Thiết kế mạch tự động cấp kích từ cho động cơ đồng bộ

Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Khoa Điện
Bộ Môn Tự Động Hoá
-------------------o0o-------------------

Bài tập lớn
Môn Điện Tử Công Suất
Đề Tài : Thiết kế mạch tự động cấp kích từ
cho động cơ đồng bộ
Thầy giáo hớng dẫn
Sinh viên
Lớp

:

:
:

phạm quốc hải
ngô văn ngọc
Tự Động Hoá 03-06

Số liệu của phơng án :
Phơng án

Điện áp
kích từ
định mức
115V-DC

Công suất

kích từ
định mức
36,8(kw)

Điện áp
kích từ cực
đại(quá
kích từ)
200(V)

Điện trở
khởi động

Điện áp lới
điện

0,8 ()

3x380(V)

H Ni - 2008
Phần I : Giới Thiệu chung
I/ Động cơ Đồng bộ :
Máy điện đồng bộ đợc sử dụng nhiều trong công nghiệp . Nó có thể sử
dụng làm biến đổi cơ năng thành điện năng , nghĩa là làm máy phát điện .
Hoặc dùng làm động cơ , đặc biệt trong các thiết bị lớn , để biến đổi điện năng
thành cơ năng .
Đối với động cơ đồng bộ , xét thấy nó có những u ®iĨm sau :

Ta biết, động cơ đồng bộ do đợc kích thích bằng dòng điện một chiều nên có
thể làm việc với cos= 1 và không cần lấy công suất phản kháng từ lới điện ,
kết quả là hệ số công suất của lới điện đợc nâng cao, làm giảm đợc điện áp rơi
và tổn hao công suất trên đờng dây. Ngoài ra, động cơ đồng bộ ít chịu ảnh hởng đối với sự thay đổi điện áp của lới điện do momen của động cơ điện đồng
bộ chỉ tỷ lệ với U, còn mômen động cơ không đồng bộ tỷ lệ với U 2 . Vì vậy,
khi điện áp lới sụt thấp do sự cố, khả năng giữ tải của động cơ điện đồng bộ
lớn hơn; trong trờng hợp đó nếu tăng kích thích, động cơ đồng bộ có thể làm
việc an toàn và cải thiện đợc điều kiện làm việc của cả lới điện. Hiệu suất của
động cơ đồng bộ cao hơn của động cơ không đồng bộ vì động cơ đồng bộ có
khe hở tơng đối lớn, làm tổn hao phụ nhỏ hơn.
Tuy vậy, động cơ đồng bộ còn những nhợc điểm sau đây : cấu tạo phức
tạp, đòi hỏi phải có máy kích từ hoặc nguồn cung cấp dòng điện một chiều
khiến giá thành cao. Việc mở máy động cơ đồng bộ cũng phức tạp hơn và việc
điều chØnh tèc ®é cđa nã chØ cã thĨ thùc hiƯn đợc bằng cách thay đổi tần số
của nguồn điện .
Việc so sánh động cơ đồng bộ với động cơ không đồng bộ có phối hợp
với tụ điện cải thiện cos về giá thành và tổn hao năng lợmh dẫn đến kết luận
là khi :
Pđm > 200 300 kV, nên dùng động cơ đồng bộ ở những nơi nào không
cần thờng xuyên mở máy và điều chỉnh tốc độ.
Pđm > 1000kV, dùng động cơ đồng bộ với cosđm = 0,8 là có lợi hơn
dùng động cơ không đồng bộ .
Pđm > 300kV dùng động cơ đồng bộ với cosđm = 0,9 .
1/ Đặc điểm cấu tạo của động cơ đồng bộ :
- có hai loại : máy cực ẩn và cực lồi .
a/ Máy cực ẩn :
Rôto làm bằng thép hợp kim chất lợng cao, rèn thành khối hình trụ, sau
đó gia công và phay rÃnh để đặt dây quấn kích từ. Phần không phay rÃnh của
rôto hình thành mặt cực từ. Đờng kính D của rôto không vợt quá 1,1 1,5 m ;
chiều dài l tối đa của rôto là 6,5m. Máy cực ẩn thờng có số cực 2p= 2, tốc độ

quay là 3000v/ph
Stato bao gồm lõi thép, trong đặt dây quấn ba pha và thân máy, nắp
máy. Lõi thép stato đợc ép bằng tôn silic dày 0,5mm, hai mặt phủ sơn cách
điện. Thân máy đợc chế tạo theo kết cấu khung thép, nắp máy cũng chế tạo từ
thép tấm hoặc gang đúc
b/ Máy cực lồi :
Máy cực lồi có tốc độ quay thấp, nên đờng kính D có thể tới 15m, nhng
chiều dài l loại nhỏ, tỷ lệ l/D = 0,15 0,2 .
Rôto đợc chế tạo bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ. Cực từ
đặt trên lõi thép đợc ghép bằng những lá thép dày 1 1,5mm.
Stato có cấu tạo tơng tự của máy cực ẩn .
2/ Nguyên lý hoạt động :
Ta biết, các động cơ đồng bộ phần lớn mở máy theo phơng pháp không
đồng bộ .
Quá trình mở máy chia làm hai giai đoạn. Lúc đầu, việc mở máy đợc
thực hiện với it= 0, dây quấn kích thích đợc nối tắt qua điện trở RT. Sau khi
đóng cầu dao nối dây quấn stato với nguồn điện, rôto sẽ quay và tăng tốc ®Õn
gÇn tèc ®é ®ång bé n1 cđ tõ trêng quay. Với Rt= (10 12)rt (của bản thân dây
kích từ ) là cần thiết .

