Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay

Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu Trong trình sản xuất truyền động điện có nhiệm vụ thực công đoạn cuối công nghệ sản xuất Đặc biệt dây truyền sản xuất tự động đại, truyên động điện đóng vài trò quan trọng việc nâng cao suất chất lợng sản phẩm Vì hệ truyền động luôn đợc quan tâm nghiên cứu nâng cao chất lợng để đáp ứng với yêu cầu công nghệ Ngày øng dơng tiÕn bé kü tht ®iƯn tư, tin học, hệ truyền động điện ngày phát triển có thay đổi đáng kể Đặc biệt công nghệ sẩn xuất thiết bị điện tử công suất ngày hoàn thiện nên biến đổi ®iƯn tư c«ng st hƯ trun ®éng diƯn kh«ng đáp ứng đợc độ nhanh, độ xác cao mà góp phần làm giảm kích thớc giá thành hệ Một hệ hệ truyền ®éng cđa ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu Do u ®iĨm động chiều điều chỉnh tốc độ nên động điện chiều đợc sử dụng rộng rÃi đặc biệt lĩnh vực nh giao thông vận tải, khí luyện kim việc điều khiển động điện chiều vấn đề quan trọng lĩnh vực truyền động điện Để điều khiển động điện có rÊt nhiỊu hƯ nh MF- §C, HƯ XA- §C, CL-§C Đối với hệ lại có u nhợc điểm riêng Khí chế tạo thiết bị điện tử công suất đòi hỏi có kiến thức không mạch động lực mà kiến thức mạch điều khiển tính chọn thiết bị cho hợp lý cần thiết Vì việc tìm hiều cách tỷ mỷ lĩnh vực điện tử công suất việc cần thiết, nên đề tài cđa em “ThiÕt kÕ bé ngn chØnh lu cho ®éng điện chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay đợc trình bày gồm chơng: Chơng 1: Tổng quan phơng pháp điều chỉnh tốc độ động Chơng 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực Chơng 3: Lựa chọn thiết kế mạch điều khiển Chơng 4: Thiết kế vòng kín theo nguyên lý tối u hóa module Do hạn chế nhiều mặt nên để tài không tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đợc góp ý, nhận xét thầy cô bạn Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo: Nguyễn Vũ Thanh, thầy cô môn TBĐ - ĐT, khoa SPKT bạn khóa đà nhiệt tình, quan tâm, giúp đỡ em trình thực đồ án Hà Nội, ngày 15 tháng năm 2009 Sinh viên Ngô Thị Nguyệt Anh Ngô Thị Nguyệt Anh S phạm kỹ thuật điện K50 Đồ án tốt nghiệp Mục lục Lời nói đầu Môc lôc Danh sách hình vẽ Mở đầu Chơng Tổng quan phơng pháp điều chỉnh tốc độ động 1.1 Động chiều phơng trình đặc tính .9 1.1.1 Động c¬ mét chiỊu 1.1.2 Phơng trình đặc tính 10 1.2 C¸c phơng pháp điều chỉnh tốc độ động chiỊu 13 1.2.1 Thay ®ỉi ®iƯn trë phơ 14 1.2.2 Thay đổi từ thông .15 1.2.3 Thay đổi điện áp phần øng .16 1.2.4 Nhận xét chung phơng pháp 17 CHƯƠNG lựa chọn thiết kế mạch động lực 19 2.1 Chọn sơ đồ mạch động lực 19 2.1.1 §iỊu chØnh tèc ®é trun ®éng ®iƯn 19 2.1.2 Khảo sát hệ truyền động chỉnh lu _ ®éng c¬ 21 2.1.3 Chän s¬ ®å chØnh lu nguån mét chiÒu 25 2.2 tính toán sơ đồ mạch động lực 35 2.2.1 TÝnh chän Thyristor : 36 2.2.2 TÝnh to¸n m¸y biÕn ¸p chØnh lu 37 2.2.3 ThiÕt kÕ cuén kh¸ng läc .50 2.2.4 Tính chọn thiết bị bảo vệ mạch động lực 58 Ngô Thị Nguyệt Anh S phạm kỹ thuật điện K50 Đồ án tốt nghiệp CHơNG 3: thiết kế mạch ®iỊu khiĨn 63 3.1 Yêu cầu nhiệm vụ mạch điều khiĨn 63 3.1.1 Yªu cầu mạch điều khiển: 63 3.1.2 Chức năng: 63 3.2 Nguyên tắc điều khiển .64 3.2.1 Nguyên tắc iu khin thng ng arccos: .64 3.2.2 Nguyên tc iu khin thẳng ng tuyn tính: 66 3.3 Sơ đồ khối mạch ®iỊu khiĨn .66 3.3.1 Khâu đồng pha 68 3.3.2 Khâu so sánh 70 3.33 Tạo xung chùm điều khiển 71 3.3.4 Khâu khuếch đại 73 3.4 Sơ đồ mạch điều khiển 75 3.4.1 Sơ đồ mạch ®iỊu khiĨn cđa Tiristor.