Đồ án Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ

§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 1 tr­êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi bé m«n tù ®éng ho¸ khoa ®iÖn ®å ¸n m«n häc ®iÖn tö c«ng suÊt ®Ò tµi: thiÕt kÕ m¹ch tù ®éng kÝch tõ cho ®éng c¬ ®ång bé gi¸o viªn h­íng dÉn : ph¹m quèc h¶i sinh viªn thùc hiÖn : nguyÔn thanh lÞch líp : t®h2-k43 nhãm : 2 ®Ò : 5 12/2001 §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 2 Mục Lục Trang Lời nói đầu 1 Chương 1: Tìm hiểu công nghệ và yêu cầu kỹ thuật của thiết bị 2 I. Động cơ đồng bộ 2 1. Khái niện chung 2 2. Nguyên lí làm việc 3 3. Đặc tính cơ 3 4. Mở máy đông cơ đồng bộ 3 5. Vào/ ra đồng bộ 5 II. Yêu cầu công nghệ và kỹ thuật 6 Chương 2: Lựa chọn phương án 8 I. Hệ kích từ máy đồng bộ 8 1. Hệ kích từ dùng máy phát 1 chiều 8 2. Hệ kích từ dùng máy từ xoay chiều kích từ kết hợp với bộ chỉnh lưu 9 3. Hệ từ kích thích 9 II. Sơ đồ chỉnh lưu 9 1. Chỉnh lưu một pha 9 2. Chỉnh lưu ba pha 10 Chương 3: Sơ đồ nguyên lí mạch thiết kế 12 I. Mạch lực 12 II. Mạch điều khiển 14 Chương 4: Tính toán mạch lực 16 Chương 5: Tính toán mạch điều khiển 26 Kết luận 39 Tài liệu tham khảo 40 §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 3 Lời mở đầu Trong những năm gần đây, nhờ sự phát triển của khoa học, kỹ thuật, rất nhiều loại máy móc thiết bị mới ra đời, phục vụ trong công nghiệp và sinh hoạt. Tuy nhiên, có những máy mà chưa thể thay thế hoàn toàn, chẳng hạn như động cơ đồng bộ. Mặc dù động cơ đồng bộ có cấu tạo phức tạp, mở máy rất khó khăn nhưng lại có những đặc tính quí giá như như hệ số công suất cos rất cao, không cần lấy công suất phản kháng từ lưới và khả năng tải lớn hơn do momen chỉ tỉ lệ bậc nhất với điện áp. Vì vậy người ta thường cố gắng khắc phục những nhược điểm của động cơ đồng bộ. Trong đó việc tìm ra phương pháp khởi động động cơ một cách hiệu quả nhất được quan tâm thường là khởi động theo phương pháp không đồng bộ. Trên cơ sở đó bản đồ án này có nhiệm vụ thiết kế mạch tự động cấp kích từ cho động cơ đồng bộ. Mạch đảm bảo quá trình khời động cho động cơ theo chế độ khởi động không đồng bộ. Trong quá trình làm việc phải cho phép chế độ quá kích thích trong thời gian đến vài chục giây và điều chỉnh được. Các số liệu: Điện áp kích từ định mức: 75V DC. Công suất kích từ định mức: 24KV. Điện áp kích từ cực đại (quá kích từ): 130 V. Điện trở khởi động: 0,8. Điện áp lưới điện: 3. 380V. Trong quá trình hoàn thành bản đồ án này, do còn hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm, nên không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót. Em rất mong được sự nhận xét, chỉ bảo của các thầy cô trong bộ môn qua đó, em có kiến thức sâu hơn về mạch tự động cấp kích từ cho động cơ đồng bộ. Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Quốc Hải và các thầy cô trong bộ môn đ• nhiệt tình giúp đỡ và động viên em hoàn thành bản đồ án này. Sinh Viên: Vũ Thị Bích Chương 1: tìm hiểu công nghệ và yêu cầu kĩ thuật của thiết bị I. Động cơ đồng bộ 1. Khái niệm chung: Máy đồng bộ là máy điện xoay chiều có hai dây quấn, một dây quấn nối với lưới điện có tần số W1, không đổi còn dây quấn thứ hai được kích thích bằng dòng một chiều(W2=0) Động cơ đồng bộ được sử dụng khá rộng r•i trong những công suất trung bình và lớn, có yêu cầu ổn định tốc độ cao. Động cơ đồng bộ thường dùng cho máy bơm ,quạt gió, các hệ truyền động của các nhà máy luyện kim và cũng thường được sử dụng làm động cơ sơ cấp trong các tổ máy phát - động cơ công suất lớn. Ưu điểm: có độ ổn định tốc độ cao, hệ số cos và hiệu suất lớn, vận hành có độ tin cậy cao. Sơ đồ nguyên lý: §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 4 Mạch stato của nó tương tự như động cơ không đồng bộ, mạch roto có cuộn kích từ để sinh ra từ trường trong máy và các cuộn dây khởi động( kiểu lồng sóc và dây quấn) 2. Nguyên lý làm việc: Tác dụng của từ trường do dòng kích từ gây ra lên từ trường quay của stato tạo nên momen và momen quay với tốc độ đồng bộ xác định bởi biểu thức: NDB =f: p (vòng/phút) Tốc độ góc đồng bộ là: WDB = 2f (rad/s) Trong đó f: tần số(Hz) p: Số đôi cực Từ trường quay trong khe hở không khí kéo theo roto quay với tốc độ đồng bộ. Xem xét đơn giản các đặc tính của động cơ đồng bộ: nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato và điện kháng tản, biểu thức của từ trường trong khe hở không khí luôn liên hệ với điện áp đặt vào stato, biên độ của từ trường này là không đổi. Xét thời điểm pha A cực đại, từ thông trong dây quấn stato là đối xứng ở lân cận dây quấn pha A. Trong trường hợp hệ số công suất của dòng điện stato =1, momen của tải làm cho roto chậm sau so với từ thông stato.Vì lý do đường sức khép kín, các dòng điện stato tạo nên sức từ động tổng. Nếu dòng kích từ tăng đột ngột, biên độ của từ thông tăng tức thời , momen tăng làm cho roto tăng tốc về phía trước cho đến khi đạt tới cân bằng ở góc lệch rất nhỏ .Vì từ thông tổng không đổi, tăng sức từ động làm phần cảm được bù băng dòng điện stato (do đó dòng điện vượt trước) sao cho sự phân bố của sức từ động stato trong một đường sức khép kín ngược với sự thay đổi của kích từ. Kết quả rõ ràng là khi tăng kích từ sẽ làm giảm góc lệch của cực từ và hệ số công suất của dòng stato sẽ vượt trước dòng điện lưới. Giảm dòng kích từ tạo ra hiệu quả ngược lại. Góc lệch cực từ tăng lên và hệ số công suất của dòng stato chậm sau điện áp lưới. 3.Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ: Khi đóng stato động cơ đồng bộ vào lưới điện xoay chiều có tần số f1 không đổi, động cơ sẽ làm việc với tốc độ không đổi là tốc độ đồng bộ : W1 = 2f1/p. Trong phạm vi momen cho phép M Mmax , đặc tính cơ là tuyệt đối cứng, nghĩa là độ cứng đặc tính cơ = vô cùng. Khi momen vượt quá trị số Mmax thì tốc độ động cơ sẽ mất đồng bộ. 4. Mở máy động cơ đồng bộ: §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 5 Quá trình khởi động của động cơ đồng bộ gồm 2 giai đoạn: * Giai đoạn 1: Stato của động cơ được đấu vào nguồn điện xoay chiều còn cuộn kích từ đóng kín qua điện trở hạn chế Rhc để cuộn kích từ khỏi bị quá áp do sức điện động cảm ứng sinh ra trong nó (Rhc = (8 - 10)Rkt ). Trong giai đoạn này động cơ đồng bộ được khởi động như một động cơ không đồng bộ. Khi mở máy không đồng bộ, động cơ đồng bộ lấy đà đến tốc độ gần đồng bộ nhờ momen không đồng bộ MKD của bản thân xuất hiện khi đóng mạch dây quấn phần ứng vào lưới. Sau khi được nối vào lưới có điện áp là UL và tần số lưới fl , dòng điện trong dây quấn phần ứng tạo nên từ trường quay với tốc độ DB. Khi có sự xê dịch giữa từ trường quay so với roto với tốc độ DB - = sDB thì trong dây quấn kích thích nối kín mạch qua RHC và trong dây quấn cảm kiểu dây quấn ngắn mạch có bước không đều sẽ có dòng điện cảm ứng, tần số là sfL (: tốc độ góc của roto, s: hệ số trượt ). Do tương tác của dòng điện cảm ứng trong các mạch vòng bị nối tắt của roto với từ trường quay có momen điện từ không đồng bộ MKD như trong động cơ không đồng bộ được hình thành chủ yếu do các dòng điện cảm ứng trong dây cuốn cản. Vì vậy các tham số dây cuốn cản (điện trở, điện kháng) thuộc vào số lượng, kích thước và vật liệu các thanh dẫn được chọn xuất phát từ các điều kiện mở máy sao cho đảm bảo đầy đủ momen không đồng bộ trong tất cả các giai đoạn khởi động. Do đó dây cuốn cản dùng cho khởi động không đồng bộ còn gọi là dây cuốn mở máy. Quan hệ giữa momen không đồng bộ của động cơ đồng bộ với hệ số trượt M=f(s): Khi bắt đầu quay, lúc đó hệ số trượt s = 1, momen mở máy bắt đầu Mmm tác dụng lên roto và ở hệ số trượt smax thì xuất hiện momen cực đại Mmax. Momen không đồng bộ tỉ lệ với bình phương điện áp lưới Mkd U2 . Do đó nhất thiết phải nói là các trị số đặc tính của nó M, Mmax được xác định ở điện áp nào. Thông thường các momen đặc trưng không đồng bộ được biểu thị theo tỉ số momen định mức của động cơ ở chế độ đồng bộ: Mmm,/ Mđm, Mmax/Mđm. Ta thấy trong việc hình thành momen không đồng bộ , ngoài sự tham gia của dây cuốn cản còn có dây cuốn kích thích vốn là dây cuốn 1 pha. Dòng điện cảm ứng trong dây quấn kích thích tạo ra từ trường đập mạch hướng theo dọc trục, khác với từ trường quay sinh ra do dòng điện nhiều pha trong dây quấn cản. Do đó trong đường cong momen không đồng bộ xuất hiện “chỗ lõm” ở khu vực s = 0.5 có thể làm cho việc mở máy động cơ bị xấu đi. Cũng phải nhấn mạnh là khi mở máy , dây quấn kích từ nhất thiết phải nối với máy kích thích hoặc điện trở triệt từ vì trong dây quấn kích từ để hở mạch sẽ xuất hiện điện áp đáng kể chọc thủng cách điện và làm hỏng máy. * Giai đoạn 2: Cuối giai đoạn thứ nhất: khi tốc độ đạt 95% -98% tốc độ đồng bộ. Lúc này ta đưa dòng kích từ vào roto để tạo ra momen đưa tốc độ động cơ lên đồng bộ. §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 6 Giai đoạn này rất quan trọng vì nếu không đưa động cơ lên tốc độ đồng bộ thì động cơ sẽ làm việc ở trạng thái không đồng bộ và cuộn khởi động sẽ bị phát nóng quá mức, có thể bị cháy. 5. Vào/ ra đồng bộ: Sau khi mở máy và được kéo vào đồng bộ , ở chế độ xác lập dòng điện trong dây quấn đó không tồn tại. Tuy nhiên, bất kì quá trình quá độ nào liên quan đến sự thay đổi điện áp dòng kích từ hoặc momen ngoài thì từ thông móc vòng với dây cuốn cản thay đổi và trong dây cuốn đó xuất hiện dòng điện cảm ứng làm quá trình quá độ tiến hành thuận lợi hơn. Điều này làm cho máy đồng bộ hàng loạt các loại đặc tính quí giá mà quan trọng nhất là khả năng làm việc ở những chế độ đồng bộ mà ở cả chế độ không đồng bộ trong trường hợp mất đồng bộ. Cũng có khả năng là momen không đồng bộ xuất hiện trong khoảnh khắc tốc độ góc roto lệch khỏi đồng bộ, khi đó việc xuất hiện momen không đồng bộ tạo thuận lợi làm chuyển dễ dàng hơn sang chế độ mới, khôi phục lại tốc độ đồng bộ của roto. Điện áp lưới sụt thấp, dòng kích từ momen giảm hoặc momen ngoài tăng đột ngột có thể là nguyên nhân mất đồng bộ. Sự mất đồng bộ sẽ xảy ra khi momen ngoài vượt momen đồng bộ cực đại Mdbmax. Sau đó mất đồng bộ dưới tác dụng của momen ngoài, tốc độ góc quay của rôto trở lên lớn hơn đồng bộ nếu trước đó máy làm việc như máy phát và nhỏ hơn đồng bộ nếu máy làm việc như động cơ. Khi tốc độ roto càng sai khác tốc độ từ trường thì hệ số trượt tăng, momen điện từ không đồng bộ tăng dần và ở một hệ số trượt s nào đó, momen ngoài có thể cân bằng momen điện từ không đồng bộ. Khả năng làm việc của máy đồng bộ ở chế độ không đồng bộ sau khi mất đồng bộ được xác định do đặc tính của momen không đồng bộ của máy. Hệ số trượt xác lập chế độ không đồng bộ. Hệ số trượt này rất bé , trong các máy lớn bằng vài phần nghìn. Do đó sau khi mất đồng bộ trong nhiều trường hợp máy chuyển sang chế độ không đồng bộ. Thời gian kéo dài cho phép của chế độ không đồng bộ thuộc tổn hao sinh ra trong các mạch bị nối tắt ở roto. Pcu 2 = s. Pdt s. P Nó phải được đánh giá từ trước bằng tính toán nhiệt thông thường có thể làm việc dài hạn ở chế độ không đồng bộ khi hạ thấp công suất chút ít . Vì ở chế độ không đồng bộ , máy không phát công suất phản kháng vào hệ thống nên sau khi loại trừ sự cố dẫn đến mất đồng bộ phải đưa máy trở lại chế độ đồng bộ. Quá trình đưa từ chế độ không đồng bộ về chế độ đồng bộ gọi là tái đồng bộ . Quá trình tái đồng bộ tương tự như đồng bộ. Nếu hệ số trượt ở chế độ không đồng bộ nhỏ hơn nhiều so với hệ số trượt vào đồng bộ so , ở đó có thể kéo vào đồng bộ thì có thể thực hiện tái đồng bộ mà không cần phải tác động gì. Nếu ở chế độ không đồng bộ, hệ số trượt s lớn hơn s0 thì phải điều chỉnh dòng kích từ: tăng dòng kích từ để có thể kéo vào động bộ. II. Yêu cầu công nghệ và yêu cầu kỹ thuật. Mạch tự động cấp kích từ cho động cơ không đồng bộ, đảm bảo quá trình khởi động cho động cơ theo chế độ không đồng bộ. Trong quá trình làm việc phải cho phép chế độ quá kích thích trọng thời gian đến vài trục giây và điều chỉnh được. Ta biết rằng khởi động động cơ đồng bộ là quá trình đưa động cơ vào làm việc bắt đầu đặt điện áp xoay chiều 3 pha vào dây quấn stato, trong máy có từ trường quay quay với tốc độ đồng bộ n1 = , cho đến khi ta đưa kích từ một chiều vào dây quấn roto thì roto trở thành một nam châm điện. Tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay và từ trường của roto sẽ sinh ra §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 7 mômen điện từ làm cho roto quay cùng chiều quay với từ trường với tốc độ n = n1. Tuy nhiên để thực hiện được như vậy là không dễ dàng, đặc biệt là với động cơ đồng bộ có công suất lớn. Vì vậy thường sử dụng phương pháp không đồng bộ gồm 2 giai đoạn để khởi