Trình tự các bước khi thiết kế

CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN VÀ CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

4.6. Hướng dẫn trình tự các bước thiết kế đồ án môn học truyền động điện

4.6.2. Trình tự các bước khi thiết kế

1. Dựa vào sơ đồ động học của hệ truyền động và đồ thị phụ tải tính qui đổi mô men cản, lực cản, mô men quán tính, khối lượng quán tính về trục động cơ

2. Tính chọn công suất động cơ ( Một chiều; Xoay chiều) theo chế độ làm việc dài hạn, ngắn hạn, ngắn hạn lặp lại theo yêu cầu công nghệ

3. Thiết kế tính chọn bộ biến đổi ( Bộ chỉnh lưu có điều khiển; Bộ biến đổi tần số), phương pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp với đặc tính tải của máy.

4. Khảo sát và đánh giá chất lượng hệ thống - Lập sơ đồ điều khiển của hệ thống

- Khảo sát độ ổn định của hệ thống

- Tính sai lệch tĩnh và sai lệch động của hệ thống

- Tìm được các hàm của các bộ điều chỉnh của mạch vòng điều chỉnh tốc độ, bộ điều chỉnh của mạch vòng điều chỉnh dòng điện để đảm bảo chất lượng yêu cầu.

4.6.3. Thiết kế hệ truyền động một chiều dùng chỉnh lưu - Động cơ điện một chiều kích từ độc lập :

* Tính chọn thyristor.

Tính chọn thyristor dựa vào các yếu tố cơ bản là dòng tải, sơ đồ đã chọn, điều kiện toả nhiệt, điện áp làm việc, các thông số cơ bản của van được tính đến như sau - Điện áp ngược lớn nhất mà tiristor phải chịu:

Ung max= 6.U2 max - Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:

Udo = Ud + Uv + Udn + Uba

Uv = 1,8 (V) : sụt áp trên van.

Udn = 0: sụt áp trên dây nối.

Uba = 6 % . 220 =13,2(V) = Ur + Ux : sụt áp trên điện trở và điện kháng MBA.

Thay số ta có :

U = U +d0 d UV+ U + U =220+1,8+13,2=235 (V) dn  ba

 U 2

do do

U U 235

= 200,8

1,17 1,17

3 6 /2π    (V)

 Ung max= 6.U = 6.200,8 = 491,86 (V)2

 Ung van= K .Udt ng max= 1,8 . 491,86= 885,34 (V)

Kdt = 1,8 : hệ số dự trữ của điện áp.

- Dòng điện làm việc của van là:

lv 1 d 1

I = .I = .24,06= 8,02 (A)

3 3

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

Itbv = k .Ii lv

Ki - hệ số dự trữ dòng điện, chọn Ki = 3,2

Itbv = k .Ii lv = 3,2 . 8,02= 25,66(A)

Từ thông số Ungv và Ilv ta chọn 3 thyristor có kí hiệu sau 36RAC100A do Mỹ sản xuất.

Ký hiệu

Ung

max (V)

Iđm

max (A)

Ipik

max (A)

Ig

max Ug

max (v)

Ih

max (A)

Ir

max (A)

U max

(V)

tcm

max (s)

du/dt V/

Tmax oc0C A36RC1

00A

1000 80 1000 70m 2,5 20m 2m 1,8 30 500 125

Trong đó:

Ung - Điện áp ngắn mạch cực đại.

Iđm - Dòng điện làm việc cực đại . Ipik - Dòng điện đỉnh cực đại.

Ig - Dòng điện xung điều khiển.

Ug - Điện áp xung điều khiển.

Ih - Dòng điện tự giữ.

Ir - Dòng diện rò.

Umax - Sụt áp trên tiristor ở trạng thái dẫn.

du/dt - Tốc độ biến thiên điện áp.

Tcm - thời gian chuyển mạch ( mở và khoá).

Tmax - Nhiệt độ làm việc cực đại.

* Tính toán MBA chỉnh lưu.

1. Tính các thông số cơ bản.

Chọn MBA 3 pha, 3 trụ sơ đồ đấu dây /Ylàm mát bằng không khí tự nhiên.

- Điện áp pha sơ cấp MBA: U1= 380(V).

- Điện áp pha thứ cấp MBA:

U =2 Udo Udo 235 200,8 

1,17 1.17

3 6 /2π    V

- Công suất tối đa của tải:

Pdmax U Ido d 235.24, 065654,1( )w - Công suất biến áp nguồn được tính:

SbaK Ps dmax

Sba là công suất biểu kiến của máy biến áp (KVA).