2


Khi rôto đà quay đến tốc độ n= n1, có thể tiến hành giai đoạn hai : Đem
nối dây quấn kích từ với điện áp một chiều của máy kích thích. Lúc đó, ngoài
mômen không đồng bộ tỷ lệ với hệ số trợt s và mômen gia tốc tỷ lệ với ds/dt
sẽ có mômen đồng bộ phụ thuộc góc cùng tác dụng. Do rôto cha quay đồng
bộ nên góc luôn thay đổi. Khi 0 < < 1800 thì mômen đồng bộ sẽ cộnh
tác dụng với mômen không đồng bộ làm tăng thêm tốc độ quay của rôto và
nh vậy rôto sẽ đợc lôi vào tốc độ đồng bộ sau một quá trìng dao động .

Để đảm bảo rôto đa vào đồng bộ thuận lợi, hệ số trợt ở cuối giai đoạn
thứ nhất lúc cha có dòng điện kích thích cần điều kiện :
k
P i
s < 0,04.  m 2 . dm2  . tdb
 GD
ndm itdm

km: năng lực quá tải ở chế độ đồng bộ với dòng điện kích từ
Pm: công suất địng mức, kW
Itdb: dòng kích từ khi đồng bộ hoá
GD2: mômen động lợng của động cơ và máy công tác nối trục với nó,
kG.m2.
Có thể nối thẳng dây quấn kích thích với máy kích từ trong suốt quá
trình mở máy. Nh vậy, trong dây quấn phần ứng của máy kích từ sẽ có
dòng điện xoay chiều nhng đó không gây hại gì. Khi rôto đạt n= (0,6
0,7)nđm, máy kích thích bắt đầu cấp dòng điện kích từ cho động cơ đồng
bộ, nhờ đó mà lúc đến gần tốc độ đồng bộ động cơ đợc kéo vào tốc độ
đồng bộ .
3/ Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ :
Khi đóng stato động cơ đồng bộ vào lới điện xoay chiều có tần số f1
không đổi, động cơ sẽ làm việc với tốc độ không đổi là tốc độ đồng bộ :
1

2. . f 1
p

( p: số đôi cực ở stato )

Trong phạm vi mômen cho phép M Mmax, đặc tính cơ là tuyệt đối

cứng, nghĩa là độ cứng của đặc tính cơ . Đặc tính cơ thể hiện ở hình
sau :



1

0

Mmax

M

*/ Trớc khi xét ảnh hởng của tần số f1 đến đặc tính cơ theo đồ thị trên, ta có :
(Lu ý : Khi mômen M vợt quá trị số Mmax thì tốc độ động cơ sẽ mất
đồng bộ )
Trong hệ truyền động dùng động cơ đồng bộ, ta còn xét đặc tính góc :
M = f( )
Đặc tính góc biểu diễn quan giữa mômen của động cơ với (góc lệch
của vectơ điện áp pha lới điện và vectơ sức điện động cảm ứng trong dây quấn
stato do từ trờng một chiều rôto sinh ra.
Đặc tính M = f( ) đợc xây dựng bằng cách sử dụng đồ thị vectơ của
mạch stato với giả thiÕt bá qua ®iƯn trë R4 cđa stato.

3


Trên đồ thị có :
U1: Điện áp pha lới điện, V
E: sức điện động pha stato,V

I1: dòng điện stato,A
Xs: điện kháng stato bằng tổng
điện kháng mạch từ hoá X
và điện kháng cuộn dây một pha

.

U1

U.sin( )
E


I1

.Đồ thị vectơ của mạch
stato động cơ đồng bộ
của stato : Xs= X  + X1
 : lµ gãc lƯch U vµ E
: góc lệch giữa U1 và I1
Từ đồ thị, qua biến đổi ta có :
.Công suất ba pha của động cơ là : P =
.Mômen động cơ : M=

3.E.U 1
. sin 
Xs

3.E.U 1
P


. sin 
1
1 . X s

.

Ta cã :
MM

M1


0
3.E.U 1
M m
1 . X s
Mmax.sin 

.  =  /2 : Mmax =

2.



M2
(*)

Suy ra : M =
Mm đặc trng cho khả năng quá tải của động cơ. Khi tải tăng, góc tăng.

