Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập và có đảo chiều

Trong những năm gần đây cùng với việc phát triển ngày càng mạnh mẽ của các lĩnh vực khoa học, ứng dụng của chúng vào các ngành công nghiệp nói chung và các ngành điện tử nói riêng, các thiết bị điện tử có công suất lớn được chế tạo ngày càng nhiều, đặc biệt là ứng dụng của nó trong nền kinh tế quốc dân cũng như trong đời sống làm cho yêu cầu về sự hiểu biết và thiết kế các loại thiết bị này là hết sức cần thiết đối với sinh viên, kỹ sư ngành điện. Hiện nay mạng điện ở nước ta chủ yếu là mạng điện xoay chiều với tần số công nghiệp. Để cung cấp nguồn điện một chiều có giá trị điện áp và dòng điện điều chỉnh được cho những thiết bị điện dùng trong các hệ thống truyền động điện một chiều người ta đã hoàn thiện bộ chỉnh lưu có điều khiển dùng Tiristor Trong đề tài của em là thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập có đảo chiều theo nguyên tắc điều khiển chung. Mạch đảm bảo điều chỉnh tốc độ trơn và có khâu bảo vệ chống mất kích từ. Bao gồm các chương: Chương I : Giới thiệu về động cơ điện một chiều Chương II: Lựa chọn các phương án Chương III: Xây dựng chi tiết toàn bộ sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế Chương IV: Tính toán mạch lực Chương V : Tính toán mạch điều khiển Chương VI : Kiểm chứng mạch thiết kế bằng chương trình TINA Qua việc thiết kế đồ án đã giúp em hiểu rõ hơn những gì mình đã được học trong môn Điện tử công suất. Hiểu được những ứng dụng thực tế của các thiết bị công suất trong đời sống cũng như trong công nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giảng dạy bộ môn Điện tử công suất, đặc biệt là thầy Phạm Quốc Hải đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này

 Luận văn tốt nghiệp Đề tài: Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập và có đảo chiều Đồ án điện tử công suất 1 Lời nói đầu Trong những năm gần đây cùng với việc phát triển ngày càng mạnh mẽ của các lĩnh vực khoa học, ứng dụng của chúng vào các ngành công nghiệp nói chung và các ngành điện tử nói riêng, các thiết bị điện tử có công suất lớn được chế tạo ngày càng nhiều, đặc biệt là ứng dụng của nó trong nền kinh tế quốc dân cũng như trong đời sống làm cho yêu cầu về sự hiểu biế t và thiết kế các loại thiết bị này là hết sức cần thiết đối với sinh viên, kỹ sư ngành điện. Hiện nay mạng điện ở nước ta chủ yếu là mạng điện xoay chiều với tần số công nghiệp. Để cung cấp nguồn điện một chiều có giá trị điện áp và dòng điện điều chỉnh được cho những thiế t bị điện dùng trong các hệ thống truyền động điện một chiều người ta đã hoàn thiện bộ chỉnh lưu có điều khiển dùng Tiristor Trong đề tài của em là thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập có đảo chiều theo nguyên tắc điều khiển chung. Mạch đảm bảo điều chỉ nh tốc độ trơn và có khâu bảo vệ chống mất kích từ. Bao gồm các chương: Chương I : Giới thiệu về động cơ điện một chiều Chương II: Lựa chọn các phương án Chương III: Xây dựng chi tiết toàn bộ sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế Chương IV: Tính toán mạch lực Chương V : Tính toán mạch điều khiển Chương VI : Kiểm chứng mạch thiết kế bằng chương trình