Đang tải... (xem toàn văn)
Do yêu cầu của công việc cũng như khả năng làm việc của mạch điện không đồng bộ nên cho đến nay nó được sử dụng rộng rãi nhất trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kilôoat. Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ… Trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió. Trong nông nghiệp dùng làm máy bơm hay máy gia công sản phẩm. Trong đời sống hàng ngày máy điện không đồng bộ cũng dần chiếm một vị trí quan trọng :quạt gió, máy quay đĩa, động cơ trong tủ lạnh…. Bởi nó có những ưu điểm nổi bật hơn hẳn so với máy điện một chiều cũng như máy điện đồng bộ, đó là : Có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, làm việc chắc chắn, vận hành tin cậy. Chi phí vận hành và bảo trì sửa chữa thấp, hiệu suất cao, giá thành hạ. Máy điện không đồng bộ sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều do đó không cần phải tốn kếm thêm chi phí cho các thiết bị biến đổi. Tuy nhiên, máy điện không đồng bộ chủ yếu được sử dụng ở chế độ động cơ, nên nó cũng có một số nhược điểm là dòng khởi động của động cơ không đồng bộ thường lớn (từ 4 đến 7 lần dòng định mức). Dòng điện mở máy quá lớn không những làm cho bản thân máy bị nóng mà còn làm cho điện áp lưới giảm sút nhiều (hiện tượng sụt áp lưới điên), nhất là đối với lưới điện công suất nhỏ. Do đó vấn đề đặt ra là ta cần phải giảm được dòng điện mở máy của động cơ không đồng bộ , đặc biệt là với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc. Bởi vì việc tác động vào động cơ rôto lồng sóc khó khăn hơn so với động cơ không đồng bộ rôto dây quấn. Tuy nhiên, hiện nay với việc áp dụng những ứng dụng của điện tử thì công việc đó đã trở nên dễ dàng hơn.
Nguyễn Quốc Hải Phần I GIỚI THIỆU CHUNG CHƯƠNG I : LỜI MỞ ĐẦU Do yêu cầu công việc khả làm việc mạch điện không đồng nên sử dụng rộng rãi ngành kinh tế quốc dân với cơng suất từ vài chục đến hàng nghìn kilơoat Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa nhỏ, động lực cho máy công cụ nhà máy công nghiệp nhẹ… Trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió Trong nơng nghiệp dùng làm máy bơm hay máy gia công sản phẩm Trong đời sống hàng ngày máy điện không đồng dần chiếm vị trí quan trọng :quạt gió, máy quay đĩa, động tủ lạnh… Bởi có ưu điểm bật hẳn so với máy điện chiều máy điện đồng bộ, : Có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, làm việc chắn, vận hành tin cậy Chi phí vận hành bảo trì sửa chữa thấp, hiệu suất cao, giá thành hạ Nguyễn Quốc Hải Máy điện không đồng sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều khơng cần phải tốn kếm thêm chi phí cho thiết bị biến đổi Tuy nhiên, máy điện không đồng chủ yếu sử