nghiên cứu và thiết kế hệ thống truyền động điện bằng xung áp một chiều

Đồ án tốt nghiệp Lời cam đoan Em xin cam đoan đề tài tốt nghiệp em tự thiết kế dới hớng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến Các số liệu kết đề tài hoàn thành trung thực Để hoàn thành đồ án này, em sử dụng tài liệu tham khảo đợc ghi bảng tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu khác mà không đợc liệt kê phần tài liệu tham khảo Sinh viên Phạm Văn Thể SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 Đồ án tốt nghiệp Mục lục Trang Lời cam đoan Mở đầu Chơng I: Tổng quan điều chỉnh tốc độ động chiều Đ1 Đặc tính động chiều Khái niệm đặc tính Đặc tính động chiều kích từ độc lập Đ2 Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động chiều 1.1 Điều chỉnh điện áp phần ứng 1.2 Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động Đ Các hệ truyền động điện động chiều 10 Hệ truyền động F - Đ 10 Hệ truyền động T - Đ 11 Chơng 2: Phân tích nguyên tắc điều chỉnh động xung áp chiều 15 Đ1 Điều chỉnh xung áp mạch đơn 15 Sơ đồ nguyên lý 15 Phơng trình đồ thị điện áp dòng điện .16 Đặc tính 20 Đ2.1 Điều chỉnh xung áp Mạch kép 22 Sơ đồ nguyên lý 22 Phơng trình đồ thị dòng điện điện áp .24 Đặc tính 26 Đ3 Điều khiển đối xứng 27 Sơ đồ nguyên lý .27 Đồ thị dòng điện điện áp 28 Đặc tính động 29 Đ4 Điều khiển không đối xứng 29 Chơng III: Tính toán phần tử mạch lực 31 Đ3.1 Mô tả sơ đồ mạch lực .31 Đ3.2 Tính chọn mạch điều chỉnh điện áp .32 Tính chọn phần tử chỉnh lu cầu pha hai nửa chu kỳ 32 SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 Đồ án tốt nghiệp Chơng IV: Thiết kế mạch điều khiển 37 Đ4.1 Phân tích sơ đồ .37 Sơ đồ .37 Phân tích sơ đồ .38 Chơng V: Thiết kế hệ thống kín 45 Đ5.1 Đặc tính hệ thống hở 45 Xây dựng phơng trình đặc tính .45 Đồ thị 45 Đ5.2 Tính toán hệ kín 46 Sơ đồ .46 Phơng trình đặc tính hệ thống kín 46 Đ5.3 Tính chọn hệ thống kín 47 Đ5.4 Tính toán sơ đồ điều chỉnh khâu ngắt 52 Kết luận 54 Tài liệu tham khảo .55 SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 Đồ án tốt nghiệp Mở đầu Trong năm gần đây, xu công nghiệp hoá, đại hoá mang lại nhiều thay đổi cho đất nớc Đặc biệt ngành tự động hoá có nhiều tiềm phát triển to lớn lĩnh vực sống Tự động hoá mang lại nhiều lợi ích cho ngời nh tăng suất lao động, giảm công nhân đặc biệt môi trờng độc hại tự động hoá đảm nhận Trong phần lớn nhà máy, phân xởng có góp mặt tự động hoá Trong dây truyền sản xuất, máy móc sử dụng truyền động điện xung áp chiều nhiều Sử dụng hệ thống độ an toàn cao Đồ án đề cập đến vấn đề nghiên cứu thiết kế hệ thống truyền động điện xung áp chiều Nội dung đồ án chia làm chơng: Chơng I: Tổng quan điều chỉnh tốc độ động chiều Chơng II: Phân tích nguyên tắc điều chỉnh động xung áp chiều Chơng III: Thiết kế mạch lực Chơng IV: Thiết kế hệ thống kín Chơng V: Tính toán phần tử mạch lực Đồ án thực với giúp đỡ thầy giáo Nguyễn Mạnh Tiến thầy cô môn Nội dung đồ án chắn nhiều thiếu sót mong thầy, cô giáo đóng góp bổ sung để đồ án đợc hoàn thiện Sinh viên Phạm Văn Thể SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 Đồ án tốt nghiệp Chơng I: Tổng quan điều chỉnh tốc độ động chiều Đ1 Đặc tính động chiều Khái niệm đặc tính Đặc tính động điện quan hệ tốc độ quay momen động ta có đặc tính tự nhiên động cơ, động vận hành chế độ định mức Đặc tính nhân tạo động đặc tính ta thay đổi tham số nguồn nối