Thiết kế mạch động lực đồ án tổng hợp đệ điện cơ

Luận văn, khóa luận tốt nghiệp, báo cáo là sản phẩm kiến thức, là công trình khoa học đầu tay của sinh viên, đúc kết những kiến thức của cả quá trình nghiên cứu và học tập một chuyên đề, chuyên ngành cụ thể. Tổng hợp các đồ án, khóa luận, tiểu luận, chuyên đề và luận văn tốt nghiệp đại học về các chuyên ngành: Kinh tế, Tài Chính & Ngân Hàng, Công nghệ thông tin, Khoa học kỹ thuật, Khoa học xã hội, Y dược, Nông - Lâm - Ngữ... dành cho sinh viên tham khảo. Kho đề tài hay và mới lạ giúp sinh viên chuyên ngành định hướng và lựa chọn cho mình một đề tài phù hợp, thực hiện viết báo cáo luận văn và bảo vệ thành công đồ án của mình.

Thiết kế mạch động lực A.chọn bộ biến đổi

Với điện áp nguồn cung cấp là xoay chiều hình sin và yêu cầu đầu ra của bộ biến đổi là điện áp một chiều điều chỉnh đợc Ta có thể sử dụng sơ đồ chỉnh lu

có điều khiển hoặc một sơ đồ chỉnh lu không điều khiển kết hợp với một bộ biến đổi một chiều- một chiều Trong đề tài này ta chọn sơ đồ chỉnh lu có điều khiẻn cho gọn nhất, đơn giản nhất, còn phơng án dùng một sơ đồ chỉnh lu không điều khiển kết hợp với bộ biến đổi một chiều - một chiều không sử dụng vì nó cồng kềnh, kích thớc lớn, tốn nhiều van và giá thành lại cao

Với yêu cầu cụ thể của phụ tải đã cho thì các sơ đồ chỉnh lu sau có thể đáp ứng

đợc:

1) Sơ đồ chỉnh lu hình tia 2 pha

2) Sơ đồ chỉnh lu hình tia 3 pha

3) Sơ đồ chỉnh lu hình cầu 1 pha

4) Sơ đồ chỉnh lu hình cầu 3 pha

Ta xét một số bộ biến đổi:

*) Hình tia ba pha:

a b

t1

d 0

k k

a

k

atm atm

r

c t2 t3

r

c

r

c

E l r

Giả thiết Ld=, cho sơ đồ làm việc với một góc điều khiển bằng  và cũng giả thiết là sơ đồ đã làm việc xác lập trớc thời điểm bắt đầu xét (t=0)

*Tại 0o30o thì Do không làm việc

ud= udocos

*Tại 30o150o thì Do không làm việc

-Từ t=0/3 van T3 dẫn dòng ta có

ud= uc iT1= 0 iT2= 0 iT3= id= Id iDo= 0

uT1= uac uT2= ubc uT3= 0 -Các khoảng

Từ t=/31=/6 + 

Từ t=2

Từ t=5/33

Từ t=7/34 thì Do dẫn dòng

ud= 0 iT1= 0 iT2= 0 iT3= 0 iDo= id= Id

uT1= ua uT2= ub uT3= uc

-Từ t=1=/6+  van T1 dẫn dòng

ud= ua iT1= id= Id iT2= 0 iT3= 0 iDo=0

uT1= 0 uT2= uba uT3= uca

-Từ t=25/3 van T2 dẫn dòng

ud= ub iT1= 0 iT2= id= Id iT3= 0 iDo=0

uT1= uab uT2= 0 uT3= ucb

-Từ t=37/3 van T3 dẫn dòng

ud= uc iT1= 0 iT2= 0 iT3= id= Id iDo=0

uT1= uac uT2= 0 ubc uT3= 0

-Từ t=4 van T1 dẫn dòng Sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc

*) Hình cầu một pha bán điều khiển

CK

id

D2

T2 BA CD

K

+

ĐC -Rh

D

K

T1

K

~

CKT

1

Hình1.6-Sơ đồ nguyên lý mạch động lực của hệ thống Hoạt động của sơ đồ:

Khi t=  cho xung điều khiển mở T1 trong khoảng thời gian 1 tiristor T1

và điôt D2 cho dòng chảy qua Khi U2 bắt đầu đổi dấu D1 mở ngay, T1 tự nhiên khoá lại, dòng id=Id chuyển từ T1 sang D1 (lúc này D2 vẫn cho dòng chảy qua do sức điện động tự cảm trong Ld tạo ra)