Nếu > /2 thì mômen giảm .
- Động cơ làm việc định mức : đm= 200 ->250
M

m
- Hệ số quá tải về mômen : M M 2 2,5
dm
Những điều trên chỉ đúng với động cơ đồng bộ cực ẩn,
mômen chỉ xuất hiện khi có kích từ vào rôto. Còn đối với cực lồi thì : M= M1+
M2. Khi M2= 0 thì đặc tính góc của động cơ cực ẩn và cực lồi nh nhau .
*/ Từ đây, ta có thể thấy ảnh hởng của f1 (theo đồ thị = f(M) đặc tính cơ
của động cơ đồng bộ) nh sau :

Xuất phát từ biÓu thøc 1



2. . f 1
p

, ta thÊy r»ng thay đổi tần số sẽ làm

cho tốc độ từ trờng quay và tốc độ động cơ thay đổi .
-Xét trờng hợp khi tăng tần số f1>f1đm , từ (*) ta biến ®ỉi biĨu thøc cã :
2
3. p 2 .U 1 .E
Mm =
2
4 2 .Ls . f
1

4


. Khi tần f1 tăng , Mm giảm (với U1, E = const) do vËy : Mm tû lƯ thn
1

víi

f

2
1

- Trờng hợp tần số giảm f1cơ tăng rất lớn ( vì tổng động cơ giảm theo tần số). Do vậy, khi giảm
tần số cần phải giảm điện áp theo quy luật nhất định sao cho động
cơ sinh ra đợc mômen nh trong chế độ định mức .
4/ Khởi động và hÃm động cơ đồng bộ :
Mạch rôto của động cơ đồng bộ có hai cuộn dây : cuộn kích từ để sinh
ra từ trờng trong máy và cuộn khởi động kiểu lồng sóc và dây quấn .
a/ Quá trình khởi động :
-Giai đoạn một : Stato đợc đấu vào nguồn xoay chiều, còn cuộn kích từ
đóng kín qua điện trở hạn chế Rhc để khỏi bị quá áp do sức điện động cảm ứng
sinh ra trong nó (Rhc=(8->10)Rkt). Giai đoạn này động cơ khởi động nh một
động cơ không đồng bộ .
-Giai đoạn hai : Cuối giai đoạn một khi tốc độ đạt 95%->98% tốc độ
đồng bộ, ta đa dòng kích từ vào rôto để tạo ra mômen đa tốc độ động cơ lên
đồng bộ .
b/ Quá trình hÃm :

Ta thờng dùng phơng pháp hÃm động năng. Khi động cơ đang quay,
muốn hÃm động năng ta cắt stato khỏi lới điện xoay chiều rồi đóng vào trở
phụ ba pha, còn rôto vẫn đợc kích từ nh trớc .
5/ Điều chỉnh công suất và đặc tính làm việc :
a/ Điều chỉnh công suất :
Tải của hệ tiêu dùng điện trong lới điện thờng luôn thay đổi theo điều
kiện của sản xuất hoặc cũng có thể có trờng hợp tuy tải không thay ®ỉi
nhng do ®iỊu kiƯn vËn hµnh cđa líi ®iƯn mµ cần thiết phải thay đổi chế
độ làm việc của các máy phát điện, do đó trên thực tế phải điều chỉnh
công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q của máy phát điện
đồng bộ .
b/ Các đặc tính làm việc của động cơ đồng bộ :
Các đặc tính của động cơ đồng bộ làm việc với dòng điện kÝch tõ it=
const trong líi ®iƯn cã U,f=const bao gåm các quan hệ P1,I1, ,cos =f(P2) có
dạng :

5


.Đặc tính làm việc của động cơ đồng bộ
Pđm=500kw;600v,50Hz
Cũng giống máy phát điện đồng bộ, động cơ điện đồng bộ thờng làm
việc với góc = 20->300.
động cơ điện đồng bé cã thĨ lµm viƯc víi cos  cao vµ íttiêu thụ Q của lới
điện nhờ thay đổi dòng từ hoá it.
Ta thấy : khi thiếu kích thích, động cơ tiêu thụ công suất điện cảm của
lới điện ( >0) và ngợc lại, khi quá kích thích, động cơ phát công suất phản
kháng vào lới điện ( <0), tức là cung cấp công suất điện dung. Vì vậy , có
thể lợi dụng chế độ làm việc quá kích thích của động cơ đồng bộ để nâng coa
hệ số công suất cos của lới điện .

