Thiết kế bộ chỉnh lưu có đảo chiều cung cấp cho động cơ điện một chiều

ác biểu thức có sự liên quan đến những đại lượng đã biết và đại lượng cần tìm . Tính chọn, thiết kế các phân tử mạch công suất chọn van, các điều khiển làm mát mạch, bảo vệ tính toán thiết kế kiểm tra máy biến áp bộ lọc . Giới thiệu mạch điều khiển cho toàn bộ hệ thống phân chia khối chức năng. Nêu nguyên lý hoạt động của các khối chức năng thông qua đồ thị dạng dòng điện, điện áp hoặc dạng xung ở một số điểm nút chính. Tính chọn phần tử cơ bản của mạch điều khiển. Giới thiệu các mạch phản hồi : dòng điện, điện áp, tốc độ...Phân tích nguyên tắc hoạt động và tính chọn các phần tử cơ bản. Toàn bộ phần thuyết minh được hoàn thành ở dạng quyển khổ A4. Toàn bộ sơ đồ nguyên lý, bao gồm cả mạch lực và hệ điều khiển được vẽ trên giấy khổ A1 có kí hiệu đầy đủ các phần tử và trình bày theo mẫu vẽ kỹ thuật. Đề bài : Thiết kế bộ chỉnh lưu có đảo chiều cung cấp cho động cơ điện một chiều có các thông số sau: Điện áp nguồn : 3 . 380 VAC ; ± 10% ; 50Hz. Động cơ : 30kw ; 440 VDC ; 1500v/ph. Lời nói đầu Ngày nay ,không chỉ ở các nước phát triển ,ngay ở nước ta các thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và cả trong sinh hoat gia đình .các xí nghiệp và nhà máy như xi măng ,thuỷ điện giáy ,đường ,dệt ,sợi ,đóng tàu là những minh chứng. Nhờ chủ trương mở cửa ngày càng có thêm nhiều xí nghiệp mới dây trruyền sản xuất mới ,đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện những kiến thức về điện tử công suất về vi mạch và vi xử lý .Xuất phát tử yêu cầu thực tế và tầm quan trọng của bộ môn điện tử công suất các thày cô trong bộ môn điện tử công suất đã cho chúng em từng bước tiếp xúc với việc thiết kế thông qua đồ án điện án thông qua đồ án môn hoc điện tử công suất . Ngày nay, nền kinh tế nước ta đang phát triển mạnh mẽ, đời sống nhân dân cũng nâng cao nhanh chóng. Nhu cầu về tự động hoá trong các lĩnh vực công nghiệp cũng như các lĩnh vực khác tăng trưởng không ngừng. Điều này đòi hỏi đội ngũ kỹ sư phải nắm bắt và thiết kế ra những hệ điều khiển tự động phục vụ thiết thực cho các lĩnh vực của cuộc sống. Đồ án môn học là một yêu cầu cần thiết và bắt buộc với sinh viên ngành tự động hoá. Nó kiểm tra và khảo sát trình độ thực tế của sinh viên và giúp cho sinh viên có tư duy độc lập vơí công việc. Mặc dù vậy , với sinh viên chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế , cần có sự giúp đỡ của các thầy cô giáo nên trong đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót. Qua đây, em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo đã hướng dẫn , chỉ bảo em tận tình để em hoàn thành tốt đồ án này. ChươngI Giới thiệu Chung về động cơ điện một chiều I.Động cơ điện một chiều Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều : Trong nền sản xuất hiện đại , động cơ một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện xoay chiều thông dụng . Do động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt , khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải . Chính vì vậy mà động cơ một chiều được dùng nhiều trong các nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép , hầm mỏ, giao thông vận tải ... mà điều quan trọng là các nghành công nghiệp hay đòi hỏi dùng nguồn điện một chiều . Bên cạnh đó , động cơ điện một chiều cũng có những nhược điểm nhất địnhcủa nó như so với máy điện xoay chiều thì giá thành đắt hơn chế tạo và bảo quản cổ góp điện phức tạp hơn ( dễ phát sinh tia lửa điện )... nhưng do những ưu điểm của nó nên động cơ điện một chiều vẫn còn có một tầm quan trọng nhất định trong sản suất . Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều hiện nay vào khoảng 10000 KW , điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000 V . Hướng phát triển hiện nay là cải tiến tính năng của vật liệu , nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những động cơ có công suất lớn hơn ...Giản đồ kết cấu chung của đông cơ điện một chiều ở hình dưới :phần ứng được biểu diễn bởi vòng tròn bên trong có sức điện động E,ở phần stato có vài dây quấn kích từ :dây quấn kích từ độc lập CKĐ, dây quấn kích từ nối tiếp CKN,dây quấn cực từ phụ CF,và dây quấn bù CB.Hệ thống các phương trình 2.Cấu tạo của động cơ điện một chiều. Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính : phần tĩnh và phần động. 2.1.Phần tĩnh hay stato. Đây là đứng yên của máy , bao gồm các bộ phận chính sau: a, Cực từ chính : là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ . Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt . Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối . Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông . Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ . Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau. b, Cực từ phụ : Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều . Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu rạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông. c, Gông từ : Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại. Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy. d, Các bộ phận khác. Bao gồm: - Náp máy : Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang. - Cơ cấu chổi than : để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặy lên cổ góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại. 2.2 Phần quay hay rôto. Bao gồm những bộ phận chính sau : a, Lõi sắt phần ứng : dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì dặt dây quấn vào. Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lạ thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió. Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt. Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto. b, Dây quấn phần ứng. Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài kw thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có làm bằng tre, gỗ hay bakelit. c, Cổ góp : dùng để đổi chiều dòng điẹn xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng. d, Các bộ phận khác. - Cánh quạt : dùng để quạt gió làm nguội máy. Máy điện một chiều thường chế tạo theo kiểu bảo vệ. ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên trục máy , khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ. Gió đi qua vành góp, cực từ lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy. - Trục máy : trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt. Chương II Hệ thống chỉnh lưu động cơ điện một chiều I. Các phương pháp chỉnh lưu. - Các bộ chỉnh lưu đảo chiều dùng cho động cơ 1 chiều cần quay theo cả 2 chiều với chế độ làm việc ở cả 4 góc điều chỉnh - Tuỳ theo yêu cầu về chất lượng điều chỉnh mà có thể sử dụng các sơ đồ sau: Dùng phương pháp đảo chiều bằng đảo đấu điện áp đặt vào phần ứng động cơ nhờ 2 mạch chỉnh lưu: Dùng phương pháp đảo chiều kích từ Đảo chiều phần ứng động cơ bằng công tắc tơ T và N 4. Đảo chiều kích từ bằng công tắc tơ T và N Nhận xét : - Hai sơ đồ 3,4 chỉ áp dụng cho hệ thống không đòi hỏi cao về chất lượng đảo chiều, thông dụng và đáp ứng được yêu cầu chất lượng sơ đồ hình1. - Để đấu 2 mạch chính