động cho động cơ đồng bộ (như đ• nói ở chương 1) và mạch thiết kế cần phải đảm bảo được yêu cầu này. Nhưng không phải lúc nào động cơ cũng vào được tốc độ đồng b. Khi phát hiện hệ có nguy cơ mất đồng bộ thì tự động cấp quá kích thích để tăng dòng kích từ để giữ đồng bộ song chỉ nên duy trì một thời gian. Sau khoảng thời gian này mà vẫn không thể vào được đồng bộ thì ngắt hệ ra khỏi nguồn và thực hiện lại quá trình khởi động. Thực tế cho thấy là động cơ làm việc đồng bộ rồi mà vẫn có thể mất đồng bộ do các nguyên nhân như điện áp lưới sụt thấp, dòng kích từ giảm hoặc momen cảm tăng đột ngột. Có thể phát hiện ra bằng cách so sánh tốc độ của roto với tốc độ của từ trường (nhờ phản hồi âm tốc độ) tức là trong mạch có sử dụng một máy phát tốc. Sau đó lại tự động thực hiện quá trình cấp quá kích từ như trên. Chương 2: Lựa chọn các phương án I. Hệ kích từ máy đồng 1. Dùng máy kích thích một chiều. §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 8 Máy kích thích một chiều FKt, FK được kéo một động cơ sơ cấp (có thể dùng động cơ không đồng bồ roto lồng sóc). Có cuộn dây kích từ LFK nối song song. Biến trở R để thay đổi từ thông của FK nhằm thay đổi điện áp phát ra của FK. Như vậy sức điện động cảm ứng sinh ra trong dây quấn cảm ứng phụ thuộc dòng kích thước it và tốc độ quay của máy theo biểu thức: a. R.it + LFK . Khi dòng điện đạt đến trị số xác lập it = It thì và điện áp ngược được tạo ra ở đầu máy là a. R. It = E. Do đó điện áp xác lập của FK phụ thuộc vào biến trở R. Nhận thấy trên đường đặt tính khi R tăng thì điện áp phát ra sẽ giảm vì vậy muốn thay đổi dòng kích từ qua dây quấn kích từ của động cơ thì phải thay điện trở kích từ của dây quấn kích từ và thay đổi tốc độ của động cơ sơ cấp. Việc điều chỉnh R là rất khó khăn và độ chính xác không cao hơn nữa việc thay đổi tốc độ động cơ sơ cấp không dễ và phạm vi điều chỉnh hẹp. Vì vậy dùng máy kích từ một chiều để cấp kích từ cho động cơ đồng bộ có công suất lớn là không kinh tế và rất khó khăn trong việc khởi động và giữ đồng bộ động cơ với lưới. 2. Hệ kích từ dùng máy kích từ xoay chiều kết hợp với bộ chỉnh lưu: Có 2 phương án: a. Máy kích từ có phần cảm quay, phần ứng tĩnh b. Máy kích từ xoay chiều có phần cảm tĩnh, phần ứng quay Theo phương pháp này, phần tĩnh và phần quay được trình bày tách biệt bằng đường phân ranh giới thẳng đứng. Muốn dòng điện đi qua đường phân ranh giới đó cần phải có vành trượt và chổi điện. Rõ ràng là phương án (b) không đòi hỏi vành trượt và chổi điện. Ưu điểm này rất quan trọng đối với những máy đồng bộ công suất lớn cần dòng kích từ mạch (khoảng 3000A cho máy phát đồng bộ 600KW). Tuy nhiên giải pháp này kéo theo những khó khăn về chế tạo phần ứng quay (so với chế tạo phần cảm quay), hơn nữa các điot chỉnh lưu phải chịu các lực ly tâm lớn và phải được đặt sao cho roto đảm bảo cân bằng động. Máy kích từ xoay chiều được nối trục với máy phát đồng bộ. Dòng điện phần ứng của máy kích từ điều chỉnh trực tiếp dòng kích từ It. Dùng tiristo chỉnh lưu sẽ làm tăng nhanh đáp ứng điều khiển, nhưng đối với phương án (b) khó khăn gặp phải là vấn đề truyền tín hiệu điều khiển vào tiristo quay. 3. Hệ tự kích thích: Trong trường hợp này điện áp và dòng kích từ tỷ lệ với tổng vectơ các điện áp Ut và Ui của các máy biến áp TU và máy biến dòng TI. II. Sơ đồ chỉnh lưu Để cung cấp nguồn 1 chiều cho cuộn kích từ của động cơ đồng bộ, ta phải sử dụng một mạch chỉnh lưu để biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều có sẵn thành năng lượng dòng điện 1 chiều. Thực tế có rất nhiều phương án có thể sử dụng được, tuy nhiên để có một mạch chỉnh lưu phù hợp với yêu cầu thiết kế ta cần xét một cách tổng quan về các sơ đồ chỉnh lưu. Các bộ chỉnh lưu điốt không thể làm thay đổi điện áp ra nên ta chỉ xét các mạch chỉnh lưu điều khiển 1. Chỉnh lưu một pha: Chỉnh lưu một pha thường được chọn khi nguồn cấp là lưới điện một pha, hoặc công suất không quá lớn so với công suất lưới (làm mất đối xứng điện áp lưới) và tải không có yêu cầu quá cao về chất lượng điện áp một chiều. Trong chỉnh lưu một pha nếu tải có dòng địên §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 9 lớn và điện áp thấp, thì sơ đồ một pha chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính có ưu điểm hơn, bởi vì trong sơ đồ này tổn hao trên van bán dẫn ít hơn, nên công suất tổn hao trên van so với công suất tải nhỏ hơn, điện áp ngược của van lớn (nếu điện áp cao mà chọn sơ đồ này có thể không chọn được van bán dẫn). Nếu tải có điện áp cao và dòng điện nhỏ thì việc chọn sơ đồ cầu chỉnh lưu một pha hợp lý hơn do hệ số điện áp ngược của van trong sơ đồ cầu nhỏ hơn do đó dễ chọn van. Chỉnh lưu một pha cho ta điện áp với chất lượng chưa cao, biên độ đập mạch điện áp quá lớn, thành phần hài bậc cao lớn: điều này không đáp ứng được cho nhiều loại tải. Do nguồn cấp là lưới 3 pha công nghiệp nên việc sử dụng chỉnh lưu một pha có nhiều hạn chế, mặt khác do yêu cầu về chỉnh lưu và giá trị điện áp, dòng điện lớn nên ta không nên dùng chỉnh lưu một pha. Yêu cầu cao về chất lượng điện áp một chiều cung cấp cho cuộn kích từ để đảm bảo tốc độ đồng bộ cho động cơ đồng bộ cần thực hiện với mạch chỉnh lưu nhiều pha hơn. 2. Chỉnh lưu 3 pha: a. Chỉnh lưu tia 3 pha: Chỉnh lưu tia 3 pha không cho phép đấu thẳng vào lưới điện như vậy phải sử dụng máy biến áp có công suất lớn hơn công suất phía một chiều 1,35 lần. Bộ chỉnh lưu này chỉ sử dụng 3 Thyristor đấu katôt chung vì vậy việc điều khiển chúng là dễ dàng. Tuy nhiên do công suất phía một chiều đòi hỏi lớn lên khi sử dụng bộ chỉnh lưu này sẽ làm mất đối xứng giữa tải và nguồn. Vì vậy, chỉnh lưu tia 3 pha thường được chọn khi công suất tải không quá lớn so với biến áp nguồn cấp (để tránh gây mất đối xứng cho nguồn lưới), và khi tải có yêu cầu không quá cao về chất lượng điện áp một chiều. Sử dụng mạch chỉnh lưu này luôn cần có biến áp nguồn để có điểm trung tính ra tải; và do sụt áp trong mạch van nhỏ nên thích hợp với phạm vi điện áp làm việc thấp. Vì sử dụng nguồn 3 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. b. Chỉnh lưu cầu 3 pha: Đây là loại được sử dụng nhiều nhất trong thực tế vì có nhiều ưu điểm hơn cả. Nó cho phép đấu thẳng vào lưới điện 3 pha, độ đập mạch rất nhỏ (5%), nếu có dùng biến