Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ một chiều

Lời nói đầu
Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các
lĩnh vực khoa học, ứng dụng của điện tử công suất vào công nghiệp nói chung
và công nghiệp điện tử nói riêng, các thiết bị điện tử có công suất lớn đã đợc
chế tạo ngày càng nhiều, đặc biệt là ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế
quốc dân và đời sống, làm cho yêu cầu về sự hiểu biết và thiết kế các loạI thiết
bị này hết sức cần thiết đối với lạI kỹ s ngành điện
Cùng với sự phát triển của ngành điện tử công suất thì việc ứng dụng động cơ
điện một chiều vào công nghiệp là hết sức quan trọng. Việc sử dụng động cơ
điện một chiều với nhiều mục đích nh để bảo đảm yêu cầu công nghệ của phụ
tải
Để hiểu rõ đợc vai trò của điện tử công suất và động cơ điện một chiều thì
trong bản đồ án môn học này đợc sự hớng dẫn của thầy Đỗ Trọng Tín với nội
dung :
Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ một chiều kích từ độc lập đảm bảo
yêu cầu tốc độ trơn, ổn định, chống quá tải và chống mất kích từ
Bản đồ án của em gồm
Trong bản đồ án này mặc dù em đã cố gắng song với sự hiều biết và những
kiến thức đã học còn hạn chế nên bản đồ án của em không tránh khỏi những
thiếu sót.Em kính mong nhận đợc sự góp ý và chỉ bảo tận tình của các thầy cô
giáo và của các bạn để bản đồ án của em đợc hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn
Sinh viên
Đào xuân Hùng
.
1
Ch ơng I: Giới thiệu về động cơ một chiều
I- Cấu tạo của động cơ một chiều
- những phần chính của máy điện một chiều gồm stato với cực từ ,
roto với dây quấn và cổ góp với chổi điện
a- stato: còn gọi là phần cảm gồm một lõi thép bằng thép

đúc vừa là mạch từ vừa là vỏ máy
+ cực từ chính : có dây quấn kích từ lồng vào lõi sắt cực từ , lõi thép cực từ
làm bằng thép kỹ thuật điện mỏng, các cuộn kích từ đợc quấn bằng dây đồng
bọc cách điện và đợc nối nối tiếp với nhau
+ cực từ phụ : đợc đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều , lõi
thép của cực từ phụ thờng làm bằng thép khối, trên thân cực từ phụ có đặt dây
quấn mà cấu tạo giống nh dây quấn cực từ chính
b- roto: còn gọi là phần ứng gồm lõi thép và dây quấn phần
ứng
- lõi thép hình trụ làm bằng các lá thép kỹ thuật dày 0,5 mm, phủ
sơn cách điện ghép lại và đợc dập lỗ thông gió và rãnh để đặt dây
quấn phần ứng
- cổ góp gồm các phiến góp làm bằng đồng đợc cách điện có dạng
hình trụ gắn ở đầu trục roto
- chổi điện làm bằng than graphit, các chổi tỳ chặt lên cổ góp nhờ
lò xo và giá chổi điện gắn lên nắp máy
II- Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
- Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi than A,B trong dây
quấn phần ứng sinh ra dòng điện I . Các thanh dẫn ab , cd có
dòng điện nằm trong từ trờng sẽ chịu lực F
đt
tác dụng làm cho
roto quay , khi phần ứng quay nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab,
cd đổi chỗ cho nhau do đó các phiến góp đổi chiều dòng điện giữ
cho chiều lực tác dụng không đổi đảm bảo động cơ có chiều quay
không đổi , khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trờng sẽ cảm
ứng sức điện động E chiều quay xác định theo qui tắc bàn tay trái
Phơng trình điện áp :
U = E + R .I
III- Phân loại về động cơ một chiều

- Động cơ một chiều đợc dùng rất phổ biến trong công nghiệp giao
thông vận tải và nói chung ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc độ
quay liên tục trong một phạm vi rộng ( máy cán thép, máy công
cụ lớn, đầu máy tiện.)
- cũng nh máy phát, động cơ điện một chiều đợc phân loại theo
kích thích từ thành các động cơ điện kích từ độc lập , kích thích
song song, kích thích nối tiếp và kích thích hỗn hợp
- Giới thiệu về động cơ kích từ độc lập
2

Hình 1: sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập
- Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch
điện phần ứng và mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn một chiều
độc lập với nhau và lúc này động cơ đợc gọi là động cơ kích từ
độc lập
b- Phơng trình đặc tính cơ
phơng trình đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc
lập

u
fu
u
I
K
RR
K
U
.