thêm điện trở, điện kháng vào động Để đánh giá đặc tính so sánh ngời ta đa khái niệm độ cứng đặc tính = M (1.1) (3) (2) AM (1) M Hình 1.1 SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 Đồ án tốt nghiệp Đặc tính động chiều kích từ độc lập Sơ đồ nguyên lý hình 1.2 + - Uư E Rf Ckt I Rkt Ikt + - Ukt Hình 1.2 a Phơng trình đặc tính U = E + (R + Rf) I Trong đó: U: điện áp phần ứng (V) E: sức điện động phần ứng (V) R: điện trở mạch phần ứng () Rf: điện trở phụ mạch phần ứng () I: dòng điện mạch phần ứng (A) Suất điện động E đợc tính E= P.N = k 2.a (1.3) K: hệ số cấu tạo động : từ thông kích từ dới cực : tốc độ góc Nếu bỏ qua tổn thất tổn thất thép Ta có Mtt = Mđc = M SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 (1.4) Đồ án tốt nghiệp Ta có Mtt = K..I (1.5) Dẫn đến = U Rư + R f M K ( K ) (1.6) Giả sử = const ta có đồ thị đặc tính có dạng nh hình 1.3 đm đm nm M Hình 1.3 Khi = Ta có U = I nm Rư + R f (1.7) M = K .Inm = Mnm (1.8) I= Inm, Mnm dòng momen ngắn mạch Đ2 Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động chiều Có hai phơng pháp điều chỉnh tốc độ động chiều a Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động b Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động 1.1 Điều chỉnh điện áp phần ứng Điều chỉnh điện áp phần ứng động chiều cần có thiết bị nguồn máy phát điện chiều kích từ độc lập, chỉnh lu điều khiển Các SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 Đồ án tốt nghiệp thiết bị nguồn có chức biến lợng điện xoay chiều thành chiều Rb BBĐ Đ Eb Rưđ I U Eư Hình 1.5 chế độ xác lập viết đợc phơng trình đặc tính hệ thống nh sau: Eb E = I (Rb + Rđ) = ( Rb + Rưđ ) Eb Iư K đm K đm (1.12) Để xác định dải điều chỉnh tốc độ Ta thấy tốc độ lớn hệ thống bị chặn đặc tính cơ Tốc độ nhỏ dải điều chỉnh bị giới hạn yêu cầu sai số tốc độ momen khởi động Khi momen tải định mức giá trị lớn nhỏ hệ thống là: max = o max Mđm (1.13) = o max Mđm (1.14) Để thoả mãn khả tải đặc tính thấp điều chỉnh phải có momen ngắn mạch Mnmmin = Mcmax = KM.Mđm Đồ thị đặc tính đờng thẳng song song nh hình 1.6 SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 Đồ án tốt nghiệp 0max max 0min Mđm Mnmmin M,I Hình 1.6 Trong suốt trình điều chỉnh điện âp phần ứng từ thông kích từ đợc giữ nguyên, Mômen cho phép động đợc tính: Mcp = K.đm.Iđm = Mđm (1.16) 1.2 Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ la điều chỉnh từ thông kích từ Để điều chỉnh ta phải điều chỉnh momen điện từ động M= KI sức điện động quay động Vì mạch kích từ động phi tuyến, hệ điều chỉnh hệ phi tuyến ik = ek d + k rb + rk dt (1.17) rk: điện trở dây quấn kích từ rb: điện trở nguồn điện áp kích từ k: số vòng dây dây quấn kích thích Thờng điều chỉnh từ thông điện áp phần ứng đợc giữ nguyên đm Tốc độ lớn dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế khả chuyển mạch cổ góp điện SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 Đồ án tốt nghiệp Đ Các hệ truyền động điện động chiều Hệ truyền động F - Đ Hệ thống máy phát động F - Đ hệ truyền động điện mà biến đổi điện máy phát điện chiều kích từ độc lập, máy phát thờng động sơ cấp không đồng ba pha điều khiển quay máy phát đợc xác định hai đặc tính Đặc tính từ hoá Đặc tính tải Trong tính toán tuyến tính hoá đặc tính EF = KF F F = KF F C.iKF (1.18) Trong đó: KF: hệ số kết cấu máy phát C: hệ số góc đặc tính từ hoá Sơ đồ hệ F - Đ ĐK I F