Thiết kế bộ nguồn băm xung một chiều cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập nguồn cấp một pha 220V/ 50Hz

Đồ án môn học Thiết bị điều khiển
Lời mở đầu
Sự phát triển kinh tế của mỗi nớc phụ thuộc rất nhiều vào mức
độ cơ giới hoá và tự động hoá các quá trình sản xuất. Để có thể đáp
ứng đợc các yêu cầu của quá trình cơ giới hoá và tự động hoá các hệ
truyền động điện đợc phát triển và có những thay đổi đáng kể. Đặc
biệt do công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng
hoàn thiện, nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền
động điện không những đáp ứng đợc độ tác động nhanh, độ chính
xác cao mà còn góp phần làm giảm kích thớc và hạ giá thành của hệ.
Mỗi sinh viên cần phải biết đợc các bớc thiết kế một hệ điều
khiển tự động nhằm vận dụng những kiến thức mình đã đợc học.
Qua việc thiết kế, em đã hiểu rõ hơn về nguyên lý cấu tạo cũng nh
nguyên lý hoạt động của các thiết bị điện-điện tử .
Dới sự hớng dẫn nhiệt tình của thầy Nguyễn Thanh Sơn giảng
viên bộ môn Thiết bị điện - điện tử, em đã hoàn thành đồ án của
mình với đề tài: Thiết kế bộ nguồn băm xung một chiều cấp điện
cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập nguồn cấp một pha
220V/50Hz
Tuy nhiên trong quá trình thiết kế với trình độ còn hạn chế, đồ án
của em không tránh khỏi những sai sót, mong thầy nhận xét và góp ý
cho em. Em xin chân thành cảm ơn thầy.
1
Đồ án môn học Thiết bị điều khiển
Phần I
Khái quát nguyên lý điều khiển tốc
độ động cơ bằng điều chỉnh điện áp
cấp cho phần ứng.
I. Khái niệm chung:
* Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều đợc sử dụng rất rộng rãi, song
máy điện một chiều vẫn tồn tại, đặc biệt là động cơ một chiều.

Động cơ điện 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 điện...).
* Động cơ điện một chiều đợc phân loại theo cách kích thích từ :
+ Động cơ điện kích thích độc lập.
+ Động cơ điện kích thích song song.
+ Động cơ điện kích thích hỗn hợp.
Trên thực tế, đặc tính của động cơ điện kích thích độc lập và kích thích
song song hầu nh giống nhau, nhng khi cần công suất lớn ngời ta thờng dùng
động cơ kích thích độc lập để điều chỉnh dòng điện kích thích đợc thuận lợi và
kinh tế hơn, mặc dù loại động cơ này đòi hỏi phải có thêm nguồn điện phụ bên
ngoài. Ngoài ra, khác với ở trờng hợp máy phát kích thích nối tiếp , động cơ
điện kích thích nối tiếp đợc dùng rất nhiều, chủ yếu trong ngành kéo tải bằng
điện.
*Nhợc điểm chủ yếu của máy điện một chiều là cổ góp làm cho cấu tạo
phức tạp, đắt tiền và kém tin cậy, nguy hiểm trong môi trờng dễ nổ. Khi sử
dụng động cơ một chiều, cần phải có nguồn điện một chiều kèm theo (bộ
chỉnh lu hay máy phát điện một chiều).
2
Đồ án môn học Thiết bị điều khiển
* Về phơng diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều u điểm
hơn so với 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 đạt
chất lợng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng.
Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch
phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ. Cho đến nay trong công nghiệp
sử dụng bốn loại bộ biến đổi chính:
+ Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc
máy điện khuyếch đại.

+ Bộ biến đổi điện từ: khuyếch đại từ.
+ Bộ biến đổi chỉnh lu bán dẫn: chỉnh lu tiristor .
+ Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristor hoặc tranzitor .
Tơng ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi có các hệ truyền động :
+ Hệ truyền động máy phát - động cơ.
+ Hệ truyền động máy khuyếch đại - động cơ.
+ Hệ truyền động khuyếch đại từ - động cơ.
+ Hệ truyền động chỉnh lu tiristor - động cơ.
+ Hệ truyền động xung áp - động cơ.
II. Phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng điều
chỉnh điện áp cấp cho phần ứng:
Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ 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 nguồn này có chức năng biến năng lợng xoay chiều thành một chiều có
sức điện động E
b
điều chỉnh đợc nhờ tín hiệu điều khiển U
đk
. Vì là nguồn có
công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong R
b
và điện cảm L
b
khác không.
3
Đồ án môn học Thiết bị điều khiển
BBĐ
Đ
U
dk

LK
a)
R
b
I
R
ud
E
b
(U
dk
)
U
E
u
b)
Hình 1. Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập.
ở chế độ xác lập có thể viết đợc phơng trình đặc tính của hệ thống nh sau:
E
b
- E

= I(R
b
+R
đ
)


dm

b
.
K
E
-

dm
udb
.
K
RR
+
I

0
(U
đk
) -

M
Vì từ thông của động cơ đợc giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng
không đổi, còn tốc độ không tải lý tởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều
khiển U
đk
của hệ thống, do đó có thể nói phơng pháp điều chỉnh này là triệt để.
Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ
thống bị chặn bởi đặc tính cơ cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng
định mức và từ thông cũng đợc giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải
điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mômen khởi động.
Khi mômen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:

max
=
0max
-

M
dm

min
=
0min
-

M
dm
Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải
có mômen ngắn mạch là:
4
Đồ án môn học Thiết bị điều khiển
M
nmmin
= M
Cmax
= K
M
.M
đm
trong đó K
M

là hệ số quá tải về mômen. Vì họ đặc tính cơ là các đờng thẳng
song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết:

min
=(M
nmmin
-M
đm
)

M

1
dm
=
(K
M
-1)
D =
1K
1
M


/1)M(K

M

M
dm

0max
dm
M
dm
0max


=


M
n m min
M
đm
M,I
0

0max

max

0min

min

đk1

đki

Hình 2. Xác định phạm vi điều chỉnh.

Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị
0max
, M
đm
, K
M
là xác định, vì vậy
phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng . Khi điều
chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở
tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ.
Do đó có thể tính sơ bộ đợc:

0max
/M
đm
10.
5
Đồ án môn học Thiết bị điều khiển
Vì thế với tải có đặc tính mômen không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh
tốc độ cũng không vợt quá 10. Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi các
đặc tính cơ tĩnh của truyền động một chiều kích từ độc lập là tuyến tính. Khi
điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng các đặc tính cơ trong toàn dải điều
chỉnh là nh nhau, do đó độ sụt tốc tơng đối sẽ đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính
thấp nhất của dải điều chỉnh hay nói cách khác, nếu tại đặc tính cơ thấp nhất
của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vợt quá giá trị sai số cho phép, thì
hệ truyền động sẽ làm việc với sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn
bộ dải điều chỉnh. Sai số tơng đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là :
s =

0min0min
min0min
=

s =


M
0min
dm
s
cp
Vì các giá trị M
đm
,
0min
, s
cp
là xác định nên có thể tính đợc giá trị tối thiểu
của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vợt quá giá trị cho phép. Trong
suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thông kích từ đợc giữ
nguyên, do đó mômen tải cho phép của hệ sẽ là không đổi :
M
c.cp
= KI
đm
= M
đm

Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen nằm trong hình chữ nhật bao bởi các
đờng thẳng =
đm
, M =M
đm
và các trục toạ độ. Tổn hao năng lợng chính là tổn
hao trong mạch phần ứng nếu bỏ qua các tổn hao không đổi trong hệ.
E
b
= E

+ I(R
b
+R
đ
)
IE
b
= IE

+ I
2
(R
b
+R
đ
)
Nếu đặt R
b
+R

đ
= R thì hiệu suất biến đổi năng lợng của hệ sẽ là:
6
Đồ án môn học Thiết bị điều khiển
( )
2
dm
2
u
u
u
uu
u
K
MR


RI
E
I
EI


+
=
+
=

u
=

***
*
RM

+
Khi làm việc ở chế độ xác lập ta có mômen do động cơ sinh ra đúng bằng
mômen tải trên trục: M
*
=M
*
C
và gần đúng coi đặc tính cơ của phụ tải là:
M
*
C
=(
*
)
x
( )
1x
*
*
*
*
u

.
R

+
=


đm
M
đm

u
x=-1
x=0
0
1
0
1
Hình 3. Quan hệ giữa hiệu suất truyền động và tốc độ
với các loại tải khác nhau
Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng là rất thích hợp
trong trờng hợp mômen tải là hằng số trong toàn dải điều chỉnh. Cũng thấy
rằng không nên nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng vì nh vậy sẽ làm
giảm đáng kể hiệu suất của hệ.
7
Đồ án môn học Thiết bị điều khiển
Phần II
Tính toán mạch động lực
I. chọn sơ đồ mạch động lực:
Vì nguồn cấp một pha nên chọn sơ đồ thiết kế là cầu một pha không điều

khiển
1
B
A
4
D
2
3
D
D
D
C
8
Đồ án môn học Thiết bị điều khiển
Hình 4. Sơ đồ động lực cầu một pha không điều khiển.
MĐK
4
D
D
1
D
3
D
2
A
B
C
ĐC
Tr
D

