Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi pot

Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
CHƯƠNG III
PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN BỘ BIẾN ĐỔI
Qua phần khảo sát hệ thống cân băng của nhà máy ở Chương II, ta tận dụng
động cơ một chiều của nhà máy để thiết kế lại bộ biến đổi cũng như mạch điều
khiển cho hệ truyền động cân băng định lượng.
3.1. Tính các thông số động cơ.
Động cơ của Dosimat là loại động cơ một chiều kích từ độc lập loại:
300/ 2k. 140SP N
0
36946 có các thông số sau:
- P
đm
= 2,2 [KW].
- U
đ
= 220 [V].
- I
d
= 11,2 [A].
- N= 1600 [V/Ph].
- U
KT
= 220 [V].
- I
KT
= 0,25 [A].
Từ các thông số động cơ ở trên có thể tính toán được các thông số còn lại như
sau:
- Hiệu suất động cơ:

- Điện cảm phần ứng động cơ:
1
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
Trong đó : K
L
là hệ số, K
L
= 1,4 ÷ 1,9 đối với máy có bù. Chọn K
L
= 1,9.
p là số đôi cực, p = 2.
-Tính gần đúng giá trị điện trở phần ứng động cơ:

Ω
- Tính mômen quán tính của động cơ:
[Kg/m
2
]
- Sức điện động phần ứng động cơ:
E
ư
= U
đm
– I
đm
.R
ư
= 220 – 11,2.1,05 = 208,24 [V]
Suy ra: KФ
đm

= E
ư
/ω
đm
= 208,24/167,5 = 1,243
- Mômen định mức phần ứng động cơ:
- Phương trình đặc tính cơ động cơ là:
Từ những kết quả tính toán trên ta có bảng tóm tắt thông số động cơ Dosimat:
2
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
Loại P
đm
KW
U
đm
V
I
đm
A
n
đm
V/ph
R
ư
J
ư
Kgm2
Ukt
đm
V

Ikt
đm
A
140SP
N
0
36946
2.2 220 11.2 1600 1.05 0.0003 220 0.25
3.2. Lựa chọn bộ biến đổi.
Theo yêu cầu của hệ truyền động thì bộ biến đổi có nhiệm vụ cung cấp điện áp
cho phần ứng động cơ do vậy và điện áp này có thể điều chỉnh được để thay đổi tốc
độ động cơ. Chính vì vậy sơ đồ phải điều khiển được. Xét về phương diện điều
khiển thì để ổn định tốc độ của máy ở phụ tải nhất định thì điện áp đặt vào động cơ
phải có độ ổn định cao.
Các phương án của mạch chỉnh lưu là:
- Chính lưu 1 pha.
- Chỉnh lưu hình tia 3 pha.
- Chỉnh lưu cầu 3 pha.
- Chỉnh lưu hình tia 6 pha.
- Chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng.
Tuy nhiên chinh lưu 1 pha cho công suất bé, không thích hợp với công suất lớn.
Chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng lại không có ứng dụng thực tế vì trong sơ
đồ có hiện tượng từ hoá cưỡng bức 1 chiều, bên cạnh đó cuộn kháng sẽ rất lớn cồng
kềnh và đắt tiền và hiệu suất sử dụng không bằng được chỉnh lưu cầu 3 pha. Chỉnh
lưu hình tia 6 pha thì việc chế tạo máy biến áp 3 pha 6 cuộn dây rất phức tạp. Dưới
đây ta sẽ lân lượt phân tích các phương án còn lại.
3
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
3.2.1. Mạch chỉnh lưu tia 3 pha.
T

1
T
2
T
3
a
a
b
C
b
c
Z
t
Hình 3.1. Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha hình tia.
- Điện áp cung cấp là điện áp 3 pha