(trang bªn) hinh3.11 75 3.4.2 Nguyªn lí hoạt động mạch điều khiển: .76 3.5 Tính toán mạch điều khiển 76 3.5.1 TÝnh biÕn ¸p xung: 77 3.5.2 Tính tầng khuếch đại cuối cùng: .78 3.5.3 Chän cæng AND: .79 3.5.4 Chän tơ C3 vµ R9: 80 3.5.5 TÝnh chän bé t¹o xung chïm: 80 3.5.6 Tính chọn tầng so sánh: 81 3.5.7 TÝnh chän khâu đồng pha: .82 3.5.8 Tạo nguồn nuôi: 82 3.5.9 TÝnh to¸n m¸y biÕn áp nguồn nuôi đồng pha: 83 Chơng 4: thiết kế mạch vòng kín theo nguyên lý tối u module 89 4.1 Khái quát chung điều khiÓn tèi u module 89 Ngô Thị Nguyệt Anh S phạm kỹ thuật điện K50 Đồ án tốt nghiệp 4.1.1 Sơ qua phơng pháp dùng khuếch đại tổng: .89 4.1.2 Phơng pháp điều khiển tối u module: .90 4.2 Mô hình hệ thống chỉnh lu_động đơn giản 90 4.2.1 Hàm truyền động chiều kích từ ®éc lËp: 91 4.2 Hµm trun cña bé thyristor 92 4.3 Nguyên lý điều khiển tối u modul 93 4.4 HÖ thèng điều khiển động chiều hai mạch vòng 97 4.5 Cấu trúc hệ tự động điều chỉnh tối u module hai mạch vòng 97 4.6 Mô hệ thống động chiều 99 kÕt luËn 109 tài liệu tham khảo 110 Ngô Thị Nguyệt Anh S phạm kỹ thuật điện K50 Đồ án tốt nghiệp Danh sách hình vẽ H.1.1: Sơ đồ nối dây động điện kích từ độc lập H.1.2: Đặc tính điện động điện chiều kích từ độc lập 10 H.1.3: Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập 10 H.1.4: Các đặc tính động điện chiều kích từ độc lập thay đổi Rf mạch điện phần ứng 12 H.1.5: Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập giảm từ thông 14 H×nh 1-2 Đặc tính điện động điện chiỊu kÝch tõ kÝch ®éc lËp 12 Hình 1-3 Đặc tính động điện chiều kích từ kích ®éc lËp .12 Hình - Các đặc tính động điện chiều kích từ độc lập thay đổi Rf mạch phần ứng .14 Hình1 - Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập giảm từ thông 16 Hình Các đặc tính động chiều kích từ độc lập 17 H.2.1 Sơ đồ nguyên lý biến đổi van 22 Hình 2-2 Đặc tính động hệ CL- Đ 24 Hình 2.3 ChØnh lu tia ba pha 27 Hình 2.4 Đờng cong điện áp tải gãc më α = 600 .28 H×nh 2.5 ChØnh lu tia s¸u pha 29 Hình 2.6 Chỉnh lu cầu ba pha ®iỊu khiĨn ®èi xøng 31 H×nh 2.7 ChØnh lu cầu ba pha điều khiển không đối xứng .33 Ngô Thị Nguyệt Anh S phạm kỹ thuật điện K50 Đồ án tốt nghiệp Hình 2-8 :Sơ đồ nguyên lí mạch động lực 35 Hình 2.11 Mạch động lực có thiết bị bảo vệ 58 Hình 2.12 Mạch R_C bảo vệ điện áp chuyển mạch .61 Hình 2.13 Mạch RC bảo vệ điện áp từ lới 61 Hình 2.14 Mạch cầu ba pha dùng điôt tải RC bảo vệ cắt MBA non tải 61 Hình 3.1 : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ARCCOS .65 Hình 3.2 Nguyên lý điều khiển chØnh lu 66 H×nh 3.4: H×nh dạng xung điều khiển Thyristor 67 Hình 3.5: Sơ đồ đấu dây biến áp đồng pha 69 Hình 3.8: Một số sơ đồ chùm xung 72 H×nh 3.12 Sơ đồ nguyên lí tạo nguồn nuôi 