6


PHầN II : lựA CHọN PHƯƠNG áN
Nhiệm vụ đặt ra trong đồ án là thiết kế mạch tự động cấp kích từ cho
động cơ đồng bộ. Mạch tự động cấp kích từ có nhiệm vụ cung cấp dòng một
chiều để cấp mômen đồng bộ cho động cơ để động cơ có thể đạt tới tốc độ
đồng bộ và giữ công suất lới ổn định.
Hiện nay, việc tạo ra dòng một chiều bằng bộ biến đổi đợc dùng rộng rÃi
nhất. Bộ biến đổi có u điểm hơn các loại khác ở chỗ: thiết bị gọn, tác động
nhanh, dễ tự động hoá, dễ điều khiển và ổn định dòng. Chi phí đầu t rẻ hơn,
hiệu quả cao và ổn định .
Theo số liệu bài ra ta có :
Uktđm= 115V-DC ; Uktmax(quá kích tõ )= 200V ; Pkt®m= 36,8kW
Nh vËy :
Pdm
36,8.10 3

320( )
U dm
115
Rkt= 115 0,36
320

Iđm=

Suy ra :
Iđmmax=

U dm max
200

556( )
Rkt
0,36

Dựa vào số liệu trên cho thấy rằng mạch kích từ yêu cầu dòng điện
cao(Iđmmax= 556A). Nh vậy, các sơ đồ hình tia và các sơ đồ và các sơ đồ một
pha không sử dụng đợc. Vì vậy, ta có thể đa ra một số phơng án có khả năng
thực hiện đợc : Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng,chỉnh lu cầu ba pha
điều khiển không đối xứng, chỉnh lu tia sáu pha .
1/ Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng :
Sơ đồ cầu ba pha:

Ua

T1

T3

T5

Ld

Ub
Uc

Rd

Mạch gồm có 6 tiristor,T4có thể
T6 coi nh
T2 hai sơ đồ chỉnh lu tia ba
pha mắc ngợc chiều nhau, mạch đợc chia thành 2 nhóm: nhóm Katôt
chung gồm 3 van lẻ T1, T3, T5 ( tạo một chỉnh lu tia ba pha cho điện áp
dơng ) và nhóm Anôt chung gồm 3 van chẵn T2, T4, T6 ( t¹o mét chØnh
lu tia ba pha âm).Nhóm van lẻ hoạt động theo luật dẫn I, nhóm van
chẵn hoạt động theo luật dẫn II.Coi Ld vô cùng lớn để ta xét dòng ở ché
độ liên tục.Hoạt động của mạch theo quy tắc: một van lẻ sẽ dẫn cùng
một van chẵn.
Các van chuyển mạch tại thời điểm mở tự nhiên một góc .
Theo đó ta có đồ thÞ sau:



7


iT1

UT1

ia
ib

ic

*/ Các công thức tính toán của mạch:
. Điện áp trên tải :
Ud = Ud0 = 2,34.U2.cos

Với : là góc điều khiển
U2 điện áp đầu vào một pha trong chỉnh lu
. Dòng trên tải:
Id =

U d
Rd

.Công suất máy biến áp:
Sba = 1,05.Pdmax
.Điện áp ngợc cực đại trên van:
Ungmax = 6 .U 2
Với U2 =

U d max
2,34

.Dòng điện trung bình chạy qua van:
Itbvmax = I d max
3

.Hệ số ®Ëp m¹ch:
k ®m =

2
m

2

®m

-1

(m ®m tg) 2 + 1

víi m đ m là số đập mạch của mạch chỉnh lu(Với sơ đồ cầu 3 pha điều khiển
đối xứng thì m ®m = 6 )
k®m  2

35

36.tg 2  1

8


ở đây ta thấy kđm có giá trị nhỏ, mà do kđm =

U 1m
U0

nên kđm càng nhỏ thì điện

áp ra càng bằng phẳng.
*/ Ưu, nhợc điểm của mạch:
+/ Ưu điểm:
- Điện áp ra đập mạch nhỏ do vậy mà chất lợng điện áp tốt.
- Hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt do dòng điện chạy trong van
đối xứng.
- Điện áp ngợc trên van là lớn nhng do Udo=2,34U2 nên có thể đợc

sử dụng với điện áp khá cao.
- Có thể hoạt động đợc ở cả hai chế độ: chỉnh lu (

0


2

)

Và cả nghịch lu ( )
2

+/ Nhợc điểm:
- Mạch điều khiển phức tạp do ta phải tiến hành điều khiển đồng bộ
các van dẫn với nhau.
- Sụt áp trên van lớn do luông có hai van dẫn.
2/ Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển không đối xứng:

. Sơ đồ mạch chỉnh lu :

Ua

T1

T2

T3

Ld

Ub
Uc

Rd
D1

D2

D3

Cấu tạo mạch gồm có: 3 Tiristor và 3 Điôt, với cách đấu 3 Tiristor mắc chung
Katôt.
Ld coi là lớn để dòng ở chế độ liên tục.
Khi làm việc, các Điôt chuyển mạch tự nhiên, còn các Tiristor chuyển mạch
tại các góc điều khiển (Khi nhỏ hơn 60o th× Ud>0 nhng khi  > 60 o th× sÏ
cã các giai đoạn mà 2 van mắc thẳng hàng dẫn ®ång thêi .Khi ®ã ta cã Ud=0.ë
®©y ta vÏ cho trờng hợp <60o)
. Đồ thị :

9




U

Ud

iT 1

uT 1

ia

( Víi ia = iT1 -iD1)
*/ C¸c biĨu thøc tÝnh: ( cã thĨ coi m¹ch gåm 2 m¹ch chØnh lu tia nèi tiÕp). Ta
cã:
chØnh lu tia 3 pha ®iỊu khiĨn T1 , T2 , T3 cho:
U dcÇu = U d 0 tia cos  = 1,17U 2 cos

chỉnh lu tia 3 pha không điều khiển:
U d 0 = 1,17U 2
Vậy ta đợc U d = 1,17U 2 (1 + cos ) , qui đổi sang dạng sơ đồ cầu ta có kết

quả cuối cùng :
U d = 2,34.U 2

. Dòng trên tải:

1 + cos
2

U d

Id = R
d
. Công suất máy biến áp:
S ba = 1,05 Pd max

.Điện áp ngợc cực đại trên van:

Ungmax = 6 .U 2
Với U2 =

U d max
2,34

.Dòng điện trung bình chạy qua van:
Itbvmax = I d max
3

. Hệ số đập mạch:
Số đập mạch của chỉnh lu loại này nhỏ hơn so với chỉnh lu cầu 3 pha điều
khiển đối xứng, m đ m = 3 trong khi của sơ đồ cầu 3 pha đối xứng là m đ m = 6
10


Chỉ khi góc điều khiển =0 thì sơ đồ này mới có m đ m = 6
Do vậy xét với góc 0 thì hệ số đập mạch của sơ đồ là:
k đm =

2
m

2

đm

-1

(m đm tg) 2 + 1

= 1 9.tg 2 + 1
4

Từ đây, ta thấy hệ số đập mạch của chỉnh lu cầu không đối xứng cao hơn của
mạch đối xứng có nghĩa là điện áp ra của chỉnh lu không đối xứng kém bằng
phẳng hơn so với chỉnh lu đói xứng.
*/ Ưu điểm, nhợc điểm:
+/ Ưu điểm:
- Tốn ít van điều khiển hơn
- Điều chỉnh điện áp một chiều Ud chính xác hơn
- Hệ số cos của chỉnh lu không đối xứng tốt hơn chỉnh lu đối
xứng (cos bđk = cos , cos đk = cos )
2

- Cấu tạo đơn giản
+/ Nhợc điểm:
Hệ số đập mạch cao và chứa nhiều sang hài bậc cao, do vậy lúc dùng phải sử
dụng thêm bộ lọc.
3/ Chỉnh lu tia sáu pha:
Sơ đồ chỉnh lu tia sáu pha đợc cấu tạo bởi sáu van b¸n dÉn nèi tíi biÕn
¸p ba pha víi s¸u cuộn dây thứ cấp, trên mỗi trụ biến áp có hai cuộn giống
nhau và ngợc pha. Điện áp các pha dịch nhau một góc là 60 0 nh mô tả ở dới.
Dạng sóng điện áp tải đợc điều khiển ở phần dơng hơn của các điện áp pha với
đập mạch bậc sáu. Với dạng sóng điện áp nh dới, chất lợng điện áp một chiều
đợc coi là tốt nhất.
*

A

T1

*

B

T2

*

C

T3

U

A C* B A* C B*

t

L

R

* A*

T4

T
* B* 5

* C*

T6

*/ C«ng thøc tính:
. Điện áp trên tải:

.

Ud = Ud0.cos = 1,35.U2. cos
. Dòng điện trên tải:
Id =

U d
Rd

. Công suÊt m¸y biÕn ¸p:
11


Sba = 1,56.Pdmax
. Điện áp ngợc cực đại đặt trên van:
Ungmax = 2,09.Udmax
. Dòng trung bình qua van:
Itbvmax = I d max
6

. Hệ số đập mạch:
Mạch chỉnh lu 6 pha hình tia có số đập mạch lớn m đm = 6 do ®ã ta cịng cã
biĨu thøc tÝnh hƯ sè đập mạch của sơ đồ là:

Kđm



2
36.tg 2 1
35

Khi =0 thì hệ số đập mạch của sơ đồ là : k đm = 0,057 .
Nhận xét: Theo dạng sóng điện áp ra (phần nét đậm trên giản đồ ở trên)
thấy rằng mỗi van dẫn trong khoảng 1/6 chu kì. So với các sơ đồ khác, chỉnh
lu tia sáu pha có dòng điện chạy qua van bán dẫn bé nhất. Do đó, sơ đồ chỉnh
lu tia sáu pha có u điểm khi dòng tải rất lớn. (chỉ cần có van nhỏ có thể chế
tạo bộ nguồn với dòng tải lớn). Tuy nhiên, biến áp ba pha sáu cuộn dây thứ
cấp chế tạo phức tạp hơn, do đó sơ đồ này Ýt dïng trong thùc tÕ.
 KÕT ln:
Tõ viƯc ph©n tÝch trên, ta thấy với số liệu bài ra thì chọn sơ đồ Cầu ba
pha điều khiển đối xứng là phù hợp nhất. Nó đảm bảo các yêu cầu
sau:
. Đảm bảo điện áp ra có chất lợng cao, độ bằng phẳng cao( do có
kđm = 0,057)
. Đảm bảo tạo điện áp và dòng điện lớn đáp ứng đợc yêu cầu của
tải.
. Hiệu suất sử dụng biến áp cao.

