Đang tải... (xem toàn văn)
ĐỒ ÁN 1 CƠ SỞ NGÀNH ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều một pha điều khiển động cơ xoay chiều một pha HÀ NỘI – 2022 Mục lục Chương 1 Tổng quan đối tượng nghiên cứu 1 1 Tổng quan động cơ xoay chiều một pha 1 1 1 Tổng quan nguyên lý 1 1 2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 1 2 Bộ biến đổi điều áp xoay chiều một pha 1 2 1 Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi 1 2 2 Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi 1 3 Đặt bài toán Chương 2 Tính toán, thiết kế mạch l.
ĐỒ ÁN 1: CƠ SỞ NGÀNH ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Xây dựng điều khiển cho biến đổi điều áp xoay chiều pha điều khiển động xoay chiều pha HÀ NỘI – 2022 Mục lục Chương 1: Tổng quan đối tượng nghiên cứu 1.1 Tổng quan động xoay chiều pha…………………………… 1.1.1 Tổng quan nguyên lý………………………………………………… 1.1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ…………………… 1.2 Bộ biến đổi điều áp xoay chiều pha…………………………… 1.2.1 Sơ đồ mạch lực biến đổi………………………………………… 1.2.2 Các phương pháp điều khiển biến đổi……………………… 1.3 Đặt tốn ……………………………………………………………… Chương 2: Tính tốn, thiết kế mạch lực………………………… 2.1 Tính tốn, thiết kế mạch lực ………………………………………… 2.1.1 Tính tốn, thiết kế sơ đồ mạch lực………………………………… 2.1.2 Tính tốn, lựa chọn phần tử mạch lực ……………………… 2.2 Mô mạch lực 2.2.1 Xây dựng mơ hình mơ phỏng……… 2.2.2 Kết mơ …………………………………………………… Chương 3: Tính tốn thiết kế mạch điều khiển………………… 3.1 Tính tốn, thiết kế mạch điều khiển ………………………………… 3.1.1 Tính tốn, lựa chọn mạch điều khiển…………………………… 3.1.2 Tính toán, lựa chọn phần tử mạch điều khiển ……… 3.2 Mô mạch điều khiển …………………………………………… 3.2.1 Xây dựng sơ đồ mô ………………………………………… 3.2.2 Kết mô phỏng…………………………………………………… XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU PHA Lời nói đầu Thế giới phát triển cách chóng mặt, đặc biệt mảng cơng nghệ dần thay đổi hồn tồn sống Ban đầu lao động chân tay đến phần lớn cơng việc thực máy móc, nhờ có hỗ trợ robot mà khối lượng công việc hoàn thành nhiều với chất lượng tốt hơn, cơng nghệ cịn đem lại cho người nhiều giải trí khiến sống trở lên vui vẻ thoải mái nhiều Trong ngành điện nói chung, ngành cơng nghệ kĩ thuật điều khiển tự động hóa nói riêng cốt lõi thiết yếu cho phát triển giới Vì muốn đóng góp vào phát triển xã hội quan trọng có công việc tốt tương lai nên em chọn theo học khối ngành kĩ thuật Sau thời gian dài học tập trường xyz, nhờ có giúp đỡ thầy cô giáo sử dụng thiết bị máy móc tiến tiến trường mà em có nhiều kiến thức cơng nghệ để áp dụng vào công việc tương lai Hiện em nhà trường tạo điều kiện cho làm khóa luận để tìm hiểu sâu kiến thức chuyên ngành áp dụng vào thực tế công việc, đề tài em “ xây dựng điều khiển cho biến đổi điều áp xoay chiều pha điều khiển động xoay chiều pha” Em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA VÀ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU MỘT PHA 1.1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU MỘT PHA 1.1.1 Tổng quan nguyên lý a Khái niệm động xoay