mientayvn.commientayvn.com/dien tu/tai_lieu/dien_dan/dieu_khien... · khi đọc qua tài liệu...

Khi đọc qua tài liệu này, nếu phát hiện sai sót hoặc nội dung kém chất lượng

xin hãy thông báo để chúng tôi sửa chữa hoặc thay thế bằng một tài liệu

cùng chủ đề của tác giả khác.

Bạn có thể tham khảo nguồn tài liệu được dịch từ tiếng Anh tại đây:

http://mientayvn.com/Tai_lieu_da_dich.html

Thông tin liên hệ:

Yahoo mail: [email protected]

Gmail: [email protected]

http://mientayvn.com/Tai_lieu_da_dich.html

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ

ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.1. khái quát chung: Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục trọng một phạm vi rộng và trong nhiều trường hợp cần có đặc tính cơ đặc biệt, thiết bị đơn giản hơn và rẻ tiền hơn các thiết bị điều khiển của động cơ ba pha.Vì một số ưu điểm như vậy cho nên động cơ điện một chiều được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp, trong giao thông vận tải…. 2.1. Phương trình đặc tính cơ: Để điều khiển được tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì ta phải phân tích, tìm các mối quan hệ giữa tốc độ với các thông số khác của động cơ để từ đó đưa ra phương pháp điều khiển. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì dòng kích từ độc lập với dòng phần ứng. Vì được nuôi bởi hai nguồn một chiều độc lập với nhau.

E u

I u

U u

R f

I kt

U kt

R kt

C kt

Hình 1. Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập Theo hình 1 ta viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng Uư =Eư + ( Rư + Rf)Iư (1) Trong đó: Uư : Điện áp đặt lên phần ứng động cơ (V). Eư : Sức điện động phần ứng (V) Rư : Điện trở của mạch phần ứng ( Ω ) Rf : Điện trở phụ trong mạch phần ứng ( Ω ) Iư : Dòng điện mạch phần ứng ( Α ) Với Rư = rư + rcf +rb + rct Trong đó : rư điện trở cuộn dây phần ứng ( Ω ) rcf : Điện trở cuộn cực từ phụ ( Ω ) rb : Điện trở cuộn bù ( Ω ) rct : Điện trở tiép xúc chổi điện ( Ω ) • Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thưc sau



Eư = aPNπ2

φω = κφω (2)

trong đó : p : Số đôi cực từ chính N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a : Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng φ : Từ thông kích từ dưới mỗi cực từ (wb) ω : Tốc độ góc (rad/s)

k = a

PNπ2

: Hệ số cấu tạo của động cơ

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/ phút) thì Eư = ek φ n ( 3)

ω =

602 nπ =

55,9n

vì vậy Eư = aPN60

nφ

với ke = aPN60

: Hệ số sức điện động của động cơ

ke = 55,9k ≈ 0,105 k

Thay (1) vào (2) và biến đổi ta được

ω = uUKφ

-( )

+u f

KR R

φIư(4)

Biểu thức (4) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.Mặt khác, mômen điện từ Mđt = uk Iφ (5) Nếu bỏ qua tổn thất trong các ổ trục, tổn thất tự quạt mát và tổn thất trong thép thì mômen cơ trên trục của động cơ bằng mômen điện từ, ta ký hiệu là M, tức là Mđt = Mcơ =M Vậy phương trình đặc tính cơ của động cơ là

ω = u

kU

φ- 2)( φk

RR fu +M (6)

Biểu thức (6) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Nếu không xét đến ảnh hưởng của phản ứng phần ứng ngang trục làm giảm từ thông φ của động cơ tức là xem φ=const thì quan hệ ω=f(M,I) là tuyến tính.



ω 0

ω dm

ωΔ

IM dmdm, IM nmnm ,

IM ,0

ω

Hình 2 đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Từ đồ thị ta có : khi Iư = 0 hoặc M =0 ta có ω =

φkU =ω0 (7)

ω0 : được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ , khi ω=ω0 ta có Iư =

RR fu

U+

=Inm (8)

Và M =kφ Inm =Mnm (9) Inm, Mnm : được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch. Mặt khác phương thình đặc tính (4) và (6) cũng có thể viết dưới dạng

ω = φk

U u -φkR Iư =ω0 - ωΔ (10)

ω =φK

U u -)( 2φk

R M = ω0 - ωΔ (11)

vì Iư = φKM ta suy ra từ (5)

trong đó R = Rư + Rf , ω0 = φKU u

Δω=φK

R Iư =)( 2φk

R M (12)



Δω : được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M (hay I) , ta có thể biểu diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vị tương đối với điều kiện từ thông là định mức (φ =φ dm

)

Trong đó ω*=0

ωω

, I* =dm

II

,M∗ =dm

MM

, R* =Rcb

R

( Rcb =Uđm/ Iđm được gọi là điện trở cơ bản ) Từ (4) và (6) ta viết đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vị tương đối

ω*=1- R*I* (13) ω∗ = 1- R*M∗ (14)

• Độ cứng của đặc tính cơ :

β=ωd

dM =R

k nm∑

)2( φ

(15)

• Công suất (năng lượng điện) Từ phương trình lý tưởng : IU =(Eư +IRư)I (16) Ta có Pđiện =Pđt + ΔΡ Trong đó Pđt =IEư công suất điện từ

Δ P =I2Rư tổn hao công suất cơ trên điện trở phần ứng Thực tế Pđiện =Pđt + ΔPư + ΔP0 (17) Với ΔP0 tổn hao ma sát do sự quay Từ biểu thức (4) hoặc (6) ta thấy ω là một hàm phụ thuộc R, φ , U : ⟨ω=f(R,Φ,U)® do đó để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba phương pháp điều khiển sau :

- Điều khiển điện trở phụ phần ứng - Điều khiển từ thông kích từ - Điều khiển điện áp phần ứng

Sau đây ta xem xét từng phương pháp điều khiển một 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 2.1 Phương pháp điều khiển bằng điện trở phụ phần ứng (Rf): •Nguyên lý điều chỉnh: Nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng Ta đã phân tích ở trên nên ta có ω= f⟨ Rf , φkt , U ®, giả thiết rằng : Nếu giữ φ=φđm=const ; U= Uđm = const; Rư =const thì ω=f(Rf) Muốn thay đổi được giá trị Rf của mạch phần ứng bằng cách nối tiếp một điện trở phụ (Rf) thay đổi được giá trị vào mạch phần ứng. Lúc này ta có : R = Rư + Rf



Từ phương trình đặc tính cơ : ω=φ dm

dm

KU -

)( 2φKRRdm

fu +M

Từ phương trình trên ta thấy : khi tăng giá trị của Rf thì tốc độ của động cơ giảm, khi giảm giá trị của Rf thì tốc độ của động cơ tăng .

Lúc này ta có tốc độ không tải lý tưởng: ω0 = φ dm

dm

KU = const (18)

Còn độ cứng của đặc tính cơ : β = RR

Kfu

dm+

)2( φ

= var (19)

Như vậy khi thay đổi Rf cho ta một họ đặc tính như sau:

ω0

ω

Mdm M dm2

0=Rf

Rf 1

Rf 2

Rf 30 M

Hình 1-3 : Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ở những điện trở phụ khác nhau • Nhận xét: Nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời Inm và Mnm cũng giảm. Phương pháp này được dùng để hạn chế dòng điện động cơ khi khởi động. - Ưu điểm : Đơn giản , dễ thực hiện - Nhược điểm : + Độ cứng đặc tính cơ thấp + Tổn thất năng lượng trên điện trở lớn + Phạm vi điều chỉnh hẹp 2.2. Phương pháp điều chỉnh bằng từ thông kích từ: • Nguyên lý điều chỉnh: Điều chỉnh từ thông kích từ của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mô men điện từ của động cơ M = kφIư và sức điện động quay của động cơ Eư=kφω



Ikt

UktEU

I

Ckt

Hình 1-4 :Sơ đồ nối dây điều chỉnh kích từ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Từ biểu thức (4) và (6) ta thấy ω= f(U, φkt , Rf ), nếu giữ U=Uđm=const và điện trở phần ứng Rư = const (Rf =0 ) lúc này ω= f(φkt). Để thay đổi được tốc độ ω ta cần thay đổi φkt , mà từ thông kích từ do dòng kích từ sinh ra. Vậy để điều chỉnh φkt ta mắc thêm biến trở Rv vào mạch kích từ, khi điều chỉnh φkt ta phải tuân theo điều kiện sau. Không thể tăng dòng kích từ Ikt lớn hơn dòng định mức của cuộn dây kích từ vì nó phá hỏng cuộn kích từ và khi φkt = φđm đã bảo hồ rồi, nếu muốn tăng Ikt thì φkt cũng không tăng đáng kể nên ta điều chỉnh bằng cách giảm φkt . • Trong trường hợp này ta có:

- Tốc độ không tải lý tưởng

ω0 = φ x

dm

KU = var

- Độ cứng của đặc tính cơ

β =Ru

XK

2)( φ

= var

Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi từ thông giảm thì ωx tăng, còn β sẽ giảm. Ta có đồ thị đặc tính cơ với ωx tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông.



ω

I

ω

ω 0

ω 1

ω 2

φ dm

φ 1

φ 2

ΙnmΙdm

0

ω 2

ω 1

ω 0

φ 2

φ 1

φ dm

0Μ dm Μ 2nm Μ 1nm Μ nm

Μ

Hình 1-5 : Đặc tính cơ và cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông. Từ đồ thị ta nhận thấy khi từ thông thay đổi vơi φđm > φ1 >φ2 ta có:

- Dòng điện ngắn mạch : Inm =R

Uu

dm =const

- Mô men ngắn mạch : Mnm =kφxInm =var (Mnm > Mnm1 >Mnm2) Từ đồ thị đặc tính ta thấy ω0 <ω1 <ω2 . Vậy phương pháp điều chỉnh từ thông là phương pháp điều chỉnh trên tốc độ cơ bản. • Các chỉ tiêu chất lượng khi giảm từ thông φkt

- Tốc độ không tải lý tưởng ωx = φ x

dm

KU tăng

- Độ cứng đặc tính cơ β =Ru

xK

2)( φ giảm

- Dải điều chỉnh không rộng D = max

min

ωω

= 1:2

+ Tốc độ nhỏ nhất bị chặn bởi đặc tính tự nhiên (φ=φđm) + Tốc độ lớn nhất ωmax bị giới hạn bởi độ bền cơ khí và điều kiện chuyển mạch của động cơ - Ưu điểm : Công suất mạch điều chỉnh nhỏ, tổn thâùt năng lượng nhỏ - Cũng có thể sản xuất những động cơ giới hạn điều chỉnh 1:5 thậm chí đến 1:8 nhưng phải dùng những phương pháp khống chế đặc biệt, do đó cấu tạo và cộng nghệ chế tạo phức tạp khiến cho giá thành của máy tăng lên. 2.3. Phương pháp điều khiển động cơ điện mợt chiều kích từ độc lập bằng thay đổi điện áp phần ứng:



Từ phương trình đặc tính cơ (6) ω =φK

U u - )( 2φkRR fu +

M

Giả thiết φ = φđm =const; Rư =const,(Rf =0), M = const. Lúc này ω = f(Uư)

Khi thay đổi điện áp phần ứng ta có:

- Tốc độ không tải lý tưởng ω0 = φKU u = var

- Độ cứng của đặc tính cơ β = Rk

u

)( 2φ = const

Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng cho ta một họ các đặc tính sau. ωω 0

ω 1

ω 2

ω 3

ω i

0 IM ,IM dmdm ,

TNU dm

U 1

U 2

U 3

U i

Với Uđm >U1>U2>U3>……….>Ui

Hình 1-6 : Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi điện áp phần ứng thay đổi Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính tự nhiên. • Nhận xét :

- Ưu điểm : + không gây ồn + không gây tổn hao phụ trong động cơ

+ dải điều chỉnh rộng D ≈10 : 1 +độ cứng đặc tính cơ không đổi trong tồn dải điều chỉnh

+ dễ tự động hố - Nhược điểm : + phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn có thể thay

đổi trơn điện áp ra



+ điều khiển phức tạp • Kết luận : Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật như hiện nay thì phương pháp này càng được sử dụng phổ biến trong sản xuất cũng như trong các lĩnh vực khác. 2.4. Nuyên lý điều chỉnh: • Đặc tính điều chỉnh : Để điều chỉnh điện áp phần ứng, ta phải sử dụng một bộ biến đổi, điều chỉnh được điện áp đầu ra cấp cho mach phần ứng của động cơ.

U

U dk

C ktvar=U ra

+

−

BBÑ∼ E

Hình 1-7 : Sơ đồ ngyên lý điều chỉnh động cơ Bộ biến đổi dùng để biến đổi điện áp xoay chiều của lưới điện thành một chiều và điều chỉnh được giá trị điện áp đầu ra theo yêu cầu. Điện trở trong của bộ biến đổi Rbđ phụ thuộc vào loại thiết bị, vì thông thường công suất của bộ bến đổi và động cơ xấp xỉ bằng nhau nên Rbđ cũng có giá trị đáng kể so với Rư của động cơ. Từ sơ đồ nguyên lý ta có sơ đồ thay thế

EbdEu

Rbd Rud

U

Hình 1-8 : Sơ đồ thay thế nguyên lý điều chỉnh động cơ Từ sơ đồ thay thế ta có phương trình cân bằng điện áp. Eư = Ubđ – (Rbđ + Rư )Iư (20) Sức điện động của động cơ Eư = kφđmω (21) Từ biểu thức (20) và (21) ta có kφđmω = Ubđ – ( Rbđ + Rư )Iư (22)



Từ phương trình (22) ta có phương trình đặc tính cơ điện.

ω = φ dm

bd

KU -

φ dm

ubd

KRR +

Iư (23)

Phương trình đặc tính cơ

ω = φ dm

bd

KU -

)( 2φ dmKRR ubd +

M (24)

Với M =kφđmIư Trong đó φđm là từ thông định mức của động cơ, φđm = const. Tốc độ không tải lý tưởng

ω0 = φ dm

bdU

Độ cứng của đặc tính cơ

β = RR

kubd

dm+

)( 2φ

Ta thấy tốc độ không tải lý tưởng không phụ thuộc vào M, I mà phụ thuộc vào Ubđ . Ubđ = kaUđk Trong đó : ka là hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi Uđk là điện áp điều khiển

Từ đó suy ra : ω0 = φ dm

dka

KUk = f(Uđk)

Từ phương trình (23) và (24) ta có đồ thị đặc tính được biểu diễn như sau.