UF = Uđ Đ MS Hình 1.7 Nếu đặt R = RF + RĐ Ta viết đợc phơng trình đặc tính hệ F - Đ = KF R.I U KF K K SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 (1.19) 10 Đồ án tốt nghiệp IC1 +U1max t -U1max IC2 +U2max -U1max IC3 Hình 4.9 Điện áp IC2 t = t1 ta có t U2 = U2max U1max R C 1 t = T1 t2 ta có t U2 = -U2max + U1max R C 1 * Khi t = t1: U2 = - U2max SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 41 Đồ án tốt nghiệp t Suy ra: -U2 = U2max U2max R C Suy R1C1 = Ta có t1 = t1 = U12 t1 2U2 max T 0,5.10 t1 = 0, 25.10 ( s ) Suy R1C1 = 8.0, 25.10 2.10 R1C1 = 0,08.10-3 (s) Chọn C1 = 0,01 àF = 0,01.10-6F Suy R1 = 0, 08.10 0, 01.10 R1 = 8.103 (K) * Ta chọn R3 = R2 = 10 (K) Chọn R5 = R6 = (K) Chọn R4 = 2,5 (K) SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 42 Ufi R14 SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 R18 R16 R15 + R17 R20 R19 Ui + U + Ucđ R2 R3 R21 R4 R9 R8 R7 R22 R1 R25 + R10 + C + R26 DIR R24 R23 R31 R5 R12 R11 + R13 T3 T1 T2 T4 PWM4 DIR PWM1 DIR R6 + R28 R27 + R29 R30 PWM Đồ án tốt nghiệp 43 SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 MOSFET +E2 +E1 220 MOSFET MOSFET 220 MOSFET +E4 +E3 Đồ án tốt nghiệp 44 Đồ án tốt nghiệp Chơng V: Thiết kế hệ thống kín Đ5.1 Đặc tính hệ thống hở Xây dựng phơng trình đặc tính Hình 5.1 Ta có: Eb = KB Uđk Mà Eb = K + I R Suy ra: = KB Rư Uđk I K K (5.1) Phơng trình (5.1) phơng trình đặc tính hệ thống Đồ thị Hình 5.2 SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 45 Đồ án tốt nghiệp Đ5.2 Tính toán hệ kín Sơ đồ Hình 5.3 Sơ đồ hệ thống kín gồm có khâu Khâu phản hồi âm tốc độ Khâu phản hồi âm dòng có ngắt Phơng trình đặc tính hệ thống kín Từ sơ đồ hình 5.3 ta có: Vùng dòng điện I < Ing I Ing Uđk = Uđ - - Kng (Ufi - U0) UđK = KR U UiK = KR [Uđ - - Kng (Ufi - U0)] Eb = KB UđK Eb = KB KR [Uđ - - Kng (Ufi - U0)] Mà: Eb = K + ỉ Suy ra: KB KR [Uđ - - Kng (Ufi - U0)] = K + I R KB KR Uđ - KB KR . - KB KR Kng Ki.I - KB KR Kng U0 = K + I.R (KB KR + K) = KB KR (Uđ - KngU0) - (KB KR Kng Ki + R) I SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 46 Đồ án tốt nghiệp = K B K R (U đ + K ng U ) K +K B K R K B K R K ng K i +R K +K B K R I (5.2) Phơng trình (5.2) phơng trình đặc tính hệ kín Đ5.3 Tính chọn hệ thống kín a Tính K Suy ra: K = K = U đm I đm R đm 220 9,3.2,4 1000 9,55 K = 1,84 b Xác định hệ số khuếch đại biến đổi: Đồ thị điện áp khâu phát xung RC so sánh có dạng nh hình 5.5 SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 47 Đồ án tốt nghiệp Ta có: = t U đk = T 2U rm Ta chọn điện áp ca: Urm = (V) Ta có: Ed = UN = U đk U N 2U rm Mà: Ed = KB Uđk = KB Uđk SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 48 Đồ án tốt nghiệp Suy ra: KB = KB = Ed UN = U đk 2U rm UN 275 = = 34,375 2U rm 2.4 c Tính hệ số khuếch đại điều chỉnh KR cf = đk S cp D S cp Trong đó: D đặt điều chỉnh tốc độ Sy: Sai số tốc độ cho phép 1000 9,55 5% cf = 10 5% cf = 0,551 (rad/s) Hình 5.6 Khi I < Ing phơng trình đặc tính có dạng: = Ta có: K B K R U đ RI K +K B K R K +K B K R RI đm = cf K +K B K R SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 49 Đồ án tốt nghiệp R.I K R = đm K ữ cf K B Suy ra: KR = 14,34 d Tính Ki, Kng Đặc tính hệ thống I > Ing = K B K R (U đ +K ng U ) K +K B K R * Ta có: Ki = K i = I đm = R +K B K R K i K ng K +K B K R I (V/A) 9,3 Ki = 0,538 (V/A) * Ta có: A = đm + cf Phơng trình đặc tính AB (I < Ing) RI = A - K +K K B R B = (Ing) = A - R.I ng K +K B K R SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 50 Đồ án tốt nghiệp Ta có: = K B K R (U cd +K ng U ) K + K B K R R +K B K R K i K ng K +K B K R I Khi: I = Id Suy ra: = Có: KB KR (Ucđ + Kng U0) = (R + KB KR Ki Kng) Id KB KR Ccd + KB KR KngU0 = R Id + KB KR Ki Kng Id Ta có: U0 = Ki Ing Suy ra: Kng KB KR Ki (Id - Ing) = Kb KR Ucđ - RId K ng = K B K R U cđ R.I d K B K R K i ( I d I ng ) * Tính Ucđ Khi I < Ing Ta có: = K B K R U cđ R.I K +K B K R K +K B K R Ta thay: I = Iđm = 9,3 A = đm = đm = 1000 = 104,7 (rad/s) 9,55 K B K R U cđ R.I đm K +K B K R K +K B K R U cđ = U cđ = ( K + K B K R ) K R K B + IR K R K B 104,7(1,84 + 34,375.14,34.0,095 9,3.2,9 + 14,34.34,375 14,34.343,375 SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 51 Đồ án tốt nghiệp Ucđ = 10,38 (V) Chọn: Id = 2,5 Iđm Ing = 1,5 Iđm Suy ra: Kng = 34,375.14,34.10,38 2,9.2,5.9,3 34,375.14,34.0,538.9,3 Kng = 2,056 Đ5.4 Tính toán sơ đồ điều chỉnh khâu ngắt Từ sơ đồ cấu trúc ta có: I < Ing Uđk = R4 ( Uđm Ucc ) R1 R4 R1 Suy XR = Ta chon R1 = R2 = R3 = 10 (K) Suy ra: R4 = R1 KR R4 = 10 14,34 R4 =143,4 (K) I > Ing SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 52 Đồ án tốt nghiệp Ta có Uđk = Ta có Ui = R4 ( Uđ U Ui ) R1 R5 ( U fi Uc ) R6 Suy ra: Kng = R5 R6 Chọn R6 = 10 (K) Suy ra: R5 = Kng R6 R5 = 16,8 10 R5 = 168 (K) SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 53 Đồ án tốt nghiệp Kết luận Sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu, kết hợp thực với lý thuyết, theo hớng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến thầy cô môn Đồ án hoàn thành với mục tiêu đề Đa đợc nguyên lý hoạt động hệ thống, mạch lực hệ thống, hệ thống kín, hở Hệ thống điều chỉnh xung áp chiều hệ thống điều chỉnh phức tạp Gồm nhiều khâu nh phản hồi âm tốc độ, phản hồi âm dòng điện, sơ đồ mạch lực Điều khiển động cách dùng xung đóng mở van SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 54 Đồ án tốt nghiệp Tài liệu tham khảo Phạm Quốc Hải; Dơng Văn Nghi - Điện tử công suất Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật - năm 1997 Bùi Quốc Khánh; Phạm Quốc Hải; Nguyễn Văn Liễn; Dơng Văn Nghi Điều chỉnh tự động truyền động điện Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật năm 1994 Bùi Quốc Khánh; Nguyễn Văn Liễn; Nguyễn Thị Hiền - Truyền động điện Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật năm 1994 SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 55 [...]... gây ồn và dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất lớn Điều đó rất thuận tiện trong việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lợng Nhợc điểm của hệ thống T-Đ là các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp ra có biên độ đập mạnh cao, gây tổn thất phụ trong máy điện, còn làm xấu điện áp nguồn và lới xoay chiều Điều chỉnh xung điện áp 4 chiều: ... truyền động T - Đ a Khái quát chung Hệ truyền động T - Đ: + Nguyên lý chung + Sơ đồ thay thế + Đặc tính cơ + Đảo chiều Do chỉnh lu Tiristo dẫn dòng theo một chiều và chỉ điều khiển khi mở còn khoá theo điện áp lới dẫn đến truyền động van thực hiện đảo chiều khó SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 11 Đồ án tốt nghiệp khăn và phức tạp hơn truyền động F-Đ Có hai nguyên tắc cơ bản để xây dựng hệ truyền động T-Đ... việc ở chế độ động cơ, quá trình dòng