Chuyên đề tốt nghiệp: Tìm hiểu ngành điện tử công suất phần 1 pot

Đồ án điện tử công suất

Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
1


Lời mở đầu

Trong những năm gần đây, nhờ sự phát triển của khoa học, kỹ thuật, rất nhiều loại máy
móc thiết bị mới ra đời, phục vụ trong công nghiệp và sinh hoạt. Tuy nhiên, có những máy mà
cha thể thay thế hoàn toàn, chẳng hạn nh động cơ đồng bộ. Mặc dù động cơ đồng bộ có cấu
tạo phức tạp, mở máy rất khó khăn nhng lại có những đặc tính quí giá nh nh hệ số công
suất cos rất cao, không cần lấy công suất phản kháng từ lới và khả năng tải lớn hơn do
momen chỉ tỉ lệ bậc nhất với điện áp. Vì vậy ngời ta thờng cố gắng khắc phục những nhợc
điểm của động cơ đồng bộ. Trong đó việc tìm ra phơng pháp khởi động động cơ một cách
hiệu quả nhất đợc quan tâm thờng là khởi động theo phơng pháp không đồng bộ.
Trên cơ sở đó bản đồ án này có nhiệm vụ thiết kế mạch tự động cấp kích từ cho động cơ
đồng bộ. Mạch đảm bảo quá trình khời động cho động cơ theo chế độ khởi động không đồng
bộ. Trong quá trình làm việc phải cho phép chế độ quá kích thích trong thời gian đến vài chục
giây và điều chỉnh đợc.
Các số liệu:
Điện áp kích từ định mức: 75V DC.
Công suất kích từ định mức: 24KV.
Điện áp kích từ cực đại (quá kích từ): 130 V.
Điện trở khởi động: 0,8.
Điện áp lới điện: 3. 380V.
Trong quá trình hoàn thành bản đồ án này, do còn hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm,
nên không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót. Em rất mong đợc sự nhận xét, chỉ bảo của các thầy
cô trong bộ môn qua đó, em có kiến thức sâu hơn về mạch tự động cấp kích từ cho động cơ
đồng bộ.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Quốc Hải và các thầy cô trong bộ môn đã nhiệt

tình giúp đỡ và động viên em hoàn thành bản đồ án này.

Sinh Viên:
Vũ Thị Bích








Chuyờn tt nghip: Tỡm hiu ngnh in t cụng sut
Đồ án điện tử công suất

Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
2


Chơng 1:
tìm hiểu công nghệ và yêu cầu kĩ thuật của thiết bị

I. Động cơ đồng bộ
1. Khái niệm chung:
Máy đồng bộ là máy điện xoay chiều có hai dây quấn, một dây quấn nối với lới điện có
tần số W1, không đổi còn dây quấn thứ hai đợc kích thích bằng dòng một chiều(W2=0)
Động cơ đồng bộ đợc sử dụng khá rộng rãi trong những công suất trung bình và lớn, có yêu
cầu ổn định tốc độ cao. Động cơ đồng bộ thờng dùng cho máy bơm ,quạt gió, các hệ truyền
động của các nhà máy luyện kim và cũng thờng đợc sử dụng làm động cơ sơ cấp trong các
tổ máy phát - động cơ công suất lớn.

Ưu điểm: có độ ổn định tốc độ cao, hệ số cos và hiệu suất lớn, vận hành có độ tin cậy
cao.

Sơ đồ nguyên lý:










Mạch stato của nó tơng tự nh động cơ không đồng bộ, mạch roto có cuộn kích từ để
sinh ra từ trờng trong máy và các cuộn dây khởi động( kiểu lồng sóc và dây quấn)
2. Nguyên lý làm việc:
Tác dụng của từ trờng do dòng kích từ gây ra lên từ trờng quay của stato tạo nên
momen và momen quay với tốc độ đồng bộ xác định bởi biểu thức:
N
DB
=f: p (vòng/phút)
Tốc độ góc đồng bộ là: W
DB
= 2f (rad/s)
Trong đó f: tần số(Hz)
p: Số đôi cực
-

