Đồ án môn TDĐ Thiết kế hệ truyền động xung áp động cơ một chiềuĐHCNHN

Nói đến hệ truyền động điện dùng trong công nghiệp ngày nay không thể không nhắc đến hệ truyền động xung áp động cơ một chiều. Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ một chiều có nhiều ưu việt hơn so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực mạch điều khiển đơn giản hơn, đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng . Hệ truyền động xung áp động cơ một chiều là hệ truyền động mà trong đó để điều chỉnh tốc độ động cơ ta có thể điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc điện áp phần kích từ của động cơ dựa vào điều chỉnh góc mở của các van.

Bộ Môn Tự Động Hoá

ĐỒ ÁN

MÔN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Đề tài:

THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG XUNG ÁP - ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

Sinh viên thực hiện : Hồ Đình Tài

Đỗ Văn Hạnh

Lớp : LTCĐ ĐH Điện 1_K1

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đăng Khang

LỜI NÓI ĐẦU

Truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng của một công nghệ sản xuất Đặc biệt trong dây chuyền sản xuất tự động hiện đại, truyền động điện đóng góp vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Với ứng dụng tiến bộ kỹ thuật điện tử tin học, các hệ truyền động điện được phát triển và có thay đổi đáng kể Đặc biệt do công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện, nên các bộ biến đổi điện

tử công suất trong hệ truyền động điện không những đáp ứng được độ tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần làm giảm kích thước, tiết kiệm điện năng và hạ giá thành của hệ

Nói đến hệ truyền động điện dùng trong công nghiệp ngày nay không thể không nhắc đến hệ truyền động xung áp - động cơ một chiều Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ một chiều có nhiều ưu việt hơn so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực mạch điều khiển đơn giản hơn, đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng Hệ truyền động xung áp - động cơ một chiều là

hệ truyền động mà trong đó để điều chỉnh tốc độ động cơ ta có thể điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc điện áp phần kích từ của động cơ dựa vào điều chỉnh góc

mở của các van

Ở đây ta đi thiết kế hệ truyền động xung áp - động cơ một chiều có đảo chiều quay với phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ dựa vào việc điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ

PHẦN I : YÊU CẦU THIẾT KẾ

I Nhiệm vụ :

Thiết kế hệ truyền động XA-Đ (xung áp động cơ một chiều)

II Các số liệu ban đầu : Động cơ một chiều kích từ độc lập có:

 Công suất định mức : Pdm = 22 KW

 Điện áp định mức : Udm = 400 V

 Dòng điện định mức : Idm = 60 A

 Tốc độ định mức : ndm = 955 vòng/phút

 Điện áp kích từ định mức : Uktdm = 400 V

 Dòng điện kích từ định mức : Iktdm =10 A

PHẦN II : NỘI DUNG THIẾT KẾ

I Sơ lược về động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

1 Sơ đồ:

2 Nguyên lý làm việc:

Khi cho điện áp U vào hai đầu cuộn dây phần ứng, trong dây quấn phần ứng

sẽ có dòng điện I chạy qua Các thanh dẫn phần ứng (roto) nằm trong từ trường

sẽ chịu tác dụng của lực Fdt, lực từ này sẽ làm cho Roto quay Khi Roto quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng ra một sức điện động E có chiều xác định theo quy tác bàn tay trái

Phương trình điện áp phần ứng:

Uu = Eu + ( Ru+Rf ).Iu

3 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ và đảo chiều :

a Điều chỉnh tốc độ :

Ta có phương trình đặc tính cơ điện :

 

u f u

K

R R K

U











 (1)

Mô men điện từ Mdt = KΦ.Iu



K

M

I dt

u 

 (2) Nếu bỏ qua tổn thất : Mdt = Mco = M (3)

Từ (1),(2),(3) ta có phương trình đặc tính cơ :

 

M K

R R K

2

) ( 









 (4)

Ta có mômen phụ thuộc vào từ thông và dòng phần ứng

Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy : Để thay đổi tốc độ động cơ ta có thể dùng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng Uu ,thay đổi từ thông Φ tức là thay đổi dòng kích từ Ikt và thay đổi điện trở phần ứng Rf

