Đồ Án Đề tài tính toán hệ chuyển Động một chiều

Giới thiệu chung về động cơ 1 chiều Tùy theo cách kích từ của cực từ chính, ta phân loại động cơ như sau: 1 Động cơ một chiều kích từ độc lập: mạch phần ứng không liên hệ trực tiếp về

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

HỌC PHẦN ĐỒ ÁN II

SINH VIÊN THỰC HIỆN:

1 Nguyễn Hoàng Hiệp (Mã sinh viên: 21A170100081)

2 Nguyễn Văn Hiếu (Mã sinh viên: 21A170100088)

3 Phan ThanhHoàng (Mã sinh viên: 21A170100110)

4 Lê Quang Hậu (Mã sinh viên:21A170100080)

5 Hoàng Đăng Hiếu (Mã sinh viên:21A170100086)

6 Trần Văn Hải (Mã sinh viên: 21A 170100077)

Giảng Viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Thị Liên Anh

MỤC LỤC

Chương 1 Cấu tạo và đặc tính động cơ một chiều 5

1.1 Giới thiệu chung về động cơ 1 chiều 5

1.2 Cấu tạo của động cơ một chiều 5

1.2.1 Phần Tĩnh 6

1.1.2.Phần quay 7

1.3 Đặc tính của động cơ một chiều 8

1.4 Các nguyên lý điều khiển động cơ một chiều 10

1.4.1 Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông 10

1.4.2 Phương pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp phần ứng: .11

Chương 2 Tính toán mạch lực và điều khiển 12

2.1 Sơ đồ hệ thống truyền động điện tiristo-động cơ điện một chiều .12 2.2 Tính toán mạch lực 13

2.2.1 Tính điện áp thứ cấp máy biến áp 13

2.2.2.Tính chọn tiristor 13

2.2.3 Xây dựng đặc tính cơ 14

2.3 Thiết Kế mạch điều khiển 15

2.3.1 Mạch điều khiển thyristor 15

2.3.2 Khâu Đồng Bộ 15

2.3.3 Khâu Tạo Răng Cưa: 16

2.3.4 Khâu So Sánh 17

2.3.5 Khâu tạo xung 17

2.3.6 Khâu Khuếch đại xung 18

2.4 Tính toán và lựa chọn các phần tử mạch điều khiển 19

2.4.1.Tính khâu tạo răng cưa: 19

2.4.2.Khâu đồng bộ 20

2.4.3 Lựa chọn mạch so sánh sử dụng khuếch đại sử dụng thuật toán 21

2.4.4.Khâu tạo xung 21

2.4.5.Khâu khuếch đại xung 22

2.5 Mạch bảo vệ 23

2.5.1 Giới thiệu : 23

2.5.2 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn: 23

2.5.3 Bảo vệ quá dòng điện cho van: 23

2.5.4 Bảo vệ quá điện áp cho van: 24

KẾT LUẬN 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

Lời nói đầu

Tự Động Hóa là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, hỗ trợ nhiều ngành công nghiệp

và đóng góp vào sự tiến bộ, hiện đại hóa của xã hội

Ngày nay, không riêng gì ở các nước phát triển, ngay cả ở nước ta các thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và cả trong lĩnh vực sinh hoạt Các xí nghiệp, nhà máy như: xi măng, thủy điện, giấy, đường, dệt, sợi,đóng tàu… đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu của Tự Động Hóa

Đó là những minh chứng cho sự phát triển của ngành công nghiệp này

Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đaị hoá đất nước, ngày càng có nhiều xí nghiệp mới, dây chuyền mới sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ

sư điện những kiến thức về Tự Động Hóa Đồ án Đề tài “Tính toán hệ chuyển động một chiều” giúp em có điều kiện nghiên cứu sâu hơn về chủ đề này

Chương 1 Cấu tạo và đặc tính động cơ một chiều

1.1 Giới thiệu chung về động cơ 1 chiều

Tùy theo cách kích từ của cực từ chính, ta phân loại động cơ như sau:

1) Động cơ một chiều kích từ độc lập: mạch phần ứng không liên hệ trực tiếp về mạch điện với mạch kích từ

2) Động cơ một chiều kích từ song song: mạch kích từ nối song song với mạch phần ứng

