DAMH Thietbidieukhien.doc

DAMH Thietbidieukhien

Lời mở đầu

Sự phát triển kinh tế của mỗi nớc phụ thuộc rất nhiều vào mức độ cơ giới hoá và tự động hoá các quá trình sản xuất Để có thể đáp ứng đợc các yêu cầu của quá trình cơ giới hoá và tự động hoá các hệ truyền động điện đợc phát triển và có những thay đổi đáng kể Đặc biệt do công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện, nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền động điện không những đáp ứng đợc độ tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần làm giảm kích thớc và hạ giá thành của hệ.

Mỗi sinh viên cần phải biết đợc các bớc thiết kế một hệ điều khiển tự động nhằm vận dụng những kiến thức mình đã đợc học Qua việc thiết kế, em đã hiểu rõ hơn về nguyên lý cấu tạo cũng nh nguyên lý hoạt động của các thiết bị điện-điện tử

Dới sự hớng dẫn nhiệt tình của thầy Nguyễn Thanh Sơn giảng viên bộ môn Thiết bị điện - điện tử, em đã hoàn thành đồ án của mình với đề tài: “Thiết kế bộ nguồn băm xung một chiều cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập nguồn cấp một pha 220V/50Hz”

Tuy nhiên trong quá trình thiết kế với trình độ còn hạn chế, đồ án của em không tránh khỏi những sai sót, mong thầy nhận xét và góp ý cho em Em xin chân thành cảm ơn thầy.

Phần I

Khái quát nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ bằng điều chỉnh điện áp

cấp cho phần ứng.

I Khái niệm chung:

* Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều đợc sử dụng rất rộng rãi, song máy điện một chiều vẫn tồn tại, đặc biệt là động cơ một chiều.

Động cơ điện một chiều đợc dùng rất phổ biến trong công nghiệp, giao thông vận tải và nói chung ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong một phạm vi rộng (máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy 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 hỗn hợp.

Trên thực tế, đặc tính của động cơ điện kích thích độc lập và kích thích song song hầu nh giống nhau, nhng khi cần công suất lớn ngời ta thờng dùng động cơ kích thích độc lập để điều chỉnh dòng điện kích thích đợc thuận lợi và kinh tế hơn, mặc dù loại động cơ này đòi hỏi phải có thêm nguồn điện phụ bên ngoài Ngoài ra, khác với ở trờng hợp máy phát kích thích nối tiếp , động cơ điện kích thích nối tiếp đợc dùng rất nhiều, chủ yếu trong ngành kéo tải bằng điện.

*Nhợc điểm chủ yếu của máy điện một chiều là cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền và kém tin cậy, nguy hiểm trong môi trờng dễ nổ Khi sử

* Về phơng diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều u điểm hơn so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời đạt chất lợng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng.

Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ Cho đến nay trong công nghiệp sử dụng bốn loại bộ biến đổi chính:

+ Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điện khuyếch đại.

+ Bộ biến đổi điện từ: khuyếch đại từ.

+ Bộ biến đổi chỉnh lu bán dẫn: chỉnh lu tiristor

+ Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristor hoặc tranzitor

Tơng ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi có các hệ truyền động : + Hệ truyền động máy phát - động cơ.

+ Hệ truyền động máy khuyếch đại - động cơ + Hệ truyền động khuyếch đại từ - động cơ + Hệ truyền động chỉnh lu tiristor - động cơ + Hệ truyền động xung áp - động cơ.

II Phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng:

Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn nh máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lu điều khiển Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lợng xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh đợc nhờ tín hiệu điều khiển Uđk Vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không.

Vì từ thông của động cơ đợc giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phơng pháp điều chỉnh này là triệt để.

Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ thông cũng đợc giữ ở giá trị định mức Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mômen khởi động Khi mômen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:

max = 0max- βMdm

min = 0min- βMdm

Mnmmin = MCmax = KM.Mđm

trong đó KM là hệ số quá tải về mômen Vì họ đặc tính cơ là các đờng thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết:

Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị 0max, Mđm, KM là xác định, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng  Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ.

Do đó có thể tính sơ bộ đợc:

0max/Mđm10.

