Đề tài xây dựng bộ biến đổi điều áp xoay chiều một pha điểu khiển động cơ xoay chiều một pha

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TÊN ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ĐIỂU KHIỂN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU MỘT PHA Họ tên sinh viên: Vũ Xuân Phương Lớp: DHTD15A3HN Khoa đào tào: Điện Ngành: Công nghệ kĩ thuật điều khiển tự động hóa Người hướng dẫn học phần: Ths.Nguyễn Thị Thành Hà Nội:2023 Mục Lục LỜI NÓI ĐẦU .3 Chương 1: Tổng quan đối tượng nghiên cứu .4 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 xoay chiều pha .9 1.2 Bộ biến đổi điều áp xoay chiều pha 10 1.2.1 Sơ đồ mạch lực biến đổi 10 1.2.2 Các phương pháp điều khiển biến đổi 11 1.3 Đặt toán 11 Chương 2: Tính tốn, thiết kế mạch lực 12 2.1 Tính tốn, thiết kế mạch lực .12 2.1.1 Tính tốn, thiết kế sơ đồ mạch lực .15 2.1.1.1: Lựa chọn van 16 2.1.1.2: Lựa chọn phần tử bảo vệ 17 2.2: Mô Phỏng Mạch Lực 20 2.2.1 Xây dựng sơ đồ mô 20 2.2.2 Kết mô .20 Chương 3: Tính tốn thiết kế mạch điều khiển 23 3.1 Tính tốn, thiết kế mạch điều khiển 23 3.1.1 Tính tốn, lựa chọn mạch điều khiển 24 3.1.1.1: Khâu đồng pha 26 3.1.1.3: Khâu so sánh 29 3.1.1.2: Khâu tạo điện áp cưa 31 3.1.1.5: Khâu khuếch đại xung 34 3.1.2 Tính toán, lựa chọn phần tử mạch điều khiển 38 3.1.2.1: Khâu đồng pha 38 3.1.2.3: Khâu so sánh 39 3.1.2.4: Khâu tạo xung .40 3.1.2.5: Khâu khuếch đại xung 41 3.2: Mô mạch điều khiển 45 3.2.1: Xây đựng sơ đồ mô 45 3.2.2: Kết mô 45 Kết luận-Nhận xét- Kiến Nghị 48 Tài Liệu Tham Khảo 49 LỜI NÓI ĐẦU Thế giới phát triển cách chóng mặt, đặc biệt mảng cơng nghệ dần thay đổi hoàn toàn sống Ban đầu lao động chân tay đến phần lớn cơng việc thực máy móc, nhờ có hỗ trợ robot mà khối lượng cơng việc hồn 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 công 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 cơng việc tốt tương lai nên em chọn theo học khối ngành kĩ thuật Sau thời gian dài học tập trường Đại Học Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp Hà Nội, nhờ có giúp đỡ thầy giáo mà em có nhiều kiến thức công nghệ để áp dụng vào công việc tương lai Hiện em nhà trường tạo điều kiện cho làm đồ án 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 trân thành cảm ơn ! Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực Phương Vũ Xuân Phương Chương 1: Tổng quan đối tượng nghiên cứu 1.1 Tổng quan động xoay chiều pha 1.1.1 Tổng quan nguyên lý a Khái niệm động xoay chiều pha - Khái niệm : Động điện xoay chiều pha loại động có phần dây quấn stato bao gồm cuộn dây pha, cịn nguồn cấp dây pha dây nguồn, ngồi cịn có thêm tụ điện để làm lệch pha Thiết bị thường ứng dụng nhiều lĩnh vực khác sản xuất máy nén khí, tời kéo, máy bơm nước,…vì máy có cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ nên cần sử dụng nguồn điện có hai dây Thường có số loại như: + Động điện khơng đồng pha có vịng ngắn mạch (công suất 150w) + Động không đồng pha dùng tụ điện có vịng dây chập ngược + Các kiểu động dùng rotor lồng sóc để chạy máy gia dụng + Động điện vạn năng: stator rotor có dây quấn b Cấu tạo động điện xoay chiều pha Cấu tạo : Gồm hai phần chính: Stator (phần tĩnh) Rotor (phần quay) Hình Cấu tạo động không đồng pha - Stator: bao gồm vỏ máy, lõi sắt dây quấn + Vỏ máy: dùng để cố định lõi sắt dây quấn không dwn từ Vỏ máy thường làm gang Đối với máy công suất lớn (>1000 kW) dùng thép hàn lại Hình 1.2 Vỏ động không đồng pha + Lõi thép: để dwn từ Vì từ trường qua lõi thép từ trường quay nên để giảm tổn hao lõi thép ghép từ thép kỹ thuâ |t điện dày 0,35 mm hoă |c 0,5 mm Khi đường kính ngồi > 990 mm phải dùng hình rẻ quạt ghép Để giảm tổn hao dòng điện xoáy, thép kỹ thuâ |t điện phủ sơn cách điện Hình 1.3 Lõi thép Stator + Dây quấn: Dây quấn Stator đăt| vào rãnh lõi sắt cách điện với lõi Dây quấn Stator gồm cuộn khởi động (cuộn đề) cuộn làm việc (cuộn đề) Hình 1.4 Lõi thép Stator – Rotor: bao gồm lõi thép, trục dây quấn + Lõi thép Rotor: c•ng gồm thép kỹ thuâ |t điện ghép lại Măt| lõi thép có rãnh để đă |t dây quấn, có lỗ để lắp trục, có cịn có lỗ thơng gió Trục máy gắn với lõi thép Rotor làm thép tốt Trục đỡ nắp máy nhờ ổ lăn hay ổ bi + Dây quấn: Tùy theo cấu tạo dây quấn phần quay, động không đồng pha chia làm hai loại: động Rotor dây quấn máy động Rotor lồng sóc • Rotor lồng sóc: rãnh lõi thép đặt đồng, hai đầu nối ngắn mạch hai vịng đồng tạo thành lồng sóc Ở động cơng suất nhỏ, lồng sóc chế tạo cách đúc nhôm vào rãnh lõi thép rơto, tạo thành nhơm, hai đầu đúc vịng ngắn mạch Hình 1.5 Rotor lồng sóc • Rotor dây quấn (Wound Rotor): rãnh lõi thép đă |t dây quấn, thường nối thành hình sao, ba đầu nối với ba vành trượt đồng trục Rotor Ba vành trượt cách điện với với trục T‚ ba vành trượt ba chổi than để nối mạch điện với điện trở bên ngồi (điện trở điện trở mở máy hoă |c điện trở điều chỉnh tốc độ) Hình 1.6 Rotor dây quấn c Nguyên lý hoạt động: Khi cuộn dây Stator nối với nguồn điện xoay chiều pha, dòng điện qua dây quấn tạp từ trường quay Trong trình quay từ trường quét qua dwn Rotor, làm xuất sức điện động cảm ứng Vì dây quấn Rotor kín mạch nên sức điện động tạo dòng điện dwn (hoặc dây quấn) Rotor Các dwn có dịng điện lại nằm từ trường, nên tương tác với nhau, tạo lực điện từ đặc vào dwn Tổng hợp lực tạo moment quay trục Rotor, làm cho Rotor quay theo chiều từ trường d Ứng dụng: Với tính trội, động điện pha ứng dụng phổ biến nhiều lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp thiết bị công nghệ dùng quảng cáo Dùng việc chế tạo thiết bị đồ gia dụng gia đình quạt điện, máy bơm nước, đầu đĩa, radio, máy xay sinh tố, lò vi sóng…Trong lĩnh vực cơng nghiệp động điện pha dùng để chế tạo thiết bị băng truyền, băng tải cho máy móc,… Và cịn nhiều ứng dụng khác động điện pha mà bạn chưa khám phá hết Hình 1.7: 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: - Thay đổi số vòng dây stato ( Thay đổi số đôi cực ) - Điều khiển điện áp đưa vào động - Điều khiển tần số dòng điện vào động Trước điều khiển tốc độ động điều khiển điện áp xoay chiều đưa vào động cơ, người ta thường sử dụng hai cách phổ biến mắc nối tiếp với tải điện trở hay điện kháng mà ta coi Zf điều khiển điện áp biến áp survolter hay ổn áp Hai cách có nhược điểm kích thước lớn khó điều khiển liên tục dòng điện lớn Ngày với việc ứng dụng Thyristor Triac vào điều khiển, người ta điều khiển động pha bán dwn 3.1.1.4: Khâu tạo dao động tần số cao Hình 3.9: Mạch dao động tần số cao Hình 3.10: Dạng xung khâu tạo xung - Nguyên lý hoạt động + Nguyên lý hoạt động OA sử dụng so sánh hai cửa Tụ C liên tục phóng – nạp làm cho OA đảo trạng thái lần điện áp tụ đạt trị số chia điện áp R15, R16 Chu k‚ dao động: T = 2R14C.ln(1+2R15/R16) Tổng trở phân áp (R15+R16) khoảng 20 kΩ, điện trở R15 thường lấy nhỏ R16 để giảm độ chênh lệch hai đầu vào OA Cần lưu ý, để có sườn xung dốc đứng nên sử dụng loại OA có tham số tốc độ tăng áp lớn (như LF351) dùng comparator (như LM301, LM339 …), loại thông dụng UA741, LM324 cho xung không thật dốc với khu vực tần số 10 kHz + Tính tốn: Chọn tần số dao động khoảng 8kHz Chu kì T = = = 100 ( Chọn tụ C có trị số 10nF Chọn R16=2.R15, với giá trị cụ thể R15= 5k R16= 10k Ta có T = R14Cln.