đồ án thiết kế hệ thống điều khiển xung áp một chiều cho động cơ một chiều

Đồ án tốt nghiệp Lời cam đoan Em xin cam đoan đề tài tốt nghiệp này là do em tự thiết kế dới sự hớng dẫn của thầy giáo TS. Nguyễn Mạnh Tiến. Các số liệu và kết quả trong đề tài là hoàn thành trung thực. Để hoàn thành bản đồ án này, em chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã đợc ghi trong bảng các tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu nào khác mà không đợc liệt kê ở phần tài liệu tham khảo Sinh viên Phạm Văn Thể SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 1 Đồ án tốt nghiệp Mục lục Trang Lời cam đoan 1 Mở đầu 4 Chơng I: Tổng quan về điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều 4 Đ1. Đặc tính cơ của động cơ một chiều 4 1. Khái niệm đặc tính cơ 4 2. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập 6 Đ2. Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều 7 1.1. Điều chỉnh điện áp phần ứng 7 1.2. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ 9 Đ 3. Các hệ truyền động điện động cơ một chiều 9 1. Hệ truyền động F - Đ 9 2. Hệ truyền động T - Đ 11 Chơng 2: Phân tích nguyên tắc điều chỉnh động cơ bằng xung áp một chiều 14 Đ1. Điều chỉnh xung áp mạch đơn 14 1. Sơ đồ nguyên lý 14 2. Phơng trình đồ thị điện áp và dòng điện 15 3. Đặc tính cơ 18 Đ2.1. Điều chỉnh xung áp Mạch kép 21 1. Sơ đồ nguyên lý 21 2. Phơng trình đồ thị dòng điện và điện áp 22 3. Đặc tính cơ 24 Đ3. Điều khiển đối xứng 25 1. Sơ đồ và nguyên lý 25 2. Đồ thị dòng điện và điện áp 26 3. Đặc tính của động cơ 27 Đ4. Điều khiển không đối xứng 27 Chơng III: Tính toán các phần tử mạch lực 29 Đ3.1. Mô tả sơ đồ mạch lực 29 Đ3.2. Tính chọn mạch điều chỉnh điện áp 29 1. Tính chọn các phần tử của bộ chỉnh lu cầu 1 pha hai nửa chu kỳ 30 Chơng IV: Thiết kế mạch điều khiển 35 Đ4.1. Phân tích sơ đồ 35 1. Sơ đồ 35 2. Phân tích sơ đồ 36 Chơng V: Thiết kế hệ thống kín 43 Đ5.1. Đặc tính cơ của hệ thống hở 43 1. Xây dựng phơng trình đặc tính cơ 43 2. Đồ thị 43 Đ5.2. Tính toán trong hệ kín 44 SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 2 Đồ án tốt nghiệp 1. Sơ đồ 44 2. Phơng trình đặc tính cơ của hệ thống kín 44 Đ5.3. Tính chọn hệ thống kín 45 Đ5.4. Tính toán sơ đồ của bộ điều chỉnh và khâu ngắt 50 Kết luận 52 Tài liệu tham khảo 53 SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 3 Đồ án tốt nghiệp Mở đầu Trong những năm gần đây, xu thế công nghiệp hoá, hiện đại hoá đã mang lại rất nhiều thay đổi cho đất nớc. Đặc biệt là trong ngành tự động hoá và có nhiều tiềm năng phát triển rất to lớn trong mọi lĩnh vực của cuộc sống. Tự động hoá mang lại nhiều lợi ích cho con ngời nh tăng năng suất lao động, giảm công nhân đặc biệt trong môi trờng độc hại thì tự động hoá đảm nhận. Trong phần lớn các nhà máy, phân xởng đều có sự góp mặt của tự động hoá. Trong các dây truyền sản xuất, máy móc sử dụng truyền động điện bằng xung áp một chiều rất nhiều. Sử dụng hệ thống này độ an toàn cao. Đồ án này đề cập đến vấn đề nghiên cứu và thiết kế hệ thống truyền động điện bằng xung áp một chiều. Nội dung của đồ án chia làm 5 chơng: Ch ơng I: Tổng quan về điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều. Ch ơng II: Phân tích nguyên tắc điều chỉnh động cơ bằng xung áp một chiều. Ch ơng III: Thiết kế mạch lực Ch ơng IV: Thiết kế hệ thống kín. Ch ơng V: Tính toán các phần tử của mạch lực. Đồ án này thực hiện với sự giúp đỡ của thầy giáo Nguyễn Mạnh Tiến cùng các thầy cô trong bộ môn. Nội dung đồ án chắc chắn còn nhiều thiếu sót rất mong các thầy, cô giáo đóng góp bổ sung để đồ án đợc hoàn thiện hơn. Sinh viên Phạm Văn Thể Chơng I: Tổng quan về điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều Đ1. Đặc tính cơ của động cơ một chiều. 