thiết kế bộ băm xung một chiều điều chỉnh tốc độ có đảo chiều của động cơ một chiều

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀUTrong nền sản xuất hiện đại, máy điện 1 chiều vẫn được coi là một loạimáy quan trọng, không thể thiếu.Nó có thể dùng làm động cơ điện, máyph

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đây là đồ án do các thành viên trong nhóm cùngthực hiện Những gì trình bày trong đồ án hoàn toàn là sự thật

Thay mặt nhóm em xin chịu trách nhiệm về đồ án của nhóm mình

Thành viên nhóm 12Trần Ngọc HiểnNguyễn Hữu HàoĐinh Đức HậuNguyễn Công Huấn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 4

1.1 Cấu tạo của máy điện một chiều 5

1.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều 6

1.3 Phân loại các động cơ điện một chiều 7

1.4 Các đại lượng định mức 7

CHƯƠNG II: LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 8

2.1 Mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng 8

2.2 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha có điều khiển 9

2.3 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng 11

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH LỰC 14

3.1 Tính toán máy biến áp: 14

3.2 Tính toán mạch từ: 15

3.3 Tính toán cuộn kháng lọc 19

CHƯƠNG IV : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 20

4.1 Yêu cầu chung đối với mạch điều khiển 20

4.2 Cấu trúc mạch điều khiển 21

Hình 4.1 Giản đồ cấu trúc mạch điều khiển 21

4.2.1 Khâu đồng pha 21

Hình 4.2 Sơ đồ khâu đồng pha 21

4.2.2 Khâu đồng bộ 22

Hình 4.3 Sơ đồ khâu đồng bộ 22

4.2.3 Khâu tạo điện áp tựa ( dạng răng cưa đi xuống) 22

Hình 4.4 Sơ đồ khâu tạo răng cưa 23

4.2.4 Khâu so sánh 24

Hình 4.5 Mạch so sánh kiểu hai cửa 25

4.2.5 Khâu tạo xung kép 26

Hình 4.6 Tạo xung đơn bằng mạch vi phân RC 26

Hình 4.7 Tạo xung kép bằng điốt từ xung đơn 27

4.2.6 Khuếch đại công suất xung điều khiển 28

Hình 4.8 Sơ đồ tối giản khuếch đại xung ghép biến áp xung 29

CHƯƠNG V: MÔ PHỎNG MẠCH TRÊN PHẦN MỀM TINA 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện 1 chiều vẫn được coi là một loạimáy quan trọng, không thể thiếu.Nó có thể dùng làm động cơ điện, máyphát điện hay dùng trong những điều kiện làm việc khác Động cơ điện mộtchiều giữ một vị trí nhất định như trong công nghiệp giao thông vận tải, và

ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (nhưtrong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ) Một động cơ điệnmột chiều có giá thành đắt hơn các động cơ không đồng bộ hay các động

cơ xoay chiều khác do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản

cổ góp phức tạp hơn nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện mộtchiều vẫn đóng vai trò không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại

Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điệnhay máy phát điện tuỳ theo những điều kiện làm việc khác nhau Song ưuđiểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năngquá tải Nếu như bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng đượchoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộbiến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều không những có thể điềuchỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giảnhơn đồng thời lại đạt chất lượng cao

Động cơ điện một chiều có công suất nhỏ khoảng 75%  85%, động

cơ điện có công suất trung bình và lớn khoảng 85%  94% Công suất lớnnhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 10000kw, điện áp vào khoảngvài trăm cho đến 1000V Hiện nay, hướng phát triển là cải tiến tính năng

có công suất lớn hơn Với trình độ hiểu biết còn hạn chế, quyển đồ án mônhọc này chỉ đề cập tới vấn đề thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnhtốc độ có đảo chiều của động cơ một chiều kích từ bằng nam châm vĩnhcửu theo nguyên tắc không đối xứng

1.1 Cấu tạo của máy điện một chiều

Kết cấu của máy điện một chiều có thể phân tích thành 2 phần chính làphần tĩnh và phần quay

a Phần tĩnh (stato)

Là bộ phận đứng yên của máy, là bộ phận sinh ra từ trường, gồm cómạch từ và dây quấn kích từ lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ được kích từbằng nam châm điện), gồm các bộ phận chính sau:

- Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ vàdây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những

lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon ghép lại Trong máy điện nhỏ, có thểdùng thép khối Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng có bọc cáchđiện

- Cực từ phụ: được đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện đổi

chiều Lõi thép của cực từ phụ thường được làm bằng thép khối Dây quấn của cực từ phụ giống như dây quấn của cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông

- Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

- Các bộ phận khác: nắp máy, cơ cấu chổi than…

b Phần động (roto)

Là phần sinh ra suất điện động, gồm có mạch từ được làm bằng vậtliệu sắt từ (lá thép kĩ thuật) xếp lại với nhau Trên mạch từ có các rãnh đểlồng dây quấn phần ứng (làm bằng dây điện từ)

Cuộn dây phần ứng gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một qui luậtnhất định Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây đượcnối với các phiến đồng gọi là phiến góp

Các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện với trụcgọi là cổ góp hay vành góp.

