Chương 1. Tổng quan về bộ điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều……………………………..3 1.1. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng……….……3 1.2. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông của cuộn dây kích từ……..……….4 1.3. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần ứng……….....5 1.4. Kết luận chọn phương pháp điều khiển……………………………………………………...……..6 Chương 2. Chọn phương án mạch lực…………………………………………………………………….7 2.1. Chọn sơ bộ phương án mạch lực…….………..……………………………………………….7 2.2. Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển………………………………………………………….7 2.3. Chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển……………………………………………………….8 2.4. Kết luận…………………………………………………………………………………………9 Chương 3. Tính chọn mạch động lực………………………………………………………………..10 3.1. Tính chọn thyristor……………………………………………………………………………..10 3.2. Tính toán máy biến áp lực…………………………………………………………………….10 3.3. Tính toán bộ lọc………………………………………………………………………………..12 3.4. Bảo vệ van mạch lực………………………………………………………………………….12 Chương 4. Tính toán thiết kế mạch điều khiển……………………………………………………15 4.1. Nhiệm vụ và yêu cầu của mạch điều khiển…………………………………………………...15 4.2. Nguyên lý và cấu tạo của mạch điều khiển……………………………………………….....15 4.3. Cấu tạo,nguyên lý và tính chọn các khâu trong mạch điều khiển………………………..16
Trang 1Mục l ục
Chương 1 Tổng quan về bộ điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều……… 3
1.1. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng……….……3
1.2. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông của cuộn dây kích từ…… ……….4
1.3 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần ứng……… 5
1.4. Kết luận chọn phương pháp điều khiển………
…… 6
Chương 2 Chọn phương án mạch lực……….7
2.1 Chọn sơ bộ phương án mạch lực…….……… ……….7
2.2 Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển……….7
2.3 Chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển……….8
2.4 Kết luận………9
Chương 3 Tính chọn mạch động lực……… 10
3.1 Tính chọn thyristor……… 10
3.2 Tính toán máy biến áp lực……….10
3.3 Tính toán bộ lọc……… 12
3.4 Bảo vệ van mạch lực……….12
Chương 4 Tính toán thiết kế mạch điều khiển………15
4.1 Nhiệm vụ và yêu cầu của mạch điều khiển……… 15
4.2 Nguyên lý và cấu tạo của mạch điều khiển……… 15
4.3 Cấu tạo,nguyên lý và tính chọn các khâu trong mạch điều khiển……… 16
Trang 2CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN
MỘT CHIỀU.
1.Yêu cầu thiết kế
-Điện áp tải định mức:Uddm = 220v
-Công suất định mức Pdm = 2kw
-Dải điều chỉnh tốc độ 10:1
-Hiệu suất động cơ η= 0,8
-Nguồn nuôi là điện áp lưới 3pha380v,50Hz
-Điều chỉnh trơn
Yêu cầu đối vơi tải là động cơ 1 chiều:điện áp và dòng điện vào động cơ fai là 1 chiều và có hệ số đập mạch Kđm càng nhỏ càng tốt
