Đồ án cơ sở ngành điện tử công suất và ứng dụng chủ đề thiết kế hệ thống truyền động điện bbđ van – động cơ một chiều không đảo chiều quay

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN *** ĐỒ ÁN CƠ SỞ NGÀNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ ỨNG DỤNG Chủ đề: “Thiết kế hệ thống truyền động điện BBĐ van – Động chiều không đảo chiều quay.” Số liệu yêu cầu sau: Phụ tải MC = số mang tính chất phản kháng Động chiều kích từ độc lập có: Pđ = 3,2 KW; nđ = 1500vg/ph BBĐ dùng sơ đồ chỉnh lưu hình cầu pha Phạm vi điều chỉnh D = 50:1; sai lệch tĩnh [s] = 0,1 Giảng viên hướng dẫn : MAI VĂN DUY Sinh viên thực : NGUYỄN VĂN HOÀNG HẬU Mã sinh viên : 21104300162 Lớp : DHTD15A3HN Hà Nội, tháng năm 2023 Lời Cảm Ơn Đồ án điện tử công suất ứng dụng môn học giúp cho sinh viên ngành điều khiển tự động hoá tổng hợp vận dụng hiệu kiến thức học, đúc kết kinh nghiệm cho đồ án sau nói riêng mơn chun ngành nói chung Trong trình thực đồ án mình, em ln quan tâm, hướng dẫn tận tình của giảng viên khoa điện với giúp đỡ nhiệt tình từ bạn bè anh chị khố Đầu tiên, em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy Mai Văn Duy trực tiếp hướng dẫn bảo cho em kiến thức quan trọng để hồn thành đồ án mơn học Đồng thời, em muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy, cô giáo khoa điện tạo điều kiện để em học tập, nghiên cứu thêm chủ đề nghiên cứu Xin cảm ơn bạn anh chị khoá tận tình giúp đỡ em thời gian hồn thành đồ án Do trình độ lý luận kinh nghiệm thực tiễn hạn chế đồ án tránh khỏi thiếu sót, em mong thầy, xem xét góp ý để em học thêm nhiều kinh nghiệm để đề tài đồ án tới em hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Nguyễn Văn Hoàng Hậu MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.1 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG 1.1.1 Đặt vấn đề 1.1.2 Động điện chiều 1.2 PHÂN TÍCH CHỌN ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG 11 1.2.1 Thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng 12 1.2.2 Thay đổi điện áp cấp cho mạch phần ứng 13 1.2.3 Thay đổi từ thơng kích từ 15 1.2.4 Nhận xét lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ 16 1.3 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN BỘ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU 16 1.3.1 Phân tích hệ thống van – động (T – Đ) 17 1.3.2 Phân tích hệ thống máy phát động (F – Đ) .19 1.3.3 Phân tích hệ thống xung áp động (ĐXA – Đ) 21 1.4 ĐÁNH GIÁ, LỰA CHỌN BỘ BIẾN ĐỔI 29 CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN LỰA CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC 30 2.1 BỘ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU HÌNH CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN 30 2.1.1 Sơ đồ nguyên lý .30 2.1.2 Nguyên lý làm việc 30 2.2 TÍNH TỐN LỰA CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC .33 2.2.1 Tính tốn chọn máy biến áp động lực 33 2.2.2 Tính toán lựa chọn van Tiristor 35 2.2.3 Tính tốn lọc chọn thiết bị bảo vệ .35 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN LỰA CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 39 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 39 3.1.1 Khái niệm chung 39 3.1.2 Hệ thống điều khiển pha đứng .40 3.1.3 Hệ thống điều khiển pha ngang 41 3.1.4 Hệ thống điều khiển dùng diot hai cực gốc 42 3.1.5 Đánh giá lựa chọn hệ thống điều khiển .42 3.2 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 42 3.2.1 Khối đồng hóa 42 3.2.2 Khâu tạo điện áp cưa 45 3.2.3 Khối so sánh 47 3.2.4 Khối tạo xung chùm 49 3.2.5 Khối tách xung khuyếch đại xung 51 3.2.6 Mạch tạo nguồn ni tín hiệu điều khiển .54 3.3 TÍNH TỐN THIẾT BỊ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 55 3.3.1 Tính chọn biến áp xung (BAX) 55 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 Tính chọn Tranzitor tầng khuếch đại cuối 56 Tính chọn máy biến áp đồng pha 56 Chọn Tranzitor mạch điều khiển 57 Các vi mạch khuếch đại thuật toán mạch tích phân 57 Tính chọn khuếch đại trung gian 58 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG, KHẢO SÁT HỆ THỐNG 62 4.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG, KHẢO SÁT 62 4.1.1 Mô mạch động lực .62 4.1.2 Mô mạch điều khiển 63 4.1.3 Sơ đồ mơ tồn mạch Psim 63 4.2 ĐÁNH GIÁ, KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 Chương 1: Phân tích, lựa chọn phương án truyền động điện 1.1 Lựa chọn phương án truyền động 1.1.1 Đặt vấn đề Khi thiết kế hệ thống truyền động điện người thiết kế phải đưa nhiều phương án để giải Nhiệm vụ người thiết kế phải tìm phương án tối ưu phù hợp với yêu cầu đặt Trước hết phải thoả mãn yêu cầu kỹ thuật, sau yêu cầu kinh tế Việc lựa chọn phương án truyền động phù hợp có ý nghĩa quan trọng thiết kế Nó ảnh hưởng trực tiếp đến dây chuyền sản xuất chất, lượng sản phẩm hiệu kinh tế 1.1.2 Động điện chiều 1.1.2.1 Cấu tạo Động chiều gồm có phần chính: - Phần tĩnh (stato): Cực từ chính: phận sinh từ trường, gồm có lõi sắt dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kĩ thuật điện hay thép cacbon dày 0.5 mm đến mm ép chặt Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt cực từ dùng để cải thiện tình trạng máy điện đổi chiều Lõi thép cực từ phụ thường làm thép khối thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống dây quấn cực từ Cực từ phụ gắn vào vỏ nhờ bulông Gông từ: Gông từ dùng để làm mạch nối cực từ Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi vật rơi vào làm hư hỏng dây quấn đảm bảo cho người khỏi chạm phải điện Trong máy điện nhỏ vừa, nắp máy có tác dụng làm giá đỡ ổ bi, trường hợp nắp máy thường làm gang Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay - Phần quay (rotor): Lõi sắt phần ứng: Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ Thường dùng thép kĩ thuật điện dày 0.5 mm phủ cách điện mỏng hai mặt ép chặt lại để giảm tổn hao dịng điện xốy gây nên Trên thép có dập hình dạng rãnh để sau ép lại đặt dây quấn vào Dây quấn phần ứng: phần sinh sức điện động có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ (công suất vài KW) thường dùng dây có tiết diện trịn Trong máy điện vừa lớn, thường dùng dây có tiết diện hình chữ nhật Dây quấn cách điện cẩn thận với rãnh lõi thép Cổ góp: Cổ góp dùng để đổi chiều dịng điện xoay chiều thành dòng điện chiều Cánh quạt: dùng để quạt gió làm nguội máy Trục máy: Trên đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp cánh quạt, ô bi Thường làm thép cacbon tốt 1.1.2.2 Phân loại động điện chiều Khi xem xét động điện chiều máy phát điện chiều người ta phân loại theo cách kích thích từ động Theo ta có loại động điện chiều