Tính kích thước mạch từ

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ MẠCH ĐỘNG LỰC

3.9. Tính kích thước mạch từ

3.9.1. Với đường kính trụ d = 9 cm, ta có số bậc là 5 trong nửa tiết diện trụ

Hình 3.3. Sơ đồ chỉnh lưu 1 nửa chu kỳ3.9.2. Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ 3.9.2. Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ

Qbt = 2 *((1,6*8,5) + (1,1*7,5) + (0,7*6,5) + (0,6*5,5) + (0,4*4,0)) = 63 (cm2)

3.9.3. Tiết diện hiệu quả của trụ

QT = khq*Qbt = 0,95 * 63 = 59,85 (cm2) Với khq = 0,95 là hệ quả hiệu quả.

3.9.4. Tổng chiều dày các bậc thang của trụ

3.9.5. Số lá thép dùng trong các bậcBậc 1: n1 = 0,515 * 2 = 60 (lá) Bậc 1: n1 = 0,515 * 2 = 60 (lá) Bậc 2: n2 = 0,510 * 2 = 40 (lá) Bậc 3: n3 = 0,56 * 2 = 24 (lá) Bậc 4: n4 = 0,54 * 2 = 16 (lá) Bậc 5: n5 = 0,55 * 2 = 20 (lá)

Để đơn giản trong việc chế tạo gơng từ, ta chọn gơng có tiết diện hình chữ nhật có các kích thước sau.

Chiều dày của gơng bằng chiều dày của trụ: b = dt = 8,8 (cm)

Chiều cao của gông bằng chiều rộng tập lá thép thứ nhất của trụ: a = 8,5 (cm) Tiết diện gông Qbg = a * b = 8,5 * 8,8 = 74,8 (cm2)

3.9.6. Tiết diện hiệu quả của gông (khq = 0,95)

Qg = khq*Qbg = 0,95*74,8 = 71,06 (cm2) 3.9.7. Số lá thép dùng trong một gông Hg = b/0,5 = 8,8/0,5 = 17,6 (lá) 3.9.8. Tính chính xác mật độ từ cảm trong trụ BT = 4,44∗f∗WU1 1∗QT = 4,44∗50∗275380∗59,85∗10−4 = 1,04 (T) 3.9.9. Mật độ tự cảm trong gông Bg = BT* QTQg = 1,04* 59,8571,06 = 0,876 (T) 3.9.10. Chiều rộng cửa sổ

C = 2*(a01 + Bd1+ a12 + Bd2) + a22 = 2*(1,0 + 2,03+ 1,0 + 2,3) + 2 = 14,7 (cm)

3.9.11. Tính khoảng cách giữa 2 tâm trục

C’= c+d =14,7+ 9 = 23,7 (cm)

3.9.12. Chiều rộng mạch từ

L = 2*c + 3*d = 2*14,7 + 3*9 = 56,4 (cm)

3.9.13. Chiều cao của mạch từ

Hình 3.4. Kết cấu cuộn từ mạch kháng 3.10. Tính khối lượng sắt và đồng 3.10.1. Thể tích của trụ VT = 3*QT*h = 3*59,85*20 = 3591(cm3)=3,591(dm3) 3.10.2. Thể tích của gơng Vg = 2*Qg*L = 2*71,06*56,4 = 8076(cm3)=8,076(dm3)

3.10.3. Khối lượng của trụ

MT = VT*mfe =3,591*7,87= 28,26 (Kg) Trong đó: mfe = 7,87 (kg)

3.10.4. Khối lượng của gông

Mg = Vg*mfe = 8,076*7,87=63,5 (Kg)

3.10.5. Khối lượng của sắt

Mfe = MT + Mg = 28,26 + 63,5 = 91,7 (Kg)

3.10.6. Thể tích đồng

VCu = 3*(S1*L1 + S2*L2)

¿3∗(11,27∗10−4∗112,31∗10+20,88∗10−4∗91,42∗10)=9,5(d m3)