ω

U dk 2

U dk 1

U dk 3

U dk 4

ω 01

ω 02

ω 03

ω 04

0 M,I

ÑTTN

Hình 1-9 : Đồ thị đặc tính cơ điện khi Ubđ thay đổi



Từ đồ thị ta thấy, khi Ubđ thay đổi thì ta có những tốc độ không tải lý tưởng khác nhau, còn độ cứng đặc tính cơ không đổi và đặc tính điều chỉnh dốc hơn đặc tính tự nhiên. • Nhận xét :

- Điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào, kể cả không tải lý tưởng , đặc tính cơ điều chỉnh tuy mềm hơn đặc tính tự nhiên nhưng cứng hơn phương pháp dùng biến trở và thay đổi φkt

- Tốc độ lớn nhất ωmax = ω0 - βM dm

- Điều khiển phước tạp, vốn đầu tư lớn nhưng nó là phương pháp tốt hơn so với hai phương pháp trên

• Kết luận : Sau khi phân tích ba phương pháp điều khiển nêu trên thì phương pháp điều khiển bằng thay đổi điện áp phần ứng là tốt hơn cả . Cho nên em chọn phương pháp làm phương pháp nguyên cứu cho đề tài của em. 3. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP BẰNG THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP PHẦN ỨNG . - Hiện nay trong công nghiệp người ta thường sư dụng ba loại bộ biến đổi sau:

+ Bộ biến đổi máy phát điện một chiều + Bộ biến đổi xung áp một chiều + Bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển

- Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi đó ta có các hệ truyền động sau: + Hệ máy phát – động cơ ( F – Đ ) + Hệ điều chỉnh xung áp – động cơ ( XA – Đ )

+ Hệ chỉnh lưu Tiristo – động cơ ( T – Đ ) 3.1. Hệ thống máy phát - động cơ ( F – Đ ): - Sơ đồ nguyên lý:

KT F KT DRF

ÑCSC

U∼

F

- -

Ñ

+ +

Hình 1-10 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống F – Đ Giả thiết ωf = const, sức điện động của máy phát Ef = f( Iktf ) theo qui luật đường cong từ hố, nếu coi máy phát không bão hồ thì đường đó thẳng nên. Ef = kfφfωf = kfφfαIktf (25)



Trong đó : kf = a

PNπ2

: Hệ số cấu trúc của máy phát

φf : Từ thông kích từ máy phát

α = I ktf

f

Δ

Δφ : Hệ số góc của đường đặc tính từ hố ( xem là đường thẳng)

Iktf : Dòng kích từ của máy phát Nếu dây quấn kích từ của máy phát được cấp bởi nguồn áp lý tưởng Ukf thì :

Ikf = r

Ukf

kf

Như vậy sức điện động lúc này tỷ lệ với điện áp kích thích bởi hệ số hằng số là kf . Lúc này có thể coi gần đúng máy phát điện một chiều kích từ độc lập là một bộ khuyếch đại tuyến tính. Ef = kfUkf

- Phương trình đặc tính cơ điện:

ω = φ dd

f

kk Ukf - φk

R Iư (26)

- Phương trình đặc tính cơ:

ω = φ dd

f

kk Ukf -

)( 2φ dd

R

kM (27)

Với R = Rưf + Rưđ Trong đó Rưf : Điện trở phần ứng của máy phát Rưđ : Điện trở phần ứng của động cơ

- Tốc độ không tải lý tưởng :

ω0 = φ dd

kff

kUk = var = f(Uđk)

- Độ cứng đặc tính cơ:

β = RR

kuduf

d d+

)( 2φ = const

Những biểu thức trên chứng toả rằng khi thay đổi dòng điện kích từ của máy thì điều chỉnh được tốc độ không tải của hệ thống, còn độ cứng của đặc tính cơ thì giữ nguyên, do đó đặc tính cơ điều chỉnh là một họ các đường thẳng song song nhau



ω

ω< 0

KF®mω

ω

ω §TTN

Hình 1-11 : Đồ thị đặc tính cơ của hệ F – Đ ứng với Ukf thay đổi Thông thường Rưf ≈ Rưđ nên β =

21 βtn

- Nếu cho máy phát kích từ thuận Ukt>0 thì đặc tính ở nửa trục ω>0 - Nếu cho máy phát kích từ nghịch Ukf <0 (đảo kích từ) thì Ef <0 thì đặc tính ở

phía trục ω <0 - Mỗi đặc tính cho ta một tốc độ làm việc - Trường hợp Ukf =0 thì Ef =0 động cơ làm việc ở chế độ hãm động năng. - Hãm tái sinh khi giảm tốc độ hoặc khi đảo chiều dòng kích từ, hãm ngược ở

cuối giai đoạn hãm tái sinh khi đảo chiều hoặc khi làm việc ổn định với mô men tải có tính chất thế năng

• Nhận xét : - Ưu điểm : Hệ truyền động F – Đ có sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh

hoạt, khả năng quá tải lớn, chi phí điều khiển nhỏ và điều khiển dễ dàng, cho phép động cơ làm việc được ở cả 4 góc phần tư của mặt phẳng đặc tính cơ.

- Nhược điểm : Hệ F – Đ dùng nhiều máy điện quay, gây ồn , công suất lắp đặt máy ít nhất gấp ba lần công suất của động cơ chấp hành , với đề tài của em cho công suất động cơ là 6 kw thì công suất lắp đặ ≥18 kw. Khó điều chỉnh tốc độ sâu vì máy phát một chiều có từ dư và dặc tính từ hố có từ trễ . Mặt khác hệ thống cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích đặt ( không kinh tế), hiệu

suất của hệ thống thấp η=PP

vao

ra = codc

dckdbdc mf PP

P P+ += 0,3 . Vốn đầu tư ban đầu

cao 3.2. Hệ truyền động điều chỉnh xung áp – động cơ: Bộ biến đổi xung áp là bộ nguồn điện áp dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, phần chủ yếu của nó là bộ nguồn áp và bộ khố điều khiển. Sơ đồ nguyên lý và điện áp :



D0

t1 t2 t3 t4 t5

Ud

U

t1 t2

E

-

+ k I

KT

T

0-t

+

Hình 1-12 : Sơ đồ nguyên lý và điện áp của hệ xung áp – động cơ Để cải thiện dòng điện phần ứng, người ta mắc thêm van đệm D0 . Giả thiết van đệm D0 là van lý tưởng, nghĩa là van có sụt áp thuận ΔU =0 và dòng điện ngược Ing =0 , khố k có thể là Tiristor hoặc Transistor. Đối với động cơ công suất lớn thì phải dùng Tiristor. Khi đóng, cắt khố k trên phần ứng động cơ sẽ có điện áp biến đổi theo dạng xung vuông. Khi ở trạng thái dòng liên tục, giá trị trung bình của điện áp đặt lên phần ứng của động cơ là :

Ud =Τ1

∫t

Udt1

0

=Τt1 U =γU

Trong đó: t1 là thời gian khố k đóng

γ =Τt1 là độ rộng của xung áp

Như vậy, có thể coi bộ biến đổi xung đẳng trị với nguồn liên tục, có điện áp ra Ud = var bằng cách thay đổi độ rộng của xung áp γ. Vì thời gian một chu kỳ đóng cắt khố k rất nhỏ so vơi hằng số thời gian cơ học của hệ truyền động nên ta có thể coi tốc độ và sức điện động phần ứng động cơ là không đổi trong khoảng thời gian T • Đặc tính của hệ điều chỉnh xung áp – động cơ.

- Đặc tính cơ điện :

ω = φ

γ

dmK

U - φ dm

bdu

KRR +

I

- Đặc tính cơ :

ω = φ

γ

dmK

U - )( 2φK

RRdm

bdu +M



Khi thay đổi độ rộng xung γ ta được họ đường thẳng song song với tốc độ không tải

lý tưởng ω0i = φγ

dmK

U = var và độ cứng β =RR bdu

dmK

+

)2( φ

= const, đồ thị đặc tính cơ gồm

hai đoạn thẳng ứng với hai chế độ dòng điện liên tục và dòng điện gián đoạn.

ω 0

ω 01

ω 02

ω 03

ω 04

γ 1

γ 2

γ 3

γ 4

0

ω

γ=0

M,(I)

γ=1

Bieân lieân tuïc

Hình 1-13: Đồ thị đặc tính cơ của hệ xung áp – động cơ. Vậy đặc tính sẽ không còn đúng khi dòng điện đủ nhỏ, hệ sẽ chuyển từ trạng thái dòng liên tục sang trạng thái dòng gián đoạn . • Nhận xét: - Ưu điểm: + Bộ nguồn điều áp xung thường cần ít van điều khiển nên vốn đầu tư nhỏ, hệ đơn giản, chắc chắn , dễ điều khiển

+ Độ cứng đặc tính cơ lớn + Khi thay khố k bằng van có điều khiển thì có thể thiết lập hệ tự động vòng kín - Nhược điểm : Vì điện áp dạng xung gây tổn thất phụ khá lớn trong động cơ do thành phần xoay chiều của dòng điện, nằm trong dải công suất nhỏ. 3.2. Hệ biến đổi van Tiristor – Động cơ (T – Đ):



• Sơ đồ nguyên lý :

U=varU∼

-

+

-

+

Ñ K

K TÑ

Hình 1-14 : Sơ đồ nguyên lý của hệ T – Đ Bộ biến đổi van Tiristor là một loại nguồn điện áp một chiều, nó trực tiếp biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều. Việc điều chỉnh điện áp đầu ra của bộ biến đổi, được thực hiện bằng cách điều chỉnh góc mở α của van. Điện áp chỉnh lưu Ud0 (điên áp không tải ở đầu ra) có dạng đập mạch với số lần đập mạch là n trong một chu kỳ 2π của điện áp sơ cấp của máy biến áp lực. Sơ đồ hình tia n=m với m là số pha Sơ đồ hình cầu n=2m Giả sử điện áp cấp cho bộ biến đổi van có dạng U2 = U2msinωt Ta đã biết sau một chu kỳ dòng điện và điện áp lặp lại nên ta chỉ cần xét cho một chu kỳ là đủ, coi điện trở van Rv =0 • Sơ đồ thay thế của mạch . Mợt bộ biến đổi van có thể bao gồm : Máy biến áp lực, tổ van , kháng lọc, thiết bị bảo vệ và hệ thống điều khiển. Sơ đồ thay thế có dạng sau

U 2

Iu

VAN

∼ E

RLΣ Σ



Hình 1-15: Sơ đồ thay thế chỉnh lưu Tiristor – Động cơ một chiều Khi van dẫn ta có phương trình U2 – E = IRΣ + LΣ dt

dI (28)

Với RΣ = Rba + Rư + Rkt LΣ = Lba + Lư + Lkt • Nhận xét :

- Ưu điểm : Hệ (T – Đ) tác động nhanh,tổn thất năng lượng ít, kích thước và trọng lượng nhỏ, không gây ồn và dễ tự động hóa do các van bán dẫn có hệ số khuyếch đại lớn, điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lương các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống

- Nhược điểm : Do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lưu ra có biên độ đập mạch cao, khả năng linh hoạt và chuyển trạng thái làm việc không cao, khả năng quá tải về dòng và áp của van kém, chất lượng điện áp ra không cao, gây tổn thất phụ và làm sấu điều kiện chuyển mạch trên cổ góp

- Khắc phục : Thiết kế truyền động van cố gắng làm hẹp vùng dòng gián đoạn bằng cách nối kháng lọc đủ lớn, tăng số lần đập mạch, nối van đệm

• Kết luận : Sau khi phân tích các hệ truyền động , ta nhận thấy sử dụng hệ điều chỉnh Tiristor – Động cơ là hợp lý nhất. Tuy hệ này có những nhược điểm nhất định, nhưng xét về ưu điểm thì hệ này có nhiều ưu điểm hơn, cho nên ta sẽ nghiên cứu về các bộ nguồn chỉnh lưu Tiristor. 4. GIỚI THIỆU VỀ CÁC BỘ NGUỒN CHỈNH LƯU VÀ ĐẢO CHIỀU QUAY TIRISTOR ĐẶC TRƯNG 4.1. Chỉnh lưu cầu một pha: • Sơ đồ mạch điện:



Ld

UT 1

Id

I TT 31;

I TT 42;

F

Rd

T3

BT2

T4

A

T1

1∼U

I

0

IE

0

0

t

t

t

I

α

02ππ

U

3πt

dU

Hình 1-16: Sơ đồ nguyên lý và dạng điện áp, dòng điện tải • Hoạt động của sơ đồ: Nửa chu kỳ đầu khi A(+), B(-) trên T có phân cực thuận, cấp xung điều khiển cho T1 và T3 ta có dòng điện chạy từ A →T1→E→Ld→Rd→F→T3 →B. Nửa chu kỳ sau, khi B(+), A(-) cấp xung điều khiển cho T2 và T4 có dòng chạy từ B→T2→E→Ld→Rd→F→T4→A. Vậy ta có dòng một chiều chạy qua tải.

- Điện áp trung bình trên tải : Ud =0,9 U2 2

cos1 α+

- Dòng điện chạy qua van :

Ivtb = 2I d

- Điện áp ngược của van : Unv = 2 U2

- Công suất máy biến áp : Sba = 1,23IdUd

• Nhận xét : các sơ đồ chỉnh lưu một pha cho ta điện áp với chất lượng chưa cao, biên độ đập mạch điện áp quá lớn, thành phần sóng hài bậc cao lớn điều này không đáp ứng được cho nhiều loại tải. Muốn có chất lượng điện áp tốt hơn chúng ta phải sử dụng các sơ đồ có số pha nhiều hơn 4.2. Chỉnh lưu tia ba pha: • Sơ đồ mạch điện :



T1 T 2 T3

E

dL

a b c

dR

F

BA C

t

A

3T

0

U

1TUA CU

A B

IA

I

0

0

TI3

B C

I

t

B C

t

A

α 1 2 3

0

0I

I

I

TI1

IT 2

U

0α

A

α

B

α

C

4 5 6

Id

t

t

αα

B

α

C

t

Hình 1-17: Sơ đồ động lực và dạng dòng, điện áp tải, dòng điện qua các van và điện áp van phải chịu • Hoạt động : Điện áp pha a, b, c dịch pha nhau một góc 1200

, theo các đường cong điện áp pha, chúng ta có điện của một pha nào dương hơn hai pha kia trong khoảng thời gian 1/3 chu kỳ thì van đó dẫn. Khi anode của một van nào đó dương hơn, ta cấp xung điều khiển cho van đó. Thời điểm hai điện áp của hai pha giao nhau được coi là góc thông tự nhiên của các van bán dẫn. Các Tiristor chỉ được mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm giao nhau của hai điện áp ( góc thông tư nhiên). Vậy ta sẽ nhận được điện áp tải lớn nhất khi các van mở ở góc thông tự nhiên.

