Động cơ điện DC và hệ thống truyền động thysistor 7122

Trường ĐHBK Hà Nội

Động cơ điện một chiều hệ truyền động Tiristor Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH MỞ ĐẦU Điều khiển là một lĩnh vực quan trọng trong đời sống xã hội. Bất kì ở vị trí nào, bất cứ làm một công việc gì mỗi chúng ta đều tiếp cận với điều khiển. Nó là khâu quan trọng quyết định sự thành bại trong mọi hoạt động của chúng ta. Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi nhưng động cơ điện một chiều v ẫn tồn tại. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và phạm vi rộng. Vì động cơ điện một chiều có đặc tính làm việc rất tốt trên các mặt điều chỉnh tốc độ (phạm vi điều chỉ nh rộng, thậm chí từ tốc độ bằng 0). Nhưng độ tin cậy khi sử dụng động cơ một chiều lại thấp hơn so với động cơ không đồng bộ do có hệ thống tiếp xúc chổi than. Hệ thống điều khiển chỉnh lưu - động cơ một chiều cũng là một ứng dụng của kỹ thuật điều khiển. Chỉ nh lưu có điều khiển dùng Tiristo để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ. Chỉnh lưu cũng có thể dùng làm nguồn điện chỉnh điện áp kích từ cho động cơ. Hệ thống này thường được dùng cho các động cơ điện được cấp điện từ lưới xoay chiều. Nhóm chúng em gồm 4 người được giao đồ án thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều. Đồ án gồm 3 phần. Phần I: Tổng quan chung về động cơ điện một chiều,và hệ truyền động tirstor Phần II: Tính chọn thiết bị mạch lực mạch điều khiển Phần III: Tổng hợp mạch vòng dòng điện. Nội dung đồ án chắc chắn còn rất nhiều vấ n đề cần bổ xung hoàn thiện. Em rất mong đươc sự đóng góp ý kiến cuả các thầy cô trong bộ môn để đồ án của em được hoàn chỉnh. Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Văn Diễn cùng toàn thể các thầy cô trong bộ môn đã tận tinh hướng dẫn để em hoàn thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn! Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Sinhviên: Lưu Văn Thắng Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH PHẦN I. TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG TIRISTOR I. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1. Cấu tạo động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều chia thành 2 phần chính: Phần tĩnh ( Stato) Gồm các bộ phận chính sau: Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường, gồm lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ. + Lõi sắt cực từ làm bằng thép kĩ thuật điện dày ( 0,5 –1) mm ép lại và tán chặt. + Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện. Trong các máy công suất nhỏ, cực từ chính là một nam châm vĩnh cửu. Trong các máy công suất trung bình và lớn, cực từ chính là nam châm đ iện. - Cực từ phụ: đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện điều kiện làm việc của máy điện và đổi chiều + Lõi thép cực từ phụ có thể là một khối hoặc có thể được ghép bởi các lá thép tùy theo chế độ làm việc. Xung quanh cực từ phụ được đặt dây quấn cực từ phụ, dây quấn cực từ phụ được n ối với dây quấn phần ứng. Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy. Phần quay ( rôto) Bao gồm các bộ phận chính sau: Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH - Lõi thép phần ứng: dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kĩ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây lên. Trong máy điện nhỏ, lõi thép phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Trong máy điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức đi ện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng đồng có bọc cách điện. Trong máy điện công suất nhỏ, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện tròn. Trong máy điện công suất vừa và lớn, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện hình chữ nhật. Cổ góp: dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Cơ cấu chổi than: dùng để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. 