3.10.7. Khối lượng của đồng

MCu = VCu*mCu = 9,5*8,96 = 85,12(Kg)

Trong đó: mcu = 8,96 (kg)

3.11. Tính các thơng số máy biến áp

3.11.1. Điện trở cuộn sơ cấp của máy biến áp ở 75ºC

R1 = p*LS11 = 0,02133*112,3111,27 = 0,212 (Ω)

Trong đó: p = 0,02133 (Ω)

3.11.2. Điện trở cuộn thứ cấp của máy biến áp ở 75ºC

R2 = p*L2S2 = 0,02133*91,4220,88 = 0,093 (Ω)

Trong đó: p = 0,02133 (Ω)

3.11.3. Điện trở của máy biến áp qui đổi về thứ cấp

RBA = R2 + R1*(WW21)^2 = 0,212+ 0,093*(150275)^2 = 0,24 (Ω)

3.11.4. Sụt áp trên điện trở máy biến áp

∆Ur = RBA*Iudm = 0,24*70,34 = 16,9(V)

3.11.5. Điện kháng máy biến áp quy đổi về thứ cấp

Xba = 8∏2∗W 2hqd2∗r(a12+Bd1+3Bd2∗10−2)∗w∗10−7

=8∏2∗150182∗8,53∗(0.01+2,03+3 2,3∗10−2)∗314¿10−7

= 0,6 (Ω)

Trong đó:

+ w = 314 (rad/s)

+ r = Dt2/2 = 17,06/2 = 8,53 (cm) là bán kính trong dây quấn thứ cấp. + hqd = h2 = h1= 18 (cm)

3.11.6. Điện cảm máy biến áp qui đổi về thứ cấp

LBA = X baw = 3140,6 = 1,91 (mH)

3.11.7. Sụt áp trên điện kháng máy biến áp

∆Ux = ∏3* Xba*Iudm = ∏3 *0,6*70,34 = 40,3(V) Rdt = ∏3* Xba = ∏3*0,6 = 0,57 (Ω)

3.11.8. Sụt áp trên máy biến áp

ΔUBA = √∆ U r2+∆ U x2 = √16,92+40,32 = 43,7 (V)

3.11.9. Điện áp trê động cơ khi có góc mở αmin = 10ºC

U = Ud0 * Cosαmin – 2*ΔUv – ΔUBA

= 240,45*Cos10º – 2*1,8 – 43,7 = 190 (V) Trong đó: ∆Uv = 1,8(V) là sụt áp trên Thyristor.

3.11.10. Tổng trở ngắn mạch quy qui đổi về thứ cấp

ZBA = √Rba2 +Xba2 = √0,242+0,62 = 0,64 (Ω)

3.11.11. Tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp

ΔPn=3∗Rba∗Iudm2=3∗0,24∗70,342=3562(W) ΔP% = ΔPnSba∗100= 3562

16250∗100=21,92(%)

3.11.12. Tổn hao có tải có kể đến 15% tổn hao phụ

P0 = 1,3∗nf∗(M T∗B T2+Mg∗Bg2)=1,3∗1,15∗(28,26∗1,042+63,5∗0,8762) = 119 (W) Trong đó : nf = 1,15 ΔP% = SbaP0∗100= 119 16250∗100=0,73(%) 3.11.13. Điện áp ngắn mạch tác dụng Unr = Rba∗I2 U2 ∗100=0,24∗57,43205,6 ∗100 = 6,7 (V) 3.11.14. Điện áp ngắn mạch phản kháng Unx = Xba∗I2 U2 ∗100=0,64∗57,43205,6 ∗100 = 17,8 (V)

3.11.15. Điện áp ngắn mạch phần trăm

Un = √Unr2 +Unx2 = √6,72+17,82 = 19 (Ω)

3.11.16. Dòng điện ngắn mạch xác lập

I2nm = ZbaU2 =205,60,64 = 321 (A)

3.11.17. Dòng điện ngắn mạch tức thời cực đại

Imax = √2* I2nm* (1+e−∏Unx¿Unr ) =√2*321*(1+e−∏19¿6,7) = 604 (A)

Imax = 604 < Ipik = 1400 (A)

Trong đó: Ipik đỉnh xung max của Thyristor.

