điều khiển động cơ 1 chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay

đồ án chuyên ngành của ngành tự động hóa công nghiệp của trường đại học BK hà nội của PGS Võ Minh Chính, đề tài thuộc về hướng truyền động điện kết hợp vs điện tử công suất, điều khiển động cơ 1 chiều kích từ độc lập dùng bộ chỉnh lưu tiristo

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

Trong nền công nghiệp hiện đại, động cơ một chiều đang dần dần bị thay thế bởi động

cơ xoay chiều bởi các khuyết điểm của nó Tuy nhiên động cơ một chiều vẫn có một sốứng dụng quan trọng đặc thù trong một số trường hợp đặc biệt đòi hỏi khả năng điềukhiển chính xác cao

“Xây dựng hệ truyền động điện một chiều” là một đề tài cũ nhưng là hệ truyền động

cơ sở để xây dựng lên những hệ truyền động cho động cơ xoay chiều ba pha hiện đại Làmột sinh viên chuyên ngành tự động hóa, chúng ta cần phải hiểu rõ nhưng nguyên lý cốtlõi, những nền móng cơ sở sau đó mới có một nền tảng vững chăc để tiếp tục sang tạophát triển

“Xây dựng hệ truyền động điện một chiều” là một đề tài hay, cần kiến thức của nhiềumôn học như: điện tử công suất, điều khiển truyền động điện, điện tử số,… Trong quátrình tìm hiểu và thực hiện đề tài này cũng là một lần ôn tập và tìm hiểu sang tạo nhữngkiến thức của các môn học trên, rất cần thiết và bổ ích

Tuy đã rất cố gắng nhưng đồ án chắc chắn vẫn có nhiều vẫn đề cần bổ sung hoànthiện Em rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo trong bộ môn để đồ áncủa em có được hoàn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo – PGS Võ Minh Chính

đã tận tình chỉ bào hướng dẫn em trong suốt thời gian hoàn thành đồ án này, em xin chânthành cám ơn!

Sinh viên thực hiện

1. Giới thiệu chung về động cơ một chiều

1.1. Nguyên lý và phân loại động cơ điện một chiều

1.1.1. Nguyên lý.

Động cơ điện một chiều gồm 2 thành phần chính:

+ Phần cảm: bố trí ở phần tĩnh có các cuộn dây kích từ sinh ra từ thông Φ

+ Phần ứng: là phần quay nối với điện áp lưới qua vành góp và chổi than

Tác động giữa từ thông Φ và dòng điện phần ứng Iư tạo nên mô men quay động cơ.Khi động cơ quay, các thanh dẫn phần ứng cắt qua từ thông Φ tạo nên sức điện động Eư

Sơ đồ nguyên lý của động cơ một chiều kích thích từ độc lập được biểu diễn như sau:

Hình 1 : đông cơ một chiều kích thích từ độc lập

1.1.2. Phân loại.

Động cơ điện một chiều được phân thành 4 loại dựa theo cách thiết kế thành phần kích

từ như sau:

- Động cơ một chiều kích thích từ nối tiếp

- Động cơ một chiều kích thích từ song song

- Động cơ một chiều kích thích từ độc lập

- Đông cơ một chiều kích thích từ hỗn hợp

Ta có phương trình cân bằng điện áp phần ứng như sau:

Hình 2: đồ thị đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc

lập.

1.3. Các phương án điều khiển tốc độ

Từ (1) nhận thấy để điều chỉnh tốc độ động cơ ( tức là ω ) ta cần điều chỉnh điện ápphần ứng ( Uư ) hoặc từ thông động cơ ( Φ ) Từ đó ta có các phương án điều chỉnh tốc

độ như sau

1.3.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch phần ứng.

Trong phương pháp này người ta giữ U = Uđm , Φ = Φđm và nối them điện trở phụvào mạch phần ứng để tăng điện trở (Rf) phần ứng

Độ cứng đặc tính cơ: β =

Ta thấy khi điện trở lớn thì β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đó càngmềm hơn

Hình 3: đồ thị đặc tính cơ của pp thay đổi điện trở phần ứng.

