Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (443.18 KB, 41 trang )
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
Bộ giáo dục và đào tạo
cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam
Độc lập-Tự do-Hạnh phúc
Trờng đại học bách khoa
Hà nội
====0====
--------
Họ và tên:
Nguyễn Thanh Lịch
Khoá :
43
Nghành học: Tự động hoá.
I. Các số liệu ban đầu.
Ud = 75V ; Udmax = 130V ; Pđm = 24KW ; Rkđ = 0,8
Điện áp nguồn: U = 3x380V.
II. Nội dung thiết kế
1. Giới thiệu chung về công nghệ của động cơ đồng bộ ba pha và
phơng pháp điều khiển kích từ của động cơ đồng bộ ba pha.
2. Giới thiệu chung về chủng loại thiết bị đợc giao thực hiện thiết
kế, công nghệ kích từ.
3. giới thiệu và thiết kế mạch lực:
3.1. Tính toán khối biến áp lực
3.2. Tính toán khối chỉnh lu điều khiển
3.3. Tính toán khối khâu lọc
3.4. Tính toán khối khâu phản hồi điện áp
3.5. Tính toán khối khâu phản hồi dòng
4. Giới thiệu và thiết kế mạch điều khiển:
4.1. Tính toán khâu đồng pha
4.2. Tính toán khâu tạo điện áp răng ca
4.3. Tính toán khâu so sánh
4.4. Tính toán khâu phát xung chùm
5. Các bản vẽ:
1- 1 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
- Sơ đồ nguyên lý mạch điêu khiển.
-
Mục lục
Trang
Lời giới
thiệu.....................................................................................................................
...........4
Chơng I: Giới thiệu chung về công nghệ và phơng pháp điều
khiển kích từ của động cơ đồng bộ ba
pha................................... 5
I.1. Giới thiệu chung về chủng loại thiết bị đợc giao thực hiện thiết
kế, công
nghệ
kích
từ. ........................................................................................................
5
1. Nguyên tắc điều khiển mở
máy............................................................................ 5
2. Nguyên tắc điều chỉnh kích
thích ........................................................................
6
I.2. Đề xuất các phơng án tổng thể, phân tích u, nhợc điểm của
từng
phơng án để đi đến lựa chọn một phơng án thực thi thiết kế
mạch lực
và
mạch
điều
khiển..............................................................................................
.
7
1. Giới thiệu về mạch
lực............................................................................................ 7
2. Chọn phơng án chỉnh lu ....................................................................................
3. Giới thiệu chung về mạch điều
khiển .................................................................. 13
2- 2 -
7
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
4. Lựa chọn phơng án thiết kế mạch điều
khiển................................................... 15
Chơng II : Thiết kế mạch
lực...........................................................................................
18
1. Tính toán chọn
van ................................................................................................. 18
2. Tính toán các thông số điện áp, dòng điện và công suất máy
biến áp .................... 19
3. Tính toán mạch từ
MBA ......................................................................................... 19
Chơng III : Thiết kế mạch điều khiển
.................................................................. 22
1.Tính toán khâu đồng pha và nguyên lý hoạt động của
mạch. ........................ ......... 22
2.Khâu tạo điện áp răng ca ....................................................................................... 24
3. Khâu so
sánh...........................................................................................................
25
4. Khâu phát xung
chùm ............................................................................................ 27
5. Khâu khuyếch đại xung và biến áp
xung................................................................. 29
6- Tính toán khối nguồn và MBA đồng
pha ............................................................... 32
7. Tính toán khâu phản
hồi ......................................................................................... 33
Kết
luận.............................................................................................................
..............
35
Tài liệu tham
khảo............................................................................................................
36
3- 3 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
lời giới thiệu
- Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học
kỹ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện tử
thì các thiết bị điện tử có công suất lớn cũng đợc chế tạo ngày càng
nhiều. Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc
dân và đời sống hàng ngày đã và đang đợc phát triển hết sức mạnh
mẽ.
- Tuy nhiên để đáp ứng đợc nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của
công nghiệp thì ngành điện tử công suất luôn phải nghiên cứu để
tìm ra giải pháp tối u nhất. Đặc biệt với chủ trơng công nghiệp hoáhiện đại hoá của Nhà nớc, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi,
nâng cao để đa công nghệ tự động điều khiển vào trong sản xuất.
Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và phơng pháp điều khiển an toàn,
chính xác. Đó là nhiệm vụ của ngành điện tử công suất cần phải giải
quyết.
