Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ đoc lập có đảo chiều theo nguyên tăc điều khiển riêng, Udm=80 V;I đm=20 A;U kích từ = 50V;I kích từ = 2 A

Thiết kế nguồn cấp điện ,cho động cơ điện một chiều, kích từ đoc lập, có đảo chiều ,theo nguyên tăc, điều khiển riêng, Udm=80 V;I đm=20 A;U kích từ = 50V;I kích từ = 2 A

đồ án điện tử công suất đề tài: 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 Với số liệu Udm=80 V Iđm=20 A Ukích từ=50V Ikích từ=2A Phạm vi điêu chỉnh 30:1 NHIÊM VU : 1) Tìm hiểu về công nghệ và yêu cầu kỹ thuật của thiết bị cần thiết kế. 2) Đề xuất các phơng án tổng thể,phân tích u,nhợc điểm của từng phơng án để đi đến lựa chon một phơng án phù hợp thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật. 3) Xây dựng chi tiết toàn bộ sơ đò nguyên lý mạch thiết kế (cả mạch lực và mạch điều khiển),sau đó thuyết minh sự hoạt động của sơ đồ này với đồ thị minh hoạ. 4) Tính toán mạch lực. 5) Tính toán mạch điều khiển. 6) Lập bảng trị số toàn bộ các phần tử và linh kiện tính toán đợc trong phần 4 và 5. 7) Kiểm chứng bằng chạy mô phỏng trên máy tính PC. 8) Kết luận. 9) Tài liệu tham khảo. Chơng I Tìm hiểu về công nghệ và yêu cầu kỹ thuật của thiết bị cần thiết 1). Tìm hiểu về công nghệ thiết bị. - 3 - -trong công nghiệp động cơ điện một chiều đợc sử dụng rất rộng rãi cũng nh trong giao thông vận tải. nói chung ở nhiều thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng < Máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện >.Cũng nh máy phát điện động cơ điện một chiều đợc phân loại theo cách kích thích từ: Động cơ điện kích thích độc lập, Động cơ điện kích thích song song. Động cơ điện kích thích nối tiếp, Động cơ điện kích thích hỗn hợp. a). Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích độc lập. b). Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích song song. c). Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích nối tiếp. d). Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích hỗn hợp. - ở động cơ kích thích độc lập I = I - ở động cơ kích thích song song và hỗn hợp I = I + I t - ở động cơ kích thích nối tiếp I = I= I t trên thực tế đặc tính của động cơ điện một chiều kích thích độc lập và song song gần nh không thay đổi, nhng khi cần công suất lớn ngời ta thờng dùng động cơ điện kích thích độc lập để điều chỉnh dòng điện đợc thuận lợi và kinh tế. Mặc dù loại động cơ này đòi hỏi phải có thêm nguồn điện phụ bên ngoài, ngoài ra khác với trờng hợp máy phát điện kích thích nối tiếp động cơ điện kích thích nối tiếp đợc dùng rất nhiều và chủ yếu trong các ngành kéo tải bằng điện. 2). Yêu cầu kỹ thuật của thiết bị cần thiết kế. -tốc độ điều chỉnh trơn. - 4 - t a) b) c) d) Hình -1 .Sơ đồ nối dây i t i t i t -Chống mất kích từ. -Kích từ độc lập có đảo chiều theo nguyên tắc điều khiển riêng. -Phạm vi điều chỉnh 30:1. 