đồ án kỹ thuật điện điện tử Thiết kế mạch điều khiển tự động cho dây chuyền sản xuất ống nhựa VIWAPICO

Với tầm quan trọng của công nghệ điều khiển tự động, em chọn đề tài "Thiết kế mạch điều khiển tự động cho dây chuyền sản xuất ống nhựaVIWAPICO" với mong muốn được ứng dụng một phần công

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG TY CP VẬT TƯ NGÀNH NƯỚC - VINACONEX (VTWAPICO) 5

1.2.Giới thiệu công nghệ 6

1.2.1.Dây chuyền đùn 6

1.2.2.Máy sấy 7

1.2.3 Bộ phận cân định lượng 7

1.2.4 Máy đùn chính 8

1.2.5 Máy đùn phụ 8

1.2.6 Đầu đùn 8

1.2.7 Đầu hình và chuốt 9

1.2.8 Thùng định hình chân không 9

1.2.9 Thiết bị đo độ dày thành ống 9

1.2.10 Thùng làm mát 9

1.2.11 Máy in ống 10

1.2.12 Máy kéo ống 10

1.2.13 Máy cưa ống 11

1.2.14 Máy cuộn ống 11

1.2.15.Sơ đồ công nghệ tạo sản phẩm ống 12

1.3 Nguyên vật liệu 12

1.4 Năng lực và tiêu chuẩn sản xuất 13

1.5 Hệ thống cung cấp điện toàn nhà máy 13

1.5.1 Các giải pháp kỹ thuật 13

1.5.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp điện của nhà máy 16

1.5.3.Bù công suất phản kháng 17

1.6 Giới thiệu máy đùn chính KRAUSS MEFFEI 18

1.6.1 Vai trò của Máy đùn Krauss Meffei trong dây chuyền sản xuất 18

1.6.2 Một số đặc tính kỹ thuật của Máy đùn Krauss Meffei 19

1.6.3 Sơ đồ công nghệ của máy đùn chỉnh Krauss Meffei 20

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 21

2.1 Giới thiệu chung 21

2.1.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều 21

- Cổ góp 23

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều 26

2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều 27

2.2.1 Phương trình đặc tính cơ 27

2.2.2 Ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ 30

2.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ 33

2.5 Ưu và nhược điểm của động cơ điện một chiều 37

2.5.1 Ưu điểm của động cơ điện một chiều 37

2.5.2 Nhược điểm của động cơ điện một chiều 38

CHƯƠNG III: THIỂT KẾ VÀ TÍNH TOÁN THÔNG SỐ MẠCH LỰC 40

3.1 Phân tích mạch chỉnh lưu 40

3.1.1 Sơ đồ và đồ thị 40

3.1.2 Thuyết minh hoạt động của sơ đồ 42

3.2 Tính toán các thông số của mạch động lực 44

3.2.1 Tính chọn Thyristor 44

3.2.2 Tính toán thông số máy biến áp 47

3.2.4 Tính điện cảm phần ứng 53

3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực 54

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU CỦA MÁY ĐÙN CHÍNH 55

4.2.1 Mạch kích từ 57

4.2.2 Mạch xử lý phản hồi tốc độ 57

4.2.3 Mạch khuếch đại PI 57

4.2.4 Mạch đồng bộ 58

4.2.5 Mạch so sánh 58

4.2.7 Mạch dao động đa hài 59

4.2.8 Mạch khuếch đạt cách ly 60

4.2.9 Mạch bảo vệ quá dòng 60

5.1 Mạch đồng bộ pha A 62

5.2 Mạch xử lý phản hồi tốc độ 65

5.3 Mạch khuếch đại PI 66

5.4 Mạch so sánh 67

5.5 Mạch hoặc 68

5.6 Mạch dao động đa hài 68

5.7 Mạch bảo vệ quá dòng 69

5.8 Mạch khuếch đại xung 70

K Ế T LUẬN 73

PHỤ LỤC 74

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, trong xu hướng phát triển công nghiệp hoá, hiện đại hoá của đấtnước, tự động hoá là lĩnh vực quan trọng không thể thiếu được trong các ngànhcông nghiệp như điện, dệt may, chế tạo nhựa, lắp ráp thiết bị Với sự ửng dụngmạnh mẽ như vậy, tự động hoá đang từng bước góp phần hiện đại hoá quy trìnhsản xuất, giảm thiểu nhân công và sức lực của con người, đưa ra chất lượng sảnphẩm ngày một hoàn thiện hơn

Với tầm quan trọng của công nghệ điều khiển tự động, em chọn đề tài

"Thiết kế mạch điều khiển tự động cho dây chuyền sản xuất ống nhựaVIWAPICO" với mong muốn được ứng dụng một phần công nghệ điều khiển

tự động vào hệ thống sản xuất ống nhựa tự động nhằm mục đích hiện đại hoá

hệ thống, giảm thiểu nhân lực và đưa ra sản phẩm hoàn chỉnh hơn góp phầnphát triển lớn mạnh nền công nghiệp nhựa nói riêng và nền công nghiệp củađất nước

Kết cấu Đồ án tốt nghiệp:

- LỜI MỞ ĐẦU

- CHƯƠNG I: Giới thiệu chung về công ty cổ phần vật tư ngành

nước-VINACONEX (VIWAPICO)

- CHƯƠNG 2: Tổng quan về động cơ điện một chiều.