+

=

nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép của mômen cơ trên trục
động cơ bằng mômen điện từ ta kí hiệu là M, nghĩa là M
đt
= M
cơ
= M
thì ta có phơng trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ
độc lập

( )
M
K
RR
K
U
fu
u
.
2

+


=

- Giả thiết phản ứng phần ứng đợc bù đủ, = const thì các phơng

trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ là tuyến tính
Trong đó:
a
Np
K

=
2
.
: tốc độ góc , rad/s
: từ thông kích từ dới một cực từ
3
E
I
R
f
U
-
I
kt
R
kt
U
-
CKT
U
kt
U : điện áp phần ứng
R : điện trở phần ứng
R

f
: điện trở phụ trong mạch phần ứng
I : dòng điện trong mạch phần ứng
Đồ thị mô tả phơng trình đặc tính cơ
IV- Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng
-Để điều chỉnh điện áp phần ứng đông cơ điện một chiều cần có thiết bị
nguồn nh máy phát điện một chiều kích từ độc lập , các bộ chỉnh lu điều
khiển các thiết bị này có chức năng biến đổi lợng xoay chiều thành một
chiều có suất điện động E
b
điều chỉnh đợc là nhờ tín hiệu U
đk

-Phơng trình đặc tính cơ của hệ thống nh sau:

u
dm
bud
dm
b
I
K
RR
K
E
.

+

=

- vì từ thông của động cơ đợc giữ không đổi nên độ cứng của đặc tính cơ
cũng không thay đổi còn tốc độ không tải lý tởng tuỳ thuộc vào giá trị
điện áp U
đk
của hệ thống do đó có thể nói phơng pháp điều chỉnh này là
triệt để
- Để xác định dải điều chỉnh tốc độ ta thấy rằng tốc độ lớn nhất của hệ
thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tính ứng với điện áp định mức
và từ thông cũng giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều
4
BBĐ
LK

0

đm
M
đm

M
chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi động ,
khi mômen tải là định mức thì giá trị lớn nhất va nhỏ nhất của tốc độ là:



dm
M
=

max0max



dm
M
=
min0min
Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải
có mômen ngắn mạch là:
M
nmmin
= M
cmax
= K
M
.M
đm
Trong đó : K
M
: hệ số quá tải về mômen, do họ đặc tính cơ là những đờng
thẳng song song với nhau nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có
thể viết:

( ) ( )
( )
1
1
1
1

1
max0
max0
minmin


=


=
==
M
dm
dm
M
dm
M
dm
dmnm
K
M
M
K
M
D
K
M
MM

* Phạm vi điều chỉnh phụ thuộc tuyến tính vào
Ch ơng II: Lựa chọn ph ơng án điều chỉnh
I- Lựa chọn phơng án
5

min

0min

max

omax
M
đm
M
nmmin

đk1

đk2
- Để cấp nguồn cho tải một chiều, chúng ta cần thiết kế các bộ
chỉnh lu với mục đích biến đổi năng lợng điện xoay chiều thành
năng lợng điện một chiều. Các loại bộ biến đổi này có thể là
chỉnh lu không điều khiển và chỉnh lu có điều khiển
1- Phơng án 1: chỉnh lu điều khiển hình tia 3 pha:
6

2
1
3
T
T
L
T
R

U
d
I
d
T
1
T
2
T
3





t
1
t
2
t
3

t
4
- Do suất điện động cảm ứng nên T
1
vẫn dẫn điện cho đến thời
điểm t
2
- Khi đa xung vào mở T
2
thì sẽ xuất hiện một điện áp ngợc đặt vào
T
1
làm T
1
khoá lại và quá trình khoá T
1
là quá trính khoá cỡng
bức
- Từ thời điểm t
2
ữ t
3
thì T
2
dẫn điện , là khi chúng ta mở T
3
dòng
điện đợc san phẳng lúc này điện cảm sẽ thu toàn bộ những thành
phần sóng điều hoà bậc cao nên nó sẽ duy trì cho dòng điện là
không đổi

- Giá trị điện áp ra trên tải:
U
d
= 1,17.U
2
.cos
U
ngmax
= 2,45. U
2
K
đm
= 0,25
Số lần đập mạch trong một chu kỳ là 3