Như trên đã giới thiệu, ở đây ta dùng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng để điều chỉnh tốc độ động cơ

b Đảo chiều quay :

Chiều quay động cơ phụ thuộc vào chiều quay mômen, có thể dùng hai phương pháp: Thay đổi chiều dòng phần ứng hoặc chiều dòng kích từ

Ở đây ta chọn phương pháp đảo chiều quay động cơ bằng cách thay đổi chiều dòng phần ứng, tức là thay đổi chiều điện áp phần ứng Uu

II Thiết kế hệ xung áp - động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

Hệ xung áp - động cơ điện một chiều kích từ độc lập thực chất là hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng phương pháp đóng ngắt động cơ vào nguồn cung cấp một cách có chu kỳ Khi đóng động cơ vào nguồn cung cấp, năng lượng được đưa từ nguồn vào động cơ Năng lượng này phần chủ yếu được truyền qua trục của động cơ, phần còn lại được tích ở dạng động năng và năng lượng điện từ Khi ngắt động cơ ra khỏi nguồn thì hệ truyền động vẫn tiếp tục làm việc nhờ năng lượng tích luỹ đó

Ở đây ta thiết kế hệ xung áp - động cơ một chiều kích từ độc lập có đảo chiều :

1 Sơ đồ nguyên lý mạch lực của hệ :

　　　　

S1,S2,S3,S4 : là van bán dẫn có điều khiển (đóng, ngắt): Transistor, IGBT, GTO

Trong phần thiết kế này ta sử dụng van điều khiển là Transistor

2 Nguyên lý hoạt động của mạch lực :

Đối với mạch điều áp một chiều có đảo chiều động cơ như trên ta có ba phương pháp điều khiển khác nhau : Điều khiển đối xứng, điều khiển không đối xứng, và phương pháp điều khiển riêng Ở đây ta chọn phương pháp điều khiển

là phương pháp điều khiển riêng Với phương pháp này, khi động cơ hoạt động ở một chiều xác định thì chỉ có một cặp van (chẵn hoặc lẻ) làm việc, cặp còn lại hoàn toàn nghỉ Vì vậy mạch tương đương sơ đồ không đảo chiều nhưng có hai van mắc nối tiếp với tải

Do đó, mạch lực bao gồm hai sơ đồ băm không đảo chiều hoạt động riêng

rẽ, ứng với mỗi sơ đồ băm tương ứng ta có chiều điện áp cấp vào phần ứng của động cơ khác nhau,do đó chiều quay của động cơ cũng khác nhau tương ứng ( theo chiều thuận hay ngược): bộ băm I chạy thì bộ băm II không chạy,và ngược lại bộ băm II chạy thì bộ băm I không chạy

Do vậy, khi bình thường một bộ hoạt động ở chế độ băm không đảo dòng thì sơ đồ mạch lực lúc này là sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng mạch băm không đảo chiều

a.Nguyên lý hoạt động của sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng mạch

băm không đảo chiều như sau :

Trạng thái ban đầu: khi chưa cho xung điều khiển kích mở khoá S1,S4 thì các van D1,D3 và S1,S3 đều khoá

Khi cấp xung kích mở cho cả S1 và S3 : Thì S1, S3 mở cho dòng điện chạy qua Dòng điện đi từ dương nguồn qua S1, động cơ, S3 về âm nguồn Lúc này dòng điện qua tải là: Ud = +U

Và khi S1,S3 đều ngắt thì: Ud = - U , lúc đó hai diode D1 và D3 sẽ đồng thời dẫn

Do đó, giá trị trung bình của điện áp ra trên tải luôn luôn dương nếu thời gian mở của các van S1,S3 lớn hơn thời gian ngắt của chúng Nếu ngược lại thì giá trị trung bình của điện áp ra trên tải sẽ có giá trị âm Khi Id dưong và Ud âm thì năng lượng sẽ được trả lại nguồn

Thay đổi tỷ số thời gian đóng và thời gian ngắt của van S1,S3 sẽ điều chỉnh được giá trị trung bình của điện áp ra trên tải, do đó sẽ điều chỉnh được tốc độ của động cơ

Gọi T là chu kỳ của bộ băm: T = Tđg + Tng

- Tđg = ε T là thời gian S1,S3 đóng mạch

- Tng = T – Tđg là thời gian S1,S3 ngắt mạch

- ε = Tđg / T là tỉ số đóng của chu kỳ

Giá trị trung bình của điện áp ra trên tải :

Ud = u dt U T

T

d 







0

1

(5)

Như vậy, bằng cách làm biến đổi tỉ số đóng ε thì ta có thể điều chỉnh được

Utb Có hai cách để thay đổi ε :

- Giữ cố định chu kỳ xung T ( tần số cố định ), thay đổi thời gian đóng mạch Tđg của bộ băm Phương pháp này được gọi là phương pháp điều khiển độ rộng xung

- Giữ cố định thời gian đóng mạch Tđg, thay đổi chu kỳ của bộ băm T Phương pháp này được gọi là phương pháp xung tần

- Thay đổi cả chu kỳ xung và thời gian đóng mạch Tđg của bộ băm Phương pháp này được gọi là phương phap xung - thời gian.(phương pháp này ít sử dụng)

 Khi ε =0 tức là Tđg = 0 ta có Utb = 0 , bộ băm thường xuyên ngắt mạch,

n = 0

 Khi ε = 1 tức là Tđg = T ta có Utb = U , bộ băm thường xuyên đóng mạch, n = nmax

Ta có ở chế độ dòng liên tục:

- Điện áp trung bình ra tải là:

U

U t   (6)

- Dòng điện trung bình ra tải là:

u

u u

u u

t t

R

E R

U E

U E U

u

R (7)

Đặt 0

u

U

 , ta có : E u k e.n

Trong đó : n là tốc độ động cơ điện Biến đổi biểu thức (7) ta nhận được:

e

e e

t

k U

n U

n k I

n k I

I

/

.

R

.

0 u 0











    (8)

Vì khi E u U thì động cơ đạt tốc độ không tải lý tưởng và ký hiệu là n0 , do

đó ta có :

0

I n



  (9) Như vậy đặc tính cơ (trong đơn vị tương đối ) có dạng là đường thẳng tương

tự hệ máy phát - động cơ

Có biểu đồ thời gian,điện áp và dòng điện ở chế độ dòng liên tục:

Từ đồ thị ta thấy rằng trị số trung bình của dòng điện trong phần ứng itb

quyết định tốc độ động cơ Do đó, để thay đổi tốc độ động cơ chỉ cần thay đổi trị

số của dòng điện trung bình itb

b Sự hoạt động của mạch trong quá trình ta đảo chiều động cơ:

Trong quá trình ta đảo chiều động cơ ta cần 1 bộ điều khiển logic để thực hiện các bước đảo chiều như sau:

 Ngắt xung điều khiển cho bộ băm I ( gồm các van S1,S3)

 Đo dòng chạy qua tải để xác định dòng điện về không

 Sau khi phát hiện dòng về không phải dự trữ 1 thời gian trễ đủ để đảm bảo các khoá đã khoá chắc, khi đó mới phát xung để điều khiển cho bộ băm kia

 Phát xung điều khiển cho các van ở bộ băm II ( gồm van S2,S4)

3.Phương pháp điều khiển riêng :

Để thực hiện quá trình đảo chiều cho động cơ ta cần có một bộ đíều khiển logic Sơ đồ của bộ điều khiển logic như sau :

Khi điều khiển riêng hai bộ băm làm việc riêng rẽ nhau, tại một thời điểm chỉ phát xung điều khiển cho một bộ băm còn một bộ băm kia bị khoá do chưa

có xung điều khiển Hệ có hai bộ băm là BB1 và BB2 với các mạch phát xung tương ứng là FX1 và FX2 Trật tự hoạt động của bộ phát xung này được quy định bởi các tín hiệu logic b1 và b2

Trong khối logic:

- iLd =1 phát xung điều khiển mở BB1.

