Đồ án môn học truyền Động Điện thiết kế hệ truyền Động Điện Động cơ một chiều kích từ Độc lập hệ t Đ

Em đã được giao cho làm đồ án môn học với nội dung đề tài “Thiết kế hệ truyền động điện động cơ một chiều: Hệ T-Д Sau một thời gian liên tục được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướ

ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

DA HOC DIEN LUC

ELECTRIC POWER UNIVERSITY

ĐỒ ÁN MON HOC TRUYEN DONG DIEN

Thiết kế hệ truyền động điện

động cơ một chiều kích từ độc lập: Hệ T-Ð

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Khoát

Sinh viên thực hiện: Lê Viết Trung

LOI NOI DAU

Trong công cuộc xây dựng và phát triển đất nước ta đang bước vào thời kỳ công nghiệp hoá - hiện đại hoá với những thành tựu đã đạt được cũng như những khó khăn thách thức đang đặt ra Điều này đặt ra cho thể hệ trẻ nói chung và những kỹ sư nghành tự động hoá nói riêng nhiệm vụ hết sức quan trọng Đất nước đang cần một đội ngũ lao động có trí thức cũng như lòng nhiệt huyết đề phục vụ và phát triển đất nước

Sự phát triển nhanh chóng của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật nói chung và trong lĩnh vực điện - điện tử nói riêng làm cho bộ mặt của xã hội thay đôi từng ngày Trong hoàn cảnh đó, để đáp ứng được những điều kiện thực tiễn của sản xuất đòi hỏi những người kĩ sư điện tương lai phải được trang bị những kiến thức chuyên nghành một cách sâu rộng

Em đã được giao cho làm đồ án môn học với nội dung đề tài “Thiết kế hệ truyền động điện động cơ một chiều: Hệ T-Д

Sau một thời gian liên tục được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn

và các thầy cô trong bộ môn, sự đoàn kết giúp đỡ của các bạn trong lớp Đến nay bản thiết kế của em đã hoàn thành

Qua đồ án này em gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong bộ môn đã tận tỉnh hướng dẫn đề em hoàn thành bản thiết kế này Đồng thời em gửi lời cảm ơn SâU sắc tới thầy giáo TS.Nguyễn Ngọc Khoát, người đã trực tiếp ra đề tài và hướng dẫn em trong suốt thời gian qua

Mặc dù được sự chỉ đạo sát sao của thầy giáo hướng dẫn hết sức nỗ lực cố găng Song vì kiến thức còn hạn chế,điều kiện tiếp xúc thực tế chưa nhiều Nên bản thiết kế không tránh khỏi những thiếu sót nhất định Em mong tiép tục được sự chỉ bảo của các quý thầy cô, sự góp ý chân thành của các bạn

Em xin chân thành cảm ơn Ì

Hà Nội, tháng 04, năm 2021 Sinh viên thực hiện

Lê Viết Trung

1:4 Phương trình đặc tÍnh cơ - -csc + Sc + Si nrggyrưện 4

1.5 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ - . 5-5 <+sc+s+s<+s=ss2 5

1.5.1 Phương pháp thay đổi điện trở phụ -5-2=2=+s<e++szs=z=z==s+s 6 1.5.2 Phương pháp thay đối từ thông . 5-2 2s =+s+s+e+exzszsezezzesxs 7 1.5.3 Phương pháp thay đôi điện áp phần ứng - -5-s<+<5=<=<<=+ 8 1.6 Ket Wan 9 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA HỆ, T-Ð 52 2S cc+escsrsrrererreree 10 2.1 Giới thiệu chung về hệ T-Ð -¿- ¿5c 3 2 Sv tt SEexExExrkrkrrrkerrrrvee 10 2.2 Mô hình hóa bộ chỉnh lưu (Tia 2 pha) . - 5: +55 s+s+<+essszxssesssz 11

2.3 Mô hình hóa động cơ một chiều kích từ độc lập s<+s<<s2 12

2.3.1 Mô hình toán ở chế độ quá độ của động cơ một chiều kích từ độc lập 2.3.2 Trường hợp động cơ kích từ độc lập có từ thông không đồi 15 CHƯƠNG 3 TONG HOP HE THONG DIEU CHINH TU DONG HE I)0À406)9) 01651 (d|ẰH||ÄH,) 17

3.1 Sơ đỗ khối cầu trúc hai mạch vòng hệ truyền động T-Ð 17 3.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện ¿- +: +55 £+s+S+ztzvzezeserersssss 18 3.3 Tổng hợp mạch VÒng tốc độ 2-2-2 s + ++ezszezezeerzsreezeeerxrs 19 3.4 Tính toán các thông số của hệ thống 5-2-2 5- +s+s++<+<zz£zezszeezersrs 21