- Trị số điện áp trung bình : Ud = 1,17 U2f cosα

Với U2f là điện áp pha thứ cấp máy biến áp - Điện áp ngược mà van phải chịu :

Unv = 6 U2f - Giá trị dòng điện hiệu dụng chay qua van :

Ivhd = 3

I d (với Id = RU d )

- Công suất máy biến áp : Sba = 1,35 Ud Id

• Nhận xét :



- So với chỉnh lưu cầu một pha, thì chỉnh lưu tia ba pha có chất lượng điện áp một chiều tốt hơn, biên độ điện áp đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao bé hơn, việc điều khiển các van bán dẫn trong trường hợp này cũng đơn giản hơn.

- Phía thứ cấp máy biến áp tồn tại dòng một chiều, nhờ có biến áp ba pha ba trụ mà từ thông lõi thép biến áp là từ thông xoay chiều không đối xứng làm cho công suất máy biến áp phải lớn.

- Phía thứ cấp máy biến áp phải đấu sao có trung tính (Y0) và dây trung tính phải có tiết diện lớn hơn dây pha . Vì dây trung tính chịu dòng điện tải

4.3. Chỉnh lưu cầu ba pha: • Sơ đồ mạch điện .

a b c TT 12

F56

dR Ld

T4

T

T3

T

A CB

0E

dU

t

Ud

20

θ1 θ

U

A

5θ3 θ θ4 6θ θ7

B C

θθ8 9

A B C

t

Hình 1-18: Sơ đồ động lực và đường cong điện áp tải khi góc mở α=300 • Hoạt động : Dòng điện chạy qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời điểm cần mở Tiristor, ta đồng thời cấp hai xung điều khiển ( một xung ở nhóm anode (+) theo sơ đồ là (T1 ,T3 ,T5 ) còn xung ở nhóm catode (-) theo sơ đồ là ( T2 ,T4 ,T6 )), thứ tự cấp xung điều khiển phải đúng thứ tự pha. Khi cấp đúng xung điều khiển dòng điện sẽ chạy từ pha có điện áp dương hơn về pha có điện áp âm hơn. Khi góc mở van nhỏ hoặc tải điện cảm lớn, trong mỗi khoảng dẫn của một van của nhóm này (Anode hay Catode ) thì sẽ có hai van của nhóm kia ( Catode hay Anode ) đổi chỗ cho nhau.

- Giá trị điện áp trung bình của chỉnh lưu:



Ud = 2,34 U2f cosα - Điện áp ngược đặt lên van :

Unv = 6 U2f với Uf =3

U d

- Giá trị hiệu dụng của dòng điện chạy qua mỗi van :

Ivhd = 3dI

- Công suất máy biến áp : Sba = 1,05 Ud Id

• Nhận xét : Chỉnh lưu cầu ba pha là sơ đồ có chất lượng điện áp tốt hơn, hiệu suất sử dụng máy biến áp cao hơn. Tuy nhiên đây cũng là sơ đồ phức tạp hơn. • Kết luận : Sau khi đã phân tích các dạng sơ đồ chỉnh lưu như trên. Với tải là động cơ điện một chiều kích từ độc lập công suất Pđm = 6 (kw) không đòi hỏi cao về chất lượng điện áp đặt vào động cơ. Cho nên để điều khiển dễ dàng và hiệu quả kinh tế cũng như chi phí cho thiết bị điều khiển hợp lý thì em chọn sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha cho đề tài nghiên cứu của em. 4.4. CHỈNH LƯU ĐẢO CHIỀU QUAY 4.4.1. Khái quát chung: Chiều quay của động cơ điện một chiều phụ thuộc vào chiều của mô men, để thay đổi chiều của mô men ta có thể dùng hai phương pháp sau.

- Đổi chiều quay bằng cách đổi chiều dòng điện trong phần ứng - Đổi chiều quay bằng cách đổi chiều từ thông, cụ thể là chiều dòng điện kích

từ. Đổi chiều quay của động cơ điện lúc đang quay về nguyên tắc cũng có thể thực hiện được bằng cả hai phương pháp trên, tuy nhiên trên thực tế chỉ được dùng phương pháp đổi chiều dòng điện phần ứng Iư , còn phương pháp đổi chiều quay động cơ bằng cách đổi chiều dòng kích từ không được sử dụng vì cuộn kích từ có nhiều vòng dây do đó hệ số tự cảm Lt rất lớn và việc thay đổi chiều dòng điện kích từ dẫn đến sự xuất hiện sức điện động tự cảm rất cao, gây quá điện áp đánh thủng cách điện của dây quấn kích thích . Ngồi ra, dùng phương pháp đảo chiều từ thông thì khi từ thông qua trị số không có thể làm tốc dộ tăng quá, không tốt. Ta có đặc tính cơ của động cơ khi đảo chiều quay :



0 M

ω

ω0ω

ω0ω-

Hình1-19 : Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi đảo chiều quay 4.4.2. Sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu đảo chiều quay: Các bộ chỉnh lưu đảo chiều quay là các bộ chỉnh lưu dùng cho các động cơ điện một chiều có đảo chiều quay vì hệ truyền động T – Đ đảo chiều có yêu cầu an tồn cao và có lôgíc điều khiển chặt chẽ. Như đã phân tích ở trên, trong thực tế đảo chiều quay của động cơ chỉ được dùng phương pháp đổi chiều dòng điện phần ứng bằng cách ghép hai bộ chỉnh lưu theo sơ đồ mắc song song ngược cực tính. Sơ đồ mạch điện :

cb2CK

T6

T5

T4a

A

1

CK cb1

T3

T2Ñ

b cT

CB

Hình 1-20 : Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu đảo chiều mắc song song ngươc



Vì sơ đồ có sử dụng hai bộ chỉnh lưu Tiristor có điều khiển nên để điều khiển hai bộ chỉnh lưu này, có thể dùng phương pháp điều khiển chung hoặc dùng phương pháp điều khiển riêng. Sau đây ta nghiên cứu từng phương pháp một. a. Phương pháp điều khiển riêng: • Nguyên lý : Trong phương pháp này, khi xung điều khiển được cấp cho bộ chỉnh lưu này thì bộ kia không được cấp xung điều khiển

- Ưu điểm : Làm việc an tồn, không có dòng điện cân bằng chạy qua các van. - Nhược điểm : Có thời gian trễ khi điều khiển bộ này sang bộ kia do đó dòng

điện động cơ bằng không, mạch điều khiển phức tạp hơn b. Phương pháp điều khiển chung: • Nguyên lý : Xung điều khiển được cấp đồng thời cho cả hai bộ chỉnh lưu nhưng phải đảm bảo một bộ làm việc ở chế độ chỉnh lưu, còn bộ kia làm việc ở chế độ nghịch lưu và điện áp chỉnh lưu trung bình của của hai bộ chỉnh lưu là như nhau. Do vậy, với các cuộn dây động cơ có tính chất cảm kháng lớn thì dòng điện tải là liên tục, ta có. U0 cosαI = -U0 cosαII Từ đó suy ra quy luật của góc điều khiển của phương pháp điều khiển chung là phải đảm bảo: cosαI = - cosαII hay αI + αII = 1800 = π • Nhận xét :

- Ưu điểm : Tác động nhanh, không cần thời gian trễ, mạch điều khiển đơn giản hơn.

- Nhược điểm : Có những khoảng thời gian ngắn, trong đó Tiristos của hai nhóm cùng thông dẫn đến ngắn mạch giữa hai pha tương ứng .

- Để hạn chế ảnh hưởng của dòng điện này ta phải dùng thêm cuộn kháng cân bằng CKcbI và CKcbII

• Kết luận : Sau khi đã phân tích hai phương pháp điều khiển trên, trong mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng. Vì vậy em chọn phương pháp điều khiển chung làm phương pháp cho đề tài nghiên cứu của em.



CHƯƠNG II THIẾT KẾ TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC I. Chọn mạch động lực: Sau khi đã phân tích và so sánh các mạch điều khiển cũng như các phương pháp điều khiển đã nói ở phần trước thì em chọn mạch động lực là chỉnh lưu tia ba pha mắc song song ngược cực tính và đảo chiều quay động cơ dùng phương pháp điều khiển chung làm sơ đồ nghiên cứu cho đề tài mà em thiết kế. Sơ đồ dược mô tả như sau:

cb2CK

T6

T5

T4a

A

1

CK cb1

T3

T2Ñ

b cT

CB

Hình 1-21: Sơ đồ nguyên lý điều khiển đảo chiều quay động cơ một

chiều kích từ độc lập II. Tính chọn các thông số cơ bản của mạch lực: 1. Tính chọn van động lực:

- Các van động lực được chọn dựa vào các yếu tố cơ bản là : Dòng tải, sơ đồ đã chọn, điều kiện toả nhiệt, điện áp làm việc.

- Các thông số cơ bản của van động lực được tính như sau: 1.1. Điện áp ngược của van được tính: + Điện áp ngược lớn nhất mà Tiristor phải chịu



Unmax = knvU2

Với U2 = KU

u

d

Suy ra : Unmax = knv KU

u

d

Trong đó : Ud là điện áp tải, U2 là điện áp nguồn xoay chiều Unmax là điện áp ngược lớn nhất mà Tiristor chịu được Knv hệ số điện áp ngược Ku hệ số điện áp tải

Knv , Ku tra bảng 1 ta được knv = 6 , ku = π263

Thay vào ta được :

Unmax = 63

2.220..6 π = 3220..2 π = 460,6 (v)

+ Điện áp ngược của van cần chọn là: Unv = kdt Unmax Trong đó : kdt = ( 1,6 ÷ 2) hệ số dự trữ điện áp , ta chọn kdt = 2 Vậy : Unv = kdt Unmax = 2.460,6 =921,2 (v) 1.2. Dòng điện làm việc của van được chọn theo dòng điện hiệu dụng:

Ilv = Ihd = khd Id Với Id = 32,6 (A) Còn khd là hệ số xác định dòng điện hiệu dụng ( tra bảng 2 ) ta được khd =

31 = 0,58

Vậy ta có : Ilv = khd Id = 0,58 . 32,6 = 18,256 (A) Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ diện tích toả nhiệt , không có quạt đối lưu không khí, với điều kiện đó dòng điện định mức của van cần chọn ( lúc này van cho phép làm việc tới 40%Iđm). Ở đây ta chọn Ilv= 25%Iđm ) ta có Iđm = ki Ilv Trong đó ki là hệ số dự trữ dòng điện chọn ki = 4 Ta được : Iđm = 4 Ilv = 4.18,256 = 73 (A) 1.3. Chọn Thyristor: Với các thông số Unv = 921,2 (V) Iđm = 73 (A) Theo bảng 5 ta chọn 6 Thyristor loại 36RAC100A do Mỹ sản xuất, có các thông số sau : -Điện áp ngược cực đại của van : Unv = 1000 (V)

- Dòng điện định mức của van : Iđm = 80 (A) - Đỉnh xung dòng điện : Ipik = 1000 (A)



- Dòng điện của xung điều khiển : Ig = 70 (mA) - Điện áp của xung điều khiển : Ug = 2,5 (V)

- Dòng điện tự giữ : Ih = 20 (mA) - Dòng điện rò : Ir = 2 (mA) - Sụt áp trên Thyristor lớn nhất ở trạng thái dẫn : ΔU = 2,3 ( V ) - Tốc độ biến thiên điện áp :

dtdu = 500 (V/μs )

- Thời gian chuyển mạch (mở và khố ) : tcm = 30 ( μs ) - Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép : Tmax = 125 ( 0c) III. Tính tốn máy biến áp động lực:

- Chọn máy biến áp ba pha ba trụ sơ đồ đấu dây Y/Y0 , làm mát bằng không khí tự nhiên

- Tính chọn các thông số cơ bản 1. Điện áp chỉnh lưu không tải:

Ud0 = Ud + ΔUv + ΔUba + ΔUdn Trong đó : ΔUv = 2,3 (V) là sụt áp trên Thyristor ΔUdn ≈ 0 (V) sụt áp trên dây nối ΔUba = ΔUr + ΔUx sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp . Chọn sơ bộ : ΔUba = 6%Ud = 0,06.220 = 13,2 (V) Thay vào ta được Ud0 = 220 + 2,3 + 13,2 + 0 = 235,5 (V) 2. Công suất tối đa của tải: Pdmax = Ud0 Id = 235,5.32,6 = 7677,3 (W) 3. Công suất biến áp nguồn cấp: Sba = ks Pdmax Trong đó : ks là hệ số công suất theo sơ đồ ks = 1,34 theo bảng 2 Pdmax là công suất cực đại của tải Thay vào ta được Sba = 1,34.7,677 = 10,3 ( KVA ) 4. Công suất tính tốn máy biến áp: Stt = kdt .Sba

Trong đó kdt = 1,1÷1,3 : hệ số dự trữ chọn kdt = 1,1 Vậy Stt = 1,1.10,3 = 11,33 (KVA) 5. Điện áp các cuộn dây:

- Điện áp pha sơ cấp máy biến áp : U1 = 220 (V )

- Điện áp pha thứ cấp máy biến áp : U2 = KU

u

d 0 = 235,5.23 6

π ≈ 201 (V)



6. Dòng điện các cuộn dây:

- Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp (tra bảng 2). Từ k2 = II

d

2 suy ra I2

= k2Id = 3

1 .32,6 = 18,9 (A) với k2 = 3

1

- Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp :

I1 = kba I2 = UU

1

2 I2 = 220201 .18,9 = 17,3 (A)

• Tính sơ bộ mạch từ. 7. Tiết diện trụ sắt:

Tfe = kfm

Sba

.