thường sử dụng: - Động điện chiều kích từ độc lập: Phần ứng phần kích từ cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ - Động điện chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ mắc song song với phần ứng - Động điện chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ mắc nối tếp với phần ứng - Động điện chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có cuộn dây kích từ, cuộn mắc song song với phần ứng cuộn mắc nối tiếp với phần ứng Vì động chiều kích từ hỗn hợp có cấu tạo phức tạp, giá thành vô đắt nên ta không xét đến khơng phù hợp với tiêu chí kinh tế Ta xét động chiều kích từ nối tiếp động chiều kích từ độc lập a) Động điện chiều kích từ nối tiếp: Đặc điểm động chiều kích từ nối tiếp cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng, nên cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vịng ít, chế tạo dễ dàng Hình 1.1.1 Sơ đồ nguyên lý ĐCMC kích từ nối tiếp Từ sơ đồ nguyên lý ta có : Uư = Eư + Rư Iư = Kφω + Rư Iư (0.1) Rư = rư + rctf + rct+ rkt (0.2) Sau biến đổi ta nhận được: U Rư − I (0.3) Kφ Kφ Uư Rư ω= − M Kφ ( Kφ )2 (0.4) ω= Trong phương trình từ thơng φ biến đổi phụ thuộc vào dịng điện mạch kích từ theo đặc tính từ hóa Để đơn giản thành lập phương trình đặc tính ta giả thiết từ thơng phụ thuộc tuyến tính với dịng kích từ φ = C.Ikt với C hệ số tỉ lệ Nếu phản ứng phần ứng bù đủ: φ = C.Iư Thế vào phương trình (0.3) ta nhận được: ω= Uu A1 R − = −B K C I u KC I Trong đặt A1= Ta có (0.5) I u =√ ❑ (0.6) Uu R ; B= KC KC (0.7) Thay (0.7) vào (0.6) ta được: ω= A √❑ ❑ (0.8) Trong đó: A2= A √ ❑ Hình 1.1.2 Đặc tính từ hóa ĐCMC kích từ nối tiếp Biểu thức (0.6) phương trình đặc tính điện động (0.8) phương trình đặc tính động Dạng đặc tính biểu diễn hình 1.1.3 Ta thấy đặc tính có dạng hypebol mềm phạm vi dịng điện có giá trị nhỏ định mức vùng dòng điện lớn, mạch từ bão hịa nên từ thơng gần khơng đổi đặc tính có dạng gần tuyến tính Hình 1.1.3 Đặc tính điện (a) đặc tính (b) ĐCMC kích từ nối tiếp Giả thiết động không tải (I = M = 0) tốc độ khơng tải lý tưởng vơ lớn Nhưng thực tế có ma sát, tổn thất phụ động có từ dư: φdư = (2÷10)φ’đm nên khơng tải tốc độ khơng tải động có giá trị là: ω kt = Uu K φdu Tốc độ ωot thường lớn so với tốc độ định mức, nên thực tế khơng cho phép động chiều kích từ nối tiếp làm việc chế độ không tải Ngồi nhìn vào đặc tính động chiều kích từ nối tiếp cấu tạo ta có nhận xét sau: - Đặc tính động chiều kích từ nối tiếp mềm độ cứng thay đổi theo phụ tải Do thơng qua tốc độ động ta biết thay đổi phụ tải Tuy nhiên không nên sử dụng động cho truyền động có yêu cầu ổn định cao mà nên sử dụng cho truyền động có tốc độ thay đổi theo tải - Động chiều kích từ nối tiếp có khả q tải lớn mơmen Do cuộn kích từ nối tiếp nên phần dịng điện phần ứng lớn định mức từ thơng động lớn định mức, mơmen tăng nhanh so với tăng dịng điện Như với mức độ dòng điện động chiều kích từ nối tiếp có khả q tải mơmen khả khởi động tốt động chiều kích từ độc lập Nhờ có ưu điểm mà động chiều kích từ nối tiếp thích hợp với truyền động làm việc thường có tải lớn yêu cầu mômen khởi động lớn máy nâng vận chuyển, máy cán thép - Vì từ thơng động phụ thuộc vào dòng điện phần ứng nên khả chịu tải động không bị ảnh hưởng sụt áp lưới điện Loại động thích hợp cho truyền động dùng