với nhau cấp ra một tải có 2 kiểu là: kiểu đấu chéo số 8 và đấu song song ngược. - Có 2 phương pháp điều kiển đảm bảo mạch hoạt động bình thường là phương pháp điều khiển chung và phươg pháp điều kiển riêng Phương pháp điều khiển chung - Lúc này cả 2 mạch CL cung được phát xung điều khiển, nhưng luôn khác chế độ nhau : một mặt ở chế độ CL (xác định dấu của điện áp một chiều ra tải cũng là chiều quay đang cần có) mạch kia là chế độ nghịch lưu (là quá trình chuyển năng lượng điện áp từ phía dòng một chiều sang dòng xoay chiều). Vì hai mạch cùng đấu cho một tải nên giá trị trung bình của chúng phải gần bằng nhau: Ut = Ud1= - Ud2 - Nếu dòng điện liên tục ta có: Ud1=Ud0 . cosa1 Ud2=Ud0 . cosa2 Vậy Ud0 . cosa1= - Ud0 . cosa2 Hay cosa1 + cosa2= 0 a1 + a2=1800 Biều thức này chính là luật phối hợp điều khiển của phương pháp này. - Tuy nhiên luật này mới chỉ đảm bảo sự cân bằng về giá trị một chiều, còn giá trị tức thời của điện áp chỉnh lưu hai mạch là khác nhau Ud1 ạ Ud2 Sự chênh lệch điện áp giữa chúng làm xuất hiện một dòng điện quẩn giữa hai mạch van mà không qua tải . - Để hạn chế dòng điện này cần phải dùng thêm cuộn kháng Lcb mắc nối mạch chỉnh lưu với tải . Như thế làm tăng công suất đặt và giá thành hệ thống . Tuy nhiên phương pháp điều khiển này cho phép điều chỉnh nhanh tối đa. Phương pháp điều khiển riêng - Khi điều khiển riêng hai bộ biến đổi làm việc riêng rẽ nhau, tại một thời điểm chỉ phát xung điều khiển vào một bộ biến đổi còn một bộ bién đổi kia bị khoá do chưa có xung điều khiển. Hệ có hai bộ biến đổi là BĐ1và BĐ2 với các mạch phát xung điều khiển tương ứng là FX1 và FX2 . Trật tự hoạt động của bộ phát xung này được quy định bởi các tín hiệu lôgic b1 và b2. Quá trình hãm và đảo chiều được mô tả bằng đồ thị thời gian. Trong khoảng thời gian từ 0 -> t1 bộ BĐ1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu với a1 p/2 và sao cho dòng điện phần ứng không vượt quá giá trị cho phép động cơ được hãm tái sinh. Nếu nhịp điệu giảm a2 phù hợp với quán tính của hệ thì có thể duy trì dòng điện hãm và dòng điện khởi động ngược không đổi , điều này được thực hiện bởi các mạch vòng điều chỉnh tự động dòng điện của hệ thống trên sơ đồ của khối lôgic LOG , iLĐ , iL1 , iL2 là các tín hiệu lôgic đầu vào b1,b2 là các tín hiệu lôgic đầu ra để khoá các bộ phát xung điều khiển. iLĐ = 1 phát xung điều khiển mở BĐ1. iLĐ = 0 phát xung điều khiển mở BĐ2. i1L (i2L) = 1 có dòng điện chảy qua bộ BĐ1 và BĐ2 b1(b2) = 1 khoá bộ phát xung FX1 và FX2. Từ mạch lôgic trên ta có: Nhận xét: Hệ truyền động van đảo chiều điểu khiển riêng có ưu điểm làlàm việc an toàn ,không có dòng điện cân bằng chảy giữa các bộ biến đổi nên không cần thiết kế cuộn kháng cân bằng ,song cần một khoảng thời gian trễ trong đó dòng điện động cơ bằng không. Do nguyên tắc điều khiển riêng dùng hai bộ biến đổi làm việc độc lập, trong một thời điểm thì chỉ có một bộ BĐ làm việc còn bộ BĐ kia phải chắc chắn khoá( có nghĩa là dòng điện qua bộ BĐ này phải bằng “0”). Ta sẽ dùng xenxơ dòng điện để nhận biết có dòng điện chạy qua bộ BĐ hay không. Ta dùng một khâu thuật toán so sánh LM311: tín hiệu dòng điện qua xenxơ được hạ trên một điện trở RS tạo ra tín hiệu điện áp Vi. Đầu ra chân 7 mắc với nguồn nuôi +5V qua điện trở kéo lên 1kW. Đất của bộ so chân 1 được mắc vào đầu nối đất của mạch. Cách mắc này dẫn đến đầu ra có các trạng thái khả dĩ là 0 và 5V .Lôgic của mạch là: V0 =5V đối với Vi > 0 V0 =0V đối với Vi < 0 Nếu V0 = 5V nghĩa là bộ BĐ đó có dòng điện chạy qua. Nếu V0 = 0V có nghĩa là bộ BĐ đó không có dòng điện chạy qua . Do mạch điểu khiển riêng cần có thời gian tạo trễ nên ta chọn bộ tạo trễ là op-amp 741 Chọn C=0,1mF , R’=10kW ,R=100W -Điện áp ra chậm pha hơn so với điện áp vào Hàm truyền đạt của mạch : II. Bộ biến đổi bán dẫn công suất trong truyền dòng điện Giới thiệu sơ đồ chỉnh lưu từ lưới điện Một trong những yêu cầu quan trọng nhất của thiết bị chỉnh lưu là điều chỉnh điện áp và dòng điện đầu ra trên phụ tải. - Đối với chỉnh lưu không điều khiển yêu cầu trên được thực hiện bằng cách dùng biến áp nguồn nhiêù đầu để thay đổi giá trị sđđ E. Tuy nhiên cách này chỉ có thể điều chỉnh nhảy cấp và đối với những chỉnh lưu công suất lớn thì không dùng được. - Trong hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển động cơ một chiều bộ biến đổi là các mạch chỉnh lưu điều khiển. - Các bộ biến đổi có thể dùng : + Bộ biến đổi điện từ : Khuyếch đại từ. + Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn : Chỉnh lưu Tiristor. + Bộ biến đổi xung áp một chiều : Tiristor hoặc Transior. Do những ưu điểm nổi bật của bộ chỉnh lưu Tiristor có thể thay đổi thời điểm đặt xung điện áp lên cực điều khiển, ta sẽ điều chỉnh được điện áp và dòng điện chỉnh lưu. Việc điều chỉnh này được thực hiện vô cấp và không cần tiếp điểm. Hơn nữa yêu cầu đồ án là bộ chỉnh lưu có đảo chiều cấp cho động cơ điện một chiều nên em chọn bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn dùng Tiristor. * Chỉnh lưu điều khiển (Tiristor) Cho phép thực hiện các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống điện điện một chiều với độ tự động hoá cao nên được sử dụng rộng rãi, nhất là sơ đồ cầu do đấu trực tiếp vào lúc điện không phải dùng biến áp lực như sơ đồ hình tia . - Trong hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển - điều chỉnh một chiều, bộ biến đổi điện là các mạch CL điều khiển có sđđ Ed phụ thuộc vào giá trị của pha xung điều khiển (góc điều khiển ). Chỉnh lưu có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng điện kích thích động cơ. Tuỳ theo yêu cầu của truyền động mà có thể chia làm các loại sau : số pha : 1 pha , 2 pha , 3 pha , 6 pha sơ đồ nối : hình tia , hình cầu đối xứng và không đối xứng số nhịp :số xung áp đập mạnh trong thời gian một chu kỳ lấy điện áp nguồn - Khoảng điều chỉnh : là vị trí của đặc tính ngoài trên phẳng toạ độ [Ud,Id] . - Chế độ năng lượng : chỉnh lưu, nghịch lưu phụ thuộc . - Tính chất dòng tải :liên tục và gián đoạn. - Chế độ làm việc của chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển và các tính chất của tải trong truyền động điện. Tải của CL thường là cuộn kích từ (L– R) hoặc là mạch phần ứng động cơ (L – R –E). Chỉnh lưu điều khiển ba pha hình tia * Chế độ dòng liên tục Khi dòng điện chỉnh lưu id là liên tục. Suất điện động chỉnh lưu là những đoạn hình sin nối tiếp nhau, giá trị trung bình của suất điện động chỉnh lưu được tính như sau : Trong đó : we tần số góc của điện áp xoay chiều a góc mở ban đầu (hay góc điều khiển) tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên . a0: góc điều khiển tính từ thời điểm suất điện động bắt đầu dương. Hình : Sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển hình tia 3 pha . Trong mạch tải có điện cảm L nên id thực tế là dòng liên tục id. Góc mở a được tính từ giao điểm của hai điện áp pha (gần giá trị dương). Giá trị trung bình của điện áp tải : Phương trình vi phân mô tả mạch thay thế: Với sơ kiện khi q = a0 thì id = I0 có nghiệm sau Trong đó: Giá trị trung bình của điện áp tải: * Trùng dần - Giả sử T1 đang cho dòng