74,0=
ba
d
S
P
+ u và nhợc điểm của chỉnh lu tia 3 pha
*u điểm : so với chỉnh lu một pha thì chỉnh lu tia 3 pha có chất lợng
điện áp một chiều tốt hơn, biên độ điện áp đập mạch thấp hơn, thành
phần sóng hài bậc cao bé hơn, việc điều khiển các van tơng đối đơn
giản
*nhợc điểm : sơ đồ chỉnh lu tia 3 pha có chất lợng điện áp ra tải cha
thật tốt lắm, khi cần chất lợng điện áp ra tốt hơn thì dùng sơ đồ
nhiều pha hơn.
2- phơng án 2 : sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha đối xứng

7
3
T
T
1
2
4
T
6
T
T
5
T
11
RRLR
U
f
I
d
U
d
i
T1
i
T3
i
T5
i
T2

i
T4
i
T6









8
Điện áp trung bình trên tải









cos..
63
.sin..2
2
6
2

6
5
6
2
UdUU
d
==

+
+
Điện áp ngợc cực đại đặt lên van
U
ngmax
=2,45U
2
Số lần đập mạch trong 1 chu ky là 6
+ u và nhợc điểm của chỉnh lu cầu 3 pha
*u điểm : chất lợng điện áp tốt nhất, hệ số đập mạch tháp, thành phần sóng
hài nhỏ, hiệu suất sử dụng biến áp tốt nhất
nhợc điểm : cần phải mở đồng thời hi van theo đúng thứ tự pha nên rất
phức tạp, nó gây khó khăn khi chế tạo vận hành và sửa chữa
3- phơng án 3 : sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha không đối xứng


9
i
T1
i
T2
i

T3
I
D1
I
D2
I
D3






I
d
U
f


U
d


D
T
2
D
6
D
T

5
11
~
T
R
1
R
4
LR
3
Ho¹t ®éng cña s¬ ®å :
10
+trong khoảng 0ữ
1
: T
5
và D
6
cho dòng tải i
d
= i
d
chảy qua D
6
đặt điện thế
U
2b
lên anôt D
2
+ khi >

3
điện thế catôt D
2
là U
2c
bắt đầu < U
2b
. Điốt D
2
mở dòng tải i
d
=
I
d
chảy qua D
2
và T
5
, U
d
= 0
*khi =
2
cho xung điều khiển mở T
1
- trong khoảng
2
ữ
3
: T

1
và D
2
cho dòng i
d
chảy qua , D
2
đặt điện
thế U
2c
lên anôt D
4
- khi
3
điện thế catot D
4
là U
2a
bắt đầu < U
2c
điot D
4
mở dòng
tải chảy qua D
4
và T
1
, U
d
= 0

- góc mở về nguyên tắc có thể biến thiên từ 0 ữ . Điện áp chỉnh
lu có thể điều chỉnh từ giá trị lớn nhất đến 0
Điện áp trung bình trên tải
U
d
=U
dI
-U
dII
Trong đó









cos..
2
63
.sin..2
2
3
2
6
6
6
2

UdUU
dI
==










cos..
2
63
.sin..2
2
3
2
6
11
6
7
2
UdUU
dII
==

Thay vào ta có

Điện áp ngợc cực đại đặt lên van
U
ngmax
=2,45U
2
Số lần đập mạch trong 1 chu ky là 6
-Ưu nhợc điểm của sơ đồ
+Ưu điểm:sơ đồ có ít kênh điều khiển hơn so với sơ đồ cầu 3 pha nên điều
khiển dễ dàng hơn,đầu t ít hơn
+nhợc điểm: điện áp ra không đợc tốt nh sơ đồ cầu 3 pha đối xứng,dải điều
chỉnh điện áp không lớn lắm
11
)cos1.(.
2
63
2


+=
UU
d
Chơng III : Tính chọn mạch lực
I-Tính toán máy biến áp
Từ các thông số cơ bản : U
d
= 600 V; I
d
= 220 A ta chọn MBA 3 pha 3trụ
1- điện áp pha sơ cấp MBA
U

1
= 220 (V)
Ta có : U
do
= U
d
+ 2.U
dv
+ U
dn
+ U
ba
Trong đó :
U
d
= 600 V
U
d
= 1 V : sụt áp trên van
U
ba
= U
R
+ U
X
: sụt áp trên điện trở và điện kháng MBA
chọn U
ba
= 6%.U
d

