1 c) Điện dung của tụ điện chuyển mạch:
- Trong sơ đồ hình (b), (c) một câu hỏi được đặt ra là : Tụ điện C phải có giá trị bằng bao nhiêu thì có thể khoá được Thyristor
Khi T1 được mở, dòng chảy bắt đầu và tụ điện C được nạp đến giá trị E, với bản cực “+” ở điểm B Khi xung mở T2 được kích hoạt, cả hai thyristor đều được mở, tạo ra phương trình cho mạch điện.
Viết dưới dạng toán tử Laplace :
Từ đó ta có : U c ( t )= E (1−2 e −at )=U T 1 Thời gian t off là khoảng thời gian kể từ khi mở T 2 cho đến khi U T1 bắt đầu trở thành dương, vậy ta có :
Tổng quan về động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
1.2.1 Giới thiệu động cơ điện 1 chiều Động cơ điện một chiều được dùng rất phổ biến trong công nghiệp, giao thông vận tải và nói chung trong các thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong một phạm vi rộng Máy điện một chiều có thể làm việc cả hai chế độ máy phát và động cơ Khi máy làm việc ở chế độ máy phát công suất đầu vào là công suất cơ còn công suất đầu ra là công suất điện Động cơ quay roto máy phát điện một chiều có thể là turbine gas, động cơ điesel hoặc là động cơ điện Khi máy điện một chiều làm việc ở chế độ động cơ, công suất đầu vào là công suất điện còn công suất đầu ra là công suất cơ.
Cả hai chế độ làm việc, dây quấn đông cơ điện một chiều đều quay trong từ trường và có dòng điện chạy qua
SĐĐ phần ứng động cơ điện một chiều tính theo công thức:
Mômen điện từ tính theo công thức
Phương trình cân bằng điện áp của động cơ:
Phân loại: 4 loại máy điện 1 chiều: - kích từ độc lập
1.2.2 Cấu tạo của máy điện 1 chiều kích từ độc lập
1.2.2.1 Phần tĩnh (Stator) Đây là một phần đứng yên của máy
Phần tĩnh gồm các bộ phận tĩnh sau: a) Cực từ chính:
Cực từ là bộ phận tạo ra từ trường, bao gồm lõi sắt và dây quấn kích từ Lõi sắt được làm từ các lá thép kỹ thuật điện hoặc thép carbon dày từ 0.5 đến 1mm, được ép và tán chặt Trong các máy điện nhỏ, lõi có thể được làm bằng thép khối Cực từ được gắn vào vỏ máy bằng bulông Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng cách điện, mỗi cuộn dây được bọc cách điện và tẩm sơn cách điện trước khi lắp lên các cực từ, với các cuộn dây được nối tiếp với nhau.
Cực từ phụ được lắp đặt giữa các cực từ chính nhằm cải thiện khả năng đổi chiều Lõi thép của cực từ phụ thường được chế tạo từ thép khối, và trên thân của nó có dây quấn tương tự như dây quấn của cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ bằng các bulông chắc chắn.
Gông từ là bộ phận quan trọng trong máy điện, có chức năng kết nối các cực từ và làm vỏ máy Đối với máy điện nhỏ và vừa, thường sử dụng thép tấm dày được uốn và hàn, trong khi máy điện lớn thường sử dụng thép đúc Ngoài ra, trong một số máy điện nhỏ, gang cũng có thể được sử dụng làm vỏ máy.
Các bộ phận khác gồm có:
Nắp máy có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ máy khỏi các vật lạ rơi vào, giúp ngăn chặn hư hỏng dây quấn Đồng thời, nó cũng đảm bảo an toàn cho người sử dụng, tránh tiếp xúc với điện trong các máy điện nhỏ.
22 và vừa , nắp máy còn có tác dụng làm giá đở ổ bi Trong trường hợp này nắp máy 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 chổ Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định chặt lại.
Phần quay gồm có những bộ phận sau: a) Lõi sắt phần ứng:
Lõi sắt phần ứng là bộ phận quan trọng trong việc dẫn từ, thường được chế tạo từ tấm thép kỹ thuật điện (thép hợp kim silic) dày 0.5 mm, được phủ lớp cách điện mỏng ở hai mặt để giảm thiểu hao tổn do dòng điện xoáy Các lá thép này được dập hình dạng rãnh, giúp dễ dàng đặt dây quấn vào sau khi ép lại.
Dây quấn phần ứng là bộ phận tạo ra sức điện động và cho phép dòng điện lưu thông Thông thường, dây quấn này được làm từ dây đồng có lớp cách điện Đối với máy điện nhỏ (công suất dưới vài kW), dây có tiết diện tròn thường được sử dụng, trong khi máy điện vừa và lớn thường sử dụng dây có tiết diện hình chữ nhật Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. d) Các bộ phận khác:
-Cánh quạt : Dùng để quạt gió làm nguội máy.
-Trục máy : Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp cánh quạt và ổ bi
Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt.
1.2.2.3 các trị số định mức
Chế độ làm việc định mức của máy điện một chiều được xác định theo các điều kiện quy định bởi xưởng chế tạo Những điều kiện này được thể hiện qua các đại lượng định mức ghi trên nhãn máy Trên nhãn máy, thường xuất hiện các đại lượng quan trọng liên quan đến hiệu suất và hoạt động của thiết bị.
Công suất định mức: Pđm (KW hay W); Điện áp định mức: Uđm (V);
Dòng điện định mức: Iđm (A);
Tốc độ định mức: nđm (vg/ph).
Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích từ, dòng điện kích từ và các số liệu về điều kiện sử dụng.
1.2.3 Phương trình đặc tính của động cơ điện 1 chiều
Quan hệ giửa tốc độ và mômen động cơ gọi là đặc tính cơ của động cơ:
Quan hệ giửa tốc độ và mômen của máy sản xuất gọi là đặc tính cơ của máy sản xuất:
Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trong mạch động cơ, ngoài các đặc tính cơ bản khác.
Trong phạm vi của đề tài này chỉ xét đến đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
1.2.3.1 Phương trình đặc tính cơ:
Theo sơ đồ hình (1-5) ta có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:
Uư = Eư + (Rư +Rf)Iư ( 1-1)
Trong đó:Uư - điện áp phần ứng, (V)
Eư - sức điện động phần ứng,(V)
Rư - điện trở của mạch phần ứng, ()
Rf - điện trở phụ trong của mạch phần ứng, ()
Với: Rư = rư + rcf + rb + rct
Trong đó: rư - điện trở cuộn dây phần ứng. rcf - điện trở cuộn cực từ phụ. rb- điện trở cuộn bù. rct- điện trở tiếp xúc chổi than.
Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:
Trong đó: p - số đôi cực từ chính.
N - số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
A - số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng. - từ thông kích từ dưới một cực từ.
- tốc độ góc,rad/s. k = - hệ số cấu tạo của động cơ.
Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì:
Với: Vì vậy: Eư Ke = là hệ số sức điện động của động cơ
= (1-4) Biểu thức (1-4) là phương trình đặc tính cơ điện của đông cơ.
Mặt khác, mômen điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi:
Thay giá trị Iư vào (1-4) ta được:
Nếu không tính đến các tổn thất cơ và tổn thất thép, mômen cơ trên trục động cơ sẽ tương đương với mômen điện từ, ký hiệu là M Điều này có nghĩa là Mđt = Me = M.
Eư = (1-7) Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Giả thiết rằng phản ứng phần ứng được bù đủ và từ thông là hằng số, các phương trình đặc tính cơ điện (1-4) và đặc tính cơ (1-7) sẽ trở thành tuyến tính Đồ thị của các phương trình này, như thể hiện trong hình (1-2), là những đường thẳng.
Theo các đồ thị trên, khi Iư= 0 hoặc M = 0 ta có:
0 : gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ.
Inm,Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch.
Mặt khác từ phương trình đặc tính (1-4) và (1-7) cũng có thể được viết dưới dạng:
Eư Eư : gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M.
1.2.3.2 Xét các ảnh hưởng các tham số đến đặc tính cơ:
Từ phương trình đặc tính cơ, có ba tham số quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính cơ của động cơ: từ thông động cơ, điện áp phần ứng và điện trở phần ứng Trong đó, điện trở phần ứng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất và khả năng hoạt động của động cơ.
Giả thiết rằng U ư =U đm = Const và = đm =const.
Muốn thay đôi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R f vào mạch phần ứng
Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng:
Eo = Độ cứng đặc tính cơ:
Khi R f càng lớn càng nhở nghĩa là đặc tính cơ càng dốc Ưng với R f =0 ta có đặc tính cơ tự nhiên:
Giá trị TN có độ cứng cao nhất trong các đặc tính cơ tự nhiên, đồng thời cũng ảnh hưởng đến điện trở phụ Khi thay đổi điện trở Rf, ta thu được một tập hợp các đặc tính biến trở tương ứng với mỗi phụ tải cụ thể Việc tăng Rf dẫn đến giảm tốc độ cơ, cũng như giảm dòng điện và mômen ngắn mạch Do đó, phương pháp này thường được áp dụng để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ dưới mức tốc độ cơ bản Ảnh hưởng của điện áp phần ứng cũng cần được xem xét trong quá trình này.
Giả thiết từ thông = đm = const, điện trở phần ứng R ư = const Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với U đm , ta có:
Tốc độ không tải: Độ cứng đặc tính cơ:
Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song như trên (Hình 2-4).
Khi giảm điện áp, mômen và dòng điện ngắn mạch của động cơ sẽ giảm, dẫn đến tốc độ động cơ cũng giảm theo phụ tải nhất định Phương pháp này không chỉ giúp điều chỉnh tốc độ động cơ mà còn hạn chế dòng điện khi khởi động.
Giả thiết rằng điện áp phần ứng U ư và điện áp định mức U đm là hằng số, cùng với điện trở phần ứng R ư cũng giữ nguyên Để thay đổi từ thông, cần điều chỉnh dòng điện kích từ I kt của động cơ.
Tốc độ không tải : E ox = Độ cứng đặc tính cơ : =
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC
Sơ đồ mạch động lực
Hình 1-16: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng.
Nguyên lý hoạt động
Bộ biến đổi Thyristor chuyển đổi dòng điện xoay chiều từ lưới thành dòng điện một chiều cho phần ứng động cơ, đồng thời điều khiển suất điện động, cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ một cách hiệu quả.
Trong bộ biến đổi Thyristor, máy biến áp có vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi điện áp lưới thành điện áp phù hợp cho động cơ Nó tạo ra điểm trung tính và pha cho quá trình chỉnh lưu nhiều pha, đồng thời hạn chế biên độ dòng ngắn mạch và giảm di/dt xuống dưới mức cho phép nhằm bảo vệ van.
- Hệ thống Thysitor: nắn dòng cho phù hợp với động cơ.
- Bộ điều khiển dựng làm biến thiờn gúc, do đú biến thiờn Uử dẫn đến thay đổi
Bộ lọc sử dụng tụ điện Co và cuộn kháng L để loại bỏ các thành phần sóng hài bậc cao, đảm bảo rằng chỉ số K sb nhỏ hơn K sb cp, trong đó K sb cp được xác định dựa trên yêu cầu của tải.
Hình 2-17: Sơ đồ nguyên lý mạch động lưc
Tính chọn các thiết bị cơ bản mạch động lực
2.3.1.1 Điện áp ngược của van
- : Điện áp tải của van
- : Điện áp nguồn xoay chiều của van
- : Hệ số điện áp tải : Hệ số điện áp ngược
: Điện áp ngược của van Để chọn van theo điện áp hợp lý thì điện áp ngược lớn hơn điện áp làm việc.
Trong đó: : hệ số dự trữ ( )
2.3.1.1 Dòng điện làm việc của van Dòng điện làm việc cẩu van được chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua van
Trong đó: : Hệ số xác định dòng điện hiệu dụng ( ) : Dòng điện hiệu dụng của van
Dòng điện tải của van được xác định dựa trên các thông số làm việc đã nêu, trong đó điều kiện làm việc yêu cầu van phải có cánh tản nhiệt với diện tích bề mặt đủ lớn, cho phép van hoạt động hiệu quả ở mức 40%.
Ta có dòng định mức của van cần chọn:
Trong đó: : Hệ số dự trữ dòng điện ( ) Vậy thông số của van là:
Chọn Thyristor loại T35N1800BOF với các thông số định mức:
- : Điện áp ngược cực đại của van
- : Điện áp định mức của van
- : Dòng điện của xung điều khiển
- : Điện áp xung điều khiển
- : Sụt áp trên thyristor ở trạng thái dẫn
- : Thời gian chuyển mạch (mở và khóa)
- : Nhiệt độ làm việc cực đại
Tính toán máy biến áp chỉnh lưu
Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ đấu dây làm mát bằng không khí tự nhiên
2.4.1 Tính toán các thông số cơ bản
- Điện áp chỉnh lưu không tải
+ : Là góc dự trữ khi có suy giảm điện lưới + : Điện áp chỉnh lưu
+ : Sụt áp trên các van (Trị số này được lấy từ các thông số của van đã chọn ở trên)
Sụt áp trên dây nối và bên trong máy biến áp khi có tải là vấn đề quan trọng, bao gồm sụt áp trên điện trở và điện cảm Các đại lượng này thường được ước lượng sơ bộ vào khoảng %.