áp thì gây méo lưới điện ít hơn các loại trên, đồng thời công suất máy biến áp cũng chỉ xấp xỉ công suất tải. Công suất mạch chỉnh lưu này có thể rất lớn, đến hàng trăm kw. Chỉnh lưu cầu 3 pha sẽ được chọn khi cần chất lượng điện áp ra một chiều tốt vì đây là sơ đồ có chất lượng điện áp ra tốt nhất trong các sơ đồ chỉnh lưu thường gặp. Để giảm tiết diện dây quấn thứ cấp biến áp thì các cuộn dây thứ cấp biến áp có thể đấu tam giác. Nhược điểm của chỉnh lưu cầu 3 pha là sụt áp trong mạch van gấp đôi sơ đồ hình tia nên cũng không phù hợp với cấp điện áp ra tải dưới 10 V. Kết luận: Từ thực tế của yêu cầu thiết kế với yêu cầu về chất lượng điện áp một chiều tốt để có thể cung cấp cho cuộn kích từ của động cơ đồng bộ, đảm bảo cho việc tạo ra tốc độ đồng bộ theo yêu cầu và được duy trì lâu dài, với số liệu đ• cho về giá trị điện áp, dòng điện, công suất kích từ,... ta nhận thấy việc sử dụng mạch chỉnh lưu dùng sơ đồ cầu 3 pha điều khiển đối xứng là hợp lý hơn cả. §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 10 Chương 3: sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế. I. Sơ đồ nguyên lý mạch lực: 1. Sơ đồ 2. Nguyên lý hoạt động. Thông thường chỉnh lưu cầu 3 pha không cần có máy biến áp lực. Tuy nhiên do yêu cầu điện áp phía một chiều là 75V cho nên cần phải có máy biến áo để giảm điện áp lưới đặt vào bộ chỉnh lưu. Mạch lực bao gồm các phần tử sau: Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha gồm 6 Thyristor. Các van nhóm lẻ T1, T3, T5 đấu KC, các van nhóm chẵn T2,T4, T6 đấu AC. Các van mở khi nó đ• thỏa m•n được điều kiện mở: với van chẵn thì phải có A âm nhất, với van lẻ dương nhất và phải có xung điều khiển mở. Các van tự khóa nhờ đặt điện áp ngược khi có van khác dẫn. Trên mạch có tiếp điểm của 2 côngtăctơ CTT1 và CTT2 trong đó có 2 tiếp điểm thường đóng và 2 tiếp điểm thường mở. Các tiếp điểm này đóng mở để đảm bảo yêu cầu đóng mở trong quá trình khởi động và đảm bảo kích từ. Điện trở RT là điện trở triệt từ có tác dụng tiêu tán năng lượng cảm ứng của dây quấn kích từ phía stato để tránh làm hỏng dây quấn kích thích. Dây quấn kích thích là phần cố định được đặt trong roto của động cơ. Khi có dòng điện kích từ một chiều chạy qua dây quấn kích thích sẽ tạo ra momen đồng bộ để kéo roto vào đồng bộ. Để khởi động động cơ đồng bộ theo phương pháp khởi động không đồng bộ, ban đầu đóng điện lưới cấp cho stato. Nhờ có dây quấn khởi động đặt trong roto nên nó sẽ tạo ra momen không đồng bộ làm cho roto quay. Do dây quấn kích từ được đặt ở roto nên khi cấp điện cho stato thì thì trường quay của stato quét nó với tốc độ đồng bộ sẽ tạo ra điện áp cao trên nó. Tuy nhiên, nhờ tiếp điểm thường đóng trong suốt quá trình này nên giây quấn kích từ được nối ngắn mạch qua RT. Vì vậy năng lượng được tiêu tán qua RT để bảo vệ giây quấn kích từ (RT là điện trở khởi động, có thể cho dòng rất lớn đi qua trong thời gian ngắn). ở giai đoạn §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 11 này thì bộ chỉnh lưu vẫn hoạt động nhưng cấp cho tải do tiếp điểm thường hở làm hở mạch vì vậy dòng kích từ qua dây quấn kích từ it = 0. Khi động cơ đạt được tốc độ gần bằng tốc độ đồng bộ thì côngtăctơ sẽ tác động. Lúc này tiếp điểm thường đóng, mở ra ngắt Rt ra khỏi mạch con tiếp điểm thường hở đóng lại nhờ vậy bộ chỉnh lưu sẽ cấp nguồn một chiều cho dây quấn kích từ vì vậy sẽ xuất hiện một momen đồng bộ tác dụng tương hỗ với momen không đồng bộ, tăng tốc cho đồng bộ để kéo roto đồng bộ vào đồng bộ. Vì một lý do nào đó mà động cơ chưa thể vào đồng bộ mặc dù tốc độ vẫn cho phép vào đồng bộ (côngtăctơ 2 vẫn đóng, côngtăctơ 4 vẫn mở thì mạch điều khiển sẽ giảm góc mở của Thyristor để dòng điện áp ra của chỉnh lưu). Nhờ đó tăng dòng kích từ qua dây quấn kích từ vì vậy sẽ tăng momen đồng bộ và kéo roto vào tốc độ đồng bộ. Nếu động cơ chưa vào được đồng bộ và tốc độ không cho phép vào đồng bộ nữa thì côngtăctơ 3 mở ra, côngtăctơ 4 đóng lại. Lúc đó it = 0 và dây quấn kích từ lại được nối với Rt. Vì vậy muốn động cơ vào đồng bộ thì phải tìm hiểu nguyên nhân và cố gắng khắc phục để động cơ đạt được tốc độ vào đồng bộ. Nhận thấy mặc dù vẫn có điện áp phía một chiều xong đến khi động cơ đạt được tốc độ vào đồng bộ thì mới xuất hiện dòng kích từ it qua dây quấn kích từ. Khi phát hiện ra tốc độ đồng bộ đạt được tốc độ vào đồng bộ thì côngtăctơ 2 sẽ tác động nhờ điện áp tác động Vhctt = f(n). II. Sơ đồ mạch điều khiển. 1. Sơ đồ 2. Nguyên lí Do sử dụng 6 Thyristor trong mạch cầu 3 pha nên phải có 6 mạch điều khiển đề điều khiển chúng. ở đây chỉ trình bày sơ đồ điều khiển của một Thyristor. Trong sơ đồ có khâu đồng pha, khâu tạo điện áp tựa, khâu so sánh, khâu tạo xung chùm, khâu khuyếch đại xung biến áp xung và phần thực hiện điện áp điều khiển. Biến áp đồng pha có điện áp sơ cấp lấy từ thứ cấp biến áp mạch lực. Cuộn sơ cấp đấu tam giác để tăng góc điều khiển cho các thyristor Thứ cấp biến áp điều khiển gồm 6 cuộn dây và có điểm trung tính . Mỗi cuộn dây dùng để tạo ra một điện áp đồng pha có biên độ phù hợp để điều khiển một thyristor trên mạch lực. Bộ tạo xung răng cưa tạo ra một xung răng cưa tuyến tính nhờ sự phóng nạp của tụ C1 qua các tranzito Tr1 và Tr2. Khi Tr1 khoá, tụ C1 được nạp điện áp từ nguồn +E qua Tr2 tạo ra xung răng cưa, khi Tr1 mở b•o hoà tụ C1 phóng điện qua Tr1 về 0. Bộ tạo nguồn điều khiển là giá trị điện áp được thiết lập nhờ điện áp đặt trên biến trở VR1 cộng với điện áp phản hồi đưa về từ máy phát tốc thông qua bộ điều chỉnh PI và bộ hạn chế tín hiệu dòng điện. Giá trị điện áp này thay đổi tuỳ thuộc vào tốc độ của động cơ đồng bộ BĐ. §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 12 Khâu so sánh có hai đầu vào là xung răng cưa và điện áp điều khiển được tạo ra bởi việc cộng hai điện áp là điện áp đặt lấy trên biến trở VR1 và điện áp phản hồi lấy từ máy phát tốc thông qua bộ điều chỉnh tỉ lệ tích phân PI. Tín hiệu này sau đó được đưa qua khâu hạn chế dòng rồi mới đưa tới bộ so sánh để bảo vệ các thiết bị không bị ảnh hưởng bởi sự quá dòng. Đầu ra của bộ so sánh là các xung chữ nhật. Giá trị lôgic “1” đạt được khi xung răng cưa lớn hơn điện áp điều khiển. Khoảng rộng của các xung chữ nhật này phụ thuộc vào sự thay đổi của điện áp điều khiển. Điện áp phản hồi càng