Trong đó : k : là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, k = 5 ÷ 6 chọn k=5,5 m : là số trụ của máy biến áp m =3 f : tần số nguồn xoay chiều f = 50 ( Hz )

Thay số vào ta được

Tfe = 5,5 50.3

10.33,11 3

= 47,8 (cm2 )

Ta chọn vật liệu làm mạch từ bằng tôn cán lạnh, mã hiệu 3405 có chiều dày một lá 0,35 (mm)

- Chọn sơ bộ : Mật độ tứ cảm trụ : BT = 1,2 ( T ) Tra bảng 5 , 10 chọn : Hệ số tăng cường kg = 1,05 Số bậc trụ là 5

Hệ số ép chặt kc = 0,915 Hệ số điền đầy kđ = 0,97 8. Hệ số lợi dụng lõi sắt: kld = kc kđ = 0,915.0,97 = 0,887 ≈ 0,89 9. Mật độ từ cảm trong gông:

Bg = kB

g

T = 05,12,1 = 1,14 (T)

10. Tiết diện đường tròn ngoại tiếp trụ:

Tn = KT

ld

fe = 89,0

8,47 = 53,7 (cm2)

11. Đường kính trụ:



dT = πT n.4

= 14,3

7,53.4 = 8,3 (cm)

Chuẩn hố đường kính trụ theo tiêu chuẩn : d = 8,5 (cm) 12. Đường kính trung bình giữa hai dây quấn sơ và thứ cấp: d12 = a.d Với a =1,8 theo công thức (2 – 41) trang 44 Vậy ta có : d12 = 1,8.8,5 = 15,3 (cm) 13. Chiều cao sơ bộ dây quấn:

l =β

π d12

Trong đó β là hệ số hình dáng tra bảng 17b dược β=2 Thay vào ta được : l =

23,15.π = 24,021 (cm)

• Tính tốn dây quấn : 14. Điện áp của một vòng dây: Uv = 4,44.f.BT.Tfe.10-4 = 4,44.50.1,2.47,8.10-4 = 1,273 (V) 15. Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp:

w1 = UU

v

1 = 273,1

220 = 173 (vòng)

16. Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp:

w2 = UU

1

2 .w1 = 220201 .173 = 158 (vòng)

17. 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) 18. Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp:

S1 = JI

1

1 = 75,23,17 = 6,3 (mm2)

Chọn dây dẫn tròn, mã hiệu πB bảng 20 trang 194 , cách điện cấp B, chuẩn hố tiết diện theo tiêu chuẩn S1 = 6,16 (mm2) . Tiết diện dây dẫn kể cả cách điện là S1 = 6,16 + 0,42 = 6,32 (mm2) 19. Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp:

J1 = SI

1

1 = 16,6

3,17 = 2,8 (A/mm2)

20. Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp:

S2 = JI

2

2 = 75,29,18 = 6,9 (mm2)



Chọn dây dẫn tròn, mã hiệu πB bảng 20 trang 194 , cách điện cấp B, chuẩn hố tiết diện theo tiêu chuẩn S2 = 7,07 (mm2) , kích thước dây dẫn kể cả cách điện S2 = 7,07 + 0,42 = 7,23 (mm2) 21. Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp:

J2 = SI

2

2 = 07,79,18 = 2,67 (A/mm2)

22. Đường kính dây kể cả cách điện: Cách điện hai phía 2δ = 0,4 (mm) - Đường kính dây quấn sơ cấp :

dn1 = d1 + 2δ = 2,8 + 0,4 =3,2 (mm) với d1 tra bảng 20 - Đường kính dây quấn thứ cấp :

dn2 = d2 + 2δ = 3 + 0,4 = 3,4 (mm) với d2 tra bảng 20 • Kết cấu dây quấn : Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục 23. Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp: w11 =

d n

l

1

kc

Trong đó : kc hệ số ép chặt kc = 0,915 dn1 đường kính ngồi kể cả cách điện của dây quấn sơ cấp l chiều cao sơ bộ dây quấn W11 =

32,0021,24 .0,915 = 68,68 ≈ 69 (vòng/lớp)

24. Tính sơ bộ số lớp ở cuộn sơ cấp:

n11 = ww

11

1 = 69

173 = 2,5 (lớp)

25. Chọn số lớp n11 = 3 lớp: Như vậy có 173 vòng chia thành 3 lớp , chọn 2 lớp đầu có 58 (vòng), lớp thứ 3 có 57 (vòng) 26. Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp:

h1 = kdwc

n111 = 915,0

32,0.58 = 20,3 (cm)

27. Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày: δ01 =0,1(cm) 28. Khoảng cách cách điện từ trụ đến cuộn sơ cấp: a01 = 0,4 (cm) 29. Đường kính trong của ống cách điện: Dt = dfe + 2a01 - 2δ01 = 8,5 + 2.0,4 – 2.0,1 = 9,1 (cm) 30. Đường kính trong của cuộn sơ cấp: Dt1 = Dt + 2δ01 = 9,1 + 2.0,1 = 9,3 (cm) 31. Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn sơ cấp: δ11 = 0,1 (mm) 32. Bề dày cuộn sơ cấp: Bd1 = ( dn1 + δ11)n11 = (0,32 + 0,01).3 = 0,99 (cm) 33. Đường kính ngồi của cuộn sơ cấp:



Dn1 = Dt1 + 2 Bd1 = 9,3 + 2.0,99 = 11,28 (cm) 34. Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp:

Dtb = 2

11 DD nt + =

228,113,9 + = 10,29 (cm)

35. Chiều dài dây quấn sơ cấp: l1 = w1.π.Dtb1 = π.173.10,29 = 5589,7 (cm) ≈ 55,89 (m) 36. Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp: a12 = 0,4 (cm) Ta quấn dây sơ cấp ở trong , thứ cấp ở ngồi • Kết cấu dây quấn thứ cấp : 37. Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp: h1 = h2 = 20,3 (cm) 38. Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp:

w12 = dh

n2

2 kc = 34,0

3,20 0,915 = 54,63 (vòng)

39. Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp:

n12 = ww

12

2 =55

158 = 2,87 (lớp)

40. Chọn số lớp dây quấn thứ cấp: n12 = 3 (lớp), chọn 2 lớp đầu mỗi lớp có 53 (vòng), lớp còn lại có 158 – 2.53 = 52 (vòng) 41. Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp:

h2 = kdwc

n212 = 915,0

34,0.53 = 19,7 (cm)

42. Đường kính trong của cuộn thứ cấp: Dt2 = Dn1 + 2a12 = 11,28 + 2.0,4 = 12,08 (cm) 43. Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp: δ12 = 0,1 (mm) 44. Bề dày cuộn thứ cấp: Bd2 = ( dn2 + δ12 )n12 = (0,34 +0,01).3 = 1,05 (cm) 45. Đường kính ngồi của cuộn thư cấp: Dn2 = Dt2 + 2 Bd2 = 12,08 + 2.1,05 = 14,18 (cm) 46. Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp:

Dtb2 = 2

22 DD nt + =

218,1408,12 + = 13,13 (cm)

47. Chiều dài dây quấn thứ cấp: l2 = π.w2.Dtb2 = π.158.13,13 = 6514 (cm) = 65,14 (m) 48. Đường kính trung bình các cuộn dây:

D12 = 2

21 DD nt + =

218,143,9 + = 11,74 (cm)



49. Chọn khoảng cách cách điện giữa hai cuộn thứ cấp là: a22 = 1 (cm), chọn khoảng cách cách điện từ cuộn dây đến gông là l0 = 1 (cm) 50. Trọng lượng đồng : Sơ cấp Gcu1 = 28.t.Dtb1.w1.Scu1.10-5 với t = 3 là số trụ Gcu1 = 28.3.10,29.173.6,32.10-5 = 9,45 (kg) Thứ cấp : Gcu2 = 28.t.Dtb2.w2.Scu2.10-5 = 28.3.13,13.158.7,23.10-5 = 12,6 (kg) • Tính kích thức mạch từ : 51. Với đường kính trụ d = 8,5 (cm): Ta chọn số bậc của trụ là 5 trong nửa tiết diện trụ.

5

2

1

3

4

1Bd

1w w2 0a 1a22

dB 2

l0

Hình 1 : Các bậc thang ghép thành trụ và kết cấu các cuộn dây 52. Tồn bộ tiết diện bậc thang của trụ: Theo bảng 41a ta có kích thước các tập lá thép .

Thứ tự tập Trụ (mm) 1 80 × 14 2 70 × 10 3 60 × 6 4 50 × 4 5 40 × 4

Tbt = 2 (8,0.1,4 + 7,0.1 + 6,0.0,6 + 5,0.0,4 + 4,0.0,4 ) = 50,8 (cm2 ) 53. Tiết diện hiệu quả của trụ: TT = kđ Tbt = 0,97.50,8 ≈ 49,3 (cm2 ) 54. Tổng chiều dày các bậc thang của trụ: bt = 2 ( 1,4 + 1 + 0,6 + 0,4 + 0,4 ) = 7,6 (cm) • Để đơn giản trong chế tạo gông từ, ta chọn gông có tiết diện hình chữ nhật có các kích thức sau.

- Chiều dày của gông bằng chiều dày của trụ : bg = bt = 7,6 (cm) - Chiều cao của gông bằng chiều rộng tập lá thép thứ nhất của trụ a=8(cm)

Tiết diện của gông : Tbg = a.b = 8.7,6 = 60,8 (cm2 ) 55. Tiết diện hiệu quả của gông:



Tg = kđ Tbg = 0,97.60,8 = 58,976 (cm2 ) 56. Số lá thép dùng cho một gông: ng =

35,0b =

35,080 = 229 (lá thép)

57. Tính lại mật độ từ cảm trong trụ:

BT = Tw

UTf ...44,4 1

1 = 10 4.3,49.173.50.44,4

220−

=1,16 (T)

58. Mật độ từ cảm trong gông:

Bg = BT TT

g

T = 1,16.

8,603,49 = 0,94 ( T)

59. Chiều rộng cửa sổ mạch từ: C = 2(a01+Bd1+a12+Bd2)+a22=2(0,4+0,99+0,4 +1,05)+1=6,68 (cm) 60. Tính khoảng cách giữa hai tâm trụ: C’ = C + d = 6,68 + 8,5 = 15,18 (cm) 61. Chiều rộng mạch từ: L = 2C + 3d = 2.6,68 + 3.8.5 = 38,86 (cm) 62. Chiều cao của trụ sắt: h = h1 + 2l0 = 20,3 + 2.1 = 22,3 (cm) 63. Chiều cao mạch từ: H = h + 2a = 22,3 + 2.8 = 38,3 (cm) Ta có sơ đồ kết cấu máy biến áp :

Hình 2 : Sơ đồ kết cấu máy biến áp • Tính khối lượng sắt : 64. Thể tích của trụ:



VT = 3 .TT .h = 3.49,3.22.3 = 3298,17 (cm3 ) ≈3,3 (dm3) 65. Thể tích của gông: Vg = 2.Tg. L = 2.60,8.38,86 = 4725,376 (cm3 ) ≈4,725 (dm3) 66. Khối lượng sắt của trụ: M = VT . mFe Với mFe : Trọng lượng riêng cửa sắt mFe = 7,85 (kg/dm3) Thay số vào ta được : MT = 3,3.7,85 = 25,9 (kg) 67. Khối lượng sắt của gông: Mg = Vg . mFe = 4,725.7,85 = 37,09 (kg) 68. Khối lượng sắt tồn mạch từ: MFe = MT + Mg = 25,9 + 37,09 = 63 (kg) 69. Khối lượng đồng là: MCu = MCu1 + MCu2 = 9,45 + 12,6 = 22,05 (kg) • Tính các thông số của máy biến áp : 70. Điện trở của cuộn sơ cấp biến áp ở 750C: Theo tiêu chuẩn quy định, tổn hao ngắn mạch được quy định về nhiệt độ tính tốn như sau: Đối với tất cả các máy biến áp dầu và khô cách điện cấp A, E, B là +750C

R1 = ρSl

1

1

Trong đó: ρ là điện trở suất của dây dẫn ở 750C ρ= 0,02135 (Ωmm2/m) với dây đồng. Thay số ta có: R1 = 0,02135.

32,689,55 = 0,189 (Ω)

71. Điện trở của cuộn thứ cấp máy biến áp ở 750C là:

R2 = ρSl

2

2 = 0,02135. 23,714,65 = 0,192 (Ω)

72. Điện trở máy biến áp quy đổi về thứ cấp:

Rba = R2 + R1( ww

1

2 )2 = 0,192 + 0,189(173158 )2 = 0,349 (Ω)

73. Sụt áp trên điện trở máy biến áp là: ΔUr = Rba .Id = 0,349 . 32,6 = 11,38 (V) 74. Điện kháng của máy biến áp quy đổivề thứ cấp:

Xba = 8.π2(w2)2[hhq

r ](a12 + 3

21 BB dd +)ω.10-7

Trong đó : w2 : Số vòng dây của cuộn thứ cấp biến áp (vòng) r: Bán kính trong của cuộn dây thứ cấp (m) h : Chiều cao dây quấn (m) a12 : Bề dày cách điện giữa các cuộn dây với nhau (m)



Bd1 : Bề dày cuộn sơ cấp (m) Bd2 : Bề dày cuộn thứ cấp (m) ω = 314 (rad/s) Thay số vào ta được : Xba = 8.π2.1582[(

203,00604,0 )(0,04 +

305,199,0 + 10-2)314.10-7] = 0,199 (Ω)

75. Điện cảm của máy biến áp:

Lba = ω

X ba =314199,0 = 0,00063 (H) = 0,63 (H)

76. Sụt áp trên điện kháng của máy biến áp:

ΔUx = π

IX dbam. , trong đó m là số pha

Thay số vào ta được : ΔUx =

π6,32.199,0.3 = 6,2 (V)

77. Sụt áp trên máy biến áp: ΔUba = UU xr

22Δ+Δ = 2,638,11 22

+ = 12,96 (V) 78. Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp: Zba = XR baba

22+ = 199,0349,0 22

+ = 0,4 (Ω) 79. Tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp: ΔPn = 3RbaI2 = 3.0,349.18,92 = 374 (w) 80. Tổn hao ngắn mạch %:

ΔPn% = SPnΔ

100 = 11330

374 100 = 3,3 (%)

81. Tổn hao không tải có kể đến 15% tổn hao phụ: P0 = 1,3Pf (MT .BT

2 + Mg.Bg2 )

Trong đó : Pf : Tổn hao phụ lấy khoảng 15% P0 = 1,3.1,15.(25,9.1,162 + 37,09.0,942) = 101,09 (W) 82. Tổn hao không tải %:

ΔP0% =SP0 100 =

1133009,101 100 = 0,89 (%)

83. Hiệu suất máy biến áp:

η = ( 1 - PP

PPn

n

S 0

0

++

+) =1-

09,1013741133009,101374

+++ = 96 (%)

84. Điện áp ngắn mạch tác dụng %:

Unr% = U

IRba

2

2.100 =

2019,18.349,0 100 = 3,3 (%)



85. Điện áp ngắn mạch phản kháng %:

Unx% = U

IX ba

2

2.100 =

2019,18.199,0 100 = 1,87 (%)

86. Điện áp ngắn mạch %: Un% = UU nxnr

22+ = 87,13,3 22

+ = 3,79 (%) 87. Dòng điện ngắn mạch máy biến áp:

I2nm = ZU

ba

2 = 4,0

201 = 502,5 (A)

88. Dòng điện ngắn mạch tức thời cực đại:

Imax = 2 .I2nm(1+ e-uu

nx

nr.π

)

Imax = 2 .502,5 (1 + e- 0187,0033,0.π

) = 714 (A)

Imax = 714 (A) < Ipik = 1000 (A) Trong đó : Ipik là đỉnh xung dòng điện cực đại của Tiristor III. THIẾT KẾ CUỘN KHÁNG CÂN BẰNG : 1. Tác dụng của cuộn kháng cân bằng: Là để hạn chế dòng điện cân bằng chạy trong hai nhóm của sơ đồ chỉnh lưu Xét trường hợp α1 = 450 , α2 = 1350

Ta có Iccm = XU

ct

2.6

: Giá trị cực đại của dòng điện tuần hồn.