- Công suất tối đa của tải
- Công suất máy biến áp nguồn cấp được tính
Trong đó: + : Hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực
+ : Công suất cực đại của tải
- Điện áp pha thứ cấp máy biến áp
- Điện áp pha sơ cấp máy biến áp
- Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp
- Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp
Trong đó - Tỉ số biến áp
2.4.2 Tính toán sơ bộ mạch từ
- Tiết diện trụ sơ bộ
- : Công suất máy biến áp
- : Hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, lấy (biến áp khô)
- : Số trụ máy biến áp (biến áp 3 pha có m=3)
- : tần số nguồn điện xoáy chiều ( )
(cm) Chuẩn hóa đường kính trụ theo tiêu chuẩn (cm)
Chọn thép kỹ thuật điện có độ dày 0,5 mm
Mật độ từ cảm trong trụ
Chọn chiều cao trụ là 23(cm)
- Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp
Trong đó: B - Từ cảm tùy thuộc chất lượng tôn
- Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp
- Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp Đối với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô:
- Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp
Chuẩn hóa tiết diện dây theo tiêu chuẩn:
Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B
Kích thước dây dẫn có kể cách điện:
- Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp
- Tiết diện dây dẫn thứu cấp máy biến áp
Chuẩn hóa tiết diện dây theo tiêu chuẩn:
Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B
Kích thước dây dẫn có kể cách điện:
- Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp
Dây quấn được sắp xếp theo chiều dọc của trụ, với mỗi quận dây được quấn thành nhiều lớp liên tiếp Các vòng dây được quấn sát nhau, và giữa các lớp dây được cách điện bằng lớp bìa cách điện Các thông số liên quan được tính toán theo quy trình cụ thể.
Hình 2-18 Bố trí cuộn dây biến áp
Kết cấu dây quấn cuộn sơ cấp
- Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp của cuộn sơ cấp:
Trong đó: - : Chiều cao trụ
- là hệ số ép chặt
- : Khoảng cách từ gông đến cuộn sơ cấp
Chọn sơ bộ khoảng cách từ gông đến cuộn sơ cấp (cm)
- Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp
Như vậy 270 vòng chia thành 6 lớp, mỗi lớp có 45 vòng dây
- Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp
- Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày (cm)
- Khoảng cách từ trụ tới cuộn sơ cấp (cm)
- Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn sơ cấp: (cm)
- Bề dày cuộn sơ cấp
- Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp: (cm) a Kết cấu dây quấn thứ cấp
- Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp
- Chọn sơ bộ số vòng dấy trên một lớp
- Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp
- Chọn số lớp dây quấn thứ cấp
Như vậy, 287 vòng chia thành 6 lớp: lớp đầu có 47 vòng, 5 lớp sau có 48 vòng.
- Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp
- Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp:
- Bề dày cuộn thứ cấp
- Chiều dài dây quấn thứ cấp
(cm) (m) b Tính kích thước mạch từ
Chọn sơ bộ các kích thước cơ bản của mạch từ
- Chọn hình dáng của trụ
+ Chọn số bậc của trụ là 6 bậc
+ Chọn lá thép có độ dày 0,5 mm
+ Diện tích cửa sổ cần có:
+ , : Phần diện tích do cuộn sơ cấp và thứ cấp chiếm chỗ + : Số vòng dây sơ cấp, thứ cấp
+ : Tiết diện dây quấn sơ cấp, thứ cấp + : hệ số lấp đầy thường chọn
- Chọn kích thước cửa sổ:
Hình 2-19: Sơ đồ kết cấu lõi thép máy biến áp
+ Dựa vào diện tích dửa sổ ta chọn được các kích thước cơ bản của lõi thép máy biến áp sao cho tối ưu:
Suy ra: (cm), (cm), (cm),
+ Chiều rộng toàn bộ mạch từ
(cm)+ Chiều cao mạch từ
(cm) c Khối lượng sắt và đồng sử dụng
- Khối lượng sắt bằng tích của thể tích trụ và gông nhân với trọng lượng riêng của sắt :
- Khối lượng đồng tính bằng thể tích của cuộn dây đồng cần tính với trọng lường riêng của đồng :
+ l: Chiều dài của các vòng dây
Chiều dài dây quấn được xác định bằng cách nhân chiều dài mỗi vòng với tổng số vòng dây trong cuộn Do các vòng dây có chu vi khác nhau, thường sử dụng chu vi trung bình để tính toán.
