Đồ án Thiết kế hệ thống truyền động điện bộ biến đổi van động cơ một chiều không đảo chiều quay

LỜI NÓI ĐẦU Hiện với phát triển mạnh mẽ ngành công nghiệp, tiến kỹ thuật áp dụng vào sản xuất, ứng dụng phát triển loại động điện Động điện coi cánh tay công nghiệp trực tiếp tạo suất lao động thay sức lao động người, thật khơng thể phủ nhận Vai trị động điện cụ thể loại máy móc sử dụng loại động điện mơt chiều xoay chiều Để sử dụng tối ưu hiệu lâu dài ứng dụng cảu động điện đặt yêu cầu phải tạo nguồn điện phù hợp cho việc hoạt động động ổn định Để đáp ứng u cầu phải có q trình nghiên cứu tìm hiểu nghiêm túc nhằm đáp ứng cầu kĩ thuật đề Là sinh viên khoa điện Trường Đại học Kinh tế- Kỹ thuật- Công nghiệp em cảm thấy kiến thức khung khơng thể thiếu để áp dụng thực tiễn đời sống sản xuất yêu cầu công việc sau Trong đồ án theo yêu cầu đặt em xin trình bày nghiên cứu đề tài: “ Thiết kế hệ thống truyền động điện biến đổi van động chiều không đảo chiều quay” Số liệu yêu cầu: Phụ tải Mc= const mang tính chất phản kháng Động chiều kích từ độc lập: Pđ= 3,2 kw , nđ=1500 v/p Bộ biến đổi sử dụng sơ đồ chienh lưu pha có Diot không (Do) Phạm vi điều chỉnh D=40:1, sai lệch tĩnh [s] = 0,08 Với nỗ lực thân giúp đỡ tận tình giáo viên hướng dẫn: Võ Thu Hà thầy cô môn, đến đồ án em hồn thành Do kiến thức chun mơn cịn hạn chế, tài liệu tham khảo có hạn nên đồ án em khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong bảo, góp ý thầy, cô giáo bạn để đồ án em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn, đặc biệt Võ Thu Hà tận tình giúp đỡ em để thiết kế hoàn thành hạn PHỤ LỤC CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHƯƠNG I: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.1 PHÂN TÍCH CHỌN ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG Động điện chiều: Cấu tạo động điện: roto stato Stato (phần tĩnh) : phần đứng yên, cấu tạo gồm: cực từ chính, cực từ phụ, gơng từ, nắp máy, cấu chổi than Roto (phần quay): cấu tạo gồm: lõi sắt phần ứng, dây quấn phần ứng, cổ góp, cánh quạt, trục máy Phân loại động điện chiều: Động kích từ độc lập Động kích từ song song Động kích từ nối tiếp Động kích từ hỗn hợp Giới thiệu động điện chiều kích từ độc lập: Động điện kích từ độc lập có cuộn kích từ mắc vào nguồn chiều độc lập (đối nguồn có cơng suất khơng đủ lớn) Nguyên lý động kích từ độc lập: Khi cho điện áp chiều U vào chổi điện, dẫn phần ứng có dịng điện Iư Các dây quấn có dịng điện nằm từ trường chịu lực F đt tác dụng làm quay roto Khi động quay, từ trường Eư sinh chống lại hiệu điện đầu vào, E ngược chiều với dịng điện Iư Sơ đồ tổng qt: Hình 1.1 Sơ đồ nối dây động chiều kích từ độc lập Theo hình ta viết phương trình cân điện áp mạch phần ứng sau:  U u = E u + (R u + R f ).I u                  (1-1) Trong đó: Uu : Điện áp đặt lên phần ứng động (V) Eu : Sức điện động phần ứng(V) Ru Ω  : Điện trở mạch phần ứng( ) Rf Ω  : Điện trở phụ mạch phần ứng ( ) Iu : Dòng điện mạch phần ứng (A) Với R u = ru + rct + rb + rcf              Trong đó: ru Ω  : Điện trở cuộn dây phần ứng ( ) rb Ω  : Điện trở cuộn bù ( ) rcf Ω  :Điện trở cuộn bù phụ ( ) rct Ω  : Điện trở tiếp xúc chổi điện ( ) Eu Sức điện động phần ứng động xác định theo biểu thức sau: PN Eu = φ.ω = K.φ.ω 2πa (1-2) P: Số đôi cực từ N: Số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng a: Số đôi mạch nhánh song song dây phần ứng φ : Từ thơng kích từ cực từ (Wb) ω : Tốc độ góc (rad/s) K= PN 2πa : Hệ số cấu tạo động Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n ( vịng/ phút) thì: E u = K e φ.n ω= 2πn n = 60 9,55 Vì vậy: PN Eu = φ.n 60a Ke = Với PN K = ≈ 0,105K 60a 9,55 ω= => Từ (1-1) (1-2) ta có: Uu R u + R f − I u K.φ K.φ (1-3) Biểu thức (1-3) phương trình đặc tính điện động M dt Mặt khác, momen điện từ động xác định bởi: M dt = K.φ.I u (1-4) M I u = dt Iu K.φ : Thay giá trị vào (1-3) ta có: U R +R ω = u − u f M dt K.φ (K.φ) (1-5) Nếu bỏ qua tổn thất trục động momen trục động momen điện từ, ta kí hiệu M:  M dt =  M co = M Phương trình kích từ độc lập động điện chiều kích từ độc lập R + Rf U ω= u − u M K φ ( K φ)2 (1-6) Giản đồ đặc tính đặc tính điện động điện chiều: Hình 1.2 Giản đồ đặc tính đặc tsinh điện động chiều Dựa vào phương trình đặc tính ta thấy thay đổi vận tốc có quan hệ với φ Uu, Rf, Hiện nay, thực tế có phương pháp để thay đổi tốc độ động điện chiều: Rf + thay đổi điện trở phụ phần ứng ( ) φkt + thay đổi từ thơng kích từ ( ) Uu + thay đổi điện áp phần ứng ( ) Rf 1.1.1 Thay đổi điện trở phụ phần ứng ( ) Nguyên lý điều chỉnh: Để điều chỉnh tốc độ động kích từ độc lập phương pháp thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R f vào mạch phần ứng ω = f (R f , φkt , U) Ta có: Giả thiết: U= const Φkt = const R = Var Muốn thay đổi điện trở phụ phần ứng mắc nối tiếp với điện trở phụ thay đổi mạch phần ứng, ta có: R= Rư + Rf Từ phương trình đặc tính cơ: U R + Rf ω = dm *M KΦ dm (KΦ dm ) Từ phương trình đặc tính => điện trở phụ R f tăng => tốc độ động giảm, điện trở phụ Rf giảm => tốc độ động tăng Tốc độ không tải lý tưởng: ωo = U dm = const kφdm Độ cứng đặc tính cơ: (kφdm ) β= = Var Ru + Rf Dạng đặc tính cơ: Khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng ta có dạng đặc tính hình: Hình 1.3 giản đồ đặc tính thay đổi điện trở phụ phần ứng => Nhận xét: Nếu Rf tăng tốc độ động giảm, đồng thời I nm Mnm giảm Phương pháp dùng để hạn chế dòng điện động cư khởi động Ưu điểm: + Đơn giản, dễ thực Nhược điểm: + Độ cứng đặc tính thấp + Tổn thất lượng điện trở lớn + Phạm vi điều chỉnh hẹp 1.1.2 Thay đổi từ thơng kích từ ( φkt ) Nguyên lý điều chỉnh: Để điều chỉnh tốc độ động kích từ độc lập phương pháp thay đổi từ thơng kích từ điều chỉnh momen điện từ động M= K.Φ.Iư điều chỉnh sức điện động quay Eư = K.Φ.ω động Sơ đồ nguyên lý: Hình 1.4 Sơ đồ điều chỉnh kích từ động kích từ động lập Ta có: ω = f (R f , φkt , U) Giả sử: U = Udm = const Φ = Var R = const Để thay đổi tốc độ ω ta cần thay đổi φkt , mà từ thơng kích dịng kích từ sinh ta mắc thêm biến trở Rv vào mạch kích từ Do tăng dịng kích từ φkt = φdm Ikt > Idm làm phá hỏng cuộn dây kích từ ( trạng thái bão φkt hòa) ta tăng Ikt lên khơng thay đổi đáng kể nên ta thay đổi từ thơng kích từ cách giảm từ thơng - Phương trình đặc tính cơ: U R + Rf ω = dm *M KΦ dm (KΦ dm ) Từ thông giảm => tốc độ động tăng Giảm từ thông => tốc độ không tải lý tưởng ωox tăng, độ cứng đặc tính giảm, dịng ngắn mạch Inm không đổi: U ωox = dm = var KΦ x Tốc độ không tải lý tưởng: Độ cứng đặc tính cơ: β = dịng ngắn mạch: Inm = (K Φ x )2 =var R U dm R = const Dạng đặc tính cơ: thay đổi từ thơng ta có dạng đặc tính hình Hình 1.5 dạng đặc tính đặc tính điện động chiều kích từ độc lập thay đổi từ thông => Nhận xét: Nhược điểm: D= +Dải điều chỉnh không rộng: ωmax = :1 ωmin + Tốc độ nhở bị chặn đặc tính tự nhiên + Tốc độ lớn mạch động ωmax φ = φdm bị giới hạn độ bền khí điều kiện chuyển Ưu điểm: + Cơng suất điều chỉnh mạch nhỏ, tổn thất lượng nhỏ Cũng sản xuất động giới hạn điều chỉnh 5:1 chí đến 8:1 phải dùng phương pháp khống chế đặc biệt, cấu tạo công nghệ chế tạo phức tạp khiến cho giá thành máy tăng lên Thay đổi điện áp phần ứng ( 1.1.3.1 Cơ sở phương pháp ω = f (R f , φkt , U) Ta có: 1.1.3 Uu ) Giả sử : Uư = Var Φ = Const R = Const phương trình đặc tính U R + Rf ω = dm *M KΦ dm (KΦ dm ) Điện áp động giảm => tốc độ động giảm Tốc độ không tải lý tưởng: U ωo = u = var kφ Độ cứng đặc tính cơ: β= (kφ) =const Ru Dạng đặc tính cơ: Khi thay đổi điện áp mạch phần động ta họ đắc tính song song với hình vẽ 10 khởi động Ikđ = const, với mục đích q tải cho phép dòng biến đổi dải hẹp, để thực u cầu ta đưa vào mạch ngắt dịng Sơ đồ khối ngắt dịng: Hình 3.19 Sơ đồ khối ngắt dịng Ngun lý làm việc: Chế độ nình thường Ud – RIư >0 nên điện áp đầu IC âm làm D khóa, khóa ngắt dịng khơng tham gia vào trình làm việc Giả sử với lý làm làm động bị tải, U d- RIư góc α mở điều biến đổi giảm hay điện áp biến đổi tăng -> động tăng tốc độ Lý luận tương tự động bị giảm tốc độ Tự động ổn định tốc độ: Giả sử hệ thống làm việc bình thường, lý tốc độ bị giảm-> điện áp phát từ FT bị giảm -> điện áp đầu vào IC2 giảm -> U đk giảm α -> góc mở biến đổi giảm hay điện áp biến đổi tăng -> động tăng tốc độ Lý luận tương tự động bị tăng tốc độ 3.3 TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.3.1 Tính chọn máy biến áp xung (BAX) Yêu cầu BAX phải tạo xung theo yêu cầu, cách ly mạch động lực mạch điều khiển, dễ dàng phân bố xung tới cực điều khiển Thyristor Chọn tỷ số biến áp BAX: Thơng thường BAX thiết kế có tỷ số biến áp n = 2÷3 chọn n = Tính tốn với biến áp xung n=2 Các xung tạo cần có thơng số: Ig = 0,42(A) µs , Ug = 10 (V), độ rộng xung điều khiển: Tx = 600( ) = 6.10-4(s) Mạch từ cảu biến áp xung loại chữ E, có trụ làm việc phần đặc tính từ hóa ∆B = 0,7(T) 3.3.2 Tính chọn tranztor tầng khuếch đại cuối Tầng khuếch đại xung sử dụng tranzitor ngược mắc theo cầu Darlington chọn dựa theo thông số biến áp xung: u1 = 20(V), ), I1 = I2 =0,21(A) Tranzitor Tr1 làm việc chế độ xung, chọn loại π605 có thơng số kĩ thuật sau: VCE = 40 (V), ICmax = 1,5 (A), β = 20÷ 40, Pm = (w), tmax = 850c Ta chọn: β =20 ⇒ IB1 = IC/β = 0,21/20 = 0,01 (A) = 10 (mA) 56 Nên cho dịng IB nhỏ xung đối xứng chọn thêm tầng khuếch đại trung gian Tr2 làm việc chế độ khuếch đại, loại Mπ25 có thơng số kĩ thuật sau: VCE = 40 (V), ICmax = 300 (mA), β = 13÷ 25, chọn Tr2 có hệ số β =15 3.3.3 Tính chọn máy biến áp đồng pha (BAĐ) Máy biến áp đồng pha (BAĐ) sử dụng máy biến áp pha điện áp đặt vào sơ cấp 220(V), phía thứ cấp có điện áp hiệu dụng U2= 20(V) 3.3.4 Chọn Tranzitor mạch điều khiển Ở mạch tạo xung chữ nhật đồng pha khóa khống chế mạch tích phân Tranzitor mạch sửa xung chọn loại KT201A có thơng số kỹ thuật sau: VCE = 20 (V), VVE = 20 (V), Ic = 30 (mA), b = 20 ¸ 60 Cơng suất tiêu tán P= 0,15 (w) 3.3.5 Tính chọn vi mạch khuếch đại thuật tốn mạch tích phân µ Tạo điện áp cưa mạch so sánh sử dụng loại A741 có csc thơng số kỹ thuật sau Tụ tạo điện áp cưa mạch tích phân C=4,7 µF(v) Các thông số kỹ thuật vi mạch µ A741: A0 100 Hệ số khuếch đại điện áp hở mạch Zmin 1MΩ Trở nháy vào Z0 150 Ω Trở nháy Ib 200 mA Dòng điện phần cực vào Vminv ± 13 v Điện áp vào cực đại Vminr ± 14 v Điện áp cực đại Vc0 mvi Điện áp lệch đầu vào Ung ± 0,4 mv Ngưỡng điện áp bão hòa USmax ± 18 v Điện áp nguồn cực đai f0 1MHZ 57 tần số cắt 3.3.6 Tính chọn khuếch đại trung gian Sơ đồ cấu trúc hệ thơng sau: Trong đó: U cd : tín hiệu điện áp đặt tốc độ K TG : Hệ số khuếch đại mạch khuếch đại trung gian K BBĐ : Hệ số khuếch đại biến đổi KĐ :Hệ số khuếch đại động  K I : Hệ số khuếch đại khâu phản hồi âm dòng điện  γ : Hệ số khuếch đại cảu khâu phản hồi âm tốc độ  I uR ∑ : Nhiều loạn phụ tải I ng : Tín hiệu dịng điện ngắt U v = U cd − γn U dk1 = U v − KTG ; 58 U dk = U dk1 − β ( I u − I ng ) EBBD = K BBD U dk ; U u = EBBD − I u RΣ n = U u K D ; Khi chưa có mạch vịng dịng điện tham gia: Từ sơ đồ cấu trúc ta có: { } n = ( U cd − γn ) KTG − β ( I u − I ng )  K BBD − I RΣ K D n= U cd KTG K BBD K D − β ( I u − I ng ) K BBD K D − I u RΣ K D + γ.KTG K BBD K D Khi hệ thống làm việc ổn định khâu phản hồi âm dịng có ngắt khơng tham gia nên β ( I u- I ng ) = Gọi n= K = KTG K BBD K D hệ số khuếch đại hệ thống, từ ta có: U cd K − I RΣ K d + γ.K Ta có: ∆n = St %.n0min n0 = ndm 1-St ndm = ; ndm = D.( 1-St ) n0 → ndm D ∆n = → Mặt khác ta lại có: ∆n = � St ndm I RΣ K D = D.( 1-St ) ( + γK ) K= → I RΣ K D + γK I u RΣ K§ ( − St ) D − St ndm γ.St ndm 59 St ndm D.( 1-St ) Ta có: Ke = E U − I R 220− 18,4.0,89 = = = 0,136 n n 1500 KD = Hệ số khếch đại động cơ: 1 = = 7,35 K e 0,136 + Tính hệ số khuếch đại biến đổi Để tính hệ số khuếch đại biến đổi ta xây dựng mối quan hệ: Ud = f ( α ) ; α = f ( Uđk ) => U d = f ( Uđk ) Uđk = f ( α ) Xác định đường π Udk α = (1− ) U rcmax Ta có: U rcmax Trong đó: chọn : Là biên độ điện áp cưa U rcmax = 12( V ) Thơng thường Ta chọn 2α 2α U dk = (1− ).U rcmax = (1− ).12 π π => Xác định đường Udk Ud = f ( α ) ta cho α 0÷ biến thiên π xác định giá trị Kết thành lập bảng sau: Xác định quan hệ α Udk Ud Ud = f ( Udk) 12 324 π 12 π 10 313 280,6 α Ta có đồ thị biểu diễn quan hệ Udk : 60 π π π 229 162 0 Hình 3.23 Đồ thị biểu diễn quan hệ Udk α Hình 3.24 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Udk Ud Ta có quan hệ Ud= f(Udk) quan hệ phi tuyến Để xác định hệ số khuếch đại biến đổi ta phải tuyến tính hóa quan hệ Ud= f(Udk) Từ đồ thị ta tuyến tính hóa đoạn AB Ta có hệ số khuếch đại biến đổi là: K BBD = ∆U d 313 − 229 = = 21 ∆U dk 10 − 3.3.7 Xác định hệ khuếch đại hệ thống 61 RΣ = R u + RBA + R T + RCK Ta có Với: RT = 2.∆U T 2.0,75 = = 0,08(Ω) I dm 18,4 RΣ = Ru + RBA + RT + RCK = 0,89 + 0,378 + 0,08 + 0,24 = 1,588(Ω) => Chọn điện áp phản hồi tốc độ định mức 12(v) γ.ndm = 12(v) γ= => 12 = 8.10−3 1500 D= 40:1 [St]= 0,08 Vậy hệ số khuếch đại khuếch đại yêu cầu là: K=  18,4.1,588.7,468.40.(1− 0,08)  − 1 = 8239,7 8.10−3  1500.0,08  Hệ số khuếch đại trung gian là: K 8239,7 K = KTG K BB § K D ⇒ KTG = = = 53,38 K BBD K D 21.7,35 CHƯƠNG IX: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 4.1 NGUYÊN LÝ MẠCH ĐỘNG 4.1.1 Nguyên lý biến đổi 62 1- AB: Aptomat dùng để bảo vệ đóng cắt mạch điện 2- MBA: máy biến áp chỉnh lưu cấp điện áp phù hợp cho chỉnh lưu, cách li mặt điện nguồn xoay chiều với mạch động lực chỉnh lưu 3- R,C: Các điện trở điện dung dùng để bảo vệ gia tốc điện áp qua van 4- CK1: Cuộn kháng san mắc nối tiếp với mạch động lực để san dòng điện qua phụ tải 5- Rh: Điện trở dùng để hãm động năng, làm giảm thời gian hãm dịng điện hãm cho động Hình 4.1 sơ đồ mạch động lực 4.1.2 Nguyên lý khởi động hệ thống Đóng aptomat ATM cấp điện cho mạch lực mạch điều khiển Lúc Iư =0 nên Udk=max nên UrBBĐ = max sinh Iư có xu hướng lớn Khi Iư > Ing khóa ngắt dòng tham gia tác động làm điện áp vào khuếch đại 63 Uv =Ucđ – (Iư- Ing).R giảm xuống, làm Udk giảm nên Uư giảm nên lượng phản hồi âm dòng (Iư- Ing).R giảm làm Udk tăng làm Ud giảm, Iư giảm chậm trì momen khởi động, trình tăng tốc nhanh êm Khi tốc độ động U u = Ucd − γn - ( I u − Ing) đạt đến mộ tgias trị có xu hướng giảm tiếp, n tăng dần nên Iư giảm dần, dẫn đến Ud tăng hệ khởi động lên đoạn đặc tính khóa ơharn hồi âm tốc độ tiếp tục giảm, n tăng I u < Ing đến khóa phản hồi âm dịng ngắt bị loại khỏi mạch Uư tăng Hệ thống chuyển sang khởi động tiếp đường đặc có phản hồi âm tốc độ Khi Iư=Ic động làm việc ổn định, kết thúc trình khởi động 4.1.3 Nguyên lý ổn định tốc độ Giả sử lý làm tốc độ động giảm xuống, lúc qua U FT = − γ.n máy phát tốc FT có thay đổi (giảm), làm UvIC3 tăng ( U vIC2 = Ucđ − γ.n tăng ) dẫn đến Udk tăng � thời điểm xuất xung sườn lớn Ud tăng lên làm tốc độ có xu hướng tăng lên giá trị cũ, tức hệ tự động ổn định tốc độ 4.1.4 Nguyên lý tự động hạn chế phụ tải Khi hệ thống làm việc bình thường Ic < Ing nên khóa ngắt dịng không tham gia làm việc, hệ lúc có tác động khâu phản hồi âm tốc độ nên độ cứng đặc tính lớn, ∆I = I u − I ng Khi động bị tải, tức Iư > Ing làm cho ∆I > Ud ( , Ud lấy WR) đầu IC3 điện áp dương làm cho D4 mở, qua IC4 Udk giảm � I tăng � Ud giảm làm tốc độ động giảm xuống Động làm việc đoạn đặc tính có độ cứng thấp (dốc hơn) điều hạn chế công suất không cho Iư vượt giá trị cho phép 4.2 NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 64 Sơ đồ mạch điều khiển: Hình 4.2 Tổng hợp mạch điều khiển 65 Giản đồ mạch điều khiển: Hình 4.3 Giản đồ điện áp mạch điều khiển 66 Sơ đồ khối tổng quát mạch điều khiển: Hình 4.4 sơ đồ mạch điều khiển 67 68 ... PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHƯƠNG I: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.1 PHÂN TÍCH CHỌN ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG Động điện chiều: Cấu tạo động điện: roto stato Stato... phải biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng dòng điện chiều, Người ta sử dụng biến đổi dòng điện, điện áp xoay chiều thành dòng điện, điện áp chiều gọi bơ chình lưu, chỉnh lưu sử dụng van bán... 1.2.2 Hệ thống truyền động xung áp động chiều 1.2.2.1 Nguyên lý hệ thống Hình 1.9 Cấu trúc hệ truyền động xung áp chiều 15 Sơ đồ đơn giản hệ ĐAX-ĐM dùng khóa đóng cắt thyristor Trong đó, nguồn chiều