Để giải quyết đợc vấn đề này thì Nhà nớc ta cần phải có đội ngũ
thiết kế đông đảo và tài năng. Sinh viên ngành TĐH tơng lai không xa
sẽ đứng trong độ ngũ này, do đó mà cần phải tự trang bị cho mình có
một trình độ và tầm hiểu biết sâu rộng. Chính vì vậy đồ án môn học
điện tử công suất là một yêu cầu cấp thiết cho mỗi sinh viên TĐH. Nó là
bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên, và cũng là
điều kiện để cho sinh viên nghành TĐH tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến
thức về điện tử công suất. Mặc dù vậy, với sinh viên năm thứ t còn đang
ngồi trong ghế nhà trờng thì kinh nghiệm thực tế còn cha có nhiều, do
đó cần phải có sự hớng dẫn giúp đỡ của thầy giáo. Qua đây cho em đợc
gửi lời cảm ơn tới thầy Phạm Quốc Hải đã tận tình chỉ dẫn, giúp em
hoàn thành tốt đồ án môn học này.
4- 4 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
Hà nội ngày 5 tháng 12 năm
2001
Sinh viên
Nguyễn Thanh Lịch
Chơng I:
Giới thiệu chung về công nghệ và
phơng pháp điều khiển kích từ
của động cơ đồng bộ ba pha.
I.1. Giới thiệu chung về chủng loại thiết bị đợc giao thực hiện thiết
kế, công nghệ kích từ.
Động cơ đồng bộ đợc dùng rộng rãi trong các hệ truyền động điện
công suất lớn, không cần điều chỉnh tốc độ, làm việc ở chế độ dài hạn.
Ví dụ: Để truyền động cho các máy bơm, quạt gió, máy nén khí và một
số máy cán lớn. Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện
tử, động cơ đồng bộ đợc nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công nghiệp,
ở mọi loại dải công suất. Động cơ đồng bộ có những nguyên tắc sau
đây:
1. Nguyên tắc điều khiển mở máy
Quá trình mở máy chia làm hai giai đoạn: Khởi động không đồng
bộ và đa vào đồng bộ.
+) Trong giai đoạn thứ nhất, sau khi dây quấn stato đợc nối vào lới
điện ba pha, từ trờng quay đợc tạo ra sẽ tác động lên dây quấn khởi
động (hay là lồng sóc khởi động đạt trong roto của máy) gây nên
momen quay đa tốc độ động cơ lên gần tốc độ đồng bộ.
5- 5 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
+) Trong giai đoạn thứ hai, dòng kích từ sẽ đợc đua vào roto , động cơ
sẽ tự kéo vào đồng bộ và lồng sóc khởi động hết tác dụng.
Trong giai đoạn đầu, ở trong dây quấn kích thích cũng sẽ có sức
điện động cảm ứng lớn. Điều đó làm cho sơ đồ mạch roto thêm phức
tạp. Điều khiển quá trình khởi động là phải điều khiển cả hai giai đoạn
đó trong mạch stato cũng nh trong mạch roto.
Để hạn chế dòng điện, có thể dùng cách giảm điện áp bằng biến áp
tự ngẫu hoặc dùng cuộn kháng. Ngời ta rất ít dùng điện trở phụ để hạn
chế dòng điện vì tổn thất năng lợng lớn và chỉ tiêu chất lợng khởi động
không tôt. Với động cơ công suất nhỏ và ở điện áp thấp thì có thể cho
phép sử dụng điện trở phụ để hạn chế dòng điện.
Trong giai đoạn khởi động không đồng bộ,dây quấn kích thích ở
roto không đợc hở mạch vì sức điện động cảm ứng tạo thành có thể
chọc thủng cách điện.
Không phụ thuộc vào cách nối mạch stato, mạch điện roto có thể có ba
cách nối.
a/ Cách nối thứ nhất: Roto đợc nối trực tiếp vào máy kích thích ngay từ
đầu. Sơ đồ này gọi là sơ đồ kích thích trực tiếp. Sơ đồ này đơn
giản, làm việc chắc chắn và kinh tế. Tuy vậy không phải bao giờ cũng
áp dụng đợc.
b/ Cách nối thứ hai :
Dây quấn kích thích đợc nối vào máy kích thích qua một điện trở
phụ.
Khi không thoả mãn điều kiện tkđ1 tkt , nghĩa là kích thích hình thành
sớm quá ảnh hởng đến dòng điện stato làm khó khăn cho quá trình kéo
vào đồng bộ. Để hạn chế ảnh hởng của dòng điện kích thích trong qúa
trình khởi động không đồng bộ ngời ta mắc thêm điện trở phụ vào
mạch kích thích của động cơ không đồng bộ. điều kiện để áp dụng
sơ đồ này là:
Mc 40%Mdd.