Điện cảm Lcb được tính tốn sao cho giá trị trung bình Icc của dòng điện tuần hồn, trong trường hợp tồi tệ nhất. Không vượt quá 10% giá trị định mực của dòng điện phụ tải Id.

Đặt I*cc =

II

ccm

cc : Giá rrị tương đối của dòng điện tuần hồn .

Lấy Icc =10%Id = 100

6,32.10 = 3,26 (A)

Tra hình IV.24 trang 132 (đtcs) ta được I* = 0,1 ,ta có giá trị cực đại của dòng điện tuần hồn.

Iccm = II cc

* = 1,0

26,3 = 32,6 (A)

Từ công thức Iccm = XU

ct

2.6 suy ra Xct = I

Uccm

2.6 =

6,32201.6 = 15,1 (Ω)

Điện cảm cuộn dây cân bằng cần có là :



Từ công thức Xct = ωLcb suy ra Lcb = ωX ct =

3141,15 0,048 (H)

1. Xác định điện cảm của mạch: Điện cảm tổng của mạch là : LΣ = U∼d(1)max/ 2 .k.m.ω.I∼d(1)max Trong đó : LΣ : Điện cảm tổng trong mạch U∼d(1)max : Biên độ thành phần sóng hài bậc nhất của chỉnh lưu m : Số lần đập mạch trong một chu kỳ (m=3) k : Sóng hài (bậc một k =1) ω = 314 (rad/s) I∼d(1)max : Trị hiệu dụng của dòng điện sóng hài bậc một, thường lấy I∼d(1)max < 10%IđmĐ

Với U∼d(1)max = 1.

..222

max0 cos−mk

U d α αtgmk max..1222+

2. Xác định góc mở cực tiểu và cực đại: Dải điều chỉnh của động cơ :

D = ωω

min

max = ωω

min

dm

Trong đó : ωđm = ω = 105 (rad/s) Tìm ωmin : ωmin = (Mcmax – Mđm )

β1

Mcmax = Mđm . kqt Giả sử ta cho động cơ làm việc với mô men cản lớn nhất bằng hai lần mô men định mức (kqt = 2) Độ cứng của đặc tính cơ :

β = R

ku

dm)( 2φ =

668,086,1 2

= 5,179

Mô men định mức của động cơ : Mđm = kφđmIư = 1,86.32.6 = 60,636 (Nm)

Vậy ωmin = Mđm(kqt – 1) β1 = 60,636 ( 2 – 1 )

179,51 = 11,7 (rad/s)

Dải điều chỉnh của động cơ là :

D = ωω

min

dm = 7,11

105 = 8,97 ≈ 9



Đối với chỉnh lưu tia ba pha, ở chế độ dòng điện và điện áp định mức thường chọn góc điều khiển ban đầu α = 10 ÷ 300 , trị số này cần có để đáp ứng khả năng bù sụt áp khi điện áp nguồn lưới giảm và sụt áp do tăng tải của bộ chỉnh lưu. Chọn góc mở cực tiểu αmin = 100 Khi góc mở nhỏ nhất α = αmin thì điện áp trên tải là lớn nhất Udmax=Ud0cosαmin và tương ứng với tốc độ động cơ là lớn nhất ωmax=ωđm . Khi góc mở lớn nhất α=αmax thì điện áp trên tải là nhỏ nhất Udmin=Ud0cosαmax và tương ứng với tốc độ động cơ sẽ nhỏ nhất ω=ωmin .

Từ đó ta có : UU

d

d

min

max = αα

coscos

max

min = ωω

min

max = D

Suy ra αmax = D

αarccos min = 9

10arccos 0

= 840

Biên độ thành phần sóng hài bậc một của điện áp chỉnh lưu là:

U∼d(1)max = 1.

..222

max0 cos−mK

U d α αtgmK max.1222 ++

= 1.

.8,234.2

3184cos

22

0

−8431 0222 ..1 tg+ = 175,2 (V)

Trị hiệu dụng của dòng điện sóng hài bậc một : I∼d(1)max = 8%IđmĐ = 0,08.32,6 = 2,608 (A) Trị số điện cảm tổng của mạch : LΣ = U∼d(1)max/ ....2 ωmK I∼d(1)max =

608,2.314.3.1.22,175 = 0,0504 (H) =50,4(mH)

Điện cảm của mạch phần ứng động cơ được tính :

LưĐ = kd PnIU

dmdm

dm

....30

π

Trong đó : kd = 0,2 : Động cơ có cuộn bù nđm : Tốc độ quay định mức của động cơ (vòng/phút), nđm=9,55.ωđm = 9,55.105 = 1002 (vòng/phút) Uđm : Điện áp định mức của động cơ (V) Iđm : Dòng điện định mức của động cơ (A) p : Số đôi cực , p =

ndm

f.60 = 1002

50.60 = 3

Thay số vào ta được : LưĐ =0,2

3.1002.6,32.220.30

π = 0,0043 (mH) = 4,3 (H)

Điện cảm của cuộn kháng lọc thành phần sóng hài : Lkl = LΣ - ( LưĐ +Lba +Lcb ) = 50,4 – ( 4,3 + 0,63 + 48 )<0



Vậy không cần cuộn kháng lọc thành phần sóng hài bậc cao. • Kết cấu cuộn kháng cân bằng: 1. Tổng trở cuộn kháng cân bằng: Thông thường dây quấn cuộn kháng cân bằng có tiết diện khá lớn.Vì vậy điện trở thuần của cuộn kháng nhỏ có thể bỏ qua. Zcb = Xcb = 15,1 (Ω) 2. Điện áp dơi trên cuộn kháng:

ΔUck = Zcb.Icc = 15,1.3,26 = 49,226 (V) 3. Công suất cuộn kháng:

Pck = Uck.Icc = 49,226.3,26 = 160,5 (W) Vì cuộn kháng chia về hai bên nên công suất của mỗi bên là

P = 2

Pck = 2

5,160 = 80,25 (W)

4. Tính tốn lõi sắt cuộn kháng cân bằng:

QFe = kfP

'

Trong đó : QFe : Tiết diện lõi thép (cm2) P : Công suất một cuộn (W) f’ = f.m = 50.3 = 150 (Hz) với m là số lần đập mạch k : Hệ số phụ thuộc phương thức làm mát. Chọn cuộn kháng khô k =6 Thay số vào ta được :

QFe = 650.325,80 = 4,38 (cm2)

Chuẩn hố tiết diện trụ theo kích thức có sẵn : Chọn QFe=4,55(cm2)



5. Với tiết diện trụ QFe = 4,55 (cm2) ta có kết cấu mạch từ:

a

chH

L/2

L

a/2

b

a/2

6. Chọn loại thép có ký hiệu III dày 0,35 (mm) có các thông số sau:

a = 20 (mm) , b = 25 (mm) 7. Cuộn kháng cân bằng có tác dụng vừa hạn chế dòng cân bằng vừa hạn chế thành phần sóng hài. Khi có thành phần dòng xoay chiều bậc nhất I∼(1) chạy qua cuộn kháng thì trong cuộn kháng xuất hiện một sức điện động tự cảm Eck=4,44.w.f’.B.Q.kdq . Gần đúng ta có thể viết Eck=ΔU=49,226 (V) 8. Số vòng dây cuộn kháng cân bằng: wck =

Qkf FedqB

U

....44,4'

Δ

Với B = 1 (T), kdq = 1,1 .Theo (1 – 45 ) Thay vào ta được Wck =

10 4.55,4.1.1,1.3.50.44,4226,49

− = 147,68 (vòng) ≈ 148 (vòng)

9. Chọn mật độ dòng điện: J = 2,5 (A/mm2), chọn dây đồng 10. Tiết diện dây quấn cuộn kháng:

Scu = JI d =

5,26,32 = 13,04 (mm2)

11. Chọn dây: Với tiết diện dây dẫn là Scu = 13,04 (mm2), theo bảng 3 chọn Scu =13(mm2) dây tiết diện hình chữ nhật có kích thước a×b = 3,28×4,1(mm×mm) với cách điện 0,45 (mm). Vậy tiết diện kể cả cách điện là Scu=3,28×4,1=13,45(mm) Tính lại mật độ dòng điện :



J = SI

ck

d = 04,136,32 = 2,507 (A)

12. Chọn hệ số lấp đầy:

klđ = Q

SCS

cuW .

= 0,7

13. Diện tích cửa sổ mạch từ:

Qcs = KS

ld

cuW .

= 7,0

45,13.148 = 28,44 (cm2)

14. Kích thức mạch từ: Qcs = c.h , chọn m =

ah = 3

Suy ra : h = 3.a = 3.20 = 60 (mm)

c = h

Qcs = 644,18 = 4,74 (cm)

15. Chiều cao mạch từ: H = h + a = 60 + 20 = 80 (mm) 16. Chiều dài mạch từ: L = 2.c + 2.a = 2.4,47 + 2.2 = 13,48 (cm) 17. Chọn khoảng cách từ gông đến cuộn dây: hg = 3 (mm) 18. Tính số vòng dây trên một lớp:

w1 = b

hk

gh 2− =

1,43.260 − = 13,17 (vòng) lấy bằng 13 (vòng)

19. Tính số lớp dây quấn:

n1 = 1

W

w =

13148 = 11,38 (lớp) lấy bằng 12 (lớp)

20. Chọn khoảng cách cách điện giữa dây quấn với trụ: a01 = 0,4(cm), cách điện giữa các lớp δ = 0,1 (mm) 21. Bề dày cuộn dây: Bd = ( ak +δ )n = (3,28 + 0,1).12 = 40,56 (mm) 22. Tổng bề dày cuộn dây: BdΣ = Bd + a01 = 40,56 + 4 = 44,56 (mm) 23. Chiều dài của vòng dây trong cùng: l1 = 2(a+b) + 2πa01 = 2(20 + 25) +2.π.4 = 115,12 (mm) 24. Chiều dài của vòng dây ngồi cùng: l2 = 2(a +b) +2π(a01 + bd) = 2(20 + 25) +2.π(4 + 40,56) = 369,84 (mm) 25. Chiều dài trung bình của một vòng dây:



ltb = 2

21 ll + =

284,36912,115 + = 242,48 (mm)

26. Điện trở trong của dây quấn ở 750C:

R = ρ75 Sl

cu

tbw.

= 0,0213545,13

148..48,242 10 3−

= 0,057 (Ω)

27. Sụt áp trên điện trở cuộn kháng: ΔUr = r.Icc = 0,057.3,26 = 0,18 (V) 28. Thể tích sắt cuộn kháng: VFe = 2.a.b.h + 2 .

2a .b.L = a.b.( 2h +L)

= 20.25.10-4(2.60 + 134,8).10-2 = 0,15 (dm3) 29. Khối lượng sắt một cuộn: MFe =VFe .mFe = 0,15.7,85 = 1,18 (kg) Trong đó: mFe là trọng lượng riêng của sắt mFe = 7,85 (kg/dm3) 30. Khối lượng đồng một cuộn: Mcu =Vcu .mcu =Scu .ltb .w.mcu =13,45.10-4.242,48.10-2.148.8,9 =4,29(kg) Trong đó : mcu = 8,9 (kg) là trọng lượng riêng của đồng 31. Tổng khối lượng sắt và đồng của hai cuộn kháng là: Khối lượng sắt : M = 2MFe = 2.1,18 = 2,36 (kg) Khối lượng đồng : M = 2Mcu = 2.4,3 = 8,6 (kg) IV. TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ BẢOVỆ: 1. Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn: Khi làm việc với dòng điện chạy trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công suất ΔP , tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp nào đó, nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để van bán dẫn làm việc an tồn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý. • Tính cánh toả nhiệt : Tổn thất công suất trên một Tiristor. ΔP = ΔU.Ilv = 1,6.18,256 = 29,2 (W) Diện tích bề mặt toả nhiệt. Sm =

τ.K m

PΔ

Trong đó : ΔP : Tổn hao công suất (W) τ : Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường



Chọn nhiệt độ môi trường 400C . Nhiệt độ làm việc cho phép của Tiristor là Tcp = 1250C ,chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt là Tlv = 800C vậy ta có độ chênh lệch nhiệt độ là : τ = Tlv – Tmt = 80 – 40 = 400C Km : Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ, chọn Km =8 (w/m2 0C) Vậy Sm =

τ.K m

PΔ = 40.8

2,29 = 0,0913 (m2 )

Chọn loại toả nhiệt có 7 cánh , có dạng như hình vẽ :

Trongđó: a=10(cm),b=10(cm),c=0,2(cm),d=8,5(cm),h=10(cm),m=0,6(cm), n=1,5(cm) Từ công thức S=2ab + 2bh + (x – 1)db + 2an + 2xdc, và chọn các thông số như trên thì ta tính ra được số cánh toả nhiệt x=7 cánh. 2. Bảo vệ quá dòng điện cho van: Aptômát dùng để đóng cắt mạch lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra củabộ biến đổi và ngắn mạch ở thứ cấp máy biến áp Chọn Aptômát ba pha đặt ở sơ cấp máy biến áp có các thông số dược tính như sau Iđm =1,1I1 =1,1.17,3 = 19,03 (A) , chọn áptômát có dòng định mức mỗi cực và điện áp định mức mỗi cực là Iđm =20 (A),Uđm = 220 (V) Chỉnh định dòng ngắt mạch : Ingắt = 1,2Imm= 1,2.2,5.17,3 = 51,19 (A), chọn áptômát có Ingắt=52(A) Dòng quá tải : Iqt = 1,5I1 = 1,5.17,3 = 25,95 (A), chọn áptômát có dòng quá tải là Iqt=26(A) Chọn cầu dao : Cầu dao để tạo khoảng cách an tồn khi sữa chữa hệ truyền động có các thông số như sau Iđm = 1,1I1 = 1,1,.17,3 = 19,03 (A) Chọn cầu dao mã hiệu 5TE7113 có ba cực có các thông số sau Uđm=400(V),Iđm = 25 (A) 1. Bảo vệ quá điện áp cho van:



Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt các Thyristor được thực hiện bằng cách mắc R – C song song với Tiristor. Khi có sự chuyển mạch, các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngồi tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anod và catod của Tiristor. Khi có mạch R – C mắc song song với Tiristor tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Tiristor không bị quá điện áp. R1 C1

T1 Mạch R1 – C1 bảo vệ quá điên áp do chuyển mạch. Theo kinh nghiệm R1=(5 ÷ 30 ) (Ω); C =(0,25 ÷ 4 ) (μF ) Để bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, ta mắc mạch R – C như hình vẽ dưới Nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hồn tồn trên điện trở đường dây.