chảy qua it1 = id Khi q = q2 cho xung điều khiển mở T2 cả hai tiristor T1 và T2 đều cho dòng chảy qua làm ngắn mạch 2 nguồn ea và eb. Nếu chuyển gốc toạ độ từ q sang q2 ta có: Điện áp ngắn mạch : Dòng điện ngắn mạch được xác định bởi phương trình : Giả thiết quá trình chuyển mạch kết thúc khi q = q3 Vậy m = q3 - q2 là góc trùng dần. khi q = m , i = 0 , ic = it2 = id Do đó có phương trình chuyển mạch Hình dạng của điện áp tải Ud, trong giai đoạn trùng dẫn. - Điện áp tải Ud trong giai đoạn trùng dần được xác định : - Trong giai đoạn trùng dần, điện áp tải Ud nhỏ hơn so với trường hợp lý tưởng, giá trị trung bình của điện áp bị sụt đi một lượng DUm Xác định: DUm = Mà ta lại có : cosa - cos(m + a) = DUm = Sơ đồ cầu 3 pha Cầu 3 pha gồm có 6 tiristor chia thành hai nhóm + Nhóm catốt chung : T1,T3 và T5 + Nhóm anốt chung : T4,T6 và T2 Điện áp các pha thứ cấp MBA Góc mở a được tính từ giao điểm của cái nửa hình sinUs Hoạt động của sơ đồ Giả thiết T5 và T6 đang cho dòng chảy qua Vt=Vc ,Vg=Vb : Khi q = q1 = p/6 + a cho xung điều khiển mở T1 tisritor này mở vì ua > 0. Sự mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì ua > ub. Lúc này T6 và T1 cho dòng chảy qua, điện áp trên tải: Ud = Uab = Ua - Ub Khi q = q1 = 3p/6 + a cho xung điều khiển mở T2 tisritor này mở vì khi T6 dẫn dòng , nó đặt Ub lên anốt T2 . Khi q = q2 thì Ub > Uc . Sự mở T2 làm cho T6 bị khoá lại một cách tự nhiên vì Ub >Uc . Các xung điều khiển lệch nhau p/3 được lần lượt đưa đến điều khiển của tisritor theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6...1 Trong mỗi nhóm , khi một tisritor mở, nó sẽ khoá ngay tisritor dẫn dòng trước nó Thời điểm Mở Khoá q1 = p/6 + a q2 = 3p/6 + a q3 = 5p/6 + a q4 = 7p/6 + a q5 = 9p/6 + a q6 = 11p/6 + a T1 T2 T3 T4 T5 T6 T5 T6 T1T2 T3 T4 Giá trị trung bình của điện áp trên tải + Đường bao phía trên biểu diễn điện thế của điểm F + Đường bao phía dưới biểu diễn điện thế của điểm G Điện áp trên mạch tải là Ud = Uf - Ug là khoảng cách thẳng đứng giữa 2 đường bao Cũng có thể tính Ud = Ud1 - Ud2 trong đó Ud1 là giá trị trung bình của ud1 do nhóm catốt chung tạo nên, còn Ud 2 là giá trị trung bình của ud 2 do nhóm anốt * Trùng dẫn - Giả thiết T1 và T2 đang dẫn dòng Khi q = q1 cho xung điều khiển mở T3 . Do Lc ạ 0 nên dòng iT3 không thể đột ngột tăng từ 0 đến Id và dòng iT1 cũng không thể đột ngột giảm từ Id đ 0 cả ba tiritor đều dẫn dòng T1, T2 ,T3. Hai nguồn Ea và Eb nối ngắn mạch . Nếu chuyển gốc toạ độ từ 0 đ q1 ta có: Điện áp ngắn mạch: Dòng ngắn mạch ic được xác định bởi phương trình : Dòng điện chảy trong T1 là iT1 = id - ic Dòng điện chảy trong T3 là iT3 = ic - Giả thiết quá trình trùng dẫn kết thúc khi q = q2 , m = q2 - q1 là góc trùng dần. Khi q = m , iT1 = 0 Hình dạng điện áp tải Ud trong quá trình trùng dẫn trong khoảng (q1,q2) T2 dẫn dòng T1 và T3 trùng dẫn dòng . Vậy có thể viết phương trình sau: Từ 3 phương trình trên rút ra: Do trùng dẫn (Lc ạ 0) nên giá trị trung bình của điện áp tải giảm đi một lượng DUm tính theo công thức sau: Mà * Nghịch lưu phụ thuộc - Nghịch là quá trình chuyển năng lượng từ phía dòng một chiều sang dòng xoay chiều (quá trình chuyển năng lượng ngược lại với chế độ CL ). Trong hệ TĐĐ một chiều, động cơ điện cần làm việc ở những chế độ khác nhau trong đó có lúc động cơ trở thành máy phát điện. Năng lượng phát ra này trả về lưới điện xoay chiều. Để thoả mãn yêu cầu này bộ CL chuyển sang hoạt động ở chế độ nghịch lưu vì nó hoạt động (đồng bộ ) theo nguồn xoay chiều nên gọi là nghịch lưu phụ thuộc. -Như vậy mạch