Đồ án Thiết kế hệ điều khiển chỉnh lưu - động cơ một chiều

ải điện cảm lớn Nguyên lý Để điều khiển được điện áp và dòng điện tải ta điều khiển góc mở a của Tiristo hay thời điểm mở. Tiristo muốn mở được phải có 2 điều kiện: điện áp anod dương hơn so với catod và có dòng điện điều khiển. Khi Tiristo T1 được mở sẽ có dòng điện chạy qua tải và duy trì T1 ở trạng thái dẫn tới lúc dòng điện bằng không, lúc đó điện áp đổi dấu và kích mở T2 ngay lập tức, T2 chuyển sang dẫn. Đối với tải thuần trở thì dòng điện gián đoạn còn khi tải có điện cảm thì dòng điện gián đoạn hay liên tục là do năng lượng điện từ tích lũy trong cuộn dây lớn hay bé Wđt = L.i2/2 phụ thuộc vào L, i do a quyết định ( Nếu a càng lớn thì i2 càng lớn , vùng gián đoạn nhỏ đi). Khi tải điện cảm lớn tới mức dòng điện của van đang dẫn bằng 0 đã mở van kế tiếp thì đường cong điện áp, dòng điện là liên tục. Nhận xét Trong sơ đồ này, điện áp tải đập mạch trong cả hai nửa chu kì với tần số đập mạch bằng hai lần tần số điện áp xoay chiều. Việc điều khiển các van bán dẫn ở đây tương đối đơn giản. Việc chế tạo biến áp phức tạp hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn. Điện áp ngược của các van bán dẫn phải chịu có trị số lớn nhất trong các sơ đồ chỉnh lưu: Trong chỉnh lưu một pha nếu tải có dòng điện lớn và điện áp thấp thì sơ đồ một pha chỉnh lưu cả chu kì với biến áp có trung tính có ưu điểm hơn cả. Chỉnh lưu cầu một pha Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển có đối xứng 0 a1 a2 a3 Ud Id t Tải điện cảm lớn Nguyên lý hoạt động: Trong 1/2 chu kì điện áp anod của Tiristo T1 dương (khi đó catod T2 âm), nếu cấp xung điều khiển dồng thuận với điều kiện phải cả hai xung cùng một lúc thì T1, T2 sẽ dẫn. Đến 1/2 chu kì sau điện áp đổi dấu, anod của T3 dương, catod của T4 âm, nếu có xung điều khiển đồng thời cho cả 2 van thì các van sẽ được mở thông. Nhận xét Chỉnh lưu cầu một pha có chất lượng điện áp ra hoàn toàn giống như chỉnh lưu cả chu kì với biến áp trung tính nhưng điện áp ngược phải chịu nhỏ hơn: Sơ đồ này được dùng với loại tải làm việc ở chế độ nghịch lưu trả năng lượng về lưới. Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng Chỉnh lưu này được thực hiện bằng hai phương pháp khác nhau: Sơ đồ cùng cực tính Sơ đồ không cùng cực tính Đường cong: 0 Ud t 2p a2 a3 a1 p 3p Hình dạng đường cong điện áp của hai sơ đồ giống nhau và không có phần âm điện áp Sơ đồ cùng cực tính Các van bán dẫn được dẫn thông trong một nửa chu kì: các diod dẫn từ đầu đến cuối bán kì điện áp âm catod còn các Tiristo được dẫn thông tại thời điểm có xung mở và bị khóa bởi việc mở Tiristo ở một nửa chu kì kế tiếp. Với sơ đồ cùng cực tính thì điện áp tải là gián đoạn dù điện cảm bằng hoặc khác không. Khi Ld ạ 0 thí ở sơ đồ này Tiristo và Diod còn đóng vai trò xả năng lượng của cuộn dây thông qua nguồn. Vì vậy cho nên không có phần âm điện áp và không có trả năng lượng về lưới mặc dù điện áp vô cùng lớn. Dòng điện chạy qua Tiristo và Diod là bằng nhau nên lựa chọn van bán dẫn và Diod bán dẫn thì cùng thông số dòng điện. Sơ đồ không cùng cực tính Khi điện áp lưới đặt vào anod và catod của các van bán dẫn thuận chiều và có xung điều khiển thì