Trường hợp tải có điện cảm vô cùng lớn ta có dạng dòng áp như sau:
4
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
i
v3
i
v2
i
v1
α
i
d
U
t

t
t
t
t
Hình 3.1. Đồ thị dòng điện chỉnh lưu 3 pha hình tia.
- α là góc mở thyristor được tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên.
- Giá trị trung bình điện áp ra tải :
- Dòng điện trung bình ra tải:
- Mỗi van dẫn 1/3 chu kì nên dòng điện chảy qua thyristor :
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên mỗi van :
- Góc trùng dẫn γ xác định bởi biểu thức : Cosα-Cos(α+γ)=
5
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
- Tổn thất điện áp khi trùng dẫn :
- Dòng điện hiệu dụng cuộn thứ cấp :
- Hiệu suất sử dụng máy biến áp :
- Hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu:
- U
m1
: Biên độ thành phần sóng hài bậc 1 của điện áp chỉnh lưu.
- Ưu nhược điểm của sơ đồ :
Ưu điểm :
- Số lượng van sử dụng ít.
- Dễ điều khiển.
Nhược điểm :
- Xuất hiện hiện tượng từ hóa cưỡng bức 1 chiều làm nóng máy biến áp,
đòi hỏi phải có cách đấu dây phức tạp để triệt tiêu hiện tượng này.
- Máy biến áp cần có công suất lớn hơn từ 10 đến 15% , gây tổn hao
nhiều.
- Chỉ thích hợp cho chỉnh lưu yêu cầu công suất nhỏ.

- Số lần đập mạch trong 1 chu kì nhỏ (m
đm
=3)
6
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
3.2.2. Mạch chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng.
Sơ đồ nguyên lý:
T
1
T
3
T
5
D
4
D
6
D
2
Z
t
a
b
c
Hình 3.2. Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng.
7
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
Dạng điện áp và dòng điện:
Hình 3.3. Đồ thị điện áp và dòng điện chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng.
Phân tích sơ đồ:

Sơ đồ cầu 3 pha không đối xứng gồm 3 tiristor và 3 diode chia làm 2 nhóm:
8
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
- Nhóm catốt chung : T1, T3, T5
- Nhóm anốt chung : D2, D4, D6
Điện áp các pha:
U
a
= U
2
sinθ
U
b
= U
2
sin(θ - ) 101\* MERGEFORMAT (.)
U
c
= U
2
sin(θ - )
Khi làm việc các diode chuyển mạch tự nhiên còn các tiristo chuyển mạch ở các
thời điểm cấp xung điều khiển theo góc điều khiển α. Khi α<60
o
thì điện áp U
d
luôn
dương. Nhưng khi α>60
o
sẽ xuất hiện các giai đoạn 2 van thẳng hàng cùng dẫn

điện đồng thời T1-D4, T3-D6,T5-D2; khi đó dòng điện I
d
= 0 chỉ chảy trong tải mà
không chảy về nguồn nên năng lượng được giữ ở tải không trả về nguồn.
- Ta có thể coi sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng tương đương 2 mạch
chỉnh lưu hình tia:
- Chỉnh lưu hình tia 3 pha điều khiển gồm T1, T3, T5 có:
U
K
= = 1,17U
2
cosα
- Chỉnh lưu hình tia 3 pha không điều khiển gồm D2, D4, D6 có:
U
A
= = 1,17U
2
- Tổng hợp lại ta có:
- Giá trị trung bình điện áp trên mạch tải:
9
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
U
d
= U
K
+ U
A
= 1,17U
2
(1 + cosα) = 2,34U

2
. = U
dmax
.
- Dòng điện trung bình ra tải :
- Mỗi van dẫn 1/3 chu kì nên dòng điện trung bình qua van :
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van :
- Số lần đập mạch trong toàn dải điều chỉnh : m
đm
=3 ; khi α=0 mới có m
đm
=6
- Hệ số công suất cosφ cao : (so với mạch chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng
φ=α)
- Khi góc mở α lớn hơn 60
0
thì dòng điện trở thành dòng gián đoạn.
- Ưu nhược điểm của sơ đồ:
Ưu điểm:
- Mạch điều khiển đơn giản.
- Hệ số công suất cosϕ lớn hơn so với sơ đồ điều khiển hoàn toàn do số
van ít hơn.
Nhược điểm:
- Không hoàn trả năng lượng về nguồn được khi 2 van thẳng hàng cùng
dẫn điện
10
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
- Số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu phụ thuộc vào góc điều khiển α.
Khi α nhỏ thì điện áp ra giống chỉnh lưu cầu đối xứng, nhưng khi α tăng thì
m

đm
=3
- Làm lệch pha lưới điện khi thay đổi góc điều khiển.
3.2.3. Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng.