Tì trên cổ góp là cặp chổi than làm bằng than graphit và được góp sátvào thành cổ góp nhờ lò xo

Gồm có những bộ phận sau:

- Lõi sắt phần ứng: dùng để dẫn từ Thường dùng bằng những lá thép

kỹ thuật điện có phủ cách điện mỏng 2 mặt ghép lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào

- Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua.Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trongmáy điện nhỏ, dây quấn phần ứng có tiết diện tròn còn trong máy điện cỡtrung bình và lớn, dây quấn phần ứng có tiết diện hình chữ nhật Để tránhkhi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặthoặc đai chặt dây quấn Nêm có làm bằng tre, gỗ hoặc bakelit

- Cổ góp: còn được gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổichiều dòng điện xoay chiều thành một chiều Cổ góp gồm nhiều phiếnđồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm

và hợp thành một hình trục tròn Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hìnhchữ V ép chặt lại Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica.Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dâyquấn và các phiến góp được dễ dàng

- Các bộ phận khác gồm có: cánh quạt, trục máy…

1.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ:Khi đặt vào trong từ trường một dây dẫn và cho dòng điện chạy qua dâydẫn thì từ trường sẽ tác dụng một từ lực vào dòng điện (vào dây dẫn) vàlàm cho dây dẫn chuyển động Chiều của từ lực được xác định theo quy tắcbàn tay trái

Khi cho dòng điện kích thích vào cuộn dây kích thích ở Stato, trongkhe hở không khí sẽ sinh ra từ thông Còn khi cho dòng điện phần ứng đivào cuộn dây phần ứng đặt trong roto, thì dưới tác dụng của từ trường nàytrong dây quấn sẽ sinh ra momen điện từ trên trục máy kéo roto quay Vìvậy, chiều quay của máy trùng với chiều quay của momen điện từ Theoquy tắc bàn tay trái, momen điện từ do lực điện từ tác dụng lên các thanhdẫn có chiều từ phải sang trái và lực điện từ có giá trị f = B.l.i

Phương trình cân bằng điện áp:

U = Eư + Rư Iư + Iư.di dt

1.3 Phân loại các động cơ điện một chiều

Tuỳ theo cách kích thích từ của động cơ, mà người ta phân các loạiđộng cơ điện một chiều theo các loại sau:

- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: là loại động cơ 1 chiều cócuộn kích từ được cấp điện từ một nguồn điện ngoài độc lập với nguồnđiện cấp cho roto Thường là các động cơ có công suất lớn để điều chỉnhdòng điện kích từ được thuận lợi và kinh tế hơn Iư = I

- Động cơ một chiều kích từ song song: cuộn kích từ và cuộn dây phầnứng được cấp điện bởi cùng một nguồn điện I = Iư + It

- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp: cuộn kích từ mắc nối tiếp vớicuộn dây phần ứng Cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít,chế tạo dễ dàng nên ta có I = Iư =It Động cơ loại này được sử dụng rấtnhiều chủ yếu trong nghành kéo tải bằng điện

- Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp: từ thông được tạo ra do tác dụngđồng thời của 2 cuộn kích từ: một cuộn song song và một cuộn nối tiếp I =

Iư +It

Mỗi loại động cơ trên sẽ tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuậtđiều khiển và ứng dụng tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố

1.4 Các đại lượng định mức

Chế độ làm việc định mức được đặc trưng bằng những đại lượng ghitrên nhãn máy và gọi là những lượng định mức Trên nhãn máy thường ghinhững đại lượng sau:

Công suất định mức Pđm (kW hay W): là công suất cơ đưa ra ở đầu trụcmáy

CHƯƠNG II: LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ

Nguồn cấp cho động cơ điện một chiều là nguồn một chiều Vì vậychúng ta có thể sử dụng nguồn một chiều lấy trực tiếp từ máy phát điệnmột chiều hoặc sử dụng mạch chỉnh lưu biến đổi từ nguồn xoay chiều vềnguồn một chiều Trong thực thế, mạch chỉnh lưu biến đổi dòng xoaychiều về dòng một chiều có thế dễ dàng thiết kế nhờ sử dụng các van bándẫn Hơn nữa, các mạch chỉnh lưu sử dụng van điều khiển còn có thể dễdàng điều khiển dược theo yêu cầu của từng loại tải Do các ưu điểm đó, tathiết kế nguồn một chiều thông qua các mạch chỉnh lưu điện áp xoay chiềulấy từ lưới điện Dưới đây là một sổ mạch chỉnh lưu cơ bản và hay được sửdụng