0:0019)I°07.0)/090.0À 07 ‹-:AI 23 4.1 Giới thiệu về phần mềm MATLAB +72 +2 +s++s+e£zezeeeeeeesreescee 23

4.1.1 Giới thiệu ChUn - xi 23

1 .ÔÒÔỎ 24 4.1.3 Một số thao tác cơ bản trong Matlab - +-+-zs<e<zs=s<zszs+s 25

TT cố nh 6 6® .H,HẪÄẬẴẬH),)à 26

4.2.1 Chế độ không tải Mc = 0, không có các mạch vòng điều chỉnh 26 SVTH: Lê Viết Trung - 178141003

4.22 Chế độ có tải Mc, không có các mạch vòng điều chỉnh 27

4.2.3 Chế độ không tải Mc = 0, có các mạch vòng điều chỉnh 28

4.2.4 Chế độ có tải Mc, có các mạch vòng điều chỉnh - 29

1N an ẽe 30

4.3 Kết quả mÔ phỏng ¿SE 33k RE SH Hư Hy Hy ngư rvết 31 IF.18)90 015/10 )080.4 0n ÔỎ 37 DANH MỤC HÌNH VẾẼ Hình 1.1: Kích thước dọc, ngang máy điện một chiêu - -2-5- -s <<: 1 Hình 1.2: Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập - -= - 4

Hình 1.3: Đặc tính điều chỉnh động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ phần 0 6

Hình 1.4: Đặc tính điều chỉnh động cơ băng cách thay đôi từ thông 8

Hình 1.5: Đặc tính điều chỉnh động cơ bằng cách thay đổi áp phần ứng 8

Hình 2.1: a) Sơ đỗ thay thế hệ T - Ð không đảo chiều . - 7-5-5: 11 b) Đặc tính điều chỉnh tốc độ hệ T — Ð - ¿2 5-s 2c s++zzsezezezxeersrsescee 11 Hình 2.2: Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu có điều khiến . 5- 5-5-5552 11 Hình 2.3: Mạch điện thay thế của động cơ một ChiỀU - sàn vs reecrerex 13 Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều . - 5-5 55s <+x+zzx£zezs£zsss2 14 Hình 2.5: Sơ đồ cầu trúc mô tả động cơ điện một chiều kích từ độc lập 15

Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập có từ thông không TP 16 0c 021 .Ỉ.A , 17

Hình 3.2: Sơ đồ câu trúc mạch vòng dòng điện -. -s=<=+s=s=s2 18 Hình 3.3: Sơ đồ thu gọn mạch vòng dòng điện - Sexy 18 Hình 3.4: Sơ đồ thu gon mach vong mai 19

Hình 4 1: Giao diện Matlab - -.- cĂ c n3 ng nh rên 24 DI F 200 00 6ï TH, 26

DI F c0 00 00520105 6 HH, 27

Hình 4 4: Sơ đồ mô phỏng TH3 2-7-2 S252 +22 S2 +EzE£zEzEeveeererrrrrrsrsree 28 Hình 4 5: Sơ đồ mô phỏng, THH4 2-2552 +S2*+E+E+EzE£zEzEeveeererzrzrrsreree 29 Hình 4 6: Sơ đồ mô phỏng THB 2-2572 S252 *22Se+EzE£zezxeeeeererrrrrrsreree 30 Hình 4 7: Đáp ứng tốc độ chế độ không tải Mc = 0, không có các mạch vòng 10001 PP - HH 31

3

Hình 4 8: Đáp ứng momen chế độ không tải Me = 0, không có các mạch vòng

h9 0 31

Hình 4 9: Đáp ứng tốc độ phỏng chế độ CÓ tải Mc, chưa có các mạch vòng điều 0n 32 Hình 4 10: Đáp ứng momen chế độ có tải Mc, không có các mạch vòng điều 0n 32 Hình 4 11: Đáp ứng tốc độ phỏng chế độ không tải Me = 0, có các mạch vòng š19) 89 0 33

Hình 4 12: Dòng điện phần ứng và đáp ứng momen - -s-s =2 33 Hình 4 13: Đáp ứng tốc độ phỏng chế độ có tải Mc, có các mạch vòng điều

0n 34

Hình 4 14: Dòng điện phần ứng và đáp ứng momen - -s-s =2 34 Hình 4 15: Đáp ứng tốc độ trường hợp tải Mc thay đôi . -5- 35 Hình 4 16: Đáp ứng momen và dòng điện phần ứng -5-2=5=2=+s 35

