Hình 2.8. Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển khi có diode xả năng lượng
Udtb= 3
2π ∫
α+π
6
π
√2U2fsinωt .dωt=1,17∗U2f 1+cos(α+ π
6)
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ MẠCH ĐỘNG LỰC
3.1. Sơ đồ mạch động lực
Hình 3.1. Mạch động lực có các thiết bị bảo vệ
3.2. Nguyên lý hoạt động
Bộ biến đổi Thyristor có nhiệm vụ biến dịng điện xoay chiều của lưới thành dòng điện một chiều cung cấp cho phần ứng động cơ. Nó có thể điều khiển suất điện động bộ biến đổi nên có khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ.
Trong bộ biến đổi Thyristor: máy Biến áp lực có nhiệm vụ biến đổi điện áp lưới cho phù hợp với điện áp cung cấp cho động cơ, tạo điểm trung tính, tạo pha cho chỉnh lưu nhiều pha, hạn chế biên độ dòng ngắn mạch, giảm di/dt < di/dt cp nhằm bảo vệ van….
Hệ thống Thysitor: nắn dòng cho phù hợp với động cơ.
Bộ điều khiển dùng làm biến thiên góc α, do đó biến thiên Uo dẫn đến thay đổi ω Bộ lọc gồm tụ điện Co và cuộn kháng L nhằm lọc các thành phần sóng hài bậc cao sao cho K sb < K sb cp, với K sb cp phụ thuộc yêu cầu của tải.
- Các thơng số cơ bản cịn lại của động cơ được tính: Id = Iudm = Pdm
Ƞdm∗Udm= 0,84∗22013000 = 70,34 (A) U2a; U2b; U2c: Sức điện động thứ cấp máy biến áp nguồn. E – Sức điện động của động cơ.
R, L – Điện trở và điện cảm trong mạch.
R=2∗Rba+Rư+Rk+Rdt L=2∗Lba+Lư+Lk
Rba=R2+R1∗(w2 w1)2
Lba=L2+L1∗(w2 w1)2 Rk, Lk là điện trở và điện kháng cuộn lọc.
Rdt là điện trở mạch phần ứng động cơ được tính gần đúng như sau : Rư = 0,5*(1- Ƞdm)* Udm
Idm = 0,5*(1 – 0,84)* 70,34220 ≈ 0,25 (Ω) Lư là điện cảm mạch phần ứng động cơ được tính theo cơng thức
Lư = γ* Udm∗60
2π∗p∗ndm¿Idm = 0,25*2π∗3∗1400∗70.34220∗60 = 1,777 (mH)
Trong đó:
γ = 0,25 là hệ số lấy cho động cơ có cuộn bù. p = 3 là số đơi cực.
3.3. Tính chọn thyristor
Tính chọn dựa vào các yếu tố cơ bản dòng tải, điều kiện tỏa nhiệt, điện áp làm việc, các thơng số cơ ban của van được tính như sau:
- Điện áp ngược mà thyristor phải chịu: Unmax = Ulv = Knv*U2 = Knv*Ud
ku = √6* 3220√6
2π = 460,7 (V) Trong đó: Knv = √6 là hệ số điện áp ngược.
ku = 3√6
2π là hệ số điện áp tải. Ud là điện áp tải của van.
U2 là điện áp nguồn xoay chiều của van.
- Điện áp ngược van cần chọn:
𝑈𝑛𝑣 = 𝐾dtU*𝑈𝑛𝑚𝑎𝑥 = 1,8 *460,7 = 829,3(𝑉)
Trong đó: 𝐾dtU là hệ số dự trữ điện áp, chọn 𝐾dtU = 1,8
- Dòng làm việc của van được tính theo dịng hiệu dụng:
Ilv = Ihd = Khd*Iudm = Iu dm√3 = 70,34√3 = 40,61 (A) Trong đó: Khd = √13 là hệ số dòng điện hiệu dụng.
Ihd là dòng điện hiệu dụng của van. Iudm là dòng điện qua tải.
Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt và đầy đủ diện tích tản nhiệt, khơng có quạt đối lưu khơng khí, với điều kiện đó dịng định mức của van cần chọn:
Idm = Ki*Ilv = 1,4* 40.61= 56.85 (A)
Trong đó: Ki là hệ số dự trữ dòng điện, chọn Ki = 1,4
Từ các thông số Unv, Iđm ta chọn 3 Thysistor loại T60N1000VOF có các thơng số :
- Điện áp ngược cực đại của van : Unv = 1000 (V)
- Dòng điện định mức của van : Iđm = 60 (𝐴)
- Đỉnh xung dòng điện : Ipik = 1400 (𝐴)
- Dòng điện của xung điều khiển : Iđk = 150 (𝑚𝐴)
- Điện áp của xung điều khiển : Uđk = 1,4 (V)
- Dòng điện rò : Ir = 25 (𝑚𝐴)
- Sụt áp lớn nhất của Thysistor ở trạng thái dẫn là: ∆U = 1,8 (V)
- Tốc độ biến thiên của điện áp : dUdt =1000 (V/us) - Thời gian chuyển mạch : tcm = 180 (us)
- Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép : Tmax = 125 (ºC)
3.4. Tính tốn máy biến áp chỉnh lưu
3.4.1. Tính cơng suất biểu kiến của máy biến áp
S = Ks*Pd = Ks*ȠđmPđm = 1,05*130000,84 = 16250 (VA)
Trong đó:
- S là cơng suất biểu kiến của biến áp.
- Chọn KS = 1,05 là hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực. - Pđm: Công suất cực đại của tải.
- ηđm: Hiệu suất máy biến áp.
3.4.2. Điện áp pha sơ cấp của máy biến áp
Up = U1= 380 (V)
3.4.3. Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp
Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:
Ud0*cosamin = Ud + 2∆Uv + 2∆Udn+ 2∆Uba
Trong đó:
- amin = 10º là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện lưới. - ∆Uv = 1,8 (V) là sụt áp trên Thyristor.
- ∆Udn ≈ 0 là sự sụt áp trên dây nối.
Chọn sơ bộ:
∆Uba = 6%*Ud = 6*220 = 13,2 (V)
Từ phương trình cân bằng điện áp, khi có tải ta có: Ud0 = Ud+2∆ Uv+∆ Udn+∆ Uba
cosamin = 220+2∗1,8+cos(100+13,2º) = 240,45 (V) Điện áp pha thứ cấp pha máy biến áp:
U2 = Ud0
K u = 240,45/32√π6 = 205,6 (V) Trong đó :
K u= 3√6
2π là hệ số điện áp của sơ đồ.
3.4.4. Dòng điện hiệu dụng sơ cấp của máy biến áp
I2 = √2
3*Iuđm = √2
3*70,34 = 57,43 (A)
3.4.5. Dòng điện hiệu dụng sơ cấp của máy biến áp
I1 = Kba* I2 = 205,6380 *57,43 = 31 (A)
3.5. Tính sơ bộ mạch từ
3.5.1. Tiết diện sơ bộ trụ
Qfe = kQ∗√ Sba m∗f
Trong đó:
kQ là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, lấy kQ = 6. m là số trụ của máy biến áp, lấy m = 3.
f là tần số xoay chiều, f = 50Hz. Thay số ta được: Qfe = 6*√16250 3∗50 = 62,45 (cm2) 3.5.2. Đường kính trụ D = √4∗Qfe π = √4∗62,45 π = 8,917 (cm) Chuẩn đốn đường kính trụ theo tiêu chuẩn d = 9 (cm)
3.5.3. Chọn loại thép
∋330 các lá thép có độ dày 0,5mm Chọn mật độ từ cảm trong trụ BT = 1 (T)
3.5.4. Chọn tỷ số
h = 2,3*d = 2,3*9 = 20,7 (cm) Ta chọn chiều cao trụ là h = 20 (cm)
3.6. Tính tốn dây quấn
3.6.1. Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp
W1 = 4,44∗fU∗Q1
fe∗BT = 4,44∗50∗62,45∗10380 −4∗1 = 274,09 (vòng) Lấy W1 = 275 (vòng)
3.6.2. Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp
W2 = UU21* W1 = 205,6380 *275 = 149 (vòng) Lấy W2 = 150 (vòng)
3.6.3. Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp
Với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô, ta chọn:
J2 = J1 = 2,75 (A/mm2)
3.6.4. Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp
S1 = JI11 = 2,7531 = 11,27 (mm2)
Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B. Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn S1= 11,4 (mm2)
Kích thước dây dẫn có kể cách điện:
S1cd = a1*b1 = 1,35*8,6 = 11,61 (mm2)
3.6.5. Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp
J1 = SI11 = 11,431 = 2,7 (A/mm2)
3.6.6. Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp
S2 = JI22 = 57,432,75 = 20,88 (mm2) Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B. Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn S2= 20,4 (mm2)
Kích thước dây dẫn có kể cách điện:
S2cd = a2*b2 = 2,83*7,4 = 24,27 (mm2)
3.6.7. Tính lại mật độ dịng điện trong cuộn sơ cấp
J2 = SI22 = 57,4320,4 = 2,8 (A/mm2)
3.7. Kết cấu dây dẫn sơ cấp
3.7.1. Tính sơ bộ số vịng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp W11 = h−2¿hg b1 *kc = 20−2∗1,50.86 *0,95 = 20 (vịng) Trong đó : kc = 0.95 là hệ số ép chặt h là chiều cao trụ h = 20 cm
hg là khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp Chọn sơ bộ khoảng cách cách điện gông là 1,5 cm.