PHầN III : TíNH TOáN MạCH lực
Sau khi chọn đợc mạch Chỉnh lu Cầu ba pha Điều khiển đối xứng, ta có thể
bắt đầu tính toán mạch lực.
I/ Tính toán chọn Van:
Theo số liệu bài ra ta có :

Uktđm= 115V-DC ; Uktmax(quá kích từ )= 200V ; Pkt®m= 36,8kW
Nh vËy :

12


Pdm
36,8.10 3

320( )
I®m=
U dm
115
Rkt= 115 0,36
320

Suy ra :
I®mmax=

U dm max
200

556( )
Rkt
0,36

Ta tiến hành tính :
*/ Chỉ tiêu về điện áp:
Có:
Ungmax = 2,45.U2

U2 =
Suy ra:

Ungmax = 2,45.

U d max
= 85,47(V)
2,34

U d max
2,34

= 2,45.

200
209,4(V )
2,34

Để van làm việc an toàn ngời ta thờng chọn hệ số dự trữ cho van là
Kdt=1,62. Ta chọn kdt = 2
- Do đó: điện áp của van đợc chọn phải thoả mÃn
Ungchịu > kdt.Ungmax = 2.209,4 = 418,8(V)
*/ Chỉ tiêu về dòng điện:
.Dòng điện trung bình chảy qua van:
I tbv max
I
1
1
 K tb   I tbv max  d max  556 185,3( A)
I d max

3
3
3

§Ĩ van làm việc an toàn thì chọn hệ số dự trữ kdt = 2 4 và chọn dòng theo
điều kiện :
ItbvchÞu  kdt.Itbvmax = 3.185,3 = 555,9 556(A)
Tõ hai chØ tiêu về điện áp và dòng điện nh trên, ta chọn đợc van sau:
Tiristor C431E1 với các thông số :
Ungmax I®mmax Ipickmax IGmax UGmax Ihmax Irmax
(V)
(A)
(A)
(A)
(V) (A) (A)
500
600 8000 150m 5,0
45m

U max

(V)
2,6

dU/dt
(V/s)
200

II/ TÝnh to¸n m¸y biÕn ¸p:
Chän m¸y biÕn ¸p đấu /Y

1. Tính công suất biểu kiến của Máy biến áp:
- Công suất tối đa của tải:
Pdmax = Udmax.Idmax = 200.556 = 111,2(kW)
S = Ks . Pdmax =Ks .

p



=1,05 .

111200
=130823,53(VA)
0,85

13

tcm¹ch
(s)
200


Tmax
(0C)
125


2. Điện áp sơ cấp máy biến áp:
U1 =380 V
3. Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp

Phơng trình cân bằng điện áp khi có tải:
Udo .cos min =Ud +2. Uv +Udn + Uba
(1.80)
Trong đó:
min =100 là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện lới
Uv =2 V là sụt áp trên Thyristor
Udn 0 là sụt áp trên dây nối
Uba = Ur + Ux là sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp .
Chọn sơ bộ:
Uba =6 .Ud =6 .400 = 24 V
Từ phơng trình cân bằng điện áp khi có tải ta có:
Ud0 =

U d  2.U v  U dn  2. ba 200  2.2  0  24
=
=231,52( V)
cos min
cos10 o

§iƯn ¸p pha thø cÊp m¸y biÕn ¸p:
U2f =

U d 231,52
=
=98,94 V
2,34
ku

- Xác định kích thớc bản mạch từ:
*/ Tiết diện sơ bộ trụ:

QFe =kQ .

S ba
m.f

Trong đó:
kQ - hệ số phụ thuộc phơng thức làm mát, chọn máy biến áp bằng dầu,
lấy kQ = 6
m - số trụ của máy biến áp, m= 3
f - tần số xoay chiều, ở đây f = 50 Hz
Thay số ta đợc:
QFe=6 .

130823,53
3.50

=177,2 (cm2)

*/ Đòng kính trụ:
d=

4.QF e
=


4.177,2



= 15,02(cm)

Chuẩn hóa đờng kính trụ theo tiêu chuẩn d = 16 cm
*/ Chọn loại thép 330 các lá thép có độ dày 0,5 mm ; do công suất của
máy biến áp lớn nên chọn trụ nhiều bËc

14


Chọn mật độ từ cảm của trụ Bt = 1 T
- Tính toán dây quấn:
*/ Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp:
W1=

U1
380
=
= 96,6( vòng)
4,44.50.177,2.10 4.1,0
4,44. f .QFe .B T

Lấy tròn W1= 97 vòng
*/ Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp:
W2 =