3) Động cơ một chiều kích từ nối tiếp: mạch kích từ nối tiếp với mạch phần ứng.4) Động cơ một chiều kích từ hổn hợp: vừa kích từ song vừa kích từ nối tiếp Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều: Động cơ điện một chiều thực chất là máy điện đồng bộ trong đó s.đ.đ xoay chiều được chỉnh lưu thành s.đ.đ một chiều Để chỉnh lưu s.đ.đ ta có hai đầu vòng dây được nối với hai phiến góp trên có hai chổi điện luôn tỳ sát vào chúng Khi rôto quay, do chổi điện luôn tiếp xúc với phiến góp nối với thanh dẫn Vì vậy s.đ.đ xoay chiều trong vòng dây đã được chỉnh lưu ở mạch ngoài thành s.đ.đ và dòng điện một chiều nhờ hệ thống vành góp và chổi điện Để s.đ.đ một chiều giữa các chổi điện

có trị số lớn và ít đập mạch, dây quấn rôto thường có nhiều vòng dây nối với nhiều phiến góp làm thành dây quấn phần ứng và có cổ góp điện (còn gọi là cổ góp hoặc vành đổi chiều)

1.2 Cấu tạo của động cơ một chiều

Động cơ một chiều gồm có 2 phần chính là: phần tĩnh (stator) và phần quay (rotor)

Hình 1.1 Các bộ phận của động cơ một chiều

1.2.1 Phần Tĩnh

Còn gọi là stator, gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy và các cực từ chính có dây quấn kích từ ( hình 1.2-a ), dòng điện chạy trongdây quấn kích từ sao cho các cực từ tạo ra có tính liên tiếp luân phiên nhau Cực

từ chính gắn với vỏ máy nhờ các bulông Và cực từ phụ (hình 1.2-b) gồm lõi thép cực từ phụ (1) và cuộn dây (2) ; được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều

1.1.2.Phần quay : gồm các bộ phận như hình 1.5

Hình 1.5 Cấu tạo phần quay

Lõi sắt phần ứng (hình1.6) dùng để dẫn từ Dây quấn phần ứng (hình 1.7) đặt trong các rãnh được cấp điện thông qua hệ thống chổi than và vành góp Cổ góp ( hình 1.8) hay còn gọi là vành đổi chiều đổi chiều gồm nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn được ghép thành một khối hình trụ, cách điện với nhau và cách điện với trục máy Các bộ phận khác gồm: trục máy, cánh quạt

Hình 1.6 Lõi sắt phần ứng Hình 1.7 Dây quấn phần ứng

Hình 1.8 Cổ góp

1.3 Đặc tính của động cơ một chiều

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn điện độc lập với nhau, lúc này động cơ một chiều kích từ song song được coi là động cơ một chiều kích từ độc lập Sơ

đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ độc lập như ở hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập

Theo sơ đồ trên có thể viết phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng như sau: Uư =Eư+(Rư + Rf)Iư (1-1).Trong đó: Uư- điện áp phần ứng, V

Eư- sức điện động phần ứng, VRư- điện trở của mạch phần ứng, ΩRf- điện trở phụ trong mạch phần ứng, ΩIư- dòng điện mạch phần ứng, A, AVới: Rư=rư+ rcf + rb + rct

rư - điện trở cuộn dây phần ứng rcf - điện trở cuộn cực từ phụ

rb - điện trở cuộn bùrct - điện trở tiếp xúc của chổi điệnSức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:

Eư = 2 πa pN ⋅Φω =KΦω ( 1-2)

Trong đó: p – số đôi cực từ chính

N – số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

a – số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

Mặt khác Mômen điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi:

( a) (b)

Hình 1.10 Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ động cơ kích từ độc lập

a Đặc tính cơ điện b Đặc tính cơ

1.4 Các nguyên lý điều khiển động cơ một chiều

1.4.1 Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông:

từ thông

Hình 1.11 Sơ đồ và đặc tính động cơ khi điều khiển từ thông

a)Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Φ b) Đặc tính cơ

Như vậy : Φđm > Φ1>Φ2>… thì ωđm < ω1< ω2<…, nhưng 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 , hoặc để đảm bảo chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng phần ứng và như vậy sẽ làm cho mômen cho phép trên trục động cơ giảm nhanh, dẫn đển động cơ bị quátải