(1+) = 2R14Cln2 = 1,4R14C => R14 = 7,1K 3.1.1.5: Khâu khuếch đại xung Hình 3.13: Mạch khuếch đại xung Khuếch đại xung có nhiệm vụ tăng công suất khâu tạo dạng xung DX hình thành đến mfíc đủ mạnh để mở valve lực Đa số thyristor mở chắn xung điều khiển có giá trị UGK = (5 ÷ 10)V IGK = (0,3 ÷ 1)A thời gian khoảng 100μs Thực chất, nhiệm vụ KĐX khuếch đại dịng điện Với cỡ dịng điện IG cần phải dùng transistor làm chfíc khuếch đại, transistor thơng dụng cỡ dịng 1A có hệ số β < 100 nên KĐX thường gồm tầng khuếch đại Phương pháp thơng dụng dễ dàng cách ly phần điều khiển phần lực Tuy nhiên tính chất vi phân biến áp nên khơng cho phép truyền xung rộng vài mili giây Để đơn giản mạch, đồng thời vwn đảm bảo hệ số khuếch đại dòng cần thiết, tầng khuếch đại thường đấu theo kiểu Dalinton 3Các thông số ban đầu: 4Valve lực loại T588N IG = 250mA UG = 2,2V a/ Phần khuếch đại xung: Chọn biến áp xung (BAX) có tỷ số k = 2, ta có tham số dịng điện sơ cấp sau: U1  Uđk k  2,2.2  4,4(V )  I1 0,25  Iđk k  0,125( A) Nguồn cơng suất, ta lấy chung nguồn 15V sfí dụng cấp cho mạch điều khiển, ta chọn bóng T2 loại BD135 có thơng số sau: UCE = 45V • ICmax = 1,5A • βmin = 40 10 11 Tuy nhiên, để tiêu tán nhanh dòng điện qua BAX bóng T2 khóa, ta lắp thêm R16 nối tiếp với cuộn sơ cấp để T2 khóa, dòng điện qua BAX chảy vòng qua D10-R16 làm cho lượng tiếu tán R16 Điều tránh tình trạng điểm làm việc lõi biến áp bị đẩy lên vùng bảo hòa 15 R16  ECS  1,5  10() IC max 12 13 I1max => 15   1,5( A) 10 Do dòng qua điện trở thường xuyên lớn => chọn R16 = 10Ω/2W Bóng T3 chọn loại BC107 có thơng số sau: 14 UCE = 45V • ICmax = 0,1A • βmin = 110.R -Nguyên lý hoạt động: - Trong khoảng (0 ÷ θ1) Uv > → Tr1 , Tr2 mở → có dịng qua cuộn sơ cấp biến áp xung → cảm ứng qua cuộn thứ cấp biến áp xung điện áp làm cho D3 mở → có xung điều khiển đến cực G Triac - Trong khoảng (θ1 ÷ θ2) Uv = => Tr1 , Tr2 khóa lại → cuộn sơ cấp biến áp xung cảm ứng suất điện động khép mạch qua D1 Không có xung đến cực điều khiển G Triac 3.1.2 Tính tốn, 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: Ung max= Udp = 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 Sơ đồ chân IC 741 Chọn điện trơ R1= 15k Chọn dòng qua phân áp (R2+P1) 1mA, tổng trở phân áp RƩ = = = 12k 3.1.2.3: 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 R41= R42 = 10k  + Nhiệt độ làm việc: -550C đến 1500C + Cơng suất: 680mW Hình 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 • Cơng suất tiêu thụ P = 500mW Chọn Vcc = 15V Sơ đồ chân IC CD4081 - Mạch phát xung chùm : + Chu kì xung chùm đươc xác định theo cơng thức : T = 0,693.(R7 + 2R8) C2 + Chọn tần số xung chùm: f = 10 kHz T = = = 10-4 (s) + Chọn C2 loại tụ gốm 104 có giá trị điện dung C = 0.1 + Từ công thức T = 0,693.