U2
.W1= 98,94 .97 = 25,3 (vòng)
U1
380

Lấy tròn W2= 26 vòng

*/ Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp:
Với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô, chọn J1= J2= 2,75 A/mm2
*/Tính dòng điện của các cuộn dây:
Đối với những chỉnh lu có dòng điện xoay chiều đối xứng nh các chỉnh
lu cầu, dòng điện đợc tính gián tiếp qua công suất phía sơ và thứ cấp
. Công suất phía sơ cÊp:
S1ba = ks1. Pdmax = 1,05.111,2.103 = 116760(W)
. C«ng suÊt phÝa thø cÊp:
S2ba = ks2. Pdmax = 1,05.111,2.103 = 116760(W)
Trong đó: ks1, ks2 - các hệ số công suất phía sơ, thứ cấp của biến áp.
Dòng điện ở sơ cấp : I1 = S1ba/ U1 = 116760/380 = 307,3(A)
Dòng điện ë thø cÊp : I2 = S2ba/ U2 = 116760/98,94 = 1180,1 (A)
.Tính tiết diện dây dẫn:
SCu

I
J

(mm2)

Trong đó: I - dòng điện chạy qua cuộn dây [A];
J - mật độ dòng điện trong biến áp thờng chọn 2
[A/mm2]. Chọn J= 2,75.
Thiết diện dây sơ cấp:
S Cu1

I 1 307,3

111,75( mm 2 )
J

2,75

ThiÕt diƯn d©y thø cÊp:
S Cu 2

I 2 1180,1

429,1(mm 2 )
J
2,75

Chọn dây quấn tròn thì đờng kính dây đợc tính:

15

2,75


d

4S Cu


Trong đó: d - đờng kính dây quấn.
SCu tiết diện dây quấn.
Đờng kính dây sơ cấp:
d1

4 S Cu1
4.111,75

12(mm)

3,14

d2

4 S Cu 2
4.429,1

23,4(mm)

3,14

Đờng kính dây thứ cấp:
*/ Ta có: QFe = a.b. Trong ®ã a - bỊ réng trơ, b - bề dầy trụ.
với:
Qcs1 = klđ.W1.SCu1 = 3.97.111,75 = 32519,3 (mm2)
Qcs2 = kl®.W2.SCu2 = 3.26.429,1 = 33469,8(mm2)
Trong ®ã: Qcs,- diƯn tÝch cưa sỉ [mm2];
Qcs1,Qcs2 - diƯn tÝch do cn sơ cấp và thứ cấp chiếm chỗ
2
[mm ];
W1, W2 - số vòng dây sơ, thứ cấp;
SCu1, SCu2 - tiết diện dây quấn sơ, thứ cấp [mm2];
klđ - hệ số lấp ®Çy thêng chän 2,0  3,0. Chän kl®=3.
DiƯn tÝch cưa sỉ cÇn cã:
Qc= Qcs1 + Qcs2 =65989,1 (mm2)
Chän kÝch thíc cửa sổ.
Khi đà có diện tích cửa sổ Qcs, cần chọn các kích thớc cơ bản (chiều cao

h và chiều réng c víi Qcs = c.h) cđa cưa sỉ m¹ch từ.
Những số liệu đầu tiên có thể tham khảo chiều cao h và chiều rộng cửa
sổ c đợc chọn dựa vào các hệ số phụ m=h/a; n = c/a; l = b/a. Kinh nghiệm cho
thấy đối với lõi thép hình E th× m = 2  4; n = 0,5 2,5; l = 0,5 1,5; là tối u
hơn cả.
Ta chän l = 1; m=2,5 cã
Cã QFe = a.b
suy ra:
a = b = 13,31
suy ra: h = 2,5.a = 2,5.13,31 = 33,3(cm)
c = Qcs/h =65989,1/33,3.10 = 19,82 (cm)
ChiỊu réng toµn bé m¹ch tõ
C = 2c + x.a = 2.19,82 + 3.13,31 = 79,6 (cm)
(x = 3 do là biến áp ba pha)
16


ChiỊu cao m¹ch tõ H = h + z.a = 33,3 + 2.13,31 = 60 (cm)
(z = 2 do lµ biÕn ¸p ba pha)

17


Hình dáng kết cấu mạch từ thể hiện nh hình dới :
b

Sơ đồ kết cấu lõi thép
biến áp

H h

c

a

c

C
7. Kết cấu dây quấn:
Dây quấn đợc bố trí theo chiều dọc trụ, mỗi cuộn dây đợc quấn thành
nhiều lớp dây. Mỗi lớp dây đợc quấn liên tục, các vòng dây sát nhau. Các lớp
dây cách điện với nhau bằng các bìa cách điện. Cách tính các thông số này
nh sau:
Số vòng dây trên mỗi lớp W1l:
dây quấn tiết diện tròn đợc tÝnh
W1l 