1.3.2. Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng.

Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều ta cần có thiết bị nguồn nhưmáy phát điện một chiều, các bộ chỉnh lưu điều khiển… Các thiết bị nguồn này có nhiệm

vụ biến năng lượng xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh được nhờtín hiệu điều khiển Uđk Vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biếnđổi này có điện trở trong Rb khác không

Hình 4: sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập

Vì từ thông của động cơ được coi là không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũngkhông đổi, còn tốc độ không tải phụ thuộc vào giá trị của điện áp điều khiển Uđk của hệthống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là ưu việt

Vậy khi thay đổi Uđk thì Eb sẽ thay đổi theo dẫn đến ta sẽ có các đường đặc tínhsong song với đường đặc tính tự nhiên

Hình 5: đồ thị dải điều khiển của phương án điều chỉnh điện áp phần ứng

1.3.3. Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ.

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh momenđiện từ của động cơ M = KΦIư và sức điện động quay của động cơ Eư = KΦω Mạch kích

từ của động cơ là mạch phi tuyến, vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi tuyến

Hình 6: đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh từ thông và quan hệ Φ(i kt )

2. Lựa chọn và tính toán bộ biến đổi

2.1. Phân loại và lựa chọn bộ biến đổi

Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiềubao giờ cũng cần có bộ biến đổi Các bộ biến đổi này này cấp cho mạch phần ứng đọng

cơ hoặc mạch kích từ động cơ Cho đến nay, trong công nghiệp sử dụng bốn loại bộ biếnđổi chính như sau:

- Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điệnkhuếch đại (MĐKĐ)

- Bộ biến đổi điện từ: khuếch đại từ (KĐT)

- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: chỉnh lưu tiristo (CLT)

- Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristo hoặc tranzito (BBĐXA)

2.1.1. Hệ truyền động máy phát – động cơ một chiều (F-Đ).

Hệ thống máy phát – động cơ là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi là máy phátđiện một chiều kích từ độc lập Máy phát thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ bapha quay và coi tốc độ quay của máy phát là không đổi

Tính chất của máy phát điện được xác định bởi hai đặc tính: đặc tính từ hóa là sựphụ thuộc giữ sức điện động máy phát vào dòng điện kích từ và đặc tính tải là sự phụthuộc của điện áp trên hai cực của máy phát vào dòng điện tải

Khi điều chỉnh dong điện kích từ của máy phát thì điều chỉnh tốc độ không tải của

hệ thống còn độ cứng của đặc tính thì giữ nguyên Cũng có thể điều chỉnh dòng kích từphần ứng của động cơ để có dải điều chỉnh tốc độ rộng hơn

Hình 7: hệ truyền động máy phát động cơ.

 Nhận xét chung về hệ F-Đ

Ưu điểm nổi bật của hệ F-Đ là sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khảnăng quá tải lớn Do vậy thường sư dụng hệ truyền động này trong các mỏ khai tháctrong công nghiệp mỏ.

Nhược điểm quan trọng nhất của hệ truyền động F-Đ là dung nhiều máy điện quay,gây tiếng ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất bằng ba lần công suất động cơ chấphành, khó điều chỉnh tốc độ

2.1.2. Hệ thống chỉnh lưu - động cơ một chiều.

Trong hệ thống chỉnh lưu - động cơ một chiều bộ biến đổi là các mạch chỉnh lưuđiều khiển có sđđ Ed phụ thuộc vào giá trị của pha xung điều khiển (góc điều khiển).Chỉnh lưu có thể dung làm nguồn điện áp phần ứng hoặc dòng điện kích từ động cơ Tùytheo yêu cầu cụ thể của truyền động mà chúng ta có thể chọn các sơ đồ chỉnh lưu thíchhợp Để phân biệt chúng ta có thể căn cứ vào các dấu hiệu như sau:

- Số pha: 1 pha, 3 pha, 6 pha,

- Sơ đồ nối: hình tia, hình cầu, đối xứng và không đối xứng

- Số nhịp: số xung áp đập mạch trong thời gian một chu kỳ điện áp nguồn

- Khoảng điều chỉnh

- Chế độ năng lượng: chỉnh lưu, nghịch lưu phụ thuộc

- Tính chất dòng tải: liên tục, gián đoạn

- Chê độ làm việc của chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển và các tínhchất của tải

Hình 8: sơ đồ hệ thống chỉnh lưu - động cơ một chiều.