- CHƯƠNG 3: Thiết kế và tính toán thông số mạch động lực.

- CHƯƠNG 4: Thiết kế sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều

của máy đùn chính

- CHƯƠNG 5: Thiết kế chi tiết hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều của

máy đùn chính

- KẾT LUẬN

Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn ThS Trần Văn Tuấn, các

thầy cô giáo khác trong bộ môn và các bạn cùng lớp đã giúp đỡ em trong việc hoànthành đồ án tốt nghiệp Do thời gian và trình độ của bản thân em có hạn, mặc dù đã

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG TY CP VẬT TƯ NGÀNH NƯỚC -

VINACONEX (VTWAPICO) 1.1.Tổng quát

Công ty Cổ phần Vật tư ngành nước VIWAPICO là đơn vị thành viên củaTổng Công ty VINACONEX với các hoạt động kinh doanh trong các lĩnh vực sau:

- Sản xuất và mua bán vật tư thiết bị ngành nước

- Sản xuất ống nhựa PPR, HDPE và các sản phẩm bằng nhựa

VIWAPICO có diện tích trên 4000 m2, gồm 1 khu hành chính, 1 nhà

xưởng sản xuất, 1 phòng thí nghiệm, 2 nhà kho để thành phẩm và khuôn viên baoquanh Nằm ở vị trí quan trọng của khu công nghiệp Bắc Thăng Long, VIWAPICO

là một trong những doanh nghiệp nhựa hàng đầu và có uy tín lớn trong ngành côngnghiệp nhựa Việt Nam và trong tổng công ty VINACONEX

Để duy trì vị trí là một trong những nhà sản xuất và cung ứng ống và phụ tùng ống nhựa hàng đầu tại Việt Nam, VIWAPICO xác định một chiến lược phát triển nhất quán, cải tiến không ngừng hệ thống quản lý chất lượng theo tiêu chuẩn ISO 9001:2000, đầu tư thích đáng cho con người, liên tục hiện đại hóa thiết bị và nâng cao chất lượng sản phẩm Hiện nay công ty đã có 2 dây chuyền sản xuất ống nhựa hiện đại, nhập khẩu từ Cộng hoà Liên bang Đức với hệ thống máy móc tự động hoá tinh vi, đảm bảo chất lượng sản phẩm ống nhựa và giảm thiểu công sức của con người Với định hướng chiến lược luôn trở thành một nhà sản xuất, cung ứng ống và phụ tùng ống nhựa hàng đầu tại Việt nam, sản phẩm của VIWAPICO

đã có một chỗ đứng vững chắc trên thị trường trong nước và quốc tế, khẳng định

ưu thế về chất lượng, phù họp với các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế

Khu vực hành chính

Khu vực sản xuất Nhà kho 1

Thiết kế mạch điều khiển động cơ điện một chiều

1.2.2.Máy sấy

Hình 1.2.Hình ảnh máy sấy Trong ngành công nghiệp gia công nhựa nhiệt dẻo, nguyên liệu chứa hàm

lượng ẩm cao thường dẫn đến lỗi gây rỗ bề mặt cũng như tính chất của sản

phẩm Máy sấy SOMOS 600 của VIWAPICO là loại máy sấy tuần hoàn có khả năng tách ẩm đặc biệt khi sấy Vì vậy, nguyên liệu trước khi gia công luôn có độ

ẩm cho phép theo quy định, đảm bảo ổn định cho quá trình gia công và chất lượng của sản phẩm

1.2.3 Bộ phận cân định lượng

Hình 1.3.Hình ảnh cân định lượng

Bộ phận nạp liệu chân không dùng để làm cho quá trình sản xuất đượcđơn giản hoá Cân định lượng kiểm soát toàn bộ thông số về khối lượng nhựa,nhằm ổn định kích thước của sản phẩm ống.

1.2.4 Máy đùn chính

Hình 1.4 Hình ảnh máy đùn chính

Máy đùn chính là máy đùn hiện đại của hãng Krauss Meffei, CHLB Đứcvới thiết kế trục vít phù hợp với nguyên liệu PPR/HDPE và thiết kế vít chặn cóhai cánh vít chia đôi dòng nguyên liệu cho phép quá trình làm nhuyễn nhựađược hoàn thiện hơn

Máy đùn chính còn có thiết bị điều khiển C4, thiết bị điều khiển tự độnghiện đại cho phép kiểm soát toàn bộ các thông số sản xuất, không những củamáy đùn chính mà còn của các thiết bị phụ trợ khác, cho phép đạt được mức độ

tự động hoá dây chuyền tập trung cao

1.2.9 Thiết bị đo độ dày thành ống

Sản phẩm ống thường bị méo do độ dày thành ống không đều, dẫn đếnđường ống không đáp ứng đủ yêu cầu áp lực Thiết bị đo chiều dày thành ống sẽgiải quyết vấn đề trên Đây là thiết bị đo bằng siêu âm (ultrasonic measurement),

đo chính xác chiều dày thành ống ngay khi ống đi qua thùng định hình chânkhông và hiển thị độ dày này lên màn hình C4 của máy đùn chính Từ đó ngườivận hành có thể theo dõi và điều chỉnh chiều dày ống sao cho luôn ổn định vàđồng đều