3). Cấu tạo của động cơ điện một chiều. Gồm hai phần chính phần tĩnh (stato) và phần động (rôto). a).phần tĩnh (stato) gồm các bộ phận sau +cực từ chính gồm lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ . Lõi sắt cực từ làm bằng lá thép kỹ thuật điện hay thép các bon dày 0,5-1 mm ép lại và tán chặt. Dây quấn kích từ làm bằng đồng hoặc nhôm đợc bọc cánh điện quấn thành các cuộn dây. các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ đợc nối với nhau. -Cực từ phụ: đợc đặt giữa các cực từ từ chính và dùng cải thiện việc đổi chiều. Lõi thép của cực từ phụ làm bằng thép khối trên đó đợc đặt dây quấn. -gông từ dùng nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy. -Các bộ phận khác gồm có nắp và chổi than. b). Phần quay (Rôto) gồm các bộ phận chính. -Lõi sắt phản ứng: Dùng để dẫn từ, thờng dùng tấm thép kỹ thuật điện (thép hợp kim ) dày 0,5 mm luôn cách điện ở hai mặt rồi ép lại để giảm tổi hao do dòng xoáy fucô gây ra. Trên lá thép có dập rãnh để ép chặt lại để đặt dây quấn vào. -dây quấn phần ứng: Thờng làm bằng đồng có bọc cách điện dây quấn đợc đặt cách điện với rãnh của lõi thép. Cổ góp :dùng đổi chiều dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Có cấu tạo gồm nhiều phiến đồng có đuôi nhọn cách điện với nhau bằng một lớp mica dày 0,4-1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn -Các bộ phận khác: Cánh quạt dùng để tạo gió làm mát máy và trục máy. 4). Đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. a). Phơng trình đặc tính cơ. - 5 - -Phơng trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng: U=(R+R f ).I+E (1) -E : sức điện động phần ứng. -U: điện áp phần ứng . -R: điện trở phần ứng . -I: dòng điện phần ứng . - R f : điện trở phụ trong mạch phần ứng . R=r+r cf +r b +r ct -r:điện trở cuộn dây phần ứng. -r cf : điện trở cuộn cực từ phụ. - r b : điện trở cuộn bù. - r ct : điện trở tiếp xúc chổi điện . Sức điện động phần ứng động cơ đợc xác định theo biểu thức 2 K PN E u = = (2) Trong đó: P:Số đôi cực từ chính. N:Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng. :Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng. :Từ thông kích thích dới một cực từ (Wb). :Tốc độ góc. - 6 - ứ f kt Ư kt = 2 PN K - Hệ số cấu tạo của động cơ. nếu biểu diễn suất điện động theo tốc độ quay n vòng/phút ta có: nKE eu = , . 