2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng có dòng điện I ư . Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực F đt tác dụng làm cho rôto quay. Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi. Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sức điện động E ư Ở động cơ điện một chiều sức điện động E ư ngược chiều với dòng điện I ư nên sức điện đông E ư còn được gọi là sức phản diện Phương trình điện áp là: 3. Phân loại động cơ điện một chiều Cũng như máy phát, động cơ điện được phân loại theo cách kích thích từ thành các động cơ điện sau: −−− . IREU + = Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Động cơ điện kích từ độc lập Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ được cấp điện từ một nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho mạch phần ứng. Động cơ kích từ nối tiếp Động cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng. Động cơ kích từ hỗn hợp Động cơ kích từ hỗn hợp gồm 2 dây quấn kích từ: dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp trong đó dây quấn kích từ song song là chủ yếu. II. KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều Tùy theo cách kích thích từ, động cơ điện một chiều có những tính năng khác nhau biểu diễn bằng các đường đặc tính làm việc, đặc tính cơ khác nhau. Trong các đặc tính đó, quan trọng nhất là đặc tính cơ. Đặc tính cơ dùng để xác định điểm làm việc xác lập hoặc là khảo sát điểm làm việc ổn định trong hệ thống truyền động điện. Đặc tính cơ của động c ơ điện là mặt phẳng tọa độ giữa ω với momen ω = f(M). Trong đồ án thiết kế này ta chỉ quan tâm tới loại động cơ một chiều kích từ độc lập Phương trình đặc tính cơ Khi động cơ làm việc, rôto mang cuộn ứng quay trong từ trường của cuộn cảm nên trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức phản điện động có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Phương trình điện áp ở mạch phần ứng động cơ: I ư R f KT R KT I KT - + +- U ư U KT Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH U = E + I ư ( R ư + R f ) Trong đó: + U ư : điện áp phần ứng ( V ) H1. Sơ đồ nối dây của động cơ + E: sức điện động phần ứng ( V ) + R ư : điện trở của mạch phần ứng (Ω) + R f : điện trở phụ của mạch phần ứng + I ư : dòng điện mạch phần ứng. Sức điện động E ư của phần ứng động cơ là tỷ lệ với tốc độ quay của rôto : E = k.Φ.ω Trong đó: + k = a pN π 2 hệ số cấu tạo của động cơ + Φ: từ thông qua một cực từ (Wb) + ω: tốc độ góc của rôto, 55,9 n =ω ( rad/s + p: số đôi cực từ chính + N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng + a: số đôi mạch nhánh song song + n: tốc độ quay (vòng/phút) Mặt khác, mômen điện từ của động cơ: M đt = k.Φ.I ư Φ =→ k M I dt − Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì M cơ = M đt = M Từ các phương trình trên ta có: đặc tính cơ của động cơ điện một chiều Khi toàn bộ các thông số điện của động cơ là định mức và không mắc thêm điện trở phụ vào mạch điện trở thì phương trình đặc tính cơ là: () M k RR k U f 2 − − . . Φ + − Φ = ω () M k R k U 2 −− . . Φ − Φ = ω Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH M M đm ω ω đm ω o Δω ĐTTN 0 Đặc tính cơ của phương trình này gọi là đặc tính cơ tự nhiên. Tốc độ ω o = U ư /k.Φ là tốc độ không tải lý tưởng. Khi phụ tải tăng dần từ M c = 0 đến M c = M đm thì tốc độ động cơ giảm dần từ ω o xuốngω đm nên phương trình đặc tính cơ có dạng: Với: Δω = () 2 − Φ k R _độ sụt tốc trên đặc tính cơ. Đặc tính cơ Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông Φ = const thì phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập tuyến tính có dạng hàm bậc nhất y = ax + b nên đường biểu diễn trên hệ tọa độ M0ω là một đường thẳng cắt trục 0ω tại ω o với độ dốc âm. H2. ĐỒ THỊ ĐẶC TÍNH CƠ TỰ NHIÊN 2. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU a. Chỉ tiêu điều chỉnh tốc độ Điều chỉnh tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động điện tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của các máy sản xuất. Để đánh giá chất lượng của một hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêu sau: Sai số tốc độ ω ω ω Δ−= o Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Sai số tĩnh tốc độ là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt và được đánh giá thông qua: Mong muốn: sai số ω đ = ω s% càng nhỏ càng tốt. Tính liên tục ( độ trơn của dải điều chỉnh) ω i + 1 ≈ ω i : hệ thống điều khiển liên tục ω i + 1 ≠ ω i : hệ thống điều khiển nhảy cấp Mong muốn γ → 1: hệ truyền động có thể làm việc ổn định ở mọi giá trong suốt dải điều chỉnh. Dải điều khiển tốc độ Dải điều khiển tốc độ ( D) là tỉ số giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tốc độ làm việc ứng với mômen tải đã cho: Mong muốn D càng lớn càng tốt Ngoài ra còn các chỉ tiêu khác như: chỉ tiêu kinh tế, kích thước… b. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều Về việc điều chỉnh tốc độ, động cơ một chiều có nhiều ưu điểm so với các loại động cơ khác: điều chỉnh dễ dàng, chất lượng điều chỉnh cao trong một dải rộng…. Xét phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều: 100 ω ωω × − = d d s% i i ω ω γ 1+ = min max ω ω =D () M k R k U 2 −− . . Φ − Φ = ω Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH R f = 0 R f1 R f2 ω 0 ω M 0 M 2 M 1 M c Ta thấy rằng việc điều chỉnh động cơ điện một chiều có thể thực hiện được bằng cách thay đổi các đại lượng: R ư , Φ, U ư Thực tế có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều: Phương pháp 1: Thay đổi điện trở phần ứng Đây là phương pháp kinh điển dùng để điều khiển tốc độ động cơ trong nhiều năm. Nguyên lý điều khiển Trong phương pháp này người ta giữ U = U đm ; Φ = Φ đm và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng. Độ cứng của đường đặc tính cơ: Ta thấy khi điện trở càng lớn thì β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đó càng mềm hơn. H3. đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ Ứng với R f = 0 ta có độ cứng tự nhiên β TN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ. Như vậy, khi ta thay đổi R f ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên. Đặc điểm của phương pháp ( ) f dm RR k M + Φ −= Δ Δ = − 2 . ω β [...]... mức đối với động cơ một chiều ⇒ Qua việc xét ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ta thấy phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng là triệt để và có nhiều ưu điểm hơn cả nên ta chọn phương pháp này để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐỂ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP PHẦN ỨNG CỦA ĐỘNG CƠ Hệ thống F- Đ :Hệ thống F - Đ là một trong các phương án điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng... thay đổi điện áp phần ứng Nguyên lý điều khiển ∼ Đ Đ F MSX ĐC MF Theo sơ đồ thì động cơ Đ1 biến đổi điện năng xoay chiều của lưới thành cơ năng trên trục của nó rồi truyền sang trục của máy phát F, máy phát F biến đổi cơ năng đó thành điện năng một chiều để cung cấp cho động cơ Đ, động cơ một chiều chuyển thành cơ năng trên trục làm quay máy sản xuất Để điều khiển tốc độ động cơ cần điều khiển điện áp... dòng và áp của các van kém SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Trường ĐHBK Hà Nội -Đồ án tốt nghiệp Sức điện động của bộ biến đổi có biên độ đập mạch lớn gây tổn hao phụ trong động cơ và làm xấu điều kiện chuyển