2.1 Mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng

Các van dẫn lần lượt theo từng cặp (T 1 , T2) và (T3,T4 )

Góc mở van , α, góc dẫn van θθ

- 0 - α: T1, T2dẫn

- α – α + θ : T3,T4 dẫn , T 1 , T2khóa

2 1

3

T T L

2.2 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha có điều khiển

Hình 2.2 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha có điều khiển

Hình 2.3 Biểu đồ dòng điện và điện áp trên tải

áp trong mạch van nhỏ nên thích họp với phạm vi thấp Vì sử dụng nguồn

ba pha nên cho phép nâng công suất tải lên nhiều (đến vài trăm ampe), mặtkhác độ đập mạch của điện áp ra sau mạch chỉnh lưu giảm đáng kể nênkích thước bộ lọc cũng nhỏ đi nhiều

2.3 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng

- Hoạt động của mạch : các van nhóm lẻ thay nhau dẫn cho điện áp ởđiểm katot chung U KC, các van nhóm chắn thay nhau dẫn cho điện áp ởđiểm chung U AC

Hình 2.4 Sơ đồ và đồ thị dạng xung của mạch

- Nhược điểm: Mạch này là sụt áp trên van gấp đôi sụt áp trong mạch

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH LỰC

3.1 Tính toán máy biến áp:

Từ các thông số đã cho:

- Điện áp trung bình trên tải : U d=500 (v)

- Dòng điện trung bình trên tải (A-DC): 150 (A)

U d0 = 32 π√6.U2(1+cosα)

 Công suất biểu kiến của MBA:

S = k s P d = k s U d I d = 1,05 500 150 = 78,750(KVA)

Tính toán dây cuốn:

Kích thước dây kể cả cách điện S 2 cd = 4,5.11,5.2(mm2

Bề dày cuộn sơ cấp:

Bd11= (a11+ cd11) n11=(4,5+0,1)4=18,4(mm)

Số vòng dây trên một lớp của cuộn thứ cấp:

Giữa 2 lớp đặt cách điện dày cd22 = 0,1 (mm2)

Bề dày cuộn dây sơ cấp

Bd22 = ( a22 + cd22 ).n22 = (4,5 +0,1).4=18,4(mm)+ Kích thước lõi sắt:

Chọn khoảng cách giữa 2 trụ của MBA là :

C= 1,5.a= 1,5.100=150(mm)Tổng chiều dài trụ là: l = 3.a + 2.c = 3.100 + 2 165 = 630(mm)

+ Gông từ:

Chọn : Chiều dài bằng chiều dày của trụ bg=b=15(cm)

Chiều cao bằng chiều rộng của trụ ag=a=10(cm)

Tiết diện của gồn từ:Qg= ag.bg =10,5.15,5=162,75 (cm2)

Tổng chiều cao của MBA:

Điện áp ngược mà van chịu được:

+ Làm mát bằng gió tự nhiên:

- Khi van bán dẫn được làm mắc vào cánh toả nhiệt bằng đồng haybằng nhôm, nhiệt độ của van được toả ra môi trường xung quanh nhờ bềmặt của cánh toả nhiệt Sự toả nhiệt như trên là nhờ vào sự chênh lệch giữacách tản nhiệt với môi trường xung quanh khi cách tản nhiệt nóng lên,nhiệt độ xung quanh cánh tản nhiệt tăng lên làm cho tốc độ ra không khí bịchậm lại với những lí do vì hạn chế của tốc độ dẫn nhiệt khi van bán dẫnđược làm mát bằng cánh toả nhiệt mà chỉ nên cho van làm việc với dòngđiện Ilv = 25% iđm

+ Làm mát bằng thông gió cưỡng bức

- Khi có quạt đối lưu không khí thổi dọc theo khe của cánh tản nhiệtnhiệt độ xung quanh cánh tản nhiệt thấp hơn tốc độ dẫn nhiệt ra môi trườngtốt hơn, hiệu suất cao hơn Do đó cho van làm việc với dòng điện Ilv =35%iđm

+ Làm mát bằng nước:

- Khi làm mát bằng nước hiệu suất trao đổi nhiệt tốt hơn, cho phép làmviệc với dòng điện I = 90% i Quá trình làm mát bằng nước phải đảm

bảo xử lý nước không dẫn điện Bằng cách khử ion trong nước hoặc giảm

độ dẫn điện của nước ( tăng điện trở nước) theo nguyên tắc chiều dài haygiảm tiết diện đường cong ống dẫn nước ta có thể coi độ dẫn điện của nướckhông đáng kể