Vì thế với tải có đặc tính mômen không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ cũng không vợt quá 10 Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi các đặc tính cơ tĩnh của truyền động một chiều kích từ độc lập là tuyến tính Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng các đặc tính cơ trong toàn dải điều chỉnh là nh nhau, do đó độ sụt tốc tơng đối sẽ đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh hay nói cách khác, nếu tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vợt quá giá trị sai số cho phép, thì hệ truyền động sẽ làm việc với sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh Sai số tơng đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là :

Vì các giá trị Mđm, 0min, scp là xác định nên có thể tính đợc giá trị tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vợt quá giá trị cho phép Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thông kích từ đợc giữ nguyên, do đó mômen tải cho phép của hệ sẽ là không đổi :

Mc.cp = KIđm = Mđm

Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen nằm trong hình chữ nhật bao bởi các đờng thẳng  =đm, M =Mđm và các trục toạ độ Tổn hao năng lợng chính là tổn hao trong mạch phần ứng nếu bỏ qua các tổn hao không đổi trong hệ.

Khi làm việc ở chế độ xác lập ta có mômen do động cơ sinh ra đúng bằng mômen tải trên trục: M*=M*C và gần đúng coi đặc tính cơ của phụ tải là:

Hình 3 Quan hệ giữa hiệu suất truyền động và tốc độ với các loại tải khác nhau

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng là rất thích hợp trong trờng hợp mômen tải là hằng số trong toàn dải điều chỉnh Cũng thấy rằng không nên nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng vì nh vậy sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ

Trong đó: Kdtu>1,6, chọn Kdtu=2 + Dòng làm việc của van đợc tính theo dòng hiệu dụng:

+ Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt và đầy đủ diện tích toả nhiệt, không quạt đối lu không khí, với điều kiện đó dòng định mức cần

+ Điện áp ngợc cực đại của van: Unmax= 500(V) + Dòng điện định mức của van: Iđm= 60(A) + Đỉnh xung dòng điện: Ipikmax= 700(A)

+ Sụt áp lớn nhất của Tiritor ở trạng thái dẫn: ∆Umax= 1,4(V) + Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép: Tmax =175C

+ Dòng điện thử cực đại: Ith = 60(A)

C Tính toán máy biến áp chỉnh lu: máy biến áp một pha

1 Điện áp chỉnh lu không tải:

Udo=Ud +2∆UV +∆Udn +∆UBA= 100 + 2.1,4 + 5 = 107,8(V) Trong đó: Ud = 100(V)- điện áp chỉnh lu.

UV =1,4(V)- sụt áp trên van Udn≈0- sụt áp trên dây nối.

UBA=(510)%Ud ⇒chọn UBA= 5%Ud = 3 Công suất biến áp nguồn cấp:

SBA=S1BA=S2BA =Ks.Pdmax= 1,23.1897,28 = 2333,65(VA)

Trong đó: KQ= 5- hệ số phụ thuộc vào phơng thức làm mát m=1- số pha của máy biến áp.

5 Tính toán dây quấn máy biến áp:

• Điện áp cuộn dây sơ cấp: U1 = 220(V)

• Điện áp cuộn dây thứ cấp:

Trong đó: J1= 2,75A/mm2- mật độ dòng điện trong máy biến áp.

• Tiết diện dây dẫn thứ cấp:

Trong đó: J2= 2,75A/mm2- mật độ dòng điện trong máy biến áp.

• Đờng kính dây dẫn sơ cấp:

• Chọn trụ hình chữ nhật với các kích thớc QFe= a.b

Trong đó: a- bề rộng của trụ; b- bề dày của trụ.

Theo công thức kinh nghiệm: b/a= 0,5ữ1,5 => chọn: b/a=1

• Diện tích do cuộn sơ cấp chiếm chỗ:

• Diện tích do cuộn thứ cấp chiếm chỗ:

Qcs2=kld.W2.Scu2=2.159.7=2226(mm2) Trong đó: kld=2 – hệ số lấp đầy

• Diện tích cửa sổ cả hai cuộn dây chiếm chỗ:

Qcs= Qcs1+ Qcs2=585,58+2226=2811,58(mm2) 7 Kết cấu dây quấn:

Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm theo chiều dọc trụ, mỗi cuộn dây đợc quấn thành nhiều lớp dây Mỗi lớp dây đợc quấn liên tục, các vòng dây quấn sát nhau Các lớp dây cách điện với nhau bằng các bìa cách điện Ơ đây chọn bìa cách điện giữa các lớp dây dày 0,1mm, giữa các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp là 1mm,lớp cách điện trong cùng và ngài cùng là 1mm.

• Số vòng dây trên mỗi lớp của cuộn sơ cấp:

hg= dn1= d1+cđ =2,2+0,1=2,3(mm)- khoảng cách từ gông đến cuộn sơ cấp.

