Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ motor KTDL không đảo chiều

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIÊP ___*****___ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT THIẾT KỀ NGUỒN CẤP ĐIỆN CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP KHÔNG ĐẢO CHIỀU Giáo viên phụ trách : Đỗ Trọng Tín Họ và tên : Nguyễn Ngọc Thăng Lớp : Tự động hóa 1 – K 47 Nhóm ĐAĐTCS : I Số hiệu sinh viên : 20022615 Hà Nội 7- 2005 MỤC LỤC ĐỀ BÀI : Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ một chiều kích từ độc lập không đảo chiều có các thông số sau: Uđm ( V ) Iđm ( A ) Ukích từ ( V ) Ikích từ ( A ) Phạm vi điều chỉnh tốc độ 220 140 220 15 20:1 Yêu cầu : Mạch phải đảm bảo độ trơn và ổn định tốc độ ,đồng thời có khâu bảo vệ quá tải và chông mất kích từ . Đồ án gồm 5 chương như sau : - Chương I : Giới thiệu chung về động cơ một chiều - Chương II : Chọn phương án mạch lực - Chương III : Tính toán mạch lực - Chương IV : Mạch điều khiển - Chương V : Mô phỏng mạch điều khiển LỜI NÓI 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 máy được dùng nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép ,hàm mỏ ,giao thông vận tai … 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 trinh biên đổi điện năng . Hiện nay các thiết bị điện tử công suất chiếm hon 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 vây , trong quá trình thưc hiện đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót nên em kính mong thây cô thông cảm và bỏ qua cho chúng em . 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 ĐỖ TRỌNG TÍN đâ tận tinh hứơng dẫn em hoàn thành đồ án này . Sinh viên Dương Đức Anh Chương 1 : TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng. Nó có thể dùng làm động cơ điện, máy phát điện hay dùng trong những điều kiện làm việc khác. Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, có nhiều ưu việt 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 lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Động cơ điện một chiều được dùng nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao vể điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải… I. CẤU TẠO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Cấu tạo động cơ điện một chiều có thể chia thành hai phần chính là phần tĩnh (stato) và phần quay (rôto) 1. Phần tĩnh hay stato Đây là phần đứng yên của động cơ, bao gồm các bộ phận chính sau: a. Cực từ chính : 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 làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cácbon dày 0,5 mm đến 1 mm ép lại và tán chặt. Trong động cơ nhỏ có thẻ dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ bulông. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ này được nối nối tiếp với nhau. b. Cực từ phụ : Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ cũng được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông. c. Gông từ : Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong động cơ nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày uốn và hàn lại. Trong động cơ điện lớn thường dùng thép đúc. Có thể dùng gang làm vỏ máy trong động cơ điện nhỏ. d. Các bộ phận khác : - Nắp động cơ : Để bảo vệ động cơ khỏi bị những vật ngoài rơi vào làn hư hỏng dây quấn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện. Trong động cơ điện nhỏ và vừa, nắp động cơ còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp động cơ thường làm bằng gang. - 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 trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định chặt lại. 2. Phần quay hay rôto Phần quay gồm có những bộ phận sau: a. Lõi sắt phần ứng Lõi sắt phần ứng dùng để đẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện (thép hợp kim silic) dày 0,5 mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào. Trong những động cơ cỡ trung trở lên, người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành từng đoạn nhỏ. Giữa các đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe thông gió ngang trục. Khi động cơ làm việc, gió thổi qua các khe làm nguội dây quấn và lõi sắt. Trong động cơ điện nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép chặt trực tiếp vào trục. Trong động cơ điện lớn hơn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto. b. Dây quấn phần ứng Dây quấnphần ứng là phần sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong động cơ điện nhỏ (công suất dưới vài kilôoat) thương dùng dây có tiết dện tròn. Trong động cơ điện vừa và lớn, thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật. Dây quấn đựợc cách điện cẩn thẩn với rãnh của lõi thép. Để tránh khi quay bị văng ra so sức ly tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc phải đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakêlit. 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 động cơ : trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục động cơ thường được làm bằng thép cácbon tốt. II. CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG: Phương trình đặc tính cơ điện : ω = - Iư Phương trình đặc tính cơ : ω = - M Từ phương trình đặc tính trên ta thấy có 3 thông số ảnh hưởng tới đặc tính cơ: - Ảnh hưởng của điện trở phần ứng : Để thay đổi điện trở phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng. Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm. - Ảnh hưởng của điện áp phần ứng : Khi giảm điện áp thì mômen ngắn mạch giảm, dòng điện ngắn mạch giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với 1 phụ tải nhất định. - Ảnh hưởng của từ thông : Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng Ikt động cơ. Khi giảm từ thông thì vận tốc động cơ tăng. III. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 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 Ukt, 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 Φmax tức là phải giảm điện trở của mạch kích từ Rkt 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 Eư = 0 và theo biểu thức U = Eư + RưIư thì dòng điện Iư sẽ rất lớn làm cháy động cơ. Nếu mômen do động cơ điện sinh ra lớn hơn mômen cản (M > Mc) rôto bắt đầu quay và suất điện động Eư sẽ tăng lên tỉ lệ với tốc độ quay n. Do sự xuất hiện và tăng lên của Eư, dòng điện Iư sẽ giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm hơn. IV. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Từ biểu thức : ω = - M ta thấy rằng việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều có thể thực hiện được bằng cách thay đổi các đại lượng Φ, Rư, U. 1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phần ứng w Mc w0 Rn(TN) Rf1 Rf2 Rf3 Rf2 Mc M Rf3 Ứng với mỗi giá trị của Rf có một đặc tính cơ khác nhau trong đó Rf = 0 là đặc tính cơ tự nhiên. Ta thấy nếu Rf càng lớn thì đặc tính cơ sẽ có độ dốc càng cao nghĩa là tốc độ thay đổi nhiều khi tải thay đổi. Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ quay định mức và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ điện. Vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng ở động cơ có công suất nhỏ 2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mômen điện từ của động cơ M = K.Φ.Iư và sức điện động quay của động cơ Eư = K.Φ.ω Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến nên hệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi tuyến: ik = + ωk trong đó rk – điện trở dây quấn kích thích rb – điện trở của nguồn điện áp kích thích ωk – số vòng dây của dây quấn kích thích Thường khi điều chỉnh điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trị định mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc tính có điện áp phần ứng định mức, từ thông định mức và được gọi là đặc tính cơ bản. n (3) (2) (1) Mđm M Mm (3) (2) (1) Mđm M Vì βΦ = nên độ cứng đặc tính cơ giảm rất nhanh khi ta giảm từ thông để tăng tốc độ cho động cơ 3. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp phần ứng Khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên. Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp ( giảm áp ) thì mômen ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Do đó phương pháp này cũng được dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động. w w01 Udm(TN) w03 U1 w04 U2 M(I) U3 Chương 2 : CHỌN PHƯƠNG ÁN Nguồn điện một chiều cấp cho động cơ điện một chiều có thể lấy được từ nhiều cách khác nhau. Lấy trực tiếp từ máy phát điện một chiều hoặc có thể dùng bộ biến đổi một chiều. Trong thực tế, bộ biến đổi một chiều có thể dễ dàng thiết kế nhờ các mạch chỉnh lưu sử dụng các van bán dẫn. Hơn nữa, các mạch chỉnh lưu sử dụng van điều khiển còn có thể dễ dàng điều khiển được theo yêu cầu của từng loại tải. Do các ưu điểm đó, ta sẽ thiết kế nguồn một chiều thông qua các mạch chỉnh lưu điện áp xoay chiều lấy từ lưới điện. Dưới đây là một số mạch chỉnh lưu cơ bản và hay được sử dụng. 1. Mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng Các van dẫn lần lượt theo từng cặp (T1, T2) và (T3, T4). Góc mở van α, góc dẫn các van λ 0 – α : T1, T2 dẫn α – α + λ : T3, T4 dẫn, đồng thời T1, T2 khóa lại Công thức: Udα = U2cosα = 0,9U2cosα Idα = Iv = Sba = 1,23Pd Ungmax = U2 I2 = 1,11Id * Nhận xét: Chỉnh lưu cầu một pha sử dụng rộng rãi trong thực tế, nhất là với cấp điện áp tải lớn hơn 10V. Dòng tải có thể lên tới 100A. Ưu điểm của nó là không nhất thiết phải có biến áp nguồn. Tuy nhiên do số lượng van gấp đôi hình tia nên sụt áp trong mạch van cũng tưng gấp đôi. Do đó nó không phù hợp với tải cần có dòng lớn nhưng điện áp nhỏ. 2. Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha điều khiển đối xứng Dòng điện id phẳng do Ld rất lớn. Hoạt động của mạch với góc điều khiển α θ : 00 – 30 + α : T3 dẫn θ : 30 + α – 1500 + α : T1 dẫn θ : 150 + α – 2700 + α : T2 dẫn Các van hoạt động riêng, độc lập Công thức: Udα = U2cosα = 1,17U2cosα Idα = Iv = Sba = 1,35Pd Ungmax = U2 I2 = 0,58Id * Nhận xét: Chỉnh lưu tia 3 pha cần có biến áp nguồn để đưa điểm trung tính ra tải. Công suất máy biến áp này hơn công suât một chiều 1,35 lần, tuy nhiên sụt áp trong mạch van nhỏ nên thích hợp với phạm vi điện áp thấp. Vì sử dụng nguồn ba pha nên cho phép nâng công suất tải lên nhiều (đến vài trăm ampe), mặt khác độ đập mạch của điện áp ra sau mạch chỉnh lưu giảm đáng kể nên kích thước bộ lọc cũng nhỏ đi nhiều. 3. Mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng - Hoạt động của mạch: các van nhóm lẻ thay nhau dẫn cho điện áp ở điểm katốt chung UKC, các van nhóm chẵn thay nhau dẫn cho điện áp ở điểm anốt chung UAC. - Công thức: Udα = Udocosα = U2cosα id = Id = Itbv = Ungmax = U2 Sba = 1,05Pd I2 = 0,816Id * Nhận xét: Chỉnh lưu 3 pha sơ đồ cầu là loại được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế vì nó có nhiều ưu điểm hơn cả. Nó cho phép có thể đấu thẳng vào lưới điện ba pha, độ đập mạch nhỏ 5%. Nếu có sử dụng máy biến áp thì gây méo lưới điện ít hơn các loại trên. Đồng thời, công suất mạch chỉnh lưu này có thể rất lớn đến hàng trăm kW. Nhược điểm của mạch này là sụt áp trên van gấp đôi sụt áp trên van trong mạch sơ đồ hình tia. Chọn mạch van: Theo yêu cầu của đề bài: Uđm = 220V, Iđm = 140A ta có công suất của động cơ là Pđm = Uđm. Iđm = 220*140 = 30800 W = 30,8 kW Công suất này khá lớn nên ta sử dụng mạch chỉnh lưu cầu 3 pha. Mặt khác yêu cầu nguồn cung cấp cho động cơ phải điều chỉnh được điện áp, điện áp điều chỉnh phải trơn nên ta chọn van phải là van điều khiển. Như vậy ta sẽ chọn mạch lực là mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng. Ta sử dụng lưới điện ba pha có điện áp pha 220V, như vậy điện áp ra của mạch chỉnh lưu là: Udα = U2cosα = 2,34.220.cosα = 514,8cosα Suy ra α = arccos Theo đề bài: dải điều chỉnh của động cơ là 20:1, điện áp định mức của động cơ là 220V ứng với vận tốc định mức của động cơ. Như vậy điện áp ứng với vận tốc nhỏ nhất điều chỉnh được của động cơ là 220:20 = 11V. Với Ud = 220V thì αmin = arccos = arccos = 64,70 Với Ud = 11V thì αmax = arccos = arccos = 88,80 (αmin - αmax ) nằm trong khoảng điều chỉnh được của góc mở α (khoảng nhỏ hơn 1500). Như vậy ta có thể sử dụng mạch chỉnh lưu này đấu trực tiếp vào lưới điện, không cần thông qua biến áp.Nhưng do góc điều khiển amin quá lớn nên cần dùng một biến áp nhằm tăng dài điều chỉnh . Kết luận: Qua xem xét và tính toán ở trên, ta chọn mạch lực là mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng và cần dùng biến áp nguồn Chương 3 : THIẾT KẾ MẠCH LỰC I .SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC 1. Sơ đồ 2.Nguyên lý hoạt động Điện áp lưới sau khi qua Atômát và Rơle được đưa tới biến áp lực .Biến áp lực có nhiệm vụ thay đổi điện áp đến giá trị mong đợi ,từ đây điện áp được cung cấp cho hệ thông chỉnh lưu Thyristo cầu 3 pha đối xứng . Sau đó cung cấp động cơ làm việc với giá trị điện áp này .Động cơ hoạt động đươc là do một hệ thống kích từ độc lập . Khâu phát tốc dung để diều chỉnh diẹn áp làm việc của động cơ . II .TÍNH TOÁN CHỌN THIẾT BỊ: Thông qua phương án lựa chọn chỉnh lưu cầu 3 pha ở chương 2 cùng với sơ đồ mạch lực đã trình bày ở trên ta thấy cần tính toán các thiết bị sao cho thật phù hợp . Các thiết bị chính cần tính toán ở đây bao gồm : Máy biến áp ,van ,thiết bị bảo vệ ,cuộn cảm . 1 . Tính toán chọn máy biến áp: Các đại lượng cần thiết cho tính toán một máy biến áp chỉnh lưu cầu 3 pha a. Điện áp chỉnh lưu không tải Ud0 = Ud +∆Uba +∆Uv +∆Uck Trong đó : Ud0 : Điện áp chỉnh lưu không tải Ud : Điện áp chỉnh lưu . ∆Uba : Sụt áp trên biến áp . ∆Uv : Sụt áp trên van . ∆Uck : Sụt áp trên cuộn kháng Do theo yêu cầu của đề bài ,đối với sơ đồ cầu 3 pha ta có các thông số sau : ku =2.34 ; ks =1.05 ; kγ =3/p ; m = 3 ; Theo các giá trị sụt áp trên van ta tính được như sau : Ud0 = (1) Trong đó : ∆Uba =11 (V) ; ∆Uv = 1.15 (V) ; ∆Uck =11 (V) ; ∆U1 =0.05 a = b = Thay vào công thức 1 ta có : Ud0 = b . Xác định công suất tối đa của tải : Pdmax = Ud0*Id =275*140 =38500 (W) =38.5(kW) c . Công suất máy biến áp nguồn được tính Sba =ks * Pdmax =1.05*38500 =40.425(VA) » 40(kVA) d . Điện áp định mức phía thứ cấp : U2đm = Hệ số máy biến áp : kba = e . Tính toán sơ bộ mạch từ : Tiết diện trụ QFe của lõi thép biến áp được tính từ công thức : QFe =kQ Trong đó : kQ : Hệ số phụ thuộc làm mát . Chọn kQ = 5 Theo thực nghiệm sản suất thông thường : QFe =5* Đường kính trụ: Chuẩn hoá đường kính trụ theo tiêu chuẩn d = 10(cm) Chọn loại thép E330 các lá thép có độ dày 0,5 mm f. Tính toán dây quấn máy biến áp . * / Tính toán điện áp của các cuộn dây . - Điện áp cuộn dây thứ cấp : U2 = - Điện áp cuộn dây sơ cấp U1 bằng điện áp nguồn cấp . */ Tinh dòng điện trong các cuộn dây . Ta có : I2 = * / Tính vòng dây của mỗi cuộn dây ; Ta có : Số Vôn/vòng = 4.44*B*Q*f*10-4 B = 1.5 (T); Q=84(cm2); f = 50(Hz) Thay số : Số vòng dây của cuộn một : Số Vôn/vòng = 4.44*1.5*84*50*10-4 =1.8648 W1 = ( Số Vôn/vòng)*U1 = 1.8648*220 = 410(vòng) W2 =(Số Vôn/ vòng)*U2 = 1.8648*124 = 232 (vòng) * / Tính toán tiết diện dây quấn . SCu = Trong đó : I : Cường đọ òng điện trong các cuộn dây J : Mật độ dòng điện trong các cuôn dây Chọn J = 2.75 ( A/mm2 ) Thay số : SCu1 = Þ D1 = Chọn SCu2 = Scu1 = 66(mm2) Þ D2 = D1 = 9(mm) g . Tính toán kích thước mạch từ . Do theo yêu cầu của đầu bài , ở đây công suất lớn nên phải dùng trụ có nhiều bậc . Chọn lá thép có độ dày : 0.5(mm) Diện tích của sổ cần thiết : QCS = QCS1 +QCS2 Với : QCS1 = klđ*W1*SCu1 ; QCS1 = klđ*W2*SCu2 Trong đó : QCS1, QCS2 : Phần do cuộn sơ cấp và thứ cấp chiếm chỗ W1 ,W2 : Số vòng dây sơ cấp và thứ cấp klđ : Hệ số lấp đầy , chọn klđ = 2.5 Thay số : QCS = 2.5*410*66 + 2.5*232*66 =105930 (mm2) =106 (cm2) h .Tính kích thứơc cửa sổ : Khi đã có diện tích cửa sổ QCS cần chọn các kích thước cơ bản là chiều cao h và chiều rộng ccủa cửa sổ mạch từ .Tuỳ theo thiết kế mà chọn giá trị cơ bản c và h . Thong thưòng chọn theo hệ số phụ như sau : m = = 2.5 ; n = = 0.5 ; l = = 1 ¸1.5 Tính toán ta được : a = 10 (cm) ; b = 12(cm) ; c = 6(cm) ; h = 25(cm) Chiều rộng toàn bộ mạch từ là : C = 2*c +3*a = 42 (cm) Chiều cao toàn bộ mạch từ la : H = h + 2*a = 45 (cm) i . Tính kết cấu dây quấn . Dây quấn được bố trí theo dọc trụ , mỗi quận dây quấn thành nhiều lớp . Mỗi lớp được quấn liên tục, các vòng dây sát nhau, Các lớp dây cách nhau bằng một bìa cách điện. - Số vòng dây trên mỗi lớp: + Kết cấu dây quấn sơ cấp : Khi dây quấn tiết chữ nhật : W1L= = Trong đó: h : chiều cao cửa sổ. bn : bề rộng dây quấn kể cả cách điện. hg : khoảng cách cách điện với gông: hg = 5(mm) ke : hệ số ép chặt ke = 0.95 Số lớp dây trong cửa sổ được tính bằng tỷ số số vòng dây W của cuộn W1 hoặc W2 cần tính trên số vòng dây trên một lớp. W1d = = Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp : - Tính chiều dài của các cuộn dây đồng Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dầy : S01=0,1 (cm) Khoảng cách từ trụ tới cuộn sơ cấp a01= 1,0(cm) Đường kính trong của ống cách điện Dt = dfe + 2 . a01 – 2 .S 01 = 10 + 2.1 - 2.0,1 = 11,8(cm) Đường kính trong của cuộn sơ cấp Dt1 = Dt + 2 . S01 = 11,8 + 2 . 