nhỏ thì độ rộng xung càng lớn. Điều này làm thay đổi góc mở của các thyristor trên mạch lực. Để đảm bảo mở chắc chắn các thyristor trên mạch lực dùng bộ tạo xung chùm bằng vi mạch 555. Sau đó đưa vào cổng và (cổng AND) để trộn với xung chữ nhật ở đầu ra bộ so sánh. Chu kỳ của xung chùm có thể chọn lựa để phù hợp với các thyristor đ• có. Khâu khuếch đại sau cùng dùng sơ đồ đấu Dalingtơn với hai tranzitor. Khâu này có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu điều khiển các tiristo trước khi đưa vào cực điều khiển của chúng. Khuếch đại ở đây là việc tạo ra đủ công suất để mở các thyristor. Tín hiiêụ điều khiển sau đó được đưa qua máy biến áp xung. Biến áp xung có nhiệm vụ cách ly mạch lực với mạch điều khiển. Mục đích là để đảm bảo các thiết bị trong mạch điều khiển không bị ảnh hưởng bởi điện áp cao từ mạch lực. Ngoài ra biến áp xung còn làm nhiệm vụ phối hợp trở kháng giữa tầng khuếch đại xung và cực điều khiển van lực. Trên mạch điều khiển còn có các rơle: RL1 và RL2 làm nhiệm vụ điều khiển các tiếp điểm của chúng đóng cắt các côngtăctơ CTT1 à CTT2 trên mạch lực. Điều này được tạo ra nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ là tự động cấp kích từ cho động cơ đồng bộ. Còn bộ tạo trễ dung vi mạch 555 để tạo thời gian trễ khi cấp quá kích từ cho động cơ. Chương 4: Tính toán mạch lực. I. Tính toán van động lực. 1. Chọn van động lực. Các van động lực được chọn dựa vào các yếu tố cơ bản là dòng tải, sơ đồ đ• chọn, điều kiện tỏa nhiệt, điều kiện làm việc. * Điện áp ngược cơ bản của van. Unmax = knv = kvn . Ud = 2,45 . 130 = 136,11 ku 2,34 knv = 2,45 : hệ số điện áp ngược ku = 2,34 : hệ số điện áp tải. U2, U2 , Umax: điện áp tải, điện áp nguồn xoay chiều, điện áp ngược của van. Để chọn van theo điện áp hợp lí thì điện áp ngược của van cần chọn phải lớn hơn điện áp làm việc, chọn qua hệ số dự trữ kdtu = 2. §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 13 Unv = kdtu . Unmax = 272,22 (V). * Dòng làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng Ilv = Ihd = khd . Idơ = Có: Uktmax = 130V Uktđm = 75V Pkt = 24 . 103 W Iktđm = = = 320 (A) Rkt = = Iktmax = Vậy dòng làm việc của van là: Ilv = Với các thông số làm việc trên và chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt với đầy đủ diện tích toả nhiệt, không quạt đối lưu không khí: thông số cần có của van động lực: Unv = 2. Ulv = 272,22 V Uđmv = ki . Ilv = 185,2 . 1,2 = 222,24 A. (Chọn hệ số dự trữ dòng điện ki = 1,2). Ta được Thyristor C184C có các thông số sau: Unmax = 300V Iđm = 300A dòng đỉnh Ipikmax = 300mA. áp xung điều kiển: Ug,max = 3,0 dòng tự giữ: Ih,max = 500mA dòng dò: Irmax = 20mA Umax = 1,8. Thời gian chuyển mạch (mở và khóa) t0em = 10s. Tmax = 1250C 2. Tính toán máy biến áp Chọn máy biến áp 3 pha, 3 trụ sơ đồ đấu dây /Y làm mát bằng không khí tự nhiện. Tính các thông số cơ bản: + Tính công suất biểu kiến của máy biến áp: Công suất tối đa của tải Pđmax = Uđ0 . Iđ = 158,8 . 555,556 = 88,22KW Công suất máy biến áp nguồn Sba = 1,05 Pđ = 92,631 KVA S = Ks . Pđ = Ks . + Điện áp pha sơ cấp máy biến áp: Up = 380V + Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp: Phương trình cân bằng điện áp khi có tải: Uđ0 . cos(min) = Uđ + 2. Uv + Uđn + Uba + U Trong đó: min = 100 là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện lưới. Uv = 2,8V là sụt áp trên Thyristor Uđn = 0 là sụt áp trên dây nối. Uba = Ur + Ux là sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp. U là sụt áp do hiện tượng chuyển mạch gây ra khi điện kháng phía Xc là đáng kể chọn U = 9% . Uđ = 11,7V. Chọn sơ bộ: Uba = 7%. Uđ = 7% . 130 = 9,1V Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có: Uđ0 = §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 14 Điện áp pha thứ cấp máy biến áp: U2 = + Dòng điện hiệu dụng sơ cấp của máy biến áp: I2 = + Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp: I1 = a. Tính sơ bộ mạch từ (xác định kích thước bản mạch từ). + Tính tiết diện sơ bộ trụ. QFe = KQ . Trong đó: KQ là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, lấy KQ = 6 M là số trụ của máy biến áp F là tần số xoay chiều, ở đây f = 50Hz Thay số ta được: QFe = 147,62 + Đường kính trụ: d = Chuẩn đoán đường kính trụ theo tiêu chuẩn d = 14cm + Chọn loại thép 330 các lá thép có độ dày 0,5mm Chọn mật độ từ cảm trong trụ Bt = (T) + Chọn tỷ số m = , suy ra h = 2,3 . d = 32,2cm Ta chọn chiều cao trụ là 32 cm. b. Tính toán dây quấn. + Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp. W1 = Lấy W1 = 116 vòng + Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp W2 = vòng Lấy W2 = 21 vòng. + Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp. Với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô, chọn J1 = J2 = 2,75 (A/mm2) + Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp S1 = mm2, suy ra đường kính dây d1 = mm + Tính lại mật độ dòng diện trong cuộn sơ cấp. J1 = A/mm2 + Tiết diện dây dẫn thứ cấp của máy biến áp. S2 = mm2, suy ra d2 = mm c. Kết cấu dây dẫn sơ cấp: Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục + Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp W11 = vòng Trong đó: kc = 0,95 là hệ số ép chặt h là chiều cao trụ hg là khoảng cách từ gông đến cuộn sơ cấp Chọn sơ bộ khoảng cách cách điện gông là 1,5cm + Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp n11 = lớp + Chọn số lớp n11 = 3 lớp. Như vậy có 116 vòng chia thành 3 lớp, chọn 2 lớp đầu vào có 40 vòng, lớp thứ 3 có 116 – 3.40 = 36 vòng. + Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp: h1 = cm §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 15 + Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày S01 = 0,1 cm. + Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp a01 = 1,0 cm. + Đường kính trong của ống cách điện Dt = dFe + 2. a01 – 2. S01 = 14 + 2,1 –2. 0,1 =16,8 cm. + Đường kính trong của cuộn sơ cấp. Dt1 = Dt + 2S01 = 16,8 + 2.0,1 = 17 cm. + Chọn bề dầy giữa 2 lớp dây ở cuộn sơ cấp: cd11 = 0,1 mm + Bề dày cuộn sơ cấp: Bd = (dn1 + cd11) . n11 = (0,637 + 0,1) . 3 = 2,211 cm + Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp Dn1 = Dt1 + 2. Bd1 = 17 + 2. 2.211 = 21,422 cm. + Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp. Dtb1 = cm + Chiều dày dây quấn sơ cấp. L1 = W1 . . Dtb = . 