chiều pha Động điện xoay chiều pha (gọi tắt động pha) động điện xoay chiều khơng cổ góp chạy điện pha Loại động điện sử dụng rộng rãi công nghiệp đời sống động bơm nước động quạt động hệ thống tự động Khi sử dụng loại động người ta thường cần điều chỉnh tốc độ ví dụ quạt bàn, quạt trần - Hiện có số loại động • Động điện khơng đồng pha có vịng ngắn mạch (cơng suất 150w) • Động không đồng phat dùng tụ điện có vịng dây chập ngược • Các kiểu động dùng rơto lồng sóc để chạy máy gia dụng • Động điện vạn năng: stato rơto có dây quấn b Cấu tạo động điện xoay chiều pha Cấu tạo động điện xoay chiều pha gốm phận : - Phần tĩnh (stato): bao gồm vỏ máy, lõi thép phần dây quấn + Vỏ máy: dung để cố định lõi thép dây quấn không dẫn từ, vỏ máy thường làm gang Hình 1.1: vỏ động + Lõi thép: để dẫn từ, từ trường qua lõi thép từ trường quay nên để giảm tổn hao, lõi thép ghép từ thép kĩ thuật dày từ 0,35mm 0,5mm, đường kính ngồi lớn 990mm phải dùng hình rẻ quạt để ghép, để giảm tổn hao dòng điện xoay,mỗi thép kĩ thuật phủ sơn cách điện Hình 1.2: lõi thép + Dây quấn: đặt vào rãnh lõi thép cách điện vơi lõi Dây quấn gồm cuộn khởi động cuộn làm việc Hình 1.3: dây quấn - Phần quay ( roto ): bao gồm lõi thép, trục dây quấn + Lõi thép roto gồm thép kĩ thuật điện ghép lại mặt ngồi lõi thép có rãnh để đặt dây quấn, có lỗ để lắp trục, cịn có lỗ thơng gió Trục máy gắn với lõi thép roto, trục đỡ nắp máy nhờ ổ bi + Dây quấn: tùy theo cấu tạo dây quấn phần quay động không đồng pha chia làm hai loại động roto dây quấn động roto lồng sóc • Động roto lồng sóc: Trong rãnh lõi thép đặt đồng, hai đầu nối ngắn mạch hai vịng đồng tạo thành lồng sóc Ở động cơng suất nhỏ vịng đồng chế tạo cách đúc nhôm vào rãnh lõi thép roto tạo thành nhơm hai đầu đúc vịng ngắn mạch Hình 1.4: roto lồng sóc • Roto dây quấn: Trong rãnh lõi thép đặt dây quấn thường nối hình sao, ba đầu nối với ba vành trượt đồng trục roto, ba vành đồng cách điện với với trục.Tỳ ba vành trượt ba chổi than để nối mạch điện với điện trở bên ngoai( điện trở điện trở mở máy điện trở điều chỉnh tốc độ Hình 1.5: roto dây quấn c nguyên lý làm việc - Động không đồng làm việc dựa tượng cảm ứng điện từ, cuộn dây stato nối với nguồn điện xoay chiều pha, dòng điện qua dây quấn tạo từ trường quay - Trong trình quay, từ trường quét qua dẫn roto làm xuất sức điện động cảm ứng Vì dây quấn roto kín mạch nên sức điện động tạo dòng điện dẫn dây quấn roto Các dẫn có dịng điện lại nằm từ trường nên tương tác với tạo lực điên từ đặt vào dẫn Tổng hợp lực tạo momen quay trục roto làm cho roto quay theo chiều từ trường d Ứng dụng động điện xoay chiều pha Động điện xoay chiều pha đạt cơng suất nhỏ, chủ yếu dùng dụng cụ gia đình quạt điện, máy hút bụi, máy bơm nước… Hình 1.6: thiết bị sử dụng động điện xoay chiều pha 1.1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động xoay chiều pha Để điều khiển tốc độ động pha người ta sử dụng phương pháp sau: Điều khiển cách thay đổi số đôi cực Điều khiển tần số dòng điện đưa vào động Điều khiển điện áp đưa vào động Điều