TINA Qua việc thiết kế đồ án đã giúp em hiểu rõ hơn những gì mình đã được học trong môn Điện tử công suất. Hiểu được những ứng dụng thực tế của các thiết bị công suất trong đời sống cũng như trong công nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giảng dạy bộ môn Điện tử công suất, đặc biệt là thầy Phạm Quốc Hải đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này. Mục lục Trang Chương I : Giới thiệu về động cơ điện một chiều 3 Chương II: Lựa chọn các phương án 11 ỏn in t cụng sut 2 Chng III: Xõy dng chi tit ton b s nguyờn lý mch thit k 21 Chng IV: Tớnh toỏn mch lc 28 Chng V : Tớnh toỏn mch iu khin 43 Chng VI : Kim chng mch thit k bng chng trỡnh TINA 56 Cỏc s liu cho trc U m = 600V ; I m = 10A ; U kt = 400V ; I kt = 0,9A Phm vi iu chnh tc 25:1 Chng I GII THIU V NG C IN MT CHIU I NG C IN MT CHIU 1 Tầm quan trọng của động cơ điện 1 chiều Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ điện 1 chiều vẫn đợc coi l 1 loại máy quan trọng. Mặc dù động cơ xoay chiều có tính u việt hơn nh cấu tạo đơn giản hơn , công suất lớn . . . Nhng động cơ điện xoay chiều không thể thay thế hon ton động cơ điện 1 chiều. Đặc biệt l trong các ngnh công nghiệp, giao thông vận tải, các thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên ỏn in t cụng sut 3 tục trong phạm vi rộng nh máy cán thép, máy công cụ lớn đầu máy điện . Vì động cơ điiện 1 chiều có những u điểm nh khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt, khả năng mở máy lớn v khả năng quá tải. Bên cạnh đó động cơ điện 1 chiều cũng có những nhợc điểm nhất định nh giá thnh đắt, chế tạo v bảo quản phức tạp . Nhng do những u điểm của nó nên nó vẫn có 1 tầm quan trọng nhất định trong sản xuất. Ngy nay hiệu suất của động cơ điện 1 chiều công suất nhỏ vo khoảng 75% - 85%, ở động cơ điện công suất trung bình v lớn vo khoảng 85% - 94%. Công suất lớn nhất của động cơ điện 1 chiều hiện nay vo khoảng 10000KW. Điện áp vo khoảng vi trăm đến 1000V. Hớng phát triển hiện nay l cải tiến tính năng vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ v chế tạo những máy công suất lớn. 2 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều 2.1Phần tĩnh ( Phần cảm hay stator ) L phần đứng yên, bao gồm các bộ phận chính: a) Cực từ chính : Đợc lm bằng thép kĩ thuật dạng thép khối hoặc tấm, xung quanh có dây quấn cực từ chínhgọi l kích từ. Nó thờng đợc nối với nguồn 1 chiều. Nhiệm vụ l tạo ra từ thông trong máy. b) Cực từ phụ : Đợc đặt xen giữa các cực từ chính, xung quanh cực từ phụ có dây quấn cực từ phụ. Dây quấn cực từ phụ đấu nối tiếp với dây quấn roto, Nhiệm vụ của cực từ phụ l triệt tiêu từ trờng phần ứng ( Từ trờng do dòng điện roto sinh ra ). Trên vùng trung tính hình học để hạn chế xuất hiện tia lửa điện trên chổi than v cổ góp. c) Vỏ máy ( Gông từ ) Ngoi nhiệm vụ thông thờng nh các vỏ máy khác, vỏ máy điện 1 chiều còn tham gia dẫn từ, vì vậy nó phải đợc lm bằng thép dẫn từ. 2.2 Phần quay ( Phần ứng hay roto ) a) Lõi thép roto Dùng để dẫn từ, thờng dùng những tấm thép kĩ thuật điện dầy 0.5mm phủ cách điện mỏng ở 2 mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập rãnh để quấn dây b) Dây quấn phần ứng L phần phát sinh ra