1.2.10 Thùng làm mát

Hình 1.5.Hình ảnh thùng làm mát

Sản phẩm ống nước PPR/HDPE sau khi đi ra khỏi thùng định hình chân khôngcần được làm mát và ổn định kích thước Với hệ thống tuần hoàn và phao kiểm soát,mực nước và nhiệt độ nước làm nguội luôn được ổn định và có thể điều chỉnh đảm bảo

quá trình làm nguội tốt nhất Nhiệt độ ống sau khi được làm mát là 37°C, nên ổn định

về cấu trúc kích thước, tạo thuận lợi cho quá trình in ống và kéo ống

1.2.11 Máy in ống

Hình 1.6 Hình ảnh máy in ống

Sản phẩm ống nước VIWAPICO được in logo Vnaconex và các thông tin về tiêu chuẩn sản xuất của công ty Thông tin in ấn được đảm bảo rõ nét nhờ máy in ống đời S8 của hãng Imaje-Pháp

1.2.12 Máy kéo ống

Hình 1.7.Hình ảnh máy kéo ống

Máy kéo ống liên tục đảm bảo quá trình sản xuất ống Tác dụng của máykéo không chỉ kéo ống liên tục mà còn điều chỉnh và ổn định trọng lượng mét

thước chính xác cho sản phẩm, đặc biệt là độ dày ổn định.

Máy kéo ống có thể kéo ống có đường kính lên đến 125mm và tốc độ kéođạt được 40m/phút

1.2.13 Máy cưa ống

Được thiết kế đặc biệt chuyên dụng cho việc cắt ống nhựa Với lưỡi cưahành tinh dịch chuyển đồng bộ với tốc độ đùn và hệ thống lực kẹp bằng xi lanhkhí nén, việc cắt ống sẽ cho vết cắt phẳng, vuông góc, mạt cưa được hút sạch sẽ.Chiều dài của ống thành phẩm sẽ được cài đặt tại máy đùn chính trong quá trìnhsản xuất

1.2.14 Máy cuộn ống

Hình 1.8 Hình ảnh máy cuộn ống

Máy cuộn ống cho phép cuộn ống HDPE đường kính lên đến 110mm Cuộn ống được cuộn chắc, đẹp và đặc biệt không làm méo ống

1.2.15.Sơ đồ công nghệ tạo sản phẩm ống

Hình 1.9 Sơ đô công nghệ tạo sản phẩm ống

1.3 Nguyên vật liệu

Nguyên vật liệu PPR (PolyProylene Random) và HDPE (High DensityPolyethylene) là loại nguyên liệu nhập khẩu 100%, tổng hợp từ các loại nguyênliệu chiết suất từ sản phẩm dầu mỏ là Propylen và Etylen Sản phẩm PPR kết hợpđược đặc tính đàn hồi tốt, chịu mài mòn, áp lực, va đập và chịu ăn mòn của PP

loại PE tỷ trọng cao, có các mạch phân tử sắp xếp khít với nhau và có khả năngchịu cường lực cao nhất trong các loại PE, ngoài ra, được bổ sung thêm than hoạttính nhằm tăng cường tính cứng cho vật liệu và hạn chế ảnh hưởng của tia tửngoại Nhờ các đặc tính trên nên các sản phẩm ống nước sản xuất từ PPR và HDPE

có ứng dụng tốt trong các hệ thống dẫn nước nóng và lạnh

1.4 Năng lực và tiêu chuẩn sản xuất

Đội ngũ sản xuất bao gồm đội ngũ kỹ sư tốt nghiệp chuyên ngành Polyme

và công nhân được các chuyên gia của Đức đào tạo và chuyển giao công nghệtrong lĩnh vực sản xuất ống và phụ kiện PPR/HDPE trực tiếp trên dây chuyền hiệnđại Sản phẩm VIWAPICO được đảm bảo chất lượng tốt nhờ sản xuất trên các tiêuchuẩn: tiêu chuẩn chất lượng DIN8077 đối với ống PPR và phụ kiện ống,EN12201-2 đối với ống HDPE và phụ kiện ống, tiêu chuẩn TC01 -02/2004 về vệsinh an toàn thực phẩm

1.5 Hệ thống cung cấp điện toàn nhà máy

Đường dây 22 kV cấp điện cho công ty VIWAPICO có chiều dài 8m mạchđơn Điểm đấu điện là cột trạm biến áp Nhà máy kính Vinaconex thuộc lộ473.E25-1 khu CN Quang Minh

Tuyến đường dây sẽ được kéo từ cột điểm đấu đến trạm biến áp 22±2x2.5%/0.4kV công ty VIWAPICO Từ trạm biến áp sẽ kéo đường dây xuống

lxl000KVA-tủ điện hạ thế 500V-1600A gồm 1 lộ tổng dùng máy cắt không khí hạ thế và 4 lộ racấp điện và bảo vệ cho các thiết bị, phụ tải lắp thiết bị lẻ có lỗ thông gió vỏ tủ sơntĩnh điện

Theo kết quả điều tra khảo sát và số liệu cung cấp phụ tải của nhà máy cóđặc tính sau:

Công suất phụ tải yêu cầu: P = 876kW

Hệ số sử dụng: Ksd = 0.8

Hệ số đồng thời: Kdt = 0.8

Hệ số công suất: Cos φ = 0.75

Thay vào ta có Stt = 971KVA

Với quy mô phụ tải trên chọn máy biến áp loại 22±2x2.5%/0.4kV, loại máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây, làm mát bằng đầu tuần hoàn