0,1 = 12(cm) Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn sơ cấp cd11 = 0,1(mm) Bề dày cuộn sơ cấp Bd1 = (a1 + cd11) . n11 = (1,45+0,1).6,1 = 8,9(mm) = 0,89(cm) Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp Dn1 = Dt1 + 2 . Bd1 = 12 + 2.0,89 = 13,78(cm) Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp : Dtb1 = ( Dt1 + Dn1 ) / 2 = (12 + 13,78 )/2 = 12,89 (cm) Chiều dài dây cuộn sơ cấp : l1 = W1 . p . Dtb = 410. p. 12,89 = 16603,0 (cm) = 166,03 (m) Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp : cd01 = 1,0(cm) + Kết cấu dây quấn thứ cấp Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp h1 = h2 = 25 (cm) Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp: (vòng) Tính sơ bộ số lớp dây quấn trên cuộn thứ cấp : (lớp) (Chọn số lớp dây cuốn n12 = 4 lớp ,). Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp : (cm) Khoảng cách từ trụ tới cuộn thứ cấp là: a12= 1,0 (cm) Đường kính trong của cuộn thứ cấp : Dt2 = Dn1 + 2 . a12 = 13,78 + 2.1,0 = 15.78 (cm) Þ rt2 = Dt2/2 =7,89 (cm) Chọn bề dầy cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp cd22 = 0,1(mm) Bề dầy cuộn thứ cấp : Bd2 = (a2 + cd22) .n12 = (0,145 + 0,01) . 4 = 0,62 (cm) Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp: Dn2 = Dt2 + 2 .Bd2 = 15,78+ 2 . 0,62 = 17,02(cm) Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp : Dtb2 = ( Dt2 + Dn2 ) / 2 = (15,78 + 17,02) / 2 = 16,4(cm) Chiều dài dây quấn thứ cấp : l2 = p . w2 . Dtb2 = p. 232.14,76 = 11953,13(cm) Þl2 » 119,53 (m) Đường kính trung bình các cuộn dây: D12 = ( Dt1 + Dn2 ) / 2 = (12 + 17,02 )/2 = 14,51(cm) Þ r12 = D12/2 =6,43 (cm) j) Khối lượng sắt: Khối lượng sắt bằng tích thể tích sắt trụ và gông nhân với trọng lượng của sắt. MFe = VFe . mFe VFe : thể tích khối sắt. VFe = QFe .( 3h+ 2c) = 0.84* (3*2,5 +2*5) = 14,7 (dm3) mFe = 7,85. QFe(3h+ 2c) = 115,395 (kg) l) Khối lượng đồng: Khối lượng đồng được tính tương tự khối lượng sắt. MCu = VCu . mCu Trong đó: VCu : thể tích khối đồng. VCu = SCu . l SCu : tiết diện dây đồng. l : chiều dài dây đồng. mCu = 8,9 Kg/dm3. Thay số : MCu = 8,9. SCu . l = 16.7(kg) m) Tổng sụt áp bên trong biến áp * Điện áp rơi trên trở: ∆Ur = [R2 + ] Id Trong đó: R1, R2: điện trở thuận của các cuộn dây R1 = rCu = 0.0000172* =0.043 (W) R2 = rCu = 0.000072* =0.031 (W) Với rCu = 0,0000172 Wmm. Id : dòng tải một chiều. * Điện áp ra trên quận kháng: ∆Ux = Trong đó: mf: số pha biến áp. W2 : số vòng dây thứ cấp biến áp. Rbk: bán kính dây thứ cấp. l : chiều cao lá thép. h : Chiều cao cửa sổ lõi thép cd : bề dày cách điện của các cuộn dây với nhau . Chọn cd = 2 (mm) Qua tính toán: Xn = 0.00597 (W) ∆Ux = 0.800(V) Điện kháng MBA quy đổi về thứ cấp: h) Điện trở ngắn mạch Rnm = R2 + * R1 Rnm = 0. 014 o) Tổng trở ngắn mạch Z nm = = =0.015(W) p) Tính điện áp phần trăm ngắn mạch Unm% = 100. = 1.79 (%) q) Dòng điện ngắn mạch: Inm = = Nhận xét: kết quả tính được ở trên chỉ hoàn toàn có ý nghĩa về lý thuyết còn thực tế khi lắp biến áp cần quan tâm đến rất nhiều vấn đề khác như: làn mát, cách điện… 2. Tính chọn van Các van trong mạch chỉnh lưu công suất làm việc với dòng điện lớn, điện áp cao, công suất phát nhiệt trên nó khá mạnh vì vậy công việc chọn van phải hợp lý mới đảm bảo mạch hoạt động tin cậy. Khi chọn van cần quan tâm tới 2 chỉ tiêu: chỉ tiêu dòng điện và chỉ tiêu điện áp. *) Tính chọn van theo chỉ tiêu dòng điện: Theo yêu cầu của đề bài: I = 140(A), tra bảng 1.1 ta có: Itby= = 46,67(A) Khi làm việc, dòng diện qua động cơ, các van thường xuyên làm việc ở chế độ quá tải nên ta chọn hệ số dự trữ klv = 2. Ở đây ta sử dụng ché độ làm mát tự nhiên, dòng điện cho phép chỉ bằng 25% dòng định mức. Như vậy dòng trung bình qua van: Iv = 46,67.1,5:25%= 280(A) *) Tính chọn van theo chỉ tiêu điện áp - Độ dao động của điện áp: 10% - Trị hiệu dụng của điện áp nguồn U2 lớn nhất: U2max = U2+ 10%U2 = 123,59 + 12,359 U2max = 135,949 (v) Tra theo bảng ta có: U2ngmax = U2max = 333,00(v) Chọn hệ số dự trữ về áp cho van bằng 1,7 thì điện áp qua van: U2v = 1,7U2ngmax = 1,7 . 333 = 566,11(v) Tra theo sổ tay điện tử công suất ta chọn van Thyristo T14-320-6 3. Tính toán bộ lọc. Vì hệ số chỉnh lưu cầu 3 pha là: Kđmv = 0,057 nên mạch lọc có hệ số san bằng: Ksb = Ta có điện trở tương đương: Rd = Do R1 không lớn , Ksb không lớn nên bộ lọc được chọn là điện cảm L = (mH) *) Tính kích thước lõi thép: - Kích thước cơ sở: a = 2,6 Chọn a = 10 (cm) b = 1,2a = 12 (cm) c = 0,8a = 8(cm) h= 3a = 30(cm) - Tiết diện lõi thép: Sth = ab = 10.12 = 120 (cm2) - Diện tích của sổ : = h.c = 30.8 = 240 (cm2) - Độ dài trung bình đường sức: lth = 2 (a+b+c) = 2(12+8+10) = 60(cm) - Độ dài trung bình dây quấn: ldq= 2(a+b) + pc = 2(10+12) + p8 = 69,13(cm) - Thể tích lõi thép: Vth = 2ab (a+h+c) = 11520 (cm3) *) Tính điện trở của dây quấn ở t0 = 200C đảm bảo độ sụt áp cho phép: ∆U = 7,5%Uđm = Tmt = 400C ; ∆T = 500C Theo tính toán: r20 = r20 = 0,091(W) *) Số