4

SVTH: Lê Viết Trung - 178141003

Đồ án Truyền động điện GVHD: TS Nguyễn Ngọc Khoá CHUONG 1 TIM HIEU VE CÔNG NGHỆ

1.1 Giới thiệu chung

Động cơ điện một chiều là loại máy điện biến điện năng dòng một chiều thành

co nang

Ở động cơ một chiều từ trường là từ trường không đổi Để tạo ra từ trường không đôi người ta dùng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện được cung cấp dòng điện một chiều

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

máy một chiều thường là 120V, 240V, 400V, 500V và lớn nhất là 1000V Không thể

tăng điện áp lên nữa vì điện áp giới hạn của các phiến góp là 35V

1.2 Cấu tạo và phân loại

Đồ án Truyền động điện GVHD: TS Nguyễn Ngọc Khoá

9 Trục

10 Nắp hộp đấu dây

- Phần tĩnh hay stato hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra trường nó gồm có:

Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ (nêu động cơ được kích

từ bằng nam châm điện), mạch từ được làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc) Dây quần kích thích hay còn gọi là dây quần kích từ được làm bang dây điện từ, các cuộn dây điện tử nay được mắc nối tiếp với nhau

Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bảng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến Imm ép lại và tán chặt

Trong động cơ điện nhỏ có thê dùng thép khối Cực từ được gắn chặt vào

vỏ máy nhờ các bulông Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện ky thành một khối, tâm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích tử được đặt trên các cực từ nảy được nỗi tiếp với nhau

Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính Lõi thép của cực

từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quan mà cấu tạo giỗng như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông

Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm

vỏ máy Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trong máy điện lớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

Các bộ phận khác:

“_ Nắp máy: Đề bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang

“_ Cơ cấu chôi than: Đề đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chối than bao gồm có chỗi than đặt trong hộp chỗi than nhờ một lò xo tỉ chặt lên cô góp Hộp chỗi than được cô định trên giá chôi than và cách điện với giá Giá chôi than có thể quay được đề điều chỉnh vị trí chối than cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cô định lại

- Phan quay hay réto: Bao gồm những bộ phận chính sau

Phần sinh ra sức điện động gồm CÓ:

= Mach tir duoc lam bang vat liệu sắt từ (lá thép kĩ thuật) xếp lại với nhau

Trên mạch từ có các rãnh đẻ lồng dây quần phần ứng

= Cu6n day phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một qui luật nhất định Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nỗi với các phiến đồng gọi là phiến góp, các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện với trục gọi là cỗ góp hay vành gop

SVTH: Lê Viết Trung - 178141003

Đồ án Truyền động điện GVHD: TS Nguyễn Ngọc Khoá

= Ty trén cé gop la cặp trôi than làm bằng than graphit và được ghép sát vào thành cô góp nhờ lò xo

1.2.2 Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ một chiều

-_ Phân loại động cơ điện một chiều

Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều nguol

ta phan loại theo cách kích thích tử các động cơ Theo đó ta có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng:

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được

cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ

Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng

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

Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ,

một cuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng

- Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều

Do tính ưu việt của hệ thông điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tal , ca máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dé vận hành mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phô biến Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiến tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ) Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cô góp phức tạp hơn Nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thê thiếu trong nền sản xuất hiện đại

Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải Nếu như bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chỉ phí các thiết bị biến đôi đi kèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mả câu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao

Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cô góp - chỗi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường rung chắn, dễ cháy nô

1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều kích từ độc lập

khi nguồn điện một chiều cÓ công suất không đủ lớn thì mắc độc lập mạch điện phần ứng và mạch kích từ vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập

Đồ án Truyền động điện GVHD: TS Nguyễn Ngọc Khoá

Lee R

bg ` ——>- | - Hình 1.2: Sơ đồ nối đây của động cơ kích từ độc lập

Ở đây ta dùng động cơ một chiều nam châm kích từ độc lập nên có từ thông ® không đổi nên không cần quan tâm đến vấn đẻ kích từ Nếu momen do động cơ điện sinh ra lớn hơn momen cản, roto bắt đầu quay và suất điện động Eu sẽ tăng lên tỉ lệ với tốc độ quay n Do sự xuất hiện và tăng lên của E„, dòng điện lự sẽ giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm hơn Tăng dan Iy bang cách tăng Uy hoặc giảm điện trở mạch điện

phần ứng cho tới khi máy đạt tốc độ định mức Trong quá trình tăng l; cần chú ý không