- iLd =0 phát xung điều khiển mở BB2

- iL1(iL2) =1 có dòng điện chảy qua bộ BB1 và BB2

- b1 (b2) =1 khoá bộ phát xung FX1 và FX2

Từ mạch logic trên ta có :

2 1

1 i Ld.i L i L

b  

1 1

2 i Ld i L i L

b  

Để có các tín hiệu đầu vào cho khối logic trên ta dùng các sensor dòng nhận biết dòng điện chạy qua bộ băm Sau đó xử lý tín hiệu dòng chuyển về tín hiệu

áp với điện áp ra khi có dòng chạy qua bộ băm là 5V (iL1=V1, iL2=V2)

Do mạch điều khiển riêng cần có thời gian tạo trễ nên ta chọn bộ tạo xung

là mạch 555:

Thời gian đóng khoá S là :

Tđg = 0,693.C1.(R1+xP2+P1)

Thời gian ngắt van là:

Tng =0,693.C1.P1+ (1-x)P2 +R2

Chu kỳ xung ra là :

T = 0,693.C1.(R1 + R2 + 2P1 + P2)

Tần số xung :

T

f 1 Người ta điều chỉnh P1 để điều chỉnh tần số xung, và điều chỉnh biến trở P2

để điều chỉnh độ rộng xung

III Tính toán thiết kế mạch lực.

1.Chọn nguồn một chiều cho hệ thống :

Ta chọn điện áp nguồn bằng điện áp định mức của động cơ: UN

=Udm=400V

2.Tính chọn dây dẫn :

-Có dòng điện đi trên dây dẫn là dòng điện định mức của động cơ

-Ta chọn dây dẫn có hệ số dự trữ về dòng điện là 1,6 Do đó dòng điện lớn nhất mà dây dẫn có thể chịu được là: Id d =1,6.60 =96A

-Mật độ dòng điện cho phép là: 1,1A/mm2

-Vậy tiết diện dây dẫn cần chọn là : sd d =96/1,1 = 87,273 mm2

 Chọn dây dẫn AC- 95 có tiết diện chuẩn là : 95mm2

3 Tính chọn các van bán dẫn:

a.Tính chọn Transistor:

Khi lựa chọn van ta dựa vào hai thông số cơ bản quan trọng nhất là dòng điện qua van và điện áp ngược lớn nhất mà van chịu được, các thông số cơ bản của van được tính như sau :

-Điện áp ngược đặt lên van :

Ung.max =Kdt.Udm

Trong đó : Kdt = (1,6  2) là hệ số dự trữ điện áp Chọn Kdt = 1,6

 Ung.max= 1,6.400 =640V -Dòng điện làm việc của van :

Ilv = Idm

Với Idm là dòng điện định mức của động cơ.

-Dòng điện lớn nhất qua van :

Iv = kdt Ilv

Với kdt là hệ số dự trữ dòng điện, chọn kdt = 1,6(điều kiện làm mát tự nhiên)

 Iv = 1,6.60 =96A Dựa vào hai thông số Iv và Ung.max ta lựa chọn van có số liệu như bảng sau:

Mã hiệu Uce

(V)

Uceo

(V)

Ucesat

(V)

Ic

(A)

I (A)

tf

(s)

ton

(s)

ts

(s)

Pm

(W) ESM3005 600 500 1,5 120 10 1 1,5 3,5 400

Trong đó:

Uce = 600V: Điện áp cực đại khi cực bazơ bị khoá bởi điện áp âm

Uceo = 500V: Điện áp cực đại khi cực bazơ để hở

Ucesat = 1,5V: Điện áp rơi trên Transistor khi Transistor ở trạng thái bão hoà

Ic = 120A: Dòng colector mà Transistor có thể chịu được

I = 1A: Dòng bazơ mà Transistor có thể chịu được

tf = 1s : Thời gian cần thiết để Ic từ giá trị Ic giảm xuống 0

ton = 1,5s : Thời gian cần thiết để Ic từ giá trị 0 tăng đến Ic.

ts=3,5s :Thời gian cần thiết để Uce từ giá trị Ucesat đến giá trị điện áp nguồn

Pm = 400W: Công suất tiêu tán cực đại bên trong transistor

Vì điện áp của van Transistor chọn được chưa đủ lớn để đáp ứng được điện

áp ngược max đặt lên van Do đó ta chọn thêm van Điôt công suât mắc nối tiếp với transistor có số liệu như sau :