1. Khái niệm đặc tính cơ Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và momen của động cơ. ta có đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, nếu động cơ vận hành ở SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 4 Đồ án tốt nghiệp chế độ định mức. Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số nguồn hoặc nối thêm các điện trở, điện kháng vào động cơ. Để đánh giá về đặc tính cơ và so sánh nó ngời ta đa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ . M = (1.1) M (3) (2) (1) AM 2 1 Hình 1.1 SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 5 Đồ án tốt nghiệp 2. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập Sơ đồ nguyên lý hình 1.2. R f E + - U R kt - U kt + I kt I C kt Hình 1.2 a. Phơng trình đặc tính cơ U = E + (R + R f ). I Trong đó: U: điện áp phần ứng (V) E: sức điện động phần ứng (V) R: điện trở mạch phần ứng () R f : điện trở phụ trong mạch phần ứng () I: dòng điện mạch phần ứng (A) Suất điện động E đợc tính E = . . . 2 . P N k a = (1.3) K: hệ số cấu tạo của động cơ : từ thông kích từ dới 1 cực : tốc độ góc Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì Ta có M tt = M đc = M (1.4) Ta có M tt = K I (1.5) Dẫn đến SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 6 Đồ án tốt nghiệp ( ) + = 2 . K f R R U M K (1.6) Giả sử = const ta có đồ thị đặc tính cơ có dạng nh hình 1.3. M 0 đm đm nm Hình 1.3 Khi = 0 Ta có = = + nm f U I I R R (1.7) và M = K. .I nm = M nm (1.8) I nm , M nm dòng và momen ngắn mạch Đ2. Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều Có hai phơng pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều. a. Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng của động cơ b. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ 1.1. Điều chỉnh điện áp phần ứng Điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lu điều khiển. Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lợng điện xoay chiều thành một chiều. SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 7 Đ BBĐ R b I R đ E E b U Đồ án tốt nghiệp Hình 1.5 ở chế độ xác lập có thể viết đợc phơng trình đặc tính của hệ thống nh sau: E b E = I (R b + R đ ) ( ) + = đ đm đm b b R R E I K K (1.12) Để xác định dải điều chỉnh tốc độ. Ta thấy tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ cơ bản. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về momen khởi động. Khi momen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của hệ thống là: = đm max maxo M (1.13) = đm min maxo M (1.14) Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của điều chỉnh phải có momen ngắn mạch. M nmmin = M cmax = K M .M đm Đồ thị đặc tính cơ là đờng thẳng song song nh hình 1.6. 0 max M,I max 0 min min M đm M nmmin Hình 1.6 Trong suốt quá trình điều chỉnh điện âp phần ứng thì từ thông kích từ đ- ợc giữ nguyên, Mômen cho phép động cơ đợc tính: SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 8 Đồ án tốt nghiệp M cp = K. đm .I đm = M đm (1.16) 1.2. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ chính la điều chỉnh từ thông kích từ. Để điều chỉnh ta phải điều chỉnh momen điện từ của động cơ M= KI và sức điện động quay của động cơ. Vì mạch kích từ của động cơ là phi tuyến, vì thế hệ điều chỉnh này cũng là hệ phi tuyến. k k k b k e d i r r dt = + + (1.17) r k : điện trở dây quấn kích từ r b : điện trở nguồn điện áp kích từ k : số vòng dây của dây quấn kích thích Thờng khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng đợc giữ nguyên bằng đm. Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện. Đ 3. Các hệ truyền động điện động cơ một chiều. 1. Hệ truyền động F - Đ Hệ thống máy phát động cơ F - Đ là một hệ truyền động điện mà bộ biến đổi điện là máy phát điện một chiều kích từ độc lập, máy phát này thờng do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha điều khiển quay máy phát đợc xác định bởi hai đặc tính. Đặc tính từ hoá Đặc tính tải Trong tính toán có thể tuyến tính hoá các đặc tính này E F = K F . F . F = K F . F . C.i KF (1.18) Trong đó: K F : hệ số kết cấu của máy phát C: hệ số góc của đặc tính từ hoá Sơ đồ của hệ F - Đ SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 9 Đồ án tốt nghiệp ĐF M S U F = U đ I Đ K Hình 1.7 Nếu đặt R = R F + R Đ Ta có thể viết đợc phơng trình của đặc tính của hệ F - Đ . . F KF K R I U K K = (1.19) ( ) 2 . . F KF K R U M K K = (1.20) ( ) ( ) 0 KF KF M U U = (1.21) Từ các biểu thức ta thấy, khi điều chỉnh dòng điện kích thích của máy phát thì điều chỉnh tốc độ không tải của hệ thống. * Chế độ làm việc. Trong hệ không có phần tử phi tuyến nào nên hệ có những đặc tính động rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển các trạng thái làm việc. Với sơ đồ H1.7 động cơ chấp hành Đ có thể làm việc ở chế độ điều chỉnh cả hai chiều, kích thích máy phát và kích thích động cơ. Đảo chiều quay bằng cách đảo chiều dòng kích thích máy phát. * Đặc điểm của hệ F - Đ Ưu điểm nổi bật của hệ F - Đ là sự chuyển đổi trạng thái rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn. Nó thờng đợc dùng ở các máy khai thác công nghiệp mỏ. Nhợc điểm quan trọng của hệ F-Đ là dùng nhiều máy điện quay. Gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất gấp ba lần công suất động cơ chấp hành. Ngoài ra do các máy phát một chiều có từ d, đặc tính từ hoá có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ. SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 10 [...].. .Đồ án tốt nghiệp 2 Hệ truyền động T - Đ a Khái quát chung Hệ truyền động T - Đ: + Nguyên lý chung + Sơ đồ thay thế + Đặc tính cơ + Đảo chiều Do chỉnh lu Tiristo dẫn dòng theo một chiều và chỉ điều khiển khi mở còn khoá theo điện áp lới dẫn đến truyền động van thực hiện đảo chiều khó khăn và phức tạp hơn truyền động F-Đ Có hai nguyên tắc cơ bản để xây dựng hệ truyền động T-Đ đảo chiều Giữ nguyên chiều. .. rất lớn Điều đó rất thuận tiện trong việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lợng Nhợc điểm của hệ thống T-Đ là các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp ra có biên độ đập mạnh cao, gây tổn thất phụ trong máy điện, còn làm xấu điện áp nguồn và lới xoay chiều Điều chỉnh xung điện áp 4 chiều: Dòng điện và điện áp của động cơ U Đ, i chỉ có giá trị dơng khi khoá S... chỉnh động cơ bằng xung áp một chiều Đ1 Điều chỉnh xung áp mạch đơn 1 Sơ đồ nguyên lý Hình 2.1 Trên hình 2.1: Điện áp và dòng điện của động cơ U Đ, i chỉ có giá trị dơng Khi khoá S thông ta có UĐ = UN i = iN Khi khoá S ngắt iN = 0 UĐ = 0 Do tác dụng duy trì dòng điện của điện cảm L ta có i = iDo Các giá trị trung bình của điện áp và dòng điện phần ứng là U Đ, I và do đó sức điện động E của động cơ khi... 20 Đồ án tốt nghiệp Đ2.1 Điều chỉnh xung áp Mạch kép 1 Sơ đồ nguyên lý Hình: 2.5 Để hệ truyền động có thể làm việc ở chế độ hãm tái sinh, có thể dùng sơ đồ điều chỉnh trên Trong đó dòng điện phần ứng có thể đảo dấu, song Sđđ động cơ chỉ có chiều dơng Khi khoá S1 và van D1 vận hành dòng điện phần ứng luôn dơng Công suất điện từ của động cơ là: Pđt = I E < 0 (2.21) Máy điện làm việc ở chế độ động cơ, ... SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 28 Đồ án tốt nghiệp Chơng III: Tính toán các phần tử mạch lực Đ3.1 Mô tả sơ đồ mạch lực Sơ đồ gồm có tụ C, điốt, van, động cơ Tụ C có tác dụng lọc lới điện cho ổn định và phẳng Các van Transitor có tác dụng nh các khoá để đảo chiều quay động cơ Các điốt có tác dụng nh 1 bộ cầu tạo ra dòng một chiều Động cơ có các thông số sau: Công suất động cơ: Pđm = 1,5 kW Hiệu điện thế:... ứng và đảo chiều dòng kích từ động cơ b Sơ đồ và nguyên lý làm việc iđ1 K Lc0 I icb Lc0 1 A2 I E a Ud b L c R II A1 BĐ1 K2 Lcb Lcb id1 BĐ2 icb 2 Hình 1.8 Giả thiết 1 < ; 2 > sao cho Ed1 Ed2 thì dòng chỉ có thể chạy 2 2 từ BĐ1 sang động cơ mà không thể chạy từ BĐ 1 sang BĐ2 đợc Để đạt đợc trạng thái này cần có góc điều khiển phải thoả mãn điều khiển SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 11 Đồ án tốt nghiệp... tính của động cơ I n = 2 1 t n0 I0 n0 = EN k e I0 = Trong đó: EN R Đ4 Điều khiển không đối xứng Trong sơ đồ này với mỗi chiều dòng điện, chỉ có một cặp van mắc thẳng hàng, làm việc đóng cắt ngợc pha nhau, còn 2 van kia sẽ có 1 van khoá hoàn toàn và 1 van luôn luôn sẵn sàng mở Các biểu thức tính toán tơng tự nh mạch không đảo chiều Đồ thị dòng và điện áp SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 27 Đồ án tốt... truyền động sẽ làm ở góc phần t thứ nhất Nếu dòng trung bình I > 0 và ở góc phần t thứ II nếu dòng trung bình I < 0 khi điều chỉnh sao cho Imax < 0 và do đó dòng điện phần ứng của động cơ I < 0 thì hệ thống làm việc ở góc thứ III khoá S 1 và van D1 không dẫn dòng Quá trình đó đợc mô tả ở hình dới nh sau: SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 23 Đồ án tốt nghiệp 3 Đặc tính cơ Hình:2.8 Đặc tính cơ của động cơ. .. số đóng mở của van Transitor: f = 2kHz Đ3.2 Tính chọn mạch điều chỉnh điện áp Chu kỳ làm việc của Transitor là: SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 29 Đồ án tốt nghiệp T= 1 1 = = 0,5.10 3 (s) 3 f 2.10 Mạch điều chỉnh xung áp điện 1 chiều có đảo chiều quay, điều khiển theo nguyên tắc đối xứng Thời gian Transitor đóng trong 1 chu kỳ là: tđ Ta có hệ số: = td T Suy ra: tđ = T Chọn = 0,8 ở chế độ định mức... - K46 33 Đồ án tốt nghiệp Ld = 6,86 10-3 (H) Ld = 686 (àH) SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 34 Ufi R14 SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 R18 R16 R15 + R17 R20 R19 Ui + U + Ucđ R2 R3 R21 R4 R9 R8 R7 R22 R1 R25 + R10 + C + R26 DIR R24 R23 R31 R5 R12 R11 R13 + T3 T1 T2 T4 PWM4 DIR PWM1 DIR R6 + R28 R27 + R29 R30 Đồ án tốt nghiệp Chơng IV: Thiết kế mạch điều khiển Đ4.1 Phân tích sơ đồ 1 Sơ đồ 35 Đồ án tốt nghiệp . Các hệ truyền động điện động cơ một chiều 9 1. Hệ truyền động F - Đ 9 2. Hệ truyền động T - Đ 11 Chơng 2: Phân tích nguyên tắc điều chỉnh động cơ bằng xung áp một chiều 14 Đ1. Điều chỉnh xung áp. Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều Có hai phơng pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều. a. Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng của động cơ b. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch. tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập 6 Đ2. Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều 7 1.1. Điều chỉnh điện áp phần ứng 7 1.2. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ 9 Đ