 Nhận xét chung về hệ thống chỉnh lưu – động cơ điện một chiều

Ưu điểm của hệ thống chỉnh lưu – động cơ có độ tác động nhanh, không gây ồn ào và

dễ tự động hóa, do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất cao, vì vậy rất thuậntiện cho việc thiết lập hệ thống tự động điều chỉnh để nâng cao chất lượng các đặc tínhtĩnh và các đặc tính động của hệ thống Hơn nữa hệ chỉnh lưu – động cơ có kích thước vàtrọng lượng nhỏ gọn

Nhược điểm của hệ thống chỉnh lưu - động cơ là có các van bán dẫn là các phần tửphi tuyến, do đó dạng điện áp chỉnh lưu ra có biên độ đập mạch cao, gây nên tổn thấttrong máy điện

2.2. Tính toán bộ biến đổi

2.2.1. Lựa chọn bộ chỉnh lưu.

Qua những tính toán về ưu điểm cũng như nhược điểm của các bộ chỉnh lưu công suấtcùng với yêu cầu công nghệ của hệ truyền động động cơ 1 chiều, ta chọn lựa sử dụng bộ

“chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển”:

Hình 9: sơ đồ và đồ thị các tín hiệu của chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển.

Giá trị điện áp trung bình Udα = Ud0 cosα

với U2 = , thay vào (1) ta được

Ulv = knv (2)Trong đó : Ud, U2 , Ulv lần lượt là điện áp tải, điện áp nguồn thứ cấp và điện áp ngược cuả van

Ud = 48 V

knv = là hệ số điện áp ngược ở sơ đồ cầu ba pha thì: knv = = 1,414

Ku = là hệ số điện áp tải ở sơ đồ cầu ba pha thì ku = = 0,9

Thay các số liệu vào (2) ta được :

- Dòng điện làm việc của van

Dòng điện làm việc của van được chọn thông qua dòng điện hiệu dụng chạy qua van Ilv = Ihd Dòng điện hiệu dụng được tính bằng : Ihd = khd Id

Trong đó:

Id: dòng điện tải hay dòng điện ở đầu ra của chỉnh lưu

Ihd: dòng điện hiệu dụng chảy qua van

khd: hệ số xác định dòng điện hiệu dụng

Với mạch chỉnh lưu cầu 3 pha thì khd = = Vậy : Ilv = Ihd = khd Id = = 55,15 (A)

Để van bán dẫn có thể làm việc an toàn, không bị đánh thủng về nhiệt thì cần phải

có hệ thống toả nhiệt làm mát cho van Ở đây, ta chọn phương thức làm mát là dùng cánh tản nhiệt với đủ diện tích bè mặt cho phép, không quạt đối lưu không khí Với phương thức này dòng điện làm việc của van :

Ilv = (20 – 30)% Idmvan

Trong đó : Idmvan là dòng điện định mức của van ở đây ta chọn Ilv = 25% Idmvan

Idmvan = ki Ilv = 4.55,15 = 220 (A)

Dựa trên 2 thông số của van là: U nv = 135,7 V , Idmvan = 220 A ta chọn được tiristor

là loại NLC176M có các thông số như sau:

+ Điện áp ngược max: Unmax= 250 V

+ Dòng điện định mức: Idm = 200 A

+ Dòng điện xung điều khiển max: Idkmax = 150 m A

+ Điện áp xung điều khiển max: Udkmax = 3 V

+ Dòng điện rò max: Irmax = 17 m A

+ Độ sụt áp của van max: ΔUmax = 3 V

+ Thời gian chuyển mạch: tcm = 20 µs

+ Nhiệt độ lớn nhất mà van chịu được: Tmax = 125 °C

* Tính toán máy biến áp

- Pdmax = Ud0 Id = 48 78 = 3,744 kW

- Sba = ks Pdmax

Sba là công suất biểu kiến của biến áp

ks : hệ số công suất với sơ đồ cầu ba pha thì ks = 1,23

Nên Sba = 1,23 3,744 = 4,605 kW

- Điện áp của cuộn thứ cấp là: U2 = = = 53,3 V

- Dòng điện chảy trong cuộn thứ cấp: I2 = = 78 A

- Dòng điện chảy trong cuộn sơ cấp: I1 = kba I2 = = = 10,94 A

3.1. Cấu tạo của hệ thống điều khiển

Hình 10: sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống điều khiển.

Sơ đồ cấu trúc của hệ thống driver điều khiển cho các bộ biến đổi phụ thuộc theonguyên tắc điều khiển dọc chỉ như hình trên Trong các bộ biến đổi phụ thuộc các tiristođược điều khiển mở bởi các xung tại các thời điểm, chậm pha so với điểm chuyển mạch

tự nhiên một góc α, gọi là góc điều khiển Điểm chuyển mạch tự nhiên của mạch chỉnh

lưu một pha là điểm điện áp nguồn qua không Vì vậy khâu đầu tiên trong hệ thống điềukhiển là khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo điện áp tựa, đồng bộ với điện áp lưới, nghĩa làcho phép xác định giá trị đầu của góc điều khiển α Khâu tạo xung và khuyếch đại xung

sẽ tạo ra xung có đủ biên độ, độ rộng để đưa đến các tiristo trong mạch lực Xung truyềnđến cực điều khiển của tiristo qua các mạch cách ly dung biến áp xung hoặcphotocoupler

3.2. Thiết kế tính toán mạch điều khiển

0 u2

u3

Hình 11: sơ đồ thiết kế mạch điều khiển.

Hình 12: biểu đồ xung điều khiển.

3.2.1. Lựa chọn các khâu của mạch điều khiển.

3.2.1.1. Khâu đồng bộ

-

-14

Nửa chu kỳ đầu Uba2 >0 và Uba2' < 0 Đ1 dẫn 

Nửa chu kỳ sau Uba2 <0 và Uba2' > 0 Đ2 dẫn 

Ta được điện áp U2 như hình vẽ 4.11

+ Điện áp U2 được đưa vào cổng đảo so sánh với điện áp U0 đưa vào cực khôngđảo của khuếch đại thuật toán

Nếu U2 < Up thì U3 = + Ubh (V)

Nếu U2 > Up thì U3 = -Ubh (V)

+ Điện áp ra U3 là xung đồng bộ có dạng xung chữ nhật

+ Điều chỉnh Rx1 để thay đổi điện áp U0 đưa vào cực không đảo từ đó thay đổi độrộng xung dương của xung đồng bộ Ta điều chỉnh biến trở Rx1 để độ rộng xung dương lànhỏ nhất

3.2.1.2. Khâu tạo điện áp tựa (xung răng cưa)

+ Điện áp ra bằng điện áp tụ C và bằng:

U4 = UC = = =

Như vậy điện áp trên tụ C tăng trưởng tuyến tính tạo nên sườn lên của xung răng cưa Ta điều chỉnh biến trở Rx2 để thay đổi điện áp ngưỡng từ đó thay đổi độ dốc sườn lên của xung răng cưa Transitor có tác dụng khoá không cho dòng điện chạy về phía U4

+ Khi U3 > 0 thì D3 khoá, Transitor mở điện áp từ cực dương của tụ (U4) xả nhanh

về cực âm tạo nên độ dốc thẳng đứng của sườn xuống

Ura = k0(U4 - Uđk )

+ Khi Uđk < U4 thì điện áp ra là dương bão hoà U5 = Ura = +Ubh

+ Khi Uđk > U4 thì điện áp ra là âm bão hoà U5 = -Ubh do có diode D4 nên lúc này

U5 = 0v

3.2.1.4. Khâu tạo xung

- Mạch tạo xung chum.

+ 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) làmtăng tổn hao trên biến áp xung và Thyristor

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

có nhiều van bán dẫn

+ Để giải quyết vấn đề trên, có thể thay xung điều khiển liên tục bằng xung giánđoạn, cụ thể là: chùm xung liên tiếp, từ thời điểm mở van cho tới cuối bán kỳ Nguyên lý

để thực hiện là băm xung liên tục thành chùm xung gián đoạn với tần số cao (khoảng10kHz) Trong kỹ thuật, phương pháp này dễ thực hiện hơn so với phương pháp cấp xungliên tục

- Mạch tách xung.

+ Nhiệm vụ: Tách xung chùm, cấp xung kích mở cho các Thyristor đúng thời điểm+ Nguyên lý hoạt động:

• Cặp diode D4, D4’ luôn giữ cho điện áp giữa 2 đầu đảo và không đảo củakhuyếch đại thuật toán là 0,7v.

Hình 17: sơ đồ và đồ thị mạch tách xung.

• Diode D5 , D5’ có nhiệm vụ loại bỏ phần xung âm trước khi cấp tín hiệucho cổng AND

3.2.1.5. Khâu khuếch đại xung

Hình 18: sơ đồ khâu khuếch đại.

- Sơ đồ nối darlington 2 Transitor Tr1 và Tr2 có nhiệm vụ khuếch 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, đảmbảoan toàn cho các linh kiện điện tử

- Diode D6 và điện trở công suất R14 có nhiệm vụ khép mạch 2 đầu sơ cấp BAX tiêután dòng điện khi Tr1 và Tr2 khóa từ đó bảo vệ cuộn sơ cấp BAX

- Um là điện áp đặt vào 2 cực G-K của Thiristor.

3.2.2. Tính toán các phần tử mạch điều khiển.

Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Thyristor Các thông

số cơ bản để tính mạch điều khiển :

+ Điện áp điều khiển Tiristo : Uđk = 5 V

+ Dòng điện điều khiển : Iđk = 200 mA

+ Điện áp nguồn cấp mạch điều khiển : ± 125V

3.2.2.1. Khâu đồng pha và tạo điện áp tựa

t1 Thời gian có xung đồng bộ âm ( thời gian tụ điện nạp: sườn lên)

t2 Thời gian có xung đồng bộ dương (thời gian tụ xả : sườn xuống)

t1 + t2 = 0,01 s+ Để dải điều chỉnh góc mở Thyristor là lớn nhất từ 0 ÷ Uđm, điều chỉnh biến trở

RX1 sao cho xung đồng bộ dương có bề rộng là nhỏ nhất(t2<< t1)

+ Chọn t2 = 0,001 (s) = 1ms

t1 = 0,009 (s) = 9 ms

+ Chọn tụ C1 là loại tụ gốm 104 có giá trị điện dung C = 0,1µF

+Chọn điện áp đỉnh răng cưa Urc là 10V

Trong thời gian tn điện áp trên tụ tăng từ 0 V đến giá trị điện áp ngưỡng Ud = 10 V, nên trong khoảng thời gian t1 = 9 ms, ta có :

d 1 1

U t x2 R bh

- Chọn cổng AND:

Toàn bộ mạch điều khiển phải dùng 3 cổng AND nên ta chọn IC : CD 4081 tích hợp 4 cổng AND có các thông số sau:

- Điện áp nguồn cấp: Vcc = 3 ÷ 20 V.;

- Điện áp đầu vào : VIn = 0 ÷ VCC + 0,5

- Dòng điện đầu vào : IIn = ±10mA

- Nhiệt độ làm việc - 55o÷ 125o

- Điện áp ứng với mức logic 1: 15 V

- Công suất tiêu thụ P = 500mWChọn Vcc = 15V

+ Từ công thức ( 4-2 ):