Ks - là hệ số công suất theo sơ đồ mạch lực ( Ks=1,05).

- Công suất của máy biến áp:

SbaK Ps dmax 1, 05.5, 6541 5,94( kva) - Dòng điện hiệu dụng phía thứ cấp MBA:

I2 K Ihd d

Khd là hệ số dòng điện hiệu dụng. 1

hd 3 K 

I2= 1.24,06 13,95(A) =

3

- Dòng điện hiệu dụng sơ cấp MB:

2 2

1

1 ba 2

200,8

I =K .I =U .I = .13,95 = 7,37 (A)

U 380

* Tính toán sơ bộ mạch từ (xác định kích thước bản mạch từ ).

Tiết diện sơ bộ trụ:

fe= Sba

Q k

m.f

k là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát (chọn k = 6) m - Số trụ của MBA , m=3

f - Tần số nguồn xoay chiều f=50(hz) Thay số:

Q = 6.fe 5940 = 37,76(cm )2 3.50

- Đường kính của trụ:

4.Qfe 4.37,76

d 6,94 (cm)

π  π

 

Chuẩn hoá đường kính trụ theo tiêu chuẩn: d=7,5 (cm).

Chọn loại thép 330 các lá thép có độ dày 0,5mm.

Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ BT=1(T).

* Tính toán dây quấn.

- Số vòng dây mỗi pha sơ cấp MBA:

W1= 1

T -4 fe

U 380

453,31

4,44.f.Q B  4,44.50.37,76.10 .1  (vòng)  W1= 453 (vòng)

453 vòng chia thành 6 lớp (5.78 + 63 vòng ).

- Giữa hai lớp đặt một lớp giấy cách điện dày 0,1 mm .

- C họn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày S01 = 1 mm.

- Khoảng cách từ trụ tới cuộn sơ cấp là a01 = 1cm.

- Đường kính trong của ống cách điện là: Dt = d + 2. a01-2.S01 = 9,3 (cm).

- Đường kính trong của cuộn sơ cấp: D11 = Dt +2.S01 = 9,5 (cm).

- Bề dày của cuộn sơ cấp : Bd1 = 5,4 (mm) = 0,54 (cm).

- Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp: Dn1 = D11 + 2.Bd1 = 10,58 (cm).

- Đường kính trung bình cuộn sơ cấp : Dtb = (D11 + Dn1 )/2 = 10,04(cm).

- Chiều dài dây quấn sơ cấp :

l1w1Dtb1453. .10, 04 14281, 09 cm 142,81 m - Số vòng dây mỗi pha thứ cấp MBA:

2 2 1 1

U 200,8

W .W .453,21 239,48

U 380

   (vòng).

239 vòng chia thành 4 lớp (3.75 + 14 vòng ).

- Đường kính trong của cuộn thứ cấp:

Dt2 = Dn1 + 2.a12 = 10,58 + 2.1 = 12,58(cm).

- Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp : cd22= 0,1(mm).

- Bề dầy cuốn thứ cấp:

Bd2 = ( a2+cd22) .n12= (0,116 +0,01).4 = 0,504 (cm).

- Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp:

Dn2 = Dt2 + 2.Bd2 = 12,58 + 2.0,504 = 13,084 (cm).

- Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp :

tb2 D +Dt2 n2 12,58+13,084

D 12.832(cm)

2 2

  

- Chiều dài dây quấn thứ cấp :

l2 = .W2.Dtb2 = . 239 .12,832 = 9629,9(cm) = 96,29(m).

Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong MBA với dây dẫn bằng đồng và loại MBA khô J

=(22,75) A/ mm2 chọn J=2,75A/mm.

- Tiết diện dây dẫn sơ cấp MBA:

1 1 2 1

I 7,37

S = = =2,68 (mm )

J 2,75

Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật, cách điện cấp B, chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn S1 = 2,8 m2 . Kích thước dây có kể cách điện là:

S1cd = a1 . b1 = 0,8 . 2,63 (mm . mm).

* Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp.

J1= 1 1 2 2

I 7,37

J 2,63 (A/mm )

S 2,8

  

- Tiết diện dây dẫn thứ cấp MBA.

2 2 2

2

13,95

S I 5,07 (mm )

J 2,75

  

Chọn dây tiết diện chữ nhật, cách điên cấp B, chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn: S2

=3,07 (mm2). Kích thước dây có kể cách điện là:

S2cd = a2 . b2= 1,16 . 2,83 (mm . mm)

*Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp.

2 2 2

2

13,95 5, 07

J I 2,75(A/mm )

 S  

4. Tính các thông số của máy biến áp.

- Điện trở trong của cuộn sơ cấp MBA ở 750C.