- Chiều dài trung bình của cuộn dây hình chữ nhật:
Nếu coi cuộn dây là một khối hộp chữ nhật, chu vi trung bình của vòng dây hình chữ nhật có thể được tính toán Chiều dài dây được xác định theo công thức cụ thể sau đây.
Trong đó: W – Số vòng dây của mỗi cuộn
- Chiều dài trung bình mỗi cạnh của vòng dây hình chữ nhật
Hình 2-20: Hình chiếu bằng của máy biến áp có trục hình chữ nhật
Nếu coi cuộn dây như một khối hộp chữ nhật, chu vi trung bình của vòng dây hình chữ nhật có thể được tính Do đó, chiều dài dây được xác định theo công thức cụ thể.
Các chiều dài của cuộn sơ cấp và thứ cấp được tính như sau:
(cm)Vậy tổng chiều dài dây đồng là:
Vậy khối lượng của đồng cần sử dụng là:
(kg) d Tính các thông số của máy biến áp
- Điện áp rơi trên điện trở:
Trong đó: - Điện trở thuần của các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp
+ : Điện trở xuất của đồng ( )
+ l,S: Chiều dài và tiết diện của dây dẫn
+ : Dòng điện tải một chiều (A)
- Điện kháng máy biến áp quy đổi về thứ cấp
+ : Số vòng dây thứ cấp máy biến áp
+ : Bán kính trong cuộn dây thứ cấp + : Chiều cao cửa sổ lõi thép
+ : Bề dày cách điện giữa các cuộn dây
+ : Bề dày cuộn dây sơ cấp và thứ cấp + rad
- Sụt áp trên điện kháng máy biến áp
- Điện trở máy biến áp quy đổi về thứ cấp
- Sụt áp trên điện trở máy biến áp
- Điện cảm máy biến áp quy đổi về thứ cấp
- Sụt áp trên điện kháng máy biến áp
- Sụt áp trên máy biến áp
- Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp
Thiết kế cuộn kháng lọc
2.5.1 Xác định góc mở cực tiểu và cực đại
Chọn góc mở cực tiểu Với góc mở là dự trữ, ta có thể bù được sự giảm điện áp lưới.
- Khi góc mở nhỏ nhất , điện áp trên tải lớn nhất
Và tương ứng với tốc độ động cơ sẽ lớn nhất
- Khi góc mở lớn nhất , điện áp trên tải nhỏ nhất
Và tương ứng với tốc độ động cơ là nhỏ nhất
Trong đó được xác định như sau:
Trong đó: - là điện trở đường dây tra trong bảng “ Thông số của dây đồng tiêu chuẩn” theo tiết diện dây đồng.