R

R2

2 2C R2

C2

2C

Mạch bảo vệ quá điện áp cho van từ lưới R2=(5 ÷ 20 ) (Ω), C2 = 4 (μF ) Chọn công tắc tơ : Ta dùng một công tắc tơ để mở máy động cơ, công tắc tơ gồm có : Ba tiếp điểm chính có buồng dập hồ quang. Ba tiếp điểm phụ, trong đó hai tiếp điểm thường mở, một tiếp điểm thường đóng Dòng điện định mức của công tắc tơ : Iđm = 25 (A) Điện áp định mức của công tắc tơ : Uđm = 220 (V)



S¬ ®å m ¹ch ®éng lùc cã c¸c th iÕt b Þ b¶o vÖ

T

R

R C

C BIIL

6T

C

5T

4

R C

N

A

C

B

T

R C

LC B I

3T

R C

2T

1

k

M B A

R22 CR

2R C 2

C2 2

R C

§

C D

A P

D

®Ìn xanhk

M

k

®Ìn ®á

k

k



CHƯƠNG III TÍNH CHỌN – THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN I. Cơ sở lý thuyết điều khiển Thyristor: Thyristor chỉ được mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp dương đặt lên cực anode và có xung điện áp dương đặt vào cực điều khiển, sau khi Thyristor đã mở thì xung điều khiển không còn tác dụng nữa, dòng điện chạy qua Thyristor do thông số của mạch động lực quyết định và Thyristor sẽ khóa khi dòng điện chạy qua nó bằng không, muốn mở lại ta phải cấp xung điều khiển lại. Do đó, với điện áp hình sin, tuỳ thuộc vào thời điểm cấp xung điều khiển mà ta có thể khống chế được dòng điện qua Thyristor. Để thực hiện được các đặc điểm này ta có thể dùng hai nguyên tắc sau . Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Nguyên tắc điều khiển nằm ngang. Hiện nay điều khiển Thyristor trong sơ đồ chỉnh lưu, người ta thường dùng nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính, nên em sử dụng phương pháp này để thiết kế mạch điều khiển. • Nội dung của phương pháp này Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào cực anode của Thyristor, để có thể điều khiển được góc mở α trong điện áp dương anode, ta cần tạo một điện áp tựa răng cưa Urc trong vùng điện áp dương. Dùng điện áp một chiều Uđk có thể điều chỉnh được biên độ, ta so sánh điện áp Uđk với điện áp tựa Urc. Tại thời điểm Uđk = Urc thì phát xung điều khiển Xđk , lúc này Thyristor sẽ được mở từ thời điểm phát ( Xđk ) cho đến khi có dòng điện bằng không. Như vậy bằng cách làm thay đổi biên độ Uđk , ta có thể điều chỉnh được thời điểm phát xung, tức là điều chỉnh được góc α.

Ta có quan hệ α = f(UU

rc

dk )

Sơ đồ nguyên lý điều khiển thẳng đứng tuyến tính.



2

αU

0

0

U

tt1 2

xung ñieàu khieån

dU

0

0

U

U

π

r cU

t3t 4

ñk

π 3

U

π

II. Các yêu cầu đối với mạch điều khiển: Mạch điều khiển dùng để tạo ra các xung điều khiển có độ rộng thích hợp và thay đổi thời điểm phát xung để mở Thyristor của bộ chỉnh lưu. Do vậy mạch điều khiển quyết định chất lượng và độ tin cậy của bộ chỉnh lưu Thyristor . Yêu cầu chính của mạch điều khiển : Nguồn điều khiển cần có một biên độ điện áp và dòng điện đủ lớn để kích thông một cách tin cậy cho van. Yêu cầu về xung điều khiển : Xung phải có độ rộng đủ để mở van, phải có sườn trước thẳng đứng để đảm bảo chính xác thời điểm mở Thyristor, xung điều khiển có dạng xung kim. Yêu cầu về tính đối xứng : Bộ biến đổi có nhiều pha vì vậy mà độ đối xứng của các xung điều khiển giữa các kênh sẽ quyết định chất lượng và đặc tính của hệ. Sự mất đối xứng của xung điều khiển sẽ gây ra sự mất đối xứng khi làm việc của mạch lực và mất cân bằng giá trị trung bình của dòng qua Thyristor làm động cơ làm việc không ổn định . Yêu cầu của dải điều chỉnh : Dải điều chỉnh xác định chế độ làm việc của các bộ biến đổi và đặc tính tải. Dải điều chỉnh phải thích hợp với từng loại bộ chỉnh lưu và yêu cầu của tải. Yêu cầu về độ tin cậy và cơ cấu của mạch điều khiển : Hệ thống phải tác động nhanh . Xung điều khiển không bị ảnh hưởng bởi sự dao động của nhiệt độ, nhiễu và điện áp nguồn . Thiết bị dễ lắp ráp, thay thế . Bộ điều khiển đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành III. Cấu trúc mạch điều khiển:



Mạch điều khiển bao gồm các khâu cơ bản sau .

So saùnh taïo xung

ñkU

Ñoàng pha

K

Khuyeác ñaïiG

A

1. Khâu đồng pha: a. Nhiệm vụ của khâu đồng pha: Nhận điện áp từ anode của Thyristor và điện áp tựa trùng pha với điện áp anode của Thyristor. Điện áp tựa là Urc, điện áp tựa này phải biến thiên liên tục trong vùng anode của Thyristor. b. Giới thiệu một số sơ đồ đồng pha: Sơ đồ tạo điện áp tựa (Urc) bằng Tranzitor (Tr) và tụ điện (c)

≡

Hoạt động của sơ đồ : Nửa chu kỳ đầu UA>0 có dòng chạy từA→R1→D→ B điện áp đặt lên cực Bazơ của Tranzitor có giá trị dương, Tr phân cực ngược nên Tr khố. Tụ C được nạp phụ thuộc vào giá trị nguồn E với hằng số thời gian T=R2C. Nửa chu kỳ sau UA<0, lúc này D bị phân cực ngược , D khố còn Tr phân cực thuận, Tr dẫn và tụ C được xả qua Tr. Bằng cách này ta có điện áp Urc là điện áp tựa trong vùng điện áp A dương và trùng với UAT .



Ưu điểm : Điện áp tựa biến thiên tuyến tính phủ hết nữa chu kỳ điện áp dương anode của Thyristor vì vậy có thể điều khiển trong suốt dải từ 0÷1800, sơ đồ đơn giản. Sơ đồ tạo điện áp tựa (Urc) bằng bộ ghép quang .

R

D

N

A 1

TrD0

Gheùp quang

+E

R2

C Ur c+

M

- 0

U

0

r cU

U

AU UA≡ T

t

t

Hoạt động : Nửa chu kỳ đầu UA>0 , Diốt phân cực ngược nên khố, dòng chạy từ A→R1→D0→N. Lúc này D0 phát quang chiếu vào mặt ghép nên Tr thông tụ C xả qua Tranzitor quang . Nữa chu kỳ sau UA<0 , D0 phân cực ngược, D phân cực thuận có dòng đi từ N→D→R1→A, do không phát sáng, Tranzitor không dẫn, tụ C được nạp từ +E→R2→C→M thời gian nạp tụ phụ thuộc vào hằng số thời gian T=R2C . Ưu điểm : Không phải dùng biến áp đồng pha, nên đơn giản trong chế tạo và lắp đặt Nhược điểm của hai sơ đồ trên là : Việc mở, khố các Tranzitor trong vùng điện áp lân cận 0 là thiếu chính xác làm cho việc nạp, xả tụ trong vùng điện áp lưới gần 0 không được như ý muốn . Sơ đồ tạo điện áp răng cưa bằng khuyếch đại thuật tốn :



≡

Hoạt động : Nữa chu kỳ đầu UA>0 trùng pha với điện áp dương anode của Thyristor qua khyếch đại thuật tốn A1 cho ta một chuỗi xung chùm hình chữ nhật trùng pha với điện áp nguồn, điện áp dương chữ nhật UB qua diot D1 tới A2 tích phân thành điện áp răng cưa Urc do Tr phân cực ngược bị khố . Nữa chu kỳ sau UA<0 qua khuyếch đại thuật tốn A1 , UB âm, D1 khố lúc này Tr làm ngắn mạch A2 và tụ C, tụ C xả năng lượng qua Tr nên Urc=0 (trong vùng điện áp UB âm) Vậy nên đầu ra của A2 chúng ta có chuỗi điện áp răng cưa Urc gián đoạn Ưu điểm : Tác động nhanh, có sườn răng cưa dốc, độ chính xác cao. c. Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng hiện đại nên vi mạch dược chế tạo ngày càng nhiều, chất lượng ngày càng cao, kích thước ngày càng gọn . Ứng dụng các vi mạch vào thiết kế mạch đồng pha cho ta chất lượng điện áp tựa tốt nên em chọn sơ đồ này. 2. Khâu so sánh: a. Nhiệm vụ: So sánh giữa điện áp tựa răng cưa Urc với điện áp điều khiển Uđk xác định thời điểm hai điện áp này bằng nhau (Uđk=Urc). Tại thời điểm Uđk=Urc thì phát lệnh mở Thyristor. Lệnh mở Thyristor được thể hiện bằng sự thay đổi đột ngột điện áp (xung điện áp). b. Giới thiệu một số sơ đồ khâu so sánh: Sơ đồ khâu so sánh thực hiện bằng Tranzitor.



θ θ θ θ

Hoạt động : Từ 0 ÷ θ1→Uđk>Urc→Ub>0 →Tranzitor khố→Ura ≠0 . Từ θ1÷θ2 →Uđk<Urc→Ub<0 →Tranzitor dẫn→Ura =0. Nhược điểm: Tại các điểm θ1 và θ3 điện áp ra không phải là thẳng đứng. Vì có một vùng Tranzitor làm việc ở chế độ khuyếch đại nên đường thực là đường 1 →điểm mở Tiristor thiếu chính xác Sơ đồ khâu so sánh dùng khuyếch đại thuật tốn :

θθ θ θ

Hoạt động : Điện áp ra Ura sẽ bị đảo dấu so với tín hiệu vào, tín hiệu Urc được so sánh với Uđk tại đầu vào của khuyếch đại thuật tốn . Từ 0 ÷ θ1 với Uđk>Urc →Ub >0 →Ura =- Unguồn . Từ θ1 ÷ θ2 với Uđk<Urc →Ub <0 →Ura = Unguồn . Ưu điểm : Vì có hệ số khuyếch đại lớn nên điện áp ra nhảy cấp thẳng đứng, độ chính xác cao, ổn định nên có thể phát xung điều khiển chính xác tại Uđk= Urc. c. Vì ưu điểm là có thể phát xung điều khiển chính xác tại Uđk = Urc nên em chọn sơ đồ này dùng cho khâu so sánh . 3. Khâu khuyếch đại tạo xung:



a. Nhiệm vụ: Tạo xung phù hợp để mở Thyristor, xung để mở Thyristor có yêu cầu : Đủ công suất có nghĩa là đủ Uđk , Iđk . Đủ độ rộng (độ rộng xung điều khiển phải lớn hơn thời gian mở Thyristor) chọn = 3 lần Có sườn trước dốc thẳng đứng, thường gặp là xung chữ nhật, xung kim. Mục đích là để Tiristor mở tức thời, dạng xung mong muốn là xung chữ nhật, thường tạo ra được là xung kim. Cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực. Vì mạch điều khiển được cấu tạo từ các linh kiện điện tử công suất bé (điện áp và dòng điện bé) còn mạch lực là các thiết bị điện tử công suất lớn, điện áp cao. Cách ly thường dùng biến áp xung. b. Sơ đồ khuyếch đại tạo xung:

Điện áp vào có dạng hình chữ nhật, cần mở Tiristor ở θ1 và θ3 khi có xung vào thì có dòng Ib →có dòng Ic . Dòng Ic là dòng của cuộn điện cảm tăng theo qui luật mũ, với sự biến thiên của Ic sẽ cảm ứng sang thứ cấp biến áp xung điều khiển. Dùng xung dương vì xung dương năng lượng được lấy từ nguồn E, còn xung âm do năng lượng của cuộn dây điện cảm xả ra, năng lượng này nhỏ. Công suất thì lấy từ công suất của Tranzitor và biến áp Độ rộng xung được chọn bằng số vòng dây biến áp xung Nhược điểm : Tranzitor được mở suốt từ θ1 ÷ θ2 . Từ θ1 ÷ θ2 >> tx →sử dụng dư công suất của Tr2 và biến áp xung. Để hạn chế dòng điện trung bình qua Tr2 ta hạn chế khoảng mở của Tr2 bằng cách nối thêm một tụ điện . Sơ đồ :



θ θ θ θ

Tại θ1 có xung vào →tụ được nạp để có dòng Ib →có Ic . Theo sơ đồ này, Tr chỉ mở cho dòng điện chạy trong khoảng thời gian nạp tụ nên dòng hiệu dụng của Tr bé hơn . c. chọn sơ đồ có thêm tụ nối làm khâu khuyếch đại: Nhận xét: Sau khi đã chọn xong ba khâu cơ bản ở trên, để giảm công suất cho tầng khuyếch đại và tăng số lượng xung kích mở, nhằm đảm bảo Tiristor mở một cách chắc chắn, người ta dùng bộ phát xung chùm cho các thyristor. Vì tín hiệu của khâu so sánh, gửi sang tầng khuyếch đại dạng xung chữ nhật có độ rộng từ thời điểm cần phát xung điều khiển cho đến cuối nửa chu kỳ làm cho Tranzitor dẫn trong thời gian dài và cuộn sơ cấp biến áp xung có dòng chạy qua lâu, làm toả nhiệt của Tranzitor lớn, làm giảm tuổi thọ của Tranzitor. Do đó thêm khâu tao xung chùm có tần số cao, trước khi vào tầng khuyếch đại. Ta đưa thêm vào mạch cổng AND với tín hiệu vào nhận từ khâu so sánh và từ bộ phát xung chùm. Sơ đồ khối:

&Töø boä phaùt xung chuøm

Taàng khuyeách ñaïi

Töø khaâu so saùnh T



Một số sơ đồ khâu tạo xung :

C C1 2

R

R2

1 4

5556

2 1

7 8 5raU

+U

R1

-

+

CR2

A

3R

raU

Vi mạch 555 tạo xung chùm cho ta chất lượng xung khá tốt và sơ đồ cũng tương đối giản. Trong mạch điều khiển, thường sử dụng khuyếch đại thuật tốn. Do đó để đồng dạng về linh kiện, khâu tạo xung chùm ta cũng sử dụng khuyếch đại thuật tốn, với lại sơ đồ này có ưu điểm hơn sơ đồ 555 về mức độ đơn giản hơn.