116 . 19,211 = 70 m. + Chọn bề dầy cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp: cd01 = 1,0 cm. d. Kết cấu dây cuốn thứ cấp. + Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp. h1 = h2 = 20,8 cm + Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp. W12 = vòng. + Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp. n12 = lớp. + Chọn số lớp dây quấn thứ cấp n12 = 2 lớp. Chọn 1 lớp đầu có 12 vòng, lớp thứ 2 có số vòng là: 21 – 12 = 9 vòng. + Chiều cao thự tế của cuộn thứ cấp. h2 = cm. + Đường kính trong của cuộn thứ cấ: Dt2 = Dn1 + 2. a12 = 21,422 + 2 . 1 = 23.422 cm. + Chọn bề dầy cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp cd22 = 0,1 mm. + Bề dày cuộn sơ cấp. Bd2 = (dn2 + cd22). n12 = (1,48 + 0,01) . 2 = 2,98 cm. + Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp. Dn2 = Dt2 + 2. Bd2 = 27,056 + 2. 3,52 = 34,696 cm. + Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp. n2 = . W2 . Dtb2 = . 21. 30,576 = 20,172 m. + Đường kính trung bình các cuộn dây. D12 = cm r12 = cm. + Chọn khoảng cách giữa 2 cuộn thứ cấp: a22 = 2 cm. e. Tính kích thước mạch từ: + Chọn sơ bộ các kích thước cơ bản của mạch từ. + Chọn hình dáng của trụ. + Chọn trụ chữ nhật với các kích thước. QFe = a . b (a- bề rộng trụ, b- bề dày trụ). + Chọn là thép có độ dày 0,35 mm + Diện tích cửa sổ Qcs = Qcs1 + Qcs2 = kld . W1 . Scu1 + kld . W2 . Scu2. kld: hệ số lấp đầy, chọn bằng 3. Qcs1, Qcs2: phần do cuộn sơ, thứ cấp chiếm chỗ (mm2). Scu1, Scu2 : tiết diện dây sơ, thứ cấp, kể cả cách điện (mm2) §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 16 Qcs = 3 . (116 . 29 + 21 . 164,94) = 20483,22 mm2 + Chọn kích thước cửa sổ: Khi đ• diện tích cửa sổ Qcs, cần chọn các kích thước cơ bản (chiều cao h, và chiều rộng c v ới Qcs = h . c) của cửa sổ mạch từ. Theo công thức kinh nghiệm với máy biến áp 3 pha, lõi thép III thì: m = n = l = Qcs = h . c, suy ra a = 120, b = 96, c = 8, 67, h = 241, 92. Chiều rộng toàn bộ mạch từ C C = 2c + 3a = 532,22 mm. Chiều cao mạch từ H H = h + 2a = 483,84 mm. Hình dáng kết cấu: f. Kết cấu dây quấn: Dây quấn được bố trí theo chiều dọc trụ, với mỗi cuộn dây được cuốn thành nhiều lớp dây, mỗi lớp dây được quấn liên tục, các vòng dây sát nhau. Các lớp dây cách điện với nhau bằng các bìa cách điện. Cách tính các thông số này như sau: + Số vòng dây trên mỗi lớp của cuộn sơ cấp. W11 = + Số vòng dây trên mỗi lớp của cuộn thứ cấp. W22 = dl1 = Với : h: chiều cao cửa sổ. dl1, dl2: đường kính dây quấn sơ, thứ cấp, kể cả cách điện. hg: khoảng cách điện với gông. Chọn hg1 = 2dn1 Chọn hg2 = 2dn2 + Số lớp dây trong cửa sổ: Cuộn sơ cấp: Sdl1 = Cuộn thứ cấp: Sdl2 = + Bề dày mỗi cuộn dây: Cuộn sơ cấp: Bd1 = d1 . Sdl1 + cd . Sld1 = 1,7135 cm Cuộn thứ cấp: Bd2 = d2 . Sdl2 + cd . Sld2 = 2,3902 cm Với cd: chiều dày của bìa cách điện, chọn bằng 0,3 mm. + Tổng bề dày các cuộn dây. Bd = Bd1 + Bd2 + Bd3 + ... + cdt + cdơn cdt, cdn: bề dày cách điện trong cùng ngoài cùng. Bd = 4,1637, suy ra 2Bd = 8,3274 (cm). §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 17 Trước khi tính khối lượng Fe và Cu, kiểm tra bè dàt các cuộn dây nhỏ hơn chiều rộng cửa sổ (2Bd < c). Kích thước hợp lí giữa cuộn dây và trụ. c = c – 2 . Bd trong khoảng (0,5 2) cm khoảng cách này cần thiết để đảm bảo hoặc làm mát. g. Khối lượng Fe và Cu sử dụng: + Khối lượng Fe: MFe = VFe . mFe (kg) Với VFe: thể tích khối sắt (dm3). VFe = 3. a. b. h + 2. c. a. b = 13,097 dm3. = QFe. (3h + 2c) = 13096495,96 mm3. mFe = 7,85 kg/dm3, suy ra mFe = 102,81145 kg + Khối lượng Cu: MCu = VCu . mCu (kg). VCu : thể tích khối đồng của các cuộn dây (dm3). VCu = 3. (SCu1 . l1 + SCu2 . l2) = 3. (29. 10-4 . 70 + 164,94. 10-4 20,172) = 1,607 (dm3) mCu = 8,9 kg/dm3. SCu: tiết diện dây dẫn (dm2). l: chiều dài các vòng dây. Suy ra: MCu = 14,3023 (kg). h. Tính các thông số của máy biến áp . + Điện trở của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 75 0 C . R1= . = 0,0000172 . () + Điện trở cuộn thứ cấp máy biến áp ở 750C . R2= . = 0,0000172. () + Điện trở của máy biến áp qui đổi về thứ cấp . RBA = R2 + R1 = 0,0021 + 0,0415 =3,46 . 10-3() + Sụt áp trên điện trở máy biến áp . Ur = RBA.Id = 3,46 . 10-3. 555,556 = 1,922 (V) + Điện kháng máy biến áp qui đổi về thứ cấp . XBA= 8 .2.(W2)2. ..10-7 = 8 .2.212. .314.10-7 = 0,073 () Trong đó: r = = 11,711 mm. + Sụt áp trên điện kháng máy biến áp . Ux = XBA.Id = 0,073 . 555,556 = 38,73 (V) Rdt = .XBA = 0,07 () + Sụt áp trên máy biến áp . UBA= = = 38,77 (V) + Tổng trở ngắn mạch qui đổi về thứ cấp . ZBA = = = 0,07308 () + Điện áp ngắn mạch tác dụng . Unr= .100 = = 2,31 % + Điện áp ngắn mạch phản kháng . Unx = .100 = .100 = 8,4 % + Điện áp ngắn mạch phần trăm. Un= = = 8,71 (V) + Dòng điện ngắn mạch xác lập . I2nm= = = 928,57 (A) §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 18 Chương 5 Tính toán các thông số mạch điều khiển Sơ đồ một kênh điều khiển chỉnh lưu cầu 3 pha được thiết kế theo sơ đồ hình Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khuếch đại ngược trở lên. Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Tiristo. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển. + Điện áp điều khiển Tiristo: Udk =3,0 (v) +Dòng điện điều khiển Tiristo: Idk =0,3 (A) + Thời gian mở Tiristo: tm =10 (s) + Độ rộng xung điều khiển tx =167 (s)- tương đương 3o điện + Tần số xung điều khiển: fx =10 (k Hz). + Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển U = 12 (v ) + Mức sụt biên độ xung: Ux = 0,1 1. Tính biến áp xung: + Chọn vật liệu làm lõi là sắt Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có: B = 0,2 (T), H = 30 ( A/m ) [1], không có khe hở không khí. + Tỷ số biến áp xung : thường m = 23, chọn m= 3 + Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Udk =3,0 (v) §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 19 + Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = m. U2 = 3.3 = 9 (v) + Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Idk =0,3 (A) + Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I1 = I2 : m =0,3 : 3 = 0,1(A) + Tính toán kích thước tổng: V = kba . U2 . I2 .tx . Ux B . H Thay số ta thu được V = 3 . 3 . 0,5 . 0,3 . 167. 10-6 . 0,1 0,2 . 