h  2hg
dn

Trong ®ã: h - chiỊu cao cưa sổ,
dn-đờngkính dây quấn kể cả cách điện;dn=d1+0,01=1,21cm
hg - khoảng cách cách điện với gông có thể tham khảo chọn
hg = dn.
- Số vòng dây trên mỗi lớp của cuộn sơ cÊp:
W1lsc 

h  2h g
dn



33,3  2.1,21
26 (vßng/líp)
1,21

(dn=d1+0,01=1,21cm)
- Sè líp dây của cuộn sơ cấp:
nld

W1
97

3,73 4 (lớp)
W11sc 26

- Số vòng dây trên mỗi lớp của cuộn thứ cấp:
W22tc

h 2h g
dn



33,3 2.2,35
13 (vòng/lớp)
2,35

(dn=d2+0,01=2,35cm)
- Số lớp dây của cuén thø cÊp:

n2 d 

W2
26
 2 (líp)
W22tc 13

18


Bề dày của mỗi cuộn dây bằng tổng bề dày của các lớp dây (d. n ld -là
dây tròn), cộng cách điện các lớp dây trong cuộn dây cần tính líp cd.nld.
Bdct = d. nld + cd.nld
Trong ®ã:
Bdct - bỊ dầy của cuộn dây cần tính,
cd - bề dày của bìa cách điện.
Bìa cách điện có các độ dày: 0,1; 0,3; 0,5;1,0; 2,0; 3,0 mm.
Ta chän cd=0,1mm
dn - ®êng kÝnh ngoài của dây .
- Bề dày cuộn sơ cấp:
Bd1 = d1. nld + cd1.nld = 1,2.4 + 0,01.4 = 4,84(cm)
- BỊ dµy cn thø cÊp:
Bd2 = d2. n2d + cd2.n2d = 2,34.2 + 0,01.2 = 4,7(cm)
hg
Cdn
W2

Cd12

W1

Bd1

W1

Cd1

W2

Bd2

Bè trÝ cuén d©y biÕn áp
Tổng bề dày các cuộn dây Bd:
Bd = Bd1 + Bd2 + ...... + cdt + cdn + cd12
Trong ®ã: Bd1, Bd2 - bề dầy cuộn dây sơ và thứ cấp;
cdt, cdn - bề dày cách điện trong cùng và ngoài cùng. Ta
chọn cdt = 0,2mm; cdn = 0,1mm.
cd12 khoảng cách cách điện giữa các cuộn dây.Ta chọn
cd12=0,3mm.
Bd = 4,84+ 4,7 + 0,02 + 0,01 + 0,03 = 9,6 (cm)
NhËn xÐt:
2Bd = 19,2(cm)
c = 19,82(cm)
Suy ra : c > 2Bd
Nh vậy, ta có thể chấp nhận đợc kích thớc cửa sæ c, h.

19


8. Khối lợng sắt:

Khối lợng sắt bằng tích của thể tích VFe trụ và gông nhân với trọng lợng
riêng của sắt mFe:
MFe = VFe.mFe (kg)
Trong đó:
( cho trờng hợp trụ và gông có tiết diện bằng nhau)
VFe - thể tích khèi s¾t [dm3];
VFe = 3a.b.h + 2C.a.b = QFe.(3h + 2C)
VFe=177,2.10-2.(3.33,3.10-1+2.79,6.10-1)=45,9(dm3)
Với: QFe;a;b;c;h;C - là các kích thớc của lõi thép đợc đổi thành dm.
mFe = 7,85 kg/dm3 .
Suy ra: MFe = VFe.mFe = 45,9.7,85 = 360,32 (kg)
9. Khèi lỵng ®ång:
Khèi lỵng ®ång b»ng tÝch cđa thĨ tÝch VCu cn dây đồng cần tính nhân
với trọng lợng riêng của đồng mCu:
MCu = VCu.mCu (kg)
Trong ®ã:
VCu - thĨ tÝch khèi ®ång của các cuộn dây và đợc tính [dm3];
VCu = SCu.l
Trong ®ã: SCu - tiÕt diƯn d©y dÉn [dm2];
l - chiỊu dài dây quấn của cuộn dây [dm];
mCu = 8,9kg/dm3
Coi cuộn dây là khối trụ tròn
Chiều dài trung bình của các vòng dây có thể tính gần đúng . Dtb khi coi
Dtb là đờng kính trung bình của cuộn dây tròn.
l = W.. Dtb
Trong đó:
Dtb - đờng kính trung bình của cuộn dây và đợc tính:
Dtb = (Dt + Dn)/2
Trong đó: Dt,Dn - đờng kính trong và ngoài của cuộn dây.
Đờng kính trong của cuộn dây trong cùng đợc tính:

Dt = DFe + 2cdt - xét trụ tròn;
ở đây: DFe - đờng kính trụ sắt;
cdt - cách điện trong cùng với lõi.
Đờng kính ngoài của cuộn dây đợc tính gần đúng:
Dn = Dt + 2.(d + cd).nld
(với các cuộn dây bên ngoài, thì Dt của cuộn ngoài sẽ bằng Dn của cuén
trong).
20