SÔ ÑOÀ NGUYEÂN LYÙ MOÄT KEÂNH ÑIEÀU KHIEÅN

16R-A

-A1

+

B

+1D

3R-A2

R22

R10

11

ADC

R9-

3

8R

R

+

E

dk

-

R12

U

+ +

13R

5

C2

R4

R21 C1Tr

+

R5

-4A

R6

R7

2D

G

R

R14

15

17R

24

+A7

- R23

4

7D

&

R

CR25

D8

4Tr

D9

Tr5

BAX

R26 10D

+E

T2

+E

A+

6

- 18

F

R

3D

& H

C3

R194D

R202Tr

Tr3

5D

BAX

21R6D

T1

1R

A

1U -

RR0



d k

d k

G

G

X

0

0

X

0

0U

0

U

2 t

1 t

t

2

t

t

1

GU

0

t

8θ1F

U

60

θθ 5

1θ02θ

U

θ 7

θ 43 θ

0

CU

0

0

B0

U

F

t

t

td k+ U

EU- U d k

0C +U U

t

t

t

UU

U ≡c a A T

0

t

U A- U d

GIẢI THÍCH NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN



Điện áp vào trùng pha với điện áp UAT của Tiristor, qua chỉnh lưu cầu Diốt, ta đưa vào điện áp (-Ud) để so sánh với điện áp ra của chỉnh lưu cầu ta đựơc điện áp UA cho qua điện trởR1 (để giảm dòng) đến khuyếch đại thuật tốn A1 (mắc theo kiểu không đảo ). Cho ta điện áp ở B (UB) là một chuổi xung chữ nhật đối xứng . UB>0 qua Diốt D, tới khâu tích phân gồm tụ C1 và khuyếch đại thuật tốn A2 (mắc theo kiểu đảo) tạo ra điện áp răng cưa Urc ở đầu ra của A2 (Uc). Khi UB<0 làm mở thông Tr1 , kết quả là tụ C xả năng lượng hết để chuẩn bị cho lần tiếp theo và khuyếch đại thuật tốn A2 bị ngắn mạch lúc này Uc=0 (Urc=0) trong vùng UB<0. Đầu ra của A2 ta nhận được chuỗi điện áp răng cưa gián đoạn, để cho Urc có cả phần âm và dương ta cộng thêm điện áp không đổi U0=

12

Urc để kéo Urc lên một nửa

dương và một nửa âm ta có UD=Uc+U0 . Điện áp UD= 12

Urc để có biên độ của UD=Urc

ta cho qua khâu khuyếch đại A3 mắc theo kiểu không đảo ta được UE=Urc . Điện áp UE được so sánh với điện áp điều khiển tại đầu vào của A6 mắc theo kiểu đảo và UE+Uđk quyết định dấu điện áp đầu ra của A6. Điện áp điều khiển chia làm hai nhánh một nhánh cho qua cổng đảo được Uđk1 . Khi Uđk>0 qua khâu đảo được –Uđk1 còn nhánh kia vẫn còn Uđk>0 đi vào A7 Đối với T1 : Từ 0 ÷ θ1 thì UE>Uđk được UF là âm Từ θ1 ÷ θ2 thì UE<Uđk được UF là dương , còn lại tương tự Mạch đa hài A4 tạo xung chùm ở đầu ra G cho ta một chuỗi xung hình chữ nhật tần số cao. Hai tín hiệu UF và UG được đưa vào cổng AND , đồng thời UF và UG trong khoảng θ1 ÷ θ2 và θ3 ÷ θ4 có cùng điện áp dương thì đầu ra của cổng AND có xung ra UH làm mở thông Tr2 và Tr2 mở thông Tr3 . Kết quả là cuộn thứ cấp máy biến áp xung có một chuỗi xung nhọn Xđk để đưa tới mở T1 còn T4 ở chế độ chờ sẵn để chuẩn bị làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc IV. TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN: Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Thyristor nên khi tính mạch điều khiển ta phải tính từ máy biến áp xung ngược tới khâu đồng pha. Thyristor đã chọn có các thông số sau . Điện áp điều khiển Thyristor : Ug = 2,5 (V) Dòng điện điều khiển Thyristor : Ig = 70 (mA) Thời gian chuyển mạch Thyristor : tcm = 30 (μs) 1. Tính tốn máy biến áp xung: Với thời gian chuyển mạch (mở và khố) tcm = 30 (μs). Để Thyristor mở và khố chắc chắn ta chọn, độ rộng xung điều khiển của máy biến áp xung là tx = 100 (μs) và thời gian ngắt là tn = 50 (μs) 1.1. Tần số của máy biến áp xung là: Thời gian một chu kỳ xung là :



Tck = tx + tn = 100 + 50 = 150 (μs) Tần số của máy biến áp xung là : f = 1

ckT = 6

1150.10− = 6,7 (kz)

®k

2. Chọn Diốt loại: chọn tất cả các diốt trong mạch điều khiển loại 1N4004 có UN = 500 (V) I = 1 (A) ΔU = 1,1 (V) 3. Điện áp thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Ug + ΔUD = 2,5 + 1,1 = 3,6 (V) 4. Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung:

I2 = kdtIg = 1,2.70 = 84 (mA) Với kdt : hệ số dự trữ (kdt = 1,2) 5. Theo kinh ngiệm thiết kế máy biến áp xung thường lấy tỉ số biến áp:

m = 2 ÷ 3 , chọn m = 3 6. Điện áp đặt cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = mU2 = 3.3,6 = 10,8 (V) 7. Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I1 = 2I

m = ( )84 28

3mA=

8. Chọn vật liệu làm lõi biến áp xung: Vì xung điều khiển là xung chùm có tần số cao (6,7 kz), để giảm tổn hao do dòng điện xốy gây ra, ta chọn vật liệu làm lõi sắt Ferít HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hố có : ΔB=0,3(T), ΔH =30 (A/m) không có khe hở không khí 9. Mật độ từ thẩm trung bình của lõi sắt: μtb = ( )7

0

0,3 7962 /. 4. .10 .30B H mH −

Δ= =

μ Δ π



trong đó μ0 = 4.π.10-7 là mật độ từ thẩm không khí. 10. Xác định thể tích lõi Ferít: V = Q.l = 0 1 1

2

. . . . .tb xt sU IB

μ μΔ

Trong đó : Q : là tiết diện lõi Ferít l : chiều dài trung bình đường sức từ tx : độ rộng xung s : độ xụt biên độ xung : s = 0,15

vậy : V = ( )7 6 3

6 32

7962.4. .10 .100.10 .0,15.10,8.28.10 0,504.100,3

mπ − − −−=

11. Theo bảng 55 ta chọn lõi Ferít hình xuyến băng cuộn loại Qπ-18/23-4 có kích thước là :

Q=0,1 (cm2) l = 6,45 (cm)

V = Q.l = 0,1.6,45 = 0,645 (cm3) QCS = 2,55 (cm2) d = 23 (mm) a =2,5 (mm) b = 4 (mm) D = 28 (mm)

12. Số vòng dây quấn sơ cấp biến áp xung: Theo định luật cảm ứng điện từ U1 = w1Q 1. .

x

dB Bw Qdt t

Δ=

Suy ra : w1 = 6

14

. 10,8.100.10 360. 0,1.0,3.10

xU tQ B

−

−= =Δ

(vòng)

13. Dòng điện hiệu dụng trong dây quấn sơ cấp:

Ihd1 =I1 ( )10028. 0,023150

x

ck

t AT

= =

14. Tiết diện dây quấn sơ cấp: S1 = 1

1

hdIj

chọn mật độ dòng điện ϑ1 =4 (A/mm2)



S1 = ( )20,023 0,005754

mm=

Tra bảng 3 chọn dây dẫn đồng có các thông số sau. Scu = 0,0785 : tiết diện tính tốn lõi đồng d1 = 0,1 (mm) Đường kính ngồi : D1=0,12 (mm) Điện trở dây dẫn : r1 =2,291 (Ω/m) Khối lượng đồng : Gcu = 0,0698 (g/m) 15. Đường kính trong của cuộn dây: D1 = 2 2 2a b cd+ + cd : Cách điện giữa dây quấn với lõi từ (chọn cd =0,1 (mm)) D1 = ( )2 22,5 4 2.0,1 4,92 mm+ + = Vì dây dẫn rất nhỏ nên coi Dtb ≈D1 ≈4,92 ≈5 (mm) 16. Chiều dài dây quấn sơ cấp biến áp xung: l1 =πw1Dtb =π.360.5 = 565,2 (cm) 17. Điện trở dây quấn sơ cấp: Rw1 = r1.l = 2,291.5,652 = 12,95 (Ω) 18. Số vòng dây quấn thứ cấp: w2 = 1

ba

wk

= 360 1203

= (vòng)

19. Dòng điện hiệu dụng trong dây quấn thứ cấp:

Ihd =I2 ( )10084. 0,0686150

x

ck

t AT

= =

20. Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = 2hdI

2j

Chọn mật độ dòng điện j2 = j1 =4 (A/mm2) S2 = ( )22

2

0,0686 0,017154

hdI mm= =j

Tra bảng 3 chọn dây đồng mã hiệu π∋π có. Scu2 = 0,01767 (mm2) d2 = 0,15 (mm) r2 = 1,018 (Ω/m) mcu2 = 0,157 (g/m) dn = 0,17 (mm)

21. Kiểm tra hệ số lấp đầy: kld = 1 1 2 2

2

. . 0,00785.360 0,01767.120 0,01942,55.10cs

s w s wQ+ +

= =



Như vậy cửa sổ đủ diện tích cần thiết 2.1. Tính khâu khuyếch đại công suất: Điện trở R21 dùng để hạn chế dòng vào sơ cấp biến áp xung. R21 = 1

1hd

E UI−

Nguồn cung cấp cho mạch tạo xung chọn E =+15 (V) Vây R21 =

15 10,8 1830,023−

= (Ω)

Điện áp rơi trên điện trở R21 ở chế độ bình thường là ΔUR21 = Ihd1R21 =0,023.183 = 4,2 (V) Chọn Tranristor Tr3 loại NPN , ta chọn loại 2SC1040 do Nhật chế tạo có các thông số sau . Điện áp giữa Colector và Bazơ khi hở mạch Emitor là : UCB03 =45 (V) Điện áp giữa Emitor và Bazơ khi hở mạch Colector là : UEB03 =5 (V) Điện áp giữa Colector và Emitor ở trạng thái khố là : UCE3 = 41 (V) Dòng điện lớn nhất ở Colector có thể chịu được là : IC3 = 1,2 (A) Hệ số khuyếch đại : β3 =15 ÷ 200 Dòng làm việc của Colector khi làm việc bình thường là . IC3 = Ihd1 = 0,023 (A) Dòng điện cấp cho cực Bazơ của Tr3 đủ để mở thông, chọn β3 =15 Ib3 = ( )33 0,023 0,00153 1,53.10

15CI A−

3

= = =β

Chọn Tr2 loại NPN, chọn loại 2SC651 do Nhật chế tạo có các thông số sau. Điện áp giữa Colector và Bazơ khi Emitor hở mạch : UCB02 =45 (V) Điện áp giữa Emitor và Bazơ khi Colector hở mạch : UEB02 =4 (V) Điện áp giữa Colector và Emitor ở trạng thái khố : UCE2 = 41 (V) Dòng điện lớn nhất mà Colector có thể chịu được : IC2 =300 (mA) Hệ số khuyếch đại : β2 =20 ÷ 200 , chọn β2 =20 Dòng điện cấp cho cực Bazơ của Tr2 đủ để mở thông là

Ib2 = ( )3

33

2

1,53.10 0,077.1020

bI A−

−= =β

Hệ số khuyếch đậi của khâu khuyếch đại là β=β2.β3 = 1

32

0,023 3000,077.10

hd

b

II −= = (lần)

3.1. Chọn cổng AND loại CMOS4081: Nguồn nuôi VDD = +15 (V) Sở đồ chân:



Nhiệt độ làm việc : -400C ÷ 800C Điện áp ứng với mức logíc “1” : 2 ÷ 4,5 (V) Dòng điện nhỏ hơn 1 (mA) Công suất tiêu thụ : P = 2,5 (mw/1cổng) • Chọn tụ C3 và R20 Điện trở R20 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazơ của tranristor Tr2 chọn R20 thoả mãn điều kiện R20 ≥ ( )3