83 H3.13 Kích thớc mạch từ biến áp 85 Ngô Thị Nguyệt Anh S phạm kỹ thuật điện K50 Đồ án tốt nghiệp Mở đầu Tên đề tài Thiết kế nguồn chỉnh lu cho động điện chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay Lý chọn đề tài Trong năm gần kỹ thuật điện tử bán dẫn công suất lớn phát triển mạnh mẽ, thiết bị điện tử công suất có nhiều u điểm: có khả điều khiển rộng, có tiêu kinh tế cao, kích thớc trọng lợng thấp, độ tin cậy độ xác cao ứng dụng chúng vào việc biến đổi l ợng điều khiển điện áp dòng điện xoay chiều thành chiều ngợc lại ngày sâu, rộng Khi chế tạo thiết bị điện tử công suất đòi hỏi có kiến thức không mạch động lực mà kiến thức mạch điều khiển tính chọn thiết bị cho hợp lý cần thiết Hiện động chiều đợc sử dụng rộng rÃI lĩnh vực nh giao thông vận tải, khí, .do có u điểm ổn định tốc độ Vì việc điều khiển động chiều vấn đề quan trọng truyền động điện Vì đồ án nghiên cứu Thiết kế nguồn chỉnh lu cho động điện chiều kích từ độc lập để làm rõ động điện chiều kích từ độc lập Hy vọng đề tài giúp ích cho bạn muốn nghiên cứu động chiều Đối tợng mục tiêu nghiên cứu Đối tợng nghiên cứu: Động điện chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay Mục tiêu nghiên cứu: Thiết kế nguồn chỉnh lu cho động điện chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay Nhiệm vụ nghiên cứu Thiết kế mạch động lực cho động điện chiều Thiết kế mạch điều khiển cho động điện chiều Thiết kế mạch vòng kín theo nguyên lý tối u module ổn định tốc độ Phạm vi nghiên cứu §Ị tµi “ ThiÕt kÕ bé ngn chØnh lu cho động điện chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay dành cho sinh viên chuyên ngành điện trờng trung học chuyên nghiệp cao đẳng, đại học trung tâm đào tạo nghề điện Ngô Thị Nguyệt Anh S phạm kỹ thuật điện K50 Đồ án tốt nghiệp Phơng pháp nghiên cứu Tổng hợp phân tích lý thuyết làm sở thiết kế mạch động lực mạch điều khiển phù hợp với thông số yêu cầu, qua thiết kế mạch vòng kín theo nguyên lý tối u module điểu khiển để ổn định động Dự kiến kết cấu néi dung Dù kiÕn kÕt cÊu néi dung cđa ®Ị tài gồm chơng: Chơng Tổng quan phơng pháp điều chỉnh tốc độ động Chơng trình bày động chiều phơng pháp điều chỉnh tốc độ chúng Chơng Lựa chọn thiết kế mạch động lực Chơng trình bày sơ đồ mạch động lực từ lựa chọn mạch động lực phù hợp, qua tính toán sơ đồ mạch Chơng Thiết kế mạch điều khiển Chơng trình bày nhiệm vụ, yêu cầu nguyên tắc hoạt động mạch điều khiển qua lựa chọn mạch điều khiển đa thông số để tính toán mạch phù hợp với yêu cầu đề Chơng 4: Thiết kế mạch vòng kín theo nguyên lý tối u module Chơng trả lời cho câu hỏi: Thế nguyên lý tối u module? Mục đích làm gì? Xây dựng hàm truyền nào? Kết mô matlap sao? Dự kiến kết nghiên cứu Thiết kế mạch động lực, mạch điều khiển phù hợp với yêu cầu đặt Thiết kế mạch vòng theo nguyên lý tối u module để ổn định động Lĩnh vực ứng dụng Là tài liệu học tập cho sình viên ngành điện tìm đợc lời giải cần thiết nhận toán thiết kế nguồi điện tử công suất Là tài liệu tham khảo cho kỹ s cán nghiên cứu thiết kế, lắp đặt, sửa chữa, vận hành thiết bị điện tử công