vòng dây của cuộn cảm W = 414 *) Tính mật độ từ trường H = *) Tính cường độ từ cảm b = *) Tính hệ số từ thẩm: Theo thực nghiệm ta có: m = 542. Trị số điện cảm nhận được Ltt = *) Tiết diện dây quấn s = 0,072. Đường kính của dây quấn d = 1,13 = 6,27(mm) Chọn dây có d= 6(mm) *) Xác định khe hở tối ưu: lkk = 1.6.10-3. W .I = 1,6.10-3.232.22,0 = 51,968(m) Vì trên đường đi mạch từ có hai đoạn khe hở nên miếng đệm cơ đo chiều dầy băng 1/2lkk. lđệm = 0,5.lkk = 26(mm) *) Kích thước cuộn dây Chọn dây quấn dầy 0,5mm, độ cao sử dụng dây quấn. hssd = h - 2∆C = 30-2.05 = 29 (cm) - Số vòng dây trong 1 lớp: W' = Vậy 1 lớp quấn 48 vòng. - Tính số lớp dây: n = Vậy cần quấn 5 lớp. - Độ dày của cả cuộn dây ∆cd = n(d + ∆cd) Trong đó: ∆cd = 1(mm) ∆cd = 5(0,6 + 0,1) = 3,5(cm) Độ dày của quận dây ∆cd bằng một nửa kích thước cửa số c = 8(cm) nên dây lọt vào trong cửa sổ. *) Kiểm tra chênh lệch nhiệt độ: PCu = SCu = 2hsd (a+b+p∆cd) + 1,4. ∆cd ( p∆cd + 2a) SCu = 3065,6 (cm2) Hệ số phát nhiệt: a = 1,03. 10-3 Độ chênh lệch nhiệt độ: ∆Ttt < ∆T cho phép Þ Thoả mãn 4. Tính toán bảo van mạch lực. Trong bộ chỉnh lưu phần tử kém khả năng chịu được các biến động mạnh của biến áp và của dòng điện chính là các van bán dẫn. *) Bảo vệ về quá dòng Thực tế do yêu cầu của đề bài mà bắt buộc ta phải dùng đến biến áp. Vì vậy thực chất trong mạch đã có bảo vệ quá dòng nên chỉ cần lắp atomat đầu mạch biến áp. *) Bảo vệ quá áp do phía nguồn xoay chiều gây ra, ở đây ta dùng mạch RC để chống quá áp nguồn kiểu riêng rẽ từng pha. +) Tính hệ số biến áp của van k = +) Tính năng lượng từ trường tích luỹ trong biến áp: W = 0,5. Lm. I2mmax = Trong đó: Lm : điện cảm từ hoá biến áp I2mmax:biên độ dòng từ hoá Sba : công suất biến áp I2 : dòng điện thứ cấp biến áp +) Tính giá trị nhỏ nhất Cmin = +) Phạm vi điều chỉnh giá trị điện trở pha Thông thường qua tính toán và kinh nghiệm người ta thường chọn R = 80(W) C = 0,25(mF) *) Bảo vệ các sung áp trên van Biện pháp bảo vệ thông dụng nhất hiện nay là dùng mạch RC mắc song song với van và càng gần van càng tốt để xây dựng dây ngắn tối đa. Thực chất chỉ cần tụ C song vì van sẽ xuất hiện dòng điện phóng của tụ qua van làm nóng thêm cho van nên cần dùng một điện trở R nhằm hạn chế dòng này trong phạm vi 1050A. Tuy nhiên có thể dùng phương pháp đồ thị tính gần đúng. +) Tính hệ số quá áp trên van : .... K = Trong đó : Ungcp: điện áp ngược lớn nhất thường xuyên đặt lên van Untt : điện áp ngược thực tế lớn nhất - Tra bảng và đồ thị: Xác định C*, R*, R*max theo k +) Tính tối đa giảm dòng lớn nhất khi van khoá - Trong đó: fy: tần số chuyển mạch của van Iymax: giá trị dòng điện lớn nhất qua van trước khi khoá. +) Tính các trị số: Cmin = Rmin£ R' +) Kiểm tra tốc độ tăng áp thuận qua van du/dt với Rf điện trở tải Nếu giá trị này vượt quá giá trị cho phép của van thì lại tính lại như đầu. +) Tính công suất điện trở Theo thực nghiệm được tính gần đúng: PR = fy. C. U2ymax Trên đây là toàn bộ công việc tính toán của mạch động lực. Hầu như được dựa trên kinh nghiệm thực tế của các thầy cô giáo. Vì vậy có một số kết quả thực tế được công nhận.  Chương 4 : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN Sau khi thiết kế và tính toán mạch lực ta nhận thấy cần có một hệ thống đúng để điều khiển mạch lực nói trên. Mạch điều khiển này phải đáp ứng được nhu cầu cầnthực hiện của mạch điều khiển. Có hai hệ điều khiển cơ bản là hệ đồng bộ và hệ không đồng bộ - Hệ đồng bộ: Trong hệ này góc điều khiển mở, van a luôn được xác định xuất phát từ một thời điểm cố định của điện áp mạch lực. Vì vậy trong mạch điều khiển phải có một khâu thực hiện nhiệm vụ này gọi là khâu đồng bộ để đảm bảo mạch điều khiển hoạt động theo nhịp của điện áp lực. - Hệ không đồng bộ: Trong hệ này a không xác định theo điện áp lực mà được tính dựa vào trạng thái của tải chỉnh lưu và góc điều khiển của lần phát xung mở van ngay trước đó. Do đó mạch điều khiển loại này không cần khâu điều khiển đồng bộ. Tuy nhiên để bộ chỉnh lưu hoạt động bình thường bắt buộc phải thực hiện điều khiển theo mạch vòng kín. Hiện nay đại đa số các mạch chỉnh lưu điều khiển thực hiện theo sơ đồ đồng bộ vì khâu đồng bộ có ưu điểm hoạt động ổn định và dễ thực hiện. I. CÂÚ TRÚC MẠCH ĐIỀU KHIỂN 1. Cấu trúc điều khiển ngang. a. Sơ đồ TX KĐX DF ĐB 1 2 3 4 Uđk 5 Trong đó: 1 - Khâu đồng bộ 2 - Khâu dịch pha 3 - Khâu tạo xung 4 - Khâu khuyếch đại xung 5 - Khâu tạo Uđk a. Nguyên tắc điều khiển ngang. Khâu đồng bộ thường tạo ra điện áp hình sin có góc lệch pha cố định so với điện áp lực. Khâu dịch pha có nhiệm vụ thay đổi góc pha của điện áp theo tác động của điện áp điều khiển. Xung điều khiển được tạo ra ở khâu tạo xung (TX) vào thời điểm khi điện áp dịch pha UDF qua điểm O. Xung này nhờ khâu khuyếch đại xung KĐX được tăng đủ công suất gửi tới cực điều khiển của van. Như vậy góc a hay thời điểm phát xung mở van thay đổi được nhờ sự tác động của Uđk làm điện áp UDF di chuyển theo chiều ngang của trục thời gian. 2 .Cấu trúc điều khiển dọc. a. Sơ đồ cấu trúc SS+TX KĐX Utựạ ĐB 1 2 3 4 Uđk 5 Trong đó: 1 - Khâu đồng bộ 2 - Khâu tạo Utựa 3 - Khâu tạo xung và so sánh 4 - Khâu khuyếch đại xung 5 - Khâu tạo Uđk b. Nguyên tắc điều khiển Uđóng khâu đồng bộ thường tạo ra điện áp hình sin có góc lệch pha cố định so với điện áp lực. Khâu tạo UT tạo ra điện áp tựa có dạng cố định theo chu kỳ do nhịp đồng bộ của UĐB . Khâu so sánh xác định điểm cân bằng của hai điện áp UT và UĐK để phát động khâu tạo xung TX. Như