Nhận xét:

- Ưu điểm : Công suất mạch điều chỉnh nhỏ, tổn thât năng lượng nhỏ

- Nhược điểm : Dải điều chỉnh không rộng Tốc độ nhỏ nhất bị chặn bởi đặc tính

tự nhiên (φ=φđm) Tốc độ lớn nhất ωmax bị giới hạn bởi độ bền cơ khí và điều kiện chuyển mạch của động cơ.Cũng có thể sản xuất những động cơ giới hạn điều chỉnh 1:5 thậm chí đến 1:8.Nhưng phải dùng những phương pháp khống

chế đặc biệt, do đó cấu tạo và công nghệ chế tạo phức tạp khiến cho giá thành của máy tăng lên.

1.4.2 Phương pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp phần ứng:

Ta thấy rằng khi thay đổi Uư thì ωo thay đổi còn Δω=const nên β không đổi,

vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau.Với một giátrị MC thì U tăng thì ω tăng tuyến tính theo Nhưng muốn thay đổi Uư thì phải có

bộ nguồn một chiều thay đổi được điện áp ra , thường dùng các bộ biến đổi.Các

bộ biến đổi có thể là bộ biến đổi dùng máy phát một chiều, bộ biến đổi từ (mạch khuyếch đại từ), bộ biến đổi điện tử bán dẫn (các bộ chỉnh lưu có điều khiển,các

bộ băm điện áp .)

Nhận xét :

- Ưu điểm : + không gây tổn hao phụ trong động cơ; dải điều chỉnh rộng D

≈10 : 1 ; độ cứng đặc tính cơ không đổi trong tồn dải điều chỉnh; dễ tự động hóa

- Nhược điểm : + phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp ra; điều khiển phức tạp hơn

Chương 2 Tính toán mạch lực và điều khiển

2.1 Sơ đồ hệ thống truyền động điện tiristo-động cơ điện một chiều

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý đầy đủ hệ truyền động T- Đ.

Mạch động lực: gồm có 3 thành phần chính: máy biến áp, bộ nguồn chỉnh lưu thyristor, bộ lọc điện áp ra

Máy biến áp:

Có nhiệm vụ : Cung cấp điện áp nguồn có độ lớn phù hợp với yêu cầu của tải Cách ly áp nguồn của bộ chỉnh lưu với lưới điện Do đó, tải có thể chạy ngắnmạch trong một thời gian ngắn Tác dụng lọc song hài bậc cao Tạo cảm kháng chuyển mạch, do đó hạn chế biến dạng gây ra trong quá trình chuyển mạch…

Bộ chỉnh lưu tiristo là bộ phận quan trọng nhất của mạch động lực, đóng vai trò biến đổi dòng điện xoay chiều thành một chiều đặt lên phần ứng của động cơ Ta có thể điều chỉnh giá trị điện áp ra qua đó điều chỉnh để dàng tốc độ

+ Điện áp ngược của tiristor cần chọn là:

U ngv =k dtu ⋅U ngmax❑= 1 , 8 ⋅ 235 ,15 = 423,27( Trong đó k dtu là hệ số dự trữ điện áp, chọn k dt = 1,8)

+ Dòng điện trung bình qua một van Tiristo :

( Trong đó k dti là hệ số dự trữ dòng điện, chọn k dti = 1,6)

Tiristo được chọn theo hai điều kiện : dòng điện và điện áp ngược Dựa vào sổ tay tra cứu chọn 6 tiristor loại 50RCS100

(V)

dU/dt (V/s)

K ϕ đm=U đm −R ư ⋅ I đm

ω đm ¿220−0 , 26 ⋅35

230 , 37 ≈0,91 (Vs/rad)+ Điện áp chỉnh lưu:

α min=10o : ω ođm = 241,76 (rad/s)