30 = 2,505 cm3 Tra bảng cho trường hợp từ hóa 1 phần chọn lõi thép loại 782E272 có thể tích là 3,79 cm3, diện tích cửa sổ là 0,968 cm2, diện tích lõi từ là 0,577 cm2. Số vòng cuộn sơ cấp: W1 = U1 . tx B . Sba = vòng Lấy W1 = 130 vòng thì số vòng dây cuộn thứ cấp là W2 = 130 : 2 = 65 vòng 2. Tầng khuyếch đại cuối cùng: khuyếch đại xung ghép bằng biến áp xung. Phương pháp ghép này thông dụng hiện nay vì dễ dầng cách ly mạch điều khiển và mạch lực, tuy nhiên do tính chất vi phân của biến áp nên không nên cho phép truyền các xung rộng vài mili giây. Chính vì tính chất này mà người ta phải truyền xung rộng dưới dạng xung chùm để biến áp xung hoạt động bình thường. Để đơn giản mạch , đồng thời vẫn đảm bảo hệ số khuyếch đại dòng cần thiết , tầng khuyếch đại hay dấu kiểu Dalintơn. Tính chọn: P0 đ• chọn biến áp xung có tỉ số các cuộn dây bằng 3, vậy tham số và dây điện cuộn sơ cấp: U1 = U . K = 3 . 3 =9. I1 = Iđk /k = 0,3 : 3 =0,1. Nguồn công suất phải có trị số lớn hơn U1 để bù đắp sụt áp trên điện trở, vì vậy chọn Ecs = 15V. Từ Ecs và i1 chọn bóng T4 loại BD135 có tham số Uce =45V, Icmax = 1,5A, min = 40. Giá trị R7 thường chọn từ khả năng dẫn dòng tối đa cho phép của T4: R7 > (), suy ra chọn R = 12. Công suất điện trở này thường 2,5W do dòng qua nó lớn và khá thường xuyên, lớn nhất là khi góc điều khiển nhỏ nhất. Kiểm tra độ sụt áp trên điện trở này khi bóng dẫn dòng: Ur7 = I1 . R7 = 0,1 . 12 = 1,2 V, suy ra điện áp còn lại trên biến áp xung là U1 = Ecsơ – Ur7 = 15 –12 =13,8V, suy ra đạt yêu cầu. Tuy nhiên để phát triển mạch xung kích cho van vẫn có thể dùng thêm tụ tăng cường áp C2: tần số xung chùm 3kHz tư với chu kỳ 1 xung là: Txc = Cho rằng 2 xung đối xứng thì khoảng nghỉ bằng khoảng xung, có nghĩa khoảng cách giữa 2 xung chùm là tn = 0,5Txc = 50 s Chọn C2 < F Chọn C2 = 0.1 F. §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 20 Bóng T3: dòng qua colectơ T3 chính là dòng qua bazơ T4, như vậy bóng T3 luôn nhỏ hơn T4 do chịu dòng nhỏ hơn nhiều. Chọn bóng T3 loại BC107 có Uce = 45V, Icmax = 0,1A, min = 110. Vậy điện trở đầu vào có trị số: R25 (k), suy ra chọn R = 10k Với S = 1,2 I1max = 3. Khâu AND. + Đầu ra của mạch AND là xung chùm có độ rộng xung dùng ở mạch so sánh. + Chọn AND là vi mạhc CMOST085 của Nhật có nguồn cấp 15V. 4. Khâu so sánh: Sử dụng khuyếch đại thuật toán, kiểu 2 cửa. ở đây so sánh điện áp điều khiển và điện áp tựa. Điện áp điều khiển đưa vào âm (-), còn điện áp tựa đưa vào cửa dương (+). U+ Ut, U- = Uđk thì điện áp ra theo qui luật Ura = k0 (U+ - U-ơ) = k0 (U+ - Uđk) Do đó khi Uđk > U+ điện áp ra là âm b•o hòa. Do đó khi Uđk < U+ điện áp ra là dương b•o hòa. Đầu ra của A1 cso chuỗi xung vuông liên tiếp. Phần tử chính của khâu so sánh là A1 loại TL084 của h•ng Texas intnuments chế tạo chọn R4 = R26 = 15 k. 5. Tạo xung chùm. Xung chùm thực chất là một chùm các xung có tấn số cao gấp nhiều lần lưới điện (fxe = 8 12kHz) . Độ rộng của 1 chùm xung có thể được hạn chế trong khoảng 100 300 độ điện, về nguyên tắc nó phải kết thúc khi điện áp trên van lực mà nó điều khiển đổi dấu sang âm. Nguyên tắc tạo xung xung chùm thường dùng là coi tín hiệu do bộ so sánh đưa ra như một tín hiệu cho phép hay cấm khâu khuyếch đại xung được nhận xung tấn số cao phát từ một bộ tạo dao động đa hài tới nó. ở đây sử dụng bộ tạo doa động dùng timer 555 Tính chọn như sau: Chu kỳ dao động T = 0,7 (R19 + R20) . C5 + 0,7 R20 .C5 = 100 ms. = 0,7. (R19 + R20) . C5 C5 = 22 nF, suy ra R19 + 2.R20 = 6.5 K Chọn tiếp R19 = 1,5 K thì R20 = 5 K Chân 1: nối với đất. Chân 2: kích lật trạng thái khu U2 = thì U3 = 0. Chân 3: cổng ra Uơ3 (min) = 0,1 V. U3 (max) = E – 0,5V. I3min = 0 A. I3max = 0,2 A. Chân 4: khi U1 = 0 thì U3 = 0 nếu không cần khóa thì nối tiếp với 8. Chân 5: lọc nhiễu thường có tụ C = 0,01 F. Chân 6: ngưỡng lật U6 = thì U3 = 0. Chân 7: chân phóng điện. Chân 8: nối với cực dương của nguồn E = 15V. Tiêu thụ dòng 0,7mA, 1V nguồn nuôi. 6. Tạo răng cưa tuyến tính, dùng tranzito. + Chọn điốt ổn áp Đz và Roa(R) §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 21 Giá trị điện áp ổn áp giả thảo m•n điều kiện U0A < E - Ucmax – 1V. Ucmax < 70%E, chọn E = 15V, suy ra chọn U0A = 5V. Chọn điốt KC 139A của Liên Xô. Uổn áp = 3,9V. Pmax = 300 mW. Rd = 60 Imax = 70mA. Sai số điện áp 10%. Tính điện trở R0A: R0A nhằm đảm bảo điểm làm việc của điốt ổn áp nằm trong vùng điện áp ổn định theo đặc tính VA của nó. chọn I0Amin = 8mA. Thay số: ROA = R2 = 1 K Để tránh tổn thất công suất trên điện trở R0A cũng như trên Đ2 quá lớn. + Tụ C: chọn C = 0,66 F. + Tính R3: dựa vào biểu thức tính điện áp trên tụ C ở thời điểm T/2 thì bằng Uc,max, có: Uc (t = ) = Ucmax = Tấn số lưới = 50Hz suy ra T = 20ms. R3 = .Vậy chọn R3 = 12 K. Thỏa m•n, đảm bảo tránh ảnh hưởng của dòng điện nhiệt. Dòng nạp cho tụ: Ic = = 0,267 m + Chọn Tranzito T2. Chọn dựa theo: Ic = 0,267 mA Uce = E = 15V Suy ra, chọn bóng ngược n-p-n loại BC108 có Icmax = 0,1A Pcmax = 0,3W Ucemax = 20V. Ucbmax = 30V min = 110. fT = 300MHz Với Tr1 chọn cùng cỡ với Tr2 nhưng là bóng thuận BC178. Icmax = 0,1A Ucbmax = -30V. Pcmax = 0,3W min = 125 Ucemax = -25V fTơ = 200MHz. 7. Chọn máy phát tốc. Yêu cầu đối với máy phát tốc một chiều là điện áp một chiều có chứa ít thành phần xoay chiều tần số cao và tỉ lệ với tốc độ động cơ, không bị trễ nhiều về giá trị và dấu so với biến đổi đại lượng đo. Ngoài ra còn có yêu cầu là điện áp một chiều phát ra không phụ thuộc vào tải, vào nhiệt độ. Khi tốc độ điều khiển vào đồng bộ thì điện áp phát ra của nó là 10V. Điện áp trên biến trở VR2 = 8V. Chọn R17 = 100 có công suất là 1W (sai số 5%). Suy ra, sụt áp trên R17 là: UR17 = (V). Chọn VR2 = 150 có công suất là 0,25W (sai số 10%) Sụt áp UVR2 = (V). §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 22 Để Ura là 8V thì sụt áp trên VR2 là U1 = 10 – 8 = 2(V). Vậy . VR2 = =32 Chọn tụ Cu = 0,47F 8. Bộ tạo trễ: Chọn R23 =2600 K C8 = 10 F Vậy tx = 1,1. R23. C8 = 26 giây. Điều này có nghĩa sẽ cho phép cấp quá kích từ khoảng 26 giây. Nếu quá thời gian này thì bộ tạo trễ sẽ tạo tín hiệu để ngắt mạch điều khiển , khởi động lại động cơ lại từ đầu. Như vậy thực chất bộ tạo trễ chính là tạo ra khoảng thời gian vài trục giây thực hiện quá kích từ, và quá trình này điều khiển được. 9. Chọn rơle, công tắc tơ. Điện áp đưa vào OAu và OA5 là 8V (điện áp do phát tốc phát ra