Thay số ta tính được
2.5.2 Xác định các thành phần sóng hài Để thuận tiện cho việc khai triển chuỗi furier, ta chuyển gốc tọa độ sang điểm , khi đó điện áp tức thời trên tải khi thyristor T1, T4 dẫn là:
Với Điện áp tức thời trên tải không sin và tuần hoàn với chu kỳ:
Trong đó là số xung đập mạch trong một chu kỳ điện áp lưới Khai triển chuỗi Furier của điện áp
Vậy ta có biên độ điện áp:
2.5.3 Xác định điện cảm cuộn kháng lọc Điện kháng lọc còn được tính khi góc mở
Trong các thành phần xoay chiều bậc cao, thành phần sóng bậc k=1 có mức độ lớn nhất, gần đúng ta có:
(H) (mH) Điện cảm mạch phần ứng đã có
Trong do: - điện cảm mạch phần ứng
- là hệ số lấy cho động cơ có cuộn bù
(mH) Điện cảm cuộn kháng lọc:
2.5.4 Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc
- Do điện cảm cuộn kháng lớn và điện trở rất bé, ta có thể coi tổng trở cuộn kháng xấp xỉ bằng điện kháng cuộn kháng:
Trong đó: là số lần đập mạch trong một chu kỳ
- Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc
- Công suất của cuộn kháng lọc
- Tiết diện cực từ chính của cuộn kháng lọc
Chuẩn hóa tiết diện trụ theo kích thước có sẵn, chọn
Chọn loại thép 330A, là thép dày 0,35 (mm) a = 20 (mm), b = 25 (mm)
- Chọn mật độ từ cảm trong trụ: (T)
- Khi có thành phần điện xoay chiều chạy qua cuộn kháng thì trong cuộn kháng sẽ xuất hiện một sức điện động
- Dòng điện chạy qua cuộn kháng
Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng
- Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng:
Tiết diện dây dẫn cuộn kháng
Chọn dây quấn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B
Chọn kích thước dây: (mm)
Hình 2-21Kết cấu cuộn từ mạch kháng
Tính lại mật độ dòng điện:
- Chọn hệ số lấp đầy:
- Tính kích thước mạch từ:
Chọn , suy ra (mm) = 6 (cm)
- Chọn khoảng cách từ gông tới cuộn dây: (mm) = 0,2 (cm)
- Tính số vòng dây trên một lớp:
- Tính số lớp dây quấn:
Chia 17 lớp đầu có 13 vòng và 8 lớp sau có 12 vòng
- Chọn khoảng cách cách điện giữa dây quấn với trục: (mm) Cách điện giữa các lớp: (mm)
- Tổng bề dày cuộn dây
- Chiều dài của vòng dây trong cùng:
- Chiều dài của vòng dây ngoài cùng:
- Chiều dài trung bình của một vòng dây:
- Điện trở của dây quấn ở :
Ta thấy điện trở rất bé nên giả thiết ban đầu bỏ qua điện trở là đúng.
Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực
Các phần tử bán dẫn công suất ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhờ vào nhiều ưu điểm nổi bật như kích thước gọn nhẹ, độ tin cậy cao trong quá trình hoạt động, khả năng tác động nhanh chóng, hiệu suất vượt trội và dễ dàng tích hợp vào hệ thống tự động hóa.
Tuy nhiên những phần tử bán dẫn công suất rất khó tính toán và cũng hay bị hư hỏng do nhiều nguyên nhân khác nhau.
Do đó cần phải bảo vệ các Thyristor, cần phải tuân thủ các tỉ số giới hạn sử dụng do nhà sản xuất đã định với từng phần tử:
- Điện áp ngược lớn nhất
- Giá trị trung bình lớn nhất đối với dòng điện
- Nhiệt độ lớn nhất đối với thiết bị
- Tốc độ tăng trưởng lớn nhất của dòng điện
Các phần tử bán dẫn công suất cần được bảo vệ khỏi các sự cố bất ngờ như ngắn mạch tải, quá điện áp và quá dòng điện, nhằm đảm bảo an toàn và ổn định trong hoạt động.
2.6.2 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn
Khi van bán dẫn hoạt động, dòng điện chạy qua tạo ra sụt áp, dẫn đến tổn hao công suất và sinh nhiệt, làm nóng van Van bán dẫn chỉ có thể hoạt động trong một khoảng nhiệt độ cho phép; nếu vượt quá mức này, van sẽ bị hỏng Do đó, việc thiết kế và lựa chọn hệ thống tỏa nhiệt hợp lý là rất quan trọng để đảm bảo van bán dẫn hoạt động an toàn và không bị chọc thủng do nhiệt.
Tính toán cánh tỏa nhiệt:
- Tổn thất công suất trên Thyristor: (W)
- Diện tích bề mặt tỏa nhiệt:
+ : tổn hao công suất (W) + : độ chênh nhiệt độ so với môi trường + : Hệ số tỏa nhiệt đối lưu và bức xạ Chọn
Chọn nhiệt độ môi trường
Nhiệt độ làm việc cho phép của Thyristor
Chọn nhiệt độ trên cánh tỏa nhiệt
Chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh, kích thước mỗi cánh:
Tổng diện tích tỏa nhiệt của cánh tản nhiệt:
2.6.3 Bảo vệ quá dòng điện cho van
Aptomat là thiết bị quan trọng trong việc đóng cắt mạch động lực, tự động ngắt mạch khi xảy ra tình trạng quá tải hoặc ngắn mạch Nó đảm bảo an toàn cho hệ thống bằng cách ngắt kết nối trong các tình huống như ngắn mạch đầu ra của bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp của máy biến áp, và ngắn mạch trong chế độ nghịch lưu.