60 2 n = n PN E u 60 = (3) từ (1) và (2) ta có u fu u I k RR k U W + = (4) M đt =k I . k M I dt u = (5) Thay (5) vào (4) ta có . ( ) dt fu u M k RR k U W 2 . + = Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn hao lõi thép thì M đt =M cơ =M khi đó ( ) M k RR k U W fu u 2 . + = b). ảnh hởng của các tham số tới đặc tính cơ. +ảnh hởng điện trở phần ứng. Khi U=U đm =const ;= đm =const. Nừu tăng giá trị của điện trở phụ thì tốc độ của động cơ giảm dẫn đến dòng ngắn mạch và mô men ngắn mạch cũng giảm, do đó tốc độ của động cơ cũng giảm với một phụ tải nhất định. Do vậy phơng pháp này dùng để điều chỉnh tốc độ của động cơ và hạn chế khi mở máy. +ảnh hởng của từ thông. nếu U=U đm =const, R= const khi đó giảm dòng kích từ hoặc từ thông thì tốc độ của động cơ tăng lên. 5). Điều chỉnh tốc độ động cơ. a). Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông - 7 - M đm I Ưđm M IƯ n n''' o n'' o n' o n ođm '''s ''s 's đm b). Điều chỉnh tốc độ quay bằng cách thay điện trở phụ R f trên mạch phần ứng + = M k RR nn fu 0 . R f rất lớn đặc tính cơ có tốc độ càng cao tốc độ biến thiên nhiều khi tải biến thiên. I Ưđm M đm M IƯ r f3 r f2 r f1 r f0 c). Điều chỉnh tốc độ quay bằng cách thay điện áp phần ứng. Việc cung cấp điện áp có thể điều chỉnh đợc cho động cơ từ một nguồn độc lập. - 8 - n 1 3 2 4 M đm I đm M I n 03 n 04 n 02 n 01 6). Mở máy động cơ điện một chiều Có ba phơng pháp mở máy - Mở máy trực tiếp (U =U đm ) - Mở máy nhờ biến trở . - Mở máy bằng điện áp thấp (U < U đm ). Trong mọi trờng hợp max điều chỉnh I mm min động cơ đợc kích thích tới mức tối đa theo us I PN M . 2 = để mô men lớn ta phải tăng max mà M=const phải giảm I phải đảm bảo không đứt mạch kích thích vì nếu đứt mạch kích thícđiện = 0 Động cơ không quay do đó E =0 I rất lớn làm cháy vành góp và dây quấn. U =E +I.R khi E = 0 I Khi mở máy chiều quay của động cơ phụ thuộc vào mô men thay đổi chiều mô men có hai phơng pháp -đổi chiều I. -đổi chiều . ở đây ta dùng phơng pháp thay đổi dòng kích thích có thể thực hiện bằng hai cách. -đổi cách nối các đầu dây quấn phần ứng . -đổi các đầu dây quấn kích thích trớc khi mở máy. theo nguyên tắc dùng cả hai phơng pháp trên nhng thực tế chỉ dùng đợc phơng pháp đổi chiều dòng điện phần ứng là I (vì dây quấn kích từ có nhiều vòng hệ số tự cảm L t rất lớn) do đó khi thay đổi dòng kích thích xuất hiện suất điện động tự cảm cao dẫn quá điện áp, đánh thủng cách điện của dây quấn kích thích với các trờng mở máy. a) mở máy trực tiếp. - 9 - Rôto đứng yên suất điện động E =0 , uu u u R U R RU I = = (R = 0,02-0,1) điện áp định mức U đm = 1 do đó I rất lớn bằng khoảng 5 10 lần I đm do đó chỉ áp dụng cho động cơ có công suất nhỏ ( vài trăm W). Trong những trờng hợp đặc biệt cho phép mở máy với động cơ lớn tơng đơng với R tơng đối lớn do đó I = (4 - 6)I đm b). Mở máy nhờ biến áp. kiu u u RR EU I + = khi thay đổi R ki I k =(1,4 1,7 )I đm với động cơ lớn. R ki I k =(2 2,.5 )I đm với động cơ nhỏ. Chơng II đề xuất các phơng án tổng thể và phân tích u, nhợc điểm của từng phơng án 1). Lựa chọn phơng án cho mạch lực phần ứng và kích từ. a). Lựa chọn phơng án mạch lực phần ứng. -Theo trên