suất điện động v có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thờng lm bằng dây đồng có sơn cách điện c) Cổ góp Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thnh 1 chiều. Gồm nhiều phiến đồng ghép cách điện với nhau, bề mặt cổ góp dợc gia công với độ bóng thích hợp để đảm bảo tiếp xúc tốt giữa chổi than v cổ góp khi quay ỏn in t cụng sut 4 2.3 Gới thiệu về động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập Cho đến nay động cơ điện 1 chiều vẫn còn dùng rất phổ biến trong các hệ thống truyền động chất lợng cao, dải công suất động cơ điện 1 chiều từ vi W đến vi MW. Giản đồ kết cấu chung của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập đợc thể hiện nh hình vẽ dới. Phần ứng đợc biểu diễn bởi vòng tròn bên trong có sức điện động E , ở phần stato có thể có vi dâyquấn kích từ : Dây quấn kích từ độc lập CKD, dây quấn kích từ nối tiếp, dây quấn cực từ phụ CF, dây quấn bù CB. Khi nguồn điện 1 chiều có công suất không dử lớn thì mạch điện phần ứng v mạch kích từ mắc vo 2 nguồn 1 chiều độc lập nhau, lúc ny động cơ dợc coi l động cơ kích từ độc lập Nguyờn lý lm vic Khi úng ng c , Rụto quay n tc n , t in ỏp U kt no ú lờn dõy qun kớch t thỡ trong dõy quỏn kớch t cú dũng in i k v do ú mch kớch t ca mỏy s cú t thụng , tip ú trong mch phn ng , trong dõy qun phn ng s cú dũng in i chy qua tng tỏc vi dũng in phn ng . Tng t t dũng kớch t ( bng cỏch thay i R kt ) thỡ in ỏp hai u ng c s thay i theo qui lut : E d = (1% ữ 42% )U m Khi dũng i kt cũn nh thỡ E hoc U tng t l thun vi i kt nhng khi U kt bt u ln thỡ t thụng trong lừi thộp bt u bóo ho . Cui cựng khi i kt = i ktbh thỡ U = E bóo ho hon ton. Đồ án điện tử công suất 5 2.4 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập : Để thành lập phương trình đặc tính cơ ta xuất phát từ phương trình cân bằng điện áp của động cơ : U ư = E ư + (R ư +R f ). I ư = E ư + R. I ư (1) Trong đó : U ư : điện áp phần ứng ( V ) E ư : Sức điện động phần ứng (V) R ư : Điện trở của mạch phần ứng R f : Điện trở phụ của mạch phần ứng I ư : Dòng điện mạch phần ứng Với R ư = r ư + r cf + r b + r ct r ư : 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 của chổi than Sức điện động E ư của phần ứng động cơ xác định theo biểu thức E ư = pN Eu = k. 2 π ak. φ ϖ φ .ϖ → ϖ = φ Trong đó : p : Số đôi cực từ chính N : Số thanh dẫn tác dụng của dây quấn phần ứng Đồ án điện tử công suất 6 a : Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng φ : Từ thông kích từ dưới 1 cực từ ω : Vận tốc góc rad/s pN k= 2πa : Hệ số cấu tạo của động cơ Từ phương trình (1) Ö E ư = U ư - (R ư +R f ). I ư Ö Chia cả 2 vế cho k.φ Ö uuuf u EUR + R = - .I kk kφφ φ Ö uu f u (2) UR + R = - .I kk ϖ φφ Ö ϖ = f (I) : Đặc tính cơ điện Mặt khác mô men điện từ của của cơ điệ được xác định bởi : M đt = k .φ. I ư => I ư = dt M K.