khi động cơ đồng bộ có khả năng vào đồng bộ) Có: +E = 12V. -E = -12V. Chọn VR3 = VR4 = 470 với p = 0,125W. Vậy điện áp ngưỡng để khi động cơ có khả năng vào đồng bộ. U(-0A4) = 8V, U(+0A5) = -7,5 là điện áp ngưỡng để cấp quá kích từ đồng bộ. Vậy VR3 = VR4 = Chọn điện áp tương đương của RL1, RL2 là 12V, điện trở là 240 Như vậy dòng qua cuộn hút của role là = 0,05 A Vậy Tr5, Tr6 là tranzito loại SM 3181 có Ic = 5A, P = 1W, U = 15, = 100. Do đó dòng bazơ của 2 tranzito là i = 10. Tạo nguồn nuôi Dùng mạch chỉnh lưu 3 pha dùng diot . Ta cần tạo ra nguồn điện áp 12 (V) để cấp cho biến áp xung, nuôi IC , các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ. Coi sụt áp trên 7812, 7912 là 3 V. Khi đó điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi là: =7,9 V. Vậy ta chọn U2 = 8 V Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7812 và 7912, các thông số chung của vi mạch này: Điện áp đầu vào : UV = 735 (V). Điện áp đầu ra : Ura= 12(V) với IC 7812. Ura= -12(V) với IC 7912 Dòng điện đầu ra :Ira = 01 (A). Tụ điện C4, C5 dùng để lọc thành phần sóng dài bậc cao. Chọn C4= C5 =C6 =C7 = 470 (F) ; U= 35 V 11. Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha: + Ta thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi, chọn kiểu máy biến áp 3 pha 3 trụ, trên mỗi trụ có 3 cuộn dây, một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp. + Điện áp lấy ra ở thứ cấp máy biến áp làm điện áp đồng pha lấy ra thứ cấp làm nguồn nuôi: U2= U2dph= UN = 9 (V). §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 23 + Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha: I2dph= 1( m A) + Công suất nguồn nuôi cấp cho biến áp xung: Pdph = 6. U2dph . I2dph = 6.9.1.10-3 = 0,054 (w) . + Công suất tiêu thụ ở 5 IC TL 084 sử dụng làm khuếch thuật toán ta chọn một IC TL 084 có công suất là 0,68W để tạo 1 cổng AND. P6IC = 6. PIC = 6 . 0,68 = 4,08 (w) + Công suất biến áp xung cấp cho cực điều khiển Tiristo. Px = 6. Udk . Idk = 6. 3. 0,3 = 5,4 (W) + Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi. PN = Pdph +P6IC +Px PN = 0,054 +4,08+ 5,4 = 9,534 ( W) . + Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy: S= 1,05 . (Pdph + PN ) = 1,05. ( 0,054+ 9,534) = 10,0674 ( VA). + Dòng điện thứ cấp máy biến áp: I2 = (A) + Dòng điện sơ cấp máy biến áp : I1 = (A) + Tiết diện trụ của máy biến áp được tính theo công thức kinh nghiệm : Qt= kQ. = 6. (cm2) Trong đó: kQ= 6- hệ số phụ thuộc phương thức làm mát. m= 3- số trụ của biến áp . f = 50- tần số điện áp lưới. chuẩn hóa tiết diện trụ: Qt= 1,63 (cm2). kích thước mạch từ lá thép dày = 0,5 (mm) Số lượng lá thép : 68 lá a=12mm b=16mm h=30mm hệ số ép chặt kc= 0,85 . + Chọn mật độ từ cảm B =1T ở trong tụ ta có số vòng dây sơ cấp : w1 = = ( vòng) + Chọn mật độ dòng điện J1= J2= 2,75 (A/mm2) Tiết diện dây quấn sơ cấp: S1= = = 0,018 (mm2) Đường kính dây quấn sơ cấp : d1= = 0,15 (mm) Chọn d1= 0,18 mm để đảm bảo độ bền cơ. Đường kính có kể cách điện: dlcd = 0,12 (mm). + Số vòng dây quấn thứ cấp : W2= (vòng) Ta chọn W2 = 249 vòng + Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2= (mm2) + Đường kính dây quấn thứ cấp : d2= (mm) Chuẩn hoá đường kính : d2 = 0,3 (mm) Đường kính có kể đến cách điện : d2cd = 0,35 (mm) §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 24 + Có kld= c = Thay số (chọn hệ số lấp đầy kld =0,7) thì cửa sổ có chiều rộng là: c = (mm) Chọn c = 12 mm + Tính chọn điôt cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi: Dòng điện hiệu dụng qua điôt: IĐhd = = (A) Điện áp ngược lớn nhất mà điôt phải chịu: UNmax= . U2 = 22 (v) Chọn điôt có dòng định mức: Idm Ki . IĐhd =10 . 0,1315 = 1,315 (A) Chọn điôt có điện áp ngược lớn nhất: Un = ku . UNmax = 2.22 = 44 (V) Chọn điôt loại KII208A có các thông số: Dòng điện định mức: Idm = 1,5 (A) Điện áp ngược cực đại của điôt: UN = 100 (V). 12. Mạch hạn chế. Mạch hạn chế trong điều khiển truyền động điện thường được bố trí để hạn chế lượng đặt dòng điện hoặc mômen và hạn chế tín hiệu điều khiển. Mạch hạn chế đơn giản như sau: Do vậy ta có đặc tính của mạch hạn chế. Giá trị điện áp được chỉnh định bởi chiết áp P1 và P2. 13. Khâu tích phân Điện áp đưa vào đầu OA1 chọn là 8V. Điện áp đặt là 12V: chọn R9 = 10 V, có công suất là P = 0,125W. Vậy sụt áp trên R9 là UR9 = Chọn VR1 = 1K có công suất là 0,125W, điện áp đầu ra là UVR1 = 10 Vậy ta có: . VR1 = (). Chọn R11 = R13 = 400 . Điện áp đầu vào âm OA2 là UOA2ơ = 10 – 8 =2 V. (do điện áp máy phát tốc ra là 8V) Kl = R2 = 0,25. R11 = 400. 0,25 = 100 (). Chọn tụ C3 = 0,68 F.Lúc đó hằng số tích phân của bộ điều chỉnh là Tr: Tơr = C2.R12 = 0,68.10-6.100 = 0,068 ms. §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 25 Kết luận Hiện nay, việc ứng dụng các thành tựu khoa học tiến vào thực tế các ngành sản xuất ở nước ta không còn là điều mới mẻ,song việc ứng dụng như thế nào và ứng dụng vào đầu lại là một vấn đề lớn cần giải quyết. Chính vì thế việc nghiên cứu và triển khai các thành tựu khoa học kỹ thuật đặc biệt là hệ thống điều khiển tự động hóa vào thực tế mang một ý nghĩa rất lớn. Qua quá trình tìm hiểu nghiên cứu em đ• có được những kiến thức cơ bản về mạch tự động cấp kích từ cho động cơ đồng bộ. Mạch đảm bảo cho quá trình khởi động động cơ theo chế độ khởi động không đồng bộ. Trong quá trình làm việc phải cho phép chế độ quá kích thích trong một khoảng thời gian và điều chỉnh được. Do điều khiện khách quan cũng như lượng kiến thức của bản thân còn hạn chế nên em rất mong nhận được sử chỉ bảo của các thầy cô giáo. Một lần nữa em xin chần thành cảm ơn thầy giáo Phạm Quốc Hải cùng các thầy cô giáo trong bộ môn đ• nhiệt tình hướng dẫn, động viên và tạo điều kiện để em hoàn thành bản đồ án này. Hà nội, tháng 6 – 2004 Sinh Viên Vũ Thị Bích §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt Sinh Viªn: Vò ThÞ BÝch- T§H2-K46 26 Tài liệu tham khảo 1. Hướng dẫn thiết kế mạch điển tử công suất – Phạm Quốc Hải. 2. Hướng dẫn thiết kế mạch điển tử công suất – Trần Văn Thịnh. 3. Điển tử công suất – Nguyễn Bính 4. Điển tử công suất và điều khiển động cơ điện – Cyrlw.lander biên dịch Lê Văn Danh. 5. Máy điện 2 – biên dịch Vũ Gia Hanh – Phan Tử Thụ. 6. Điều chỉnh tự động truyền động điện Nguyễn Văn Liễn – Bùi Quốc Khánh – Phạm Quốc Hải – Dương Văn Nghi.