2.3 Thiết Kế mạch điều khiển

2.3.1 Mạch điều khiển thyristor

hình 2.4 Sơ đồ mạch điều khiển tiristor

2.3.2 Khâu Đồng Bộ

Hình 2.5 Tạo xung đồng bộ âm cả 2 nửa chu kỳ và chính xác điểm nguồn qua

không

Nguyên lý hoạt động : trong trạng thái bình thường khi tụ C đã kết thúc quá trình nạp hay phóng thì không có dòng qua tụ nữa , lúc đó chỉ có một dòng chảy xuyên qua cả 4 trở làm cho điện áp ở điểm x: Ux = 0,5E do ( R2 + R4 ) = ( R3 + R5

) Mặt khác điện thế cổng (+) của OA2 sẽ dương hơn điện thế cổng (-), giữ cho đầu ra OA2 ở trạng thái ổn định dương +Ubb

Khi Uv đột biến từ +Ubb xuống -Ubb sẽ làm điốt D3 khóa còn D4 vẫn dẫn , có

sơ đồ thay thế hình 2.3.2b Do D3 khóa điện thế cổng () đột biến xuống thành

-E, D4 dẫn đưa điện áp âm vào cổng (+) của OA2 làm cho nó âm hơn cổng (-) nên đầu ra OA2 lật trạng thái xuống -Ubb Xuất hiện dòng điện i1 đi qua R5- R4 -D4 -C - OA1 nạp cho tụ , dòng này sẽ giảm dần theo đọ nạp của tụ làm cho điện thế cổng (+) cũng dương dần lên theo Khi điện thế cổng (+) đạt đến trị số -E thì OA2 lật trở về trạng thái ổn định ban đầu bằng +Ubb

Khi Uv đột biến từ +Ubb xuống -Ubb sẽ có quá trình tương tự nhưng ngược lại: D4 khóa mà D3 dẫn , sơ đồ thay thế hình 2.3.2-c Do D4 khóa nên điện thế cổng (+) đột biến về không, D3 dẫn đưa điện áp dương vào cổng (-) của OA2 làm cho nó dương hơn cổng (+) nên đầu ra OA2 lật trạng thái xuống -Ubb Xuất hiện dòng điện i2 đi qua tụ theo chiều ngược lúc trước OA1- D3 – R2 – R3 – (-E), dòng này sẽ giảm làm cho điện thế cổng (-) cũng âm dần Khi điện thế cổng (-)

về không thì OA2 lật trở về trạng thái ổn định ban đầu bằng +Ubb

2.3.3 Khâu Tạo Răng Cưa:

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý và giản đồ điện áp khâu tạo điện áp răng cưa

Ở nữa chu kỳ khi điện áp Uđb < 0 ( OA1 bão hòa âm : Uđb = Ubh ), điốt Đ3 dẫn

Sử dụng đặc điểm của OA là điện thế giữa hai cửa (+) và (-) của nó bằng nhau ,

ta có điện thế điểm (-) cảu OA2 bằng không do điểm (+) nối với 0V Lúc đó theo sơ đồ mạch ta thấy:

Điện áp trên tụ điện C bằng điện áp đầu ra của OA2 : uc = urc

Điện áp trên điện trở R3 bằng điện áp đầu ra của OA1 ( bỏ qua sụt áp trên Đ3 )

Uđb = uR2

2.3.4 Khâu So Sánh

hình 2.7 Sơ đồ khâu so sánh kiểu hai cửa

Khâu này có chức năng so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa ( Dạng răng cưa hoặc hình sin) để định thời điểm phát xung điều khiển, thông thường

đó là thời điểm khi hai điện áp này bằng nhau Nói cách khác, đây là khâu xác định góc điều khiển α

Trong kiểu này hai điện áp cần so sánh được đưa tới hai cực khác nhau OA.Điện áp ra sẽ tuân theo quy luật:

Ura= K0Δu = K0¿u+ -u-)Với: K0 là hệ số khuếch đại của OA.

