đồ án atrang bị điện đề tài trang bị điện cho hệ thống truyền động động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Đề cương chi tiết các phần đồ ánLời nói đầuChương 1: Tổng quan về các phương án truyền động điều chỉnh tốc độ động cơmột chiều kích từ độc lập1.1 Các hệ truyền động động cơ điện một chiề

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT VINHKHOA ĐIỆN

Giáo viên hướng dẫn : Bùi Trung Tuyến

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Trường Hoàn

Mã sinh viên : 1505200385

TRƯỜNG ĐH SPKT VINHKHOA ĐIỆN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ

ĐỒ ÁN TRANG BỊ ĐIỆN

Họ và tên: NGUYỄN TRƯỜNG HOÀN

Lớp: DHDDTCK15B(DCN)Mã số sinh viên:1505200385Ngành: Điện-điện tử Hệ đào tạo: Đại học chính quy

kích từ độc lập

3.1 Đề cương chi tiết các phần đồ án

Lời nói đầu

Chương 1: Tổng quan về các phương án truyền động điều chỉnh tốc độ động cơmột chiều kích từ độc lập

1.1 Các hệ truyền động động cơ điện một chiều

Yêu cầu: Liệt kê và mô tả cầu tạo vào nguyên lý hoạt động của động cơ điện 1chiều( tài liệu 1, chương 4 mục 4-4, 4-5, 4-6)

1.2 Các bộ biến đổi điện tử công suất trong truyền động điện

Yêu cầu: Trình bày ngắn gọn sơ dồ mạch lực, nguyên lý làm việc các bộ biến đổiAC/DC : Một pha/ ba pha có điều khiển cầu / tia ( tài liệu 2 chương 2, tài liệu 3-chương mục 1.3)

Kết luận chương

Yêu cầu: Kết luận được lựa chọn phương án truyền động nào? Bộ biến đổi côngsuất loại nào? Giải thích lý do lựa chọn.

Chương 2: Tính toán lựa chọn mạch dộng lực và thiết kế mạch điều khiển

2.1 Tính toán lựa chọn van công suất

Yêu cầu: Từ phương án truyền động điện đã lựa chọn ở chương 1 và các thông sốđộng cơ cho ở trên tính toán được thông số van cần đat và lựa chọn được một loạivan công suất phù hợp yêu cầu ( Tài liệu 3- chương 1 mục 1.6)

2.2 Thiết kế bộ điều khiển

Yêu cầu: thiết kế và mô tả chức năng hoạt động của các khâu sau:- Khâu đồng bộ

- Khâu tạo xung răng cưa (điện áp tựa)- Khâu so sánh

- Khâu khuếch đại xung

(tài liệu 3- chương 1 mục 1.11,1.12,1.13,1.14,1.18)

Chương 3 Kết quả mô phỏng

3.1 Sơ đồ mô phỏng

Yêu cầu: Trình bày sơ đồ mô phỏng đã thực hiện trên các phần mềm mô phỏngtương ứng Giải thích các khối (hoặc linh kiện) có trong sơ đồ

Có thể sử dụng một trong các phần mềm:-PLECS

-Matlab/simulink (Hướng dẫn: tài liệu 5)-PSIM

3.2 Kết quả mô phỏng:

Yêu cầu: tối thiểu trình bày được hình ảnh kết quả:

- Điện áp tải

- Tốc độ của động cơ

Ở các góc mở van khác nhau α= trong truờng hợp không tải và có tảiKết luận

Yêu cầu: Đánh giá kết quả đạt được bao gồm các nội dung sau:

-Phương án truyền động lựa chọn ở chương 1 có thực hiện được yêu cầu đặt ralà điều chỉnh được tốc độ động cơ hay không?

- Các tính toán lựa chọn ở chương 2 có phù hợp với mô phỏng ở chương 3 haykhông? ( VD: mô phỏng ở chương 3 cho kết quả dòng tải là 100A bé hơn dòngđiện van lựa chọn là 150A => kết luận là phù hợp)

- Phân tích đánh giá hoạt động của sơ đồ thiết kế là đúng với nguyên lý haykhông.

Phụ lục;

Các tài liệu liên quan như: tài liệu đọc để tính toán, datasheet,… Có nhắc đếnsố liệu cụ thể trong bài được trình bày trong phần này

Tài liệu tham khảo.

Ghi các tài liệu tham khảo được trích dẫn trong bài

Lưu ý: nếu trích dẫn tài liệu có số thứ tự là 2 thì chỉ ghi trong bài ngắn gọn là[2].

3.2 Tài liệu sử dụng cho quá trình làm đồ án:

1 Truyền động điện - Bùi Quốc Khánh; Nguyễn Văn Liễu; Nguyễn Thị Hiền2 Giáo trình điện tử công suất – Trần Trọng Minh

3 Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất – Phạm Quốc Hải

4 MATLAB và Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động - Nguyễn PhùngQuang

4 Giáo viên hướng dẫn

5 Ngày giao nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp: Ngày tháng năm 2023

Nghệ An, ngày tháng 5 năm 2023

Tên giảng viên đánh giá : Bùi Trung Tuyến

Họ và tên sinh viên : Nguyễn Trường Hoàn MSSV : 1505200385

Tên đề tài : Trang bị điện cho hệ thống truyền động động cơ điện một chiều

(Ký và ghi rõ họ tên )

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀUCHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 3

1.1 Các hệ truyền động động cơ điện một chiều 3

1.2 Các bộ biến đổi điện tử công suất cho truyền động điện 8

1.2.1 Cấu trúc mạch chỉnh lưu,các thông số cơ bản 9

2.2.Thiết kế mạch điều khiển: 28

2.2.1.Cấu trúc mạch điều khiển: 28

2.2.2.Khâu đồng bộ: 30

2.2.3.Khâu tạo điện áp tựa (tạo xung răng cưa): 33

2.2.4.Khâu so sánh: 34

2.2.5.Khâu khuếch đại xung: 35

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 38

3.1.Mô phỏng mạch điêu khiển 38

3.2 Mô phỏng mạch lực 42

KẾT LUẬN 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay trong các lĩnh vực sản xuất của nền kinh tế quốc dân, cơ khí hoácó liên quan chặt chẽ đến điện khí hoá và tự động hóa Hai yếu tố sau cho phépđơn giản kết cấu cơ khí của máy sản xuất, tăng năng suất lao động, nâng cao chấtlượng kĩ thuật của quá trình sản xuất và giảm nhẹ quá trình lao động.

Việc tăng năng suất lao động máy và giảm giá thành thiết bị điện của máylà hai yêu cầu chủ yếu đối với hệ thống truyền động điện và tự động hoá nhưngchúng mâu thuẫn nhau Một bên đòi hỏi sử dụng các hệ thống phức tạp, một bênlại yêu cầu hạn chế số lượng thiết bị chung trên máy và số thiết bị cao cấp Vậyviệc lựa chọn một hệ thống truyền động điện và tự động hoá thích hợp cho máylà một bài toán khó.

Đồ án môn học “Trang bị điện” với đề tài “Trang bị điện cho hệ thống

truyền động động cơ điện một chiều kích từ độc lập.”

Với sự nhiệt tình giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn Bùi Trung Tuyến và

thầy cô giáo trong tổ bộ môn, cùng với nỗ lực của em đã hoàn thành đề tài đồ ánmôn học Trang bị điện Tuy nhiên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, kínhmong thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến nhận xét để quyển đồ án được hoànthiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!!!

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Trường Hoàn

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNGĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

1.1 Các hệ truyền động động cơ điện một chiều

+ Hệ thống truyền động máy phát-động cơ (F-Đ)

Hệ thống máy phát - động cơ (F - Đ) là hệ truyền động điện mà BBĐ điệnlà máy phát điện một chiều kích từ độc lập Máy phát này thường do động cơ sơcấp không đồng bộ 3 pha kéo quay và coi tốc độ quay của máy phát là không đổi.

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống F - Đ đơn giản

+ Để cho nĐ < ncb: Điều chỉnh biến trở RKF của máy phát tăng để giảm dòng

+ Đảo chiều: Cặp tiếp điểm T đóng hoặc N đóng, dòng điện kích từ máy

cơ Đ đảo chiều.

Khi thực hiện hãm thì động cơ Đ sẽ qua 2 giai đoạn hãm tái sinh:

+ Tăng ∅Đ về định mức.

+ Giảm điện áp phần ứng động cơ về 0.

Hệ thống máy phát động cơ F - Đ với các phản hồi có sử dụng máy điệnkhuyếch đại từ trường ngang (MKĐ)

+ Nhược điểm của hệ F - Đ đơn giản trên là:Đặc tính cơ mềm hơn đặc tính tự nhiên

Khi phụ tải thay đổi làm tốc độ động cơ thay đổi, không có khả năng ổnđịnh tốc độ.

Điều đó không đáp ứng được yêu cầu ổn định tốc độ của hệ Nên phải đưacác

khâu phản hồi để ổn định tốc độ động cơ của hệ thống được duy trì không đổi.Thay vì sử dụng máy phát kích thích K, người ta đưa vào hệ thống máyđiện khuyếch đại từ trường ngang (MKĐ) Đó là máy điện một chiều đặc biệt có2 cặp chổi than, trong đó có một cặp ngang trục được nổi ngắn mạch Nhờ vậydòng điện chạy trong dây quấn ngang trục khá lớn tạo ra từ trường của máy lớnnên hệ số khuếch đại của máy rất lớn Trên máy có nhiều cuộn kích thích, trongđó có một cuộn chủ đạo (W1) được cung cấp từ nguồn một chiều độc lập có thểthay đổi được trị số Các cuộn còn lại được nối với các khâu phản hồi Từ trườngdo các cuộn phản hồi cùng chiều hoặc ngược chiều với từ trường chính là do tínhchất của phản hồi.

+ Hệ thống F - Đ với phản hồi âm tốc độ

Phản hồi được thực hiện qua máy phát tốc Roto của FT được nối đồng trụcvới rotor động cơ Điện áp phát ra của FT tỉ lệ bậc nhất với tốc độ của động cơ.

Hệ thống này có khả năng ổn định tốc độ khi phụ tải thay đổi nhờ khâu

Hình 1.2: Hệ thống F - Đ với phản hồi âm tốc độ

giảm thì quá trình sẽ tự động xảy ra theo chiều ngược lại để tốc độ động cơ đạt

van D.

động cơ giảm tốc độ nên động cơ được bảo vệ.

Hình 1.3: Hệ thống F - Đ với phản hồi âm dòng có ngắt

+ Hãm động năng khi kích thích máy phát bằng không

+ Hãm tái sinh khi giảm tốc độ hoặc khi đảo chiều dòng kích từ

+ Hãm ngược ở cuối giai đoạn hãm tái sinh khi đảo chiều hoặc khi làm việcổn định với tải có tính thế năng (khi hạ tải trọng)

+ Nhược điểm cơ bản của hệ thống F - Đ là sử dụng nhiều máy điện quaydo đó chiếm diện tích không gian lớn, gây tiếng ồn lớn trong quá trình làm việc.Máy phát điện một chiều có từ dư lớn nên điều chỉnh tốc độ ở vùng tốc độ thấpvà rất thấp rất khó khăn.

+ Hệ thống F - Đ rất thích hợp với các truyền động có phạm vi điều chỉnhtốc độ lớn, phụ tải biến động trong phạm vi rộng, quá trình quá độ chiếm phầnlớn thời gian làm việc của hệ thống (thường xuyên khởi động, hãm, đảo chiều )

+ Hệ truyền động Thyristor – Động cơ (T-Đ)

Hệ truyền động T - Đ là hệ truyền động, động cơ điện một chiều kích từđộng lập Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng hoặcphần cảm động cơ thông qua các bộ biến đổi (BBĐ) chỉnh lưu dòng thyristor.

chiều trực tiếp cấp cho phần ứng động cơ Đ.

Tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ của máy mà BBĐ có thể là 1 bộ haynhiều bộ, sử dụng 1 pha hay 3 pha và có thể dùng chỉnh lưu hình tia hay hìnhcầu.

Để điều chỉnh tốc độ động cơ, ta đặt tín hiệu điều khiển ĐK lên biến trở Rvà đưa vào bộ phát xung (BFX) rồi đưa tín hiệu đến bộ biến đổi.

Hệ thống sử dụng khâu phản hồi tốc độ, lấy từ máy phát tốc (FT) để nângcao

tính ổn định tốc độ của động cơ và cả hệ thống.* Đánh giá về hệ thống

+ Vì hệ thống chủ yếu chỉ sử dụng các linh kiện điện tử nên tiêu tốn côngsuất riêng rất nhỏ, giá thành hệ thống thấp.

- Nhược điểm:

+ Khả năng làm việc ổn định với phụ tải nhỏ khá hạn chế.

+ Khi hệ thống truyền động có công suất lớn, dòng điện không sin gây ratổn hao

phụ trong hệ thống và ảnh hưởng đáng kể đến điện áp của lưới.+ Mạch điều khiển phức tạp.

+ Hệ truyền động Xung áp – Động cơ (XA-Đ)

- Hệ tuyền động xung áp động cơ (XA-Đ) sử dụng bộ biến đổi để điềuchỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều

Hình 1.5: Hệ truyền động XA – Đ

* Hoạt động của hệ thống:

- Dựa vào sơ đồ nguyên lý trên với sự xất hiện của dòng điện phần ứng cóthể đảo chiều, nhưng xuất điện động phần ứng chỉ có chiều dương Khi khóa S1và van D1 vận hành, với dòng điện phần ứng luôn dương, máy điện làm việc ởchế độ động cơ Để đảo chiều dòng điện chảy ngược lại chiều ban đầu do trongmạch chỉ có chiều duy nhất là suất điện động E.

- Với công suất động cơ được tính dựa vào điển cảm L Khi S2 ngắt, trênđiện cảm L sẽ xuất hiện suất điện động tự cảm U1, cũng chiều với suất điện độngE Tổng của hai suất điện động này lớn hơn điện áp nguồn làm van D2 dẫnngược dòng về nguồn và trả lại nguồn phần năng lượng đã tích lũy trong điệncảm L trước đó

1.2 Các bộ biến đổi điện tử công suất cho truyền động điện

+ Bộ biến đổi AC/DC

Khái niệm: Bộ ngắt mạch dòng một chiều thực chất là bộ chỉnh lưu dòng mộtchiều, nó có nhiệm vụ chủ yếu là để thay đổi điện áp dòng xoay chiều thành một

chiều để cung cấp cho mạch điện tử một chiều hoặc các ứng dụng dung điện mộtchiều khác Một mạch chỉnh lưu dòng một chiều là một mạch điện với các điodehoặc các thyristor được lắp thành bộ hoặc riêng lẻ từng cái Mạch chỉnh lưu cóthể được sử dụng trong các bộ nguồn cung cấp dòng điện một chiều, hoặc trongcác mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến điện trong các thiết bị vô tuyến.

Ứng dụng: Cung cấp nguồn cho các tải một chiều: động cơ điện một chiều, bộnạp acquy, mạ điện phân, máy hàn một chiều, nam châm điện, truyền tải điệnmộtchiều cao áp…Ứng dụng cơ bản nhất của mạch chỉnh lưu là cung cấp điệnmột chiều từ nguồn xoay chiều Thực ra hầu hết các mạch điện tử sử dụng nguồnđiện một chiều, nhưng nguồn cung cấp lại là dòng điện xoay chiều Vì thế cácmạch chỉnh lưu được sử dụng bên trong mạch cấp nguồn của hầu hết các thiết bịđiện tử Các mạch chỉnh lưu cũng được ứng dụng trong mạch tách sóng các tínhiệu vô tuyến điều biến biên độ Các mạch chỉ nh lưu cũng được sử dụng để cấpđiện có cực tính cho máy hànđiện Các mạch như thế này đôi khi thay thế cácđiốt trong cầu chỉnh lưu bằng các thyristor Các mạch này sẽ có điện áp phụthuộc vào góc mở Thyristor

1.2.1 Cấu trúc mạch chỉnh lưu,các thông số cơ bản

Trong thực tế các mạch chỉnh lưu có nhiều loại và khá đa dạng về hình dángcũng như tính năng Tuy nhiên về cơ bản cấu trúc trong bộ biến đổi thường cócác bộ phận sau:

- Biến áp nguồn nhằm biến đổi điện áp từ cao xuống thấp hoặc ngược lại.- Van công suất chỉnh lưu, các van này có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện xoaychiều thành nguồn một chiều.

- Mạch lọc nhằm lọc và san phẳng dòng điện hay điện áp nguồn để mạch chỉnhlưu có chất lượng tốt hơn.

- Mạch đo lường trong bộ chỉnh lưu thường dùng để đo dòng điện, điện áp.- Mạch điều khiển là bộ phận rất quan trọng trong các bộ chỉnh lưu có điềukhiển, nó quyết định độ chính xác, ổn định và chất lượng bộ chỉnh lưu.

- Phụ tải của mạch chỉnh lưu thường là phần ứng động cơ điện một chiều, kíchtừ máy điện một chiều, xoay chiều, cuộn hút nam châm điện, các tải có sức điệnđộng E, đôi khi tải là các đèn chiếu sáng hay các điện trở tạo nhiệt vv.

Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc của bộ

1.2.2 Các mạch chỉnh lưu một pha

1.2.2.1 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không điều khiển

a Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng* Tải thuần trở

Hình 1.7 Sơ đồ chỉnh lưu và dạng sóng điện áp và dòng điệnb Nguyên lý làm việc

- Giả Sử mạch làm việc ở chế độ xác lập, lý tưởng và điện áp cấp vào

- Trong nửa chu kỳ đầu 0<ωt <π, khi đó u2 ≥ 0, van D được phân cực

- Các chu kì tiếp theo nguyên lý hoạt động tương tự Từ nguyên lý làmviệc xây dựng được dạng sóng dòng điện và điện áp trong mạch như hình vẽ 1.7

- Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA:

- Dòng điện trung bình qua diode D:

* Tải thuần trở

Hình 1.8 Sơ đồ chỉnh lưu và dạng điện áp ra trên tảib Nguyên lý làm việc

- Giả sử mạch làm việc ở chế độ xác lập, lý tưởng và điện áp đặt vào cuộn

nên iD2 = id, ud = u22, uD2 = 0 Còn u22 âm, nên D2 bị phân cực ngược, khóa lại do

tải trong cả chu kỳ Từ nguyên lý làm việc ta xây dựng được dạng sóng dòngđiện và điện áp trong mạch như hình vẽ 1.12

c Công thức tính toán trong mạch

- Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu trên tải:

- Dòng hiệu dụng sơ cấp máy biến áp:

Khi van dẫn ta có, dòng điện tức thời qua thứ cấp máy biến áp:

R sin ωt

Nhận thấy dòng điện qua thứ cấp máy biến áp là dòng điện hình sin, nên

Vậy giá trị hiệu dụng của dòng điện sơ cấp máy biến áp được xác định:

- Điện áp ngược lớn nhất đặt trên mỗi van diode:Ungmax = 2√2 U2

1.2.2.3 Mạch chỉnh lưu hình cầu1 pha không điều khiển

a Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng* Tải thuần trở

Hình 1.9 Sơ đồ chỉnh lưu toàn bán kỳ và dạng điện áp ra trên tảib Nguyên lý làm việc

Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, xét điều kiện lý tưởng và

thuận nên dẫn điện cho dòng điện qua tải Khi đó ta có:

Hình1.10Mạchh chỉnh lưu một pha dùng SCR và dạng điện áp ra trên tải thuầntrởR

b Nguyên lý làm việc

- Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, lý tưởng, điện áp phía thứ

6.

- Trong khoảng ωt = 0 đến α, có u2 > 0, và uT > 0, tuy nhiên T vẫn chưadẫn, do chưa có xung điều khiển mở Khi đó ta có:

hai điều kiện kích mở nên dẫn điện Ta có:

đặt điện áp thuận tuy nhiên van T vẫn chưa dẫn, do chưa có xung điều khiển kích

√2U2sinω tdt = √2 U2

- Dòng điện trung bình qua tải:

Hình 1.13 Dạng sóng dòng điện và điện áp

mạch đang làm việc ở chế độ xáclập Khi van dẫn sụt áp trên nó bằng không.

- Dòng điện trung bình qua Thyristor:

απ+ α

Iddωt = Id

- Điện áp thuận, điện áp ngược cực đại trên Thyristor:UTngmax=√2U2

1.2.2.7 Mạch chỉnh lưu một pha bán điều khiển

• Mạch chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển hai SCR mắc K chung.a Sơ đồ nguyên lý

* Tải R + L ; L = ∞; xét chế độ làm việc xác lập và lý tưởng.

Hình 1.14 Mạch cầu một pha bán điều khiển dùng hai SCR mắc K chung.b Nguyên lý làm việc

Hình 1.15 Dạng sóng điện áp và dòng điện

- Trên sơ đồ nguyên lý ta thấy nhóm mắc catot chung là các thyritstor

là các van diode chúng mở theo quy luật tự nhiên, phụ thuộc vào điện áp nguồn:

của các van rong một chu kỳ điện lưới là:

Quá trình các chu kỳ sau được lặp lại tương tự.

- Qua đây ta thấy khi mạch làm việc có hai đoạn có hiện tượng dẫn thẳng

vậy dòng điện qua tải id vẫn liên tục còn dòng điện qua máy biến áp nguồn thìgián đoạn Điều này có lợi về mặt năng lượng vì năng lượng không cần lấy từnguồn mà vẫn duy trì được trong tải.

- Dòng điện hiệu dụng chảy qua van diode và thiristor:ITRMS = IDRMS =√ 1

được dẫn trong các khoảng sau:+ α<ωt <π :van T1 và D2 dẫn.+ π<ωt <π +α :van D1 và D2 dẫn.+π+α <ωt <2 π :van D1 và T2 dẫn.

+ 2π<ωt <2 π +α: van T1 và T2 dẫn Các chu kỳ sau quá trình lặp lại tương tự

Hình 1.17 Dạng sóng điện áp và dòng