3.11.18. Kiểm tra máy biến áp thiết kế có đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến thiên của dòng điện chuyển mạch

Giả sử chuyển mạch từ T1 sang T3 ta có phương trình: LBA = U23 – U2a = √6∗¿ U2* Sin(θ – α)

dicdt max = √6∗U2

2∗Lba = √6∗205,6

2∗1,91∗10−3 = 131836,4 (A/s)

dicdt max = 0,132 (A/s) < cp = 100 (A/µs) Vậy máy biến áp thiết kế sử dụng tốt.

3.11.19. Hiệu suất thiết bị chỉnh lưu

Ƞ = Ud∗IdSba =220∗70,34

16250 ∗100=95,22(%)

3.12. Thiết kế cuộn kháng lọc

3.12.64. Xác định góc mở cực tiểu và cực đại

Chọn góc mở cực tiểu αmin = 10º. Với góc mở αmin là dự trữ ta có thể bù được sự giảm điện áp lưới.

Khi mở góc nhỏ nhất α = αmin thì điện áp trên tải là lớn nhất.

Udmax = Udo *Cosαmin = Udđm và tương ứng tốc độ động cơ sẽ lớn nhất nmax = nđm. Khi góc mở lớn nhất α = αmax thì điện áp trên tải là nhỏ nhất.

Udmin = Udo* Cos αmax và tương ứng tốc độ động cơ sẽ nhỏ nhất nmin. Ta có :

αmax = arcos*UdminUd0 =¿ arcos*2,34∗UUdmin2 (1) Trong đó Udmin được xác định sau:

Cho chiều dài điều chỉnh: D = nmax

nmix = Udmin−Iudm∗RuΣUdm−Uudm∗RuΣ =20 Udmin = D1 * [ Udmin + (D-1) * Iudm *Ru𝜮]

= D1 * [ 2,34 * U2 * Cosαmin + (D-1) * Iudm * (Ru + Rba + Rdt)]

Thay số: U2 = 205,6 (V); Iudm = 70,34 (A); Ru = 0,25 (Ω); Rba = 0,24 (Ω); Rdt = 0,57 (Ω) ta được:

Udmin = 201 * [ 2,34 * 205,6 * Cos(10) + (20-1) * 70,34 * (0,25 + 0,24 + 0,57)] = 94,5 (V)

Thay số vào (1) ta được :

αmax = arcos*UdminUd0 = arcos*240,4594,5 = 66,8º

3.12.65. Xác định các thành phần sóng hài

Để thuận tiện cho việc khai triên chuỗi Furier ta chuyển gốc tọa độ sang điểm θ1, khi đó điện áp tức thời trên tải khi Thyristor T1 và T4 dẫn:

Ud = Uab = √6*U2 *cos(θ−π

6+α) với θ = Ω*t

Điện áp tức thời trên tải điện Ud khơng sin và tuần hồn với chu kỳ:

τ=2π

Trong đó: P = 6 là số xung đập mạch trong một chu kì điện áp lưới. Khai triển chuỗi Furier của điện áp Ud:

Ud = ao 2 + ∑ k=1 ∞ (an∗cos6∗kθ+bnsin 6∗kθ) = a0 2 + ∑ k=1 ∞ Unm∗sin(6∗kθ+φk) Trong đó: a = 2τ∫ 0 τ Ud∗cos6kθdθ = 6π∫ 0 τ √6 * U2 * cos(θ−π6+α)*cos6kθdθ

an = 3π√6 * U2 * (6k−2)2−1 * 2* Sinπ6 Cosα = 3π√6 * U2 * (6k−2)2−1 * Cosα bn = 2τ∫ 0 τ Ud∗cos6kθdθ = 6π∫ 0 τ √6 * U2 *cos(θ−π 6+α)*cos6kθdθ