đã phân tích ta lựa chọn phơng án điều khiển động cơ bằng cách thay đổi từ thông phần ứng do đó phần kích từ ta không điều khiển. Vì vậy mạch lực phần ứng phải sử dụng hoàn toàn các van bằng Transtor. Ta không sử dụng mạch lực bán điều khiển đợc vì mạch bán điều khiển không đ- ợc trong trờng hợp đảo chiều từ thông phần ứng với động cơ ta có U =80 V, I = 20A. Do đó P =U.I = 80.20 = 1600 (W). Dựa vào công suất của động cơ cần cung cấp điện ta sử dụng sơ đồ chỉnh lu một pha hoặc ba pha. Nếu P 5 7 KW ta dùng mạch ba pha. Nếu P < 5 KW ta dùng mạch một pha. Theo số liệu đề bài ta có P = 1600 W do đó ta sử dụng phần ứng mạch lực cấp điện cho động cơ là một pha. 1.) Chỉnh lu một nửa chu kỳ . - 10 - 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 U2 R L T U1 Ud o Với sơ đồ này sóng điện áp ra một chiều bị gián đoạn trong một nửa chu kỳ khi điện áp anốt của van bán dẫn âm , do đó khi sử dụng sơ đồ chỉnh lu một nửa chu kỳ chất lợng điện áp tải xấu . Điện áp tải trung bình lớn nhất trên tải U do = 0,45U2 Vì chất lợng điện áp xấu nên hiệu suất của máy biến áp cũng thấp . S ba = 3,09.U d .I d +Ưu điểm _ Là loại chỉnh lu có nguyên lý đơn giản ít van +Nhợc điểm _Chất lợng điện áp xấu _Hiệu suất sử dụng máy biến áp thấp 2.)Chỉnh lu cả chu kỳ với biến áp có trung tính T2 U1 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 R U2 U2 T1 L (dạng dòng ,áp trên tải và điện áp ngợc trên van T 1 trong trờng hợp tải thuần trở và tải điện cảm lớn) Xét với tải RL , điện cảm lớn để lọc dòng và áp có chất lợng tốt _Biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống hệt nhau, ở mỗi nửa chu kỳ có một van dẫn cho dòng chảy qua _Khi = cho phát xung mở T 1 , T 1 dẫn do điện áp đầu anot dơng và có xung mở .Khi = , điện áp trên anot = 0 nh ng do có cuộn cảm L nên vẫn còn dòng điện I d nên T 1 cha khoá , T 1 tiếp tục dẫn cho đến khi = + , phát xung mở T 2 thì T 1 bị khoá và T 2 dẫn . T 1 khoá không phải dòng đã về 0 mà là do T 2 dẫn . T 2 lại dẫn cho đến khi = 2 + , T 1 đợc phát xung mở , T 1 dẫn và T 2 bị khoá lại. Quá trình cứ nh vậy cho đến khi điện áp tải đập mạch có tần số bằng 2 lần tần số điện áp xoay chiều . - 11 - i T1 I d o a i d Ud 2? I d iT1 Ud o 2? Id (Dạng điện áp tải , dòng trên các van T 1 ,T 2 và điện áp ngợc trên van T 1 đợc vẽ trên hình ). Với : là góc điều khiển mở . + Điện áp trung bình trên tải U d = 2 2 + .2 U 2 .sin d = 22 .U 2 .cos = U do .cos U do = 22 .U 2 = 0,9.U 2 : Điện áp chỉnh lu không điều khiển khi tải là thuần trở . + Điện áp ngợc trên van là lớn U nv = 2 2 U 2 Tải có điện cảm lớn nên dòng tải liên tục i d = I d Mỗi van dẫn thông một nửa chu kỳ + Dòng hiệu dụng qua van (chính là dòng hiệu dụng qua máy biến áp). I hd = 2 0 2 . 