việc dẫn thông các van hoàn toàn giống như sơ đồ trên. Khi điện áp đổi dấu, năng lượng của cuộn dây được xả ra qua các diod D1, D2 _ các van này đóng vai trò của diod ngược, do đó mà các Tiristo sẽ tự động khóa khi điện áp đổi dấu. Hình dạng đường cong điện áp của sơ đồ cầu một pha không cùng cực tính trùng với đường cong điện áp của sơ đồ cầu một pha cùng cực tính và không có phần âm điện áp ( không có trả năng lượng về lưới) Dòng điện của Diod và Tiristo không bằng nhau được thể hiện bằng khoảng dẫn của Diod và Tiristo khi tải điện cảm: ID > IT Nhận xét Sơ đồ cầu điều khiển không đối xứng có ưu điểm hơn so với sơ đồ cầu điều khiển đối xứng: Tại một thời điểm mở Tiristo chỉ cần một xung điều khiển hay chỉ cần một xung dẫn. Sơ đồ điều khiển đơn giản hơn, giá thành thiết bị giảm. Sơ đồ cầu một pha có chất lượng điện áp tương đương với chỉnh lưu cả chu kì với biến áp trung tính nhưng có ưu điểm ở chỗ: điện áp ngược trên van bé hơn, biến áp dễ chế tạo, có hiệu suất cao hơn, dù vậy giá thành cao hơn gấp 2 lần. Nếu tải có điện áp cao, dòng điện nhỏ thì việc chọn sơ đồ cầu là hợp lý, thường dùng sơ đồ điều khiển không đối xứng, chỉ khi nào tải làm việc ở chế độ trả năng lượng về lưới thì mới dùng sơ đồ cầu điều khiển đối xứng. ị Tóm lại, các sơ đồ chỉnh lưu một pha cho ta điện áp với chất lượng chưa cao, biên độ đập mạch quá lớn, thành phần hài bậc cao lớn, điều này không đáp ứng cho nhiều loại tải. Muốn có chất lượng điện áp tốt hơn chúng ta phải sử dụng các sơ đồ có số pha lớn hơn. Chỉnh lưu tia 3 pha Sơ đồ Biến áp ba pha với thứ cấp 3 cuộn dây đấu Y có trung tính. Các van bán dẫn nối cùng cực tính, cực tính còn lại nối với 3 pha. Tải được nối từ đầu nối cực tính của van bán dẫn với dây trung tính. Nguyên lý Nguyên tắc mở thông và điều khiển các van: khi anod của van nào dương hơn thì van đó mới được kích mở, thời điểm hai điện áp của hai pha giao nhau được coi là góc thông tự nhiên của các van bán dẫn. Còn các Tiristo chỉ được mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm góc mở tự nhiên( như vậy trong chỉnh lưu tia 3 pha, góc mở nhỏ nhất a = 0 sẽ dịch pha so với điện áp pha một góc là 30o) Chỉnh lưu tia 3 pha được phân biệt bởi hai vùng mở khác nhau: Khi a < p/6 thì việc mở van bán dẫn không phụ thuộc vào tải dạng gì. Trong vùng mở điện áp dương các Tiristo dẫn liên tục: có sự chuyển mạch từ van này sang van kia, không có sự hoàn trả năng lượng về lưới. Các đường cong Ud, Id liên tục. Ud Id t 0 a1 a2 a4 a3 Khi a > p/6 thì Tiristo sẽ được mở trong khoảng nào tùy thuộc vào tích chất của tải: nếu tải thuần trở thì đường cong điện áp và dòng điện là gián đoạn còn nếu tải điện cảm (nhất là điện cảm lớn) thì đường cong dòng điện và điện áp là các đường cong liên tục nhờ năng lượng dự trữ trong cuộn dây đủ lớn để duy trì dòng điện khi điện áp đổi dấu. Với tải điện cảm, Tiristo được dẫn có phần âm điện áp nên có sự trả năng lượng về lưới. t a2 A B C A a1 a3 a4 Tải thuần trở t A B C A Tải điện cảm lớn Nhận xét So với chỉnh lưu một pha thì chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp tốt hơn, biên độ đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao bé hơn. Khi làm việc dòng điện