1000KVA-tự nhiên, tổ đấu dây Y/Y0-12

b) Cầu dao cao thế xuống máy biến áp

Đóng cắt điện vào trạm biến áp sử dụng bộ cầu dao cách ly 3 pha22kV/630A của Việt Nam sản xuất, thao tác bằng bộ truyền động cơ khí

c) Cầu chì cao thế bảo vệ máy biến áp

Bảo vệ chống ngắn mạch phía 22kV và máy biến áp sử dụng bộ cầu chì 1pha ngoài trời loại IIK-22kV của Việt Nam

Bảo vệ chống quá áp khí quyển dùng chống sét van HE-24 (Alstom)

d) Thanh dẫn đồng phía 22kV

Thanh dẫn đồng nối từ má dưới cầu dao cách ly 22kV tới và ty sứ cao thếMBA, dùng loại thanh dẫn đồng φ 8.

e) Cáp điện từ đầu cực hạ thế máy biến áp tới tủ hạ thế

Cáp tổng được chọn theo mật độ dòng điện cho phép cứ 2A/mm2 Dựa theokết quả tính toán chọn loại cáp đồng 1 lõi cách điện XLPE/PVC-0.6/1 KV-3xM(lx300)mm2 cho dây pha, loại cáp đồng 1 lõi cách điện XLPE/PVC-0.6/lKV-

Cáp từ tủ điện hạ thế sang tủ tụ bù dùng cáp đồng 1 lõi cách điệnXLPE/PVC-0.6/1KV-1 xM(1 x400)mm2 cho mỗi pha.

f) Tủ điện hạ thế

Tủ điện hạ thế 500V-1600A gồm 1 lộ tổng dùng máy cắt không khí hạ thế(do hãng LG sản xuất) và 4 lộ ra cấp điện và bảo vệ cho các thiết bị, phụ tải lắpthiết bị lẻ có lỗ thông gió vỏ tủ sơn tĩnh điện

g) Các tủ động lực

Bốn tủ động lực nhận điện từ tủ điện hạ thế cấp điện cho các bộ phận trongdây chuyền sản xuất và khu vực hành chính của công ty và bảo vệ cho các thiết bị.Các thiết bị và bộ phận được phân bố như sau:

- TĐL 1 bao gồm: tổ máy lạnh, tổ máy đùn (máy đùn chính và máy đùn phụ), Máy ép phun KM250, máy sấy

- TĐL 2 bao gồm: máy kéo ống, thùng làm mát, thùng định hình chân không, máy cưa ống, máy cuộn ống, máy bó ống

- TĐL 3 bao gồm: máy nén khí, hút liệu máy đùn, máy in, phòng thí nghiệm

1.5.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp điện của nhà máy

Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống cung cấp điện của nhà máy

1.5.3.Bù công suất phản kháng

Thiết bị tiêu thụ điện hạ thế có các động cơ công suất lớn, hệ số cos ϕthấp nên để nâng cao chất lượng điện năng, đảm bảo điện áp và chống tổn thấtđiện năng, công ty đã sử dụng giải pháp bù cos ϕ

Dung lượng bù được xác định theo công thức:

Qbù = P x (tgφ1 – tgφ2)

Trong đó : tgφ1 ứng với hệ số cos ϕ 1 = 0.75 của nhà máy trước khi bù

tgφ2 ứng với hệ số cos ϕ 2 = 0.9 của nhà máy sau khi bù Thay vào ta có Qbù = 351 (kVAr)

Dựa theo kết quả tính toán của nhà máy, chọn dung lượng bù là 360kVAr,đặt 01 tà tụ bù tự động 6 cấp /360kVAr tại thanh cái hạ thế 0.4kV được lắp đặt từcác thiết bị lẻ:

1 Đồng hồ đo hệ số công suất coscp Cái 1

13 Các vật liệu phụ khác

1.6 Giới thiệu máy đùn chính KRAUSS MEFFEI

1.6.1 Vai trò của Máy đùn Krauss Meffei trong dây chuyền sản xuất

Hình 1.11 Hình ảnh máy đùn Krauss mejfei

Máy đùn chính đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong dây chuyền sảnxuất của công ty VIWAPICO, điều khiển toàn bộ quá trình hoạt động của dâychuyền, truyền tín hiệu điều khiển đã được lập trình sẵn đến các bộ phận khác vànhận tín hiệu phản hồi từ các thiết bị đó về bảng mạch trung tâm để xử lý, giúp chotoàn bộ quá trình sản xuất đều được thực hiện tự động hoàn toàn Toàn bộ dâychuyền sản xuất tự động hoá của VIWAPICO mà vị trí điều khiển trung tâm là Máyđùn Krauss Meffei đã góp phần giảm thiểu nhân lực, đảm bảo an toàn lao động vàchất lượng của sản phẩm

