MỤC LỤC MỤC LỤC 2 ĐỀ 21 4 MỞ ĐẦU 5 CHƯƠNG I: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 6 I. NGUYÊN LÝ CHUNG 6 II. CẤU TẠO CHUNG. 7 1. STATO. 7 2. Roto. 8 III. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. 9 1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông θ 10 2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng. 10 3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp. 11 CHƯƠNG II: CHỌN PHƯƠNG ÁN MẠCH LỰC 13 I. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ. 13 II. CHỌN SƠ ĐỒ MẠCH LỰC. 13 III. NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH LỰC. 16 1. Khâu chỉnh lưu cầu một pha. 16 2. Băm xung áp một chiều theo nguyên tắc không đối xứng. 17 CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN MẠCH LỰC VÀ MÁY BIẾN ÁP. 21 I. TÍNH CHỌN MẠCH LỰC. 21 II. TÍNH CHỌN DIODE CHO MẠCH CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU KHIỂN. 23 III. TÍNH CHỌN MÁY BIẾN ÁP. 24 1.Tính mạch từ. 25 2. Tính toán dây quấn_số vòng và kích thước dây. 25 3. Tính toán kích thước mạch từ 27 4. Tính toán kích thước cửa sổ. 27 5. Kết cấu, dây quấn. 28 6. Tính tổng sụt áp trong máy biến áp. 29 IV. TÍNH TOÁN BỘ LỌC 31 1. Tính toán chung. 31 2. Tính toán thiết kế cuộn kháng lọc một chiều. 32 CHƯƠNG IV: CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ MẠCH LỰC VÀ CÁC VAN BÁN DẪN 36 I. SƠ ĐỒ VÀ TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ BẢO VỆ 36 II. XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT CỦA ĐIỆN TRỞ. 39 III. TÍNH TOÁN APTOMÁT BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN 39 CHƯƠNG V: MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG Error! Bookmark not defined. I. XÂY DỰNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN. Error! Bookmark not defined. II. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG. Error! Bookmark not defined. CHƯƠNG VI: TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN. Error! Bookmark not defined. I. TÍNH TOÁN MÁY BIẾN ÁP XUNG. Error! Bookmark not defined. III. LỰA CHỌN CỔNG LOGIC AND VÀ OR. Error! Bookmark not defined. IV. TÍNH TOÁN CHO MẠCH TẠO XUNG CHÙM. Error! Bookmark not defined. V. TÍNH TOÁN CHO KHÂU TẠO TRỄ. Error! Bookmark not defined. VI. TÍNH TOÁN CHO MÁY PHÁT XUNG. Error! Bookmark not defined. VII. TÍNH TOÁN MẠCH TẠO XUNG RĂNG CƯA. Error! Bookmark not defined. VIII. TÍNH TOÁN CHO MẠCH SO SÁNH. Error! Bookmark not defined. IX. TÍNH TOÁN CHO BỘ TRỪ ĐIỆN ÁP VÀ MẠCH GHIM ĐIỆN ÁP. Error! Bookmark not defined. X. TÍNH TOÁN CHO BỘ PHẬN TẠO ĐIỆN ÁP ĐIỀU KHIỂN. Error! Bookmark not defined. CHƯƠNG VII: MÔ PHỎNG. 51 I. MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN. 51 KẾT LUẬN 56 ĐỀ 21 Thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc đối xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu) với số liệu cho trước như sau: Phương án Điện áp lưới điện (VAC) Dòng điện định mức Điện áp phần ứng Phạm vi điều chỉnh tốc độ 4 127 6A 400V 25:1 MỞ ĐẦU Trong nền sản suất hiện đại, máy điện một chiều được coi là một loại máy điện quan trọng. Nó được dùng làm động cơ điện, máy phát điện hay dùng trong các điều kiện làm việc khác. Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, vì vậy được dùng nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải. Mặc dù động cơ điện có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp, nhưng luôn đi kèm với nó là những yêu cầu về điện áp, dòng điện. Chính vì vậy cần một phương pháp nhằm đáp ứng được những yêu cầu trên. Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu những ứng dụng các linh kiện bán dẫn làm việc ở chế độ chuyển mạch vào quá trình biến đổi điện năng. Hiện nay các thiết bị điện tử công suất chiếm hơn 30% trong số các thiết bị của một xí nghiệp hiện đại. Nhờ chủ trương mở cửa ngày càng có thêm nhiều xí nghiệp mới, dây truyền sản xuất mới, đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện những kiến thức về điện tử công suất về vi mạch và vi xử lý. Xuất phát từ yêu cầu thực tế và tầm quan trọng của bộ môn điện tử công suất các thầy cô trong bộ môn điện tử công suất đã cho chúng em từng bước tiếp xúc với việc thiết kế thông qua đồ án môn học điện tử công suất. Đối với những sinh viên năm thứ 3, đây là lần đàu tiên tiếp xúc với thực tế. Chính vì vậy, trong quá trình thực hiện đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót nên em rất mong sự góp ý của thầy cô và các bạn để đồ án được tốt hơn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Tự động hoá xí nghiệp công nghiệp và đăc biệt là thầy giáo ts.Võ Minh Chính tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án này.
Đồ án môn học Điện Tử Công Suất Mai Sỹ Hùng - CH9 - Tự Động Hoá Đồ án môn học Điện tử công suất Giáo viên hướng dẫn: Võ Minh Chính. Nhóm sinh viên thực hiện: Đoàn Thị Quỳnh Lan Vũ Trung Dũng Nguyễn Tiến Dũng Đoàn Minh Dung Mai Sỹ Hùng 1 Đồ án môn học Điện Tử Công Suất Mai Sỹ Hùng - CH9 - Tự Động Hoá MỤC LỤC CHƯƠNG I: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 4 CHƯƠNG II: CHỌN PHƯƠNG ÁN MẠCH LỰC 11 CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN MẠCH LỰC VÀ MÁY BIẾN ÁP .20 CHƯƠNG IV: CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ MẠCH LỰC VÀ CÁC VAN BÁN DẪN .36 Ta sử dụng vi mạch LMC6762A/NS với sơ đồ như sau: .44 CHƯƠNG VII: MÔ PHỎNG .51 KẾT LUẬN 56 ĐỀ 21 Thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc đối xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu) với số liệu cho trước như sau: Phương án Điện áp lưới điện (VAC) Dòng điện định mức Điện áp phần ứng Phạm vi điều chỉnh tốc độ 4 127 6A 400V 25:1 2 Đồ án môn học Điện Tử Công Suất Mai Sỹ Hùng - CH9 - Tự Động Hoá MỞ ĐẦU Trong nền sản suất hiện đại, máy điện một chiều được coi là một loại máy điện quan trọng. Nó được dùng làm động cơ điện, máy phát điện hay dùng trong các điều kiện làm việc khác. Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, vì vậy được dùng nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải. Mặc dù động cơ điện có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp, nhưng luôn đi kèm với nó là những yêu cầu về điện áp, dòng điện. Chính vì vậy cần một phương pháp nhằm đáp ứng được những yêu cầu trên. Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu những ứng dụng các linh kiện bán dẫn làm việc ở chế độ chuyển mạch vào quá trình biến đổi điện năng. Hiện nay các thiết bị điện tử công suất chiếm hơn 30% trong số các thiết bị của một xí nghiệp hiện đại. Nhờ chủ trương mở cửa ngày càng có thêm nhiều xí nghiệp mới, dây truyền sản xuất mới, đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện những kiến thức về điện tử công suất về vi mạch và vi xử lý. Xuất phát từ yêu cầu thực tế và tầm quan trọng của bộ môn điện tử công suất các thầy cô trong bộ môn điện tử công suất đã cho chúng em từng bước tiếp xúc với việc thiết kế thông qua đồ án môn học điện tử công suất. Đối với những sinh viên năm thứ 3, đây là lần đàu tiên tiếp xúc với thực tế. Chính vì vậy, trong quá trình thực hiện đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót nên em rất mong sự góp ý của thầy cô và các bạn để đồ án được tốt hơn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Tự động hoá xí nghiệp công nghiệp và đăc biệt là thầy giáo ts.Võ Minh Chính tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án này. 3 Đồ án môn học Điện Tử Công Suất Mai Sỹ Hùng - CH9 - Tự Động Hoá CHƯƠNG I: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Trong nền sản xuất hiện nay, động cơ điện Không Đồng Bộ đang chiếm ưu thế so với động cơ điện một chiều. Đó là do sự ra đời của các máy biến tần, tuy vậy việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện Không Đồng Bộ vẫn còn là việc khó khăn. Do vậy, động cơ điện một chiều với đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt vẫn còn được dùng nhiều trong trong các ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ. Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu về động cơ điện một chiều dưới các góc độ: • Nguyên lý hoạt động chung. • Cấu tạo chung. • Các phương pháp điều chỉnh tốc độ. • Các chế độ khởi động của động cơ điện một chiều. I. NGUYÊN LÝ CHUNG Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên nguyên lý của hiện tượng cảm ứng điện từ. Như ta đã biết thanh dẫn có dòng điện đặt trong từ trường sẽ chịu tác dụng lực từ. Vì vậy khi cho dòng điện một chiều đi vào chổi than A và đi ra ở chổi than B thì các thanh dẫn sẽ chịu tác dụng của lực từ. Bên cạnh đó do dòng điện chỉ đi vào thanh dẫn nằm dưới cực N và đi ra ở các thanh dẫn chỉ nằm trên cực S nên dưới tác dụng của từ trường lên các thanh dẫn sẽ sinh ra mô men có chiều không đổi và làm cho roto của máy quay. 4 I Đồ án môn học Điện Tử Công Suất Mai Sỹ Hùng - CH9 - Tự Động Hoá Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập. Để tiến hành mở máy, đặt mạch kích từ vào nguồn U kt , dây cuốn kích từ sinh ra từ thông Φ. Trong tất cả các trường hợp, khi mở máy bao giờ cũng phải đảm bảo có Φ max tức là phải giảm điện trở của mạch kích từ R kt đến nhỏ nhất có thể. Cũng cần đảm bảo không xảy ra đứt mạch kích thích vì khi đó Φ = 0, M = 0, động cơ sẽ không quay được, do đó E ư = 0 và theo biểu thức U = E ư + R ư I ư thì dòng điện I ư sẽ rất lớn làm cháy động cơ. Nếu mômen do động cơ điện sinh ra lớn hơn mômen cản (M > M c ) rôto bắt đầu quay và suất điện động E ư sẽ tăng lên tỉ lệ với tốc độ quay n. Do sự xuất hiện và tăng lên của E ư , dòng điện I ư sẽ giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm hơn. II. CẤU TẠO CHUNG. Động cơ điện một chiều bao gồm hai phần chính là: • Phần tĩnh: Stato. • Phần quay: Roto. 1. STATO. Đây là phần đứng yên của máy. Phần tĩnh bao gồm các bộ phận sau: cực từ chính, cực từ phụ, gông từ và các bộ phận khác. a. Cực từ chính. Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ được làm bằng các lá thép KTĐ hay thép cácbon dày 0.5 đến 1 mm ép lại và tán chặt. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt lên trên các cực từ. Các cuộn dây này được nối nối tiếp với nhau. b. Cực từ phụ. Cực từ phụ được đặt giữa các cực tù chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép của cực tù phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn 5 Đồ án môn học Điện Tử Công Suất Mai Sỹ Hùng - CH9 - Tự Động Hoá mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ nhờ các bulông. c. Gông từ. Gông từ được dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ , đồng thời làm vỏ máy. d. Các bộ phận khác. Ngoài ba bộ phận chính trên còn có các bộ phận khác như: Nắp máy, cơ cấu chổi than. • Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hỏng dây quấn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện. • Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi than được cố định lên giá chổi than và cách điện với giá đó. Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than đúng chỗ. 2. Roto. Roto của động cơ điện một chiều bao gồm các bộ phận sau: lõi sắt phần ứng, dây quấn phần ứng, cổ góp và các bộ phận khác. a. Lõi sắt phần ứng. Dùng để dẫn từ. Thường làm bằng những tấm thép KTĐ (thép hợp kim silix) dày 0.5 mm bôi cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. b. Dây quấn phần ứng. Là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ (công suất dưới vài kilowatt) thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. Để tránh khi bị văng ra do sức li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc phải đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay ba-ke-lit. 6 Đồ án môn học Điện Tử Công Suất Mai Sỹ Hùng - CH9 - Tự Động Hoá c. Cổ góp. Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Cổ góp có nhiều phiến đồng có đuôi nhạn cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một trụ tròn. Hai đầu trụ tròn dùng hai vành ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành góp có cao hơn một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng. d. Các bộ phận khác. • Cánh quạt: dùng dể quạt gió làm nguội động cơ. Động cơ điện một chiều thường được chế tạo theo kiểu bảo vệ. Ở hai đầu nắp động cơ có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên trục động cơ. Khi động cơ quay, cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ. Gió đi qua vành góp, cực từ, lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội động cơ. • Trục máy: trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục động cơ thường được làm bằng thép cácbon tốt. III. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình sau: nn C RRIU C E n e fuu e ∆−= +− == 0 . )( . θθ với + =∆ = θ θ . ).( . 0 e fuu e C RRI n C U n hay 2 ).( . θ θ eM fu e CC MRR C U n + −= Từ hai phương trình trên ta thấy n (tốc độ của động cơ) phụ thuộc vào θ (từ thông), R (điện trở phần ứng), U (điện áp phần ứng). Vì vậy để điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều ta có ba phương án. • Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông θ • Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi bằng cách thay đổi điện trở phụ R f trên mạch phần ứng. 7 Đồ án môn học Điện Tử Công Suất Mai Sỹ Hùng - CH9 - Tự Động Hoá • Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp. 1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông θ Đồ thị hình trên cho thấy đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều ứng với các giá trị khác nhau của từ thông. Khi từ thông giảm thì n 0 tăng nhưng ∆n còn tăng nhanh hơn do đó ta mới thấy độ dốc của các đường đặc tính cơ này khác nhau. Chúng sẽ cùng hôi tụ về điểm trên trục hoành ứng với dòng điện rất lớn: I ư = (U/R ư ). Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ định mức. Giới hạn trong việc điều chỉnh tốc độ quay bằng phương pháp này là 1:2; 1:5; 1:8. Tuy nhiên có nhược điểm khi sử dụng phương pháp là phải dùng các biện pháp khống chế đặc biệt do đó cấu tạo và công nghệ chế tạo phức tạp, khiến giá thành máy tăng. 2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ R f trên mạch phần ứng. Ta có: 2 ).( . θ θ eM fu e CC MRR C U n + −= Từ thông không đổi nên n 0 không đổi, chỉ có ∆n là thay đổi. Một điều dễ thấy nữa là, do ta chỉ có thể đưa thêm R f chứ không thể giảm R ư nên ở đây chỉ điều chỉnh được tốc độ dưới tốc độ định mức. M(I ư ) θ δ ’’’ θ δ ’’ θ δ ’ θ δđm n (vòng/phút) n 0 ’’’ n 0 ’’ n 0 ’ n 0đm M đm (I đm ) 8 Đồ án môn học Điện Tử Công Suất Mai Sỹ Hùng - CH9 - Tự Động Hoá Do R f càng lớn đặc tính cơ càng mềm nên tốc độ sẽ thay đổi nhiều khi tải thay đổi (từ đồ thị cho thấy, khi I biến thiên thì ứng với cùng dải biến thiên của I đường đặc tính cơ nào mềm hơn tốc độ sẽ thay đổi nhiều hơn). Tuy nhiên phương pháp này làm tăng công suất và giảm hiệu suất. 3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp. n (vòng/phút) n 0 R f0 R f1 R f2 R f3 M đm (I đm ) M(I ư ) n (vòng/phút) M(I ư ) 4 2 3 1 (U đm ) M đm (I đm ) 9 Đồ án môn học Điện Tử Công Suất Mai Sỹ Hùng - CH9 - Tự Động Hoá Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ cả trên và dưới định mức. Tuy nhiên do cách điện của thiết bị thường chỉ tính toán cho điện áp định mức nên thường giảm điện áp U. Khi U giảm thì n 0 giảm nhưng ∆n là const nên tốc độ n giảm. Vì vậy thường chỉ điều chỉnh tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức. Còn nếu lớn hơn thì chỉ điều chỉnh trong phạm vi rất nhỏ. Đặc điểm quan trọng của phương pháp là khi điều chỉnh tốc độ thì mô men không đổi vì từ thông và dòng điện phần ứng đều không thay đổi (M = C M . θ. I ư ). Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ trong giới hạn 1:10, thậm chí cao hơn nữa có thể đến 1:25. Phương pháp chỉ dùng cho động cơ điện một chiều kích thích độc lập hoặc song song làm việc ở chế độ kích từ độc lập. 10