Thiết kế mạch điều chinh tốc đọ cho hệ truyền động điện động cơ một chiều không đảo chiều sử dụng bộ biến đổi là mạch chỉnh lưu thyristor tia ba pha. Thông số động cơ 1 chiều kích từ nam châm vĩnh cửu có các số liệu như sau: Pđm= 11kW; Uưđm = 400V; Iđm = 32A; nđm=1800 vòngphút; jĐC= 0.5 kg.m2 ; Lư = 0,15(H).
BTL: THHTĐC GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TỒN BỘ CƠNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN CƠ Đề Tài : Thiết kế mạch điều chinh tốc đọ cho hệ truyền động điện động chiều không đảo chiều sử dụng biến đổi mạch chỉnh lưu thyristor tia ba pha Giáo viên hướng dẫn: Th.s Nguyễn Đăng Tồn Nhóm sinh viên thực hiện: (Nhóm 01) Lớp: BTL: THHTĐC GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TOÀN MỤC LỤC MỤC LỤC Chương I: Khái quát chung hệ truyền động chỉnh lưu động chiều 2.1 Cấu tạo động điện chiều 2.2 Động chiều kích từ độc lập 2.3 Hệ truyền động chỉnh lưu động chiều .11 Chương 2: Tính chọn mạch lực, mạch điều khiển cho chỉnh lưu 18 Tính chọn thiết bị mạch lực 19 Chương 3: Tổng hợp mô điều chỉnh .32 Mạch vòng điều chỉnh tốc độ 35 KẾT LUẬN .39 YÊU CẦU ĐỀ TÀI BTL: THHTĐC GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TOÀN Đề tài: Thiết kế mạch điều chinh tốc đọ cho hệ truyền động điện động chiều không đảo chiều sử dụng biến đổi mạch chỉnh lưu thyristor tia ba pha.Thông số động chiều kích từ nam châm vĩnh cửu có số liệu sau: Pđm= 11kW; Uưđm = 400V; Iđm = 32A; nđm=1800 vòng/phút; jĐC= 0.5 kg.m2 ; Lư = 0,15(H) Hà Nội 02 / 2019 Lời nói đầu BTL: THHTĐC GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TOÀN Truyền động điện có nhiệm vụ thực cơng đoạn cuối công nghệ sản xuất Đặc biệt dây truyền sản xuất tự động đại, truyền động điện đóng góp vai trò quan trọng việc nâng cao sản xuất chất lượng sản phẩm Vì hệ truyền động điện luôn quan tâm nghiên cứu nâng cao chất lượng để đáp ứng yêu cầu cơng nghệ với mức tự động hóa cao Ngày nay, ứng dụng tiến kỹ thuật điện tử tin học, hệ truyền động phát triển có nhiều thay đổi đáng kể Đặc biệt công nghệ sản xuất thiết bị điện tử công suất ngày hoàn thiện, nên biến đổi điện tử công suất hệ truyền động điện đáp ứng độ tác động nhanh, độ xác cao mà góp phần làm giảm kích thước hạ giá thành hệ Hiện mạng lưới điện nước ta chủ yếu mạng xoay chiều với tần số công nghiệp Để cung cấp nguồn điện chiều có giá trị điện áp dòng điện điều chỉnh cho thiết bị điện dùng hệ thống truyền động điện chiều người ta hồn thiện chỉnh lưu có điều khiển dùng thyristor Trong thời gian học trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội, nhóm tích lũy lượng kiến thức định, với bảo, hướng dẫn tận tình thầy Th.s Nguyễn Đăng Tồn Nhóm chúng em tìm hiểu hồn thành đề tài: Thiết kế mạch điều chinh tốc đọ cho hệ truyền động điện động chiều không đảo chiều sử dụng biến đổi mạch chỉnh lưu thyristor tia ba pha Do thời gian trình độ hạn chế, nên đề tài khơng tránh khỏi thiếu xót, mong ý kiến đóng góp, thầy giáo bạn Chương I: Khái quát chung hệ truyền động chỉnh lưu động chiều BTL: THHTĐC GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TOÀN Giới thiệu Tiristor - Tiristor linh kiện gồm lớp bán dẫn gồm pnpn liên tiếp tạo nên Anôt, Katôt cực điều khiển G - Nguyên lý làm việc Tiristor: + Khi đặt Tiristor điện áp chiều, anôt vào cực dương, katôt vào cực âm nguồn điện áp, J1 J3 phân cực thuận, J2 bị phân cực ngược Gần toàn điện áp nguồn đặt lên mặt ghép J2 Điện trường nội E1 J2 có chiều hướng từ N1 P2 Điện trường tác động chiều với E1, vùng chuyển tiếp vùng cách điện mở rộng ra, khơng có dòng điện chảy qua Tiristor đặt điện áp thuận + Mở Tiristor: Nếu cho xung điện áp dương U g tác động vào cực G (dương so với K), điện tử từ N2 chạy sang P2 Đến số chúng chảy vào nguồn Ug hình thành dòng điều khiển Ig chảy theo mạch G-J3-K-G, phần lớn điện tử, chịu sức hút điện trường tổng hợp mặt ghép J 2, lao vào vùng chuyển tiếp này, chúng tăng tốc độ, động lớn lên , bẻ gãy liên kết nguyên tử silic, tạo nên điện tử tự Số điện tử giải phóng lại tham gia bắn phá nguyên tử Si vùng chuyển tiếp Kết phản ứng dây chuyền làm xuất ngày nhiều điện tử chảy vào N 1, qua P1 đến cực dương nguồn điện ngoài, gây nên tượng dẫn điện ạt J2 trở thành mặt ghép dẫn điện, điểm xung quanh cực G phát triển toàn mặt ghép với tốc độ khoảng 1cm/100sµ Thời gian mở Tiristor kéo dài khoảng 10sµ BTL: THHTĐC GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TỒN + Khóa Tiristor: Một Tiristor mở diện tín hiệu điều khiển I g khơng cần thiết Để khóa Tiristor có cách: - Giảm dòng điện làm việc I xuống giá trị dòng điện trì IH - Đặt điện áp ngược lên Tiristor (biện pháp thường dùng) Khi đặt điện áp ngược lên Tiristor UAK< 0, hai mặt ghép J1và J3 bị phân cực ngược, J2 phân cực thuận Những điện tử, trước thời điểm đảo cực tính U AK, có mặt P1, N1, P2 đảo chiều hành trình, tạo nên dòng điện ngược chảy từ katôt anôt, cực âm nguồn điện áp ngồi Lúc đầu q trình, từ t0 đến t1, dòng điện ngược lớn, sau J J3 trở nên cách điện Còn lại điện tử bị giữ lại hai mặt ghép J 1và J3, tượng khuếch tán làm chúng dần hết J khôi phục lại tính chất mặt ghép điều khiển Trong sơ đồ chỉnh lưu trên, giá trị điện áp trung bình chiều tải phụ thuộc vào góc điều khiển mở Tiristor: Ud= Ud0.cosα Do đó, thay đổi góc điều khiển α ta thay đổi giá trị điện áp trung bình tải Nếu tăng giá trị góc điều khiển Α điện áp trung bình giảm, ngược lại, giảm α điện áp trung bình tăng Giá trị lớn điện áp trung bình tải Ud0, ứng với góc α=0 Dòng điện trung bình qua tải: với Trường hợp mạch tải có thêm suất điện động phản kháng: Giới thiệu động chiều BTL: THHTĐC GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TOÀN 2.1 Cấu tạo động điện chiều - Động điện chiều chia thành phần chính: • Phần tĩnh ( Stato) Gồm phận sau: - Cực từ chính: phận sinh từ trường, gồm lõi sắt cực từ dây quấn kích từ + Lõi sắt cực từ làm thép kĩ thuật điện dày ( 0,5 -1)mm ép lại tán chặt + Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện + Trong máy công suất nhỏ, cực từ nam châm vĩnh cửu Trong máy cơng suất trung bình lớn, cực từ nam