T
1
T
3
T
5
T
4
T
6
T
2
Z
t
a
b
c
Hình 3.5. Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng.
11
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
- Sơ đồ gồm có 6 thyristor chia làm 2 nhóm : nhóm Catốt chung T
1
, T
3
, T

5
và
nhóm Anốt chung T
2
, T
4
, T
6
.
- Nguyên lý hoạt động của sơ đồ :
- Giả thiết ban đầu T
5
,T
6
dẫn dòng.
- Khi
α
π
θ
+=
6
cho xung điều khiển mở T
1
thyristor này mở vì lúc đó u
a
>0 .Sự mở của T
1
làm T
5
khoá một cách tự nhiên vì u

a
>u
c
.Lúc này có dòng chạy
qua T
1
,T
6
- Khi
α
π
θ
+=
6
3
cho xung điều khiển mở T
2
thyristor này mở vì lúc đó u
b
>u
c
.Sự mở của T
2
làm T
6
khoá một cách tự nhiên.Lúc này có dòng chạy qua T
1
,T
2
Các xung điều khiển lệch nhau

3
π
lần lượt đưa đến cực điều khiển thyristor theo thứ
tự 1,2,3,4,5,6,1
- Trong mỗi nhóm khi một thyistor mở nó sẽ khoá ngay thyristor dẫn
dòng trước đó
Dạng dòng điện,điện áp của mạch chỉnh lưu:
12
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
Hình 3.4. Dạng điện áp và dòng điện của chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng.
13
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
- Điện áp trung bình ra tải : U
d
=2,34U
2
cosα
- Dòng điện trung bình ra tải:
- Mỗi van dẫn 1/3 chu kì nên dòng điện chảy qua thyristor :
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên mỗi van : U
ngmax
=2,45.U
2
- Góc trùng dẫn γ được xác định bởi biểu thức : Cosα-Cos(α+γ)=
m
dC
U
IX
3
2

- Tổn thất điện áp khi trùng dẫn :
π
γ
dC
IX
U
3
=∆
- Dòng điện hiệu dụng thứ cấp :
- Hiệu suất sử dụng máy biến áp :
- Hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu:
- Ưu nhược điểm của mạch :
- Ưu điểm:
- Hệ số đập mạch nhỏ nên điện áp ra bằng phẳng , chất lượng tốt
- Điện áp 1 chiều trung bình lớn hơn chỉnh lưu hình tia.
- Điện áp cầu 3 pha có hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt nhất
- Nhược điểm:
- Mạch điều khiển phức tạp,tốn kém.
14
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
KẾT LUẬN:
Qua các phân tích trên, ta thấy sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điểu khiển
hoàn toàn là thích hợp nhất đối với động cơ điều khiển cân Dosimat. Sơ đồ chỉnh
lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn có đáp ứng tốt nhất cho yêu cầu về chất lượng
điện áp và cả về kỹ thuật như:
+ Sơ đồ cầu có điện áp ngược đặt lên van nhỏ hơn hai lần so với sơ đồ hình
tia.
+ Sơ đồ cầu máy biến áp được tận dụng khả năng triệt để hơn (công suất yêu
cầu nhỏ hơn 30% so với sơ đồ hình tia)
+ Sơ đồ cầu cho ta dạng điện áp và dòng chỉnh lưu tốt hơn, độ nhấp nhô ít

hơn.
+ So với sơ đồ hình tia kích thước cuộn kháng lọc bé hơn,và dễ chế tạo hơn.
+ So với sơ đồ cầu 3 pha bán điều khiển thì sơ đồ 3 pha bán điều khiển có
nhiều bất lợi hơn như : không hoàn trả năng lượng về nguồn được khi 2 van thẳng
hàng cùng dẫn điện, chất lượng điện áp phụ thuộc vào góc điều khiển α, hệ số đập
mạch nhỏ (m
đm
=3) khi α lớn. Làm lệch pha lưới điện khi thay đổi góc điều khiển.
15
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
3.3. Tính toán và lựa chọn các thiết bị.
3.3.1. Tính toán biến áp nguồn.
Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ đầu dây ∆/Y làm mát bằng không khí tự
nhiên.
Hình 3.5. Sơ đồ bộ biến đổi và máy biến áp nguồn
1- Công suất biểu kiến MBA:
16
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.