1 1 2

1

l 142,81(m)

R = ρ = 0,02133. = 1,14 (Ω)

S 2,68(mm )

ρ = 0,02133(Ωmm /m)2 - Điển trở cuộn thứ cấp ở 750C.

2 2 2

2

l 96,29(m)

R = ρ = 0,02133. = 0,41 ( )

S 5,07(mm ) 

- Điện trở của máy biến áp quy đổi về thứ cấp:

2 2 2

2 1

ba

1

W 239

R = R +R .( ) = 0,41+1,14.( ) = 0,73(Ω)

W 453

- Sụt áp trên điện trở biến áp:

ΔU = R .I = 0,73.24,06=17,49 (V)r ba d

- Điện kháng MBA quy đổi về thứ cấp:

ba 2 2 2 d1 d2 -7

qd 12

r B +B

X =8.π (W ) .( ).(a + ). ω . 10

h 3

= 2 2 6,29 0,54+0,504 -2 -7

8π (329) .( ).(0,01+ .10 ).314.10 = 1,02 (Ω)

22,34 3

r - Bán kính trong cuộn dây thứ cấp [m2].

h - Chiều cao cửa sổ lõi thép [m].

a12- Bề dầy cách điện các cuộn dây với nhau.

- Điện cảm MBA quy đổi về thứ cấp:

ba Xba 1,02 -3

L 3,25.10

ω 314

   [H] = 3,25[mH]

- Sụt áp trên điện kháng MBA:

d ba

3 3

ΔU = .X .I = .1,02.24,06 =23,45 (V)x π π - Sụt áp trên MBA:

ΔU = ΔU +ΔU = 17,49 +23,45 = 29,25 (V)ba r2 x2 2 2 * Hiệu suất thiết bị chỉnh lưu.

* Chọn máy phát tốc

Máy phát tốc là một thiết bị nối đồng trục với động cơ ta chọn máy phát tốc có các thông số sau:

Mã hiệu nđm (v/ph) Pđm (w) Iđm (A) Uđm (V)

ZYS231/110 1900 23,1 0,01 110

d d 220.24, 06 5940

η = U I = = 96,42%

S

* Tính chọn các thiết bị bảo vệ . - Bảo vệ quá dòng điện

Bảo vệ ngắn mạch và quá tải về dòng điện dùng Aptômat hoặc cầu chì.

Nguyên tắc chọn thiết bị này là theo dòng điện với Ibv = (1,11,3)Ilv. Dòng bảo vệ của A-

Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van thyristor .

Khi van làm việc thì dòng điện chạy qua van nên có sụt áp trên van, do đó có tổn hao công suất P.Tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác van chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép TCP nào đó . Nếu quá nhiệt độ cho phép thì van sẽ bị phá hỏng. Do đó để van bán dẫn làm việc an toàn không bị chọc thủng về nhiệt thì ta phải chọn và thiết kế hệ thống tỏa nhiệt hợp lý.

- Tổn thất công suất trên một thyristor:

ΔP ΔU.I 1,8.8,02=14,436 (W)  lv 

- Diện tích bề mặt toả nhiệt:

m. tn

S = ΔP K τ

Trong đó : ΔP - Tổn hao công suất (W).

 - Độ chênh lệch so với môi trường.

Chọn nhiệt độ môi trường :T =40 Cmt 0 nhiệt độ làm việc cho phép của thyrsitor.

cp 0

T =125 C.Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt : T =70 Clv 0 Ta có: T  T -Th mt  70 - 40  30 C0

Km - Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ . Chọn Km = 6 [W/m2.0C]

 tn 14,436 2

S 0,0802(m )

 6.30 

* Bảo vệ quá dòng điện cho van .

Aptomat dùng để đóng ngắt mạch động lực, tự động bảo vệ quá tải và ngắn mạch thyristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp MBA, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu.

Chọn 1 aptomat có:

Idm 1,1.I 1  1,1.7,37  8,107 (A)

Uđm = 220 (V)

có 3 tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện Chỉnh định dòng điện ngắn mạch:

Inm = 1,2 .2,5 .I1=1,2 . 2,5 . 7,37 = 22,11 (A) Dòng quá tải :

Iqt = 1,5 . I1 = 1,5 . 7,37= 11,055 (A)

Dùng cầu chì dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch cho các thyiristor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu .

- Nhóm 1CC.

Dòng định mức dây chảy nhóm 1CC:

I1cc=1,1.I2 =1,1.13,95 =13,345 (A) - Nhóm 2CC.

Dòng định mức dây chảy nhóm 2CC:

I2CC = 1,1 . Ilv = 1,1 . 8,02 = 8,822 (A) - Nhóm 3CC.

Dòng định mức dây chảy nhóm 3CC:

I1cc = 1,1Id = 1,1.24,06 = 24,466 (A) Vậy chọn cầu chì có dây chảy là : với nhóm 1CC loại 15(A) với nhóm 2CC loại 10(A) với nhóm 3CC loại 25(A)

Bảo vệ quá điện áp cho van .

Do quá trình đóng cắt các thyristor được thực hiện bằng cách mắc các R,C song song với thyristor. Khi có chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng này gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anốt và katốt của thyristor. Khi có mạch R,C mắc song song với thyristor sẽ tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên thyristor không bị quá áp.

Theo kinh nghiệm chọn:

R1 = (3050)   ta chọn R1 = 50 ()

C1 = (0,22  0,3) F  ta chọn C1 = 0,25 F - Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện.

Ta mắc mạch R,C như hình vẽ, nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây . Trị số R,C chọn theo kinh nghiệm

R2 = 15, C2 = 4F

*Tính toán các thông số của mạch điều khiển.

- Việc tính toán mạch điều khiển được tính từ tầng khuếch đại xung ngược trở lên. Các bước thiết kế mạch điều khiển tham khảo tài liệu điện tử công suất.

CÂU HỎI ÔN TẬP

I.Câu hỏi ôn tập:

2.2. Hãy nêu các điều kiện để chọn công suất động cơ cho truyền động điện 2.3. Nêu các chế độ làm việc chế độ làm việc của truyền động điện

2.4. Hãy trình bày phương pháp tính chọn công suất động cơ dài hạn cho hệ truyền động điện.

2.5. Hãy trình bày phương pháp tính chọn công suất động cơ ngắn hạn cho hệ truyền động điện.

2.6. Hãy trình bày phương pháp tính chọn công suất động cơ ngắn hạn lặp lại cho hệ truyền động điện.

2.7. Nêu các yêu cầu cơ bản để chọn công suất động cơ cho truyền động có điều chỉnh tốc độ.

2.8. Trình bày nội dung kiểm nghiệm phát nóng động cơ bằng phương pháp tổn thất trung bình.

T

R1 C1

R2 C2 R2 C2

R2 C2

2.9. Trình bày nội dung kiểm nghiệm phát nóng động cơ theo đại lượng dòng điện đẳng trị.

2.10. Trình bày nội dung kiểm nghiệm phát nóng động cơ theo công suất đẳng trị.

II. Bài tập:

2.10.2. Cho một hệ truyền động một chiều dùng động cơ điện một chiều kích từ độc lập có phụ tải thay đổi theo chu kỳ. Hãy kiểm nghiệm phát nóng động cơ theo điều kiện phát nóng và quá tải. Cho biết phụ tải thay đổi theo thời gian : P1 = 65KW, t1 = 10s; P2 = 40 KW, t2 = 5s P3 = 30 KW, t3 = 15s: P4 = 20 KW, t4 = 20s thời gian chạy không tải t0 = 5s, P0 = 5KW.

Động cơ Pđm= 55KW; nđm = 1500 vòng/phút; Uđm = 220V; đm = 0,9 ; hệ số quá tải M = 2.

2.10.3. Một máy công tác làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại với phụ tải Mc = 150Nm, thời gian làm việc : tlv = 35s, thời gian nghỉ tng = 85s. Động cơ truyền động có công suất Pđm = 12KW; Uđm = 380/220V, nđm = 950 vòng/phút, hệ số quá tải M = 2,3;

hệ số đóng điện tiêu chuẩn TC% = 25%. Hãy kiểm nghiệm công suất động cơ theo điều kiện phát nóng và quá tải.

2.10.4. Hãy tính chọn động cơ không đồng bộ, cho truyền động một máy cắt gọt kim loại có chế độ làm việc dài hạn và phụ tải dài hạn biến đổi: P1 = 8 KW; t1 = 2s; P2

= 6KW, t2 = 3s, P3 = 3 KW, t3 = 5s, P4 = 7 KW, t4 = 7 KW, t4 = 2s, tốc độ định mức của máy sản xuất yêu cầu 1410 vòng/phút.

2.10.5. Hãy tìm công suất cần thiết để nâng thang máy có tải trọng G = 1,5 tấn trong 2 trường hợp :

- Thang máy làm việc với đối trọng 2 tấn - Thang máy không có đối trọng

- Biết hiệu suất của cơ cấu thang máy  = 0,5.