dụng chế độ động cơ, nên có số nhược điểm dịng khởi động động khơng đồng thường lớn (từ đến lần dòng định mức) Dịng điện mở máy q lớn khơng làm cho thân máy bị nóng mà cịn làm cho điện áp lưới giảm sút nhiều (hiện tượng sụt áp lưới điên), lưới điện công suất nhỏ Do vấn đề đặt ta cần phải giảm dòng điện mở máy động không đồng , đặc biệt với động khơng đồng rơto lồng sóc Bởi việc tác động vào động rơto lồng sóc khó khăn so với động không đồng rôto dây quấn Tuy nhiên, với việc áp dụng ứng dụng điện tử cơng việc trở nên dễ dàng Nguyễn Quốc Hải ChươngII Các phương pháp mở máy 2.1-Mở máy động điện khơng đồng bộ: Khi bắt đầu mở máy roto đứng yên, hệ số trượt s=1 nên trị số dịng điện mở máy tính theo mạch điện thay : Ik = U1 (r1 + C1r2′ ) + ( x1 + C1x 2′ ) Nguyễn Quốc Hải Từ cơng thức ta thấy , dịng điện khởi động động không đồng phụ thuộc vào thân cấu tạo động phụ thuộc nhiều vào điện áp lưới Trên thực tế , mạch từ tản bão hòa nhanh, điện kháng giảm xuống nên dòng điện mở máy lớn so với trị số tính theo cơng thức trên,ở điện áp định mức thường dòng mở máy đến lần dịng định mức Điều khơng làm cho động nhanh bị hỏng mà làm cho điện áp lưới khi khởi động giảm nhiều Do thiết ta phải làm giảm dịng điện mở máy 2.2-Các phương pháp mở máy : Các yêu cầu mở máy : - Phải có mơmen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính tải - Dịng điện mở máy nhỏ tốt - Phương pháp mở máy thiết bị cần dùng đơn giản , rẻ tiền , chắn - Tổn hao công suất trình mở máy nhỏ tốt 2.2.1-Mở máy trực tiếp động điện rơto lồng sóc : Đây phương pháp đơn giản nhất, ta đóng trực tiếp động điện vào lưới điện Khi điện áp U1 đặt vào dây quấn stato điện áp lưới (như Nguyễn Quốc Hải hình vẽ).Do dịng điện mở máy lớn , quán tính tải lớn thời gian mở máy dài làm cho máy sinh nhiệt ảnh hưởng điện áp lưới u 2.2.2-Hạ điện áp mở máy: Từ công thức dòng điện mở máy ta thấy, giảm điện áp đặt vào stato mở máy giảm dòng điện mở máy Nhưng hạ điện áp mở máy làm cho mơmen khởi động giảm xuống Nguyễn Quốc Hải m1pU1 r2′ Mk = 2π f1[(r1 +C1r2′ ) + (x1 + C1x 2′ ) ] Do ta dùng phương pháp cho thiết bị mở máy cỡ nhỏ 2.3-Các phương án: -Nối điện kháng trực tiếp vào mạch điện stato: Khi mở máy mạch điện stato đặt nối tiếp điện kháng, sau mở máy song điện kháng bị nối ngắn mạch -Dùng biện pháp tự ngẫu: Ta sử dụng máy biến áp tự ngẫu, bên cao áp nối với lưới điện, bên hạ áp nối với động điện Sau mở máy song biến áp tự ngẫu ngắt khỏi mạch động lực(động ) -Mở máy phương pháp thay đổi nối Υ-∆: phương pháp thích ứng với máy làm việc bình thường chế độ đấu tam giác, mở máy ta đổi thành -Dùng điều áp xoay chiều ba pha dùng ba triac đấu song song với * Phân tích ưu nhược điểm