chỉ chạy qua một pha với dây quấn thứ cấp nên hiệu suất sử dụng biến áp thấp do đó phải thiết kế biến áp có công suất lớn hơn làm giảm hiệu suất chung của hệ thống. Khi chế tạo biến áp động lực các cuộn dây thứ cấp phải được đấu Y với dây trung tính phải lớn hơn dây pha ( vì dây trung tính chịu dòng tải) Mặc dù chỉnh lưu tia 3 pha có ưu điểm là điều khiển các van bán dẫn tương đối đơn giản nhưng nó cũng có nhược điểm là điện áp chỉnh lưu có nhiều sóng điều hòa bậc cao biên độ lớn. Do đó để nâng cao chất lượng dòng điện phần ứng ta phải thiết kế cuộn lọc với điện cảm lớn và phức tạp. Chỉnh lưu tia 3 pha thường được chọn khi: công suất tải không quá lớn so với biến áp nguồn cấp, tải có yêu cầu không quá cao về chất lượng điện áp một chiều. Đối với loại tải có điện áp một chiều định mức là 220V thì sơ đồ tia 3 pha có ưu điểm hơn cả Chỉnh lưu cầu 3 pha Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng Sơ đồ: Sơ đồ cầu 3 pha điều khiển đối xứng có thể coi như hai sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha mắc ngược chiều nhau: 3 Tiristo T1, T3, T5 tạo thành một chỉnh lưu tia 3 pha cho điện áp dương tạo thành nhóm anod, còn T2, T4, T6 là một chỉnh lưu tia 3 pha cho điện áp âm tạo thành nhóm catod, hai chỉnh lưu này ghép lại thành cầu 3 pha. Nguyên lý Theo hoạt động của chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng, dòng điện chạy qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời điểm cần mở Tiristo chúng ta cần cấp 2 xung điều khiển đồng thời (1 xung ở nhóm anod, 1 xung ở nhóm catod). Hai xung điều khiển có: một xung chính quyết định góc mở, 1 xung đêm để có dòng điện. Với đường cong điện áp gián đoạn xung đệm chỉ có tác dụng mồi.Cần chú ý rằng thứ tự cấp xung điều khiển cũng cần tuân thủ đúng thứ tự pha. Thứ tự các xung điều khiển: Thời điểm Xung chính Xung đếm Điều khiển ở nhóm A a1 T1 T4 a3 T3 T6 a5 T5 T2 Điều khiển ở nhóm K a4 T2 T3 a6 T4 T5 a2 T6 T1 Khi chúng ta cấp đúng xung điều khiển, dòng điện chạy từ pha có điện áp dương hơn đến pha có điện áp âm hơn. A B C A a1 a2 a3 a4 a5 a6 t Uf 0 a7 Khi góc mở các Tiristo lớn lên tới góc a > 60o và thành phần điện cảm của tải nhỏ thì điện áp tải sẽ bị gián đoạn. Nhận xét Điện áp ngược của các van phải chịu ở chỉnh lưu cầu 3 pha sẽ bằng 0 khi van dẫn và bằng điện áp dây khi van khóa. Sơ đồ cầu 3 pha điều khiển đối xứng cho chất lượng điện áp tốt, hiệu suất sử dụng biến áp cao, tuy nhiên phương pháp điều khiển phức tạp (cần mở đồng thời 2 van theo đúng thự tự pha) nên trong thực tế nếu không thật cần thiết thì tránh không dùng nhưng nếu là bộ nguồn chỉnh lưu động cơ điện một chiều thì bắt buộc phải dùng. Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng Sơ đồ Loại chỉnh lưu này được cấu tạo từ một nhóm điều khiển và một nhóm không điều khiển. Nguyên lý Phía điều khiển: Tiristo được dẫn thông từ thời điểm có xung mở cho đến khi mở Tiristo của pha kế tiếp. Trong trường hợp điện áp tải gián đoạn Tiristo được dẫn từ thời điểm có xung mở cho đến khi điện áp dây đổi dấu. Phía không điều khiển: Các Diod tự động dẫn thông khi điện áp đặt lên chúng thuận chiều. Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng có dòng điện và điện áp tải liên tục khi góc mở của các van dẫn a < 60o, khi góc mở tăng lên và thành phần điện cảm của tải nhỏ, dòng điện và điện áp tải sẽ gián đoạn. A B C A a1 a2 a3 a4 a5 a6 t Uf 0 a7 Nhận xét Ta có thể coi mạch điều khiển của chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng này như điều khiển một chỉnh lưu tia 3 pha nhưng hiệu suất sử dụng biến áp cao và chất lượng điện áp khá tốt với biên độ đập mạch nhỏ. So với chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng thì trong sơ đồ này việc kích mở các van điều khiển dễ dàng hơn nhưng biên độ đập mạch của điện áp chỉnh lưu lớn hơn, phần hài bậc 3 có giá trị lớn kéo theo cuộn kháng lọc cồng kềnh. ị Chỉnh lưu cầu 3 pha hiện nay là sơ đồ có chất lượng điện áp tốt nhất, hiệu suất sử dụng biến áp tốt nhất nhưng sơ đồ thì phức tạp nhất. Lựa chọn sơ đồ thiết kế Sau khi phân tích đánh giá ưu nhược điểm của các sơ đồ chỉnh lưu, ta thấy đối với tải là động cơ điện một chiều có công suất nhỏ: P = 2,2kW và có điện áp một chiều định mức là 220V thì sơ đồ tia có ưu điểm hơn cả. KT Ư T1 T2 T3 C B A Vì vậy ta chọn sơ đồ thiết kế là sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha nên có sơ đồ động lực dưới đây: Chương III Tính chọn các thông số cơ bản của mạch động lực Từ các số liệu ban đầu: P = 2,2kW; Uđm = 220V; Iđm = 12A; nđm = 1430 vòng/phút; h = 0,85 Tra sách “ Các đường đặc tính cơ trong truyền động điện” – Bùi Đình Tiếu ta có các thông số sau: Loại động cơ: P32 Điện trở phần ứng: Rư = 1,205W Số thanh dẫn tác dụng của phần ứng: N = 936 Số nhánh song song của phần ứng: 2a = 2 Tốc độ quay cho phép cực đại: n =3000 vòng/phút Dòng kích từ định mức: ikt = 0,49A Tính chọn van động lực Van được chọn dựa vào điện áp ngược và dòng điện định mức Điện áp ngược của van: Điện áp làm việc của van: Trong đó: Do sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha nên : Hệ số điện áp ngược: Hệ số điện áp tải: Điện áp ngược mà van phải chịu: kdtU = 1,9 : hệ số dự trữ điện áp ( thường kdtU >1,6) Dòng điện định mức của van Dòng điện làm việc của van: Do sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha nên Dòng điện định mức của van được chọn dựa vào điều kiên làm mát van. Chọn điều kiện làm mát van bằng không khí tức là làm mát tự nhiên nhờ cánh tỏa nhiệt với đầy đủ diện tích bề mặt cho phép làm việc và không có quạt đối lưu không khí. Với điều kiện này thì cho phép van làm việc tới 40%Iđmv Dòng điện định mức của van cần chọn: Iđmv = ki.Ilv = 3,5 x 6,9 = 24,15 (A) Chọn ki = 3,5 : hệ số dự trữ dòng điện Chọn van bán dẫn Với Unv = 875,3(V) và Iđmv = 24,15(A), ta chọn được 3 Tiristo loại T25N900COC có các thông số sau: Điện áp ngược cực đại của van: Unv = 900(V) Dòng điện định mức của van: Iđmv = 25(A) Độ sụt áp trên van: DU = 1,9(V) Dòng điện rò: Ir = 15mA Điện áp điều khiển: Uđk = 1,4V Dòng điện điều khiển: Iđk = 120mA Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 640A Tốc độ biến thiên điện áp: Thời gian chuyển mạch: tcm = 100ms Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép: Tmax = 125oC Tính toán máy biến áp chỉnh lưu Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ đấu D/Y làm mát bằng không khí tự nhiên. Công