+

~

U
Đồ án điện tử công suất

Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
3


Từ trờng quay trong khe hở không khí kéo theo roto quay với tốc độ đồng bộ.
Xem xét đơn giản các đặc tính của động cơ đồng bộ: nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato
và điện kháng tản, biểu thức của từ trờng trong khe hở không khí luôn liên hệ với điện áp đặt
vào stato, biên độ của từ trờng này là không đổi. Xét thời điểm pha A cực đại, từ thông trong
dây quấn stato là đối xứng ở lân cận dây quấn pha A.
Trong trờng hợp hệ số công suất của dòng điện stato =1, momen của tải làm cho roto
chậm sau so với từ thông stato.Vì lý do đờng sức khép kín, các dòng điện stato tạo nên sức từ
động tổng.
Nếu dòng kích từ tăng đột ngột, biên độ của từ thông tăng tức thời , momen tăng làm
cho roto tăng tốc về phía trớc cho đến khi đạt tới cân bằng ở góc lệch rất nhỏ .Vì từ thông
tổng không đổi, tăng sức từ động làm phần cảm đợc bù băng dòng điện stato (do đó dòng
điện vợt trớc) sao cho sự phân bố của sức từ động stato trong một đờng sức khép kín ngợc
với sự thay đổi của kích từ. Kết quả rõ ràng là khi tăng kích từ sẽ làm giảm góc lệch của cực từ
và hệ số công suất của dòng stato sẽ vợt trớc dòng điện lới.
Giảm dòng kích từ tạo ra hiệu quả ngợc lại. Góc lệch cực từ tăng lên và hệ số công suất
của dòng stato chậm sau điện áp lới.

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 :
W1 = 2f1/p.
Trong phạm vi momen cho phép M M
max
, đặc tính cơ là tuyệt đối cứng, nghĩa là độ
cứng đặc tính cơ = vô cùng. Khi momen vợt quá trị số M
max
thì tốc độ động cơ sẽ mất đồng
bộ.
4. Mở máy động cơ đồng bộ:
Quá trình khởi động của động cơ đồng bộ gồm 2 giai đoạn:
* Giai đoạn 1:
0

M
max
M
W1
W

Đồ án điện tử công suất

Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
4

Stato của động cơ đợc đấu vào nguồn điện xoay chiều còn cuộn kích từ đóng kín qua
điện trở hạn chế R
hc
để cuộn kích từ khỏi bị quá áp do sức điện động cảm ứng sinh ra trong nó
(R
hc
= (8 - 10)R
kt
). Trong giai đoạn này động cơ đồng bộ đợc khởi động nh một động cơ
không đồng bộ.
Khi mở máy không đồng bộ, động cơ đồng bộ lấy đà đến tốc độ gần đồng bộ nhờ
momen không đồng bộ M
KD
của bản thân xuất hiện khi đóng mạch dây quấn phần ứng vào
lới. Sau khi đợc nối vào lới có điện áp là U
L
và tần số lới f
l
, dòng điện trong dây quấn
phần ứng tạo nên từ trờng quay với tốc độ
DB
. Khi có sự xê dịch giữa từ trờng quay so với
roto với tốc độ
DB
- = s
DB
thì trong dây quấn kích thích nối kín mạch qua R
HC

và trong
dây quấn cảm kiểu dây quấn ngắn mạch có bớc không đều sẽ có dòng điện cảm ứng, tần số
là sf
L
(: tốc độ góc của roto, s: hệ số trợt ).
Do tơng tác của dòng điện cảm ứng trong các mạch vòng bị nối tắt của roto với từ
trờng quay có momen điện từ không đồng bộ M
KD
nh trong động cơ không đồng bộ đợc
hình thành chủ yếu do các dòng điện cảm ứng trong dây cuốn cản. Vì vậy các tham số dây
cuốn cản (điện trở, điện kháng) thuộc vào số lợng, kích thớc và vật liệu các thanh dẫn đợc
chọn xuất phát từ các điều kiện mở máy sao cho đảm bảo đầy đủ momen không đồng bộ
trong tất cả các giai đoạn khởi động. Do đó dây cuốn cản dùng cho khởi động không đồng bộ
còn gọi là dây cuốn mở máy.
Quan hệ giữa momen không đồng bộ của động cơ đồng bộ với hệ số trợt M=f(s):