ngành giao thơng có đường dây cung cấp điện dài Từ nhận xét ta thấy động chiều kích từ nối tiếp khơng phù hợp với yêu cầu nên không chọn b) Động điện chiều kích từ song song Khi nguồn điện chiều có cơng suất vơ lớn điện áp khơng đổi mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc động gọi động kích từ song song Hình 1.1.5 Sơ đồ nguyên lý ĐCMC kích từ song song Lúc đầu, máy khơng có dịng điện kích từ, từ thông máy từ dư cực từ tạo khoảng ÷ % từ thơng định mức Khi quay phần ứng, dây quấn phần ứng có sđđ cảm ứng từ thơng dư sinh Sđđ khép mạch qua dây quấn kích từ (điện trở mạch kích từ vị trí nhỏ nhất) sinh dịng điện kích từ, làm tăng từ trường cho máy Quá trình tiếp tục đạt đến điện áp ổn định Để máy tạo nên điện áp cần thiết phải có từ dư chiều từ trường dây quấn kích từ phải chiều từ trường dư Nếu khơng cịn từ dư ta phải mồi để tạo từ dư, chiều từ trường ngược ta phải đổi cực tính dây quấn kích từ đổi chiều quay phần ứng Phương trình cân điện áp là: - Mạch phần ứng: U = Eư – Iư.Rư - Mạch kích từ: Ukt = Ikt.(Rkt + Rđc) Phưng trình dịng điện là: Iư = I + Ikt Khi dòng điện tải tăng, dòng điện phần ứng tăng dẫn đến điện áp U giảm Trong máy kích từ song song, Ikt khơng phải số mà thay đổi theo điện áp Do vậy, U giảm, làm cho Ikt giảm, từ thông sđđ giảm, U giảm nhanh hơn, đường đặc tính ngồi dốc so với máy kích từ độc lập Hình 1.1.6 Đặc tính ngồi U = f(I) đặc tính điều chỉnh Ikt = f(I) Từ đường đặc tính ta thấy: Khi ngắn mạch, điện áp U = 0, I kt = 0, sđđ máy từ dư sinh ra, dịng ngắn mạch In nhỏ so với dịng điện định mức Điều có nghĩa cố ngắn mạch đầu máy phát kích từ song song không gây nguy hiểm trường hợp máy phát kích từ độc lập Để điều chỉnh điện áp, ta phải điều chỉnh dịng điện kích từ, đường đặc tính điều chỉnh Ikt = f(I) Khi U, n không đổi có dạng tương tự trường hợp máy phát kích từ độc lập dốc máy phát kích từ song song tăng tải, điện áp sụt nhiều nên mức độ tăng dịng điện kích từ phải nhiều Do đó, động chiều kích từ song song khơng phù hợp với u cầu nên không chọn c) Động chiều kích từ độc lập: Khi nguồn điện chiều có cơng suất khơng đủ lớn mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào hai nguồn chiều độc lập nhau, lúc động gọi động chiều kích từ độc lập Hình 1.1.7 Sơ đồ nguyên lý ĐCMC kích từ độc lập Khi động làm việc, rôto mang cuộn dây phần ứng quay từ trường cuộn cảm nên cuộn ứng xuất sức điện động cảm ứng có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động Theo sơ đồ nguyên lý, viết phương trình cân điện áp mạch phần ứng (rôto) sau: Uư = Eư + ( Rư + Rf ) Iư (0.9) Trong đó: - Uư : Điện áp phần ứng động (V) - Eư : Sức điện động phần ứng động (V) - Rư : Điện trở cuộn dây phần ứng (Ω) - Rf : Điện trở phụ mạch phần ứng (Ω) - Iư : Dòng điện phần ứng động (A) Rư = rư + rct + rcb + rcp (0.10) - r : Điện trở cuộn dây phần ứng - rct : Điện trở tiếp xúc chổi than phiến góp - rcb : Điện trở cuộn bù - rcp : Điện trở cuộn phụ Sức điện động Eư phần ứng động xác định theo biểu thức sau : pN Eư = πa ω=Kφω (0.11) - φ : Từ thông qua cực từ (Wb) - p : Số đơi cực từ - N : Số dẫn tác dụng cuộn ứng - a : Số đôi mạch nhánh song song cuộn dây phần ứng - ω: Tốc độ góc động (rad/s) pN K= πa hệ số kết cấu động Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vịng/phút) thì: 10