φ Thế vào (2) => 2 dt uu f UR + R = - .M k(k ϖ φφ) Ö ϖ = f (M) : Đặc tính cơ theo mômen Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mô men cơ trên trục điện cơ bằng mô men điện từ , ta kí hiệu là M nghĩa là M đt = M cơ = M Ö 2 uu f UR + R = - .M k(k ϖ φφ) (3) Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ , từ thông φ = const thì phương trình đặc tính cơ điện (2) và phương trình đặc tính cơ là tuyến tính, đồ thị của chúng được thể hiện như sau : ω ω ω 0 ω 0 ω đm N ω đm Đồ án điện tử công suất 7 I M I đm I nm M đm M nm u U = k 0 ϖ=ϖ φ ϖ 0 : Gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ, còn khi ϖ 0 = 0 ta có : unm u uf U I = = I R + R I nm , M nm Gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch . Nhận xét : Nếu cho U, R ư + R f , φ là hằng số thì phương trình (3) sẽ là phương trình bậc nhất : ϖ = ϖ 0 + Δϖ uf R + R = M k. Δϖ φ Độ sùt tốc độ ω ω 0 Δω 2.5 Ảnh hưởng của các tham số đến đặc tình cơ. Từ phương trình đặc tính cơ : 2 uu f UR + R = - .M k(k ω φφ) ta thấy có 3 tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ đó là : Từ thông động cơ φ , Điện áp phần ứng U ư , và điện trở phần ứng của động cơ . Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng tham số đó . a) Ảnh hưởng của điện trở phần ứng : Giả thiết U ư = U đm = Const Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R f vào mạch phần ứng . Đồ án điện tử công suất 8 - Tốc độ không tải lý tưởng : dm U = onst k cϖ= φ - Độ cứng của đặc tính cơ : uf k = =variable R + R MΔ φ β=− Δϖ R f = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên R f càng lớn thì β càng nhỏ dẫn tới đặc tính cơ càng dốc Như vậy khi thay đổi điện trở phụ ta được 1 họ đặc tính cơ như hìng vẽ. ứng với một phụ tải Mc nào đó , nếu R f càng lớn thì tốc độ càng giảm cho nên người ta sử dụng Phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ Đặc điển : - Tốc độ n bằng phẳng - Phạm vi điều chỉnh rộng - Vùng điều chỉnh tốc độ n đc < n đm - Việc điều chỉnh tốc độ thực hiện trong mạch phần ứng có dòng điện lớn , tổn hao vô ích nhiều , hệ số động cơ giảm b) Ảnh hưởng của điện áp phần ứng Gi¶ thiÕt φ = φ ®m = const, ®iÖn ¸p phÇn øng R − = const trong thùc tÕ th−êng gi¶m ®iÖn ¸p. ỏn in t cụng sut 9 01 02 U dm (TN) 03 U 1 04 U 2 M(I) U 3 - Tốc độ không tải lý tởng: 0x = dm Ux = k. variable, U giảm thì 0x giảm - Độ cứng đặc tính cơ: = 2 u (k ) R = const Nh vậy khi thay đổi điện áp đặt vo phần ứng động cơ ta đợc một họ đặc tính cơ song song với đờng đặc tính cơ tự nhiên. Nhận thấy rằng khi thay đổi điện áp, thực chất l giảm áp thì mô men ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm v tốc độ của động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Vì vậy phơng pháp ny cũng đợc sử dụng để điều chỉnh tốc độ v hạn chế dòng điện khi khởi động *.Đặc điểm - Tốc độ điều chỉnh bằng phẳng - Phạm vi điều chỉnh rộng - Vùng điều chỉnh tốc độ n c < n m - Để thực hiện phơng pháp ny ta cần phải có nguồn điện áp thay đổi đợc(bộ biến đổi điện áp bằng điện tử công suất ). c.ảnh hởng của từ thông Giả thiết đIện áp phần ứng U = U đm = const, điện trở phần ứng R = const. Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ I kt động cơ - Tốc độ không tải: 0x = dm U kx = var n (3) (2) (1) .  Luận văn tốt nghiệp Đề tài: Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập và có đảo chiều Đồ án điện tử công suất 1 Lời nói đầu. truyền động điện một chiều người ta đã hoàn thiện bộ chỉnh lưu có điều khiển dùng Tiristor Trong đề tài của em là thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một