Ngợc lại nếu kích thích hình thành quá chậm thì quá trình khởi
độnh không đồng bộ kéo dài sẽ gây quá tải ở dây quấn khởi động.
c/ Cách nối thứ ba:
6- 6 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
Dây quấn kích thích đợc nối vào điện trở phóng điện. Khi đạt tốc
độ vào đồng bộ thì loại bỏ điện trở phóng điện và đóng vào máy
kích từ. Về mặt khởi động và kéo vào đồng bộ thì đây là sơ đồ tốt
nhất và đợc gọi là sơ đồ gián tiếp. Khi không thoả mãn các điều kiện:
Mc 40%Mdđ và tkđ1 tkt thì ta phải sử dụng sơ đồ này. Điện trở
phóng điện ở sơ đồ này có những nhiệm vụ sau:
- Hạn chế điện áp trên dây quấn kích thích.
- Làm tốt đặc tính khởi động của động cơ.
- Tiêu tán nhanh năng lợng từ trờng khi ngắn mạch phía stato
hoặc khi cắt động cơ khỏi lới.
2. Nguyên tắc điều chỉnh kích thích
Động cơ điện đồng bộ cũng đợc dùng để truyền động các máy sản
xuất có momen phụ tải biến đổi lớn (ví dụ nh các máy cán lớn, máy nâng
ở hầm mỏ...). Lúc này nếu phụ tải tăng mà kích thích vẫn giữ không
đổi thì sẽ dẫn đến làm giảm công suất phản kháng phát vào lới điện,
tăng công suất tiêu thụ từ lới điện, giảm khả năng tải của động cơ. Hệ
thống điều khiển có thể có bộ phận tự động điều khiển kích thích.
Khi phụ tải tăng lên, dòng điện qua cuộn dòng điện của biến áp
cũng tăng lên, còn điện áp ở cuộn điện áp có thể giảm xuống. Kết quả
diện áp ở cuộn ra của biến áp cũng tăng lên, do đó điện áp một chiều
sau cầu chỉnh lu cũng tăng lên, kích của động cơ đợc tăng lên.
Những thay đổi lớn của tải mà kích thích vẫn không đợc điều
chỉnh theo có thể gây nên dao động lớn về tốc độ và có khả năng đa
động cơ ra khỏi chế độ đồng bộ. Lúc này phải cắt động cơ ra khỏi
nguồn bằng rơle bảo vệ dòng điện cực đại.
Nếu quá trình công nghệ không cho phép dù chi là tạm thời thì khi
đó phải áp dụng sơ đồ tự động hoá đồng bộ. Và đây chính là nhiệm
vụ thiết kế của đồ án Điện tử công suất đợc giao.
I.2. Đề xuất các phơng án tổng thể, phân tích u, nhợc điểm của
từng phơng án để đi đến lựa chọn một phơng án thực thi thiết kế
mạch lực và mạch điều khiển.
1. Giới thiệu về mạch lực
7- 7 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
Mạch lực bao gồm các khối cơ bản sau:
a/ Biến áp lực (BAL):
- Biến điện áp xoay chiều có biên độ cần thiết với điện áp phù hợp của
tải.
- Ngoài ra còn làm nhiệm vụ cách ly giữa nguồn chỉnh lu (CL) với lới
điện xoay chiều.
b/ Chỉnh lu điều khiển (CLĐK): có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay
chiều ba pha thành điện áp một chiều có biên độ phù hợp với tải.
c/ Khâu lọc: gồm điện kháng L và tụ điện C tác dụng san phẳng điện
áp ra của khâu CLĐK (vốn có biên độ điện áp nhấp nhô) thành điện áp
một chiều phẳng phù hợp với yêu cầu của tải. Khâu lọc phải thiết kế sao
cho tiêu thụ công suất nhỏ nhất.
d/ Khâu phản hồi điện áp: Lấy một phần nhỏ điện áp tải đa trở về
mạch điều khiển để ổn áp. Muốn vậy thì điện áp phản hồi về phải là
phản hồi âm.
e/Khâu phản hồi dòng: Lấy tín hiệu điện áp tỷ lệ với dòng tải phản hồi
trở về mạch điều khiển để bảo vệ dòng hay ngắn mạch.
Ngoài ra còn có khâu đóng ngắt bằng cầu dao điện bảo vệ đặt
phía trớc biến áp lực.