• Số vòng dây trên mỗi lớp của cuộn thứ cấp:

• Số lớp dây trong cửa sổ của cuộn thứ cấp:

Nh vậy cuộn thứ cấp có 159 vòng chia thành 4 lớp.

• Bề dày cuộn sơ cấp:

Trong đó: cđt, cđn: bề dày cách điện trong cùng và ngoài cùng cđ12: bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp

Trong đó:

• VCu: thể tích khối đồng của các cuộn dây VCu=SCu.l SCu: tiết diện dây dẫn

l: chiều dài dây quấn của cuộn dây.

• mCu: khối lợng riêng của đồng

Coi cuộn dây là khối hộp chữ nhật, thì chiều dài dây đồng tính theo biểu thức:

l =W.4.atb

Trong đó: atb: chiều dài trung bình của vòng dây.

• Chiều dài trung bình của cuộn dây sơ cấp:

• Tổng khối lợng đồng đã sử dụng:

MCu= MCu1 + MCu2 =2,85+3,52=6,37(kg) 10 Tính các thông số của Máy biến áp:

• Điện trở của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 750C: Trong đó: r : bán kính trong của cuộn dây thứ cấp

Chu vi trong của cuộn dây thứ cấp: Ct2=4.(atb2-Bd2)=4.(89-15,5)=294(mm)

• Kiểm tra máy biến áp thiết kế có đủ điện kháng để hạn chể tốc độ biến thiên của dòng chuyển mạch:

max

Vậy máy biến áp thiết kế sử dụng tốt.

• Hiệu suất thiết bị chỉnh lu:

Để thỏa mãn điều kiện làm việc của mạch kích từ với thông số định mức UđmĐC=100(V), IđmĐC=17,6(A),chọn điều kiện làm mát bằng cánh tản nhiệt, Tranzitor cần chọn phải đảm bảo làm việc với thông số:

UCEO>kU.UđmĐC= 2,5.100 = 250(V) IC>ki.IđmĐC= 5.17,6 =88(A)

=> Chọn Tranzitor loại QM100HC-M của Mistubishi có thông số: UCEO=350(V), IC=100(A), IB=3(A)

• Chọn Diod D:

Điốt xả năng lợng có dòng điện làm việc lớn nhất chạy qua không thể v-ợt quá 30% Ilv.

Dòng điện lớn nhất của điốt không vợt quá 0,3.17,6 = 5,28(A) Dòng điện này nhỏ, chọn điều kiện làm mát bằng vỏ điốt lúc đó dòng điện điốt cần chọn Iđm > 10.5,28 =52,8(A), điện áp cũng chọn tơng tự nh của tranzitor Uđm > 250(V)

Từ các thông số trên chọn điốt loại 1N2135 có thông số Imax = 60A,

Un = 400V, ∆U = 1.4V.

E Chọn các thiết bị bảo vệ:

a) Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn:

Khi van bán dẫn làm việc, có dòng điện chạy qua, trên van có sụt áp U, do đó có tổn hao công suất P Tổn hao này sinh nhiệt, đốt nóng van bán dẫn Mặt khác van bán dẫn chỉ đợc phép làm việc dới nhiệt độ cho phép Tcp, nếu qua nhiệt độ cho phép các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng Để van bán dẫn làm việc an toàn không bị chọc thủng về nhiệt, ở đây ta dùng cánh tản nhiệt:

Trong đó: T- độ chênh nhiệt độ so với môi trờng + Chọn nhiệt độ môi trờng: Tmt = 40C

+ Nhiệt độ làm việc cho phép của Diod: Tcp =175C + Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt: Tlv = 80C

b) Bảo vệ quá dòng điện cho van:

• Dùng Aptomat để đóng cắt mạch động lực, tự động cắt mạch khi quá tải và ngắn mạch Diod, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy

+ Chỉnh định dòng ngắn mạch: Inm = 2,5.Ilv =2,5.10,6 =26,5(A) + Dòng điện quá tải: Iqt =1,5.Ilv =1,5.10,6 =15,9(A)

Chọn Aptomat loại BHP 2 cực do hãng Hwa Shih chế tạo có các thông số: Iđm =15(A),Uđm =220(V).

• Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn khi sửa chữa hệ thống truyền động và dùng để đóng cắt bộ nguồn chỉnh lu khi không có tải.

Dòng định mức của cầu dao: IđmCD =1,1.Ilv =IđmAp =11,66(A)

• Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Diod, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lu.

