Đề tài Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ một chiều kích từ độc lập

Ồ Á Ử SUẤ UỒ Ấ U Í Ừ Giảng viên hướng dẫn :Ths U Á Lớp : Đ6LT – ĐCN Sinh viên thực hiện : Ngô Ngọc Hà Nguyễn Đình Hoàng Chu Văn Quyền Hà Nội, Ngày 19 Tháng 9 Năm 2012 ời nói đầu Trong những năm gần đây cùng với việc phát triển ngày càng mạnh mẽ của các lĩnh vực khoa học, ứng dụng của chúng vào các ngành công nghiệp nói chung và các ngành điện tử nói riêng, các thiết bị điện tử có công suất lớn được chế tạo ngày càng nhiều, đặc biệt là ứng dụng của nó trong nền kinh tế quốc dân cũng như trong đời sống làm cho yêu cầu về sự hiểu biết và thiết kế các loại thiết bị này là hết sức cần thiết đối với sinh viên, kỹ sư ngành điện. Hiện nay mạng điện ở nước ta chủ yếu là mạng điện xoay chiều với tần số công nghiệp. Để cung cấp nguồn điện một chiều có giá trị điện áp và dòng điện điều chỉnh được cho những thiết bị điện dùng trong các hệ thống truyền động điện một chiều người ta đã hoàn thiện bộ chỉnh lưu có điều khiển dùng Thiristor (SCR) Trong đề tài của chúng em là thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập có đảo chiều theo nguyên tắc điều khiển chung. Mạch đảm bảo điều chỉnh tốc độ trơn và có khâu bảo vệ chống mất kích từ. Bao gồm các chương: Chương I : Giới thiệu về động cơ điện một chiều. Chương II: Lựa chọn các phương án. Chương III: Tính toán mạch lực. Chương IV : Tính toán mạch điều khiển. Chương V: Kiểm chứng mạch thiết kế bằng chương trình Circuti Maker Qua việc thiết kế đồ án đã giúp chúng em hiểu rõ hơn những gì mình đã được học trong môn Điện tử công suất. Hiểu được những ứng dụng thực tế của các thiết bị công suất trong đời sống cũng như trong công nghiệp. Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giảng dạy bộ môn Điện tử công suất, đặc biệt là thầy Nguyễn Khánh Hưng đã hướng dẫn chúng em hoàn thành đồ án này. Sinh viên thực hiện : Ngô Ngọc Hà Nguyễn Đình Hoàng Chu Văn Quyền ục lục Trang Chương I : Giới thiệu về động cơ điện một chiều. 5 1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều. 5 1.2 Các thông số ảnh hưởng. 7 1.3 Sơ đồ nguyên l cu động cơ điện một chiều. 7 1.4 Phương pháp điều chỉnh tốc độ cho động cơ điện một chiều. 8 Chương II: Lựa chọn các phương án. 9 2.1 Mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng. 10 2.2 Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha điều khiển đối xứng. 11 2.3 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng. 12 Chương III: Tính toán mạch lực. 13 3.1 Tính toán máy biến áp MB . 13 3.2 Tính chọn van và bảo vệ van. 17 3.3 Tính toán cuộn kháng lọc. 17 3.4 Kết luận. 19 Chương IV : Tính toán mạch điều khiển. 19 4.1 Cấu trúc mạch điều khiển. 20 4.2 Sơ đồ mạch điều khiển. 22 4.3 Tính toán mạch điều khiển. 23 Chương V : Kiểm chứng mạch thiết kế bằng chương trình Circuti Maker. 31 Á ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Đồ án ĐTCS Khoa Công Nghệ Tự Động 5 I ìm hiểu về động cơ một chiều Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng. Nó có thể dùng làm động cơ điện, máy phát điện hay dùng trong những điều kiện làm việc khác. Động cơ điện một chiều có đặc tính tốc độ rất tốt, có nhiều ưu việt hơn so với nhiều loại động cơ khác. Không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Động cơ điện một chiều dùng nhiều trong ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải… 1.1.Cấu tạo của động cơ điện một chiều Cấu tạo động cơ điện một chiều có thể chia thành hai thành phần chính là phần tĩnh (stato) và phần quay rôto) 1.1.1Phần tĩnh hay stato Đây là phần đứng yên của động cơ, bao gồm các bộ phận chính sau: a)Cực từ chính. Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng các lá thép kỹ thuật điện hay thép cácbon dày 0,5mm đến 1mm ép lại tán chặt. Trong động cơ nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ bulông. Dây cuốn kích từ được cuốn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được cách điện kỹ thành một khối và t m sơn cánh điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ dặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau. b)Cực từ phụ. Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây cuốn mà cấu tạo giống như dây cuốn cực từ chính. Cực từ phụ cũng được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông. c)Gông từ. Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong động cơ nhỏ và thường dùng thép tấm dày uốn hàn lại. Trong động cơ điện lớn thường dùng thép đúc. Có thể dùng gang làm vỏ máy trong động cơ điện nhỏ. Đồ án ĐTCS Khoa Công Nghệ Tự Động 6 d)Các bộ phận khác. - Nắp động cơ : Để bảo vệ động cơ khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây cuốn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện. Trong động cơ điện nhỏ và vừa, nắp động cơ có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp động cơ thường làm bằng gang. - Cơ cấu chổi than : Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong dùng vít cố định chặt lại. 1.1.2. Phần quay hay rôto. Phần quay gồm những bộ phận sau: a)Lõi sắt phần ứng Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện thép hợp kim silic dày 0.5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây lên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào. Trong những động cơ cỡ trung trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió để ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục. Trong động cơ điện cỡ lớn thì lõi sắt chia thành từng đoạn nhỏ. Giữa các đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe thông gió ngang trục. Khi động cơ làm việc, gió thổi qua các khe làm nguội dây quấn và lõi sắt. Trong động cơ điện cỡ nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép chặt trực tiếp vào trục. Trong động cơ điện cỡ lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt gia 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 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 dộng cơ điện nhỏ công suất dưới vài kilôoát thường dùng dây tiết diện tròn. Trong động cơ điện vừa và lớn, thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật. Dây quấn được cách điện cận thận với rãnh của lõi thép. Để tránh khi quay bị văng ra so sức li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để chèn chặt hoặc phải đai chặt dây quấn. Nêm có thể bằng tre, gỗ hay bakêit. c)Cổ góp Cổ góp n còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng diện xoay chiều thành một chiều. Cổ góp có nhiều phiến đồng có đuôi nhận cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4mm đến 1,2mm và hợp thành một Đồ án ĐTCS Khoa Công Nghệ Tự Động 7 trụ tròn. Hai đầu trụ tròn dùng hai vành ốp chữ V ép chặt lại. Giữa vành góp có cao hơn một ít để hàn các đầu dây của phần tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng. d)Các bộ phận khác - Cánh quạt : Dùng để quạt gió làm nguội động cơ. Động cơ điện một chiều thường được chế tạo theo kiểu bảo vệ. Ở hai đầu lắp động cơ có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên động cơ, khi động cơ quay, cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ. Gió đi qua vành góp, cưc từ, lõi sắt và dây cuốn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội động cơ. -Trục động cơ : trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục động cơ thường được làm bằng thép cácbon tốt. 1.2 Các thông số ảnh hưởng Phương trình đặc tính cơ điện : - (1.2) Phương trình đặc tính cơ : = ( ) (1.3) Từ phương trình đăc tính trên ta thấy có 3 thông số ảnh hươnngr tới đặc tính cơ - nh hưởng của điện trở phần ứng : Để thay đổi điên trở phần ứng ta nối tiếp thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng. càng lớn thì động cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm. - nh hưởng của điện áp phần ứng : Khi giảm điện áp thì mômen ngắn mạch giảm, dòng điện ngắn mạch và giảm tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. - nh hưởng của từ thông : Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng động cơ. Khi giảm từ thông thì vận tốc động cơ tăng. 1.3 Sơ đồ nguyên l của động cơ 1 chiều kích từ độc lập. Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập. Đồ án ĐTCS Khoa Công Nghệ Tự Động 8 (Hình 1.1 Động cơ điện một chiều) Để tiến hành mở máy, đặt mạch kích từ vào nguồn , dây cuốn kích từ sinh ra từ thông . Trong tất cả các trường hợp, khi mở máy bao giờ cũng phải đảm bảo có tức là phải giám điện trở của mạch kích từ đến nhỏ nhất có thể. Cũng cần đảm bảo không xảy ra đứt mạch kích thích vì khi đó , M 0, động cơ sẽ không quay được, do đó 0 và theo biểu thức U = + thì dòng điện sẽ rất lớn làm cháy động cơ. Nếu mômen do động cơ điện sinh ra lớn hơn mômen cản ( M ) rôto bắt đầu quay và suất điện động sẽ tăng lên tỉ lệ vói tốc độ quay n. Do sự xuất hiện và tăng lên của dòng điên sẽ giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm hơn. Tăng dần bằng cách tăng hoặc giảm điên trở mạch điện phần ứng cho đến khi máy đạt tốc độ định mức. Trong quấ trình tăng cần chú không để lớn quá so với để không xảy ra cháy động cơ. 1.4 Phương pháp điều chỉnh tốc độ cho động cơ điện 1 chiều Từ biểu thức : ω = K Uu - 2)( K RR fu  M (1.4) ta thấy rằng việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều có thể thực hiện được bằng cách thay đổi các đại lượng Φ, Rư, U. 1.4.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phần ứng Ứng với mỗi giá trị của Rf có một đặc tính cơ khác nhau trong đó Rf = 0 là đặc tính cơ tự nhiên. Ta thấy nếu Rf càng lớn thì đặc tính cơ sẽ có độ dốc càng cao nghĩa là tốc độ thay đổi nhiều khi tải thay đổi. Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ quay định mức và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ điện. Vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng ở động cơ có công suất nhỏ 1.4.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Đồ án ĐTCS Khoa Công Nghệ Tự Động 9 Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mômen điện từ của động cơ M = K.Φ. và sức điện động quay của động cơ Eư = K.Φ.ω Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến nên hệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi tuyến: ik = kb k rr e  + ωk dt d (1.5) trong đó : rk – điện trở dây quấn kích thích. rb – điện trở của nguồn điện áp kích thích. ωk – số vòng dây của dây quấn kích thích. Thường khi điều chỉnh điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trị định mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc tính có điện áp phần ứng định mức, từ thông định mức và được gọi là đặc tính cơ bản. Vì βΦ = uR K 2)(  nên độ cứng đặc tính cơ giảm rất nhanh khi ta giảm từ thông để tăng tốc độ cho động cơ. 1.4.3 Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp phần ứng Khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên. Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp giảm áp thì mômen ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Do đó phương pháp này cũng được dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động. hương ác phương án điều khiển Nguồn điện một chiều cấp cho động cơ điện một chiều có thể lấy được từ nhiều cách khác nhau. Lấy trực tiếp từ máy phát điện một chiều hoặc có thể dùng bộ biến đổi một chiều. Trong thực tế, bộ biền đổi một chiều có thể dễ dàng thiết kế nhờ các mạch chỉnh lưu sử dụng các van bán dẫn . Hơn nữa, các mạch chỉnh lưu sử dụng van điều khiển còn có thể dễ dàng điều khiển dược theo yêu cầu của từng loại tải. Do các ưu điểm đó, ta thiết kế nguồn một chiều thông qua các mạch chỉnh lưu điện áp xoay chiều lấy từ lưới điện. Dưới đây là một số mạch chỉnh lưu cơ bản và hay được sử dụng. Đồ án ĐTCS Khoa Công Nghệ Tự Động 10 2.1 Mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng - Các van dẫn lần lượt theo từng cặp ( , ) và ( , ). - Góc mở van , góc dẫn các van 0 – : , dẫn. – α + θ: , dẫn, , khóa. Hình 2.1 Sơ đồ và đồ thị dạng xung của mạch Công thức : = √ = = = 1,23 = √ = 1,1  Nhận xét : Chỉnh lưu cầu một pha sử dụng rộng rãi trong thưc tế, nhất là với cấp điện áp tải lớn hơn 10V. Dòng tải có thể lên tới 100 . Ưu điểm của nó là không nhất thiết phải có biến áp nguồn. Tuy nhiên do số lượng van gấp đôi hình tia nên sụt áp trong mạch van cũng từng gấp đôi. Do đó không phù hợp với tải cần có dòng lớn nhưng điện áp nhỏ. Đồ án ĐTCS Khoa Công Nghệ Tự Động 11 2.2 Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha điều khiển đối xứng - Dòng điện id phẳng do rất lớn. - Hoạt động của mạch với góc điều khiển - + : dẫn dẫn dẫn Các van hoạt động riêng, độc lập. Hình 2.2 Sơ đồ và đồ thị dạng xung của mạch Công thức : = √ cos = 1,17 cos = = = 1,35 = √ = 0,58  Nhận xét : Chỉnh lưu tia 3 pha cần có biến áp nguồn để đưa điểm trung tính tải. Công suất máy biến áp này hơn công suất một chiều 1,35 lần, tuy nhiên sụt áp trong mạch van nhỏ nên thích hợp với phạm vi thấp. Vì sử dụng nguồn bap ha nên cho phép nâng công suất tải lên nhiều đến vài trăm ampe , mặt khác độ đập mạch của điện áp ra sau mạch chỉnh lưu giảm đáng kể nên kích thước bộ lọc cũng nhỏ đi nhiều. Đồ án ĐTCS Khoa Công Nghệ Tự Động 12 2.3 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng - Hoạt động của mạch : Các van nhóm lẻ thay nhau dẫn cho điện áp ở điểm katốt chung , các van nhóm chẵn thay nhau dẫn cho điện áp ở điểm chung . Hình 2.3 Sơ đồ và đồ thị dạng xung của mạch - Công thức : = cos = √ cos = = = = √ = 1,05 = 0,816  Chỉnh lưu ba pha sơ đồ cầu là loại được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế. Ưu điểm : Nó cho phép có thể đấu thẳng vào lưới điện ba pha, độ dập mạch nhỏ 5%. Nó có thể sử dụng máy biến áp thì gây méo lưới điện ít hơn các loại trên. Đồng thời công suất mạch chỉnh lưu này có thể lên tới vài trăm KW. Nhược điểm : Mạch này là sụt áp trên van gấp đôi sụt áp trong mạch sơ đồ hình tia. Tóm lại : Đồ án ĐTCS Khoa Công Nghệ Tự Động 13 Theo đồ án thì = 600 (V), = 220 (A) ta có công suất của động cơ là = . = 600.220 = 132000 (W) = 132 (kW) Theo công suất của động cơ là 132 kW nên ta sử dụng mạch cầu 3 pha đối xứng là thích hợp nhất. Mặt khác theo yêu cầu của đề tài tốc độ trơn, ổn định, chống quá tải và chống mất kích từ hương hiết kế mạch lực Sau khi phân tích đánh giá về chỉnh lưu từ các ưu nhược điểm của các sơ đồ chỉnh lưu, với các tải và động cơ điện một chiều với công suất như trên thì sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng là hợp l nhất vì để tránh lệch tải biến áp và dùng thiết kế theo sơ đồ 1 pha, sơ đồ hình tia 3 pha sẽ làm mất đối xứng điện áp nguồn. Nên sơ đồ thiết kế ta chọn là sơ đồ cầu 3 pha có điều khiển đối xứng. 3.1 Tính toán máy biến áp MB Từ thông số cơ bản : + Điện áp trung bình trên tải : = 600V + Dòng làm việc trung bình trên tải -DC) : = 220 A Ta chọn MB ba pha 3 trụ. Điện áp pha sơ cấp MB : = 220 (V) Ta có = + 2 + + (3.1) Trong đó : = 600 (V) : sụt áp trên van chọn = 1 (V) : Sụt áp trên R và C của MB Chọn = 6% = 0,06 = 36 (V) = 600 + 2 + 0 + 36 = 638 (V) Mặt khác : = √ (1+cos ) Với = = √ ( ) = 2 = 309 (V) Vậy điện áp thứ cấp MB : = 309 (V) + Dòng điện thứ cấp MB : = √ = √ = 180 (A) + Dòng điện sơ cấp MB : Đồ án ĐTCS Khoa Công Nghệ Tự Động 14 = = = 253 (A) Trong đó : : hệ số biến áp Công suất biểu kiến MB : S = = = 1,05 = 139000 (W) (3.2) =139 (KVA) -Tính toán mạch từ : Vì công suất máy biến áp lớn ta chọn + Thiết kế tiết diện trụ : Áp dụng công thức : = √ (3.3) Trong đó: : hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát, lấy = 6 m : là số trụ máy biến áp, chọn m 3 f : tần số xoay chiều, chọn f 50 Hz Thay số vào ta được : = 6 √ = 138 ( ) Để đảm bảo cho kích thước của MB được phù hợp đảm bảo yêu cầu công nghệ người ta chọn chiều dài a và chiều dày b sao cho 1,5. Dựa vào tiết diện trụ = 183 = a Chọn a 11 (cm) ,b = 17 (cm) Chọn những lá thép có bề dày từ 0,35mm đến 0,5mm. Vậy ta chọn những lá thép có bề dày 0,35mm + Chiều cao của trụ : Áp dụng công thức h 2,5.a 2,5.110 275 (mm) Chọn h 280 (mm) = 28 (cm) + Tính toán dây quấn + Số ⁄ , ( ) = (3.4) Trong đó Bt là cảm ứng điện từ 1,4 đến 1,6, vì lá thép dẫn từ không đẳng hướng. Chọn = 1,5 Hệ số k : phụ thuộc vào tần số và bản chất của lõi sắt, k 30 50. Chọn k 50 = = = 0,24 ( )⁄ Đồ án ĐTCS Khoa Công Nghệ Tự Động 15 Số vòng cuộn sơ cấp là = = 220.0,24 = 53 (vòng) Số vòng cuộn thứ cấp là = = 309.0,24 = 74 (vòng) Tính tiết diện dây dẫn : Chọn mật độ dây dẫn = =2 ( ⁄ ). Vì công suất MB trên 500V + Tiết diện dây dẫn sơ cấp MB : = = 128 ( ) Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật bọc cách điện là : . = 4.16.2 ( ) kích thước dây kể cả cách điện : = 4,5.16,5.2 ( ) Tiết diện dây dẫn thứ cấp MB : = = =90 ( ) Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật bọc cách điện là : . = 4.11.2 ( ) kích thước dây kể cả cách điện : = 4,5.11,5.2 ( ) + Tính số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp : Công thức