= 3π√6 * U2 * (6k12)2−1 *2* Sin36π Sinα = 3π√6 * U2 * (612k)2k−1 * Cosα

Ta có:

ao

2= 3√6

∏ ∗U2∗Cosα

Vậy ta có biên độ của điện áp:

Uk.n = √an2+bn2

Uk.n = 2*3π√6∗¿ U2 * (6k1)2−1√cos2α+(6k)2sin2α

Uk.n = 3π√6 * Udo * (6k1)2−1√1+(6k)2tg2α

Ud = 3π√6 *Cosα + ∑

n Ukm*Sin(60 – φ1)

3.12.66. Xác định điện cảm cuộn kháng lọc

Từ phân tích trên ta thấy rằng khi góc mở càng tăng thì biên độ thành phần sóng hài bậc cao càng lớn, có nghĩa là đạp mạch của điện áp, dịng điện càng tăng lên.

Sự đập mạch này làm xấu chế độ chuyển mạch của vành góp, đồng thời gây ra tổn hao phụ dưới dạng nhiệt trong động cơ.

Để hạn chế sự đập mạch này ta phải mắc nối tiếp với động cơ một cuộn kháng lọc đủ lớn để Im ≤ 0,1*Iưđm.

Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bậc cao, cuộn kháng lọc cịn có tác dụng hạn chế vùng dòng điện gián đoạn.

Điện kháng lọc cịn được tính khi góc mở α = αmax. Ta có:

Ud + u~ = E + Ru∑ * Id + Ru∑ * i~ + Ldidt Cân bằng hai vế :

U = R*i~ + L*didt

Vì R * i~ << L*didt nên U = L*didt

Trong các thành phần xoay chiều bậc cao, thì thành phần sóng bậc k = 1 có mức độ lớn nhất gần đúng ta có: U~ = U1m *Sin(60 + φ) Nên : I = 1L∫U dt = U1m ρ∗2π∗f∗L Cos(60 + φ1) = Im * Cos(60 + φ1) Vậy : Im = U1m 6∗2π∗f∗L≤ 0,1 Iưđm Suy ra : L ≥ U1m 6∗2π∗f∗0,1∗Iđm f = f *ρ

Với ρ = 6 là số xung đập mạch trong một chu kì điện áp. Trong đó:

U1m = 2*Udocosαmax

62−1 √1+62tg2αmax

U1m = 2∗240,45∗cos36−1 (66,8º)∗√1+36∗tg(66,8º)2=76(V) Thay số :

L = 6∗2∏∗50∗0,1∗70,3476 =5,73(mH)

Điện cảm mạch phần ứng đã có:

Lưc = Lư + 2*Lba = 1,777+ 2* 1,91 = 5,6 (mH)

Điện cảm cuộn kháng lọc:

3.12.67. Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc

Các thông số ban đầu:

Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc: Lk = 0,13 (mH) Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng: Iudm = 70,34 (A) Biện độ dòng điện xoay chiều bậc 1: I1m = 10%Iđm = 7,034 (A)

 Do dòng điện cuộn kháng lớn và điện trở bé do đó ta có thể coi tổng trở của cuộn

kháng xấp xỉ bằng điện kháng của cuộn kháng:

Zk = Xk = 2π*f*Lk = 2π*6*50*0,13*10-3 = 0,24 (Ω)

 Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc

ΔU = Zk*I1m

√2= 0,24*7,034√2 = 1,19 (V)

 Công suất của cuộn kháng lọc

S = ΔU*I1m

√2= 1,19*7,034√2 =5,9(VA)

 Tiết diện cực từ chính của cuộn kháng lọc

Q = KQ * √S

f=5∗√ 5,9

6∗50=0,7(cm2)

Trong đó: KQ là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, khi làm mát bằng khơng khí

tự nhiên KQ = 5.