mạch trên cổ góp của động cơ làm xấu điện áp nguồn Khi điều chỉnh sâu hệ số công suất cosγ thấp nhất HỆ THỐNG BĂM ÁP ĐỘNG CƠ Bộ băm áp một chiều dùng để biến đổi trị số điện áp, dòng điện. .. dạng xung gây ra tổn thất phụ lớn trong động cơ Hệ thống có thể làm việc ở trạng thái dòng gián đoạn với những đặc tính kém ổn định và tổn thất năng lượng nhiều III: HỆ TRUYỀN ĐỘNG (T-Đ) -Hệ TĐ một chiều dùng bộ biến đổi là một loại nguồn điện một chiều khi nối nó vào mạch phaanf ứng với động cơ điện một chiều kích từ độc lập ta sẽ được hệ TĐ -Khác với máy phát điện một chiều bộ biến đổi trực tiếp nối... tác động nhanh… - Nguyên lý điều khiển Động cơ điện một chiều nhận năng lượng từ lưới xoay chiều thông qua bộ chỉnh lưu Bộ chỉnh lưu biến đổi điện lưới xoay chiều thành điện một chiều cấp điện cho phần ứng của động cơ điện một chiều Khi điều khiển góc mở của các Tiristo ( tức là Tirito chỉ được mở khi điện áp anod dương hơn catod) ta điều khiển được điện áp phần ứng tức là điều khiển tốc độ động cơ điện. .. Vo nguồn điện một chiều Ư - Nguyên lý điều khiển Khi khóa K đóng dòng điện tăng làm tăng tốc độ động - cơ và tích lũy năng lượng điện từ cho điện cảm trong mạch Trong thời gian khóa cắt, năng lượng điện từ đã tích lũy sẽ phóng qua Vo để duy trì dòng điện phần ứng - Các chế độ làm việc Chế độ dòng điện liên tục Khi dòng và điện cảm trong mạch đủ lớn thì nănsg lượng điện từ đủ duy trì dòng điện cho đến... Đồ án tốt nghiệp Do mạch của động cơ có điện cảm và điện cảm ấy có tích lũy và xả năng lượng Nếu dòng điện nhỏ, lượng tích lũy năng lượng của cuộn dây nhỏ nên xả năng lượng nhỏ Vì vậy khi điện áp của lưới nhỏ hơn sức điện động của động cơ, năng lượng của cuộn dây xả ra để đảm bảo anod dương hơn catod không đủ duy trì tính chất liên tục của dòng điện Lúc này, dòng điện qua van trở về 0 trước khi... thiết lập hệ tự động phòng kín để mở rộng dải điều chỉnh và cải thiện điều kiện làm việc của hệ +Nhược điểm :\ -Khả năng linh hoạt khi đổi trạng thái làm việc không cao , khả năng quá tải về dòng và áp của van kém sức điện động của bộ biến đổi có biên độ đập mạch lớn gây tổn hao phụ trong động cơ và làm xấu điều kiện chuyển mạch trên cổ góp của động cơ làm xấu điện áp nguồn - Khi điều chỉnh sâu hệ số... thì dòng điện động cơ tăng dẫn đến năng lượng điện từ tăng Khi điện áp nguồn nhỏ hơn sức điện động thì năng lượng của cuộn SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Trường ĐHBK Hà Nội -Đồ án tốt nghiệp dây lớn làm cho năng lượng xẳ ra đủ sức để duy trì dòng điện đến thừi điểm mở van kế tiếp -Khi ở chế độ dòng liên tục Ucl=Udo.cosα b, Chế độ dòng gián đoạn -Do mạch của động cơ có điện cảm và điện cảm... TĐH Trường ĐHBK Hà Nội -Đồ án tốt nghiệp Nếu dòng điện và điện cảm có giá trị nhỏ thì đường cong có dạng gián đoạn Nếu dòng điện và điện cảm có giá trị giới hạn nào đó thì dòng điện có thể giảm đến 0 đúng vào thời điểm đầu của chu kì tiếp theo Khi đó ta có dòng biên liên tục Đặc tính cơ của hệ thống Với dòng điện liên tục: Phương trình đặc tính cơ ω= U ba R¦ + Rba γ U1 R¦ + Rba − M = − M 2 ke Φ ke . tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp Ở phương pháp này: U = var; Φ đm = const; R f = 0 Khi thay đổi phần ứng ( thay đổi theo chiều giảm điện áp), vì từ thông của động cơ được giữ không. tốc độ ω MF cố định, sức điện động của máy phát E MF phụ thuộc vào dòng kích từ I kMF theo luật đường cong từ hóa: E MF = k MF .ω MF . α.I kMF Xét phương trình đặc tính cơ: () M k RR I k k DD DMF kMF DD MFMF . 2 −− Φ + − Φ = αω ω . lượng xả ra đủ sức để duy trì dòng điện đến thời điểm mở van kế tiếp. Khi ở chế độ dòng điện liên tục, điện áp chỉnh lưu U CL = U do .cosα . T ∼ Ư Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt