Đồ Án Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ

Bộ giáo dục và đào tạo cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam Trường đại học bách khoa Độc lập-Tự do-Hạnh phúc 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 phương pháp điều khiển kích từ của động cơ đồng bộ ba pha. 2. Giới thiệu chung về chủng loại thiết bị được 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 lưu 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 cưa 4.3. Tính toán khâu so sánh 4.4. Tính toán khâu phát xung chùm 5. Các bản vẽ: - Sơ đồ nguyên lý mạch điêu khiển. - Mục lục Trang Lời giới thiệu................................................................................................................................4 Chương I: Giới thiệu chung về công nghệ và phương pháp điều khiển kích từ của động cơ đồng bộ ba pha................................... 5 I.1. Giới thiệu chung về chủng loại thiết bị được 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 phương án tổng thể, phân tích ưu, nhược điểm của từng phương án để đi đến lựa chọn một phương án thực thi thiết kế mạch lực và mạch điều khiển............................................................................................... 7 1. Giới thiệu về mạch lực............................................................................................ 7 2. Chọn phương án chỉnh lưu .................................................................................... 7 3. Giới thiệu chung về mạch điều khiển .................................................................. 13 4. Lựa chọn phương án thiết kế mạch điều khiển................................................... 15 Chương 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 Chương 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 cưa ....................................................................................... 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 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 được 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 được phát triển hết sức mạnh mẽ. - Tuy nhiên để đáp ứng được 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 ưu nhất. Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hoá-hiện đại hoá của Nhà nước, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vào trong sản xuất. Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an toàn, chính xác. Đó là nhiệm vụ của ngành điện tử công suất cần phải giải quyết. Để giải quyết được vấn đề này thì Nhà nước ta cần phải có đội ngũ thiết kế đông đảo và tài năng. Sinh viên ngành TĐH tương 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 tư còn đang ngồi trong ghế nhà trường thì kinh nghiệm thực tế còn chưa có nhiều, do đó cần phải có sự hướng dẫn giúp đỡ của thầy giáo. Qua đây cho em được gửi lời cảm ơn tới thầy Phạm Quốc Hải đã tận tình chỉ dẫn, giúp em hoàn thành tốt đồ án môn học này. Hà nội ngày 5 tháng 12 năm 2001 Sinh viên Nguyễn Thanh Lịch Chương I: Giới thiệu chung về công nghệ và phương pháp điều khiển kích từ của động cơ đồng bộ ba pha. I.1. Giới thiệu chung về chủng loại thiết bị được giao thực hiện thiết kế, công nghệ kích từ. Động cơ đồng bộ được 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 được 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 đưa vào đồng bộ. +) Trong giai đoạn thứ nhất, sau khi dây quấn stato được nối vào lưới điện ba pha, từ trường quay được 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 đưa tốc độ động cơ lên gần tốc độ đồng bộ. +) Trong giai đoạn thứ hai, dòng kích từ sẽ được 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 như trong mạch roto. Để hạn chế dòng điện, có thể dùng cách giảm điện áp bằng biến áp tự ngẫu hoặc dùng cuộn kháng. Người ta rất ít dùng điện trở phụ để hạn chế dòng điện vì tổn thất năng lượng lớn và chỉ tiêu chất lượng 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 được 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 được 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 được. b/ Cách nối thứ hai : Dây quấn kích thích được 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 hưởng đến dòng điện stato làm khó khăn cho quá trình kéo vào đồng bộ. Để hạn chế ảnh hưởng của dòng điện kích thích trong qúa trình khởi động không đồng bộ người 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. Ngược 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: Dây quấn kích thích được 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 được 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 lượng từ trường khi ngắn mạch phía stato hoặc khi cắt động cơ khỏi lưới. 2. Nguyên tắc điều chỉnh kích thích Động cơ điện đồng bộ cũng được dùng để truyền động các máy sản xuất có momen phụ tải biến đổi lớn (ví dụ như 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 lưới điện, tăng công suất tiêu thụ từ lưới 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 lưu cũng tăng lên, kích của động cơ được tăng lên. Những thay đổi lớn của tải mà kích thích vẫn không được điều chỉnh theo có thể gây nên dao động lớn về tốc độ và có khả năng đưa 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 được giao. I.2. Đề xuất các phương án tổng thể, phân tích ưu, nhược điểm của từng phương án để đi đến lựa chọn một phương án thực thi thiết kế mạch lực và mạch điều khiển. 1. Giới thiệu về mạch lực 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 lưu (CL) với lưới điện xoay chiều. b/ Chỉnh lưu 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 đưa 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 trước biến áp lực. 2. Chọn phương án chỉnh lưu Trước hết, chúng ta phân loại chỉnh lưu thành các loại sơ đồ sau và xét ưu nhược điểm của chúng: Các phương 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) • Phương án 1: Chọn một trong các sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển một pha một nửa chu kỳ (-) chỉnh lưu có điều khiển một pha hai nửa chu kỳ, chỉnh lưu 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 lưới -> ảnh hưởng tới sự hoạt động của các thiết bị khác. Do vậy mà ta phải dùng các sơ đồ chỉnh lưu ba pha. • Phương án 2: Chọn một trong các sơ đồ sau: - Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển. - Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng. - Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển không đối xứng. a/ Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển: Sơ đồ mạch nguyên lý :