điện lúc này có 2 nguồn sức điện động : e1 :sđđ lưới xoay chiều Ed:sđ đ một chiều Ta biết rằng một nguồn sức điện động sẽ phát được năng lượng nếu chiều sức điện động và dòng điện trùng nhau,ngược lại nó sẽ nhận năng lượng khi chiều sức điện động và dòng điện ngược nhau .Xuất phát từ nguyên tắc trên ta thấy rằng với bộ chỉnh lưu chỉ cho phép dòng điện đi theo một chiều xác định thì để có chế độ nghịch lưu cần phải thực hiện hai điều kiện : +Về phía một chiều :bằng cách nào đó chuyển đổi chiều Ed để có chiều dòng và Ed trùng nhau. +Về phía xoay chiều :điểu khiển mạch chỉnh lưu sao cho điện áp ud <0 để có dấu phù hợp dòng tức là bộ chỉnh lưư làm việc chủ yếu ở nửa chu kỳ âm của lưới điện. +Trong trường hợp không đảo được chiều Ed ta buộc phải dùng một mạch chỉnh lưu khác đấu ngược với mach cũ để dẫn được dòng điện theo chiều ngược lại. -Như vậy nghịch lưu phụ thuộc thực chất là chế độ khi bộ chỉnh lưu làm việc với góc điểu khiển lớn .Do đó toàn bộ các biểu thức tính toán vẫn đúng chỉ cần lưu ý rằng Ed có giá tri âm. Nhận xét: Do yêu cầu chỉnh lưu có đảo chiều nên ta chọn chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng . Chương III Thiết kế và tính toán mạch lực Động cơ có: Udm =440 V , ndm =1500v/p , P =30kW Lựa chọn sơ đồ thiết kế Sau khi phân tích đánh giá về chỉnh lưu và nghịch lưu từ các ưu điểm của các sơ đồ chỉnh lưu với tải và các động cơ điện một chiều có công suất vừa phải thì ta dùng chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng là hợp lý hơn cả bởi lẽ ở công suất này để tránh lệch tải điện áp , không thể thiết kế theo sơ đồ một pha, sơ đồ tia ba pha sẽ làm mất đối xứng điện áp nguồn. Nên trong đồ án này ta chọn sơ đồ thiết kế chọn là sơ đồ cầu ba pha. Các thông số cơ bản còn lại của động cơ U2a,U2b,U2c sức điện động thứ cấp máy biến áp nguồn E : sức điện động của động cơ R, L :điện trở, điện cảm trong mạch R = 2.Rba + Ru + Rk + Rdt L = 2.Lab + Lu + Lk Rba, Lba : điện trở, điện cảm của MBA qui đổi về thứ cấp. Rk, Lk : điện trở và điện cảm cuộn kháng lọc Rdt : điện trở mạch phần ứng động cơ được tính : Lư : điện cảm mạch phần ứng động cơ được tính theo công thức: II. Tính chọn Tiristo Tính chọn dựa vào các yếu tố cơ bản của dòng tải , sơ đồ đã chọn , điều khiển toả nhiệt , điện áp làm việc , các thông số cơ bản của van được tính như sau : Unmax = (p/3). Ud = (p/3) . 440 = 460,76(V) Ulv = knv . U2 = knv . Ud / ku Điện áp ngược của van cần chọn Unv = kdt . Unmax = 1,8 . 460,76 = 829,38(V) Ungmax = Ungmaxth / 0,7 = 658,2 (V) Trong đó kdtU : hệ số dự trữ điện áp chọn ktdU = 1,8 Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng điện dòng hiệu dụng: ( trong sơ đồ cầu ba pha ) Chọn điều khiển làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ điện tích toả nhiệt không có quạt đối lưu không khi với điều khiển đó Idmv từ các thông số Unv , Iđmv ta chọn 6 tiristor loại có thông số sau điện áp ngược cực đại của van 1000(V) dòng điện định mức của van 200(A) đỉnh xung dòng điện 4000(A) dòng điện của xung điều khiển 100mA điện áp của xung điều khiển 3,0(V) dòng điện rò 20mA sụt áp lớn nhất của tiristor ở trạng thái dẫn DU = 1,6(V) tốc độ biến thiên điện áp tốc độ biến thiên dòng điện dòng điện tự giữ 200mA thời gian chuyển mạch tcm = 90ms nhiệt độ làm việc cực đại cho phép Tmax =15000C III. Tính toán MBA chỉnh lưu + Tính toán từ mạch * Tính trụ Tiết diện trụ sơ bộ của trụ T được tính theo công thức: T = (p/4) .k2 . Sf là công suất pha của máy biến áp 3 pha kq = 5 -> 6 là hệ số kinh nghiệm ta chọn k = 6 T = ( p/4 ). 