vậy trong nguyên tắc này thời điểm phát xung mở van hay góc điều khiển thay đổi do sự thay đổi trị số của UĐK . Theo đồ thị đó là sự di chuyển dọc trục biên độ. 3. Chức năng điều khiển. - Phát xung điều khiển đến các van lực theo đúng pha và góc điều khiển a cần thiết. - Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc amax + amin tương ứng với điện áp ra của tải mạch lực. - Cho phép bộ chỉnh lưu làm việc bình thường với các chế độ khác nhau do tải yêu cầu như chế độ khởi động, chế độ nghịch lưu, chế độ dòng điện liên tục. - Có độ đối xứng xung điều khiển tốt, không vượt quá 10 ¸ 30 điện tức là góc điều khiển với mọi van không được lệch quá giá trị cho phép. - Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện xoay chiều giao động cả về giá trị điện áp và tần số. - Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt. - Độ tác động của mạch điều khiển nhanh, dưới 1ms. - Thực hiện các yêu cầu về bảo vệ bộ chỉnh lưu từ há điều khiển nếu cần nên ngắt xung điều khiển khi sự cố, thông báo các hiện tượng không bình thường của lưới điện và bản thân bộ chỉnh lưu. - Đảm bảo xung điều khiển phát tới các van lực để mở chắc chắn van, phải thoả mãn yêu cầu: + Đủ công suất + Có sườn xung đối xứng để mở van chính xác vao thời điểm quy định, thường tốc độ tăng áp điều khiển phải đạt 10V/ms tốc độ tăng điều khiển. + Độ rộng xung điều khiển đủ cho dòng qua van kịp vượt trị số dòng điện duy trì Idt của nó để khi ngắt van vẫn giữ được tràng thái dẫn. + Có dạng phù hợp với sơ đồ chỉnh lưu và tính chất tải. II. SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN. Trong quá trình tìm hiểu nguyên tắc diều khiển của đông cơ điẹn ta đã xây dựng được sơ đồ mạch điều khiển như trang bên . SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 1.Nguyên lý hoạt động : Tín hiệu xoay chiều sau khi đi qua biến áp nguồn được chỉnh lưu bởi 2 Điốt Đ1 và Đ2. Điện sau chỉnh lưu so sánh với điện áp chuẩn U0 để tạo tín hiệu đồng bộ trùng với thời điểm diện áp lưới đi qua điểm 0 . Khi tín hiệu đồng bộ âm tụ C được nạp và ngược lai khi tín hiệu đồng bộ dương tụ C phóng . Như vậy ở đầu ra của IC sẽ có tín hiệu răng cưa .Sau đó tín hiệu răng cưa được so sánh với tín hiệu điều khiển (Lấy từ khâu phản hồi tốc độ ) bằng khuếch đại thuật toán . Bộ OA7 là một đa hài đợi dao động tạo xung chùm có tần số cao với mục đích giảm kích thứơc của máy biến áp xung .Tín hiệu cao tần trộn với tín hiệu sau khi so sánh rồi tiếp tục được trộn với tín hiệu phân phối nhằm tao ra tín hiêu cho từng Thyristo riêng biệt .Những tín hiệu này đựoc khuếch đại và thông qua biến áp xung đưa trực tiếp lên cực điều khiển của Thyristo . Do yêu cầu của đề bài là dùng sơ đồ cầu 3 pha nên cần thiết kế 3 kênh tương tự nhau cho các pha A , B , C . 2.Dạng điện áp mạch điều khiển III.TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN. 1. Tính toán khâu đồng pha. a. Nguyên lý hoạt động Điện áp xoay chiều 220v được đưa qua mạch chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ. Nửa chu kỳ đầu U2 >0 và U2' Þ Đ1 dẫn. Nửa chu ký sau U2 0 Þ Đ2 dẫn. Ta được điệnn áp UI như hình vẽ. U được đưa vào cực thuận của OP1. Điều chỉnh Rx1 để được điện áp U0 đưa vào cửa đảo. Nếu UI <U0 thì UII < 0 và bằng -(E - 2)v Nếu UI > U0 thì UII > 0 và bằng (E - 2)v Điện áp ra UII là dạng xung chữ nhật b. Tính toán Vì f = 50 Hz Þ T = = 0,02 (s) = 20ms Do đó trong nửa chu kỳ ta phải tạo ra điện áp răng cưa sao cho : t = tp +tn = 0,01 (s) tp : thời gian phóng của tụ điện tn : thời gian nạp của tụ diện Trong thực tế tính toán để giải điều kiện lớn từ 0 ¸ Uđm thì hoặc tn << tp hoặc tp<<t. Trong khuôn khổ của đồ án ta chọn : tn = 0,001 (s) = 1ms tp = 0,009 (s) = 9 ms Với tp = 9 ms ta phải điều chỉnh Rx1 sao cho U0 = UI () = 15 Sin (2Õf) =15Sin(2)v U0 = 2,35 v - Chọn R2 = 1kW. TA có U0 = Þ Rx1 = Chọn loại biến trở có giá trị 10(kW) để điều chỉnh lấy giá trị thích hợp + Chọn D1 và D2 là loại D- 1001 với I = 1(a); Ungmax = 200v 2. Khâu tạo điện áp răng cưa. a) Sơ đồ và nguyên lý hoạt động * Khi UII < 0 thì D3 dẫn, áp ở cửa đảo của OA2 âm U- < 0 nên UIII = k0 ( U+- U-) > 0 Þ điện áp ra ở cửa ra của OA là bão hoà dương. Chọn R3 << Rx2 để bỏ qua iR trong giai đoạn này . Dòng qua tụ là dòng iRvì dòng vào cửa âm của OA không đáng kể Điện áp ra bằng điện áp tụ C và bằng: UIII = UC = Như vậy điện áp trên tụ C tăng trưởng tuyến tính khi điện áp này đạt tụ rò ngưỡng Dz thì thông và giữ ở điện áp này (Nếu không có Dz thì điện áp tăng Ubh ) * Khi UII > 0 thì D3 khoá Þ iR = 0 lúc này dòng đi qua tụ C là dòng đi qua Rx2 , dòng điện này ngược chiều với dòng đi qua tụ C khi UII < 0 nghĩa là nó phóng điện. UIII = UC = UOA12 - b) Tính toán . Chọn tụ C = 0,22mF Chọn biên độ điện áp răng cửa là 9,1v do đó chọn Dz có UDz = 9,1. Để tụ C phóng điện về không ta chọn Rx2 theo: UIII = UC = uDz - = 0 Þ R3 = Thay số ta có : Rx2 = Chọn Rx2 gồm 1 loại biến trở 50 (kW) và một điện trở R = 30(kW) Trong thời gian tn điện áp trên tụ phải vượt quá giá trị điện áp ổn áp, nên ta có : Þ R3£ Chọn R3 = 4.3(kW) và OA loại mA 741 mA741 có các thông số: Điện áp nguồn nuôi: Vcc = ± 15 (V) Hiệu điện thế giữa cổng vào đảo và cổng vào không đảo: VID = ± 30 (V) Điện áp tín hiêu đầu vào: VI = ± 15 (V) (biên độ của VI không vượt quá 15V). Nhiệt độ làm việc: T = - 550C đến 1250C Sơ đồ chân như hình vẽ: : 3. Khâu so sánh. Điện áp răng cưa U3 được đưa vào cửa đảo của OA3, còn điện áp điều khiển Uđk được đưa vào cửa không đảo. Khi đó điện áp ra