Hình 5.Sơ đồ động lực cầu một pha không điều khiển với băm xung một
chiều bằng Tranzitor.
II. tính toán các thông số của mạch lực:
A. Các thông số cơ bản còn lại của động cơ:
+ Dòng điện phần ứng động cơ:
I
đm
=
U

P
dm
dm
dm
=
0,85.100
1500
= 17,6(A)
+ Điện trở mạch phần ứng động cơ đợc tính gần đúng:
R=0,5(1-
đm
)
I
U
udm
udm
=0,5(1- 0,85)
17,6
100
= 0,42()

+ Điện cảm mạch phần ứng động cơ:
L=
In
2p
60
U
dmdm
dm
= 0,25.
980.6,17..2.2
60.100

= 0,007(H) =7(mH)
Trong đó: = 0,25- là hệ số lấy cho động cơ có cuộn bù.
p =2- là số đôi cực của động cơ.
B. Tính chọn Diod:
9
Đồ án môn học Thiết bị điều khiển
+ Điện áp ngợc lớn nhất mà Diod phải chịu:
U
nmax
=K
nv
.U
2
=K
nV
K
U
u

d
=
9,0
100
2
= 157,13(V)
Trong đó: K
nv
=
2

K
u
=

22
= 0,9
+ Điện áp ngợc của Diod cần chọn:
U
nv
=K
dtu
.U
nmax
=2.157,13 =314,26 (V)
Trong đó: K
dtu
>1,6, chọn K
dtu
=2

+ Dòng làm việc của van đợc tính theo dòng hiệu dụng:
I
lv
=I
hd
=K
hd
.I
d
=
2
1
.17,6 = 12,4(A)
Trong đó: K
hd
=
2
1
+ Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt và đầy đủ diện tích
toả nhiệt, không quạt đối lu không khí, với điều kiện đó dòng định mức cần
chọn:
I
lv
=25%I
đmV


I
đmV
=

25
100
.I
lv
=
25
100
.12,4 = 49,6(A)
Với U
nV
= 314,26(V) và I
đmV
= 49,6(A) chọn bốn Diod loại 1N2137R có các
thông số:
+ Điện áp ngợc cực đại của van: U
nmax
= 500(V)
+ Dòng điện định mức của van: I
đm
= 60(A)
+ Đỉnh xung dòng điện: I
pikmax
= 700(A)
+ Sụt áp lớn nhất của Tiritor ở trạng thái dẫn:

U
max
= 1,4(V)
+ Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép: T
max

=175C
+ Dòng điện thử cực đại: I
th
= 60(A)
10
Đồ án môn học Thiết bị điều khiển
C. Tính toán máy biến áp chỉnh lu: máy biến áp một pha
1. Điện áp chỉnh lu không tải:
U
do
=U
d
+2

U
V
+

U
dn
+

U
BA
= 100 + 2.1,4 + 5 = 107,8(V)
Trong đó: U
d
= 100(V)- điện áp chỉnh lu.
U
V

=1,4(V)- sụt áp trên van.
U
dn

0- sụt áp trên dây nối.
U
BA
=(510)%U
d

chọn U
BA
= 5%U
d
=
100
5
100 = 5(V)
2. Công suất tối đa của tải:
P
dmax
= U
do
.I
d
= 107,8.17,6 = 1897,28(W)
3. Công suất biến áp nguồn cấp:
S
BA
=S

1BA
=S
2BA
=K
s
.P
dmax
= 1,23.1897,28 = 2333,65(VA)
Trong đó: K
s
=1,23- hệ số công suất.
4. Tính toán sơ bộ mạch từ:
Q
Fe
=K
Q
m.f
S
BA
=5
1.50
2333,65
=34(cm
2
)
Trong đó: K
Q
= 5- hệ số phụ thuộc vào phơng thức làm mát.
m=1- số pha của máy biến áp.
5. Tính toán dây quấn máy biến áp:

Điện áp cuộn dây sơ cấp: U
1
= 220(V)
Điện áp cuộn dây thứ cấp:
U
2
=
9,0
8,107
K
U
u
0d
=
= 120(V)
11
Đồ án môn học Thiết bị điều khiển
Số vòng dây của cuộn sơ cấp:
W
1
=
34
45.220
Q
45.U
B
.
Q
4,44.f
U10