điện và điện áp đợc mô tả nh ở phần mạch đơn Để đảo chiều dòng điện ta đa khoá S2 và van D2 vào vận hành còn khoá S1 bị ngắt Nếu E > 0 thì sẽ có dòng điện chạy ngợc lại chiều ban đầu do trong mạch chỉ có một nguồn duy nhất cấp là Sđđ E Công suất điện từ của động cơ là: Pđt = I E > 0 (2.22) Công suất điện từ đợc tích vào điện cảm L Khi S 2 ngắt trên điện cảm L sinh... dòng điện trong phần ứng là: I = Imax = Imin = UE R SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 14 Đồ án tốt nghiệp Chơng 2: Phân tích nguyên tắc điều chỉnh động cơ bằng xung áp một chiều Đ1 Điều chỉnh xung áp mạch đơn 1 Sơ đồ nguyên lý Hình 2.1 Trên hình 2.1: Điện áp và dòng điện của động cơ U Đ, i chỉ có giá trị dơng Khi khoá S thông ta có UĐ = UN i = iN Khi khoá S ngắt iN = 0 UĐ = 0 Do tác dụng duy trì dòng điện. .. 10-3 (s) 1 Tính chọn các phần tử của bộ chỉnh lu cầu 1 pha hai nửa chu kỳ Trong phơng pháp điều chỉnh không đối xứng ta có: Ut = UN Trong đó: Ut: điện áp trên tải UN: điện áp nguồn Suy ra: UN = Ut UN = 220 = 275(V) 0,8 Dòng tụ C lọc phẳng điện áp nên điện áp vào bộ chỉnh lu Tụ C lọc phẳng điện áp nên điện áp vào bộ phận chỉnh lu là: U2 = U N + U N 2 1,2 SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 32 Đồ án tốt... Điều chỉnh xung áp Mạch kép 1 Sơ đồ nguyên lý Hình: 2.5 Để hệ truyền động có thể làm việc ở chế độ hãm tái sinh, có thể dùng sơ đồ điều chỉnh trên Trong đó dòng điện phần ứng có thể đảo dấu, song Sđđ động cơ chỉ có chiều dơng Khi khoá S1 và van D1 vận hành dòng điện phần ứng luôn dơng Công suất điện từ của động cơ là: Pđt = I E < 0 SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 (2.21) 22 Đồ án tốt nghiệp Máy điện làm... điều chỉnh dòng điện kích thích của máy phát thì điều chỉnh tốc độ không tải của hệ thống * Chế độ làm việc Trong hệ không có phần tử phi tuyến nào nên hệ có những đặc tính động rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển các trạng thái làm việc Với sơ đồ H1.7 động cơ chấp hành Đ có thể làm việc ở chế độ điều chỉnh cả hai chiều, kích thích máy phát và kích thích động cơ Đảo chiều quay bằng cách đảo chiều dòng kích... dòng điện của điện cảm L ta có i = iDo Các giá trị trung bình của điện áp và dòng điện phần ứng là U Đ, I và do đó sức điện động E của động cơ khi đóng và ngắt liên tục khoá S, sẽ đợc xác định khi biết luật đóng ngắt khoá và các thông số của mạch Nếu đóng ngắt khoá S với SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 15 Đồ án tốt nghiệp tần số không đổi thì hoạt động của mạch tơng tự nh của chỉnh lu một pha nửa chu... giá trị trung bình của nó có thể nhỏ bỏ kỳ, thậm chí bằng không và truyền động không có chế độ dòng điện gián đoạn Dòng điện phần ứng của ĐX - Đ loại B bao gồm 4 đoạn ứng với góc dẫn của 4 phần tử bán dẫn đó là: S1, D1 và S2, D2 SVTH: Phạm Văn Thể - TĐH - K46 23 Đồ án tốt nghiệp 2 Phơng trình đồ thị dòng điện và điện áp Từ các phơng trình (2.1) và (2.4) với các điều kiện đầu tơng ứng có thể tìm lại... mạch lực Sơ đồ gồm có tụ C, điốt, van, động cơ Tụ C có tác dụng lọc lới điện cho ổn định và phẳng Các van Transitor có tác dụng nh các khoá để đảo chiều quay động cơ Các điốt có tác dụng nh 1 bộ cầu tạo ra dòng một chiều Động cơ có các thông số sau: Công suất động cơ: Pđm = 1,5 kW Hiệu điện thế: Ut = 220 (V) Dòng điện: Itđm = 9,3 (A) Tốc độ quay: nđm = 1000 (V/P) Điện trở phần ứng: R = 2,9 () Tần số