62 Chiều cao sơ bộ của trụ được tính theo công thức : b là hệ số cho biết hệ số quan hệ giữa chiều cao và chiều rộng thường lấy b =1,3. Chọn mạch từ hình chữ E được ghép từ những lá tôn Silic loại 310 có Bề dày tôn : 0,35mm Tổn hao là : 1,7 W/kg Tỷ trọng : d = 7,8kg/dm3 Tiết diện của trụ T=a.b - Chọn MBA ba pha ba trụ sơ đồ đấu dây D (làm mát bằng không khí tự nhiên) - Tính các thông số cơ bản Tính công suất biểu kiến của MBA: S = K.P =1,05.P = 1,05 . 30000 = 31500(VA) Điện áp pha sơ cấp của MBA U1=380(V) Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp Phương trình cân bằng điện áp khi có tải : Udo . cos (amin) = Ud + 2.DUv + DUdn + DUba Trong đó amin = 100 góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới . DUv = 1,6(v) sụt áp trên tiristor DUdn = 0 sụt áp trên dây nối DUba = DUr + DUx : sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp. Chọn sơ bộ DUba = 6%.Ud = 6% . 440 = 26,4(V) Từ phương trình cân băng điện áp tải ta có: Điện áp pha thứ cấp : Dòng điện hiệu dung thứ cấp MBA: Dòng điện hiệu dụng sơ cấp MBA: + Tính sơ bộ mạch từ. Tính tiết diện sơ bộ trụ: kq : Hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát kq= 6 m : số trụ của MBA = 3 f : tần số nguồn xoay chiều f = 50Hz Đường kính trụ: Chuẩn hoá đường kính theo chuẩn d = 11(cm) - Chọn loại thép 330 các lá thép có độ dày 0,5 mm Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ B =1(T) Chọn tỉ số m = h/d = 2,3 -> h = 2,3 . d = 2,3 . 11 =25,3(cm) Thông thường m = 2-> 2,5 Chọn chiều cao trụ h = 25(cm) - Tính toán dây quấn Số vòng dây mỗi pha sơ cấp MBA: (vòng) Số vòng dây mỗi pha thứ cấp MBA: (vòng) w2 = 106 (vòng) - Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong MBA với dây dẫn bằng đồng MBA khô chọn : J1 = J2 = 2,75(A/mm2) Tiết diện dây dẫn sơ cấp MBA: Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật, cách điện cấp B chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn: S1 = 11,30(mm2 ). Kích thước dây có kể cách điện : S1= a1.b1= 1,56 . 7,4(mm2). Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp Tiết diện dây dẫn thứ cấp MBA: Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật, cách điện cấp B . Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn: S2 = 20,30(mm2). Kích thước dây có kể cách điện: S2 = a2 . b2 = 3,53 . 5,9(mm2). Tính lại mật độ độ dòng điện trong cuộn thứ cấp : Kết cấu dây quấn sơ cấp : Thực hiện dây quấn theo kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trụ Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp : (vòng) Trong đó : ke = 0,95 hệ số ép chặt h : chiều cao trụ hg : khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp Chọn sơ bộ khoảng cách hg=1,5 cm - Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn sơ cấp: (lớp) Chọn lớp n11 = 7 lớp. Như vậy có 197 vòng chia làm 7 lớp , chọn 6 lớp đầu 29 vòng , lớp thứ 7 có 197 – 6 . 29 = 23 (vòng) Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp : Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dầy : S01=0,1 (cm) Khoảng cách từ trụ tới cuộn sơ cấp a01= 1,0(cm) Đường kính trong của ống cách điện Dt = Dfe + 2 . a01 – 2 .S 01 = 11 + 2.1 - 2.0,1 = 12,8(cm) Đường kính trong của cuộn sơ cấp Dt1 = Dt + 2 . S01 = 12,8 + 2 . 