2. Chọn phơng án chỉnh lu
Trớc hết, chúng ta phân loại chỉnh lu thành các loại sơ đồ sau và xét
u nhợc điểm của chúng:
Các phơng án thiết kế mạch lực:
Số liệu yêu cầu: Vd=115 (V), Id = 300 (A)
Tải của kích từ: WL >> R (tải cảm lớn -> dòng liên tục)
Phơng án 1: Chọn một trong các sơ đồ chỉnh lu có điều khiển một
pha một nửa chu kỳ (-) chỉnh lu có điều khiển một pha hai nửa chu kỳ,
chỉnh lu cần có điều khiển một pha.
Nhận thấy các sơ đồ nêu trên chỉ thích hợp đối với dòng tải nhỏ vì
đối với dòng tải lớn mà chọn các sơ đồ trên thì sẽ gây ra sự mất đối
xứng của lới -> ảnh hởng tới sự hoạt động của các thiết bị khác.
Do vậy mà ta phải dùng các sơ đồ chỉnh lu ba pha.
8- 8 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
Phơng án 2: Chọn một trong các sơ đồ sau:
- Chỉnh lu tia ba pha có điều khiển.
- Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng.
- Chỉnh lu cầu ba pha có điều khiển không đối xứng.
a/ Chỉnh lu tia ba pha có điều khiển:
Sơ đồ mạch nguyên lý :
La
Lb
Lc
T1
Ua
T2
Ub
T3
Uc
( Lkt>>Rkt )
BAL
Lkt
Rkt
u
t
I2a
* Nguyên lý hoạt động:
Khi điện áp trên một van nào đó trong ba van mà dơng hơn van còn
lại thì van đó sẽ dẫn khi có xung điều khiển mở van đó.
Do tải có tải cảm lớn nên dòng điện trên tải là liên tục, tức là van dãn sẽ
vẫn dãn khi điện áp âm và van còn lại cha mở.
9- 9 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
Giá trị trung bình của điện áp trên tải:
Ud =
3 6
U 2 cos =1,17U 2 . cos
2
- Giá trị điện áp ngợc trên van:
U ng = 6 .U 2
- Dòng điện trung bình chảy qua thiristor:
IT = Id/3
- Công suất của máy biến áp:
S1 = 1,209 Pd ;
S2 = 1,481 Pd
S = (S1 + S2)/2 = 1,345 Pd
Ưu điểm:
- Do điện áp ngợc trên van lớn cho nên nó đợc sử dụng cho tải có
yêu cầu điện áp thấp và dòng điện lớn dễ dàng cho việc chọn
van.
- Do chỉ có một van dãn nên sụt áp trên van là nhỏ -> công suất
tiêu thụ của van nhỏ.
- Việc điều khiển mở van là dễ dàng.
Nhợc điểm:
- Điện áp ra có độ đập mạch lớn -> xuất hiện nhiều thành phần
điều hoà bậc cao.
-
Hiệu suất sử dụng máy biến áp không cao. Sở dĩ nh vậy là vì
điện áp chảy trên van không đối xứng qua trục hoành, do vậy
khi khai triển chuỗi Furie -> xuất hiện thành phần một chiều
và thành phần xoay chiều. Tuy nhiên MBA chỉ làm việc với
thành phần xoay chiều -> giảm hiệu suất MBA.
b/ Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng:
10- 10 -
§Ò tµi: ThiÕt kÕ m¹ch tù ®éng kÝch tõ cho ®éng c¬ ®ång bé
§iÖn tö c«ng suÊt.
T1
La
Ua
Lb
Ub
Lc
Uc
T3
T5
Rkt
( Lkt>>Rkt )
T2
T4
T6
Lkt
§å thÞ ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn:
u
ua
ub
uc
t
id
θ
IT1
iT4
I2a
θ
IT4
θ
id
IT4
iT1
θ
11- 11 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
- Thực ra sơ đồ cầu pha ba đối xứng là hai sơ đồ hình trên 3 pha
ghép lại. Mỗi sơ đồ hình từ ba pha hoạt động ở một nửa chu kỳ điện áp
- Sơ đồ hình từ ba pha thứ nhất gồm T1, T3, T5 ghép catot chung.
- Sơ đồ hình từ ba pha thứ hai ghép anot chung gồm T 2, T4, T6
Góc mở đợc tính từ giao điểm của các nửa hình sin.
L>>R dòng tải là liên tục.
- Giá trị trung bình của điện áp trên tải:
Ud =
3 6
U 2 cos = 2,34U 2 . cos
2
- Giá trị điện áp ngợc lớn nhất trên van:
U ng max = 6U 2
- Giá trị dòng trung bình chạy qua van:
IT = Id/3
- Công suất của máy biến áp :
Sba=1,05 Pd
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 -> nó có thể đợc sử dụng với điện áp khá cao.