[kV]
Trong đó:
Vậy:

[VA]
2- Điện áp pha sơ cấp MBA: U
1
= 380 [V]
3- Điện áp thứ cấp máy biến áp:
Điện áp không tải của bộ chỉnh lưu Ud
0

phải thoả mãn phương trình:
U
d0.
cosα
min
= U
ĐCdm
+ ∑U
v
+ ∆U
ba
+ ∆U
LK

Trong đó:
- Ud
0
: điện áp không tải của chỉnh lưu.
- α
min
: góc điều khiển cực tiểu. Sơ đồ không đảo chiều, ta chọn chỉnh
lưu cầu 3 pha => α
min
= 12
o
.
- ∑Uv : tổng sụt áp trên van. Mỗi thời điểm chỉ có 2 van dẫn. Thông
thường sụt áp trên van thyristor khoảng từ 1 – 2 V. Chọn U
v
=1,5 [V] nên:

- ∑U
v
= 2U
v
≈ 2.1,5 = 3 [V].
- ∆U
lk
: sụt áp trên cuộn cảm. thường ∆U
lk
= (5% – 10%) U
đm
. Ta chọn
tỉ lệ sụt áp là 7% => ∆U
lk
=15,4 [V]
- ∆U
ba
: sụt áp do biến áp gây ra. thường ∆U
ba
= (5% – 10%) U
đm
. Ta
chọn ∆U
ba
=15,4 [V]
17
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
Vậy:
U
d0

= 253,8 [V]
U
2
= 108 [V]
4- Dòng hiệu dụng thứ cấp MBA:
[A]
5- Dòng hiệu dụng sơ cấp MBA:
[A]
6- Tính sơ bộ mạch từ :
• Tính tiết diện trụ :
Trong đó :
K
Q
: Hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, chọn K
Q
= 4.
Với loại MBA dầu K
Q
= 4 ÷ 5.
M : Số trụ máy biến áp : m = 3.
f : Tần số nguồn xoay chiều.
Thay số ta có :
18
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
Đường kính trụ là :
Chuẩn hóa đường kính trụ theo tiêu chuẩn :
d = 5 [cm]
Chọn loại thép 330 có các lá thép kỹ thuật độ dày 0,5 mm.
Chọn mật độ từ cảm trong trụ :
B = 1 testla [1T]

Chọn tỉ số :
M = h/d = 2 ( thông thường m = 2 ÷ 2,5 )
Suy ra : h = 2.d =2.5 = 10 [cm]
7- Tính toán dây quấn :
Số vòng mối pha sơ cấp MBA :
Số vòng 1 pha thứ cấp MBA :
Với dây dẫn bằng đồng chọn mật độ dòng điện :
J
1
= J
2
= 2,75 [A/mm
2
]
19
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
Tiết diện dây dẫn sơ cấp MBA là :
Chuẩn hóa tiết diện dây dẫn sơ cấp MBA là:
S
1
= 1,72 [mm
2
]
Chọn dây chữ nhật theo tiêu chuẩn :
S
1
= a
1
. b
1

=0,8 mm . 2,1 mm
Tiết diện dây dẫn thứ cấp MBA là:
Chuẩn hóa tiết diện dây dẫn thứ cấp MBA
S
2
= 3,33 [mm
2
]
Chọn dây dẫn hình chữ nhật theo tiêu chuẩn
S
2
= a
2
. b
2
=1,23 mm . 2,83 mm
• Kết cấu dây quấn sơ cấp:
Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm theo chiều dọc trục.
Tính số vòng dây trên 1 lớp của cuộn sơ cấp :
Trong đó:
K
C
= 0,95: hệ số ép chặt
h : chiều cao trụ
h
g
: khoảng cách từ gông đến cuộn sơ cấp
20
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
Chọn h

g
= 1,5 cm
Thay số ta có:
[Vòng]
Tính số lớp dây cuộn sơ cấp :
[Lớp]
Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp :
h
1
= [cm]
Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày :
S
01
= 0,1 [cm]
Khoảng cách từ trụ tới cuộn sơ cấp :
a
01
= 1 [cm]
Đường kính trong của ống cách điện :
D
T
= d + 2a
01
- 2S
01
= 5 + 2.1 - 2.0,1 = 6,8 [cm]
(d: đường kính của trụ)
Đường kính trong cuộn sơ cấp :
D
T1

= D
T
+ 2S
01
= 6,8 + 2.0,1 = 7 [cm]
Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây cuộn sơ cấp:
C
d1
= 0,1 [cm]
Bề dày cuộn sơ cấp là :
B
d1
= (a
1
+ C
d1
).n
1L
= (0,08.1 + 0,1).30 = 5,4 [cm]
21
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp :
D
N1
= D
T1
+ 2B
d1
= 7 + 2.5,4 = 17,8 [cm]
Đường kính trung bình cuộn sơ cấp :