suất biến áp nguồn cấp ị Sba = 3,4812kVA ( ks = 1,345: hệ số công suất do sơ đồ là chỉnh lưu tia ba pha) Điện áp của các cuộn dây Điện áp cuộn dây sơ cấp bằng điện áp nguồn: U1 = 380V Phương trình cân bằng điện áp khi không tải: Udocosamin = Ud + DUv + DUba Trong đó: + Ud = 220V: điện áp chỉnh lưu + DUv = 1,9V: sụt áp trên các van + DUba = DUr + DUL = 7%.Ud = 7% x 220 = 15,4V (thường chọn DUba = (5 – 10)%Ud) +DUdn _ sụt áp trên dây nối: DUdn = 0 + amin = 10o: góc dự trữ khi có suy giảm điện lưới. Từ phương trình trên ta có: Điện áp cuộn dây thứ cấp: Dòng điện của các cuộn dây Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp Với sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha ta có: Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp: Tính sơ bộ mạch từ Tiết diện trụ của lõi thép kQ = 6: hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát Vì công suất biến áp nhỏ Sba = 3,4812kVA < 10kVA nên ta chọn trụ chữ nhật có kích thước QFe = a.b với a_ bề rộng trụ; b_ bề dày trụ. Ta có Chiều cao trụ . Lấy h = 13cm. Chọn loại thép $330, các lá thép có độ dày 0,35mm Tính toán dây quấn Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp (vòng) Chọn mật độ từ cảm BT =1,35T ( BT tùy theo chất lượng tôn BT= (1 - 1,6)T ) Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp (vòng) .Lấy W2 = 237 vòng. Chọn mật độ dòng điện trong máy biến áp Với máy biến áp công suất nhỏ, khi công suất trên 100W thì mật độ dòng điện J = (2,5 – 3,5)A/mm2.Ta chọn J1 = J2 = 2,69A/mm2 Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp Chọn dây dẫn tiết diện tròn. Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: + Tiết diện dây sơ cấp: S1 = 1,4314mm2 + Đường kính dây: d1 = 1,35mm + Đường kính ngoài kể cả cách điện: dn = (1,43 – 1,46)mm. Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn dây sơ cấp Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp Chọn dây dẫn tiết diện tròn Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: + Tiết diện dây thứ cấp: S2 = 2,573mm2 + Đường kính dây: d2 = 1,81mm + Đường kính ngoài kể cả cách điện: dn = (1,9 – 1,93)mm Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn dây thứ cấp Kết cấu dây quấn Dây quấn kiểu đồng tâm được bố trí theo chiều dọc với mỗi cuộn dây được quấn thành nhiều lớp dây. Mỗi lớp dây được quấn liên tục các vòng dây sát nhau, các lớp dây cách điện với nhau bằng bìa cách điện. Kết cấu dây quấn sơ cấp Tính sơ bộ vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp (vòng). Lấy Wl1 = 87 vòng. Với: + h: chiều cao cửa sổ h= 13cm + dn = (1,43 - 1,46)mm: đường kính dây quấn kể cả cách điện. Chọn dn = 1,45mm = 0,145cm + hg: khoảng cách điện với gông. Thường hg = 2dn = 2 x 0,145 = 0,29cm Sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp lớp. Lấy nl1 = 5 lớp. Vậy có 437 vòng chia thành 5 lớp, 4 lớp đầu mỗi lớp có 88 vòng còn một lớp sau cùng thì bằng 437 – 87 x 4 = 89 vòng. Bề dày cuộn sơ cấp Bd1 = (d1 + cd11).nl1 = (1,35 + 0,1).5 = 7,25mm = 0,725cm. Chọn cd11 = 0,1mm: bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn sơ cấp. Chiều dài trung bình của cuộn dây sơ cấp. Vì máy biến áp có trụ chữ nhật nên : l1= 2W1(atb1 + btb1). Chiều dài trung bình mỗi cạnh của vòng dây sơ cấp Chọn: cdo1 = 0,5cm: bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và trụ. đ l1 = 2.437.