2 1 dI d = 2 Id = 0,71.I d + Hệ số đập mạch K đm = 0,67. + Công suất máy biến áp S ba = 1,48.U d I d Nhận xét : + Ưu điểm : _ So với chỉnh lu một nửa chu kỳ thì chỉnh lu hình tia có điện áp với chất lợng tốt hơn _ Dòng qua van không quá lớn _ Điều khiển van đơn giản + Nhợc điểm _ Chế tạo máy biến áp phải có 2 cuộn giống nhau mỗi cuộn làm việc 1nửa chu kỳ _ Chế tạo biến áp phức tạp _ Hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn _ Điện áp ngợc trên van là lớn . 3.) Chỉnh lu cầu một pha Xét với tải RL , điện cảm L đủ lớn để lọc dòng , áp , dòng là liên tục. _ Mạch có T 1 , T 3 chung Katot T 2 , T 4 chung Anot Nửa chu kỳ đầu U 2 > 0 , Anot của T 1 dơng , Katot của T 2 âm . Nếu có xung điều khiển mở đồng thời T 1 và T 2 thì cả hai van này đợc mở thông và đặt điện áp lới lên tải U d = U 2 . Điện áp tải một chiều bằng điện áp xoay chiều (U d = U 2 ) cho đến khi nào T 1 , T 2 còn dẫn .(Khoảng dẫn của các van phụ thuộc vào tải ) . - 12 - [...]... dòng điện J1 = J 2= 2, 73 A/ mm2 - 31 - Tiết diện dây dẫn sơ cấp MBA SI = I 1 10 ,2 = = 3,7(mm 2 ) J 1 2, 75 D a vào tiết diện ta tra đợc dây đồng có d1 = 2, 2 mm bọc cách điện ta có d1 = 2, 3 mm Tiết diện dây thứ cấp MBA SII = I1 22 ,2 = = 8,1(mm 2 ) J 2 2,75 D a vào tiết diện ta tra đợc dây đồng có d2 = 3,1 mm bọc cách điện ta có d1 = 3 ,2 mm -Tính số vòng dây trên một lớp c a cuộn sơ cấp chọn hg = 1 W11 =. .. -Dòng điện giá cuộn sơ cấp S 22 40 I1 = 1ba = = ,2 A 10 U1 22 0 -Dòng điện giá cuộn thứ cấp S 22 40 I 2 = 2ba = =2 2 ,2 A U2 101 -Tiết diện trụ tính thê công thức QFl = K Q S ba 22 40 = 6 = 40cm 2 m f 1.50 Trong đó KQ = 5,6- 6,4 ta chọn KQ = 6 (Máy biến áp khô) m= 1- số trụ MBA f = 50 Hz - Tần số lới điện Để đảm bảo cho MBA phù hợp yêu cầu công nghệ kỹ thuật ngời ta chọn chiều a và chiều dày b sao cho a\ b =. .. 0,3 mm - 32 - Theo kinh nghiệm chọn c = n = 0,5 c = a. 0,5 = 6.0,5 = 3 cm a Vậy kết cấu mạch từ MBA Kiểm tra khoảng trống C Ta có phần lấp đầy dây quấn sơ cấp và thứ cấp k = Bd1 + Bd2 = 12 + 9,9 = 21 ,9 mm = 2, 1 cm Vậy kết cấu mạch từ ta chọn là phù hợp - Kích thớc MBA - Chiều dày trụ l = 2a + 2c = 12 + 6 = 18 cm - Chiều cao trụ H = h + a = 15 + 6 = 21 cm Vậy kích thớc gông từ MBA là H.l = 21 18 cm... cho a\ b = 1 ,25 d a vào tiết diện trụ QFe = a* b =4 0 cm2 Ta có :a. b = 40 và b = 1 ,25 a a2 = 32 a = 5,67 cm b =7 ,08 cm Chuẩn lại ta có a = 6 cm b =7 cm tiết diện chuẩn QFe = 42 cm2 Chọn chiều cao trụ : h = 2, 5 .a = 2, 5.6 = 15 cm Số vôn \ vòng là vôn \ vòng = 4,44.BT.f.Qe.10-4 = 4,44.1.50 42 10-4 = 0,93 vôn \ vòng -Số vòng cuộn sơ cấp W 1= 22 0 = 27 3 vòng 0,93 -Số vòng cuộn thứ cấp W1 = 101 = 109 vòng 0,93... thứ cấp (Chọn J1 = 6 A/ mm2) I1 33,3.10 3 = = 0,0056mm 2 J1 6 S1 = Đờng kính dây quấn sơ cấp d1 = 4 S1 4.0,0056 = = 0,084 mm 3,14 chọn d1 = 0,1 mm Tiết diện dây quấn thứ cấp (Chọn J 2= 4A/ mm2) S2 = I 2 0,1 = = 0, 025 mm 2 J2 4 Đờng kính dây quấn sơ cấp d 2 = 4S 2 4.0, 025 = = 0,178 mm 3,14 chọn d 2= 0,18mm Kiểm tra hệ số lấp đầy K ld S1 W1 + S 2 W2 d 12 .W1 + d 2 2 .W21 0, 12. 