Khi bắt đầu quay, lúc đó hệ số trợt s = 1, momen mở máy bắt đầu M
mm
tác dụng lên
roto và ở hệ số trợt s

max
thì xuất hiện momen cực đại M
max
. Momen không đồng bộ tỉ lệ với
bình phơng điện áp lới M
kd
U
2
. Do đó nhất thiết phải nói là các trị số đặc tính của nó M,
M
max
đợc xác định ở điện áp nào. Thông thờng các momen đặc trng không đồng bộ đợc
biểu thị theo tỉ số momen định mức của động cơ ở chế độ đồng bộ: M
mm,
/ M
đm
, M
max
/M
đm.

M
kd
M
kdmax
M
s=0,05
M
kd
=0

R
tt


0
R
tt
= 0
M
m
0

s
0
0,05
s
max
0,5 1
s
Đồ án điện tử công suất

Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
5


Ta thấy trong việc hình thành momen không đồng bộ , ngoài sự tham gia của dây cuốn
cản còn có dây cuốn kích thích vốn là dây cuốn 1 pha. Dòng điện cảm ứng trong dây quấn
kích thích tạo ra từ trờng đập mạch hớng theo dọc trục, khác với từ trờng quay sinh ra do
dòng điện nhiều pha trong dây quấn cản. Do đó trong đờng cong momen không đồng bộ xuất
hiện chỗ lõm ở khu vực s = 0.5 có thể làm cho việc mở máy động cơ bị xấu đi. Cũng phải

nhấn mạnh là khi mở máy , dây quấn kích từ nhất thiết phải nối với máy kích thích hoặc điện
trở triệt từ vì trong dây quấn kích từ để hở mạch sẽ xuất hiện điện áp đáng kể chọc thủng cách
điện và làm hỏng máy.
* Giai đoạn 2:
Cuối giai đoạn thứ nhất: khi tốc độ đạt 95% -98% tốc độ đồng bộ. Lúc này ta đa dòng
kích từ vào roto để tạo ra momen đa tốc độ động cơ lên đồng bộ.
Giai đoạn này rất quan trọng vì nếu không đa động cơ lên tốc độ đồng bộ thì động cơ sẽ làm
việc ở trạng thái không đồng bộ và cuộn khởi động sẽ bị phát nóng quá mức, có thể bị cháy.
5. Vào/ ra đồng bộ:
Sau khi mở máy và đợc kéo vào đồng bộ , ở chế độ xác lập dòng điện trong dây quấn
đó không tồn tại.
Tuy nhiên, bất kì quá trình quá độ nào liên quan đến sự thay đổi điện áp dòng kích từ
hoặc momen ngoài thì từ thông móc vòng với dây cuốn cản thay đổi và trong dây cuốn đó xuất
hiện dòng điện cảm ứng làm quá trình quá độ tiến hành thuận lợi hơn. Điều này làm cho máy
đồng bộ hàng loạt các loại đặc tính quí giá mà quan trọng nhất là khả năng làm việc ở những
chế độ đồng bộ mà ở cả chế độ không đồng bộ trong trờng hợp mất đồng bộ. Cũng có khả
năng là momen không đồng bộ xuất hiện trong khoảnh khắc tốc độ góc roto lệch khỏi đồng
bộ, khi đó việc xuất hiện momen không đồng bộ tạo thuận lợi làm chuyển dễ dàng hơn sang
chế độ mới, khôi phục lại tốc độ đồng bộ của roto.
Điện áp lới sụt thấp, dòng kích từ momen giảm hoặc momen ngoài tăng đột ngột có thể
là nguyên nhân mất đồng bộ.
Sự mất đồng bộ sẽ xảy ra khi momen ngoài vợt momen đồng bộ cực đại M
dbmax
. Sau đó
mất đồng bộ dới tác dụng của momen ngoài, tốc độ góc quay của rôto trở lên lớn hơn đồng
bộ nếu trớc đó máy làm việc nh máy phát và nhỏ hơn đồng bộ nếu máy làm việc nh động
cơ.
Khi tốc độ roto càng sai khác tốc độ từ trờng thì hệ số trợt tăng, momen điện từ không
đồng bộ tăng dần và ở một hệ số trợt s nào đó, momen ngoài có thể cân bằng momen điện từ
không đồng bộ.