châm điện - Cực từ phụ: đặt cực từ dùng để cải thiện điều kiện làm việc máy điện đổi chiều + Lõi thép cực từ phụ khối ghép thép tùy theo chế độ làm việc + Xung quanh cực từ phụ đặt dây quấn cực từ phụ, dây quấn cực từ phụ nối với dây quấn phần ứng + Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền cực từ đồng thời làm vỏ máy • Phần quay (roto) Gồm phận sau: + Lõi sắt: Là phần ứng dùng để dẫn từ Thường dùng thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng hai mặt ép chặt lại để giảm tổn hao dòng điện xốy gây nên Trên thép có dập hình dạng rãnh để sau ép lại đặt dây quấn vào + Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng phần phát sinh suất điện động có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ có cơng suất vài kW thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa lớn dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây quấn cách điện cẩn thận với rãnh lõi thép BTL: THHTĐC GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TỒN + Cổ góp: dùng để đơi chiều dòng điện xoay chiều thành chiều Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có mạ cách điện với lớp mica dày 0,4 đến 1,2mm hợp thành hình trục tròn Hai đầu trục dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp trụ tròn cách điện mica Đi cành góp có cao lên để hàn đầu dây phần tử dây quấn phiến góp dễ dàng - Các phận khác: + Cánh quạt: dùng để quạt gió làm nguội máy Máy điện chiều thường chế tạo theo kiểu bảo vệ Ở hai đầu nắp máy có lỗ thơng gió Cánh quạt lắp trục máy, động quay cánh quạt hút gió từ ngồi vào động Gió qua vành góp, cực từ lõi sắt dây quấn qua quạt gió ngồi làm nguội máy + Trục máy: đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt ổ bi Trục máy thường làm bắng thép cacbon tốt 2.2 Động chiều kích từ độc lập 2.2.1 Sơ đồ nguyên lý - Ta có phương trình đặc tính điện: BTL: THHTĐC GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TỒN • Ảnh hưởng điện trở phần ứng: - Giả thiết Uư= Uđm=const Φ=Φđm=const - Khi ta đổi điện trở mạch phần ứng ta có tốc độ không tải lý tưởng: - Độ cứng đặc tính cơ: - Khi Rf lớn, � nhỏ nghĩa đặc tính dốc Ứng với: Rf = Ta có đặc tính tự nhiên: - �tn có giá trị lớn nên đặc tính tự nhiên có độ cứng tất đường đặc tính có điện trở phụ Như thay đổi điện trở ohuj R f ta họ đặc tính biến trở có dạng hình 1.3 BTL: THHTĐC GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TỒN • Ảnh hưởng điện áp phần ứng: - Giả thiết: �=�đm = const Rư = const - Khi thay đổi điện áp phần ứng: Uư Ungmax ≥Ku U2f đó: Ku hệ số dự trữ điện áp, ta chọn Ku = 1,5 => Ungmax ≥ 1,5 .220=808 (V) Vậy thyristo chọn có thơng số sau: Mã hiệu T-114 IaT 114 Uim 900 Du/dt 100 Di/dt 100 1.3.4 Tính chọn cuộn kháng cân - Khi hệ thống làm việc có thời điểm hai van BBD hai pha mở Lúc dòng cân chạy từ pha có đienj áp tức thời lớn pha kia, dòng cân chạy từ pha có đienj áp tức thời lớn có khả phá hỏng triristo ta khơng tìm cách hạn chế, vii thiết phải có thêm cuộn kháng cân Để minh họa ta xét α1= 300 α2 = 1500 25 BTL: THHTĐC - GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TOÀN Chênh lệch điện áp hai biến đổi là: U12 =uT5 –uT2 =uT1-uT4 =ua –ub = - u2sin(ωt +π/6) Gọi X1 =X2=X điện kháng hai cuộn kháng cân dịch gốc tọa độ theo chiều ωt góc 1500 điện : U12 = - U12 = 2X(di/dωt) u2sinθ , với θ= ωt u2sinθ = 2X(di/dωt) => I = ( - Khi ωt =θ2 icb=0 i= - Giá trị trung bình dòng điện cân : u2(cosωt-cos θ2)/2X Icb = - u2cosωt)/2X +C (cosωt- cosθ2)dωt Lưu ý với gốc 0’ θ2=-θ3 26 BTL: THHTĐC GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TOÀN Icb = u2(sinθ2 –θ2cos θ2) ≤ 10% Iđm - Với α=600 : Icb =0,3424 u2/2πX => LCK1 ≥0,123 (H) - Ta chọn cuộn kháng cân có thơng số : LCK = 123 mH RCK= 0,48 (Ω) 1.3.5 Tính chọn cuộn kháng san - Cuộn kháng san có tác dụng lọc thành phần xoay chiều dòng điện Ta biết góc mở α =π/2 điện áp có phần âm nửa dương, tức lúc thành phần xoay chiều dội nhất, ta tính cuộn kháng theo góc α Để đơn giản ta bỏ qua ảnh hưởng cuộn cân + Nếu lấy gốc tọa độ �1 ta viết : Ud= u2sinωt Khai triển Furie điện áp ta có : Ud = b1sin3ωt + b2sin6ωt+…+bnsin3nωt 27 BTL: THHTĐC GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TỒN :n=1,2,3… b1= = u2sin3ωtsin3nωt.dωt u2( sin - sin ) =-228,06 V - Tương tự ta có b2 = u2 sinωtsin6ωt.dωt=104,26 V - Trị hiệu dụng thành phần xoay chiều : Ud1 = =161.26 V Ud2= - =73,72 V Giá trị hiệu dụng thành phần dòng xoay chiều( bỏ qua điện cảm động điện trở thuần) là: I1 = I2 = CK, CK1là cuộn kháng cân san • Tổng giá trị hiệu dụng thành phần xoay chiều : => Ixc= < 10% Iđm 28 BTL: THHTĐC GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TOÀN LCK = => LCK ≥ 0,193 H - Từ ta chọn cuộn kháng cân có thông số sau : LCK = 200mH RCK =0,48 (Ω) - Từ ta tính I1 =0.877 (A) I2 = 0,2 (A) Công suất tác dụng cuộn kháng san bằng: P= ( =(73,52 + 0,8772 + 0,22).0,48 = 2593(W) 1.3.6 Tính chọn thiết bị bảo vệ mạch động lực - Ta biết triristo phần tử nhạy với biến thiên đột ngột điện áo hay dòng điện, đặc trưng cho tượng gia tốc dòng điện điện áp di/dt du/dt.Các nguyên nhân gây tượng bao gồm: + Quá gia tốc dòng, áp trình chuyển mạch + Q gia tốc dòng, áp cộng hưởng + Quá gia tốc dòng, áp cắt máy biến áp chế độ không tải hay tải nhỏ - Để bảo vệ an toàn cho van trước tác nhân nêu ta dung cá phần tử R-C mắc song song với tiristo Như hình sau: 29 BTL: THHTĐC GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TOÀN + Trị số R,C tra theo đường cong xây dựng máy tính quan hệ Ua/ Up ; G=b/ + Phụ thuộc vào F = b=R/2L ;H= 0 Uk L-điện cảm quy đổi toàn mạch tra đường cong ta C = 0,346µF L=3,9kΩ - Sơ đồ nguyên lý mạch lực: 30 BTL: THHTĐC GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TOÀN • Thuyết minh hoạt động mạch lực Ban đầu đưa hệ thống vào làm việc, ta đóng aptomat AB hệ thống - cấp nguồn Tuy nhiên lúc động chua làm việc Giả sử BBD1 ( gồm van T1 T2 T3 ) làm việc chế độ chỉnh lưu động quay thuận; BBD2 ( gồm van T4 T5 T6) làm việc chế độ chỉnh lưu động quay ngược Khi ta phát xung đến mở cho cá van BBD1 với góc mở α 900 với quan hệ góc mở : α1 + α2 =1800 