3.7.2. Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn sơ cấp
n11 = w1
w11 = 27520 = 14 (lớp)
3.7.3. Chọn số lớp
n11 = 14 (lớp)
Như vậy có 275 vịng chia làm 14 lớp, chọn 13 lớp đầu vào có 20 vịng, lớp thứ 13 có 275 – (13*20) = 15 ( vòng)
3.7.4. Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp
h1 = w11∗b1
kc = 20∗0,860,95 = 18 (cm)
3.7.5. Chọn ống cuốn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày
S01 = 0,1 (cm)
3.7.6. Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp
a01 = 1,0 (cm)
3.7.7. Đường kính trong của ống cách điện
Dt = dfe + 2*a01 – 2* S01 = 9 + 2*1 – 2*0,1 = 10,8 (cm) Chọn dfe = 9 (cm)
3.7.8. Đường kính trong của cuộn dây sơ cấp
Dt1 = dt + 2* S01 = 10,8 + 2*0,1 = 11 (cm)
3.7.9. Chọn bề dày giữa hai lớp dây ở cuộn sơ cấp
cd11 = 0,1 (cm)
3.7.10. Bề dày cuộn sơ cấp
Bd1 = (a1 + cd11)*n11 = (1,35 + 0,1)*14 = 20,3(mm) = 2,03 (cm)
3.7.11. Đường kính ngồi của cuộn sơ cấp
Dn1 = Dt1 + 2* Bd1 = 11 + 2*2,03= 15,06 (cm)
3.7.12. Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp
Dtb1 = Dt1+Dn1
3.7.13. Chiều dài dây quấn sơ cấp
L1 = W1*∏* Dtb1 = 275*∏*13 = 11231 (cm) = 112,31 (m)
3.7.14. Chọn bề dày cách điện giữa sơ cấp và thứ cấp
Cd01 = 1,0 (cm)
3.8. Kết cấu dây dẫn thứ cấp
3.8.1. Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp
h2 = h1 = 18 (cm)
3.8.2. Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn thứ cấp
W12 = h1
b2∗kc = 0,7418 ∗0,95 = 23 (vịng)
3.8.3. Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn thứ cấp
n12 = WW2
12 = 15023 = 6,5 (lớp)
Chọn n12 = 6 (lớp)
3.8.4. Chọn số lớp dây quấn thứ cấp
n12 = 6 (lớp).
Như vậy có 150 vịng chia làm 6 lớp, chọn 5 lớp đầu vào có 23 vịng, lớp thứ 5 có 150 – (5*23) = 35 ( vòng)
3.8.5. Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp
h2 = w12k∗b2
c = 23∗0,740,95 = 18(cm)
3.8.6. Đường kính trong của cuộn dây thứ cấp chọn a12 = 1,0 (cm)
Dt2 = dn1 + 2*a12 = 15,06 + 2*1,0 = 17,06 (cm)
3.8.7. Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp
Cd22 = 0,1 (mm)
3.8.8. Bề dày cuộn thứ cấp n12 = 6 (lớp)
Bd2 = (a2 + cd22)*n12 = (0,283 + 0,1)*6 = 2,3 (cm)
3.8.9. Đường kính ngồi của cuộn dây thứ cấp
Dn2 = Dt2 + 2* Bd2 = 17,06+ 2*2,3 = 21,7(cm)
3.8.10. Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp
Dtb2 = Dt2+Dn2
2 = 17,062+21,7 = 19,4 (cm)
3.8.11. Chiều dài dây quấn thứ cấp
L2 = W2*∏* Dtb2 = 150*∏*19,4 = 91,42 (m)
3.8.12. Đường kính trung bình các cuộn dây
D12 = Dt1+Dn2
R12 = D12
2 = 16,42 = 8,2 (cm)
3.8.13. Chọn khoảng cách giữa hai cuộn thứ cấp
a22 = 2 (cm)
Hình 3.2. Bố trí cuộn dây biến áp
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 gông 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 gơng
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