khiên tốc độ cách thay đổi số đôi cực Trường hợp thay đổi tốc độ (M = const) Công suất trục động vận hành tốc độ cao: a Công suất trục động vận hành tốc độ thấp: Vậy : Moment động tốc độ cao: Moment động tốc độ thấp: Với : Vậy : - Trường hợp thay đổi tốc độ, moment công suất thay đổi Công suất trục động vận hành tốc độ cao: - Công suất trục động vận hành tốc độ thấp: Vậy: Suy ra: b Điều khiển tần số dòng điện đưa vào động Với: điện áp, moment lúc tần số điện áp, moment lúc tần số Khi yêu cầu moment không đổi (như máy cắt gọt kim loại): Khi yêu cầu đảm bảo công suất Pcơ không thay đổi (như máy điện): 10 Hình 3.12 : Mạch tách xung Trong mạch điều khiển chỉnh lưu, điện áp tựa tạo hai nửa chu kỳ mạch Lúc khâu so sánh xác định góc điều khiển cho hai van thuộc pha mạch lực: van làm việc nửa chu kỳ dương, van nửa chu kỳ âm lưới điện xoay chiều Như sau khâu tạo dạng xung (DX) ta nhận hai xung điều khiển hai nửa chu kỳ Tuy nhiên việc phát xung điều khiển cho van điện áp van âm khơng mong muốn Để tránh điều cần có thêm khâu tách xung (còn gọi phân phối xung), lúc van lực nhận xung điều khiển giai đoạn điện áp dương uAK>0 Thực tế có nhiều sơ đồ khác thực nhiệm vụ Nhưng tốt cho mạch tách xung dùng OA comparator để phân biệt xác hai nửa chu kỳ điện áp lưới qua điểm không Mạch tách xung OA theo sơ đồ ngun lý bên có độ xác cao đảm bảo tính tách xung cho tồn nửa chu kỳ 36 Hình 3.13: Dạng xung khâu tách xung 3.1.1.6: Khâu khuếch đại xung Hình 3.14: Mạch khuếch đại xung - Xung điều khiển cần cú rng c 10 ữ 200 às , thời gian mở thơng Thyristor dài, điều làm cho công suất tỏa nhiệt Transitor lớn kích thước biến áp xung lớn Để khắc phục ta sửa xung vuông thành dạng xung kim cách nối thêm tụ C2 37 - Điện áp tụ : u c (t ) = U bh (1 − e −τΧ ) ; với τ = R.C - Điện áp đầu mạch vi phân điện áp điện trở R12: u10 = u9 - uc = Ubh – Ubh.(1-2.) = 2.Ubh it = dịng điện có quy luật : 2.U bh R t e− x Như điện áp suy giảm theo hàm mũ với số thời gian τ ,do sau thời gian khoảng τ cho điện áp khơng.Vậy độ rộng xung đơn tạo theo phương pháp : tx=3 τ - Sơ đồ nối darlington Transitor Tr1, Tr2 có nhiệm vụ khuyếch đại xung điều khiển nhằm đáp ứng đủ yêu cầu công suất xung điều khiển kích mở Thyristor - Biến áp xung có nhiệm vụ cách ly mạch điều khiển mạch lực điện, đảm bảo an toàn cho linh kiện điện tử - Didode D6 điện trở công suất R 14 có nhiệm vụ khép mạch đầu sơ cấp BAX tiêu tán dịng điện Tr1, Tr2 khóa từ bảo vệ cuộn sơ cấp BAX Um điện áp đặt vào cực G-K Thyristor 3.1.2: Tính toán, lựa chọn phần tử mạch điều khiển 3.1.2.1: Khâu đồng pha Nhóm chỉnh lưu tia hai pha với diode D1, D2 có điện áp đồng pha với trị số hiệu dụng 10V, nên điện áp ngược lớn đạt lên van là: 38 Ung max= 2Udp = 2.10 = 28,3V Chọn diode D1,D2 loại 1N4002 với tham số Chọn dịng điện trung bình Itb= 1A Điện trở cho tải chỉnh lưu chọn R0 = 1k • Mạch so sánh tạo xung đồng Hình 3.15: Sơ đồ chân IC 741 Chọn điện trơ R1= 15k Chọn dòng qua phân áp (R2+P1) 1mA, tổng trở phân áp RƩ = = = 12k 3.1.2.2: Khâu tạo điện áp tựa: + Chọn Transitor T : C828 Trong mạch C828 sử dụng khóa điện tử làm việc chế độ bão hịa + IB = : VCE0 = 25V , IC = 2mA + IB = 5mA : VCE0 = 0, 14 , IC = 50mA R4= 13,5 = 1928.57 5.10−3 1,2 → chọn R4 điện trở có giá trị 1,8 Ω kΩ + Điện áp u4 điện áp tụ C bằng: 39 u4 = uC = U bh t1 ∫ i.dt = C C1 R x + Chọn tụ C1 loại tụ gốm 104 có giá trị điện dung C = 0,1µF +Chọn điện áp đỉnh cưa Urc 10V Trong thời gian tn điện áp tụ tăng từ V đến giá trị điện áp ngưỡng Ud = 10V, nên khoảng thời gian t1 = ms, ta có : => R3 = U bh t1 13,5.9.10−3 = = 121.5 −6 U d C1 10.0,1.10 kΩ + Chọn R3 loại biến trở 200 kΩ chỉnh biến trở có giá trị 121,5 kΩ 3.1.2.3: Khâu so sánh Mạch điều khiển sử dụng khuyếch đại thuật toán nên chọn IC TL084 vi mạch tích hợp khuyếch đại thuật tốn vỏ với thông số sau: + Điện áp nguồn cấp: VCC = ± 18V Tuy nhiên mạch điều khiển sử dụng nguồn cấp cho TL084 VCC =15V + Dòng điện nguồn cấp : I = 2,5 mA + Điện áp tín hiệu vào: UI = ± 15V + Ubh = ± 13,5V + Chọn R5= R6 = 10k Ω + Nhiệt độ làm việc: -550C đến 1500C + Cơng suất: 680mW 40 Hình 3.16 3.1.2.4: Khâu tạo xung - Chọn cổng AND: Toàn mạch điều khiển phải dùng cổng AND nên ta chọn IC : CD 4081 tích hợp cổng AND có thơng số sau • • • • • • Điện áp nguồn cấp: Vcc = ÷ 20 V.; Điện áp đầu vào : VIn = ÷ VCC + 0,5 Dòng điện đầu vào : IIn = ± 10mA Nhiệt độ làm việc - 55o ÷ 125o Điện áp ứng với mức logic 1: 15 V Công suất tiêu thụ P = 500mW Chọn Vcc = 15V Hình 3.17 Sơ đồ chân IC CD4081 - Mạch phát xung chùm : 41 + Chu kì xung chùm đươc xác định theo công thức : T = 0,693.(R + 2R8) C2 + Chọn tần số xung chùm: f = 10 kHz T= f = 10 = 10-4 (s) + Chọn C2 loại tụ gốm 104 có giá trị điện dung C = 0.1 F = 10-7 F + Từ công thức T = 0,693.(R7 + 2R8) C2 10 0,693.10 −7 R7+ 2R8 = =1,443 kΩ + Chọn R7= kΩ; R8= 220 Ω + Thời gian điện áp mức cao (có xung): T1= 0,693 (R7+ R8) C2 = 0,693.(103+220).10-7 84,5 ( μs ) 3.1.2.5: Khâu khuếch đại xung - Tính biến áp xung: + Chọn vật liệu làm lõi sắt ferit Lõi có dạng hình trụ làm việc phần đặc tính từ hóa có : • Độ biến thiên cường độ từ trường : ΔB =0,3 T • Độ biến thiên mật độ từ cảm : ΔH =30 H/m + Tỷ số biến áp xung :kba= ÷ nên chọn kba=3 + Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2=Udk= 5V + Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U 1= m.U2= 5.2 = 10 V + Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2= Idk =0,2A + Dòng điện sơ cấp biến áp xung: 42 I1 = = = 0,1 (A) + Độ từ thẩm trung bình tương đối lõi sắt : =8.10³ Trong µo = 1,25 10-6 (H/m) + Thể tích lõi thép: V µ tb µ o t x S x U I ∆B 8.10 3.1,25.10 −6.167.10 −6.0,15.10.0,1 = 0,3 = Q.l = = 2,78.10 −6 ( m ) Trong đó: sx: Độ sụt áp xung cho phép, thơng thường sx = (0,1 ÷0,2) nên chọn sx = 0,15 tx : Độ rộng xung, coi thyrsistor lý tưởng ta chọn tx = tph = 0,167 (ms) Dựa vào bảng tra cứu ta lựa chọn mạch từ tích V = 3,53 cm3 có kích thước cụ thể sau: • Diện tích lõi từ Q = 0,948 cm2 • Diện tích cửa sổ: 0,407 cm2 + Số vòng dây quấn sơ cấp biến áp xung tính theo định luật cảm ứng điện từ : = U1 Nên: w1 = dB dt = w1.Q ∆B tx −6 10.167.10 U 1.tΧ Q.∆B w1 Q −4 = 0,3.0,948.10 = 58.72 ( vòng ) Chọn w1 = 60 vòng 43 + Số vòng dây thứ cấp : w1 m w2 = = 60 = 30 ( vòng ) + Tiết diện dây quấn sơ cấp : S1 = I = 0.1 J1 = 0.0167 ( mm2 ) Trong chọn mật độ dòng điện J = ( A/ mm2) + Đường kính dây quấn sơ cấp : d1 4.S1 Π = 4.0,0167 π = = 0,14 (mm) Chọn d1 = 0,14 (mm) + Tiết diện dây quấn thứ cấp : S2 = I2 J2 0,2 = = 0,05 ( mm ) Trong chọn J2 = ( A/mm2 ) + Đường kính quấn thứ cấp : d2 = 4.S Π = 4.0,05 Π = 0,252 (mm) Chọn dây dẫn có đường kính d2 = 0,25 ( mm ) - Tính tầng khuyếch đại cuối : Chọn loại Transitor TIP 122 loại Transitor cơng suất tích hợp Transitor ghép nối theo sơ đồ darlington : + Transitor loại NPN, vật liệu: Si + Điện áp colector bazo hở mạch emitor : U CBO = 100V 44 + Điện áp emitor bazo hở mạch colector : U EBO= 5V + Dòng điện lớn colector: IC max = 5A + Công suất tiêu tán colector: PC = 65w + Nhiệt đô lớn mặt tiếp giáp: T1= 150 0C + Dòng làm việc colector : IC = I1= 100 mA + Hệ số khuyếch đại: β = 100 + Dòng làm việc bazo : IB= I c = 100 = β 100 ( mA ) + Nguồn cấp cho biến áp xung: E = +15 V + Điện trở nối tiếp với cuộn sơ cấp biến áp xung: E −U1 R14 = I1 = 15 − 10 = 50 Ω 0.1 + Tất diode mạch điều khiển dùng loại 1N4007 có tham số : • Dòng điện định mức : Iđm = 1A • Điện áp ngược lớn : Ungm= 1000V • Điện áp cho diode mở thơng : 0,7 v 3.2: MƠ PHỎNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.2.1: Xây đựng sơ đồ mô 45 Hình 3.18: Sơ đồ mơ 3.2.2: Kết mơ 46 47 Hình 3.19: Các kết sau mô Nhận xét: kết mô điện áp tải điện áp khâu điều khiển phù hợp với yêu cầu 48 Kết luận Đề tài “ XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU PHA” đề tài hay có nhiều ứng dụng thực tế sống Sau thời gian làm đồ án chúng em rút nhiều kinh nghiệm cho thân tích lũy thêm nhiều kiến thức chuyên ngành bổ ích, nhờ vào dạy nhiệt tình thầy giúp đớ anh chị khoa, góp ý bạn Sau lần chúng em xin chân thành bảy tỏ lòng biết ơn thầy giáo hướng dẫn thầy cô khoa giúp chúng em hoàn thành đồ án Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực 49 Tài Liệu Tham Khảo 1.Phạm Quốc Hải: “Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất” Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2009 Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh: “Điện tử công suất” Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2004 Trần Văn Thịnh: “Tính tốn thiết kế thiết bị Điện tử cơng suất” Nhà xuất giáo dục, Hà Nội, 2009 50 ... biến đổi điều áp xoay chiều pha điều khiển động xoay chiều pha? ?? Em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA VÀ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU MỘT PHA 1. 1: TỔNG... QUAN VỀ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU MỘT PHA 1. 1 .1 Tổng quan nguyên lý a Khái niệm động xoay chiều pha Động điện xoay chiều pha (gọi tắt động pha) động điện xoay chiều khơng cổ góp chạy điện pha Loại động. .. điện áp tải điện áp khâu điều khiển phù hợp với yêu cầu 48 Kết luận Đề tài “ XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU PHA? ?? đề tài hay có