(6,725 + 7,525) = 12454cm = 124,54m. Kết cấu dây quấn thứ cấp Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn thứ cấp vòng. dn = ( 1,9 – 1,93)mm: đường kính dây quấn kể cả cách điện. Chọn dn = 1,93mm = 0,193cm. hg: khoảng cách điện với gông thường hg = 2dn = 2.0,193 =0,386cm Sơ bộ số lớp dây ở cuộn thứ cấp lớp. Lấy nl2 = 4 lớp. Vậy có 237 vòng chia thành 4 lớp: 3 lớp đầu có 60 vòng, lớp sau cùng thì có 237 – 3.60 = 57 vòng. Bề dày cuộn thứ cấp Bd2 = (d2 + cd22).nl2 = ( 1,81 + 0,1).4 =7,64mm = 0,764cm. cd22 = 0,1mm: bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp Chiều dài trung bình của cuộn dây thứ cấp l2 = 2 .W2(atb2 + btb2 ) Chiều dài trung bình mỗi cạnh của vòng dây: ị l2 = 2. 237.(9,2 + 10) = 9100cm = 91m. Chiều rộng cửa sổ c = 2(ao1 + Bd1+ a12 +Bd2) + a22 = 2(0,5 + 0,725 + 1 + 0,764) + 1 đc = 7cm. a22= 1cm_ khoảng cách giữa 2 cuộn thứ cấp. Kiểm tra kích thước cửa sổ Kích thước của cửa sổ chỉ hợp lý khi bề dày các cuộn dây phải nhỏ hơn chiều rộng cửa sổ. Tức là phải thỏa mãn điều kiện sau: Dc = c – 2Bd = ( 0,5 – 2)cm. Khoảng cách này cần thiết để đảm bảo cách điện và làm mát. Ta có: + Bề dày các cuộn dây: Bd = Bd1 + Bd2 + cdt + cdn = 0,725 + 0,764 + 0,5 + 0,5 đ Bd = 2,5cm. ị Dc = 7 – 2.2,5 = 2cm. Thỏa mãn yêu cầu. Khoảng cách giữa 2 tâm trục c’ = c + a = 7 + 5 = 12cm. Chiều rộng mạch từ C = 2c + 3a = 2.7 + 3.5 = 29cm. Chiều cao mạch từ H = h + 2a = 13 + 2.5 = 23cm. Khối lượng sắt và đồng Thể tích sắt VFe = QFe(3h + 2C) = 29.10-2(3 x 13.10-1 + 2 x 29.10-1) đVFe = 2,81dm3. Khối lượng khối sắt MFe = VFe.mFe = 2,81 x 7,8 = 21,9kg. Thể tích khối đồng VCu = 3(S1l1+ S2l2) = 3(1,4314.10-4 x 124,54.101 + 2,573.10-4 x 91.101) đVCu = 1,23dm3. Khối lượng khối đồng MCu = VCu.mCu = 1,23 x 8,9 = 10,9kg. Tính toán các thông số của máy biến áp Điện trở cuộn sơ cấp máy biến áp ở 75o C Lấy r = 0,0172W.mm2/m : điện trở suất của đồng. Điện trở cuộn thứ cấp máy biến áp ở 75 oC Điện trở máy biến áp quy đổi về thứ cấp Sụt áp trên điện trở máy biến áp DUr = Rba.Id = 1,03 . 12 = 12,36V Điện kháng máy biến áp quy đổi về thứ cấp Bán kính trong cuộn dây thứ cấp: Điện cảm máy biến áp quy đổi về thứ cấp Sụt áp trên điện kháng máy biến áp Sụt áp trên máy biến áp Điện áp trên động cơ khi có góc mở amin =10o U = Udocosamin - DUv - DUba = 240.96 cos10o – 1,9 – 15,05 = 220V. Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp Tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp DPn = 3.Rba.I22 = 3. 1,03.6,92 = 147W Điện áp ngắn mạch tác dụng Điện áp ngắn mạch phản kháng Điện áp ngắn mạch phần trăm Dòng điện ngắn mạch xác lập Dòng điện ngắn mạch tức thời cực đại Khi ngắn mạch đột ngột, dòng điện ngắn mạch gồm 2 thành phần: 1 thành phần chu kì và 1 thành phần tự do không chu kì. Chính thành phần tự do không chu kì làm trị số dòng điện ngắn mạch tức thời tăng lên rất lớn. Trị số dòng điện cực đại lúc đó là: Kiểm tra máy biến áp thiết kế có đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến thiên của dòng điện chuyển mạch Vậy máy biến áp thiết kế sử dụng tốt. Hiệu suất thiết bị