186 + 0,18 2. 62 = = = = 0,03... d2 r4 Thông thờng ta chọn khoảng 10 - 20 0 àF Chọn theo tài liệu R3 = 470 ,C 3= 10 àF Chọn giá trị điện trở R4 = 1,4 K III ) Chọn van cho mạch kích từ Ta có Ulv = U d 2 3,14 2 = 50 = 78,37V 2 2 2 2 - 29 - I1v = Id.Khd = 2 1 = 1,41 A 2 Unv = Kdt.Ulv = 2. 78,73 = 25 7,46 V Ith = Ki.Ilv = 4.4,14 = 5,64 A < Chọn Ilc = 25 % Iđmv > Với các thông số tính trên ta chọn điôt loại KY sau 740 có các thông số 20 0... V -điện áp chỉnh lu Uv = 3,1 V - sụt áp trên van Uba = Ur + Ul - sụt áp c a biến áp khi mang tải Udn - Sụt áp trên dây nối Ta có : Uba = 6 %.Ud = 80.0,06 = 4,8 V Vì máy nhỏ do đó ta phải giả sử Udn = 0 ta có Ud0 = 80 +4,8+ 2. 3,1 = 91 V U 2= Ud0\Ku = 91\ 0,9 = 101 V Pdmax = Ud0.Id = 91 .20 = 1 820 W - 30 - -Công suất biến áp nguồn cấp Sba.Pdmax = 1 ,23 .1 820 = 22 40 W.( Với chỉnh lu cầu một pha Ks = 1 ,23 )... điểm t2, t4 trong chuỗi xung điều khiển c a mỗi chu kỳ điện áp nguồn cấp cho tới cuốn bán kỳ điện áp anod - 25 - Chơng IV Tính toán mạch lực I Chọn van cho mạch lực phần ứng Ta có Ud = 80 V, Id = 20 A Van động lực cần chọn d a trên các thông số: - Điện áp ngợc c a van - Ulv = knv.U2 Với U2 = Ud , knv = ku 2 (Sơ đồ cầu một pha ku = 0,9) U lv = 2 80 = 125 ,7 (V ) 0,9 Ta có Ilv = Ihd = khd.Id (với khd =. .. đợc khởi động bộ sau Từ những lý do trên ta phải thiết kế mạch điều khiển để điều khiển sự hoạt động c a mạch đảo chiều động cơ 2 Thiết kế mạch điều khiển Ta dùng hệ điều khiển pha xung để điều khiển van Tham số điều khiển thiết bị chỉnh lu là góc mở vì vậy để điều khiển thiết bị chỉnh lu ta dùng thiết bị pha xung Do đó ta thiết lập hệ thống phát xung Tiristor mà xung này phải đợc dịch pha trong... c a cuộn thứ cấp W 22 = k c h 2hg d2 = 0,95 15 2. 1 = 40,6 ( vòng /1lớp.) 0,3 .2 +Vậy có 40 vòng dây/ 1lớp c a cuộn dây thứ cấp Số lớp c a cuộn dây thứ cấp n 22 = W2 109 = = 2, 725 lớp W 22 20 +Vậy số lớp c a cuộn dây thứ cấp là 3 Lớp thứ 3 có số vòng là l 3 = -2. 40 + 109 = 99 mm Gi a hai lớp lót một giấy cách điện dày 0,1 mm D a vào số liệu trên ta chọn cấu tạo mạchtừ là những lá thép chữ E phép lại kết . c a động cơ điện một chiều kích độc lập. b). Sơ đồ nguyên lý c a động cơ điện một chiều kích song song. c). Sơ đồ nguyên lý c a động cơ điện một chiều kích nối tiếp. d). Sơ đồ nguyên lý c a động. đồ án điện tử công suất đề tài: 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. hoạt động c a mạch đảo chiều động cơ . 2 . Thiết kế mạch điều khiển . Ta dùng hệ điều khiển pha xung để điều khiển van . Tham số điều khiển thiết bị chỉnh lu là góc mở vì vậy để điều khiển thiết