Nhợc điểm:
- Mạch điều khiển phức tạp do ta phải tiến hành điều khiển
đồng bộ các van dãn với nhau.
-
Điện áp rơi trên van lớn do nhiều van hơn sơ đồ CL từ.
c/ Sơ đồ cầu không đối xứng:
12- 12 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
T1
La
T3
T5
Rkt
Ua
Lb Ub
Lc
( Lkt>>Rkt )
Uc
T2
T4
T6
Lkt
Sơ đồ gồm hai nhóm:
- Nhóm mắc Katot chung gồm (T1, T3, T5)
- Nhóm mắc Anot chung gồm (P2, P4, P6)
Do L >> R -> dòng tải là liên tục.
- Giá trị điện áp trung bình trên tải:
3 6
Ud =
U 2 (1 +
cos
)
2
- Giá trị trung bình của dòng chảy trong tiristor vadiot:
IT = Id = Id/3
- Giá trị điện áp ngợc lớn nhất:
U ng max = 6U 2
u
u
a
T1
Id
u
u
b
T5
c
T3
T1
D
D
D
D
6
2
4
6
t
Id
T1
I2
a
T1
iT1
13- 13 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
iD
4
I2a
Nhận xét:
Chỉnh lu cầu ba pha không đối xứng so với chỉnh lu cầu ba pha
đối xứng quá trình điều khiển đơn giản hơn. Nhng điện áp chỉnh lu
có lúc bằng không. Do vậy mà có nhiều thành phẩn sóng hài bậc cao.
Kết luận:
Với tải L>>R, Ud=115 (V), Id=320 (A) và qua các phân tích về u
nhợc điểm ở trên, sinh viên thiết kế chọn sơ đồ cầu ba pha đối xứng.
Bởi vì khi dòng điện tải lớn, điện áp tải cao thì dòng điện trung bình
chảy qua van nhỏ và điện áp ngợc trên van nhỏ hơn so với sơ đồ chỉnh
lu từ ba pha. Mặt khác, công suất tổn hao trên van với tải trên là rất nhỏ
so với công suất tải và hiệu suất sử dụng máy biến áp rất tốt. Do vậy ta
chọn sơ đồ này. Tuy nhiên sơ đồ này có nhợc điểm là quá trình điều
khiển phức tạp hơn.
3. Giới thiệu chung về mạch điều khiển
Muốn tiristor mở cho dòng điện chạy qua thì ta phải đặt lên
anot của tiristor điện áp dơng, đồng thời đa xung điều khiển vào cực
điều khiển. Khi mà tiristor đã mở thì xung điều khiển không còn tác
dung và dòng điện chạy qua tiristor do tải quyết định.
a/ Chức năng của mạch điều khiển:
- Điều chỉnh đợc vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ
riêng của điện áp đặt trên anot-catot của tiristor.
- Tạo đợc các xung đủ để điều khiển mở đợc tiristor (độ lớn của
xung đủ lớn và độ rộng xung vừa đủ để mở -> giảm công suất điều
khiển).
14- 14 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
Cấu trúc mạch điều khiển một tiristor đợc thể hiện ở hình dới đây:
Đồng
pha
TXRC
SS
Tạo dạng
xung
KĐX
& BAX
Trong đó:
- ĐF: Khâu đồng pha
- TXRC: tạo xung răng ca
- SS: Khâu so sánh
- KDX + BAX: Khâu khuyếch đại xung + Biến áp xung
a/ Các yêu cầu với mạch điều khiển:
Mạch điều khiển là một khâu quan trọng trong các bộ biến đổi vì
nó quyết định đến chất lợng và độ tin cậy của bộ biến đổi. Do vậy
để đạt đợc chất lợng và độ tin cậy cao của bộ biến đổi, nó phải thoả
mãn các yêu cầu sau:
Yêu cầu về độ lớn của xung điều khiển:
- Mỗi tiristor đều có một đặc tính là quan hệ giữa điện áp đặt trên
cực điều khiển và dòng điện chảy vào cực điều khiển. Quan hệ đó đợc biểu diễn trên hình vẽ sau:
- Do sai lệch về thông số chế tạo và điều kiện làm việc làm cho tiristor
mặc dù cùng loại cũng cõ đặc tính Uđk= f(Iđk) khác nhau.
- Với mỗi loại tiristor các đặc tính này dao động giữa hai đặc tính (1)
và (2) về yêu cầu độ lớn của điện áp và dòng điện điều khiển.
