Hệ thống điều khiển chỉnh lưu - động cơ một chiều

Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH MỞ ĐẦU Điều khiển là một lĩnh vực quan trọng trong đời sống xã hội. Bất kì ở vị trí nào, bất cứ làm một công việc gì mỗi chúng ta đều tiếp cận với điều khiển. Nó là khâu quan trọng quyết định sự thành bại trong mọi hoạt động của chúng ta. Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi nhưng động cơ điện một chiều v ẫn tồn tại. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và phạm vi rộng. Vì động cơ điện một chiều có đặc tính làm việc rất tốt trên các mặt điều chỉnh tốc độ (phạm vi điều chỉ nh rộng, thậm chí từ tốc độ bằng 0). Nhưng độ tin cậy khi sử dụng động cơ một chiều lại thấp hơn so với động cơ không đồng bộ do có hệ thống tiếp xúc chổi than. Hệ thống điều khiển chỉnh lưu - động cơ một chiều cũng là một ứng dụng của kỹ thuật điều khiển. Chỉ nh lưu có điều khiển dùng Tiristo để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ. Chỉnh lưu cũng có thể dùng làm nguồn điện chỉnh điện áp kích từ cho động cơ. Hệ thống này thường được dùng cho các động cơ điện được cấp điện từ lưới xoay chiều. Nhóm chúng em gồm 4 người được giao đồ án thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều. Đồ án gồm 3 phần. Phần I: Tổng quan chung về động cơ điện một chiều,và hệ truyền động tirstor Phần II: Tính chọn thiết bị mạch lực mạch điều khiển Phần III: Tổng hợp mạch vòng dòng điện. Nội dung đồ án chắc chắn còn rất nhiều vấ n đề cần bổ xung hoàn thiện. Em rất mong đươc sự đóng góp ý kiến cuả các thầy cô trong bộ môn để đồ án của em được hoàn chỉnh. Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Văn Diễn cùng toàn thể các thầy cô trong bộ môn đã tận tinh hướng dẫn để em hoàn thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn! Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Sinhviên: Lưu Văn Thắng Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH PHẦN I. TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG TIRISTOR I. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1. Cấu tạo động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều chia thành 2 phần chính: Phần tĩnh ( Stato) Gồm các bộ phận chính sau: Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường, gồm lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ. + Lõi sắt cực từ làm bằng thép kĩ thuật điện dày ( 0,5 –1) mm ép lại và tán chặt. + Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện. Trong các máy công suất nhỏ, cực từ chính là một nam châm vĩnh cửu. Trong các máy công suất trung bình và lớn, cực từ chính là nam châm đ iện. - Cực từ phụ: đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện điều kiện làm việc của máy điện và đổi chiều + Lõi thép cực từ phụ có thể là một khối hoặc có thể được ghép bởi các lá thép tùy theo chế độ làm việc. Xung quanh cực từ phụ được đặt dây quấn cực từ phụ, dây quấn cực từ phụ được n ối với dây quấn phần ứng. Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy. Phần quay ( rôto) Bao gồm các bộ phận chính sau: Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH - Lõi thép phần ứng: dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kĩ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây lên. Trong máy điện nhỏ, lõi thép phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Trong máy điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức đi ện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng đồng có bọc cách điện. Trong máy điện công suất nhỏ, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện tròn. Trong máy điện công suất vừa và lớn, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện hình chữ nhật. Cổ góp: dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Cơ cấu chổi than: dùng để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. 2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng có dòng điện I ư . Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực F đt tác dụng làm cho rôto quay. Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi. Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sức điện động E ư Ở động cơ điện một chiều sức điện động E ư ngược chiều với dòng điện I ư nên sức điện đông E ư còn được gọi là sức phản diện Phương trình điện áp là: 3. Phân loại động cơ điện một chiều Cũng như máy phát, động cơ điện được phân loại theo cách kích thích từ thành các động cơ điện sau: −−− . IREU += Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Động cơ điện kích từ độc lập Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ được cấp điện từ một nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho mạch phần ứng. Động cơ kích từ nối tiếp Động cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng. Động cơ kích từ hỗn hợp Động cơ kích từ hỗn hợp gồm 2 dây quấn kích từ: dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp trong đó dây quấn kích từ song song là chủ yếu. II. KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều Tùy theo cách kích thích từ, động cơ điện một chiều có những tính năng khác nhau biểu diễn bằng các đường đặc tính làm việc, đặc tính cơ khác nhau. Trong các đặc tính đó, quan trọng nhất là đặc tính cơ. Đặc tính cơ dùng để xác định điểm làm việc xác lập hoặc là khảo sát điểm làm việc ổn định trong hệ thống truyền động điện. Đặc tính cơ của động c ơ điện là mặt phẳng tọa độ giữa ω với momen ω = f(M). Trong đồ án thiết kế này ta chỉ quan tâm tới loại động cơ một chiều kích từ độc lập Phương trình đặc tính cơ Khi động cơ làm việc, rôto mang cuộn ứng quay trong từ trường của cuộn cảm nên trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức phản điện động có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Phương trình điện áp ở mạch phần ứng động cơ: I ư R f KT R KT I KT - + +- U ư U KT Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH U = E + I ư ( R ư + R f ) Trong đó: + U ư : điện áp phần ứng ( V ) H1. Sơ đồ nối dây của động cơ + E: sức điện động phần ứng ( V ) + R ư : điện trở của mạch phần ứng (Ω) + R f : điện trở phụ của mạch phần ứng + I ư : dòng điện mạch phần ứng. Sức điện động E ư của phần ứng động cơ là tỷ lệ với tốc độ quay của rôto : E = k.Φ.ω Trong đó: + k = a pN π 2 hệ số cấu tạo của động cơ + Φ: từ thông qua một cực từ (Wb) + ω: tốc độ góc của rôto, 55,9 n =ω ( rad/s + p: số đôi cực từ chính + N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng + a: số đôi mạch nhánh song song + n: tốc độ quay (vòng/phút) Mặt khác, mômen điện từ của động cơ: M đt = k.Φ.I ư Φ =→ k M I dt − Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì M cơ = M đt = M Từ các phương trình trên ta có: đặc tính cơ của động cơ điện một chiều Khi toàn bộ các thông số điện của động cơ là định mức và không mắc thêm điện trở phụ vào mạch điện trở thì phương trình đặc tính cơ là: () M k RR k U f 2 − − . . Φ + − Φ = ω () M k R k U 2 −− . . Φ − Φ = ω Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH M M đm ω ω đm ω o Δω ĐTTN 0 Đặc tính cơ của phương trình này gọi là đặc tính cơ tự nhiên. Tốc độ ω o = U ư /k.Φ là tốc độ không tải lý tưởng. Khi phụ tải tăng dần từ M c = 0 đến M c = M đm thì tốc độ động cơ giảm dần từ ω o xuốngω đm nên phương trình đặc tính cơ có dạng: Với: Δω = () 2 − Φ k R _độ sụt tốc trên đặc tính cơ. Đặc tính cơ Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông Φ = const thì phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập tuyến tính có dạng hàm bậc nhất y = ax + b nên đường biểu diễn trên hệ tọa độ M0ω là một đường thẳng cắt trục 0ω tại ω o với độ dốc âm. H2. ĐỒ THỊ ĐẶC TÍNH CƠ TỰ NHIÊN 2. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU a. Chỉ tiêu điều chỉnh tốc độ Điều chỉnh tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động điện tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của các máy sản xuất. Để đánh giá chất lượng của một hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêu sau: Sai số tốc độ ωωω Δ−= o Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Sai số tĩnh tốc độ là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt và được đánh giá thông qua: Mong muốn: sai số ω đ = ω s% càng nhỏ càng tốt. Tính liên tục ( độ trơn của dải điều chỉnh) ω i + 1 ≈ ω i : hệ thống điều khiển liên tục ω i + 1 ≠ ω i : hệ thống điều khiển nhảy cấp Mong muốn γ → 1: hệ truyền động có thể làm việc ổn định ở mọi giá trong suốt dải điều chỉnh. Dải điều khiển tốc độ Dải điều khiển tốc độ ( D) là tỉ số giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tốc độ làm việc ứng với mômen tải đã cho: Mong muốn D càng lớn càng tốt Ngoài ra còn các chỉ tiêu khác như: chỉ tiêu kinh tế, kích thước… b. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều Về việc điều chỉnh tốc độ, động cơ một chiều có nhiều ưu điểm so với các loại động cơ khác: điều chỉnh dễ dàng, chất lượng điều chỉnh cao trong một dải rộng…. Xét phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều: 100 ω ωω × − = d d s% i i ω ω γ 1+ = min max ω ω =D () M k R k U 2 −− . . Φ − Φ = ω Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH R f = 0 R f1 R f2 ω 0 ω M 0 M 2 M 1 M c Ta thấy rằng việc điều chỉnh động cơ điện một chiều có thể thực hiện được bằng cách thay đổi các đại lượng: R ư , Φ, U ư Thực tế có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều: Phương pháp 1: Thay đổi điện trở phần ứng Đây là phương pháp kinh điển dùng để điều khiển tốc độ động cơ trong nhiều năm. Nguyên lý điều khiển Trong phương pháp này người ta giữ U = U đm ; Φ = Φ đm và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng. Độ cứng của đường đặc tính cơ: Ta thấy khi điện trở càng lớn thì β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đó càng mềm hơn. H3. đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ Ứng với R f = 0 ta có độ cứng tự nhiên β TN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ. Như vậy, khi ta thay đổi R f ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên. Đặc điểm của phương pháp ( ) f dm RR k M + Φ −= Δ Δ = − 2 . ω β Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn. Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức ( chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm). Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì t ổn hao năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục. Đánh giá các chỉ tiêu Tính liên tục: phương pháp này không thể điều khiển liên tục được mà phải điều khiển nhảy cấp. Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải. Tả i càng nhỏ thì dải điều chỉnh D = ω max / ω min càng nhỏ. Phương pháp này có thể điều chỉnh trong dải D = 3 : 1 Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn. Chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản. Phương pháp 2: Thay đổi từ thông Φ Nguyên lý điều khiển Giả thiết U= U đm ; R ư = const . Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòng điện kích từ. Thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ. Bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa (Φ = Φ max ) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông Φ tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức. → Khi giảm Φ thì tốc độ không tải lý tưởng Φ = k U dm o ω tăng, còn độ . sử dụng động cơ một chiều lại thấp hơn so với động cơ không đồng bộ do có hệ thống tiếp xúc chổi than. Hệ thống điều khiển chỉnh lưu - động cơ một chiều. hướng thay thế hệ F - Đ bằng hệ thống CL - Đ Hệ thống CL - Đ một chiều Hệ thống CL - Đ một chiều dùng bộ biến đổi là một loại nguồn điều áp một chiều. Khi