2 Các phương pháp điều khiển động cơ điện 1 chiều.
Phương trình đặc tính cơ của động cơ 1 chiều ω = - M = ωo - ∆ω
Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ, ta nhận thấy tốc độ phụ thuộc vào 3 thông số là : R, φ, U
Do vậy có 3 phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều như sau :
- Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch
phần ứng của động cơ
- Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông φ
- Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần
ứng
1.1. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng
Giả thiết U = Uđm = const Muốn thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng, bằng cách mắc thêm một điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng và thay đổi giá trị điện trở Rf thì tốc độ động cơ sẽ thay đổi theo Vậy phương trình đặc tính
Trang 3Hình 1.1 Đồ thị đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng
Nhận xét :
- Nếu ở cùng một giá trị mômen cản MC thì độ sụt tốc độ sẽ càng lớn
nếu điện trở của mạch phần ứng càng lớn và làm cho tốc độ động cơ bị suy giảm, đồng thời làm cho độcứng của đặc tính cơ càng giảm, tức là đặc tính cơ càng dốc Dựa vào đặc tính cơ ta thấy, tốc độ làm việc ω2, ω3 ở các đường đặc tính của Rf1 và Rf2 nhỏ hơn tốc độ ωđm trên đường đặc tính tự nhiên.Vậy tốc độ truyền động chỉ được điều chỉnh về phía dưới, tức là tốc độ điều chỉnh nhỏ hơn tốc độ định mức
- Hiệu suất của phương pháp này thấp
Hiệu suất động cơ :η =
Pcơ1 = M cđm ω đm ; Pcơ2 = M cđm ω 2 ; Pcơ3 = M cđm ω 3 ; Pđiện1 = Pđiện2 = Pđiện3 = U đm Iđm = const
Suy ra η 1 > η 2 > η 3 , vậy khi điều chỉnh tốc độ theo phương pháp này sẽ không kinh tế, do có tổn hao trên các điện trở phụ nên làm cho hiệu suất của thiết bị giảm Vì vậy nên phương pháp này trong thực tế ít sử dụng
1.2. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông của cuộn dây kích từ
Giả thiết U = Uđm = const và Rư = const Muốn thay đổi từ thông thì ta phải thay đổi dòng điện kích từ
Ikt Ta có phương trình đặc tính cơ như sau:
ω = - M
Hình 1.2 Các đường đặc tính của động cơ khi thay đổi từ thông cuộn dây kích từ
a) Đặc tính cơ điện b) Đặc tính cơ
Trang 4Theo đường đặc tính cơ ta có: ω0TN = ; ω01 =
- Độ cứng đặc tính cơ : β= ≈ =
Do cấu trúc của máy điện nhất định nên cuộn dây kích từ chỉ chịu được dòng kích từ định mức, do vậy thực
tế chỉ sử dụng phương pháp điều chỉnh giảm từ thông ( φ <φđm ) Khi ta cho giảm từ thông thì lúc đó tốc độ không tải sẽ tăng lên
Nhận xét:
- Đặc tính điều chỉnh theo từ thông φ có độ cứng càng giảm xuống nếu như ta càng giảm từ thông, tức là đặc tính cơ càng dốc Nghĩa là tốc độ thì sẽ tăng vọt còn mômen thì giảm nhanh, làm cho hệ số quá tải giảm Vì vậy làmcho động cơ làm việc kém ổn định
- Việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp giảm từ thông không phù hợp với những tải có mômen cản là hằng số ( MC = const ) Vì MC = KM
φ.I = const Do vậy khi φ giảm thì làm cho I tăng lên gây phát nóng động cơ
- Giải điều chỉnh của phương pháp này cũng bị hạn chế bởi tốc độ cao nhất của động cơ, khi tốc độ cao quáthì có thể làm hỏng phần quay của động cơ do lực li tâm lớn
1.3 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần ứng.
Giả thiết φ = φđm = const, khi ta thay đổi giá trị điện áp phần ứng thì ta cótốc độ không tải lí tưởng cũng thay đổi theo Do cấu trúc cuộn dây phần ứng chỉ chịu được điện áp Uđm nên thực tế chỉ sử dụng phương pháp điều chỉnh giảm điện áp phần ứng
- Đặc tính cơ :
Hình 1.3 Đặc tính cơ của động cơ 1 chiều kích từ độc lập khi giảm áp phần ứng
- Độ cứng đặc tính cơ : β = = const
Khi giảm điện áp phần ứng động cơ thì ta được một họ đặc tính cơ song song và nằm về phía dưới đặc tính
cơ tự nhiên Và khi giảm điện áp phầnứng thì tốc độ động cơ giảm xuống tương ứng với một phụ tải nhất định
Nhận xét:
- Các đặc tính cơ nhân tạo có độ dốc không đổi ( tức là β = const ), nên tốc độ điều chỉnh được ổn định tương đối
-Phương pháp này có thể điều chỉnh được vô cấp tốc độ
- Dải điều chỉnh tốc độ của phương pháp này rất lớn
- Phương pháp này có thể tự động hóa mạch điều khiển và mạch động
lực và có thể làm việc ở cả 4 góc phần tư của đồ thị đặc tính cơ
- Hiệu suất của phương pháp này tương đối cao và giống nhau ở các
đường đặc tính do không có tổn hao trên điện trở
Trong ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ nói trên thì ta nhận thấy phương pháp điều chỉnh tốc
độ động cơ bằng phương pháp giảm điện áp phần ứng là phù hợp với yêu cầu thiết kế vì những ưu điểm nói
Trang 5trên Vậy ta chọn phương pháp giảm điện áp phần ứng động cơ để điều chỉnh tốc độ động cơ.