Fe
1
T
Fe
4
1
=

= 291(vòng).
Chọn loại thép

330,các lá thép có độ dày 0,5mm,B
T
=1(T)
Số vòng dây của cuộn thứ cấp:
W
2
=
34
45.120
Q
45.U
Fe
2
=
= 159(vòng)
Dòng điện của cuộn sơ cấp:
I
1
=

220.1
65,2333
.
1
1
=
U
S
m
BA
= 10,6(A)
Dòng điện của cuộn thứ cấp:
I
2
=
120.1
65,2333
.m
U
S
2
BA2
=
= 19,45(A)
Tiết diện dây dẫn sơ cấp:
S
1
=
2,75
10,6

J
I
1
1
=
= 3,85(mm
2
)
Trong đó: J
1
= 2,75A/mm
2
- mật độ dòng điện trong máy biến áp.
Tiết diện dây dẫn thứ cấp:
S
2
=
2,75
19,45
J
I
2
2
=
= 7(mm
2
).
Trong đó: J
2
= 2,75A/mm

2
- mật độ dòng điện trong máy biến áp.
Đờng kính dây dẫn sơ cấp:
d
1
=

85,3.4
4
1
=
S
cu
= 2,2(mm)
Đờng kính dây dẫn thứ cấp:
12
Đồ án môn học Thiết bị điều khiển
d
2
=

=

7.4
4
S
2cu
= 3(mm)
6. Tính kích thớc mạch từ:
Chọn mạch từ có dạng nh hình vẽ:

b
a
c
C
H
h
Chọn trụ hình chữ nhật với các kích thớc Q
Fe
= a.b
Trong đó: a- bề rộng của trụ; b- bề dày của trụ.
Theo công thức kinh nghiệm: b/a= 0,5
ữ
1,5 => chọn: b/a=1
Q
Fe
= a.b= a
2
= 34(cm
2
)
a= b= 5,8(cm)= 58(mm)
Chọn kích thớc cửa sổ:
Theo công thức kinh nghiệm: h/a=2
ữ
4 => chọn: h/a=2,5
c/a= 0,5
ữ
2,5 => chọn: c/a= 1,5
Từ đó ta có: h=2,5a=2,5.58= 145(mm)=14,5(cm)
13

Đồ án môn học Thiết bị điều khiển
c=1,5a=1,5.58= 87(mm)
Chiều rộng toàn bộ mạch từ:
C=2.c + 2.a=2.87 + 2.58=290(mm)=29(cm)
Chiều cao mạch từ:
H=h + a=145 + 58=203(mm)
Diện tích do cuộn sơ cấp chiếm chỗ:
Q
cs1
=k
ld
.W
1
.S
cu1
=2.291.3,58=585,58(mm
2
)
Diện tích do cuộn thứ cấp chiếm chỗ:
Q
cs2
=k
ld
.W
2
.S
cu2
=2.159.7=2226(mm
2
)

Trong đó: k
ld
=2 hệ số lấp đầy
Diện tích cửa sổ cả hai cuộn dây chiếm chỗ:
Q
cs
= Q
cs1
+ Q
cs2
=585,58+2226=2811,58(mm
2
)
7. Kết cấu dây quấn:
Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm theo chiều dọc trụ, mỗi cuộn dây đợc
quấn thành nhiều lớp dây. Mỗi lớp dây đợc quấn liên tục, các vòng dây quấn
sát nhau. Các lớp dây cách điện với nhau bằng các bìa cách điện. Ơ đây chọn
bìa cách điện giữa các lớp dây dày 0,1mm, giữa các cuộn dây sơ cấp và thứ
cấp là 1mm,lớp cách điện trong cùng và ngài cùng là 1mm.
Số vòng dây trên mỗi lớp của cuộn sơ cấp:
W
1l
=
.0,95
2,3
2.2,3145
.k
d
2hh
c

n1
g

=

= 58(vòng).
Trong đó: k
c
= 0,95- hệ số ép chặt.
h
g
= d
n1
= d
1
+cđ =2,2+0,1=2,3(mm)- khoảng cách từ gông đến cuộn sơ cấp.
Số vòng dây trên mỗi lớp của cuộn thứ cấp:
W
2l
=
.0,95
3,1
2.2,3145
.k
d
2hh
c
n2
g

=

= 43(vòng).
Trong đó: k
c
= 0,95- hệ số ép chặt.
14