tưng phương pháp mở máy: + Cả bốn phương pháp có tác dụng hạ dịng mở máy qua trình hoạt động động dịng tăng đột ngột lý Nguyễn Quốc Hải phương pháp khơng đáp ứng được(khơng hạn chế dịng đó) ta dùng điều áp xoay chiều pha Ưu điểm điều áo xoay chiều pha điều chỉnh góc α thích hợp xung điều khiển đặt vào thyristor hạ điện áp đặt vào stasto hạn chế dòng qua động Và cịn tham gia vào mạch q trình hoạt động động Tuy nhiên nhược điểm phương pháp dịng điện điện áp khơng sin Nhưng thời gian mở máy nhỏ (từ 1-3 giây) nên t sử dụng Vì ta định chọn phương án dùng điều áp xoay chiều pha để làm khởi động cho động không đồng pha rơto lồng sóc 2.4- Phương pháp dùng điều áp xoay chiều pha: Ta sử dụng thyristor đấu song song ngược theo sơ đồ hình vẽ Khi ta cấp điện áp xoay chiều vào ba đầu A, B, C, cịn phụ thuộc vào góc mở van thyristor nên ta có dạng điện áp đặt vào động ứng với Nguyễn Quốc Hải vùng góc mở van Các điện áp nhỏ so với điện áp vào B A T1 T4 T6 T4 T3 C T5 T2 ĐC 2.5- Phân tích hoạt động điều áp xoay chiều pha: Nguyễn Quốc Hải -Vì động khơng động khơng đồng coi phụ tải gồm có điện áp trở cuộn cảm nối tiếp nhau, đo: +Điện trở rôto biến thiên theo tốc độ quay +Điện cảm phụ thuộc vào vị trí tương đối dây quấn rơto stato + Góc pha dịng điện điện áp biến thiên theo tốc đọ quay ω= ω(s) -Do tính chất tự nhiên mạch điện (có điện cảm)nên khoảng v < ω mà đặt xung điều khiển vào van bán dẫn van dẫn dòng thời điểm v= ω trở đi.Do điện áp động khơng phụ thuộc vào góc mở Nếu ta khơng điều chỉnh vào điện áp , ta đặt xung điều khiển với góc mở > ω -Khi v> ω tùy thuộc vào giá trị tức thời điện áp dây mà có lúc có van pha khác dẫn dòng , hay van van khác dẫn dịng: +Nếu có van pha khác dẫn dòng Nguyễn Quốc Hải a b c a' b' c' Za Zb Zc Khi dịng điện tải : i= U dm sin(ω + ϕ ) 3Z Uđm :biên độ điện áp dây Ω :Góc lệch pha điện áp dòng điện giai đoạn xét +Nếu có pha có van dẫn: 10 Nguyễn Quốc Hải - Dịng điện lớn colecto chụi đựng Icmax = 500 mA - Công suất tiêu tán colecto Pc = 1.7W - Nhiệt độ lớn mặt tiếp giáp : t = 1750C - Hệ số khuyếch đại: β =50 - Dòng làm việc colecto : Ic3 = I1 = 33.3mA - Dòng làm việc bazơ :IB3 = IC3 Ta thấy loại transistor van dẫn có cơng suất điều khiển bé : Uđk = 3V, Iđk = 0.15A Nên dòng colecto-bazơ transistor Ir3 bé, trường hợp ta khơng cần transistor T2 mà đủ công suất điều khiển transistor Chọn nguồn cho biến áp xung E = 15V, ta phải mắc thêm điện trở R10 nối tiếp với cực emitor Ir3,R1 R10 = E-U1 15 − = = 60(Ω) I1 0.15 Tất diode mạch điều khiển dùng loại 1N4009 có tham số: -Dịng điện định mức:Iđm =10A - Điện áp diode mở thông :Um = 1V - Điện áp ngược lớn UN = 25V 3.3 Chọn cổng AND Ta thấy mạch điều khiển dùng