Uđk
tx=100 (1
)
às
(2
)
II
I
tx=1000 đờng giới hạn
às15 -công suất điều
15khiển
0
I
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
Có 3 yêu cầu chủ yếu sau về dòng điện và điện áp điều khiển:
+ Các giá trị lớn nhất không vợt quá giá trị cho phép.
+ Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo cho tất cả các tiristor cùng loại
làm việc đợc.
+ Tổn hao công suất trung bình ở cực điều khiển nhỏ hơn giá trị
cho phép.
Trên hình vẽ ta thấy yêu cầu đối với mạch điều khiển là phải tạo ra đợc
tín hiệu điều khiển nằm trong vùng (I).
Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển:
Thông thờng độ rộng xung điều khiển lớn hơn 5 às (tx=5ữ 10 às đối
với tiristor làm việc ở tần số cao và tx = 50ữ 200 às với tiristor làm việc ở
tần số thấp) và tăng độ rộng của xung điều khiển sẽ cho phép giảm nhỏ
xung điều khiển (nh hình vẽ). Khi mạch tải có điện cảm lớn thì dòng tải
tăng chậm nên ta phải tăng độ rộng của xung điều khiển. Độ rộng của
xung điều khiển đợc tính theo biểu thức:
tx =
Trong đó:
I dt
di / dt
Idt: dòng duy trì của tiristor.
di/dt: tốc độ tăng của dòng tải.
Yêu cầu về độ dốc sờn trớc của xung:
- Độ dốc sờn trớc của xung càng cao thì việc mở tiristor càng dễ. Thông
thờng yêu cầu độ dốc sờn trớc của xung điều khiển là:
dI dk
0,1 A/às.
dt
16- 16 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
- Độ dốc sờn trớc của xung càng tăng thì đốt nóng cục bộ tiristor càng
giảm.
Yêu cầu về tính đối xứng của xung trong kênh điều
khiển:
Trong các bộ biến đổi có nhiều pha, tính đối xứng của xung điều
khiển rất quan trọng. Nếu xung điều khiển mất đối xứng sẽ làm cho
dòng anode ở các pha có hình dạng khác nhau và giá trị khác nhau làm
mất cân bằng sức từ động của máy biến áp. Do vậy, giảm hiệu suất sử
dụng của máy biến áp.
4.
Lựa chọn phơng án thiết kế mạch điều khiển
Từ mạch lực và yêu cầu của xung điều khiển ta đi đến thiết lập
sơ đồ khối cho mạch điều khiển. Ta phải lựa chọn các mạch phù hợp cho
từng khâu trong khối sao cho đạt đợc tín hiệu điều khiển cần thiết:
đồng
pha
Utựa
So
sánh
KĐX
BAX
Uđk
Máy phát
xung
a/ Khâu đồng pha
Đây là khâu có nhiệm vụ xác định thời điểm mốc để tính góc
mở . Nó liên hệ chặt chẽ về pha với điện áp lực. Bên cạch đó nó còn để
cách li mạch điều khiển và mạch lực ở đầu vào hệ điều khiển. Do vậy
mà khối đồng pha có thể dùng biến áp để cách li hoặc dùng phần tử
otocupler (phototransistor).
- Trong khâu này ta chọn biến áp để cách li kết hợp với bộ khuếch đại
thuật toán và diode chỉnh lu để taọ ra xung đồng bộ.
17- 17 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
Sơ đồ mạch:
D1
R1
E+
OP1
E-
D2
Rd
R2
Rx1
Ud k1
- Sở dĩ ta chọn sơ đồ trên là vì khi thay đổi giá trị của U đk1 ta sẽ thay
đổi đợc độ rộng của xung đồng bộ.
b/ Khâu tạo Utựa
Trong thực tế có rất nhiều mạch tạo ra Utựa. Ví dụ:
- Mạch chỉ dùng diode, tụ điện và điện trở ghép lại với nhau nh hình
1.
- Mạch dùng transistor và các linh kiện điện tử khác nh hình 2.
- Mạch dùng khuếch đại thuật toán nh hình 3.
-Ung
R2
Ung
D2
R1
C
D1
+Ung
Hình 1.
Ul
Ecc
R
t
Udp
C
Utự
a
t
18- 18 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
Hình 3.
+E
Dz
Udp
C
t
Udp
E-
Urc
E+
t
Hình 3.
ở sơ đồ hình 1 ta có một mạch tạo Utựa tơng đối đơn giản, dễ lắp
đặt, rẻ tiền nhng có nhợc điểm rất lớn là điện áp răng ca trải dài quá 1/2
chu kì của điện áp lới làm cho việc xác định góc điều khiển từ điện
áp răng ca rất khó khăn.