là: U4 = K0(Uđk – U3). Do đó khi Uđk > U3 thì điện áp ra là dương bão hoà, còn khi Uđk < U3 thì điện áp ra U4 là dương bão hoà. Điôt D7 để lọc phần âm của điện áp U4, do đó U5 chỉ lấy phần điện áp dương. b) Tính toán: Vì dòng vào khuếch đại thuật toán là rất nhỏ nên ta chọn R8 = 10 kW. Chọn OA3 là khuyếch đại thuật toán mA741. Chọn R9 = 10 kW 4 . Khâu phát xung chùm. a) Nguyên lý hoạt động : Tại thời điểm mà điện áp trên tụ UC2 = 0 thì Ur = 0 vì Ur == un= uC = 0 Ta tiến hành nạp cho tụ C2 một điện áp UC2 0 Þ Ur =Urmax , khi đó thì tụ điện C dược nạo điện theo chiều ngược lại so với chiều mà ta nạp cho C2 lúc ban đầu .Tụ C2 được nạp tới giá trị : UC2 = UP = Khi Ur= 0 thì Up = 0 .Do đó C2 phóng điện qua R10 về âm nguồn của OA4 và điện áp ra của OA4 ở mức âm bão hoà . Quá trình nạy lặp lại làm đầu ra của OA4 có xung điện áp dạng chữ nhật với tần số tuỳ thuộc vào giá trị của R10 và C2 . b/ Tính toán : Chu kì của xung chùm đươc xác định theo công thức : T = R10*C2*ln(1+) Chọn T = Chọn C2 =0.01(mF) Þ R10 = Như vậy chọn R10 = R11 = R12= 4.5(kW) 5 . Khâu khuếch đại xung và biến áp xung. 1. Biến áp xung: - Biến áp xung có nhiệm vụ tách ly mạch lực và mạch điều khiển - Phối hợp trở kháng giữa tầng khuyếch đại xung và cực điều khiển van lực. Yêu cầu lớn nhất đối với biến áp xung là truyền xung từ mạch điều khiển lên cực điều khiển của thyistor với độ méo ít nhất. Biến áp xung làm việc với tần số cao nên lõi dẫn từ trường cho biến áp xung là lõi ferit dạng xuyến, hình trụ hoặc có tiết diện chữ E. Do chế độ làm việc của biến áp xung là từ hoá một phần nên ta chọn: Độ biến thiên cường độ từ trường: DB = 0.2 (T). Độ biến thiên mật độ từ cảm: DH = 30 A/m. Kích thước tổng của biến áp xung là: Trong đó: tx là độ rộng một xung, tx = tn = 0.05ms DUx là độ sụt áp xung cho phép, chọn DUx = 0.1 (V). kba = 2 là hệ sô máy biến áp. U2 là điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp, U2 = Uđk = 3.5 (V). I2 là dòng điện cuộn thứ cấp máy biến áp, do tx = tn nên coi: I2 = 0.5´Iđk = 0.1 (A). Thay các giá trị vào công thức trên, ta có: Tra bảng cho trường hợp từ hoá một phần, chọn loại lõi hình trụ kí hiệu 1811 (đường kính ngoài là 18 (mm) và đường kính trong là 11(mm) có tiết diện lõi tương ứng bằng 0.443(cm2). Do đó, ta có số vòng dây cuộn sơ cấp: (vòng). Chọn w1 = 88 vòng, suy ra: w2 = 88/2 = 44 (vòng) ` Yêu cầu lớn nhất đối với biến áp xung là truyền xung từ mạch điều khiển lên cực điều khiển của thyistor với độ méo ít nhất. 2. Khuếch đại xung a. Nguyên lý làm việc : - Khi có xung vào các bóng T1 , T2 mở , đưa xung tới biến áp xung rồi tạo xung mở Thyristo . + Vì biến áp xung có tính chất vi phân nên phải có điện trở R2 để tiêu tám năng lượng tích luỹ của các cuộn dây trong giai đoạn T1 , T2 khoá .Nếu không biên độ của các xung sẽ giảm đi đáng kể do điểm làm việc của lõi biến áp đẩy lên phía bão hoà . + Do R2 mắc nối tiếp với cuộn sơ cấp của máy biến áp xung nên làm giảm điện áp đặt lên biến áp xung , để giữ điện áp ban đầu trên máy biến áp bằng nguồn Ecs ta thêm tụ C vào D1 có tác dụng ngăn mạch biến áp xung khi T1 khoá D2 nhằm chống quá áp gây hỏng bóng . b. Tính toán : Theo thông số van T14 - 320 - 6 đã chọn ta có : Iđk = 200(mA) Uđk = 3.5(V) Tham số dòng điện và điện áp của cuộn sơ cấp máy biến áp xung : U1 = k*Uđk ; I1 = *Iđk với k : Hệ số máy bién áp Chọn k = 2 ta có : U1 = 2*3.5= 7(V) I1 = 100(mA) Nguồn công suất phải có trị lớn hơn U1 để bù điện áp trên điện trở .Vì vậy chọn Ecs =15(V) Từ giá trị Ecs và I1 chọn bóng T1 loại BFY51có Icmax =1(A) ,UCE =30(V) , b = 40 Điện trở : R2 > =15(W) . Công suất điện trở này thường từ 2 (W) đến 4 (W) do dòng quá lớn và khá thường xuyên lớn nhất là khi gốc điều khiển nhổ nhất. Kiểm tra độ sụt áp trên điện trở khi bóng dẫn dòng: . Suy ra điện áp trên biến áp xung phải là: U1 = ECS = UR2 = 15 - 1.5 = 13.5 V và đạt yêu cầu. Tuy nhiên để tăng mạnh xung kích cho van vẫn có thể dùng thêm tụ tăng cưỡng áp C đựoc tính như sau: Tần số xung chùm 10 Khz tương ứng với chu kì bổ xung là: TXC = Khoảng cách giữa hai xung chìm là: tu = Vậy do nên chọn C = 1mF Bóng T2 chọn loại BC107, UCC = 45V, ICmax = 0.1A, bmin = 110. Vậy điện trở đầu vào tính theo công thức: Thay số: 13.2kW < R1 < 33kW Chọn R1 = 20kW Điot chọn loại 1N1192A - Có các thông số như sau : Imax =20(A ) ; Un = 50(V) 6. Khâu tạo nguồn nuôi. Ta cần tạo ra nguồn điện áp để cấp cho máy biến áp xung và nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ. Ta chọn mạch chỉnh lưu cầu dùng điôt, điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi: U2 = . Chọn U2 = 9(V) Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi, ta dùng hai vi mạch ổn áp 7815 và 7915 là vi mạch ổn áp cho ta điện áp -15(V). Các thông số của vi mạch: Điện áp đầu vào: UV = 7 ¸ 35V Điện áp đầu ra: UR = 15V với IC7815 UR = -15V với IC7915 Dòng điện đầu ra: IRa = 0 ¸1(A) Tụ điện C4, C5 lọc các thành phần bậc cao Chọn C4 = C5 = C6 = C7 = 470(mF), U = 35(V) 7. Tính biến áp nguồn nuôi và đồng pha. (1). Ta thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc kéo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi. Chọn kiểu máy biến áp ba pha ba trục , trên mỗi trục có ba dây, một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp. (2). Điện áp lấy ra ở thứ cấp máy biến áp làm điện áp đồng pha lấy ra thứ cấp làm nguồn nuôi. U2 = U2đph = Un = 9v (3). Dòng điện thứ cấp máy bíên áp đồng pha I2đp = 1 (mA) (4). Công suất nguồn nuôi cấp cho máy biến áp xung Pđph = 6.U2đp.I2đp = 6.9.1.10-3 = 0,054w (5). Công suất tiêu thụ ở 6IC TL084 sử dụng làm khuếch đại thuật toán, ta chọn hai IC TL084 để tạo 6 cổng AND P8IC = 8PIC = 8*0,68 = 5,44(W) (6). Công suất biến áp xung cấp cho việc điều khiển tisirton Px = 6. Uđk . Iđk = 6 . 3,5 . 0,2 = 4,2w (7). Công súât sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi PN = Pđph + P8IC + Px = 0,054 + 5,12 + 4,2 PN = 9,374 w (8). Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy S = 1,05 . (Pđph + Px) = 1,05 . (0,054 +9,374) = 9,899VA (9). Dòng điện thứ cấp máy biến áp I2 = (10). Dòng điện sơ cấp máy biến áp I1 = (11). Tiết diện trụ của biến áp được tính theo công thức QT = kQ kQ = 6 là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát m = 3 là số trụ của biến áp f = 50Hz là tần số lưới điện Chuẩn số tiết diện trụ: QT = 1,63 (cm2) Kích thước mạch từ là thép dày d = 0,5mm Số lượng lá thép: 68lá; a = 12mm; b = 16mm; k = 30mm Hệ số ép chặt kc = 0,85 (12). Chọn mật độ từ cảm B = 1T ở trong trụ ta có vòng dây sơ cấp W1 = (vòng) (13). Chọn mật độ dòng điện J1 = J2 = 2,75A/mm2 Tiết diện dây quấn sơ cấp S1 = Đường kính dây quấn sơ cấp d1 = Chọn d1 = 0,1mm Đường kính có kẽ cách điện d1cd = 0,12mm (14). Số vòng dây quận thứ cấp W2 = W1.(vòng) (15). Tiết diện dây quấn thứ cấp S2 = (16). Đường kính dây quấn thứ cấp d2 = Chuẩn hoá: d2 = 0,29mm Chuẩn hóa đường kính kể cả cách điện là d2cd= 0,33mm (17). Chọn hệ số lấp đầy: klđ =0,7 klđ= (18). Chiều rộng cửa sổ C = (19). Chiều dài mạch từ L = 2c +3 =2 (20). Chiều cao mạch từ H = h + 2a = 30 + 2.12 = 54mm * Tính chọn Điot cho thiết bị chỉnh lưu nguồn nuôi Dòng điện qua Điot : ID = Điện áp nguồn lớn nhất UNmax = Chọn dòng điện định mức Iđm ³ K1 .ID = 10.0,129 = 1,2A Điện áp ngược lớn nhất Un = ku . Unmax = 2. 22 = 44V Vậy chọn Điot kÕ208A có: Iđm = 1,5A Un = 100V 8 .Khâu phản hồi tốc độ. Khi thiết kế hệ điểu chỉnh tự động truyền động điện cần phải đảm bảo hệ thực hiện được tất cả các yêu cầu đặt ra đó là yêu cầu công nghệ các chỉ tiêu chất lượng và các yêu cầu về kinh tế. Độ ổn định và độ chính xác điều chỉnh là hai chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng bậc nhất của hệ thống tự động. Độ chính xác được đánh giá trên cơ sở phân tích các sai lệch điểu chỉnh , các sai lệch này phụ thuộc rất nhiều yếu tố. Sự biến thiên của các tín hiệu đặt gây ra các sai lệch không thể tránh được trong quá trình quá độ và cũng có thể gây sai lệch trong quá trình xác lập. Trên cơ sở phân tích các sai lệch điểu chỉnh ta có thể chọn được các bộ điểu chỉnh, các mạch bù thích hợp dể nâng cao độ chính xác của hệ thống . Để đạt được những chỉ tiêu về công nghệ trong điểu chỉnh tự động điều chỉnh hệ thống truyền động động cơ một chiều ta sử dụng mạch vòng điều chỉnh , tổng hợp mạch vòng tốc độ. Hệ thống điểu chỉnh tốc độ là hệ thống mà đại lượng được điểu chỉnh là tốc độ góc của động cơ điện ,các hệ này thường được sử dụng trong thực tế kỹ thuật . Hệ thống điều chỉnh tốc độ được hình thành từ hệ thống điều chỉnh dòng điện . Chương 5: MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN Mô phỏng là phương pháp mô hình hoá dựa trên cơ sở xây dụng các mô hình toán học . Khi đã có mô hình toán học ta có thể có được một số thông tin về hệ thống trên mô hình này bằng các phương pháp toán học ,phương pháp giải tich . Phương pháp mô phỏng được ứng dụng trong tất cả các giai đoạn thiết kế ,phân tích và thực thi hệ thống với mục đích khác nhau . Đối với lĩnh vực kỹ thuật ,để tiến hành nghiên cứu khảo sát một bài toán kỹ thuật điện- điện tử sử dung máy tính thưòng có 2 công cụ hay được dùng là phần mềm mô phỏng mạch và phần mềm giải phương trình . Trong yêu cầu của bài ra , ở đây dung phương pháp mô phỏng bằng mạch . Điều này được thấy qua sơ đồ như sau : Đồ thị các khâu sau khi mô phỏng KẾT LUẬN Đồ án môn học là một yêu cầu cần thiết và bắt buộc với sinh viên ngành tự động hoá. Nó kiểm tra và khảo sát trình độ thực tế của sinh viên và giúp cho sinh viên có tư duy độc lập vơí công việc. Qua việc thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ một chiều kích từ độc lập có đảo chiều theo nguyên tắc điều khiển chung giúp em nắm vững hơn phần lý thuyết đã được học và có thêm nhiều sự hiểu biết thực tế. Tuy nhiên, do nội dung công việc hoàn toàn mới mẻ và tầm hiểu biết còn hạn chế nên đồ án môn học của em không tránh khỏi nhiều thiếu sót. Em mong các thầy cô chỉ bảo để em hoàn thành tốt hơn nữa nhiệm vụ của mình. Mặc dù vậy , với sinh viên chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế , sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong bộ môn là rất cần thiết . Vì vậy khi thực hiện đồ án này không thể tránh khỏi những thiếu sót . Một lần nữa , em xin chân thành cảm ơn thầy giáo: GV. ĐỖTRỌNG TÍN đã hướng dẫn , chỉ bảo tận tình để em hoàn thành tốt đồ án này . Sinh viên Dương Đức Anh TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Võ Minh Chính - Phạm Quốc Hải - Trần Trọng Minh Điện tử công suất - Nhà xuất bản KHKT - Năm 2004 2. Lê Văn Doanh và các tác giả Điện tử công suất - Nhà xuất bản KHKT - Năm 2001 3 . Bùi Quốc Khánh - Nguyễn Văn Liễn - Nguyễn Thị Hiền Truyền động điện - Nhà xuất bản KHKT - Năm 2004 4 . Vũ Gia Hanh và các tác giả . Máy điện 1 , 2 - Nhà xuất bản KHKT - Năm 2003 5 . Phạm Quốc Hải - Dương Văn Nghi Phân tích và giải mạch ĐTCS - Nhà xuất bản KHKT - Năm 2002 6 . Phạm Quốc Hải Hướng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất - Năm 2001