cổng AND nên ta lựa chọn IC4081 họ CMOS Mỗi IC4081 có cổng AND với thơng số: -Nguồn ni IC: VCC = 3÷9V ta lựa chọn Vcc =12V 45 Nguyễn Quốc Hải -Nhiệt độ làm việc: T = -400C÷800C -Điện áp ứng với mức logic”1”: 2÷4.5V -Dịng điện nhỏ 1mA -Cơng suất tiêu thụ P = 2.5(nW/1cổng) Chọn tụ C3 R9 Điện trở R9 dùng đê hạn chế dòng điện vào bazơ cua transistơ Ir3 Chọn R6 thỏa mãn điều kiện: với Irò=0,001(A) U 4,5 R6 ≥ I = 0,001 = 4,5kΩ r3 Chọn C3 R6 = tx mà R6 = 4,5 t 167 x => C3 = R = 4,5 = 0, 037( µ F ) 3.4 Tính tạo xung chùm Ta có kênh điều khiển phải dùng kênh khuyếch đại thuật tốn, ta chọn IC loại TL084 hãng Texas Instrumenst chế tạo, IC có khuyếch đại thuật tốn Ta có thơng số IC TL084 : -Điện áp nuôi Vcc= ±18V, chọn Vcc = ±12V -Hiệu điện hai đầu vào: U= ±30V -Nhiệt độ làm việc : T= -25÷850C , -Cơng suất : P=0,68 (W) 46 Nguyễn Quốc Hải -Tổng trở vào : Rin= 106 MΩ -Dòng điện ra: Ira= 30 (pA) -Tốc độ biến thiên điện áp: du/dt = 13(V/µs) Mạch tạo chùm xung có tần số: f= 2f = 10(HZ) , hay chu kì chum xung: x T= 1 = ( µ s) f 10 Ta có T= 2R9.C2.ln(1+2R8/R7), chọn R8=R7=33(Ω) Thì ta có T= 2,2R9.C2=1000 R9.C2= 454,5(µs) Chọn C2 = 0,1µs, có điện áp U=16(V), R9= 454,5 (Ω) Và để thuận tiện cho việc lắp mạch ta lựa chọn R9=5(kΩ) Uđk = V Iđk= 0,15 A Thời gian chuyển mạch: tcm= 120 µs Độ rộng xung tx = 167 fđk = 10 kHz 3.5 Tính tạo xung áp Chọn vật liệu làm lõi sắt Ferit HM Lõi có dạng hình xuyến làm việc phần đặc tính từ hóa có: ∆B= 0,8 (T), ∆H= 20(A/m), khơng có khe hở khơng khí 47 Nguyễn Quốc Hải Tỷ số biến áp thường m=2÷3 nên chọn m=3 Điện áp cuộn thứ cấp la: U2= Uđk =3V Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp: U1= m.U2= 3.3= 9V Dòng điện thứ cấp: I2= Iđk=0,15A Dòng điện sơ cấp I1= I 0,15 = = 0, 05 (A) m Độ từ thẩm trung bình tương đối lõi sắt: µTB = ∆B 0,8 = = 21.103 −6 µ0 ∆H 1, 26.10 30 Với :µ0 = 1,26.10-6 Vậy ta tích lõi thép cần có : V= µTB µ0 t x Sx U.I2 21.103.4.10−6.167.0,15.15.0,15 = = 2,34 (cm3) 2 ∆B 0,8 Với V= 2,34 cm3, ta chọn biến áp xung với thông số a=6mm, b=8mm,d=25mm,D=40mm Q=0.49cm2 Chiều dài mach từ:L=10.2 (cm) Số vòng dây sơ cấp máy biến áp xung Theo luật cảm ứng điện từ: U = W1Q dB ∆B Ut x 12.167 = W1Q ⇒ W1 = = = 532 dt tx ∆BQ 0,8.4, (vòng) 48 Nguyễn Quốc Hải Số vòng dây thứ cấp: W2 = W1 532 = = 177 ( vòng ) m1 Tiết diện dây quấn sơ cấp: S1 = I1 0.5 = = 0.0083 ( mm ) J1 Đường kính dây quấn sơ cấp: d1 = 4s1 4.0, 0083 = = 0.1( mm ) π 3.14 Tiết diện dây quấn thứ cấp là: S2 = I 0.15 = = 0.0375 (mm2) J2 Với J = Vậ đường kính dây quấn thứ cấp là: d2 = 4S2 4.0, 0375 = = 0.2 (mm) π π Kiểm hệ số lấp đầy: K ld = S1W1 + S2 W2 0, 0083532 + 0, 0375177 = = 0.11 d2 252 π+ 3.14 + 4 Vời Klđ = 0,11 cửa sổ đủ diện tích cần thiết Tầng so sánh khuyếch đại thuật toán loại TL084 49 Nguyễn Quốc Hải Chọn R4 = R5 > UV/Iđk = 12/0,1.103 = 12kΩ Trong nguồn ni Vcc = ±12V điện áp A3 Uv ; 12V dòng điện vào hạn chế để Ilv < 1mA Do ta lựa chọn R4 = R5 = 15 kΩ dịng vào A3 : Iv = 12 = 0,8 mA 15.103 Tính chọn khâu đồng pha Điện áp tụ hình thành nạp tụ C1 mặt khác để đảm bảo điện áp tụ có nửa chu kì điện áp lưới tuyến tính số thời gian nạp tụ :T = R1.C1 = 0.005s (thời gian nạp tụ T = 0.005s) T 0, 005 Chọn tụ C1 = 0.1µF điện trở R1 = C = 0,1.10−6 = 50kΩ Thông thường R3 chọn làm biến trở để thuận tiện cho việc điều chỉnh Ta chọn transistor loại AS64 với thông số transistor loại PNP làm Si Điện áp colector bazơ hở mạch emitor :UCBO = 25V Điện áp emitor bazơ hở mạch collector : UEBO = 7V Dòng điện lớn colector chụi đựng ICmax = 100mA Nhiệt độ lớn mặt tiếp giáp : Tcp = 1500C Hệ số khuyếch đại β = 250 50 Nguyễn Quốc Hải I 100 C Dòng điện cực đại bazơ : IB = β = 250 = 0, A Điện trở R2 để hạn chế dòng điện vào cực bazơ transistor tính sau:R2 ≥ thỏa mãn điều kiện R2 U Nmax 12 = = 30kΩ IV 0, 4.10−3 Chọn điện áp xoay chiều đồng pha UA = 9V Điện trở R3 để hạn chế dòng điện qua khuyếch đại thuật toán A1 R3 chọn cho dòng điện vào khuyếch đại thuật tốn với IV < 1mA Do U A R3 ≥ I = 10−3 = 9(kΩ) V Chọn R =10kΩ 3.6 Tính tốn biến áp nguồn ni đồng pha Ta thiết kế máy biến áp dùng cho việc tạo điện áp đồng pha tạo nguồn nuôi, chọn kiểu biến áp pha trụ trụ có cuộn dây cuộn sơ cấp cuộn thứ cấp Điện áp lấy thứ cấp máy biến áp làm biến áp đồng pha lấy làm nguồn nuôi: U2 = U2đpđm = UN = 15V Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha : I2đp = 1mA 51 Nguyễn Quốc Hải Công suất nguồn nuôi cho biến áp xung : Uđp= 6.U2đpđm.I2đp = 6.15.10-3 = 0.09W Công suất tiêu thụ 6ICTL084 sử dụng làm khuyếch đại thuật toán ta chọn IC4081 để tạo cổng AND: PIC = 8.Pic 8.0,68=5,12W Công suất máy biến áp xung cấp cho cực điều khiển tiristor: PX= 6.Uđk.Iđk = 6.3.0,15 = 2,7W Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi: PN = Uđp + PIC + PX = 0.09 + 5.12 + 2.7 = 7.91W Công suất máy biến áp tổn thất 5% máy gây ra: PTT = 0,05.(0,09+PN) = 0,4W Vậy tổn thất công suất máy biến áp gây ra: S = PTT + PN = 0,4 + 7,91 = 8,3 VA Dòng điện thứ cấp máy biến áp I2 = S 8,31 = = 0, 09(A) 6.U 6.15 I1 = S 8,31 = = 0, 0125( A) 3.U 3.220 Dòng điện sơ cấp Tiết diện trụ máy biến áp tính theo cơng thức kinh nghiệm 52 Nguyễn Quốc Hải Qt = k q S 8,31 = = 1, 4(cm2 ) m.f 3.50 Nên ta có tiêu chuẩn hóa tiết diện trụ Qt = 1,63 cm2, kích thước mạch từ a = 12 mm h = 30 mm b = 16 mm hệ số ép chặt = 0,85 Trong kQ = dựa vào hệ số phương pháp làm mát Số trụ máy biến áp: m = Tần số lưới điện f = 