Lúc đầu BBD có điện áp là: ud1 = Ud0cos α1 ud2 = Ud0cosα2 31 BTL: THHTĐC - GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TOÀN Điện áp đặt động ud điện áp cân điện áp điểm N-M: ud=uk-0 ucb =ud1 + ud2 ud = ud1 –ucb/2 = ud1 –(ud1 + ud2)/2 => ud = (ud1-ud2)/2 Điện áp ud đặt nên phần ứng động quay thuận Chương 3: Tổng hợp mơ điều chỉnh Mơ tả tốn học phần tử động điện chiều Giả sử: Từ thông Φđc = Φđm = const - Uưp= Eư(P).Rư+ Lư.P.iư+K Φ ω(P) Mo(P) = Mc(P) = J.P.ω(P) Căn vào ta có cấu trúc mạch vòng: 32 BTL: THHTĐC GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TỒN Trong phần tử: Uư: Là điện áp phân ứng động iư: Là dòng điện phần ứng Rư: Điện trở phần ứng Lư: Điện cảm phần ứng Theo đề t có thơng số: Pđm= 11kW; Uưđm = 400V; Iđm = 32A; nđm=1800 vòng/phút; jĐC= 0.5 kg.m2 ; Lư = 0,15(H) Như ta có số thời gian chuyển mạch phần ứng là: Với: 33 BTL: THHTĐC GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TỒN Suy ra: Vậy ta có sơ đồ mạch vòng động chiều: 34 BTL: THHTĐC GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TỒN Mạch vòng điều chỉnh tốc độ Mạch vòng điều chỉnh tốc độ có chức trực tiếp gián tiếp xác định tốc độ động cho phù hợp với tải trọng thay đổi đột ngột: Ta có sơ đồ: p 14000 dm Mđm = ω = 157,06 = 89,13Nm dm P 14000 dm Iđm = U = 220 = 63,6( A) dm Kϕ = M dm 89,13 = = 1,4 I dm 63,6 L 0,014 u Tư = R = 0,127 = 0,11 s u Mặt khác ta có : Uđ = Uđk.Kcl U 220 dm Chọn Uđk = 10V => Kcl = U = 10 = 22 dk Hàm truyền điều chỉnh: 35 BTL: THHTĐC GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TOÀN Ru Tu Ri(p) = K K T (1 + pT ) cl i si u Có Tsi = Ti + Tv+Tđk = 0,002 + 0,0025 + 0,0001 = 0,0046 S Chọn Uiđ = 7V U id => Ki = I = 63,6 = 0,11 dm 0,127.0,11 1 => Ri = 2.22.0,11 0,0046 (1 + 0,11 p ) = 0,63(1 + 0,11 p ) JR u Tc = ( K ) = φ 0,65.0,127 = 0,042S (1,4) Ru 0,127 = = 2,15S K φ Tc 1,4.0,042 U ω d = ω.K ω Chọn U ω d = 10 V K ω = 10 = 0,063 157,06 Với TS ω = 2Tsi + T ω = 2.0,0046 +0,001 = 0,01 S K i ( Kφ )Tc 0,11 1,4.0,042 R ω (p) = 2T R K = 2.0,01.0,127.0,063 = 40,41 sω u ω Mô phần mềm matlab 2.1 Mô hoạt động động điện chiều a Sơ đồ cấu trúc động điện chiều 36 BTL: THHTĐC GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TỒN b Mơ động điện chiều 2.2 Mô hoạt động mạch vòng tốc độ a Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ 37 BTL: THHTĐC GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TOÀN b Mơ mạch vòng tốc độ 38 BTL: THHTĐC GVHD: Th.s NGUYỄN ĐĂNG TỒN KẾT LUẬN Trong q trình làm đồ án , nhóm chúng em tìm hiểu Thiết kế mạch điều chinh tốc đọ cho hệ truyền động điện động chiều không đảo chiều sử dụng biến đổi mạch chỉnh lưu thyristor tia ba pha Từ chúng em cập nhật nhiều kiến thức bổ ích hiểu hệ truyền động điện động chiều Tuy nhiên thời gian làm đồ án , với hiểu biết hạn chế nên chúng em khơng tránh khỏi sai sót Vì chúng em mong đóng góp ý kiến thầy bạn để giúp chúng em bổ sung thêm kiến thức có hội tìm hiểu nghiên cứu khoa học cơng nghệ mới, ứng dụng sản xuất thực tế Nhóm chúng xin chân thành cảm ơn! 39