0,1 = 13(cm) Chọn bề dầy cách điện giữa các lớp dày ở cuộn sơ cấp cd11 = 0,1(mm) Bề dày cuộn sơ cấp Bd1 = (a1 + cd11) . n11 = (1,56+0,1).7 = 11,62(mm) = 1,162(cm) Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp Dn1 = Dt1 + 2 . Bd1 = 13 + 2.1,162 = 15,324(cm) Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp : Dtb1 = ( Dt1 + Dn1 ) / 2 = (13 + 15,324 )/2 = 14,162 (cm) Chiều dày dây cuộn sơ cấp : l1 = w1 . p . Dtb = p.197.14,162 = 8764,7(cm) = 87,64(m) Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp : cd01 = 1,0(cm) Kết cấu dây quấn thứ cấp Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp h1 = h2 = 22,8(cm) Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp: vòng) Tính sơ bộ số lớp dây quấn trên cuộn thứ cấp : (lớp) Chọn số lớp dây cuốn n12 = 3 lớp , chọn 2 lớp đầu có 36 vòng ,lớp thứ ba có 106 - 2.36 = 34 (vòng) Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp : Đường kính trong của cuộn thứ cấp : Dt2 = Dn1 + 2 . a12 = 15 , 324 + 2,1 = 17,324(cm) Chọn bề dầy cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp cd22 = 0,1(mm) Bề dầy cuộn sơ cấp : Bd2 = (a2 + cd22) .n12 = (0,353+0,01) .3 = 1,089(cm) Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp: Dn2 = Dt2 + 2 .Bd2 = 17,324 + 2 . 1,089 = 19,502(cm) Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp : Dtb2 = ( Dt2 + Dn2 ) / 2 = (17,324 + 19,502) / 2 = 18,413(cm) Chiều dài dây quấn thứ cấp : l2 = p . w2 . Dtb2 = p.106.18,413 = 61,32(m) Đường kính trung bình các cuộn dây: D12 = ( Dt1 + Dn2 ) / 2 = (13 + 19,502 ) /2 = 16,251(cm) -> r12 = D12/2 =8,125 (cm) Chọn khoảng cách giữa 2 cuộn thứ cấp a22 = 2(cm) Tính kính thức mạch từ Với đường kính d =11cm , ta có số bậc là 6 trong nửa tiết diện trụ Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ: Q’= 2.(1,6.10,5+1,1.9,5+0,7.0,8+0,6.7,5+0,4.6,5+0,74) = 86,2(cm2) Tiết diện hiệu quả của trụ : Qt = khq . Q’ = 0,9.86,2 = 81,89(cm2) Tổng chiều dày các bậc thang của trụ: d = 2. (1,6 + 1,1 + 0,7 + 0,6 + 0,4 + 0,7) = 10,2(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 b = d =10,2(cm) Chiều cao của gông bằng chiều rộng của tập lá thép thứ nhất của trụ a = 10,5 cm Tiết diện gông Q = a . b = 107,1(cm2) Dựa vào m = h/a = 2,3/2,5 n = c/a= 0,5 l = b/a = 1:2,5 . Trong đó h=25cm Tiết diện hiệu quả của gông: Qg = khq . Q = 0,95 . 107,1 = 101,7(cm2) Số lá thép dùng trong 1 gông: hg = b/0,5 = 102/0,5 = 204 (lá thép) Tính chính xác mật độ từ cảm trong trụ: Mật độ từ cảm của gông: Chiều rộng cửa sổ c =2.(a01 + Bd1 + a12 + Bd2) + a22 = 2(1+1,162+1+1,089)+2 =10,502(cm) Tính khoảng cách giữa 2 tâm trục c’ = c+d =10,502 +11 = 21,502 Chiều rộng mạch từ L =2c + 3d = 2 .10,502+3.11 = 54,004(cm) Chiều rộng mạch từ H = h + 2a = 25 + 2.10,502 = 46(cm) Tính khối lượng của sắt và đồng Thể tích của trụ V1=3Qt.h=3.81,89.25=6141,75(cm) Thể tích của gông Vg = 2Qg.L = 22.101,7.54,004=10984,4(cm3) Khối lượng của trụ Mt = Vt.mFe = 6,142.7,85 = 48,21(kg) Khối lượng của gông Mg = Vg . mfe = 10,984.7,85 = 86,227(kg) Khối lượng của sắt Mfe = Mt + Mg = 48,21 + 86,227 = 134,437(kg) Thể tích của đồng Vcu = 3.(s1 . l1 + s2 . l2) = 3.(11,3.87,64 + 20,3.61,32) = 6,7(dm3) Tính các thông số của MBA Điện trở trong cuộn sơ cấp máy biến áp ở 750 C : Trong đó r = 0,02133 Wmm2/m Điện trở cuộn thứ cấp MBA ở 750 C: Điện trở MBA quy đổi về thứ cấp: Sụt áp trên điện trở máy biến áp : DUr = Rba . Id = 0,111 . 68,18 =7,62(V) Điện kháng MBA quy đổi về thứ cấp : Điện kháng MBA quy đổi về thứ cấp: Sụt áp trên điện kháng MBA: Sụt áp trên MBA: Điện áp trên động cơ khi có góc mở amin =120 U = Udo.cosamin – 2.DUv - DUba = 476,84.cos120 - 2.1,6 -14,35=448,87=449(v) Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp : Tổn hao ngắn mạch trong MBA: Tổn hao không tải có kể đến 1% tổn hao phụ: Điện áp ngắn mạch tác dụng: Điện áp ngắn mạch phần kháng: Điện áp ngắn mạch phần trăm: Dòng điện n._.