1.6.2 Một số đặc tính kỹ thuật của Máy đùn Krauss Meffei

Hình 1.12 Hình ảnh bảng điều khiển của máy đùn Krauss meffei

Máy đùn Krauss Meffei được sản xuất ở CHLB Đức, bao gồm 01 động cơ

chính, 01 động cơ phụ, 01 trục vít chính chia đôi dòng nguyên liệu và 01 bộ phậnđúc hình theo đầu đùn Bên trong máy đùn có bộ phận chứa nhiên liệu nhận hạtnhựa từ bộ phận cân định lượng và bộ phận cảm biến quang học để tính toán chínhxác khối lượng nhựa cần thiết để chế tạo sản phẩm trong một chu trình sản xuất.Hạt nhựa qua bộ phận gia nhiệt nằm bên cạnh khoang chứa nhiên liệu được sấydưới nhiệt độ lớn để đưa vào bộ phận đúc hình và đưa ra dây chuyền Ngoài ra,máy đùn có 01 bộ điều khiển với bảng mạch chính và bộ vi xử lý ở bên trong đểđiều khiển toàn bộ dây chuyền sản xuất Nguồn điện được lấy từ tủ phân phối củacông ty về tủ điện 1 qua các hộp chạy dọc theo dây chuyền có aptomat và cầu chìbảo vệ dẫn về tủ điện của thiết bị

Thông số kỹ thuật

- Tổng công suất: p max = 316 kw, U = 380V, I max = 505A, Cos φ = 0.95

- Động cơ chính 1 chiều: pmax = 70 kW, Uđm = 220 (V), nđm = 1000 (vòng/ phút); η =0.85; số đôi cực p = 2

- Động cơ phụ: Pmax = 3,6 kW, Imax = 12A.

- Trục vít gia nhiệt chính: Pmax = 7,2 kW, Imax = 24A

- Bộ phận đúc hình: Pmax = 65 kW, Imax = 200A

- Bộ nguồn cấp điện chính: Pmax= 14,4 kW, Imax = 48A.

- Bảng điều khiển chính: gồm màn hình hiển thị và các nút bấm, dùng đểtruyền tín hiệu yêu cầu về kích thước ống, độ dài, mẫu mã, màu sắc xuống cácmáy móc trong dây chuyền, khi các bộ phận hoàn thành lệnh thì gửi trả tín hiệu

về cho bộ điều khiển và hiển thị trên màn hình

1.6.3 Sơ đồ công nghệ của máy đùn chỉnh Krauss Meffei

a) Thuyết minh

Nguồn điện 3 pha từ tủ điện hạ thế của công ty cấp điện cho tủ động lực 1 baogồm máy đùn chính Dòng điện chạy qua bộ chỉnh lưu cầu 3 pha cấp điện cho phầnứng động cơ điện của máy đùn Cuộn dây kích từ F1, F2 được cấp nguồn từ chỉnhlưu cầu 1 pha dùng điốt Máy phát tốc G được nối cứng với trục động cơ truyền tínhiệu phản hồi tốc độ về mạch điều khiển của máy đùn chính Khi nhận được tín hiệuphản hồi tốc độ, bộ điều khiển sẽ điều chỉnh tốc độ của máy đùn và bắt đầu quátrình đùn ống ra dây chuyền Bộ phận bảo vệ quá nhiệt X6 dùng để bảo vệ quánhiệt của cầu chỉnh lưu Khi nhiệt độ lên hơn giá trị cho phép thì tíêp điểm mở ra vàgửi tín hiệu tới mạch điều khiển để ngừng phát xung mồi cho cầu chỉnh lưu

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

2.1 Giới thiệu chung

Hình 2.1.Động cơ điện chiều

Hình 2.2:Mặt cắt dọc và mặt cắt ngang của động cơ một chiều

2.1.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều gồm có:

- Phần cảm (stato)

- Phần ứng (Roto)

- Hệ thống chổi than, vành góp

• stato: là phần đứng yên của máy, gồm các phần chính sau :

- Lõi sắt làm bằng lá thép kĩ thuật điện (thép cacbon) dày từ 0.5-1 mm, được

ép lại với nhau và tán chặt thành một khối các cực từ được gắn vào vỏ máy bằngcác bu lông, một cặp cực từ (đôi cực) gồm hai cực nam - bắc đặt đối xứng với nhau

qua trục động cơ, tuỳ theo động cơ mà động cơ có thể có 1,2,3, đôi cực Các máy

điện nhỏ cực từ được làm bằng thép khối

- Dây quấn kích từ: quấn bằng dây đồng có tiết diện tròn hoặc chữ nhậtđược sơn cách điện và được quấn thành từng cuộn Mỗi cuộn dây đều bọc cáchđiện kĩ thành một khối, đựơc tẩm sơn cách điện trước khi đặt lên cực từ

Hình 2.3 Cực từ chính

+ Cực từ phụ: đặt giữa các cực từ chính với tác dụng cải thiện đổi chiều, gồm:

+ Các bộ phận khác bao gồm :

-Nắp máy:

Nắp máy có tác dụng bảo vệ các chi tiết của máy tránh không cho các vậtbên ngoài rơi vào trong máy có thể làm hỏng cuộn dây, mạch từ Đồng thời nắpmáy để cách ly người sử dụng vói bộ phận của máy khi động cơ đang hoạt động.Ngoài ra nắp máy còn là giá đỡ ổ bi của trục động cơ

- Cơ cấu chổi than:

Cơ cấu chổi than để đưa dòng điện từ bên ngoài vào nếu là động cơ và đưadòng điện ra nếu là máy phát điện Cơ cấu chổi than gồm có hai chổi than làm từthan cacbon thường lá hình chữ nhật Hai chổi than được đựng trong hộp chổi than

và luôn tỳ lên hai vành góp nhờ hai lò xo Hộp chổi than có thể thay đổi được vị trísao cho phù hợp

• Roto: là phần quay của động cơ, bao gầm:

- Lõi sắt phần ứng

- Dây quấn phần ứng

- Cổ góp

- Các bộ phận khác

+ Lõi sắt phần ứng.

- Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ, thường được làm bằng tôn silic dày0,5mm có phủ một lóp cách điện sau đó được ép lại để giảm tổn hao dòng điệnxoáy Phucô gây lên Trên các lá thép có dập các rãnh để khi ép lại tạo thành cácrãnh đặt cuộn dây phần ứng vào Lõi sắt có hình trụ tròn và được ép cứng vào vớitrục tạo thành một khối thống nhất Trong các máy điện công suất trung bình trở lênngười ta thường dập các rãnh để khi ép lại tạo thành các lỗ thong gió làm mát cuộndây và mạch từ Trong những động cơ cỡ trung trở lên, người ta còn dập những lỗthông gió để khi ép lại thành lối sắt có thể tạo được lỗ thông gió dọc trục

Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành từng đoạnnhỏ Giữa các đoạn ray có để một khe hở gọi là khe thông gió ngang trục Khi động

cơ làm việc, gió thổi qua các khe làm mát dây quấn và lõi sắt Trong động cơ điệnnhỏ, lõi sắt phần ứng được ép chặt trực tiếp vào trục Trong động cơ điện lớn hơn,giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện

và giảm nhẹ trọng lượng rôto

Hình 2.4 Lõi sắt phần ứng

+ Dây quấn phần ứng:

- Để tránh khi quay bị văng ra so sức ly tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để

đè chặt hoặc phải đai chặt dây quấn Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakêlit

- Có tác dụng sinh ra một sức điện động và có dòng điện chạy qua Nó đượclàm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong động cơ điện nhỏ (công suất dưới vàiKW) thường dùng dây quấn có tiết diện tròn Trong động cơ điện vừa và lớn,thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây được quấn cách điện cẩn thận vớirãnh lõi thép

có cao hơn một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiếngóp được dễ dàng

+ Các bộ phận khác bao gồm:

- Cánh quạt: Dùng dể quạt gió làm nguội động cơ Động cơ điện một chiều

thường được chế tạo theo kiểu bảo vệ Ở hai đầu nắp động cơ có lỗ thông gió Cánhquạt lắp trên trục động cơ Khi động cơ quay, cánh quạt hút gió từ ngoài vào động

cơ Gió đi qua vành góp, cực từ, lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làmnguội động cơ

- Trục máy : Là bộ phận trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt, ổbi Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt

• Hệ thống chổi than - vành góp:

Dùng để đưa điện áp một chiều vào cuôn dây phần ứng và đổi chiều dòngđiện trong cuộn dây phần ứng Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ (một nửa

có cực tính dương, một nửa có cực tính âm)

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều

Từ trường của rotor cùng

cực với stator, sẽ đẩy nhau

tạo ra sự chuyển động

quay của rotor

Pha 2: Rotor tiếp tục quay

Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho

từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha 1

Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện 1 chiều

Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần: stato đứng yên và rôto quay so vớistato Khi cấp nguồn điện cho mạch kích từ động cơ, từ trường ừong mạch từ tạo ra

từ thông Φ trong động cơ Khi cấp dòng điện một chiều cho phần ứng của động cơ,mạch phần ứng sinh ra một mômen M làm cho rôto quay với 1 tốc độ ω Dòng điệnmột chiều được đưa vào rôto thông qua hệ thống chổi than và cổ góp

Cơ chế sinh lực quay của động cơ điện một chiều: khi có một dòng điện chảyqua dây quấn xung quanh một lõi sắt non, cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác độngbởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động bằng một lực hướngxuống theo nguyên lý bàn tay trái Fleming Các lực này gây tác động quay lên cuộndây, và làm cho rotor quay Để làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ

cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ Chỉ

có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức từ trường nghĩa làlực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90° so với phương ban đầu của nó.Khi đó rotor sẽ quay theo quán tính

2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

2.2.1 Phương trình đặc tính cơ

Hình 2.8 Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập

Khi động cơ làm việc, rotor mang cuộn ứng quay trong từ trường của cuộn

cảm nên trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức điện động cảm ứng E ư (hay còn gọi

là sức phản điện động) có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng của động cơ

Ta có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:

U ư = E ư + ( R ư + R f )I ư (1)

Trong đó: Uư: điện áp phần ứng (V)

Eư: sức điện động phần ứng (V)Rư: điện trở mạch phần ứng (Q)Rf: điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω))Iư: dòng điện mạch phần ứng (A)

Với R ư = r ư + r cf + r b + r ct

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

Rct: điện trở tiếp xúc của chổi điện Sức điện động Eư của phần ứng động cơ dược xác định theo biểu thức:

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

Mđt = KΦIư

suy ra: Iư =

M dt KΦ

Thay giá trị Iư vào (3) ta được phương trình :

ω= U u

KΦ−

R u+R f (KΦ )2 M dt

Nếu chúng ta bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ

bằng với mômen điện từ, ta ký hiệu M Nghĩa là M đt = M cơ = M.

ω= U u

KΦ−

R u+R f (KΦ )2 M

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Hình 2.9 Đường đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập

2.2.2 Ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ

Từ phương ừình đặc tính cợ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập tathấy có ba tham số ảnh hưởng tới đặc tính cơ của động cơ từ thông động cơ Φ, điện áp phần ứng Uư, và điện trở phần ứng Ru của động cơ Chúng ta sẽ lần lượt

đề cập những ảnh hưởng của các tham số này

*Ảnh hưởng của điện trở phần ứng:

Giả thiết Uư = Uđm = const và Φ = Φđm = const

Để thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng:

Như vậy khi thay đổi điện trở phụ Rf trong mạch phần ứng ta được một họ đặctính biến trở có dạng như hình dưới, ứng với mỗi phụ tải Mc nào đó, nếu Rf càng lớn thìtốc độ động cơ càng giảm Cho nên, người ta thường sử dụng phương pháp này để hạnchế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản.

Hình vẽ 2.10: các đặc tỉnh của động cơ một chiều khi thay đổi điện trở phụ

mạch phần ứng

*ảnh hưởng của điện áp phần ứ n g :

Giả sử từ thông Φ=Φđm = const và điện trở phần ứng Rư = const Khi thayđổi điện áp theo hướng giảm so với Uđm ta có:

Tốc đô không tải: ω ox=

Hình vẽ 2.11: các đặc tính cơ của động cơ 1 chiều khi thay đổi điện áp phần ứng

*Ảnh hưởng của từ thông:

Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm = const và điện trở phần ứng Rư = const

Để thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ Ikt động cơ Trong trường hợpnày tốc độ không tải lý tưởng và độ dốc đặc tính cơ đều thay đổi

Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông Nên khi

từ thông giảm thì ωox tăng còn β giảm Ta có một họ đặc tính cơ với ωox tăng dần

và độ cứng của đặc tính cơ giảm dần khi giảm từ thông

Đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiêu

2.3 Khởi động động cơ điện một chiều

Hình vẽ sơ đồ mở máy động cơ điện 1 chiều kích, từ độc lập qua 1 cấp

điện trở Lúc bắt đầu đóng điện cho động cơ, tốc độ động cơ còn bằng không nên dòng

điện động cơ lúc này ngắn mạch Và dòng ngắn mạch này được tính là rất lớn:

Để hạn chế dòng điện mở máy, ta dùng các biện pháp sau:

- Dùng điện trở phụ Rp Mắc điện trở phụ vào mạch phần ứng, dòng điện mởmáy phần ứng lúc có điện trở phụ thông thường là:

I nm= U dm

R u+R p≤(2÷2,5)I dm

Lúc đầu để điện trở phụ Rp lớn nhất, trong quá trình mở máy, tốc độ tăng lên,sức điện động Eư tăng và điện trở máy giảm dần đến 0, máy làm việc đúng điện ápđịnh mức

- Giảm điện áp đặt vào phần ứng:

Phương pháp này được sử dụng khi có nguồn điện một chiều có thể điềuchỉnh điện áp, ví dụ trong hệ thống máy phát động cơ, hoặc nguồn một chiều chỉnhlưu.

Cần chú ý rằng để mômen mở máy lớn, lúc mở máy phải có từ thông lớnnhất, vì thế các thông số mạch kích từ phải điều chỉnh sao cho dòng điện kích từ lúc

mở máy lớn nhất

2.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ

Ngày nay, để đảm bảo những đòi hỏi của các công nghệ phức tạp khác nhau,nâng cao mức độ tự động cũng như năng suất, các hệ truyền động điện thườngphải điều chỉnh tốc độ, tức là cần phải điều chỉnh được tốc độ máy theo yêu cầucủa công nghệ Có thể điều chỉnh tốc độ máy bằng phương pháp cơ khí hoặc bằngphương pháp điện thông qua việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện, nguồn động lựccủa hệ truyền động điện Ở đây ta chỉ xem xét việc điều chỉnh tốc độ theo phươngpháp điện

Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

ω= U u

KΦ−

R u+R f (KΦ )2 M

Có 3 cách điều chỉnh dựa vào các thông số của phương trình như : U ư ,Φ, R ư Ở

đề tài này, ta chỉ nghiên cứu hai phương pháp sau :

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng động cơ

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông động cơ

2.4.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đỗi điện áp phần ứng

Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện một chiều cần có thiết bịnguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiểncác thiết bị này có chức năng biến đổi lượng xoay chiều thành một chiều có suất

Hình vẽ 2.15: đặc tỉnh cơ của động cơ một chiều khi thay đổi điện áp phần ứng

Để xác định dải điều chỉnh tốc độ ta thấy rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bịchặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tính ứng với điện áp định mức và từ thông cũng giữ

ở giá trị định mức Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai

số tốc độ và mômen khởi động, khi mômen tải là định mức thì giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:

ωmax=ω0 max−M dm

|β|

ωmin=ω0 min−M dm

β

Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là:

Mnmmin = Mcmax = KM.MđmTrong đó: KM hệ số quá tải về mômen.

Do họ đặc tính cơ là những đường thẳng song song với nhau nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết:

rất tối ưu

- Từ các phương trình trên ta có thể tính được phạm vi điều chỉnh tốc độ

của phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng, giữ từ thông không đổi

2.4.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đỗi từ thông Khi thực hiện điều chỉnh tốc độ theo nguyên lý điều chỉnh từ thông động

cơ tức là ta điều chỉnh dòng điện kích từ của động cơ và trong trường hợp này

điện áp phần ứng được giữ không đổi, điều chỉnh dòng kích từ tức là điều chỉnh

Trong đó: rk- điện trở dây quấn kích từ

rb- điện trở nguồn điện áp kích thích, ω- số vòng dây của cuộn dây kích thích,

Hình 2.16: Đặc tính cơ khí điều chỉnh từ thông

- Khi điều chỉnh giảm từ thông để mở rộng vùng điều chỉnh tốc độ thì tathấy độ cứng của đặc tính cơ giảm rõ rệt, do vậy với những cơ cấu yêu cầu độ cứngđiều chỉnh cao thì phương pháp này gặp phải khó khăn

2.5 Ưu và nhược điểm của động cơ điện một chiều

2.5.1 Ưu điểm của động cơ điện một chiều

- Động cơ điện một chiều có phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng : động cơ điện

một chiều có thể điều chỉnh tốc độ thông qua việc thay đổi Rư, Uư, Φ nên tốc độđộng cơ có thể được chỉnh tốc trong miền dưới và trên tốc độ định mức.

- Chất lượng điều chỉnh tốc độ tốt, dễ điều chỉnh tốc độ : do động cơ

điện một chiều có đường đặc tính cơ dạng tuyến tính ( ω=

U u

K Φ−

R u+R f ( KΦ)2 M

)nên dễ dàng điều khiển tốc độ Đặc biệt là với động cơ điện một chiều kích từ độclập có phần kích từ và phần ứng là riêng biệt nên càng dễ cho việc điều khiển

- Chất lượng điều chỉnh tốc độ tốt : vì bộ biến đổi của động cơ điện mộtchiều có khả năng tạo ra sai số tốc độ nhỏ, độ trơn điều chỉnh mịn, dải điều chỉnhrộng

- Động cơ điện một chiều có dòng mở máy và momen mở máy nhỏ,

có khả năng quá tải về momen với Iưmở =

U

R u ; Imở = (1.5÷2)Idm ; M = K Φ.Iư

- Công suất của phía kích từ động cơ kích từ độc lập nhỏ hơn công suấtphần ứng động cơ Chính vì vậy nó vẫn được sử dụng trong các dây chuyền côngnghiệp

Ngoài những ưu điểm đó động cơ điện một chiều còn có cấu trúc mạch lực,mạch điều khiển đơn giản hơn so với các loại động cơ khác Chính vì vậy động cơđiện một chiều được sử dụng rất phổ biến trong các nghành công nghiệp yêu cầumomen mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ chính xác, bằng phẳng, phạm

vi điều chỉnh rộng như nghành cán thép, hầm mỏ

2.5.2 Nhược điểm của động cơ điện một chiều

- Cần nguồn một chiều

- Bảo quản cổ góp phức tạp

- Giá thành cao

Mặc dù có nhược điểm như trên, nhưng động cơ điện một chiều vẫn có vaitrò quan trọng trong việc sản xuất, phát triển công nghiệp và được sử dụng phổbiến trong cuộc sống

*Nhận xét:

Theo yêu cầu công nghệ đặt ra với dây chuyền sản xuất của công tyVIWAPICO thì việc ổn định tốc độ của động cơ đồng bộ máy là rất quan trọng,muốn thực hiện được điều đó cần phải có nguồn điện một chiều liên tục cấp chocuộn dây kích từ của động cơ Nếu thiết bị biến đổi cấp nguồn cho kích từ bị trụctrặc làm cho dòng điện kích từ không đủ (hoặc Ikt = 0) thì động cơ máy doa sẽ mấtđồng bộ Nguồn một chiều cấp cho cuộn dây kích từ phải có chất lượng tốt, có độđập mạch nhỏ, dòng điện một chiều có trị số lớn và dễ dàng thay đổi đáp ứng yêucầu phụ tải của động cơ Đặc điểm của cuộn dây kích từ là loại tải có điện cảm lớn,nên khi ngừng máy (hoặc có sự cố mất điện) năng lượng từ cuộn dây xả ra có thểhoàn trả lại lưới điện, thực hiện tiết kiệm năng lượng, lúc này bộ biến đổi làm việc

ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc Để việc điều chỉnh chế độ làm việc của bộ biến đổiđiện có thể thực hiện dễ dàng, ta lựa chọn sử dụng bộ biến đổi bằng chỉnh lưu cóđiều khiển

CHƯƠNG III THIỂT KẾ VÀ TÍNH TOÁN THÔNG SỐ MẠCH LỰC

3.1 Phân tích mạch chỉnh lưu

Hiện nay, mạch chỉnh lưu được ứng dụng rộng rãi, linh hoạt trong các bộ nguồn biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, có ưu điểm về kinh tế, đơn giản so với các hệ thống biến đổi khác Với hoàn cảnh kinh tế, đặc điểm, yêu cầu công nghệ và năng suất hoạt động của công ty VIWAPICO, ta phân

tích phương án “Chỉnh lưu cần 3 pha điều khiển đối xứng”.

3.1.1 Sơ đồ và đồ thị

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lỷ chỉnh lưu điều khiển đối xứng cầu ba pha