50 Hz Ta có số vòng dây cuộn sơ cấp: W1 = 220.10−4 = 7071 (vòng) 4, 4.50.1, Dây cuộn thứ cấp : W2 = 15.10−4 = 482 (vòng) 4, 44.50.1, Chọn mật độ dòng điện : J1 = J2 = 2,75(A/mm2) Đường kính dây : d1= 4.S1 4.0, 00457 = = 0, 076(mm) π 3,14 Vậy chọn d1 = 0,1mm để đảm bảo độ bền cách điện tốt ta chọn d1 = 0,12mm Số vòng dây cuộn thứ cấp: W2 = 482 vòng 53 Nguyễn Quốc Hải S 8,31 Tiết diện dây: S2 = 6.U J = 6.15.2, 75 = 0, 0335(mm ) 2 Đường kính dây cuộn thứ cấp : d2 = 4.S2 0, 03355.4 = = 0, 2(mm) π 3,14 Chọn d2 =0,31mm π (d W + d W ) Hệ số lấp đầy klđ = 0,9 với klđ = 1 C.h Cửa sổ máy biến áp : π 2 (d1 W1 + d W1 ) C= = 5,5(mm) h.k ld Chọn C = 10mm Chiều dài mạch từ: C0=2C+3a=2.10+3.12=56(mm) Chiều cao mạch từ: H = h + 2a = 30 + 2.12 =54(mm) 3.7 Tính tốn chọn diode cho chỉnh lưu nguồn ni : Dòng điện HD qua IDHD = I 0, 09 = = 0, 06( A) 2 Điện áp ngược lớn mà diode phải chịu: UNmax = 6.U = 6.15 = 36, 7(V ) Chọn diode có Iđm 54 Nguyễn Quốc Hải Iđm ≥ ki.IDHD = 10.0,06 = 0,6(A) Chọn Iđm = 1A Chọn diode có điện áp ngược lớn Un = kn.UNmax = 2.36,7 =73,4(V) Với Iđm = 1(A), Un=73,4(V) ta chọn diode loại KH 208A có thơng số :Iđm=1.5A,UN=100V Phần III : Mơ 55 Nguyễn Quốc Hải Mô mạch động lực phần mềm Psim Mạch mô kết hình vẽ bên hình vẽ bên : 56 Nguyễn Quốc Hải 57 Nguyễn Quốc Hải 58 Nguyễn Quốc Hải Kết luận Học kì vừa qua với giúp đỡ tận tình thầy Bùi Văn Huy Chúng em dã cố gắng hồn thành đồ án mơn điện tử cơng suất với đề tài “ thiết kế điều khiển động khơng đồng roto lồng sóc “mặc dù lúc đầu bỡ ngỡ, bảo tận tình thầy Bùi Văn Huy, chúng em hồn thành đồ án, có thêm nhiều kinh nghiệm quý báu thực tế, kiến thức điện tử công suất môn học khác để sau có đủ tự tin làm đồ án khác giúp chúng em : Hiểu cấu tạo, nguyên lí hoạt động điều áp xoay chiều pha ứng dụng vào thực tế Biết cách thiết kế tính tốn mạch động lực Biết cạch thiết kế tính tốn mạch điều khiển Kết mơ cho thấy mạch động lực cho thấy hoạt động tốt đạt yêu cầu thực tế đặt Điều chứng tỏ tính đắn mạch thiết kế, kết là sở cho việc ứng dụng để thiết kế mạch thực tế 59 ... cần phải giảm dòng điện mở máy động không đồng , đặc biệt với động không đồng rôto lồng sóc Bởi việc tác động vào động rơto lồng sóc khó khăn so với động không đồng rôto dây quấn Tuy nhiên, với... µs ChươngII 25 Nguyễn Quốc Hải CÁC ĐIỀU KIỆN ĐỂ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 2.1-giới thiệu chung mạch điều khiển toàn hệ thống 1.Các yêu cầu chung hệ thống điều khiển a-Đảm bảo phát xung với đủ yêu... ta dùng điều áp xoay chiều pha Ưu điểm điều áo xoay chiều pha điều chỉnh góc α thích hợp xung điều khiển đặt vào thyristor hạ điện áp đặt vào stasto hạn chế dịng qua động Và tham gia vào mạch