để lớn quá so với lạ, để không xảy ra cháy động cơ

Tà: Điện trở dây phần ứng (O)

Tot: Dién tré cye ter phy (Q

Top! Điện trở cuộn bù (©)

ly: Điện trở tiếp XÚC của chỗi điện (O)

Suất điện động E của phần ứng của động cơ được Xác định theo biểu thức:

SVTH: Lê Viết Trung - 178141003

Đồ án Truyền động điện GVHD: TS Nguyễn Ngọc Khoá

N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

a: Số mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng x! Tốc độ góc (rad/s)

®: Từ thông kích từ chính một cu ter (Wb)

Đặt K = a : Hệ số kết cấu của động cơ

Nếu biểu diễn suất điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì E=4,n và

1.5 Cac phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ

Phân tích phương trình đặc tính cơ (1.8) ta thay rang dé thay đôi tốc độ động

cơ, có thê dùng một số biện pháp sau:

Đồ án Truyền động điện GVHD: TS Nguyễn Ngọc Khoá

+ Thay déi điện áp đặt vào mạch phần ứng động cơ Ua

+_ Thay đôi từ thông động cơ ©

+ Thay đổi điện trở mạch phần ứng động cơ R„, ví dụ bằng cách nối tiếp với phần ứng các điện trở phụ ngoài

1.5.1 Phương pháp thay đỗi điện trở phụ

- Nguyên lý điều khiển

Trong phương pháp nay nguoi ta giữ U= Uạm, ® = ®ạm và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng Độ cứng của đường đặc tính cơ:

Đặc điểm của phương pháp:

+_ Điện trở mạch phần ứng cảng tăng thi độ dốc đặc tính cảng lớn, đặc tính

co cang mềm, độ ôn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn + Phuong pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức (chỉ cho phép thay đôi tốc độ về phía giảm)

SVTH: Lê Viết Trung - 178141003

Đồ án Truyền động điện GVHD: TS Nguyễn Ngọc Khoá

+ Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tôn hao năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục

+ Đánh giá các chỉ tiêu: Phương pháp này không thể điều khiến liên tục

được mà phải điều khiển nhảy cấp Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số

mômen tải, tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh b= cang nho Phuong

pháp này có thẻ điều chỉnh trong dải D = 3 : 1

+ Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tôn hao trên điện trở

phụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản

1.5.2 Phương pháp thay đổi từ thông

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh momen điện từ của động cơ M = K.®.1¿ và suất điện động quay của động cơ Eu„ = K.®.o

Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến nên hệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ phí

Tụ: điện trở dây quân kíchthích

tb! điện trở của nguồn điện áp kích thích

Xx! số vòng dây quần kích thích

Trong ché độ xác lập ta có quan hệ:

k K+, k k

Đồ án Truyền động điện GVHD: TS Nguyễn Ngọc Khoá

Khi giảm từ thông đề tăng tốc độ động cơ thì độ cứng giảm

1.5.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

Giả thiết từ thông ® = ®am = const, từ phương trình đặc tính cơ tổng quát:

SVTH: Lê Viết Trung - 178141003

Đồ án Truyền động điện GVHD: TS Nguyễn Ngọc Khoá

Ta thấy răng, khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì momen ngắn mạch, dòng điện ngăn mạch giảm và tốc độ động cơ cũng giảm với một phụ tải nhất định nhưng độ cứng không đổi Do đó phương pháp này được dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ và

hạn chế dòng điện khi khởi động

1.6 Kết luận

Qua những phân tích cụ thể 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ trên ta thấy mỗi phương pháp điều chỉnh đều có những ưu nhược điểm riêng phù hợp với từng yêu cầu công nghệ

Trong hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển - động cơ một chiều (hay hệ T-Đ), bộ biến đổi điện là các mạch chỉnh lưu điều khiển có điện áp ra tải Ua phụ thuộc

vào giá trị của góc điều khiến Chỉnh lưu có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng điện kích thích động cơ, tuỳ theo yêu cầu cụ thể của truyền động

mà có thê dùng các sơ đồ chỉnh lưu thích hợp

Can cứ công nghệ của đề tài ta thấy phương pháp thay đổi tốc độ bằng cách điều chỉnh điện áp mạch phần ứng động cơ có nhiều ưu điểm như:

+ Phạm vỉ điều chỉnh tốc độ rộng

+ Điều chỉnh trơn Và điều chỉnh vÔ cấp

+ Sai lệch tĩnh nhỏ, B=const trong toàn dải điều chỉnh