Ta chọn chế độ làm mát bằng thông gió tự nhiên Trong chế độ này thì Ilv = 25% iđm

Itbv = I d

3 = 1503 = 50 (A)Chọn hệ số dự trữ dòng là K = 1,4

Ilv= K.Itbv = 1,4.50 = 70 (A)

Do đó IdmV = Ilv .4 = 70.4=280(A)

Từ thông số kỹ thuật trên ta chọn SCR LS431050

b Tính toán bảo vệ van

Bảo vệ dòng điện cho van

Aptomat: dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải

và ngắn mạch

Chọn Aptomat:

Idm=1,1.I1=1,1.144=158,5(A)Chỉ định dòng ngắn mạch

Inm = 2,5 I1 = 2,5 144 = 360 (A)Dòng quá tải:

Iqt= 1,5.I1 = 1,5.144 = 216 (A)

Bảo vệ điện cho van

Tiristor cũng rất nhạy cảm với điện áp quá lớn so với điện áp địnhmức, ta gọi là áp trên đường dây, khi có sấm sét

Để bảo vệ van người ta dùng mạch R-C, mạch R-C đấu sống vớiTiristor nhằm bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích di chuyển mạch gâynên.

Mạch R-C đấu giữa các pha thứ cấp của MBA là bảo vệ quá điện áp

do cắt không tải gây nên

Các bước tính toán

Xác định hệ số quá điện quá điện áp

* Người ta chia làm 2 loại nguyên nhân gây ra quá điện áp:

- Nguyên nhân nội tại: Đó là sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn.Khi khoá tiristor bằng điện áp ngược, các điện tích nói trên đổi ngược lạihàng trình tạo ra dòng điện trong khoảng thời gian rất ngắn Sự biến thiênnhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớntrong các điện cảm Do vậy giữa anot và catot của tiristor xuất hiện quáđiện áp

Nguyên nhân bên ngoài: Những nguyên nhân này thường xảy ra ngẫunhiên như khi cắt không tải một máy biến áp théo công thức:

k = Uℑ p

b Uℑ

Xác định các thông số trung gian:

C* min(k),R*

max(k), R*

min(k)Điện lượng tích tụ Q = f(di/dt)

Tính các thông sô trung gian

C = C*

min

2Q

Uℑ

R* min√LUℑ

2Q << R <<R*

max√L Uℑ

2 Q

Trong đó L là điện cảm của mạch RLC

Trong mạch bảo vệ quá điện áp ta chọn R=80, C=0,25F

3.3 Tính toán cuộn kháng lọc

Lấy công suất cuộn kháng lọc:

SL= 5%.Pd = 5% 500.150 = 3750(VA)Tiết diện cực từ chính của cuôn kháng lọc :

QL=kQ√S L

f = 6√37502.50 = 36,74 (cm2)Trong đó: kQ hệ số phục thuộc vào phương thức làm mát,chọn kQ=6

Để đạp ứng yêu cầu công nghệ người ta thương chọn sao cho

H = h + a = 12,5 + 5 = 17,5 (cm)

CHƯƠNG IV : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

4.1 Yêu cầu chung đối với mạch điều khiển

Mạch điều khiển chỉnh lưu cần thực hiện các nhiệm vụ chính sau:

 Phát xung điều khiển (xung để mở van) đến các van lực theođúng pha và với góc điều khiển α cần thiết

 Đảm bảo phạm vi góc điều chỉnh αmin ÷ αmax tương ứng vớiphạm vi thay đổi điện áp tải của mạch lực

 Cho phép bộ chỉnh lưu làm việc bình thường với các chế độkhác nhau do tải yêu cầu như chế độ khởi động, chế độ nghịchlưu, các chế độ dòng điện liên tục hay gián đoạn, chế độ hãmhay đảo chiều điện áp,…

 Có độ đối xứng xung điều khiển tốt, không vượt quá 1° ÷ 3°,tức là góc điều khiển với mọi van không được lệch quá giá trịtrên

 Đảm bảo mạch làm việc ổn định và tin cậy khi lưới điện daođộng cả về giá trị điện áp và tần số

 Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt

 Độ tác động của mạch điều khiển nhanh, dưới 1 ms

 Thực hiện các yêu cầu về bảo vệ bộ chỉnh lưu từ phía điềukhiển, nếu cần, như ngắt xung điều khiển khi sự cố, thông báocác hiện tượng không bình thường với lưới và bản thân bộchỉnh lưu,…

 Đảm bảo xung điều khiển phát tới các van lực phù hợp để mởchắc chắn van, có nghĩa là phải thỏa mãn các yêu cầu:

- Đủ công suất thể hiện ở điện áp và dòng điều khiển Uđk, Iđk