D1 và D2 cùng cho dòng chảy qua, Ud=0

Khi t =2=+ cho xung mở T2 Dòng tải id=Id chảy qua D1 và T2 Điốt D2 bị khoá lại Khi U2 bắt đầu đổi dấu D2 mở ngay, T2 tự nhiên khoá lại, dòng id=Id

chuyển từ T2 sang D2 (lúc này D1 vẫn cho dòng chảy qua do sức điện động tự cảm trong Ld tạo ra)

Khi t =3=2+ cho xung mở T1 quá trình hoạt động của các van tơng tự nh chu kỳ trớc đó

Hình 17 Đồ thị điện áp và dòng điện của mạch chỉnh lu cầu bán điều khiển

Trong sơ đồ này, góc dẫn dòng của Tiristor và của điôt không bằng nhau

Góc dẫn dòng của điốt là D=+, còn góc dẫn dòng của tiristor là T=-

Giá trị trung bình của điện áp tải:



của dòng tải

T1

u

i

i

T2

T1

id

U

i

i

1

d

 U

 t



 t

 t

3 2

t



t



t



D1

D2

 R

U

d

của dòng trong tiristor

















) (

I d I 2

1

d T

của dòng trong điốt



















) (

I d I 2

1

d T

Giá trị hiệu dụng của dòng chảy trong cuộn dây thứ cấp máy biến áp

















1 I d

I

1

d

2

Kết luận:

Sơ đồ chỉnh lu hình tia 2 pha là một sơ đồ tơng đối đơn giản so với sơ đồ chỉnh lu hình cầu điện áp đặt trên mỗi van lớn gấp 2 lần do đó quá trình tính toán chọn van sẽ khó khăn Mặt khác điện áp 2 pha là một hệ thống không có trong thực tế, việc quấn máy biến áp phức tạp vì vậy sơ đồ này ta không chọn Sơ đồ chỉnh lu tia 3 pha là một sơ đồ hoàn chỉnh, chất lợng điện áp ra tốt hơn sơ đồ hình tia 2 pha, nhng số van nhiều hơn và mạch điều khiển phức tạp hơn sơ

đồ hình tia 2 pha, do đó ta không sử dụng sơ đồ này cho đề tài

Sơ đồ chỉnh lu hình cầu 3 pha là một sơ đồ chỉnh lu tốt Cho phép sử dụng ở hệ thống truyền động công suất lớn, chất lợng điện áp ra tốt, điện áp đặt trên van nhỏ hơn một nửa so với điện áp đặt trên mỗi van của sơ đồ chỉnh lu hình tia 2 pha và 3pha do đó dễ chọn van trong tính toán thiết kế, nhng nhợc điển của nó

là mạch động lực phức tạp, mạch điều khiển phức tạp, số lợng van nhiều, giá thành cao, trong khi yêu cầu của phụ tải mà đề tải cho không cần chất lợng điện

áp ra quá tốt

Để đáp ứng đợc yêu cầu của phụ tải mà đề tài đã cho và bảo đảm đợc tính kinh

tế ta chọn sơ đồ chỉnh lu hình cầu một pha cho mạch động lực của hệ thống truyền động điện

Trong chỉnh lu hình cầu một pha có 5 dạng chính sau:

1) Sơ đồ chỉnh lu hình cầu một pha dùng 4 điốt cùng với 1 Thyristor và một

điốt không

2) Sơ đồ chỉnh lu hình cầu một pha dùng 4 Thyristor

3) Sơ đồ chỉnh lu cầu một pha sử dụng 4 Thyristor và 1 điốt không

4) Sơ đồ chỉnh lu cầu một pha sử dụng 2 Thyristor và 2 điốt không, trong đó 2 van có điều

khiển đợc mắc ở 2 nhóm van khác nhau và anốt của van ở nhóm katốt chung nối với katốt

của van ở nhóm anốt chung, hai van không điều khiển cũng mắc tơng tự

5) Sơ đồ chỉnh lu cầu 1 pha sử dụng 2 điốt và 2 Thyristor, trong đó 2 van có điều khiển

đ-ợc bố trí ở cùng một nhóm van, nhóm còn lại là 2 van không điều khiển

* Vậy ta sử dụng sơ đồ chỉnh lu cầu một pha bán điều khiển 2 điốt và 2 Thyristor, trong

đó 2 van có điều khiển đợc bố trí ở cùng một nhóm van, nhóm còn lại là 2 van không điều

khiển

1.2 Chọn phơng pháp hãm.

Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngợc chiều tốc độ quay Với động cơ

điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm: Hãm tái sinh, hãm ngợc và hãm động

năng Việc chọn phơng pháp hãm phù hợp với công nghệ là điều rất quan trọng

Với yêu cầu không cần chhính xác, chỉ cần hãm dừng nhanh để tăng năng suất đảm bảo

yêu cầu đặt ra là không đảo chiều quay.Sau đây ta xét các chế độ hãm của động cơ điện

một chiều kich từ độc lập để chọn ra một chế độ hãm thích hợp:

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm:

-Hãm tái sinh

-Hãm ngợc

-Hãm động năng

a) Hãm tái sinh

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải Khi hãm tái

Hình 1.1 Đặc tính hãm tái sinh của động cơ kích từ độc lập

sinh E>U động cơ làm việc nh một máy phát điện song song với lới So với chế độ động cơ, dòng và mô men hãm đã đổi chiều và đợc xác định theo biểu thức:

0

Mh=KIn<0 Phơng trình đặc tính cơ :



K

R

Trong trạng thái hãm tái sinh, dòng điện đổi chiều và công suất đợc đa trả về lới có giá trị P=(E-U)I Đây là phơng pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh ra điện năng hữu ích Nhng với bộ biến đổi Tiristo-động cơ thì cácTiristo không cho phép dẫn dòng ngợc (mà ở chế độ hãm ngợc dòng điện đa lên lới bị đảo chiều xem hình 1.1) nên dòng Ih không thể chạy ngợc qua bộ biến đổi để trả năng lợng về lới Do đó hệ truyền động đã nêu trên không thực hiện hãm tái sinh

Hãm ngợc

Trạng thái hãm ngợc của động cơ xảy ra khi phần ứng dới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động hoặc do momen thế năng quay

ng-ợc chiều với momen điện từ của động cơ Mômen sinh ra bởi động cơ khi đó chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất

Với bộ biến đổi Tiristo-Động cơ ta có thể thực hiện hãm ngợc bằng các cách sau:

*) Đa điện trở phụ vào mạch phần ứng (hình 1.2)

Dòng điện hãm:

Phơng trình đặc tính cơ:



K

dm dm

u f dm

(Phơng trình đặc tính cơ là phơng trình đặc tính biến trở)

Nhận xét: Khi hãm ngợc ta vẫn sử dụng điện lới do đó sẽ không thực hiện đợc

khi sự cố mất điện.

*) Đảo chiều điện áp phần ứng cùng với đa điện trở phụ vào mạch phần ứng

Qua đồ thị đặc tính cơ (hình 1.3 ) ta có nhận xét : với kiểu hãm này với nhợc

điểm giống nh trờng hợp hãm trên nó còn có thêm nhợc điểm nữa là phải thêm thiết bị cắt điện vào đúng thời điểm tốc độ động cơ bằng không (=0) nếu

không động cơ (Mđc>Mc) sẽ quay ngợc lại

Vì thông thờng động cơ làm việc ở đIúm a trên đặc tính tự nhiên với tảI Mc ta

đổi chiều điện áp phần ứng và đa thêm điện trở phụ vào mạch, động cơ chuyển sang làm việc ở điểm b trên đặc tính biến trở Tại b mô men đã đổi chiều chống lại chiều quay của động cơ nên tốc độ giảm theo đoạn bc, tại c tốc độ bằng

không nếu ta cắt phần ứng ra khỏi điện áp nguồn đặt vào động cơ thì động cơ sẽ dừng lại, còn nếu ta không nếu ta không cắt phần ứng ra khỏi điện áp nguồn đặt vào động cơ thì tại c (Mo>Mc) động cơ sẽ quay ngợc lại và làm việc ổn định tại d

Trong trờng hợp này dòng điện hãm rất lớn vì:

Mh   K Ih

Vì vậy cần đa thêm điện trở Rf đủ lớn vào mạch phần ứng để hạn chế Ih

Tóm lại hãm ngợc bằng phơng pháp đảo cực tính đặt vào phần ứng động cơ nhơ trên dòng điện rất lớn gây tổn thất năng lợng lớn E cùng chiều U động cơ làm việc nh một máy phát mắc nối tiếp với lới Lúc đó nó vừa nhận năng lợng từ lới

điện đồng thời năng lợng điện do nó phát ra đều tiêu tán trên mạch phần ứng

d-Hình 1.3 Đặc tính hãm ngợc khi đảo cực tính điện áp đặt vào phần ứng của động cơ