Khả năng làm việc của máy đồng bộ ở chế độ không đồng bộ sau khi mất đồng bộ đợc
xác định do đặc tính của momen không đồng bộ của máy.
Hệ số trợt xác lập chế độ không đồng bộ.
Đồ án điện tử công suất

Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
6




2
2
cos
L
dm
kd
N
U
R
M
M
s




Hệ số trợt này rất bé , trong các máy lớn bằng vài phần nghìn. Do đó sau khi mất đồng
bộ trong nhiều trờng hợp máy chuyển sang chế độ không đồng bộ. Thời gian kéo dài cho
phép của chế độ không đồng bộ thuộc tổn hao sinh ra trong các mạch bị nối tắt ở roto.

P
cu 2
= s. P
dt
s. P

Nó phải đợc đánh giá từ trớc bằng tính toán nhiệt thông thờng có thể làm việc dài
hạn ở chế độ không đồng bộ khi hạ thấp công suất chút ít . Vì ở chế độ không đồng bộ , máy
không phát công suất phản kháng vào hệ thống nên sau khi loại trừ sự cố dẫn đến mất đồng bộ
phải đa máy trở lại chế độ đồng bộ. Quá trình đa từ chế độ không đồng bộ về chế độ đồng
bộ gọi là tái đồng bộ .
Quá trình tái đồng bộ tơng tự nh đồng bộ. Nếu hệ số trợt ở chế độ không đồng bộ
nhỏ hơn nhiều so với hệ số trợt vào đồng bộ s
o
, ở đó có thể kéo vào đồng bộ thì có thể thực
hiện tái đồng bộ mà không cần phải tác động gì. Nếu ở chế độ không đồng bộ, hệ số trợt s
lớn hơn s
0
thì phải điều chỉnh dòng kích từ: tăng dòng kích từ để có thể kéo vào động bộ.
II. Yêu cầu công nghệ và yêu cầu kỹ thuật.
Mạch tự động cấp kích từ cho động cơ không đồng bộ, đảm bảo quá trình khởi động cho
động cơ theo chế độ không đồng bộ. Trong quá trình làm việc phải cho phép chế độ quá kích
thích trọng thời gian đến vài trục giây và điều chỉnh đợc.
Ta biết rằng khởi động động cơ đồng bộ là quá trình đa động cơ vào làm việc bắt đầu
đặt điện áp xoay chiều 3 pha vào dây quấn stato, trong máy có từ trờng quay quay với tốc độ
đồng bộ n
1
=
p

f60
, cho đến khi ta đa kích từ một chiều vào dây quấn roto thì roto trở thành
một nam châm điện. Tác dụng tơng hỗ giữa từ trờng quay và từ trờng của roto sẽ sinh ra
mômen điện từ làm cho roto quay cùng chiều quay với từ trờng với tốc độ n = n
1
. Tuy nhiên
để thực hiện đợc nh vậy là không dễ dàng, đặc biệt là với động cơ đồng bộ có công suất lớn.
Vì vậy thờng sử dụng phơng pháp không đồng bộ gồm 2 giai đoạn để khởi động cho động
cơ đồng bộ (nh đã nói ở chơng 1) và mạch thiết kế cần phải đảm bảo đợc yêu cầu này.
Nhng không phải lúc nào động cơ cũng vào đợc tốc độ đồng b. Khi phát hiện hệ có
nguy cơ mất đồng bộ thì tự động cấp quá kích thích để tăng dòng kích từ để giữ đồng bộ song