ở sơ đồ hình 2 mạch cũng khá đơn giản, điện áp tựa cũng trải ra cả
1/2 chu kì của điện áp lới nhng do đóng mở transistor ở vùng lân cận
không nên mạch hoạt động kém tin cậy.
ở sơ đồ hình 3 do khuếch đại thuật toán hoạt động có độ tin cậy cao
nên tạo ra tín hiệu Utựa có chất lợng rất tốt.
c/ Khâu so sánh
Khâu này có nhiệm vụ tạo ra góc điều khiển (hay tín hiệu điều
khiển dòng và áp ở thời điểm yêu cầu). Sơ đồ này ta cũng dùng khuếch
đại thuật toán.
d/ Khâu phát xung chùm
Trong thực tế có rất nhiều mạch và vi mạch điện tử có thể đợc dùng
để tạo ra xung chùm. Ví dụ nh vi mạch timer 555.
ở đây ta chọn khuếch đại thuật toán kết hợp với các linh kiện khác tạo
ra khối phát xung chùm với dạng xung mong muốn mà giá rẻ và chất lợng
cao.
19- 19 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
Chơng II
Thiết kế mạch lực
Sơ đồ nhuyên lý:
T1
La
T3
T5
Rkt
Ua
Lb Ub
Lc
( Lkt>>Rkt )
Uc
T2
- Số liệu yêu cầu :
T4
U d= 75V
T6
Lkt
; Id= 320A
U1=380 V; f=50 Hz; Rkđ= 0,8A
1. Tính toán chọn van
Ung=Knì U2f
Trong đó :
- Suy ra:
U2f =
U d0
130
=
= 56 V
2.34 2,34
và K n = 6
U ng = 6 ì 56 = 137 V
Để van làm việc an toàn ngời ta thờng chọn hệ số dự trữ cho van là
Kdt=1,6ữ 2.
- Do đó:
Ungmax = Kdt ì Ung= 2ì 137 = 274 V
- Dòng điện trung bình chảy qua van:
Iv
I
1
1 24 ì 10 3
= K tb = I v = d = ì
= 106,7 A
Id
3
3 3
75
Để van làm việc an toàn thì chọn : Ivmax = 4ì Iv
-Suy ra:
Ivmax = 4ì 106,7 = 426,8 A
Từ các số liệu trên ta chọn van nh sau:
Tiristor KH: ST280CH04C0 có các thông số sau:
20- 20 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
Ungmax= 400 V;
Ivmã
IG
= 500 A;
= 150 mA;
(dòng điện điều khiển)
Uv = 1,4 V;
2. Tính toán các thông số điện áp, dòng điện và công suất máy
biến áp
+ Công suất biến áp nguồn đợc tính bởi:
Sba = Ks .Pd = 1,05.24.103 = 25,2 KW;
+ Điện áp các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp:
- Điện áp thứ cấp đợc tính bởi:
U2 =
Ud0
= 56 V;
2.34
- Điện áp sơ cấp bằng điện áp pha nguồn cấp (220 V)
+ Dòng điện các cuộn dây:
- Dòng điện của cuộn thứ cấp:
I2 = K2.Id = 0,82.320 = 262,4 A
- Dòng điện của cuộn sơ cấp:
I1 = Kba.K1.Id =
U2
.0,82 . 320 = 66,8 A
U1
Ta tiến hành chọn máy biến áp với các thông số trên.
3. Tính toán mạch từ MBA
Chọn mạch từ 3 trụ tiết diện mỗi trụ đợc tính theo công thức:
Q=Kì
S ba
cì f
Trong đó :
k: Hệ số kinh nghiệm (thờng lấy K=5,8ữ 6,4).Với MBA khô lấy
K=6.
c: Số trụ (c=3).
f: tần số (f=50 Hz).
Sba: Công suất biểu kiến MBA (VA).
Thay số vào ta có :
21- 21 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
Q = 6ì
25,2 ì 10 3
= 77,8(cm 3 )
3 ì 50
Chọn Q=78 (cm2)
Ta chọn mạch từ : làm bằng tôn silic 310 có bề dày là 0,35 mm
tỷ trọng b=75 kg/dm3
tổn hao p=1,3 w/kg. Bề dày lá tôn silic 310 :
0,35(mm)
a- Tính toán chiều cao sơ bộ của trụ :
Dựa vào công thức kinh nghiệm:
l = ì
4ì
Thq
Trong đó :
+Thq :Tiết diện hiệu quả Thq=Q.
+ :là hệ số quan hệ giữa chiều cao và chiều rộng của biến
áp, thờng bằng 1,15ữ 1,35.Ta chọn =1,2.