ới dạng nhiệt làm giảm tuổi thọ động cơ Mặt khác nếu nh tốc độ động cơ đã giảm thấp nếu ta không cắt động cơ ra khỏi lới một cách chính xác thì động cơ

sẽ quay ngợc lại do đó không phù hợp với yêu cầu công nghệ

c) Hãm động năng

Hãm động năng là trạng thái động cơ làm việc nh một máy phát mà năng lợng cơ học các động cơ đã tích luỹ đợc trong quá trình làm việc trớc đó biến thành

điện năng tiêu tán trong mạch hãm dới dạng nhiệt

*) Hãm động năng kích từ độc lập

Ta cắt phần ứng động cơ khỏi lới điện một chiều và đóng vào một điện trở hãm nhng còn mạch kích từ vẫn nối với nguồn nh cũ (hình 1.4)

Tại thời điểm ban đầu,tốc độ động cơ vẫn có giá trị hd nên:

Ehd = K hd

Và dồng điện ban đầu:

K

h hd

u h

hd

u h





Tơng ứng có mô men hãm ban đầu:

Mhd = K Ihd < 0

c2 c1

Mc M(i)

ođ2

ođ1

o

o



Hình1.4b Đặc tính cơ hãm Phơng trình đặc tính cơ điện:





 R R

K I

u h

u Phơng trình đặc tính cơ :





 R R

u h ( ) 2 .

Khi = const thì độ cứng của đặc tính cơ hãm phụ thuộc Rh Khi Rh càng nhỏ,

đặc tính cơ càng cứng, mô men càng lớn, hãm càng nhanh

Tuy nhiên cần phải chọn Rh sao cho dòng hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho phép: Ihd <= (2 2,5)Iđm

Khi hãm động năng kích từ độc lập năng lợng chủ yếu đợc tạo ra do động năng của động cơ tích luỹ đợc nên công suất tiêu tốn chỉ nằm trên mạch kích từ

Pktdm = (1  1,5)%Pđm

Phơng trình cân bằng công suất khi hãn động năng:

E.Ih = (R + Rh).Ih.Ih

*) Hãm động năng kích tự kích

Hình 1.5 Sơ đồ hãm động năng tự kích của động cơ một chiều kích từ độc lập

a) Sơ đồ nguyên lý; b) Đặc tính hãm;

Nó khắc phục nhợc điểm trên của hãm động năng tự kích độc lập Thật vậy hãm

động năng tự kích xảy ra khi động cơ đang quay ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích thích ra khỏi lới điện để đóng vào một điện trở hãm (hình 1.5)

Theo sơ đồ nguyên lý ta có: I=In+Ikt

R R

u

h h





E

R R

u kt n

kt n

u kt kt



.

Và các phơng trình đặc tính là:











u kt h

kt h

u

.









u kt h

kt h

.

Trong quá hãm tốc độ giảm dần, dòng kích từ giảm dần do đó từ thông  giảm dần và là hàm số của tốc độ Vì vậy các đặc tính cơ khi hãm có dạng nh đờng

đặc tính không tải của máy phát điện tự kích phi tuyến (hình 1.5)

*) Nhận xét

Trong sơ đồ bộ chỉnh lu cầu một pha dùng 2 điốt và 2 Thirystor ta chọn cho hệ thống truyền động không làm việc ở chế độ nghịch lu, không có chuyển năng l-ợng về nguồn do đó không có hãm tái sinh Mặt khác phụ tải đã cho không đảo chiều, suất điện động E không đổi chiều vì vậy tốc độ động cơ không đảo chiều Muốn hãm ngợc ta phải có các công tắc tơ để thực hiện đảo chiều điện áp, nh vậy sẽ rất phức tạp, giá thành cao, kích thớc lại lớn Mặt khác về mặt năng lợng thì hãm ngợc có chỉ tiêu năng lợng xấu nhất, cho nên ta không chọn hãm ngợc trong hệ thống truyền động Vì vậy chỉ còn lại có hãm động năng với u điểm là

đơn giản và chỉ tiêu năng lợng hơn ở hãm ngợc là hợp lý hơn cả cho hệ thống truyền động

Vậy ta có sơ đồ mạch động lực nh hình vẽ (hình 1.6):

CK

id

D2

T2

BA

CD

K +

ĐC -Rh

D

K

T1 K

~

CKT

1

III- chọn chế độ hãm cho động cơ

Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngợc chiều với tốc độ quay của động cơ (lúc này động cơ làm việc ở chế độ máy phát ) Nh phân tích chọn động cơ trên ta chọn động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập nên có 3 trạng thái hãm sau đây:

1- Hãm tái sinh ( trả năng lợng về lới )