CHƯƠNG 2
Trang 62.1 Chọn sơ bộ phương án mạch lực
Để điều chỉnh điện áp phần ứng ta dùng một bộ biến đổi điều chỉnh được điện áp đầu vào cấp cho mạch phần ứng động cơ
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng
Bộ biến đổi BBĐ dùng để biến đổi điện xoay chiều của lưới thành điện một chiều và điều chỉnh điện
áp ra của nó theo yêu cầu Bộ biến đổi cấp nguồn cho mạch phần ứng động cơ 1 chiều.Theo yêu cầu đềtài thì bộ biến đổi là bộ nguồn chỉnh lưu.Sau đây em sẽ phân tích để lựa chọn sơ bộ phương án mạch lực
- Số liệu đã cho có công suất đm động cơ Pd = 2kw < 5kw nên ta sẽ chọn phương án chỉnh lưu loại 1 pha,có thể dùng 3 pha được
- Do đòi hỏi điều chỉnh điện áp nên ta chọn mạch chỉnh lưu là loại có điều khiển Trị số điện áp
Ud là cao(220v) nên ta dùng sơ đồ cầu
- Do điện áp nguồn là 3 pha 380v mà điện áp trên tải là 220v nên có chênh lệch điện áp lớn vì vậy ta phải dùng biến áp nguồn
Tóm lại 2 phương án khả thi nhất là chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển và chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển.Sau đây em sẽ phân tích chi tiết hơn để chọn ra phương án cuối cùng
2.2 Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển
Hình 2.2 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1pha Hình 2.3 Đồ thị dạng sóng
Ở nửa chu kỳ đầu U2 >0, anot V1 dương, catot của V2 âm Nếu có xung điều khiển mở đồng thời 2 vanthì điện áp đặt lên tải Ud = U2 có độ rộng đến khi nào V1,V2 dẫn Nửa chu kỳ sau điện áp đổi dấu, anot
V3 dương catot V4 âm nên Ud= -U2 có độ rộng đến khi nào V3,V4 dẫn
+ Giá trị trung bình của điện áp tải :
Trang 7- Khi tải thuần trở:
2
cos19,
9 ,
U d
(2.3)+ Giá trị điện áp ngược đặt lên mỗi van của tiristor : Ungmax = √2U2
+ Giá trị dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp : I2 = 1,11 Id
+ Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua mỗi van : Itbv = Id/2
+ Công suất của máy biến áp : Sba = 1,23 Pd
+ Hệ số đập mạch : kdm=0,67
Nhận xét :
- Ưu điểm : Có thể điều khiển được điện áp trong dải rộng,làm việc ở cả hai chế độ chỉnh lưu và
nghịch lưu và có điện áp ngược thấp
- Nhược điểm :
+ Phải có hai xung điều khiển cùng một lúc nên khó điều khiển.
+ Tổn hao công suất lớn, phải dùng nhiều van.
2.3 Chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển
Trang 8Nhóm catôt chung là các tiriso nên chúng dược mở ở các thời điểm α của nó, Nhóm anôt chung là vandiot nên chúng luôn mở tự nhiên theo điện áp nguồn: Đ1 mở khi u2 bắt đầu âm; Đ2 mở khi u2 bắt đầudương nên
+ Trong khoảng α÷π T1Đ2 dẫn
+ Trong khoảng π÷(π+α) T 1Đ1 dẫn ở θ1 mở tự nhiên làm θ 2khóa
+ Trong khoảng (π+α)÷2π: T2 Đ1 dẫn ,T2 đượ phát xung mở ở điểm (π+α) và làm cho T1 khóa + Trong khoảng 2π÷(2π+α):T2 Đ2 dẫn ,Đ2 mở tự nhiên ở điểm 2π
Qua đây ta thấy có hai đoạn có hiện tượng dẫn thảng hàng của hai van: T1 Đ1 và T2 Đ2 do dố ởnhững đoạn này tải bị ngắn mạch nên Ud=0 (các đoạn còn lại Ud bám theo điện áp nguồn) Như vậydòng id vẫn liên tục song dòng i2 lại đứt đoạn do dòng tải id chảy quẩn qua hai van thảng hàng màkhông về nguồn, Điều này có lợi về khía cạnh năng lượng vì năng lượng không bị trả về nguồn màgiữ lại trong tải
Điện áp chỉnh lưu trung bình Udα = Udo 2
d
R
U α
(2.6) Điện áp ngược lớn nhất trên van Ungmax = U2 (2.7)
Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp I2 = = Id (2.8)
Ưu điểm của sơ đồ:
- Cải thiện được hệ số cosφ, hệ số đập mạch kđm tốt hơn
- Sử dụng ít thyristor hơn → giảm về giá thành
2.4 Kết luận
Từ các phân tích về ưu, nhược điểm của các loại sơ đồ chỉnh lưu nói trên có thể thấy dạng sóng dòng điện và điện áp ra tải của sơ đồ cầu 1 pha điều khiển và cầu 1 pha bán điều khiển catot chung là như nhau.Với tải là động cơ điện một chiều có công suất P = 2 KW thì việc chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 phabán điều khiển là hợp lí nhất, bởi vì đây sơ đồ chỉnh lưu có chất lượng điện áp và dòng điện ra tốt phù hợp với yêu cầu thiết kế Khả năng tận dụng máy biến áp rất cao, chế tạo máy biến áp đơn giản, dòng điện thứ cấp máy biến áp là đối xứng và không có thành phần một chiều nên không gây bão hòa lõi thép.Đặc biệt sơ đồ này dễ dàng điều khiển vì chỉ dùng 2 van tiristo thay vì 2 tiristo như sơ đồ điều khiển hoàn toàn
Mặt khác, khi góc mở α càng lớn thì điện áp trên tải sẽ có phần âm nên chỉnh lưu này có thể làm việc ởchế độ nghịch lưu trả năng lượng về lưới
Trang 9CHƯƠNG 3
TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC
Động cơ :công suất P = 2 (Kw) điện áp định mức Udm = 220 (V) hiệu suất η = 0.8
→ công suất thực Pthực = 2,5 (kW) Id = dm
Udm là diện áp cung cấp cho phần ứng đông cơ Udm = 220 (V)
Ihd là dòng điện hiệu dụng qua van
Khd hệ số hiệu dụng ứng với sơ đồ cầu khd = 0,71
Idm là dòng điện qua tải
Trang 10Để sơ dồ làm việc tin cậy ta cần chọn độ dự trữ cho van, do đó ta chọn các thông số sau: + Điện áp ngược của van cần chọn: Ung-v = kdt-U Ungmax
Với kdt= 1.6÷2 là hệ số dự trữ điện áp Chọn kdt-U = 1,6
Do đó Ungmax = 1,7.344,67 = 586V ;Ihd-v = kdt I1v
+ Dòng điện hiệu dụng của van được chọn:
Với kdt-I là hệ số dự trữ dòng điện, chọn kdt-I = 3; Do đó Ihd-v = 3 8,1 = 24,3 (A)
Dựa vào các số liệu trên ta chọn tiristor 25TTS08 của hãng TR
3.1 Bảng số liệu của 25TTS08
(A)
Igt(mA)
Vgt(V)
Ungmax(V)
tc(µs)
Itav
+ Chọn diode là SW08PCN030 Itbmax = 25, Ungmax = 800V
3.2 Tính toán máy biến áp lực
+ Tìm được trị số hiệu dụng điện áp các cuộn thứ cấp biến áp U2
+ Trị số hiệu dụng dòng sơ cấp biến áp I1
+ Trị số hiệu dụng dòng thứ cấp biến áp I2
+ Tính công suất biểu hiện 1 pha
Trong đồ án này do mạch lực là mạch chỉnh lưu cầu 1 pha nên ta sử dụng máy biến áp 1 pha Điện áp 1 chiều tổng quát Ud tương ứng tải định mức:
Uddm điện áp 1 chiều ra tải định mức: 220 (V)
sụt áp nên các van dẫn: 1.5 (V)
Với các số liệu cho: Uddm = 220 (V), Id = 11.36 (A), = 1.5 (V),
= 5 (V), U1 pha = 220 (V), = IdUd = 2500 (w)
:sụt áp trên lưới
Trang 11.1
U
( 3
4cos 4
Trang 12+ π
1.= 2,4266 b) Chọn bộ lọc:
Do tải là động cơ công suất nhỏ → ta chọn bộ lọc chỉ gồm cuộn cảm L
= 1; ⇒ ksb = 2,4266 Điện cảm cần lọc: L = dm.ω
H
=
Từ L = 0,091 (H) ⇒ ta tính toán thiết kế cuộn không lọc 1 chiều
3.4 Bảo vệ van mạch lực
3.4.1 Mạch bảo vệ phía đầu vào chỉnh lưu
Mạch RfCf bảo vệ quá áp sinh ra khi MBA bị cắt khỏi lưới
Cf = . 2 2.( 2 1)
02
−
K U
a: hệ số chỉ ra tỷ số giữa giá trị biên độ của điện áp chỉnh lưu so với giá trị hiệu dụng U2
Với sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha a = = 1,41
Trang 13⇒ K =
800
1.0, 63314.2.331.(1,365 −1) = 3,5 F = 3,5
Chọn Cf = 4 (
Điện trở Rf được xác định bằng:R f =2 2L C a/ f
La là điện cảm tản trên một pha MBA
3 2
)(
dU U
=
61,56.102.331
Trang 14KĐX DX
SS Utựa
ĐB
CHƯƠNG 4
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
4.1 Nhiệm vụ và yêu cầu của mạch điều khiển
4.1.1 Nhiệm vụ
+ Tạo ra các xung ở những thời điểm mong muốn để mở các van động lực của bộ chỉnh lưu
+ Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt lên cựcanot = catot của thyristor
+ Tạo được các xung đủ điều kiện
4.1.2 Yêu cầu đối với mạch điều khiển
Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi thyristor vì nó đóng vai trò quyết định vềchất lượng độ tin cậy của bộ biến đổi
Yêu cầu mạch điều khiển có thể tóm tắt 6 điểm chính sau:
+ Tạo ra các xung điều khiển với đủ yêu cầu để mở được van
+ Đảm bảo cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực
+ Đảm bảo tính đối xứng giữa các kênh diều khiển
+ Đảm bảo phạm vi điều chỉnh trong toàn bộ dải làm việc
+ Không bị ảnh hưởng của nhiễu cũng như gây nhiễu với các hệ thống khác
+ Yêu cầu về bảo vệ và tín hiệu hóa
4.2 Nguyên lý và cấu tạo của mạch điều khiển
4.2.1 Phương pháp điều khiển
Ta dùng phương pháp điều khiển thẳng đứng tuyến tính
Ta cần tạo một điện áp tựa dạng tam giác urc thường gọi là điện áp răng cưa, dùng một điện áp mộtchiều udk so sánh với điện áp tựa Tại thời điểm điện áp tựa bằng áp điều khiển trong vùng dương anotthì phát xung điều khiển
4.2.2 Sơ đồ khối của mạch diều khiển
Hình 4.1 Sơ đồ khối của mạch điều khiển
Trang 15• + Khõu đồng pha cú nhiệm vụ tạo ra điện ỏp tựa urc trựng pha với điện ỏp anot của thyristor
• + Khõu so sỏnh cú nhiệm vụ so sỏnh giữa điện ỏp tựa với điện ỏp điều khiển Tại thời điểm
điện ỏp tựa bằng ỏp điều khiển trong vựng dương anot thỡ phỏt xung điều khiển để gửi sangtầng khuếch đại
+ khõu khuếch đại xung cú nhiệm vụ khuếch đại xung điều khiển và cỏch ly giữa mạch điều khiển
và mạch lực
4.3 Tớnh toỏn cỏc thụng số của mach điều khiển
Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khuếch đại ngược trở lên Côngsuất cho tầng khuếch đại để tính là thông số của cực điều khiển thyristor (Uđk, Iđk)
Mạch điều khiển đợc tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở thyristor Các thông số cơ bản để tínhmạch điều khiển:
1
− ≈ 4.5.103 (Hz) = 4,5(kHz)
N = ±12 (V)
4.3.1 Tính chọn khâu khuếch đại xung.
Hình 4.2 Khâu khuếch đại xung
Phương pháp này rất thông dụng hiện nay vì nó cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển Điệntrở R16 có nhiệm vụ tiêu tán năng lượng tích lũy ở các cuộn dây trong các giai đoạn khác nhau của
bóng bán dẫn, thường chọn R16< cp
cs I
E