+ Nhóm 1CC: Dòng điện định mức dây chảy nhóm 1CC: I1CC =1,1.I2 =1,1 19,45 =21,4(A)

+ Nhóm 2CC: Dòng điện định mức dây chảy nhóm 2CC: c) Bảo vệ quá điện áp cho van:

• Bảo vệ quá điện áp đợc thực hiện bằng cách mắc R-C song song với Diod Khi có chuyển mạch, các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngợc trong khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngợc gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anod và catod của Diod Khi có mạch R- C mắc song song với Diod tạo ra mạch vòng phóng điện

Mạch R-C bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch Có thể chọn gần đúng: R1=(530) ; C1=(0,254)F

• Bảo vệ xung điện áp từ lới điện ta mắc song song với tải ở đầu vào mạch R-C, nhờ mạch lọc này mà đỉnh xung gần nh nằm lại hoàn toàn trên điện trở đờng dây.

Có thể chọn gần đúng: R2 =(520) ; C2= 4F

D

Phần iii

Thiết kế mạch điều khiển.

I thiết kế mạch điều khiển:

Mạch điều khiển băm áp một chiều có nhiệm vụ xác định thời điểm mở và khoá van bán dẫn trong một chu kì chuyển mạch Điện áp tải khi điều khiển

td, tk, Tck: Thời gian dẫn, khoá van bán dẫn, chu kì đóng cắt U1: điện áp nguồn một chiều.

Mạch điều khiển cần đáp ứng yêu cầu điều khiển γ bằng các lệnh theo một nguyên tắc nào đó.

Để điều khiển γ với chu kì đóng cắt Tck không đổi cần phải điều khiển khoảng thời gian dẫn của van bán dẫn trong chu kì đóng cắt.

Nguyên lí điều khiển thời gian dẫn của các van bán dẫn trong điều áp một chiều có thể thực hiện nh sau:

Tạo một điện áp tựa dạng điện áp răng ca (hay điện áp tam giác) với một tần số f xác định khá cao Dùng một điện áp một chiều (làm điện áp điều khiển) so sánh với điện áp tựa Tại thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển thì phát lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn.

Điện áp tựa Urc so sánh với điện áp điều khiển Uđk Tại các thời điểm 0, t1, t2 Urc = Uđk sẽ phát lệnh mở hay khoá van bán dẫn Tại các sờn lên của điện áp tựa Urc phát lệnh mở van bán dẫn, tại sờn xuống của Urc sẽ phát lệnh khoá van Theo cách đó các van bán dẫn sẽ mở tại 0, t2, t4 , và khoá tại t1, t3 t5

Độ rộng xung điện áp tải đợc điều khiển khi điều chỉnh điện áp điều khiển Uđk Trên hình tăng Uđk sẽ giảm γ và giảm điện áp ra Nghĩa là trong tr-ờng hợp này Uđk và Utải nghịch biến.

II sơ đồ khối mạch điều khiển:

Khâu tạo tần số có nhiệm vụ tao điện áp tựa răng ca Urc với tần số theo ý muốn ngời thiết kế Tần số của các bộ điều áp một chiều thờng chọn khá lớn (hàng chục kHz) Tần số này lớn hay bé là do khả năng chịu tần số của van bán dẫn

Khâu so sánh có nhiệm vụ xác định thời điểm điện áp tựa bằng điện áp

điều khiển Tại các thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển thì phát lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn Điện áp tựa dạng tam giác có hai sờn lên và xuống, lệnh mở van động lực ở giao điểm sờn lên, thì ở giao điểm sờn xuống sẽ phát lệnh khoá van và ngợc lại

Khâu tạo xung, khuếch đại có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở van

bán dẫn Một xung đợc coi là phù hợp để mở van là xung có đủ công suất (đủ dòng điện và điện áp điều khiển), cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực khi nguồn động lực hàng chục vôn trở lên Hình dạng xung điều khiển phụ thuộc loại van động lực đợc sử dụng.

Van động lực là Tranzitor, xung điều khiển có dạng xung chữ nhật độ rộng của các xung này bằng độ rộng xung điện áp tải

III Thiết kế sơ đồ nguyên lý:

1 Khâu tạo tần số: tạo điện áp tam giác bằng tích phân sóng vuông Mạch tạo điện áp tam giác cũng có thể nhận đợc từ bộ tích phân xung vuông Xung vuông có thể tạo bằng nhiều cách khác nhau Tích phân xung này chính là quá trình nạp, xả tụ.