-Dòng qua điôt lớn nhất : Ta cần chọn Điôt chịu được dòng cực đại lớn hơn hoặc bằng dòng lớn nhất qua transistor :

Ido.max = Iv = 96,6A -Điện áp ngược cực đại Điôt có thể chịu được :

Udo = 640 – 600 = 40 V Tra bảng 1.1 sách “Điện tử công suất - Nguyễn Bính” ta chọn Điôt mã hiệu BYV54 do hãng Thomson chế tạo có số liệu như bảng sau :

Mã hiệu Itb (A) Ui.m (V) ΔU (V)U (V)

b.Tính chọn các van Điôt (D 1 ,D 2 ,D 3 ,D 4 ):

Tính chọn các van Điôt cũng như tính chọn van transistor, ta cũng dựa vào các thông số cơ bản là dòng điện qua van và điện áp ngược lớn nhất mà van chịu được Ta có :

Dòng làm việc của Điôt : Chọn dòng làm việc của Điôt bằng với dòng định mức của động cơ : Ilvdo = Idm = 60A

Ta chọn Điôt có dòng điện lớn nhất là: Ivdo = 1,6.Ilvdo = 1,6.60 = 96A

Điện áp ngược cực đại đặt lên Điôt bằng với điện áp ngược cực đại đặt lên transistor: Ung.max.do = Ung.max = 640V

Theo bảng 1.1 giáo trình “Điện tử công suất” Nguyễn Bính, ta chọn Điôt loại BYV 54 số liệu như bảng:

Mã hiệu Itb Ui.m ΔU (V)U số lượng

(A) (V) (V) (cái)

BYV 54

Trong đó :

Itb = 1000A : Dòng điện trung bình

Ui.m = 1000V : Điện áp ngược

ΔU (V)U = 0,7 V : Sụt áp trên Điôt

Các điôt nay mắc nối tiếp nhau

Vậy ta có sơ đồ mạch lực như sau:

4.Tính chọn các thiết bị bảo vệ cho mạch động lực :

a Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn.

Khi làm việc với dòng điện chạy qua trên van có sụt áp, do đó có tổn hao

Mặt khác van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép nào

đó, nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng Để cho van bán dẫn làm việc an toàn, không bị hỏng do nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý

+ Tổn thất công suất trên 1 transistor:

ΔU (V)p = ΔU (V)U.Ilv = 1,5.60 =90W (ΔU (V)U=Ucesat=1,5V) + Vì ΔU (V)p > 20W nên ta phải thiêt kế cánh tản nhiệt gắn lên van để toả nhiệt cho cac van

+ Tổng diện tích bề mặt toả nhiệt :



.

m

k

p

S  

Trong đó:

ΔU (V)p: tổn hao công suất (W)

 : Độ chênh nhiệt đối với môi trường

Nhiệt độ môi trường là 40oC

Chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt là 80oC

  80  40  40oC

km : Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu Chọn km = 8(W/m2.oC)

Vậy S 890.40 = 0,28125m2 = 2812,5cm2

b Bảo vệ quá dòng điện cho các van bán dẫn.

-Dùng 1 aptômát để đóng ngắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắn mạch Chọn aptômát dựa vào các thông số kỹ thuật sau:

+ Điện áp định mức : Udm.ap = 400V.

+ Dòng điện làm việc định mức : Idm.ap = 1,1.Idm = 1,1.60=66A

+ Chỉnh định dòng ngắn mạch : Inm = 2,5 Idm = 2,5.60=150A

+ Dòng quá tải : Iqt = 1,5.Idm = 1,5.60 = 90A

Có hai tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện -Dùng một cầu dao có dòng định mức:

Idm.cd =1,1.Idm =1,1.60 = 66A

để tạo khe hở an toàn khi sửa chữa hệ thống truyền động

-Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch

+ Nhóm 1CC : Dùng để bảo vệ các van có dòng điện định mức :

Idm.1cc = 1,1.Idm = 1,1.60=66A

+ Nhóm 2CC : Dùng để bảo vệ động cơ trong trường hợp mở máy :

Idm.2cc = kmm Idm = 5.60= 300A