chỉnh lưu Thiết kế cuộn kháng lọc Để giảm nhỏ thành phần xoay chiều của điện áp và dòng điện chỉnh lưu ta nói với đầu ra của bộ biến đổi một bộ lọc. Bộ lọc nhằm chủ yếu hạn chế thành phần sóng hài bậc 1. Bộ lọc điện cảm là cuộn kháng ( lõi thép) nối nối tiếp với phụ tải nên khi dòng điện ra tải biến thiên đập mạch, trong cuộn kháng sẽ xuất hiện sức điện động tự cảm chống lại. Do đó làm giảm sóng hài nhất là các sóng hài bậc cao. Xác định góc mở cực tiểu và cực đại Góc mở cực tiểu: amin = 10o là góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới. Từ công thức điện áp tải Ud = Udo.cosa ta thấy: Khi góc mở nhỏ nhất a = amin thì điện áp trên tải là lớn nhất: Udmax = Udo.cosamin = Ud đm và tương ứng tốc độ động cơ sẽ lớn nhất = wmax = wđm. Khi góc mở lớn nhất a = amax thì điện áp trên tải là nhỏ nhất: Udmin = Udo.cosamax và tương ứng tốc độ động cơ sẽ là nhỏ nhất: w = wmin đ Góc mở cực đại: Ta xét dải điều chỉnh D: Trong đó: Rư = 1,205W đ Rưồ = Rư + Rba + Rdt = 1,205 + 1,03 + 0,71 đ Rưồ = 2,9W Ud đm = Udo.cos amin= 1,17U2cos 10o = 1,17.206.cos10o đ Ud đm =237V ị Điện áp đặt trên phần ứng động cơ ở tốc độ wmin ị Góc mở cực đại: Xác định các thành phần sóng hài Ta có thể coi tất cả các dạng sóng chu kì là xếp chồng của thành phần một chiều, thành phần hình sin cơ bản và các sóng điều hòa bậc cao: y = f(x) = A + a1cosx + a2.cos2x + …+ an cosnx + b1sinx + b2sin2x + …+ bn sinnx Khai triển trên gọi là chuỗi Fuorier. Theo phương pháp này, hàm ud(wt) được khai triển thành: ud(wt) = Ud + Trong đó: kwt.dwt k = 1, 2, 3… bậc của sóng hài. Biên độ của sóng hài bậc k của điện áp chỉnh lưu: Mặt khác: Ud = U2fmsin(wt + ao ) = U2fm.cos( wt + a -). Qua các bước biến đổi ta có: Viết theo giá trị tương đối: Từ biểu thức trên ta thấy: Biên độ của sóng hài bậc k phụ thuộc vào tích số k.m và góc mở van a. Góc mở van càng tăng thì thành phần một chiều Ud càng giảm còn biên độ các sóng hài càng tăng. Với k = 1, sóng hài có biên độ lớn nhất. Sóng đó có tần số f’= mf = 3f (đối với chỉnh lưu tia ba pha m = 3) gọi là sóng cơ bản. Các sóng bậc 2 trở nên có biên độ nhỏ đáng kể nên không cần quan tâm. Xác định điện cảm cuộn kháng Sự đập mạch của điện áp chỉnh lưu đối với tải là động cơ điện một chiều làm xấu quá trình chuyển mạch cổ góp của động cơ, làm tăng phát nóng của tải do các thành phần sóng hại. Để hạn chế sự đập mạch này, ta phải mắc nối tiếp với động cơ một cuộn kháng lọc đủ lớn để Im Ê 0,1Iư đm. đ Điện cảm của cuộn kháng cần mắc thêm để lọc thành phần dòng điện đập mạch: LckL = LL – Ld – Lba Theo như phân tích ở trên ta có: Biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu: Biên độ sóng hài bậc 1 ở góc mở amax = 78o4 Trị số điện cảm cần thiết để lọc thành phần sóng hài: Với: I1*% = 10%: trị hiệu dụng của dòng điện sóng hài cơ bản. Điện cảm phần ứng động cơ: Trong đó: g = 0,25: hệ số lấy cho động cơ có cuộn bù Số đôi cực ta tra bảng được p = 1 ị Điện cảm cuộn kháng lọc cần mắc thêm: LckL = LL – Ld – Lba = 0,11 – 0,03 – 0,0023 đLckL = 0,077.H Tính toán cuộn kháng lọc Các thông số cần thiết cho thiết kế: Điện cảm yêu cầu cuộn kháng lọc: LckL = 0,077H Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng: IckL = 12A Biên độ dòng điện xoay chiều bậc 1: I1m = 10%.Iđm = 1,2A Tổng trở cuộn kháng Thường dây quấn cuộn kháng có tiết diện khá lớn nên điện cảm cuộn kháng quá lớn và điện trở rất bé nên ta có thể coi tổng trở của cuộn kháng bằng điện kháng của cuộn kháng. ZckL = XckL = 2p.m.f.LckL = 2.p.3.50.0,077 đZckL = 72,5W Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc Công suất của cuộn kháng lọc Tiết diện cực từ chính của cuộn kháng lọc kQ =( 5 – 6): hệ số phụ thuộc phương thức làm mát. Làm mát bằng không khí tự nhiên chọn kQ = 6. Vì Q = 354mm2 nên ta chọn: Chọn loại thép $330A, tấm thép dày 0,35mm Số vòng dây của cuộn kháng lọc Giả thiết bỏ qua sụt áp trên điện trở, sức điện động EckL ằ DUckL Ta có EckL = 4,44m.f.W.B.Q Với: B = 1,35T _ mật độ từ cảm trong trụ ị Số vòng dây của cuộn kháng lọc: vòng. Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng Tiết diện dây quấn cuộn kháng Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng J = 2,58A/mm2 Chuẩn hóa tiết diện dây quấn cuộn kháng: Chọn dây dẫn tiết diện tròn Tiết diện dây quấn cuộn kháng: Sck = 4,676mm2 Đường kính cuộn kháng: dckL = 2,44mm Đường kính ngoài kể cả cách điện: dn = (2,54 – 2,57)mm Thử lại mật độ dòng điện Diện tích cửa sổ Hệ số lấp đầy klđ = 0,5 Chọn: Chiều cao mạch từ H = h + a = 56 + 16 = 72mm. Chiều dài mạch từ L = 2c + 2a = 2.32 + 2.16 = 96mm. Số vòng dây trên 1 lớp vòng. Lấy Wl = 17vòng Với: Đường kính ngoài kể cả cách điện dn = 2,54mm Khoảng cách điện với gông: hg =2dn = 2.2,54 = 5,08mm Số lớp dây quấn lớp. Chọn nl = 11 lớp Vậy với 193 vòng chia thành 11 lớp, 10 lớp đầu mỗi lớp có 17 vòng, còn 1 lớp sau có 193 – 17.10 = 23 vòng. Bề dày cuộn dây Bd = (dk + cdl ).nl Chọn khoảng cách giữa các lớp: cdl = 0,1mm đ Bd = (2,44 + 0,1).11 = 27,94mm Tổng bề dày cuộn dây Chọn khoảng cách cách điện giữa dây quấn với trụ: ao1 = 3mm. Bdồ = Bd + ao1 đ Bdồ = 27,94 + 3 = 30,94mm Chiều dài của vòng dây trong cùng l1 = 2(a+b) + 2p.ao1 đ l1 = 2(16 + 22) + 2p.3=94,8mm Chiều dài của vòng dây ngoài cùng l2 = 2(a + b) + 2p.(ao1 + Bd) đ l2 = 2(16 + 22) + 2p(3 + 30,94) = 289mm. Chiều dài trung bình của một vòng dây Điện trở của dây quấn ở 75o Khối lượng sắt Thể tích sắt: VFe = ab(2h + L) = 16.22.10-4(2.48 + 86).10-2 đ VFe = 0,06dm3 ị Khối lượng sắt: MFe = VFe .mFe =0,06. 7,8 = 0,46kg. Khối lượng đồng MCu = VCu .mCu đ MCu = SckL.ltb.W.mCu ị MCu = 4,676.10-4 . 191,9.10-2.193.8,9 = 1,54kg Tính chọn các thiết bị bảo vệ Vì van bán dẫn có kích thước nhỏ, nhiệt dung bé và mật độ dòng điện qua mặt tiếp giáp p – n lớn nên nó rất nhạy cảm với quá tải về dòng. Mặt khác, van bán dẫn cũng rất nhạy cảm đối với quá điện áp: chỉ cần tồn tại điện áp ngược lớn hơn giá trị cho phép trong khoảng ( 1 – 2)ms, mặt tiếp giáp p á n đã có thể bị chọc thủng về điện. Cho nên van bán dẫn cần phải có các thiết bị bảo vệ. Bảo vệ quá dòng điện Dùng Aptomat tác động nhanh để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắn mạch Tiristo, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi…. Chọn Ap có Iđm = (1,1 – 1,3)I1d sao cho dòng điện bảo vệ của Ap không vượt quá dòng ngắn mạch của thứ cấp. Chọn Iđm = 1,1I1d = 1,1..3,74 = 7,12A Uđm~ = 220V Chỉnh định dòng ngắn mạch: In