+ Dòng điện làm việc chạy qua aptomat: (A)
+ Dòng điện aptomat cần chọn: (A)
Chọn CB có 3 tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc nam châm điện Chỉnh định dòng ngắn mạch: (A)
Từ thống số trên tra bảng catalog CB hãng Siemens chọn aptomat có mã sản phẩm là: 5SL4320-7CC
- Chọn cầu dao có: dòng định mức (A)
Cầu dao là thiết bị quan trọng giúp tạo ra khoảng hở an toàn trong quá trình sửa chữa hệ thống truyền động Nó cũng được sử dụng để đóng cắt nguồn chỉnh lưu, đặc biệt khi khoảng cách từ nguồn cấp đến bộ chỉnh lưu là đáng kể.
- Dùng dây chảy: tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu.
+ Nhóm 1CC: dòng điện định mức dây chảy nhóm 1CC
Kích thước cơ bản: a < 200 mm b < 200 mm h < 180 mm mm mm
Hình 2-22: Hình dáng và kích thước giới hạn cho cánh tỏa nhiệt cho 1 van bán dẫn
+ Nhóm 2CC: dòng điện định mức dây chảy nhóm 2CC
+ Nhóm 3CC: dòng điện định mức dây chảy nhóm 3CC
2.6.4 Bảo vệ quá điện áp cho van
Bảo vệ quá điện áp cho quá trình đóng cắt Thyristor được thực hiện bằng cách mắc R-C song song với Thyristor Khi chuyển mạch xảy ra, điện tích trong lớp bán dẫn phóng ra, tạo ra dòng điện ngược trong thời gian ngắn Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra suất điện động cảm ứng lớn trong các điện cảm, dẫn đến quá điện áp giữa Anot và Ktot của Thyristor Việc mắc mạch R-C song song với Thyristor giúp tạo ra mạch vòng phóng điện tích, từ đó ngăn chặn quá điện áp cho Thyristor trong quá trình chuyển mạch.
Để bảo vệ xung điều khiển từ lưới điện, chúng ta sử dụng mạch R-C, giúp giữ đỉnh xung gần như hoàn toàn trên điện trở của đường dây.
Hình 2-23: Mạch R-C bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch
Hình 2-24: Mạch R-C bảo vệ điện áp từ lưới
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Tính chọn các phần tử trong khâu khuếch đại xung
Chọn diot D4 dùng điều khiển của Thyristor T60N1000VOF:
Chọn diot D4 loại S310 của Liên Xô với các thông số:
UCE = 40 V, UBE = 3 V, Ic max = 300 mA, β = 13 – 25
Chọn D2, D3 loại S310 có các thông số:
Diot Dz2 là loại diot zener loại 1W3815 có các thông số:
Dòng điện ra từ chân 14 và 15 qua diot D1 là 50 mA
Biên độ xung ra Ux = 16 V
Chọn Dz1 là diot zener loại KU139A có các thông số
Dòng điện ra trên chân 14 và 15 qua diot D1 là 50 mA
Biên độ xung ra Ux = 16 V Điện trở R2 được tính như sau:
Chọn Tranzitor công suất Tr loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông số :
+Tranzitor loại n-p-n,vật liệu bán dẫn là Si.
+Điện áp giữa colecto và bazơ khi hở mạch emito: UCB0 @ V.
+Điện áp giữa emito và bazơ khi hở mạch colecto: UEB0 =4 V.
+Dòng điện lớn nhất ở colecto có thể chịu đựng: IcmaxP0 mA.
+Công suất tiêu tán ở colecto: PC=1,7 W.
+Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T1 5 0 C.
+Dòng làm việc của colecto: IC3=I1= 50 mA.
+Dòng điện làm việc của bazơ: IB3=IC3/P/50=1 mA.
Ta thấy rằng với loại Thyristor đã chọn có công suất điều khiển khá bé Udk=1,4V,Idk=0,15 A
Chọn các phần tử bên ngoài TCA 780
Tính toán máy biến áp đồng pha
Máy biến áp đồng pha là máy biến áp tạo nguồn cung cấp cho TCA 780.