suất Ngô Thị Nguyệt Anh S phạm kỹ thuật điện K50 Chơng 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực Chơng Tổng quan phơng pháp điều chỉnh tốc độ động 1.1 Động chiều phơng trình đặc tính 1.1.1 Động chiều Cho đến động điện chiều dùng phổ biến hệ thống truyền động chất lợng cao, công nghiệp, giao thông vận tải nói chung thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục phạm vi rộng (máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ) Cấu tạo động điện chiều gồm có dây quấn phần cảm phần ứng Các dây quấn phần cảm có dòng điện chiều tạo nên từ trờng từ thông cực từ qua phần ứng Dây quấn phần ứng phần sinh sức điện động có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thờng làm dây đồng có bọc cách điện Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt hộp chổi than nhờ lò xo tì chặt lên cổ góp Kết cÊu cđa cỉ gãp gåm cã nhiỊu phiÕn ®ång cã đuôi nhạn cách điện với lớp mi ca hợp thành trụ tròn Chức vành góp chổi điện để làm khép mạch dòng điện dẫn phần ứng, dới cực đó, theo chiều đà cho, không phụ thuộc vào tốc độ đà cho Về phơng diện điều chỉnh tốc độ, động điện chiều có nhiều u việt so với loại động khác, có khả điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực , mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lợng điều chỉnh cao dải điều chỉnh tốc rộng Ngô Thị Nguyệt Anh S phạm kỹ thuật điện K50 Chơng 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực 1.1.2 Phơng trình đặc tính Ikt KT U Rf U =E + (R + Rf)I (1-1) Trong ®ã : U: điện áp phần ứng (v) E : sức ®iƯn ®éng phÇn øng (v) R : ®iƯn trë cđa mạch phần ứng () Rf : điện trở phụ mạch phần ứng, () I : dòng điện mạch phần øng Víi R = r + rcf + rb + rct r : điện trở cuộn dây phần ứng rcf : ®iƯn trë cn cùc tõ phơ rb : ®iƯn trë cn bï rct : ®iƯn trë tiÕp xóc cđa chổi điện Sức điện động E phần ứng động đợc xác định theo biểu thức: Eu = Ngô Thị Nguyệt Anh pN . = K . 2. a 10 (1-2) S phạm kỹ thuật điện K50 Chơng 3: Thiết kế mạch điều khiển * Giản đồ xung mở van tiristor: Ngô Thị Nguyệt Anh 87 S phạm kỹ thuật điện K50 Chơng 3: Thiết kế mạch ®iỊu khiĨn * S¬ ®å khèi ®iỊu khiĨn mét van( trang bªn) C31u R76k C210n N1 N2 V1 T1BF421C1 n + + OP1!OPAMP + R267k V R610k R810k U2 - V1 OP2!OPAMP U10 TR2 R930 T2!NPN + V8 + TR140m + + D31N1 83 U6(Uxc) V3 12 R1 0k R31k D4 N1 R1 U8(Utc)0 U2 N159 OP4uA741 V612 N1 N2 - R415 Rd - + V2-12 V4-12 U14081 - OP3!OPAMP + U9(Ud) L1 m D2 N1 D5 N1 ++ + R515k v212 + V UV 4(Urc) + + + V v412 U7(Ura) U3(Udb) V512 V V3-3.15 U5(Us ) V Ngô Thị Nguyệt Anh 88 S phạm kỹ thuật điện K50 Chơng 4: Thiết kế mạch vòng kín theo nguyên lý tối u Module Chơng 4: thiết kế mạch vòng kín theo nguyên lý tối u module 4.1 Khái quát chung điều khiển tối u module Thông thờng, hệ điều chỉnh động đợc thực theo hai phơng pháp sau: Phơng pháp dùng khuếch đại tổng Phơng pháp tối u modul mạch vòng 4.1.1 Sơ qua phơng pháp dùng khuếch đại tổng: Cấu trúc chung hệ điều chỉnh theo phơng pháp này: x Uđ KĐ X1 Đ BĐ X2 CB1 CB2 Trong đó: KĐ : Là khâu khuếch đại tổng BĐ : Bộ biến đổi tạo tín hiệu điều khiển Đ : Động CB1 : Bộ c¶m biÕn tÝn hiƯu x1 CB2 : Bé c¶m biÕn tín hiệu x2 Những hệ điều khiển đơn giản nhng có nhợc điểm lớn: Có sai số tÜnh ∆x Sai sè tÜnh nµy phơ thc tû lƯ nghịch với hệ số khuếch đại chung toàn hệ K: x = 1/K Ngô Thị Nguyệt Anh 89 S phạm kỹ thuật điện K50 Chơng 4: Thiết kế mạch vòng kín theo nguyên lý tối u Module Thời gian độ lớn, ảnh hởng số thời gian khâu quán tính hệ Việc hiệu chỉnh để tăng chất lợng động hệ khó đạt đợc tối u cho mạch phản hồi khác khâu hiệu chỉnh đợc đặt chung cho tất tín hiệu Do đó, hệ điều chỉnh tự động năm gần ngời ta sử dụng phơng pháp tối u modul 4.1.2 Phơng pháp điều khiển tối u module: + Mục tiêu hệ điều khiển tối u modul nhằm tạo hệ tự động sai số tĩnh ( sai số tĩnh nhỏ ), với đặc tính động tối u: + Thời gian độ tqđ tối thiểu + Trong thời gian độ gần nh dao động + Đặc biệt phơng pháp cho phép sử dụng khâu hiệu chỉnh đơn giản có khả đồng 4.2 Mô hình hệ thống chỉnh lu_động đơn giản Từ sơ đồ ta có mô hình sơ đồ khối hệ nh sau : U®k CL Ud Víi Ud = Ud0 cos (trong U d = Đ n π U sin ) π n Trong : U2 : điện áp hiệu dụng thứ cấp máy biến áp lực ( điện áp pha sơ đồ hình tia ba pha, điện áp dây sơ đồ hình cầu ba pha) Góc mở đợc điều chỉnh cách điều chỉnh Uđk Phơng trình đặc tính hệ nh sau : ω= Trong ®ã : Ud R­Σ − M k.φ dm ( k.φ dm ) R∑ = R + Rkh + RBA + Rv + Ngô Thị Nguyệt Anh n XBA 90 S phạm kỹ thuật điện K50 Chơng 4: Thiết kế mạch vòng kín theo nguyên lý tối u Module n = ( sơ đồ tia ba pha) n = ( sơ đồ cầu ba pha) 4.2.1 Hàm truyền động chiều kích từ độc lập: Ta xét phơng trình cân điện áp : u d = E + iR ­ + L ­ di ­ dt ud − E = i­R­ + L­ di ­ dt ViÕt díi d¹ng to¸n tư Laplace : Ud(p) – E(p) = I(p).R + L.p.I(p) Suy ra: I ­ (p ) = [ U d ( p ) − E(p )] Trong ®ã : E(p) = k.φ.ω(p) T= / R­ + T­ p (2 1) Lư Rư Mặt khác từ phơng trình cân momen : M Mc = J ⇒ dω dt kφ( I ­ − I c ) = J d dt Viết dới dạng toán tử Laplace : I ­ (p) − I c (p ) = J ω(p ) T kφ.p.ω(p ) p = c kφ R­ ⇒ ω( p ) = [ I ­ ( p ) − I c (p )] Víi : R ­ / kφ Tc p (2 − ) Tc = JR ­ ( kφ) h»ng sè thêi gian học động Tư = Lư Rư số K thời gian điện từ động Từ (2-1) (2-2) - E ta xây dựng đợc sơ đồ cấu trúc động cơ: Ud Ngô Thị Nguyệt Anh 91 -Ic S phạm kỹ thuật điện K50 Chơng 4: Thiết kế mạch vòng kín theo nguyên lý tèi u Module 4.2 Hµm trun cđa bé thyristor WCL (p ) = U d (p) K CL = K CL e − τp ≈ U dk (p ) + τp V× nÕu τp Tu = kΦ = LΣ = 0,026 s RΣ U u − Iu R u = 1,85 Wbp; dm Ngô Thị Nguyệt Anh ωdm = TC = 99 n dm 980 = = 102,62(rad / s) 9,55 9,55 JR Σ = 0,112(s) (k) S phạm kỹ thuật điện K50 Chơng 4: Thiết kế mạch vòng kín theo nguyên lý tối u Module 1, Hàm truyền động đợc xác định từ phơng trình sau, cho : U dk = f (ω ) E b = K CL e −τ s U dk = K CL U τ s + dk E b − E − IRu − Lu I s = → E b − E = IR u (1+ T u s ) VËy hµm truyền: Ngô Thị Nguyệt Anh 100 S phạm kỹ thuật điện K50 Chơng 4: Thiết kế mạch vòng kín theo nguyªn lý tèi u Module K CL = Ud0 218,5 = = 21,9 U dk max 10 1 = = 0,0033(s ) mf 2.3.50 21,9 F = 0,0033s + = Tổng hợp mạch vòng dòng điện có xét đến suất điện động: Ngô Thị Nguyệt Anh 101 S phạm kỹ thuật điện K50