= 0,06.600 = 36 (V)
U
do
= 600 + 2.1 + 0 + 36 = 638 ( V )
có :
( )

cos1
2
.63
2
+

=
U
U
do
với = 40
0

( ) ( )
( )
V
U
U
do
309
40cos163
638.2
cos163

.2
2
=
+

=
+

=

Vậy điệ áp thứ cấp MBA là : U
2
= 309 (V)
+ Dòng điện thứ cấp máy biến áp I
2
:

( )
AII
d
180220.
3
2
3
2
2
===
+ Dòng sơ cấp máy biến áp I
1
:

( )
AI
U
U
IKI
ba
253180.
220
309
..
2
1
2
21
====
+ Công suất biểu kiến máy biến áp:
S = K
s
.P
d
= 1,05.U
d
.I
d
= 1,05.600.220 = 139 (KVA)
2- tính toán mạch lực
12
- Thiết diện trụ đợc tính theo công thức
( )

2
3
183
50.3
10.139
.6
.
. cm
fm
S
KQ
ba
QFe
===
trong đó :
4,66,5
ữ=
Q
K
ta chọn
6
=
Q
K
m = 3 : số trụ của máy biến áp
f: tần số nguồn xoay chiều f = 50 Hz
Để đảm bảo cho kích thớc của máy biến áp đợc phù hợp đảm bảo yêu cầu công nghệ
ngời ta thờng chọn chiều dài a và chiều dày b sao cho
25,1
=

a
b
dựa vào tiết diện trụ
Q
Fe
= a.b = 183 ( cm
2
) ta chọn
a =11 ( cm)
b = 17 ( cm )
+ chọn loại thép 310, các lá thép dày 0,35mm
Chọn sơ bộ chiều cao trụ: h = 2,5.a = 2,5 .110 = 275 (mm)
chọn h = 280 (mm)
+ Số vôn/ vòng là:
V/vòng = 4,44.B
T
.f.Q
Fe
.10
-4
= 4,44.1.50.183. 10
-4
13
110mm
170mm
= 4(V/vòng)
số vòng cuộn sơ cấp là :
55
4
220

1
==
W
(vòng)
số vôn/vòng của cuộn thứ cấp máy biến áp là 2
số vòng cuộn dây thứ cấp là:
78
4
309
2
==
W
(vòng)
+Tính tiết diện dây dẫn:
Chọn mật độ dòng điện:
2
.
2
.
1
/2 mmAJJ
==
+Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp:

( )
2
.
1
1
1

128
2
253
mm
J
I
S ===
chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật bọc sợi thuỷ tinh có kích thớc :
a
1
.b
1
= 4.16.2 (mm
2
)
kính thớc dây kể cả cách điện:
S
1cđ
= 4,5.16,5.2(mm
2
)
+Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp:

( )
2
.
2
2
2
90

2
180
mm
J
I
S
===
chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật bọc sợi thuỷ tinh có kích thớc :
a
2
.b
2
= 4.11.2 (mm
2
)
kính thớc dây kể cả cách điện:
S
2cđ
= 4,5.11,5.2(mm
2
)
Tính số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp

c
g
k
b
hh
W .
.2

1
11

=
14
trong đó : h
g
: là độ dày của tấm fit cách điện giữa gông va dây quấn
chọn h
g
= 1,2 (cm)
k
c
= 0,95 : hệ số ép chặt
h: chiều cao trụ
Vậy:

1595,0.
65,1
2,1.228
.
.2
1
11
=

=

=
c

g
k
b
hh
W
(vòng)
Tính số lớp ở cuộn dây sơ cấp:

7,3
15
55
11
1
11
===
W
W
n
(lớp)
chọn số lớp n
11
= 4 (lớp)
Chọn 3 lớp đầu 14 vòng, lớp thứ 4 có số vòng là :
55 3.14 = 13 ( vòng)
+ Giữa 2 lớp đặt một lớp giấy cách điện dày: cd
11
= 0,1 (mm)
+ Bề dày cuộn sơ cấp
Bd
1

= (a
1
+ cd
11
).n
11
= ( 4,5 + 0,1 ).4 = 18,4(mm
Tính số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp

c
g
k
b
hh
W .
.2
2
12

=
trong đó : h
g
: là độ dày của tấm fit cách điện giữa gông va dây quấn
chọn h
g
= 1,2 (cm)
k
c
= 0,95 : hệ số ép chặt
h: chiều cao trụ

Vậy:
15