Máy biến áp đồng pha với điện áp lớn sử dụng sơ đồ nối dây ∆/Υ, tạo ra độ lệch 30 độ một cách tự nhiên và đảm bảo sự đồng pha cho máy biến áp thứ cấp Độ dài xung răng cưa của máy biến áp đồng pha tương ứng với điện áp điều khiển cực đại được xác định.
TCA có dòng vào đồng bộ khoảng I5 = 200 (μA)
Vậy điện trở R5 được tính như sau:
Tỉ số biến áp của máy biến áp đồng pha:
Dòng điện sơ cấp của máy biến áp là:
Công suất của máy biến áp đồng pha:
Công suất của máy biến áp đồng pha tương đối nhỏ.
Chọn vật liệu sắt từ có độ từ hoá tuyến tính BS = 2,2 T và ∆B = 1,7 T, với lõi hình chữ nhật, hoạt động ở tần số 50 Hz và có khe.
Từ thẩm của lõi thép từ:
Vì mạch từ có khe hở nên phải tính từ thẩm trung bình.
Sơ bộ ta chọn chiều dài trung bình của đường sức:
Thể tích lõi sắt từ:
Chọn thể tích bằng 3 (cm 3 )
Chọn các số liệu thiết kế: l = 1 (cm), a 3
Số vòng dây cuộn sơ cấp biến áp xung:
Số vòng dây cuộn thứ cấp biến áp xung:
MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
Mô phỏng bộ chỉnh lưu 3 pha tia dùng THYRISTOR
Hình 4-26: Mô phỏng bằng Psim
Hình 4-27: kết quả mô phỏng
Mô phỏng động cơ DC
Hình 4-28: Thông số sử dụng
Hình 4-29: Mô phỏng động cơ DC bằng simulink
Hình 4-31: Kết quả mô phỏng
Hình 4-30: Động cơ một chiều kích từ độc lập trên simulink
Sau 14 tuần thực hiện đồ án dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Quách Đức Cường, nhóm chúng em đã hoàn thành đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ nguồn 1 chiều cấp cho động cơ điện kích từ độc lập” Đề tài này không chỉ giúp chúng em tính toán hệ thống cung cấp điện mà còn nâng cao hiểu biết về kiến thức đã học trong suốt thời gian qua.
Trong quá trình thực hiện đề tài, em đã tích lũy được nhiều kiến thức quý giá, giúp nâng cao trình độ của mình một cách vững chắc Kết quả thu được từ nghiên cứu này rất đáng khích lệ.
- Hiểu rõ hơn về Hệ truyền động điện T-Đ
- Các nguyên tắc điều chỉnh tự động truyền động điện.
- Cách xây dựng các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ.
-Xây dựng được mạch điều khiển cho hệ truyền động điện T-Đ
- Hiểu rõ hơn về phần mềm Matlab, mô phỏng được đặc tính ổn định của hệ.
- Tìm hiểu được chức năng của TCA780 và một số linh kiện khác.
Mặc dù thời gian nghiên cứu có hạn, nhóm chúng em nhận thấy đề tài phù hợp với kiến thức về thiết kế hệ thống cung cấp điện mà chúng em đã tích lũy Tuy nhiên, do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế, cũng như khó khăn trong việc thu thập tài liệu tham khảo, đề tài vẫn còn nhiều thiếu sót Chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo tận tình từ các thầy cô để có thể hiểu và tiếp cận thực tế hơn Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Quách Đức Cường đã hướng dẫn và hỗ trợ nhóm trong việc hoàn thành đồ án, giúp chúng em có nền tảng vững chắc cho sự nghiệp sau này.
Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn!
KẾ HOẠCH THỰC HIỆN TIỂU LUẬN, BÀI TẬP LỚN, ĐỒ ÁN/DỰ ÁN
Tên chủ đề: Thiết kế hệ thống điện tử công suất ứng dụng trong truyền động điện
Tuần Người thực hiện Nội dung công việc Phương pháp thực hiện
1-2 Sinh viên Chương 1 Nghiên cứu tài liệu,vận dụng kiến thức thực hiện ; thảo luận nhóm 3-4 Sinh viên Chương 2
10 Sinh viên Nộp bản mềm
11-15 Sinh viên Tổng hợp hoàn thiện báo cáo
XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN