Thiết kế bộ biến đổi công suất điều khiển động cơ một chiều

Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp cả về chiều rộng lẫn chiều sâu,điện và các máy điện đóng một vai trò rất quan trọng , không thể thiếu được trong phần lớn các ngành công nghiệp và đời sống sinh hoạt của con người. Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: dễ sản xuất, dễ truyền tải..., cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành... mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định như trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện...). Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn ... nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại. Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần....) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao. Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ khoảng 75% ÷85%, ở động cơ điện công suất trung bình và lớn khoảng 85% ÷ 94% .Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 100000 kw điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000v. Hướng phát triển là cải tiến tính năng vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những máy công suất lớn hơn đó là cả một vấn đề rộng lớn và phức tạp vì vậy với vốn kiến thức còn hạn hẹp của mình trong phạm vi đề tài này em không thể đề cập nhiều vấn đề lớn mà chỉ đề cập tới vấn đề thiết kế hệ điều khiển bộ biến đổi xung áp động cơ điện một chiều để điều khiển tốc độ động cơ.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG XUNG ÁP- ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực : Hà Nội, 2020 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀNỘI CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Tên đề tài: Thiết kế biến đổi công suất hệ truyền động xung ápĐộng chiều Mục tiêu đề tài: Phân tích, lựa chọn cấu trúc hệ truyền động điện Tính tốn, thiết kế mạch lực, mạch điều khiển cho biến đổi công suất, ứng dụng cho hệ XA-Đ Thông số động chiều kích từ độc lập: Pđm = 10kW, Uđm= 220V, nđm = 980 v/p, Rư = 0,05Ω, = 96% Kết dự kiến Bản Phân tích, lựa chọn hệ truyền động điện cho đề tài Thiết kế mạch lực biến đổi công suất, hệ XA-Đ Thiết kế mạch điều khiển BBĐ công suất, hệ XA-Đ Mơ hình mơ hệ thống, đánh giá kết phòng TNTĐĐ Thời gian thực hiện: từ 02/03/2020 đến 18/04/2020 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) MỤC LỤC TRƯỞNG KHOA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD_NGUYỄN VĂN ĐỒI DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 3- 9: Mạch khuếch đại1 LỜI NÓI ĐẦU Cùng với phát triển ngày mạnh mẽ ngành công nghiệp chiều rộng lẫn chiều sâu,điện máy điện đóng vai trị quan trọng , khơng thể thiếu phần lớn ngành công nghiệp đời sống sinh hoạt người Do tính ưu việt hệ thống điện xoay chiều: dễ sản xuất, dễ truyền tải , máy phát động điện xoay chiều có cấu tạo đơn giản công suất lớn, dễ vận hành mà máy điện (động điện) xoay chiều ngày sử dụng rộng rãi phổ biến Tuy nhiên động điện chiều giữ vị trí định cơng nghiệp giao thơng vận tải, nói chung thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục phạm vi rộng (như máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ) Mặc dù so với động không đồng để chế tạo động điện chiều cỡ giá thành đắt sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp ưu điểm mà máy điện chiều thiếu sản xuất đại Ưu điểm động điện chiều dùng làm động điện hay máy phát điện điều kiện làm việc khác Song ưu điểm lớn động điện chiều điều chỉnh tốc độ khả tải Nếu thân động không đồng đáp ứng đáp ứng phí thiết bị biến đổi kèm (như biến tần ) đắt tiền động điện chiều khơng điều chỉnh rộng xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lượng cao Ngày hiệu suất động điện chiều công suất nhỏ khoảng 75% ÷85%, động điện cơng suất trung bình lớn khoảng 85% ÷ 94% Cơng suất lớn động điện chiều vào khoảng 100000 kw điện áp vào khoảng vài trăm 1000v Hướng phát triển cải tiến tính vật liệu, nâng cao tiêu kinh tế động chế tạo ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD_NGUYỄN VĂN ĐỒI máy cơng suất lớn vấn đề rộng lớn phức tạp với vốn kiến thức cịn hạn hẹp phạm vi đề tài em đề cập nhiều vấn đề lớn mà đề cập tới vấn đề thiết kế hệ điều khiển biến đổi xung áp động điện chiều để điều khiển tốc độ động ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI CHƯƠNG 1: BẢN PHÂN TÍCH , LỰA CHỌN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO ĐỀ TÀI 1.1 Cấu trúc hệ truyền động điện Định nghĩa hệ truyền động điện Hệ truyền động điện tập hợp thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết bị điện tử phục vụ cho việc biến đổi lượng điện thành cung cấp cho cấu công tác máy sản xuất, gia công truyền tín hiệu thơng tin để điều khiển q trình biến đổi lượng theo u cầu cơng nghệ Cấu trúc hệ truyền động điện Hình 1- : Cấu trúc hệ truyền động điện Trong đó: BĐ: biến đổi dùng để biến đổi loại dòng điện (xoay chiều thành chiều ngược lại), biến đổi loại nguồn (nguồn áp thành nguồn dòng ngược lại), biến đổi số pha, tần số… Các biến đổi thường dùng biến đổi máy điện (máy phát chiều, xoay chiều), biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bão hòa), biến đổi điện tử (chỉnh lưu tiristo, biến tần tranzito, tiristo) Đ: Động điện, dùng để biến đổi điện thành hay thành điện (khi hãm điện) Các động điện thường dùng là: động xoay chiều không đồng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI ba pha roto dây quấn hay lồng sóc, động điện chiều kích từ song song, nối tiếp hay kích từ nam châm vĩnh cửu, động xoay chiều đồng bộ… TL: Khâu truyền lực, dùng để truyền lực từ động điện đến cấu sản xuất dùng để biến đổi dạng chuyển động (quay thành tịnh tiến lắc) làm phù hợp tốc độ, momen, lực Để truyền lực dùng bánh răng, răng, trục vít, xích, đai truyền, ly hợp điện từ… CT: Cơ cấu công tác (cơ cấu sản xuất, cấu làm việc) thực thao tác sản xuất công nghệ (gia công chi tiết, nâng hạ tải trọng, dịch chuyển…) ĐK: Khối điều khiển, thiết bị dùng để điều khiển biến đổi BĐ, động điện Đ, cấu truyền lực Khối điều khiển bao gồm cấu đo lường, điều chỉnh tham số cơng nghệ, khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt có tiếp điểm (các rơ le, cơng tắc tơ) hay khơng có tiếp điểm (điện tử, bán dẫn) Các thiết bị đo lường, cảm biến (sensor) dùng để lấy tín hiệu phản hồi, loại đồng hồ đo, cảm biến từ… 1.2 Một số hệ truyền động điện chiều Hệ máy phát động chiều ( Hệ F-Đ) Sơ đồ nguyên lý: Hình 1- : Sơ đồ nguyên lý hệ F-Đ Giả thiết ωf = const, sức điện động máy phát E f = f( Iktf ) theo quy luật đường cong từ hố, coi máy phát khơng bão hịa đường thẳng nên Ef = kf φf ωf = kf φf αIktf (1.1) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD_NGUYỄN VĂN ĐỒI Trong đó: • φf : Từ thơng kích từ máy phát • :hệ số đường đặc tính(thường đường thẳng) • Iktf : Dịng kích từ máy phát Nếu dây quấn kích từ máy phát cấp nguồn áp lý tưởng Ukf : Ikf = (1.2) Như sức điện động lúc tỷ lệ với điện áp kích thích hệ số số k f Lúc coi gần máy phát điện chiều kích từ độc lập khuếch đại tuyến tính Ef = kfUkf (1.3) Phương trình đặc tính điện: (1.4) Phương trình đặc tính cơ: (1.5) Trong • Rưf : Điện trở phần ứng máy phát • Rưđ : Điện trở phần ứng động Tốc độ không tải lý tưởng : (1.6) Độ cứng đặc tính : (1.7) Hình 1- : Đồ thị đặc tính hệ F-Đ ứng với Ukf thay đổi ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI Những biểu thức chứng tỏ thay đổi dịng điện kích từ máy điều chỉnh tốc độ khơng tải hệ thống, cịn độ cứng đặc tính giữ ngun, đặc tính điều chỉnh họ đường thẳng song song - Nếu cho máy phát kích từ thuận Ukt>0 đặc tính nửa trục ω>0 - Nếu cho máy phát kích từ nghịch U kf Urc →Ub >0 →Ura = -Unguồn Từ q1 ¸ θ2 với Uđk = = 12 kΩ Chọn R4 = R5 = 16 kΩ Ta có dịng điện vào khuếch đại thuật toán: Ivmax == = 0,94 mA 3.2.4 Tính tốn lựa chọn khối phát xung 3.2.4.1 Nhiệm vụ: Tạo xung phù hợp để mở IGBT, xung để mở IGBT có u cầu + Đủ cơng suất có nghĩa đủ Uđk , Iđk + Đủ độ rộng (độ rộng xung điều khiển phải lớn thời gian mở IGBT ) chọn = lần + Có sườn trước dốc thẳng đứng, thường gặp xung chữ nhật, xung kim Mục đích để IGBT mở tức thời, dạng xung mong muốn xung chữ nhật, thường tạo xung kim + Cách ly mạch điều khiển với mạch động lực Vì mạch điều khiển cấu tạo từ linh kiện điện tử công suất bé (điện áp dòng điện bé) mạch lực thiết bị điện tử công suất lớn, điện áp cao Cách ly thường dùng biến áp xung 32 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI 3.2.4.2 Sơ đồ khuếch đại tạo xung Hình 3- 8: Một số sơ đồ mạch khuếch đại Với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở IGBT tầng khuếch đại cuối thường thiết kế tranzitor cơng suất, hình a Để có xung dạng kim gửi tới van ta dùng biến áp xung, để có khuếch đại cơng suất ta dùng Tr, diot D bảo vệ Tr cuộn dây sơ cấp biến áp xung Tr khoá đột ngột Mặc dù với ưu điểm đơn giản, sơ đồ không dùng rộng rãi, lẽ hệ số khếch đại Tranzitor loại nhiều không đủ lớn, để khuếch đại tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang Tầng khuếch đại cuối sơ đồ Darlington hình b, Thường hay dùng thực tế Sơ đồ hồn tồn đáp ứng yêu cầu khuếch đại công suất, hệ số khuếch đại nhân lên theo thông số Tranzitor Trong thực tế xung điều khiển cần có độ rộng bé ( cỡ khoảng 10 đến 200 µs ), mà thời gian mở thơng Tranzitor công suất dài tối đa nửa chu kỳ cỡ 0,01s, làm cho công suất toả nhiệt dư Tr lớn kích thước dây quấn sơ cấp biến áp dư lớn Để giảm nhỏ công suất toả nhiệt Tr kích thước dây quấn sơ cấp máy biến áp xung, ta thêm tụ nối 33 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD_NGUYỄN VĂN ĐỒI tầng hình c Theo sơ đồ này, Tr mở cho dòng điện chạy qua khoảng thời gian nạp tụ, nên dòng điện hiệu dụng chúng bé nhiều lần 3.2.4.3 Chọn sơ đồ khâu khuếch đại: Hình – 9: Mạch khuếch đại Nhận xét: Sau chọn xong ba khâu trên, để giảm công suất cho tầng khuếch đại tăng số lượng xung kích mở, nhằm đảm bảo van mở cách chắn, người ta dùng phát xung chùm cho IGBT d) Vì tín hiệu khâu so sánh, gửi sang tầng khuếch đại dạng xung chữ nhật có độ rộng từ thời điểm cần phát xung điều khiển cuối nửa chu kỳ làm cho IGBT dẫn thời gian dài cuộn sơ cấp biến áp xung có dịng chạy qua lâu, làm toả nhiệt IGBT lớn, làm giảm tuổi thọ IGBT Do thêm khâu tạo xung chùm có tần số cao, trước vào tầng khuếch đại Ta đưa thêm vào mạch cổng AND với tín hiệu vào nhận từ khâu so sánh từ phát xung chùm Khi có Uss mà lớn T2 dẫn suy T3 dẫn, lúc có dịng điện vào IGBT 3.2.4.4 Tính tốn sơ đồ khâu khuếch đại Chọn Tranzitor công suất T3 loại 2SC9111 làm việc chế độ xung, có cá thơng số sau : Tranzitor loại N-P-N, vật liệu bán dẫn silic Điện áp colectơ bazơ hở mạch emitơ : UCBO = 40 V ; Điện áp emitơ bazơ hở mạch colectơ : UEBO = V; Dòng điện lớn colectơ chịu đựng : = 500 mA ; 34 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD_NGUYỄN VĂN ĐỒI Cơng suất tiêu tán colectơ : PC = 1,7 W ; Nhiệt độ lớn mặt tiếp giáp : = 1750C ; Dòng làm việc colectơ : = = 66,6 mA ; Ta thấy với loại IGBT chọn có cơng suất điều khiển bé : Udk = 3V, Idk = 200 mA = 0,2 A, nên dòng colectơ – bazơ tranzitor T3 bé, trường hợp ta khơng cần tranzitor T2 mà có cơng suất điều khiển tranzitor Tất điôt mạch điều khiển dùng loại 1N4009, có tham số : Dịng điện định mức : Idm = 10 mA ; Điện áp ngược lớn : Un = 25 V ; Điện áp điốt mở thông : Um = V ; Điện trở R6 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào bazơ tranzitor T2 Chon R6 thoả mãn điều kiện : Ta chọn 35 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3.3 GVHD_NGUYỄN VĂN ĐOÀI Sơ đồ mạch điều khiển cho hệ XA-Đ 36 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 Mô hệ truyền động xung áp động chiều (Hệ XA-Đ) 4.1.1 Mô biến đổi công suất Sơ đồ mạch lực biến đổi Kết mơ dạng dịng điện điện áp tải 37 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.1.2 Mô mạch điều khiển  Sơ đồ mô  Kết mô Điện áp xoay chiều V1 Dạng điện áp vuông V2 Điện áp tam giác đo V3 điện áp sau so sánh V4 38 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Dạng điện áp qua khâu phát xung V7 39 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.2 Thực nghiệm đánh giá kết phòng TN 512-A7  Sơ đồ đấu nối thiết bị  - Sơ đồ đấu nối gồm module: Module nguồn xoay chiều 220V nguồn điện chiều 12V Module van bán dẫn công suất Module mạch điều khiển xung áp chiều Module đèn sợi đốt Module động điện chiều Máy sóng Oscilloscope 40 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Dạng sóng điện áp, dòng điện Oscilloscope  Kết luận: Kết thu trình làm thực nghiệm với dạng sóng điện áp dịng điện tải ta thấy giống với kết thu phần lý thuyết 41 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Trọng Minh, “Giáo trình điện tử cơng suất”, NXB Giáo dục, 2014 [2] Vũ Gia Hanh, “ Máy điện”, NXB Khoa học kỹ thuật,2006 [3] Trần Văn Thịnh, “Tính tốn, Thiết kế thiết bị điện tử công suất”, NXB Giáo dục, 2011 [4] Trần Văn Thịnh, “Tính tốn, Thiết kế thiết bị điều khiển”, NXB Giáo dục, 2011 [5] Nguyễn Văn Liễn, “ Truyền động điện”, NXB Khoa học kỹ thuật, 2006 [6] Nguyễn Đình Tun “Điện tử cơng suất mạch nghịch lưu” NXB Thanh niên, 2018 [7] Tài liệu thí nghiệm Điện tử cơng suất, BM Tự động hóa, ĐHCN Hà Nội, 2020 [8] Bài giảng Điện tử công suất, BM Tự động hóa, ĐHCN Hà Nội, 2019 [9] Tài liệu thí nghiệm Truyền động điện, BM Tự động hóa, ĐHCN Hà Nội, 2020 42