Chuẩn hóa tiết diện trụ theo kích thước có sẵn: Q = 4,25(cm2)

 Với tiết diện trụ(Q = 4,25 cm2)

Chọn loại thép ∃330A, tấm thép dày 0,35mm a = 20 (mm)

b = 25 (mm)

Hình 3.6. Kết cấu mạch từ cuộn kháng

a. Chọn mật độ từ cảm trong trụ BT = 0,8T

b. Khi có thành phần dịng điện xoay chiều chạy qua cuộn cảm thì trong cuộn cảm sẽ xuất hiện một suất điện động Fk

Fk = 4,44*w*f’*BT*Q

Gần đúng ta có thể viết: ΔU = Ek = 1,19 (V) W = 4,44∗f ’∗B TΔU ∗Q= 1,19

4,44∗6∗50∗0,8∗4,25∗10−4=2,62(A)

Lấy W = 3 (vịng)

 Ta có dịng điện chạy qua cuộn kháng

i(t) = Id + i1mCos(60+θ)

Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng

Ik = √I d2+(I1m

√2 )2

=√70,342+(7,034 √2 )2

=70,51(A)

 Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng: J = 2,75 (A/mm2)

Sk = Ik

J=70,512,75 =25,6(m m2)

Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách cấp điện B, chọn Sk = 25,8 (m m2)

Với kích thước dây:

ak*bk = 2,83*9,3 = 26,3 (mm)  Tính lại mật độ dịng J = Iskk=70,5125,8 =2,73( A mm2)  Chọn tỷ số lấp đầy Kld = Sk∗WQcs =0,7  Diện tích cửa sổ Qcs = Sk∗Wkld =25,8∗30,7 =1,105(cm2)  Tính kích thước mạch từ Qcs = c*h Chọn m = h/a = 3

Suy ra: h = 3*a = 3*20 = 60 (mm) C = Qcs /h = 1,105/6 = 0,18 (mm)

 Chiều cao mạch từ

H = h + a = 60 +20 = 80 (mm)

 Chiều dài mạch từ

L = 2*c + 2*a = 2*0,18+ 2*20 = 40,6 (mm)

 Chọn khoảng cách từ gông đến cuộn dây

Hg = 2 (mm)

W1 = 60−2∗HgBk =60−2∗29,3 =6(vịng)

 Tính số lớp dây quấn

n1 = WW1=3

6=0,5(lớp) = 1(lớp)

 Chọn khoảng cách cách điện giữa dây quấn với trụ: a01 =3 (mm) Cách điện giữa các lớp: cd1 = 0,1 (mm)

 Bề dày cuộn dây

Bd = (ak + cd1)*n1 = (4,7 + 0,1)*1= 4,8 (mm)

 Tổng bề dày cuộn dây

Bd𝜮 = Bd + a01 = 4,8 + 3 = 7,8 (mm)

 Chiều dài của vòng dây trong cùng

L1 = 2*(a+b) + 2∏* a01 = 2*(20+25) + 2∏*3 = 108,85 (mm)

 Chiều dài của vịng dây ngồi cùng

L2 = 2*(a+b) + 2∏*(a01 + Bd ) = 2*(20+25) + 2∏*(3+4,8) = 139 (mm)

 Chiều dài trung bình của một vịng dây

Ltb = l1+l2 2=108,852+139 = 124 (mm)

 Điện trở của dây quấn ở 75ºC

R=ρ75∗Ltb∗w

sk =0,02133∗154∗10

−3∗3

25,8 =3,82∗10−3(Ω)

Vớiρ75=0,02133(Ω.mm^2 /m). Điện trở suất của đồng ở 75ºC ta thấy điện trở rất bé nên giả thiết ban đầu bỏ qua điện trở là đúng.