* Nguyên lý hoạt động: Khi điện áp trên một van nào đó trong ba van mà dương 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 chưa mở. Giá trị trung bình của điện áp trên tải: - Giá trị điện áp ngược trên van:
- 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 ngược trên van lớn cho nên nó được 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. Nhược 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 như 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 lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng:
Đồ thị điện áp và dòng điện:
- 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 T2, T4, T6 Góc mở ( được 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:
- Giá trị điện áp ngược lớn nhất trên van:
- 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 lượng điện áp tốt. - Hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt do dòng điện chạy trong van đối xứng. - Điện áp ngược trên van là lớn nhưng do Udo=2,34U2 -> nó có thể được sử dụng với điện áp khá cao. Nhược 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:
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:
- Giá trị trung bình của dòng chảy trong tiristor vadiot: IT = Id = Id/3 - Giá trị điện áp ngược lớn nhất:

Nhận xét: Chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng so với chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng quá trình điều khiển đơn giản hơn. Nhưng điện áp chỉnh lưu 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 ưu nhược 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 ngược trên van nhỏ hơn so với sơ đồ chỉnh lưu 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 nhược 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 dương, đồng thời đưa 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 được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ riêng của điện áp đặt trên anot-catot của tiristor. - Tạo được các xung đủ để điều khiển mở được tiristor (độ lớn của xung đủ lớn và độ rộng xung vừa đủ để mở -> giảm công suất điều khiển). Cấu trúc mạch điều khiển một tiristor được thể hiện ở hình dưới đây: Trong đó: - ĐF: Khâu đồng pha - TXRC: tạo xung răng cưa - 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 lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi. Do vậy để đạt được chất lượng 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 được 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. Có 3 yêu cầu chủ yếu sau về dòng điện và điện áp điều khiển: + Các giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị cho phép. + Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo cho tất cả các tiristor cùng loại làm việc được. + 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 được tín hiệu điều khiển nằm trong vùng (I). • Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển: Thông thường độ rộng xung điều khiển lớn hơn 5 (s (tx=5(10 (s đối với tiristor làm việc ở tần số cao và tx = 50(200 (s với tiristor làm việc ở tần số thấp) và tăng độ rộng của xung điều khiển sẽ cho phép giảm nhỏ xung điều khiển (như 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 được tính theo biểu thức:
Trong đó: Idt: dòng duy trì của tiristor. di/dt: tốc độ tăng của dòng tải. • Yêu cầu về độ dốc sườn trước của xung: - Độ dốc sườn trước của xung càng cao thì việc mở tiristor càng dễ. Thông thường yêu cầu độ dốc sườn trước của xung điều khiển là:
A/(s. - Độ dốc sườn trước 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 phương án thiết kế mạch điều khiển