Tùy thuộc vào điện áp tựa và điều khiển đưa vào cửa nào mà điện áp ra xuấthiện sườn xung âm hoặc dương ở thời điểm cân bằng giá trị giữa chúng

2.3.5 Khâu tạo xung

a Khâu tạo xung chùm

Để đảm bảo Thyristor mở thông trong giai đoạn làm việc, tránh hiện tượng mất điều khiển cần có xung liên tục từ thời điểm mở Thyristor cho đến khi điện áp đổi dấu Việc phát xung điều khiển với độ rộng lớn gần như cả nửa chu kỳ có 2 nhược điểm:

Dòng điều khiển gần như dài hạn (theo lý thuyết là các dòng ngắn hạn) làm tăng tổn hao trên biến áp xung và Thyristor

Việc thiết kế xung điểu khiển như trên khá phức tạp, nhất là đối với mạch

hình 2.8 Mạch tạo xung chùm a,Sơ đồ nguyên lý; b,Đồ thị khi không dùng điốt; c,Đồ thị khi dùng Điốt

Tần số thích hợp của xung kích mở Thyristor là 10 kHz Để chuẩn hóa dạng xung cũng như tần số của xung kích mở ta chọn mạch phát xung chùm dùng vi mạch 555 kết hợp với mạch logic AND (&)

B, Mạch Trộn xung:

Hình 2.9 Sơ đồ mạch trộn xung dùng IC logic AND

Mạch trộn xung thực hiện chức năng của mạch logic AND, do vậy chỉ cầnđiện áp vào, ở đây là điện áp so sánh và tạo dao động, thích hợp với mức logic yêu cầy là có thể chọn loại IC tạo xung chùm

2.3.6 Khâu Khuếch đại xung

Hình 2.10 Sơ đồ mạch khuếch đại xung

Xung điều khiển chỉ cần có độ rộng bé cỡ 10  200 s , trong khi đó thời gian

mở thông Thyristor dài, điều này sẽ làm cho công suất tỏa nhiệt của Transitor lớn và kích thước biến áp xung lớn Để khắc phục ta sửa các xung vuông thành dạng xung

t bh

bh

u u

- Sơ đồ nối darlington 2 Transitor Tr1, Tr2 có nhiệm vụ khuyếch đại xung điều khiển nhằm đáp ứng đủ yêu cầu về công suất xung điều khiển kích mở Thyristor.

- Biến áp xung có nhiệm vụ cách ly mạch điều khiển và mạch lực về điện, đảm bảo an toàn cho các linh kiện điện tử

tán dòng điện khi Tr1, Tr2 khóa từ đó bảo vệ cuộn sơ cấp BAX.

2.4 Tính toán và lựa chọn các phần tử mạch điều khiển.

2.4.1.Tính khâu tạo răng cưa:

Chọn OA loại TL082 chứa hai OA trong một vỏ IC

Điện áp đồng pha có biên độ là Uđpmax = √2 Uđp = √2 ×10= 14,14 V Đây là trị số lớn , khi điện áp lưới biến động nó còn có thể cao hơn nữa, vì vậy dùng một bộ bảo vệ đầu vào OA bằng hai điốt đấu song song ngược nhau Chọn điện trở R1 = 15k Ω

Chọn điốt ổn áp loại BZX79 có UDz = 9,1 V để có biên độ áp răng cưa là 9,1 V

Tính điện trở R3 Chọn C = 0,22μF ta có:

R3 = 2U E ⋅T

Dz ⋅C= 12⋅ 0 ,02

2⋅9 , 1⋅0 , 22 ⋅10−6 = 59,94⋅103 ≈ 60 kΩChọn điện trở này gồm biến trở 20 kΩ mắc nối tiếp một điện trở 51kΩ

Tính điện trở R2 : ta chọn thời gian nạp tn 1 ms, điện áp bão hòa của OA là:

Im = R E

4exp(t xungđb

τ ) =100012 exp¿ ) = 1,58⋅ 10ư3A = 1,58 mAKhi nguồn điều khiển E = ± 12 V thì OA có Ubh = ± 15 V Ta có:

R2 +R4 = 2U bh +0 ,5EưU D

I m = 2⋅10 , 5+0 ,5 ⋅12ư0 , 7

1 , 58 ⋅10ư3 = 16,6 ⋅103 Ω = 16,6 kΩVậy R2 = 16,6 kΩ - 10 kΩ = 6,6 kΩ, chọn giá trị chuẩn R2 = 6,2 kΩ và giátrị tụ C tính từ trị số τ đã chọn trước:

C = R τ

4+R2 = 10ư3

16 ,2 ⋅10ư3 = 61,7⋅10ư3 F = 61,7 nF Chọn giá trị chuẩn C = 47nF

Kiểm tra lại độ rộng xung đồng bộ: