Đề tài số 4 thiết kế hệ thống truyền Động Điện dùng bộ băm Điện Áp 1 chiều

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAY ĐỔI TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU: ...7 A.. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAY ĐỔI TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU: A.. Thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

DÙNG BỘ BĂM ĐIỆN ÁP 1 CHIỀU

Người hướng dẫn: TS Nguyễn Khánh Quang Sinh viên thực hiện: NGUYỄN NGỌC ÂN

HỒ NGỌC CHIẾN PHAN VŨ QUANG DUY

HỒ VĂN NGUYÊN NGUYỄN KHÁNH NHẬT HOÀNG MINH TUẤN Nhóm HP / Lớp: 21.29B

Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

Mục lục

TÀI LIỆU THAM KHẢO 4

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 5

1 GIỚI THIỆU CHUNG: 5

A Khái niệm: 5

B Cấu tạo của động cơ điện một chiều: 5

C Phân loại động cơ điện một chiều: 5

D Nguyên lý động cơ điện một chiều: 6

2 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU: 6

A Đặc tính động cơ điện: 6

B Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: 6

C Đặc tính cơ tự nhiên: 7

D Đặc tính cơ nhân tạo: 7

3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAY ĐỔI TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU: 7

A Thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng: 7

B Thay đổi từ thông kích từ của động cơ: 8

C Thay đổi điện áp phần ứng của động cơ: 8

SỐ LIỆU CHO TRƯỚC: 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TOÁN YÊU CẦU CỦA TẢI VÀ TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ 11

1 PHÂN TÍCH YÊU CẦU CỦA TẢI VÀ ĐỘNG CƠ: 11

1.1 Giới thiệu về hệ thống: 11

1.2 Tính toán các yêu cầu của tải dựa trên đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ: 12

1.3 Tính toán động cơ theo yêu cầu của tải: 14

2 TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ CỤ THỂ KẾT HỢP VỚI HỘP GIẢM TỐC: 18

a) Tính chọn động cơ 18

b) Chọn hộp số: 19

3 THAY CÁC THÔNG SỐ ĐƯỢC CHỌN VÀ TÍNH TOÁN LẠI PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC CỦA HỆ: 20

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 23

1 THIẾT KẾ MẠCH CHỈNH LƯU CẦU 1 PHA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN LÀM NGUỒN VI ĐIỀU KHIỂN VÀ NGUỒN CHO BỘ BIẾN ĐỔI: 23

1.1 Máy biến áp: 23

1.2 Các thông số yêu cầu: 23

1.3 Tính chọn van diode: 23

2 THIẾT KẾ MẠCH CẦU H ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU: 24

2.1 Thiết kế mạch cầu H điều khiển tốc độ động cơ một chiều: 24

3 THIẾT KẾ BỘ LỌC: 25

4 THIẾT KẾ BẢO VỆ: 26

Các dạng bảo vệ: 26

Chọn Relay nhiệt MT-32 (5-8A) - Rơ le nhiệt LS 3P 5-8A: 28

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG,ĐÁNH GIÁ TRÊN PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK 29

1 SƠ DỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN: 29

2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG TỐC ĐỘ QUAY: 29

3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MOMEN TẢI: 29

4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG DÒNG ĐIỆN PHẦN ỨNG: 30

5 KẾT LUẬN CHUNG MÔ PHỎNG: 30

CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN 31

1 ĐÁNH GIÁ: 31

2 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG: 31

2.1 Ưu điểm: 31

2.2 Nhược điểm: 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Đường tra link động cơ :

[1] Slide bài giảng Điện tử công suất, PGS TS Lê Tiến Dũng, ĐHBK Đà Nẵng.

[2] Cơ sở truyền động điện, PGS TS Lê Tiến Dũng, ĐHBK Đà Nẵng

[3] Điện tử công suất: lý thuyết, thiết kế, ứng dụng, Khương Công Minh

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1 GIỚI THIỆU CHUNG:

A Khái niệm:

Động cơ điện một chiều là loại máy điện một chiều biến điện năng dòng một chiều thành cơ năng Khi máy điện một chiều làm việc ở chế độ động cơ thì công suất đầu vào là công suất điện cơ, công suất đầu ra là công suất cơ

Hình 0.1: Hình ảnh động cơ điện một chiều

B Cấu tạo của động cơ điện một chiều:

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai thành phần chính gồm: phần tĩnh và phần động

Hình 0.2: Cấu tạo động cơ điện một chiều

1- Thép, 2- Cực chính với cuộn kích từ, 3- Cực phụ với cuộn dây, 4- Hộp ổ bi, 5- Lõi thép, 6- Cuộn phần

ứng, 7- Thiết bị chổi, 8 Cỗ góp, 9- Trục, 10- Nắp hộp đấu dây

C Phân loại động cơ điện một chiều:

Động cơ điện một chiều được phân loại theo kích từ thành những loại sau:

• Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồnriêng lẻ

• Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song song với phầnứng

• Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp với phần ứng

• Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có hai cuộn dây kích từ, một cuộn mắc songsong với phần ứng, một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng

D Nguyên lý động cơ điện một chiều:

Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên tác dụng của từ trường lên khung dây dẫn có dòngđiện chạy qua đặt trong từ trường Khi hoạt động động cơ điện một chiều biến điện năng của dòng điệnmột chiều thành cơ năng

2 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU:

A Đặc tính động cơ điện:

Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động cơ: M = f(ω)

B Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: nguồn một chiều cấp cho phần ứng và cấp cho kích từđộc lập nhau

Hình 0.3: Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Phương trình cân bằng điện áp:

Hình 0.4: Hình ảnh đặc tính cơ

(0-1)(0-2)

(0-3)(0-4)

(0-5)

B Đặc tính cơ nhân tạo:

Đặc tính cơ nhân tạo là đặc tính cơ có một trong các tham số khác định mức hoặc có điện trở phụ trongmạch phần ứng động cơ Mỗi động cơ có thể có nhiều đặc tính cơ nhân tạo

Phương trình đặc tính cơ:

ω=U ư

Kϕ−R ư +R f ( Kϕ)2 ⋅ M

3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAY ĐỔI TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU:

A Thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng:

Từ phương trình đặc tính cơ:

ω= U ư

Kϕ−R ư +R f ( Kϕ)2 ⋅ M

Ta thấy rằng khi thay đổi R f thì ω0=const còn Δ𝜔 thay đổi, vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh có cùng 𝜔𝑜 và dốc dần khi R f càng lớn, với tải như nhau thì tốc độ càng thấp.

Hình 0.5: Đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ

Tốc độ không tải lý tưởng không đổi

1 Chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía giảm

2 Khi R f tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng mềm độ ổn định tốc độ càng kém, sai sốtốc độ càng lớn

3 Tổn hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở phụ

Nếu ta tăng Rf đến một giá trị nào đó thì sẽ làm M ≤ Mc như thế động cơ sẽ không quay được và động

(0-6)

(0-7)

(0-8)

(0-9)

cơ làm việc ở chế độ ngắn mạch (𝜔 = 0) Từ lúc này, ta có thể thay đổi Rf thì tốc độ vẫn bằng 0, nghĩa làkhông điều chỉnh tốc độ động cơ được nữa Do đó phương pháp điều chỉnh này là phương pháp điều chỉnhkhông triệt để.

Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cần trục, thang máy, máy nâng,

máy xúc

Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp thì giá trị điện trở đóng vào càng lớn, đặc tính cơ càng

mềm, độ cứng giảm dẫn đến sự ổn định tốc độ khi phụ tải thay đổi kém Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn,tốc độ càng thấp thì tổn hao phụ càng cao

Phương pháp thay đổi Rf chỉ phù hợp khi khởi động động cơ

B Thay đổi từ thông kích từ của động cơ:

Từ phương trình đặc tính cơ:

ω=U ư

Kϕ−R ư +R f ( Kϕ)2 ⋅ M

Ta thấy rằng khi thay đổi ϕ thì ω0 và Δ ω đều thay đổi, vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnhdốc dần và cao hơn đặc tính cơ tự nhiên khi ϕ càng nhỏ, với tải như nhau thì tốc độ càng cao khi giảm từthông ϕ

Hình 0.6: Đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

Giảm từ thông thì tốc độ thay đổi tỉ lệ nghịch, từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng càngtăng, tốc độ động cơ càng lớn

1 Dòng điện ngắn mạch không đổi

2 Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông

Nếu giảm ϕ quá nhỏ thì có thể làm cho tốc độ động cơ lớn quá giới hạn cho phép, hoặc làm cho điều

kiện chuyển mạch bị xấu đi do dòng phần ứng tăng cao Như vậy, để đảm bảo chuyển mạch bình thường thìcần phải giảm dòng phần ứng momen trên trục động cơ giảm nhanh động cơ bị quá tải

Ưu điểm: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều chỉnh vô cấp và cho

tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản Phương pháp nảy thường được dùng cho các máy như: máy mài vạn năng, máybào giường,… Việc điều chỉnh được thực hiện trên mạch kích từ nên tổn thất năng lượng ít, thiết bị đơn giảnnên giá thành thấp

Nhược điểm: Do điều chỉnh sâu nên β giảm, sai số tĩnh lớn, kém ổn định với tốc độ cao Nghĩa là điềuchỉnh càng sâu thì Δ ω càng lớn Nên đặc tính càng dốc momen nhỏ đến khi nhỏ hơn momen phụ tải thì động

cơ không chạy được

C Thay đổi điện áp phần ứng của động cơ:

Từ phương trình đặc tính cơ:

(0-10)

(0-11)

ω= U ư

Kϕ−R ư +R f ( Kϕ)2 ⋅ M

Ta thấy rằng khi thay đổi U ư thì ω0 thay đổi còn Δω =const, vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều

chỉnh song song với nhau Nhưng muốn thay đổi U ư thì phải có bộ nguồn một chiều thay đổi được điện áp

ra, thường dùng các bộ biến đổi

Hình 0.7: Đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điên áp phần ứng

Tốc độ động cơ tăng/giảm theo chiều tăng/giảm của điện áp phần ứng

1 Thay đổi được cả tốc độ không tải lý tưởng ω0, và dòng điện ngắn mạch.

2 Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ về phía

giảm vì chỉ có thể thay đổi với U ư ≤ U đm.

Ưu điểm: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng động cơ sẽ giữ nguyên

độ cứng đường đặc tính nên được dùng nhiều trong các máy cắt gọt kim loại Đảm bảo tính kinh tế, tổn haonăng lượng thấp, phạm vi điều chỉnh rộng Nếu kết hợp với phương pháp điều chỉnh từ thông thì ta có thểđiều chỉnh tốc độ lớn hơn và nhỏ hơn tốc độ định mức

Nhược điểm: Phương pháp này cần một bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp.

SỐ LIỆU CHO TRƯỚC:

1 Hệ truyền động điện – Tải:

2 Các số liệu ban đầu:

- Nguồn xoay chiều 3 pha 220/380V

- Tải của hệ thống truyền động được cho như hình vẽ:

Trong đó:

Bán kính puly: r = 0,13 (m);

Khối lượng của tải: M = 2,5 (kg)

Mô men quán tính của motor: JM = (kg.m2)

3 Đồ thị tốc độ mong muốn của tải:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TOÁN YÊU CẦU CỦA TẢI VÀ

TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ

ĐỘC LẬP

1 PHÂN TÍCH YÊU CẦU CỦA TẢI VÀ ĐỘNG CƠ:

1.1 Giới thiệu về hệ thống:

Thiết kế hệ thống truyền động điện cho động cơ 1 chiều kích từ độc lâp có các thông số kỹ thuật sau:

- Nguồn điện xoay chiều 3 pha 220/380V

- Tải của hệ thống truyền động điện được cho như sơ đồ:

R = 0,13m ; M = 2,5kg

Sơ đồ công nghệ

Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ

 Sơ đồ tổng quan hệ thống :

Hình 1.2: Hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập với Bộ biến đổi

là bộ chỉnh lưu có điều khiển

Hình 1.3: Sơ đồ tổng quát

 Lựa chọn phương án truyền động:

Để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập, có 3 phương pháp:

 Điều khiển điện áp phần ứng

 Điều khiển từ thông kích từ

 Điều chỉnh điện trở phụ nối vào mạch phần ứng

Trong các hệ truyền động chất lượng cao hầu như không sử dụng phương pháp điều chỉnh điện trở phụnối vào mạch phần ứng do tổn hao công suất, mà thực tế sử dụng 3 phương pháp:

 Điều khiển điện áp phần ứng

 Điều khiển từ thông kích từ

 Điều chỉnh điện trở phụ nối vào mạch phần ứng và từ thông kích từ

Với đặc điểm của hệ yêu cầu đáp ứng nhanh (τpp đkđapư ≤ [1/(10÷100)] τpp đkttkt ) và điều chỉnh tốc độ động cơdưới tốc độ định mức, phương án điều khiển điện áp phần ứng được nhóm lựa chọn

1.2 Tính toán các yêu cầu của tải dựa trên đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ:

- Sử dụng động cơ 1 chiều kích từ độc lập điều khiển tốc độ của tải theo yêu cầu như hình 2 và hình 3 ởtrên

- Nguồn điện sử dụng: 220V/380V

- Hệ thống hoạt động ổn định

- Sai số nằm trong khoảng cho phép

- Điều khiển động cơ một cách dễ dàng

- Đồ thị tốc độ mong muốn của phụ tải (đề cho):

 Giai đoạn 2: Momen giảm từ 1,6 (N.m) về 0 và động cơ giữ nguyên tốc độ ω = 38,46 (rad/s)trong vòng 2 giây.

 Giai đoạn 3: Momen giảm từ 0 xuống -3,2 (N.m) và động cơ giảm vận tốc từ ω = 38,46 (rad/s)

về ω = 0 (rad/s) trong vòng 0.5 giây

 Giai đoạn 4: Momen giữ nguyên -3,2 (N.m), động cơ đảo chiều và giảm từ ω = 0 (rad/s) xuống

ω = - 38,46 (rad/s) trong 0.5 giây

 Giai đoạn 5: Momen tăng từ -3,2 (N.m) về 0 và động cơ giữ nguyên ω = -38,46 (rad/s) trong 2giây

 Giai đoạn 6: Momen tăng từ 0 đến 1,6 (N.m) và động cơ tăng vận tốc từ ω = -38,46 (rad/s) về ω = 0 (rad/s) trong vòng 1 giây

Ta có công thức tính công suất đẳng trị (định mức) của động cơ như sau:

2 TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ CỤ THỂ KẾT HỢP VỚI HỘP GIẢM TỐC:

Từ các kết quả trên ta có được bảng sau :

Dựa vào Tđm và Pđm ta vừa tìm được ở trên, chọn động cơ Bonfiglioli, model BC140-180-1500-220

có các thông số như sau:

Ta thấy Moment đẳng trị của động cơ mà bài toán yêu cầu là n¿= 367,293 (Vòng/phút) Trong khi đó

momen định mức của động cơ là n đ m = 1500 (Vòng/phút) Do đó ta chọn bộ hộp số (Gearbox) giảm tốc với

3 THAY CÁC THÔNG SỐ ĐƯỢC CHỌN VÀ TÍNH TOÁN LẠI PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC CỦA HỆ:

Theo phương trình động lực học của truyền động điện, ta có:

Hình 1.10: Đồ thị moment mong muốn của động cơ

 Công thức tính công suất của động cơ như sau:

Hình 1.11: Đồ thị công suất mong muốn của động cơ

Ta có công thức tính công suất đẳng trị (định mức) của động cơ như sau:

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT

1 THIẾT KẾ MẠCH CHỈNH LƯU CẦU 1 PHA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN LÀM NGUỒN

VI ĐIỀU KHIỂN VÀ NGUỒN CHO BỘ BIẾN ĐỔI:

• Thông số điện vào sơ cấp (Uin ): 220 VAC

• Thông số điện ra thứ cấp (Uout ): 180 VAC

1.2 Các thông số yêu cầu:

Thiết kế chế tạo mạch chỉnh lưu cầu một pha có điện áp trung bình đầu ra một chiều

U d =180V , I d=1,8 A

1.3 Tính chọn van diode:

Hai thông số cần quan tâm nhất khi chọn van bán dẫn cho chỉnh lưu là điện áp và dòng điện, các thông

số còn lại là những thông số tham khảo khi lựa chọn

Khi đã đáp ứng được hai thông số cơ bản trên, các thông số còn lại có thể tham khảo theo gợi ý sau:

- Loại van nào có sụt áp dư nhỏ hơn sẽ có tổn hao nhiệt ít hơn

- Dòng điện rò của loại van nào nhỏ hơn thì chất lượng tốt hơn

- Nhiệt độ cho phép của loại van nào cao hơn thì khả năng chịu nhiệt tốt hơn

- Điện áp và dòng điện điều khiển của loại van nào nhỏ hơn, công suất điều khiển thấp hơn

- Loại van nào có thời gian chuyển mạch bé hơn sẽ nhạy hơn Tuy nhiên, trong đa số các van bán dẫn, thời gian chuyển mạch thường tỷ lệ nghịch với tổn hao công suất

Các van động lực được lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản là: Dòng tải, sơ đồ chọn, điều khiện toả nhiệt, điện áp làm việc Các thông số cơ bản của van động lực được tính như sau:

Điện áp ngược lên van:

U d: Điện áp trung bình chỉnh lưu

U 2 : Điện áp nguồn xoay chiều

Dòng điện làm việc của van:

I h dv =K h dv I dm

I dm =I d=P đ m

U đ m=22 0

180=1,2[ A ]

I h dv: Dòng điện hiệu dụng qua van

K h dv : Hệ số hiệu dụng ứng với sơ đồ cầu 1 pha (K h dv =0 ,5)

Dòng điện hiệu dụng của van cần chọn là : I hdv =K dti I hdv

K dti =1,1÷ 1, 4 : Là hệ số dự trữ dòng điện chọn K dti =1,3

I h dv =K dti I h dv =1, 4 ×0 ,6=0 ,84( A )

Dựa vào 2 thông số I hdv và U ng

 Ta chọn van diode 1N4007

Có số liệu sau :

Điện áp ngược van: U ngmax =1000[V ]

Dòng điện làm việc cực đại: I hdmax =1[ A ]

2 THIẾT KẾ MẠCH CẦU H ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU:

2.1 Thiết kế mạch cầu H điều khiển tốc độ động cơ một chiều:

2.1.1 Các thông số yêu cầu:

Thiết kế mạch cầu H điều khiển động cơ có Udm = 180V , dòng điện khi có tải dao động trong khoảng

1,8A đến 2A

2.1.2 Tính toán các thông số của mạch điện:

Tính chọn công suất

Idm = 1,8A ,Udm =180V

Khi động cơ hoạt động với điện áp lớn hơn điện áp định mức nên chọn hệ số dự trữ là 2,4

Điện áp lớn nhất đặt vào 2 chân D và S là: UDSS = 2,4Udm = 432V

Dòng điện lớn nhất mà mosfet có thể chịu được: ID = 2,4Idm =4,32A

Nhóm sử dụng mạch cầu H bằng các MOSFET (2SK1011) để thiết kế mạch động lực nhằm cấp nguồn

và điểu khiển đảo chiều động cơ

Từ các tính toán trên ta chọn MOSFET 2SK1011

Thông số kỹ thuật Mosfet kênh N 2SK1011:

(2-4)(2-5)

(2-6)