2

4,5 58, 4410,077.10b

U kI −= = Ω

Chọn R20 = 59 (kΩ) Chọn C3.R20 = tx = 100 (μs), suy ra C3 = ( )3

20

100 0,001759.10

xt FR

= = μ

Điện trở R19 dùng để xả tụ

C3R19 = Tn , suy ra R19 = ( )6

63

50.10 29,40,0017.10

nT KC

−

−= = Ω

Chọn R19 = 30 (kΩ) 4.1. Tính chọn khâu so sánh và khâu khuyếch đại: Tồn bộ mạch điều khiển ta dùng IC khuyếch đại thuật tốn loại TL084 do hãng TexasInstruments chế tạo Điện áp nguồn nuôi Vcc = ± 18 (V), chọn Vcc = ±15 (V) Hiệu điện thế giữa cổng không đảo và cổng đảo : Ud = ±30 (V) Nhiệt độ làm việc : t = -250C ÷ 850C Công suất tiêu thụ : P = 680 (mw) Tổng trở đầu vào : Rin = 106 (Ω) Dòng điện đầu ra : Ira = 30 (pA) , thường chọn dòng vào khoảng 1 (mA) Tốc độ biến thiên điện áp cho phép : ( )13 /du V s

dt= μ

Ta có sơ đồ chân :



Thường chọn R17 = ( ) ( )223

15 15 151.10

cc

vao

V K R KI −= = Ω = = Ω

Chọn R18 = R23 = R16 = 5 (KΩ), R13 =R14 =R15 =R21 = 15 (KΩ) Chọn chiết áp R12 = 50 (KΩ), chiết áp R10 =50 (KΩ) Chọn R8 = R9 = 15 (KΩ), R11 = 30 (KΩ) 5.1. Tính khâu đồng pha: Thời gian nạp tụ C1 là : tnạp = R3.C1 Để điện áp răng cưa tuyến tính trong ½ chu kỳ điện áp dương anode của Thyristor ta phải chọn tnạp ≥T1/2 chu kỳ với tần số lưới f = ( )1

50Hz

Thời gian một chu kỳ là : Tck = ( )1 1 0,0250

sf

= =

Thời gian ½ chu kỳ là : T1/2ck = ( )0,02 0,012 2ckT s= =

Chọn thời gian nạp tụ là : tnạp = 0,01 (s) Chọn tụ C1 = 1 (μF) – 16 (V)

Vậy R3 = ( )61

0,01 101.10

naptK

C −= = Ω

Ta chọn R3 là biến trở 20 (KΩ), chọn biến trở R0 = 30 (KΩ), chọn điện trở R=5(KΩ). Chọn Tranristor Tr1 loại PNP mã hiệu A564 có các thông số sau Điện áp giữa C và B khi E hở mạch là : UCB01 = -25 (V) Điện áp giữa E và B khi C hở mạch là : UEB01 = - 7 (V) Dòng điện lớn nhất ở Colector có thể chịu được là : Ic1 = 100 (mA) Hệ số khuyếch đại : β1 = 250 Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp là : Tcp = 150 0C Dòng điện cực đại của Bazơ là : Ib1 = ( )100 0,4

250cI mA= =

β

Điện trở R2 dùng để hạn chế dòng đi vào Bazơ của Tranristor Tr1 được chọn như sau



Chọn R2 sao cho Ib2 ≤ 0,4 (mA). Vậy ta có R2 = ( )max3

15 37,50,4.10

N

B

U KI −= = Ω

Chọn R2 = 38 (KΩ) Chọn điện áp xoay chiều đồng pha : U2 = 9 (V) Ta dùng R1 để hạn chế dòng vào khuyếch đại thuật tốn dược tính như sau R1 = ( )2

3

9 91.10v

U KI −= = Ω

Điện áp tựa răng cưa lớn nhất là.

Urc =- '

3 1 0

1.

napt

BU dtR C ∫

Ta biết UB = Vcc = 15 (V) UB

’ =UB - ΔUD = 15 – 1,1 = 13,9 (V) Thay số vào ta được

Urc = - ( )0,01

3 6 20

1 13,9.0,0113,9 13,910.10 .1.10 10

dt V− −= − =∫

Uđkmax =Uđkkhi αmin

α=18 ÷ 20

Ta lấy α = 200 suy ra Uđkmax < Urcmax ta có

Uđkmax = Urcmax.cosαmin = 13,9.cos200 = 13,06 (V) Ta điều chỉnh chiết áp R10 để lấy U0 = ( )max 13,9 6,59

2 2rcU V= =

Để Urc có nửa âm và nửa dương thì U0 = 6,59 (V) và cho qua khuyếch đại A3 mắc theo kiểu không đảo ta được Urcmax = ÷ 13.9 (V) 6.1. Tính khâu tạo xung chùm: Mạch tạo xung chùm có tần số f = ( )6

1 1 52 2.100.10x

Kzt −= =

Chu kỳ của xung chùm là : T = ( )3

1 1 2005.10

sf

= = μ

Chọn R4 = R5 = 15 (KΩ), thì T = 2,2R6C2 = 200 (μs)

Chọn tụ C2 = 1 (μF) – 16 (V) . Vậy R6 = ( )6

62

200.10 912,2 2,2.1.10

TC

−

−= = Ω



Chọn điện trở R6 là biến trở 2 (KΩ) để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch, chọn điện trở R7 dùng để hạn chế dòng ra của mạch xung chùm có giá trị R7 = 5 (KΩ) Tồn mạch điều khiển dùng 21 khuyếch đại thuật tốn nên ta dùng 6 IC TL084 , 6 cổng AND dùng 2 IC CMOS4081 , dùng 3 Tranristor loại PNP mã hiệu A564 , 12 Tranristor loại NPN gồm 6 Tranristor mã hiệu 2SC651 và 6 Tranristor mã hiệu 2SC1040 7.1. Tính chọn nguồn cấp cho mạch điều khiển và biến áp đồng pha: Cuộn thứ cấp của mỗi pha w2 được chia ra làm hai phần bằng nhau có trung tính ở giữa Nguồn nuôi điện áp dùng trong mạch điều khiển là một nguồn điện áp ổn định vì vậy ta phải dùng IC ổn áp Theo bảng IX.3-[8], cần tạo nguồn cung cấp ±15 (V) ta chọn IC ổn áp loại 7815 có các thông số sau : UVào = 35 (V) ; Ura = +15 (V) ; Itải = 1,5 (A) và loại 7915 có các thông số sau : Uvào = 40 (V) ; Ura = -15 (V) ; Itải = 1,5 (A) Ta có sơ đồ mạch tạo nguồn nuôi như hình vẽ sau :

μ

μ

1. Công suất của khâu khuyếch đại công suất: P1 =6.I1max.E = 6.0,3.15 = 27 (w) 2. Công suất tiêu thụ của mạch đồng pha: P2 = 3.Iv.U2 = 3.1.10-3.9 = 0,027 (w) 3. Công suất tiêu thụ cho IC TL084 là:

P3 = 6. 0,68 = 4,08 (w) Ngồi ra công suất tiêu thụ của cổng AND và các bộ điều chỉnh chiếm khoảng 5% 4. Do đó ta có công suất sử dụng nguồn nuôi: Pn = 1,05 (P1 + P2 + P3 ) = 1,05 ( 27 +0,027 + 4,08 )= 33 (w) 5. Công suất máy biến áp có kể đến hệ số dự trữ trong máy: S = kdt.Pn = 1,1.33 = 37 (VA) Trong đó kdt =1,1 : Hệ ssó dự trữ của máy 6. Dòng điện thứ cấp máy biến áp:



I2 = ( )2

37 1,373 3.9

S AU

= =

7. Dòng điện sơ cấp máy biến áp: I1 = ( )

1

37 0,0343 3.380S AU

= =

8. Tiết diện trụ máy biến áp được tính theo công thức kinh nghiệm:

QT = ka ( )2376. 2,97. 3.50S cm

m f= =

Trong đó ka =6 : Hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát . m = 3 : Số trụ đặt dây quấn máy biến áp . f = 50 (Hz) : Tần số điện áp lưới . 9. Chuẩn tiết diện theo bảng [ 3 ]: QT = 2,91 (cm2) , chọn lá thép có bề dày 0,35 (mm). Loại III có a × b =20 × 20 A = 20 (mm) B = 20 (mm) H = 50 (mm) Hệ số ép chặt kc = 0,9

Hình 1.7.1 : Kích thước mạch từ biến áp . 10. Chọn mật độ từ cảm trong trụ: BT = 1 (T) 11. Số vòng dây quấn sơ cấp: W1 = 1

4

380 58824, 44. . . 4, 44.50.1.2,91.10T

Uf B Q −= = (vòng)

12. Chọn mật độ dòng điện: J1 = J2 = 2,5 (A/mm2) 13. Tiết diện dây quấn sơ cấp:



S1 = ( )21

1

0,034 0,01362,5

I mmJ

= =

14. Đường kính dây quấn sơ cấp:

d1 = ( )14 4.0,0136 0,1316S mmπ π

= =

Chuẩn hố d1 = 0,14 (mm), đường kính kể cả cách điện là dn1 = 0,16(mm) 15. Số vòng dây quấn thứ cấp: W2 =W1 2

1

95882. 140380

UU

= = (vòng)

16. Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = ( )22

2

1,37 0,5482,5

I mmJ

= =

17. Đường kính dây quấn thứ cấp:

d2 = ( )4 4.0548 0,836S mmπ π

= =

Chuẩn hố đường kính d2 =0,86 (mm), đường kính kể cả cách điện là dn2=0,92(mm) 18. Chọn hệ số lấp đầy: klđ = 0,7

Với klđ =( )2 2

1 1 2 24.

n nd w d w

c h

π +

19. Chiều rộng cửa sổ mạch từ:

C =( ) ( )

( )2 2 2 2

1 1 2 2 0,16 .5882 0,92 .1404 4 6

0,7.50

n n

ld

d w d wmm

k h

π π+ += =

Chọn C = 8 (mm), trong đó 8 - 6 = 2 (mm) dùng cho cách điện lõi, sơ cấp, thứ cấp . 20. Chiều rộng tồn bộ mạch từ: L = 2C +3a = 2.8 + 3.20 = 76 (mm) 21. Chiều cao mạch từ: H = h + 2a = 50 + 2.20 = 90 (mm) 8.1 Tính chọn Diốt cho nguồn nuôi: 1. Dòng điện hiệu dụng qua Diốt: IDhd = ( )2 1,37 0,97

2 2I A= =

2. Điện áp ngược lớn nhất mà Diốt chịu được: UNmax = ( )26. 6.9 22U V= = 3. Chọn Diốt có dòng định mức: Iđm≥ ki.IDhd = 10 .0,97 = 9,7 (A) 4. Chọn Diốt chịu được điện áp ngược lớn nhất là: UN = kuUNmax = 2.22 = 44 (V)



5. Chọn 12 Diốt loại: B – 15 có UN = 100 ÷ 1000 (V), dòng hiệu dụng trung bình là Itb = 15 (A)

CHƯƠNG IV TÍNH CÁC THÔNG SỐ VÀ ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG HỞ 1. Tính các thông số: Các thông số đã cho U = 200 (V) Iđm = 32,6 (A) Rư = 0,668 (Ω) ω = 105 (rad/s) kφđm = 1,86 (vs) Điện trở của bộ biến đổi . Rbđ = Rv + Rba + Rkcb + Rγ Trong đó : Rv : Điện trở của van Rv ≈ 0 Rba = 0,349 (Ω) : Điện trở của máy biến áp Rk cb = 0,057 (Ω) : Điện trở của cuộn kháng cân bằng Rγ =

2 bam xπ

: Điện trở đẳng trị do chuyển mạch van

Vậy Rbđ = 0,349 + 0,057 + ( )3 .0,199 0,5012π

= Ω

Điện trở tổng của cả mạch là . RΣ = Rư + Rbđ = 0,668 + 0,501 = 1,169 (Ω) Độ cứng đặc tính cơ của hệ .

βCL – Đ = ( )2 21,86 31,169

dmKRφ

Σ

= =

Để tốc độ của hệ đi qua điểm làm việc định mức thì ta có.

ωhệ = ( )d0

dm

235.5 126,6 rad / s1,86

Uk

= =φ

Đặc tính cơ không tải của động cơ . ωo = ωđm + ( )60,6105 116,7 /

5,179= + =

dc

M rad sβ

Đặc tính cơ thấp nhất của hệ hở . ωmin = ( )105 11,67 /

9dm rad s

Dω

= =

Tốc độ không tải lý tưởng thấp nhất của hệ .



ω0min = ωmin + ( )60,611,67 31,87 /3

dm

CL D

M rad sβ −

= + =



2. Đồ thị đặc tính cơ của hệ hở:

ω

b®

ΔωΤΝ§TTN} }Δω hÖ

3. Đánh giá chất lượng của hệ hở: Từ đồ thị đặc tính cơ, ta thấy đặc tính của hệ mềm hơn đặc tính tự nhiên của động cơ. Sụt tốc tĩnh của động cơ khi điện áp nguồn không đổi . ΔωTN = ( )0,668 32,6 11,7 /

1,86u

udm

R I rad sKφ

= =

Sụt tốc tĩnh của hệ ứng với tải định mức . Δωhệ = ( )1,169 32,6 20, 48 /

1,86udm

R I rad sKφ

Σ = =

Dải điều chỉnh . D =

min

105 911,67

dmωω

= =

Sai số cho phép của hệ hở . Scp = ( )

0min

20, 48 0,64 /31,87

he rad sωωΔ

= =

Hiệu suất của hệ hở . ηhệ =ηĐ.ηCL Hiệu suất của chỉnh lưu ở chế độ định mức . ηCL = 0

. 220.32,6 0,73 . .cos 3.201.18,9.cos 20

d d

f f

U IU I ϕ

= =

lấy ϕ = 200 Hiệu suất của động cơ .

ηĐ = 36.10 0,84

220.32,6ra

vao

PP

= =



Hiệu suất của hệ . ηhệ =ηĐ.ηCL = 0,7.0,84 = 0,59 • Kết luận: Từ đồ thị đặc tính cơ ta thấy đặc tính cơ của hệ Chỉnh lưu – Động cơ mềm hơn đặc tính tự nhiên của động cơ khi chưa có bộ biến đổi. Nguyên nhân là vì điện trở của bộ biến đổi gần bằng điện trở của động cơ nên làm cho đặc tính cơ của hệ mêm hơn đặc tính tự nhiên. Để đặc tính cơ của hệ được cứng hơn ta thiết kế mạch vòng làm phản hồi tốc độ và phản hồi dòng điện, thì khi đó đặc tính cơ của hệ sẽ cứng hơn và phạm vi điều chỉnh sẽ rộng hơn. Nhưng vì thời gian có hạn với lại thầy không yêu cầu tính mạch vòng phản hồi nên em không tính

mientayvn.commientayvn.com/dien tu/tai_lieu/dien_dan/dieu_khien... · khi đọc qua tài liệu...

Documents