- Suy ra :
78
3,14
= 26(cm)
1,2
4ì
l = 3,14 ì
b/ Tính trọng lợng của trụ:
Gt=cì STì bì l
Trong đó :
+c: Số trụ (c=3).
+ST: Tiết diện trụ: ST=Q=78 (cm3).
+ b: Tỷ trọng tôn silic ( b=7,5kg/dm3).
Vậy trọng lợng của trụ là :
GT=3ì 0,78ì 7,5ì 2,6=45,6 (kg).
c/ Tính gông:
2
1
l
1
1
a
b
a 22- 22
1
2
2
1
1
l
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
a
lG
Chọn a=9,5 cm2.
lG = 26x2 -9,5 = 42,5 (cm)
TG=Q=78 (cm2).
Trọng lợng gông:
Gg=tì TGì bì lG
Trong đó:
t: Số gông (t=2)
TG: Tiết diện gông.
b:: Tỷ trọng tôn silic.
lG: Chiều dài của gông.
Thay số vào ta có :
Gg= 2ì 0,78ì 7,5ì 4,35=50 (kg).
Trọng lợng lõi thép MBA:
G=GT+Gg=45,6+50=95,6 (kg).
d/ Số lá tôn:
-Số lá trụ :
-Số lá chắn đầu ngắn:
-Số lá chắn đầu dài:
3ì
78
= 704 (lá)
9,5 ì 0,35 ì 10 1
2ì
1ì
78
= 470 (lá).
9,5 ì 0,35 ì 10 1
78
= 235 (lá).
9,5 ì 0,35 ì 10 1
23- 23 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
CHUONG III
Thiết kế mạch điều khiển
1. Tính toán khâu đồng pha và nguyên lý hoạt động của mạch.
D1
R1
a
+E
220V
a'
( II )
OP1
BADF
D2
-E
R2
+E
RX1
Ung
R3
a. Nguyên lý hoạt động:
Khi sơ cấp của MBA đồng pha đợc nối vào lới điện (hình trên chỉ vẽ 1
pha của MBA đồng pha). Lúc này thứ cấp của MBA xuất hiện hai điện áp
Ua0 và -Ua0 có độ lớn bằng nhau nhng ngợc dấu. Khi trong nửa chu kì đàu
tiên điện áp đặt lên D1 dơng ( >0,7 V) và điện ápđặt trên D2 âm. Kết
quả là D1 dẫn còn D2 khoá. Trong nửa chu kì sau điện áp đổi cực
tínhdo vậy mà lúc này D1 khoá còn D2 dẫn. Các diode D1, D2 dẫn và
khoá cùng với sự thay đổi của điện áp thứ cấp làm cho điện áp cửa vào
không đảocủa khuyéch đại thuật toán OP1 là nửa hình sin dơng trong
cả chu kì. Điều chỉnh Rx1 để thay đổi điện áp Ung1 vào cửa đảo của
OP1. Nếuđiện áp vào cửa không đảo UI >Ung1 thì UD=(UI-Ung1)>0. Suy ra
điện áp ra của OP1 là UII >0 (UII =(E-2)V ) và ngợc lại nếu UD=(UI-Ung1)< 0
thì UII=-( E-2) V. Vì vậy mà điện áp ra có dạng xung chữ nhật nh hình
vẽ.
20.00
Dien ap dong pha sau chinh luu
Output vol tage [V]
15.00
10.00
5.00
24- 24 0.00
0.00
20.00m
40.00m
T ime [s]
60.00m
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ
Điện tử công suất.
20.00
Output vol tage [V]
10.00
0.00
-10.00
-20.00
0.00
10.00m
20.00m
30.00m
40.00m
50.00m
60.00m
70.00m
T ime [s]
b. Tính toán khối đồng pha
Vì f=50Hz nên: T=
1
= 0,021 s = 20 ms.
50
Do đó trong nửa chu kì của điện áp lới ta phải tạo ra điện áp răng ca
sao cho :
t=tp+ tn =0,01 s
Trong đó :
+ tp:Thời gian phóng của tụ điện ;
+ tn:Thời gian nạp của tụ điện.
Trong thực té tính toán để có dải đièu khiển lớnn từ 0ữ Udđmax thì tn<<
tp hoặc là tp<< tn.
-Trong khuôn khổ của đồ án ta chọn tn<< tp cụ thể là:
tn= 0,5 ms.
tp= 9,5 ms.
-Với tn=0,5 (ms) ta phải điều chỉnh Rx1 sao cho :
U ng1 = U a 0 .
Trong đó
U a 0 = 12 2 sin ( t )
25- 25 -