 Thể tích của sắt

Vfe = 2*a*b*h + 2*a/2*b*1 = a*b*(2*h + L)

= 20∗25∗10−4∗(2∗60+40,6)∗10−2

= 0,08 (dm3)

 Khối lượng của sắt

Mfe = Vfe*mfe = 0,08*7,85 = 0,63 (kg)

Trong đó: khối lượng riêng của sắt mfe = 7,85 (kg/dm3)

 Khối lượng đồng

Mcu = Vcu +mcu = Sk*ltb*w*mcu = 25,8*124*3*8,9*10-6 = 0,085(kg)

CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ VÀ TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

4.1. Xác định yêu cầu cơ bản

Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Thyristor. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển.

+ Điện áp điều khiển Thyristor: Uđk =1,4 (V) + Dòng điện điều khiển Thyristor: Iđk = 150 (mA) + Thời gian mở Thyristor: tcm = 180 (µs)

+ Độ rộng xung xung điều khiển tx = 2*tcm =2*180 = 360(µs) +Tần số xung điều khiển: fx = 3(kHz)

+ Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U = ±18 (V) + Mức sụt biên độ xung: sx = 0,15

Góc thơng tự nhiên của mạch chỉnh lưu tia ba pha dịch pha so với điện áp pha một góc là 30o (nếu lệch mở Thyristor trước thời điểm góc thơng tự nhiên này Thyristor khơng dẫn, vì Thyristor pha trước đó đang dẫn, điện áp cịn đang dương hơn). Do đó điện áp tựa làm nền đưa vào để mở Thyristor cũng cần dịch pha một góc 30o. Để dịch pha điện áp đồng pha đi mộ góc 30o cần nối biến áp đồng pha có sơ cấp nối tam giác. Khi đó điện áp thứ cấp mỗi pha biến áp trùng pha với điện áp dây (điện áp dây dịch pha so với điện áp pha một góc là 30o. UAC trên hình.

Hình 4.1. Xác định góc thơng tự nhiên và khoảng dẫn của Thyristor trong chỉnh lưu ba pha

4.1.1. Nguyên tắc điều khiển

- Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

Điều khiển Thyristor trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay thường gặp là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính. Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào Anot của Thyristor, để có thể điều khiển được góc mở α của Thyristor trong vùng điện áp dương của Anot, ta cần một điện áp tựa dạng tam giác, thường gọi là điện áp tựa (điện áp răng cưa Urc)

Dùng một điện áp một chiều Udk so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm (t1, t4) điện áp tựa bằng điện áp điều khiển (Urc = Udk), trong vùng điện áp dương Anot, thì phát xung điều khiển Xdk. Thyristor được mở từ thời điểm có xung điều khiển (t1, t4) cho tới cuối bán kỳ (hoặc tới khi dòng điện bằng 0).

Như vậy bằng cách làm biến đổi Udk, ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều chỉnh góc α.

Giữa α và Udk có quan hệ sau:

α = π . Udk

Usmax

Người ta lấy:

Hình 4.2. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo điện áp tựa U_rc trùng pha với điện áp Anot của Thyristor.

Khâu so sánh có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển U_dk, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuếch đại.

Khâu khuếch đại xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Thyristor.

Hình 4.3. Sơ đồ khối điều khiển thyristor4.1.2. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcos. 4.1.2. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcos.

Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp:

+ Điện áp đồng bộ Us, vượt trước UAK = Um sinωt của Thyristor một góc π2: Us = Um cosωt

+ Điện áp điều khiển Udk là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ theo hai chiều dương và âm.

Nếu đặt Us vào cổng đảo và Ucm vào cổng khơng đảo của khâu so sánh thì:

Khi Us = Ucm, ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái.

Um cosα = Udk Do đó α = arcos( Udk Um) : + Khi Udk = Um thì α = 0 ; + Khi Udk = 0 thì α = π2 ; + Khi Udk = - Um thì α = π.

Hình 4.4. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcoss

Như vậy, khi điều chỉnh Udk từ trị Udk = +Um, đến trị Udk = -Um ta có thể điều