D
TB
= [cm]
Chiều dài dây quấn sơ cấp:
L
1
= W
1
. .D
TB
= 1006.3,14.12,4 = 39169 cm = 391,69 [m].
Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp :
C
d2
= 1 [cm]
• Kết cấu dây quấn thứ cấp
Tính số vòng dây trên 1 lớp :
[Vòng]
Tính số lớp dây quấn thứ cấp :
n
2
= [Lớp]
Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp :
h
2
= [cm]
Đường kính trong cuộn thứ cấp
D
T2
= D

N1
+ 2C
d2
= 17,8 + 2.1 = 19,9 [cm]
Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây cuộn thứ cấp :
C
d3
= 0,1 [cm]
22
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
Bề dày cuộn thứ cấp là :
B
d2
= (a
2
+ C
d3
).n
2
= (0,123 + 0,1).12 = 2,67 [cm]
Đường kính ngoài cuộn thứ cấp :
D
N2
= D
T2
+ 2B
d2
= 19,9 + 2.2,67 = 25,2 [cm]
Đường kính trung bình cuộn thứ cấp :
D

TB
= [cm]
Chiều dài dây quấn thứ cấp:
L
2
= W
2
. .D
TB
= 285.3,14.22,5 = 20135 cm = 201,35 [m].
8- Các thống số của máy biến áp:
Điển trở trong của cuộn sơ cấp MBA ở 75
0
C là :
R
1
=
( = 0,02133
Ω
mm
2
/m)
Điện trở trong cuộc thứ cấp MBA ở 75
0
C là :
R
2
=
Điện trở máy biến áp quy đổi về thứ cấp :
R

BA
= R
2
+ R
1
2
1
2
W
W









= 0,204 + 4,85 = 0,594 [
Ω
]
Điện kháng của máy biến áp là
23
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
X
BA
= e
r
= 1,08 [

Ω
]
(Với MBA 3 pha 3 trụ có e
r
= 0,08)
Sụt áp trên điện trở MBA là
∆
U
r
= 1,66.I
d
= 18,59 [V]
Điện cảm cuộn kháng quy đổi về thứ cấp
L
ba
= = 0,00756 [H]
Sụt áp trên cuộn kháng MBA
[V]
Sụt áp trên máy biến áp là:
U
BA
= = 20,56 [V]
3.3.2. Tính chọn thyristor mạch chỉnh lưu.
Điện áp ngược lớn nhất mà thyristor phải chịu:
U
ngmax
= 2,45. U
2
= 2,45.108= 264,6 [V]
Điện áp van cần chọn :

U
V

≥
U
ng max
. K
u
= 264,6. 2 = 529,2 [V]
(Chọn hệ số dự trữ điện áp K
u
= 2 )
Dòng điện làm việc trung bình của van:
I
TBV
=

[A]
24
Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi.
Dòng điện của van cần chọn:
I
V
= K
i
. I
TBV
= 1,4 . 3,7 = 5,2 [A]
(Chọn hệ số dự trữ dòng điện K
i

= 1,4)
Từ đó ta chọn được thyristor thích hợp với các thông số trong bảng sau:
Loại
I
tb
[A]
I
max
[A]
I
đm
[A]
U
ng.max
[V]
I
g.max
[A]
ΔU
[V]
U
g
[V]
du/dt
[V/μs]
di/dt
[V/μs]
24TB12 25 180 7,5 800 0,1 1,4 3 50 31
3.3.3. Tính toán cuộn kháng lọc một chiều.
Ta có công thức:

Đối với sơ đồ chỉnh lưu một pha sơ đồ cầu: K
đm.vào
= 0,67. Chọn: K
đm.ra
= 0,067.
Suy ra:
Vậy:
Suy ra [H]
3.3.4. Thiết kế bảo vệ cho thyristor.
3.3.4.1 Bảo vệ quá nhiệt.
Khi làm việc các thiết bị bán dẫn công suất có các tổn hao gây phát nóng thiết
bị. Các nguyên nhân gây phát nóng gồm:
- Tổn hao công suất khi dẫn ( theo chiều thuận ). Tổn hao này bằng tích điện
áp và dòng điện thuận. Đây là nguyên nhân chính gây phát nóng.
25