(R7 + 2R8) C2 R43+ 2R51 ==1,443 kΩ + Chọn R43= kΩ; R51= 220Ω + Thời gian điện áp mức cao (có xung): F = 10-7 F 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 =0,3T • Độ biến thiên mật độ từ cảm : ΔH =30 H/m + Tỷ số biến áp xung: kba= 3 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: U1= m.U2= 5.2 = 10V + Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2= Idk =0,2A + Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I1 = = = 0,1 (A) + Độ từ thẩm trung bình tương đối lõi sắt : =8.10³ -6 Trong o = 1,25 10 (H/m) + Thể tích lõi thép: V  tb  o t x S x U 1.I B 8.10 3.1,25.10  6.167.10  6.0,15.10.0,1  0,32  Q.l   2,78.10  (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 :  w1.Q U1 dB dt  w1.Q B tx Nên: w1 = = = 58.72 ( vòng ) Chọn w1 = 60 vòng + Số vòng dây thứ cấp : w2 = = = 30 ( vòng ) + Tiết diện dây quấn sơ cấp : S1 = = 0.0167 ( mm2 ) Trong chọn mật độ dòng điện J1 = ( A/ mm2) + Đường kính dây quấn sơ cấp : d1 4.S1    4.0,0167   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   4.0,05   0,252 (mm ) Chọn dây dwn 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 : UCBO = 100V + Điện áp emitor bazo hở mạch colector : UEBO= 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= ( mA ) + Nguồn cấp cho biến áp xung: E = +15 V + Điện trở nối tiếp với cuộn sơ cấp biến áp xung: R62 = + Tất diode mạch điều khiển dùng loại 1N4007 có tham số : • Dịng điện định mức : Iđm = 1A • Điện áp ngược lớn : Ungm= 1000V • Điện áp cho diode mở thông : 0,7 v 3.2: Mô mạch điều khiển 3.2.1: Xây đựng sơ đồ mô Hình 3.1 sơ đồ mơ mạch điều khiển 3.2.2: Kết mô Nhận xét: Nhận xét: Nhận xét: Nhận xét: Nhận xét: Kết luận-Nhận xét- Kiến Nghị Trong trình làm đồ án vừa qua hướng dwn tận tình giáo Nguyễn Thị Thành, chúng em hoàn thành xong đề tài “ Xây Dựng Bộ Điều Khiển Cho Bộ Biến Đổi Điều Áp Xoay Chiều Một Pha Điều Khiển Động Cơ Xoay Chiều Một Pha “ Quá trình thực đề tài giúp em thu kết sau: - - Hiểu cấu tạo c•ng ngun lí biến đổi điều áp xoay chiều pha điều khiển động xoay chiều pha Thông qua việc thiết kế tìm hiểu rõ biến đổi điều áp xoay chiều pha c•ng hiểu động xoay chiều pha Thơng qua em có kinh nghiệm việc thiết kế, tính tốn mạch lực thành phần liên quan hoàn thành đề tài khác sau cách nhanh chóng Thơng qua việc mơ mạch lực tìm hiều thêm nhiều phần mềm ứng dụng để mô điện tử công suất proteus, psim, matlap,… Rèn luyện kỹ tư độc lập, sáng tạo Tuy nhiên q trình tính tốn thời gian khả năng, kinh nghiệm cịn hạn chế nên khó tránh khỏi mắc phải thiếu sót 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 l•y thêm nhiều kiến thức chun ngành bổ ích, c•ng 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 giáo viên hướng dwn thầy cô khoa giúp chúng em hoàn thành đồ án Sinh viên thực V• Xuân Phương Tài Liệu Tham Khảo [1] Võ Thu Hà, Nguyễn Thị Thành, Nguyễn Cao Cường, Tài liệu học tập Điện tử công suất ứng dụng, Khoa Điện, Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Cơng nghiệp, 2019 [2] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, NXB Khoa học kỹ thuật, 2004 [3] Nguyễn Bính, Điện tử công suất, NXB Khoa học kỹ thuật, 2008 [4] Trần Xuân Minh, Đỗ Trung Hải, Điện tử công suất : Dùng cho trường đại học kỹ thuật, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2016 [5] Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghị, Phân tích giải mạch điện tử công suất, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2003 [6].Phạm Quốc Hải: “Hướng dwn thiết kế Điện tử công suất” Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2009 [7] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh: “Điện tử cơng suất” Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2004 [8] Trần Văn Thịnh: “Tính tốn thiết kế thiết bị Điện tử công suất” Nhà xuất giáo dục, Hà Nội, 2009