Hiện tợng này xảy ra khi tốc độ động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tởng ( >  0 ), lúc này, do E >U nên động cơ làm việc nh một máy phát song song với lới So với chế độ động cơ dòng điện và mômen đổi chiều và xác định theo biểu thức sau đây:

0

0

0





















 h

h

u u h

I K M

R

K K

Ru

E U

Ta có phơng trình đặc tính cơ của động cơ khi xảy ra hãm là :

h f u

K

R R

K

U

2

) ( 











Hệ thống làm việc ổn định với tốc độ lớn hơn tốc độ không tải lý tởng ođ >

Trạng thái này, Ih đổi chiều và công suất đợc trả về lới là : P = (U- E)I

Đây là phơng pháp hãm kinh tế vì động cơ sinh ra điện năng hữu ích nếu

đủ điều kiện hoà điện

Xét thực tế đề tài, với hệ thống truyền động van động cơ thì van (Tiristor ) chỉ dẫn dòng theo 1 chiều nhất định nên khi động cơ sinh ra năng l-ợng trả về lới thì các van không cho phép dẫn ngợc nên ta không sử dụng chế độ hãm này

2- Hãm ngợc:

Xảy ra khi phần ứng động cơ dới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động hoặc do mômen thế năng quay ngợc chiều với động

-

0

I

E

U



0



0đ



M

M

c

M

c

I

h

E U

cơ Mômen của động cơ sinh ra khi đó chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất Ta có thể thực hiện hãm ngợc theo 2 cách:

+ Đa điện trở phụ R f vào mạch phần ứng động cơ:

h h

f u f u

u u h

I K M

R R

K U R R

E U I

















Nh vậy, E và U tác động cùng chiều, động cơ lúc này làm việc nh một máy phát nối tiếp với lới điện biến điện năng nhận từ lới và cơ năng trên trục thành nhiệt năng đốt nóng điện trở tổng của mạch phần ứng Vì vậy tổn thất năng lợng là rất lớn , hơn nữa không thực hiện đợc khi xảy ra sự cố mất điện

+ Đảo chiều điện áp

Khi hãm ngợc xảy ra đến thời điểm đạt đợc tốc độ  = 0 thì cần phải có thiết bị cắt phần ứng khỏi điện áp nguồn (tại C) nếu không động cơ chuyển sang làm việc ổn định tại D với chiều quay ngợc lại

f h

f u

u u f u

u u h

I K M

R R

E U R R

E U I



















Đa Rf vào để hạn chế dòng điện hãm Song trạng thái hãm ngợc thờng gây tổn thất rất lớn, giảm đáng kể tuổi thọ động cơ, không khắc phục đợc sự cố

nh mất điện và nếu cắt điện không đúng thời điểm thì không thực hiện đợc Do vậy trạng thái hãm này không phù hợp với đề tài đợc giao

3- Hãm động năng:

Là trạng thái động cơ làm việc nh một máy phát, mà năng lợng cơ học

E U

M



M

c

0



0đ



0

b

- 

0



0

M(I)



M

c

0 C

của động cơ đã tích luỹ đợc trong quá trình làm việc trớc đó biến thành điện năng tiêu tán trong mạch hãm dới dạng nhiệt

a- Hãm động năng kích từ độc lập

Cắt phần ứng khỏi lới, đóng vào điện trở hãm Rh và giữ nguyên mạch kích từ.Ta có:

h u

hd h

u

hd hd

hd

K R

R

E I

K E

















 Mhd = KIhđ < 0

M K

R R I K

R

R u h u h

) (



















Và  hoàn toàn phụ thuộc vào Rh Song cần chọn Rh cho phù hợp

Ihd  (22,5).Idm

Khi hãm động năng, năng lợng chủ yếu đợc tạo ra do động năng của

động cơ nên nó chỉ tiêu tốn trong mạch kích từ của động cơ với công suất:

Pktđm = (1  1,5) % Pđm

Hãm động năng kích từ độc lập không thể thực hiện khi mất điện do mạch kích từ phải đợc cung cấp điện để khắc phục điều này ngời ta thờng sử dụng phơng pháp sau:

b- Hãm động năng tự kích.

Xảy ra khi động cơ đang quay ta cắt hết nguồn để đóng vào một điện trở hãm

Nguyễn Vĩnh Hà 2005 14

Rh2 Rh1

0

M

a



b1 b2

M

c

M

hđ1

M

hđ2



0d1



0d2

C2

I

h

CKT

R

h

I

kt

R

h2

R

h1

0

M(I)

a



b

1 b

2

Mc

Mhđ1

Mhđ2



0d1

R L

Rh

Ih