LUẬN VĂN; Xây dựng hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ động điện một chiều kích từ độc lập hai mạch vòng điều chỉnh tốc độ dòng điện.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG…………… Luận văn Xây dựng hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ độc lập hai mạch vòng điều chỉnh tốc độ dòng điện LỜI MỞ ĐẦU Ngµy cc sèng hµng ngµy chóng ta th-ờng xuyên gặp hệ truyền động điện nơi đâu Nú cú vai trũ rt quan trng sống lao động sản xuất Do phát triển ngày mạnh mẽ kỹ thuật điện tử tin học nên hệ truyền động điện có b-ớc phát triển nhảy vọt Việc ứng dụng tin học kỹ thuật điện tử vào hệ truyền động điện làm cho hệ truyền động điện ngày có -u điểm bật so với hệ truyền ®éng cị nh- d¶i ®iỊu chØnh réng, ®é tin cËy cao, gọn nhẹ khả tự động hoá cao Em nhận thấy việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ điều khiển cần thiết Do em giao thiết kế đề tài “ Xây dựng hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ độc lập hai mạch vòng điều chỉnh tốc độ dòng điện ” Nội dung thiết kế đồ án gồm chương : Chương 1: Giới thiệu chung động điện chiều Chương 2: Tổng hợp hệ truyền động mơ hình hệ thống Chương 3: Thiết kế xây dựng hệ truyền động điện chiều Trong thời gian làm thiết kế đồ án, giúp đỡ bảo tận tình thầy giáo hướng dẫn GS.TSKH Thân Ngọc Hồn với bảo thầy giáo môn Điện tự động công nghiệp giúp đỡ bạn bè Do thời gian có hạn lực cịn hạn chế nên đồ án em khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong bảo thêm thầy cơ, bạn bè để thiết kế em hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Lê Quang Đông CHƢƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Cấu tạo động điện chiều kích từ độc lập Cấu tạo động điện chiều gồm phần phần tĩnh ( stato) phần động ( rotor ) A) Phần tĩnh gồm có : a) Cực Cực từ phần sinh từ trường gồm có lõi sắt cuộn dây : Lõi sắt cực từ làm từ thép kỹ thuật ghép lại , mặt cực có nhiệm vụ làm cho từ thơng dễ qua khe khí Cuộn dây kích từ đặt lõi cực cách điện với thân cực khn cuộn dây cách điện Cuộn dây kích từ làm dây đồng có tiết diện trịn , cuộn dây tẩm sơn cách điện nhằm chống thấm nước tăng độ dẫ nhiệt Để tản nhiệt tốt cuộn dây tách thành lớp , đặt cách rãnh làm mát b) Cực phụ Cực phụ nằm cực , thơng thường số cực phụ ½ số cực lõi thép cực phụ thường bột thép ghép lại , máy có tải thay đổi lõi thép cực phụ ghép thép Khe hở khơng khí cực phụ lớn khe hở khơng khí cực c) Thân máy Thân máy làm gang thép , cực cực phụ gắn vào thân máy tùy thuộc vào công suất máy mà thân máy có chứa hộp ổ bi khơng Máy có cơng suất lớn hộp ổ bi làm rời khỏi thân máy Thân máy gắn với chân máy Ở vỏ máy có gắn bảng định mức với thông số : công suất định mức Pđm , tốc độ định mức nđm , điện áp định mức Uđm , dịng điện định mức Iđm , dịng kích từ định mức Iktđm B) Phần động gồm có : a) Lõi sắt phần ứng Lõi sắt phần ứng dung để dẫn từ ,thường làm băng tôn Silic có phủ lớp cách điện sau ép lại để giảm tổn hao dịng Fucơ gây nên Trên thép có dập rãnh để ép lại tạo thành rãnh đặt cuộn dây phần ứng vào Lõi sắt hình trụ trịn ép cứng vào với trục tạo thành khối thống Trong máy điện công suất trung bình trở lên người ta thường dập rãnh để ép lại tạo thành lỗ thơng gió làm mát cuộn dây mạch từ b) Dây quấn phần ứng Trong máy điện nhỏ dây quấn phần ứng có tiết diện trịn , với động có cơng suất lớn tiết diện day hình chữ nhật c) Cổ góp Cuộn dây rotor cuộn dây khép kín , cạnh nối với phiến góp Các phiến góp ghép cách điện với với trục hình thành cổ góp Phiến góp làm đồng , vừa có độ dẫn điện tốt vừa có độ bền học cao , chống mài mòn 1.2 Nguyên lý hoạt động Từ trường động tạo nhờ cuộn dây có dịng điện chiều chạy qua Các cuộn dây gọi cuộn cảm ( hay cuộn kích từ ) quấn quanh cực từ Trên hình vẽ động điện chiều , stato động có đặt cuộn cảm nên stato cịn gọi phần cảm , từ trường cuộn cảm tạo tác dụng từ lực vào dây dẫn rotor đặt rãnh rotor có dịng điện chạy qua Cuộn dây gọi cuộn ứng Dòng điện đưa vào cuộn ứng qua chổi than cổ góp Rotor mang cuộn ứng nên gọi phần ứng động Hình 1.2 : Sơ đồ nguyên lý cấu tạo động điện chiều 1.3 Đặc tính động điện chiều Hình 1.3 : Sơ đồ nguyên lý động điện chiều kích từ độc lập Khi động làm việc , rotor mang cuộn dây phần ứng quay từ trường cuộn cảm nên cuộn ứng xuất sức điện động cảm ứng có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động Theo sơ đồ ngun lý , ta có phương trình cân điện áp mạch phần ứng sau : Uư = Eư + ( Rư + Rp).Iư (*) Trong : Uư điện áp phần ứng động Eư sức điện động phần ứng động Rư điện trở cuộn dây phần ứng Rp điện trở phụ mạch phần ứng Iư dòng điện phn ng ng c Sức điện động E- phần ứng động d-ợc xác định theo biểu thức: E- = PN w a k w (**) Trong P: Số đôi cực từ N:Thanh dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng a: số đôi mạch nhán song song cuộn dây phàn ứng :Từ thông kÝch tõ d-íi cùc tõ b : Tèc ®é gãc rad/s K= PN a HƯ sè cÊu t¹o cđa ®éng c¬ +NÕu biĨu diƠn søc ®iƯn ®éng theo tèc độ quay n (vòng/phút) thì: E- =Ke n Và = n n = 60 9,55 V× vËy E- = PN 60a n Ke = PN 60a Ke = k 9,55 : Hệ số sức điện động động 0,105K Từ ph-ơng trình (*)và (**) ta có: = R + Rf Uu - u IKΦ KΦ (***) BiÓu thøc (***) ph-ơng trình đặc tính điện động Mặt khác mômen điện từ Mđt động đ-ợc xác định : Mt = K ISuy : I- = M dt K Thay giá trị I- vào (***) ta đ-ợc ph-ơng trình : = Uu KΦ - Ru + R f ( KΦ) Mđt (****) Nếu bỏ qua tổn thất tổn thất thép mômen trục động với mômen điện từ, ta ký hiệu M Nghĩa Mđt = Mcơ = M Ph-ơng trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lËp : = R + Rf Uu - u M K K Giả sử phần ứng động d-ợc bù đủ,từ thông =const, ph-ơng trình đặc tính điện(***) ph-ơng trình đặc tính (****) tuyến tính.Khi dồ thị chúng đ-ợc biểu diễn hình vẽ đ-ờng thẳng a Đặc tính điện động điện chiêu kích từ độc lập b.Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Theo đồ thị I- = hc M = ta cã: = Khi Uu K = (1.1) đ-ợc tốc độ không tải lý t-ởng động Còn = ta có từ ph-ơng trình đặc tính động ph-ơng trình đặc tính động điện chiều kích từ ®éc lËp.Ta cã: I- = U Ru + Rf (1.2) = Inm (1.3) M = K Inm Vµ Inm, Mnm đ-ợc gọi dòng điện ngắn mạch momen ngắn mạch động Qua đồ thị đ-ờng đặc tính điện, đặc tính động chiều ta thấy đồ thị đ-ờng thẳng Nên ph-ơng trình đặc tính có dạng : = Uu K Ru + R f ( KΦ) M (1.4) lµ hàm bậc y = Ax +B, nên đ-ờng biểu diễn hệ toạ độ M0 đ-ờng thẳng với độ dốc am.Đ-ờng đặc tính cắt trục tung o điểm có tung độ: U K = Tốc dộ động (1.5) tốc độ ứng với Mc = nghĩa lực cản Đó tốc độ lớn động mà đạt đ-ợc ổ chế độ động không xảy đ-ợc tr-ờng hợp Mc = (do lực ma sát luôn tồn tai động quay)Vì nh- ta đà nói đ-ợc gọi tốc độ không tải lý t-ởng động Khi mà toàn thông số điện động định mức nh- thiết kế không mắc thêm điện trở phụ vào mạch động R- = R- ph-ơng trình đặc tính động đ-ợc viết là: = Uu KΦ RuΣ M ( KΦ) (1.6) Th× đ-ờng đặc tính lúc đ-ợc gọi đ-ờng đặc tính tự nhiên đ-ờng đặc tính tự nhiên đ-ợc biểu diễn nh- hình vẽ: 3.4 Xây dựng chỉnh lƣu 3.4.1 Chọn chỉnh lu Để cấp nguồn cho tải chiều (Động ®iƯn mét chiỊu kÝch thÝch ®éc lËp) chóng ta cÇn thiết kế chỉnh l-u với mục đích biến đổi l-ợng điện xoay chiều thành chiều Với yêu cầu không cao hệ truyền động ta sử dụng chỉnh lưu cầu pha để cấp nguồn cho động Hình 3.3 : Sơ chnh lu cu mt pha Tiristor Hoạt động sơ đồ khái quát mô tả nh- sau Trong nửa bán kỳ điện áp anod Thyristor T1 d-ơng (+) (lúc catot T2 ©m (-)) nÕu cã xung ®iỊu khiĨn ®ång thêi cho van T1,T2 van đ-ợc mở thông để đặt điện áp l-ới lên tải ,điện áp tải chiều điện áp xoay chiều chừng van dẫn thông (khoảng dẫn thysistor phụ thuộc vào tính chất tải ) Đến nửa bán kỳ sau , điện áp đổi dÊu , anod cđa thysistor T3 d-¬ng (+) catod T4 âm (-)Nếu có xung điều khiển cho van T3, T4, đồng thời van đ-ợc mở thông đặt điện áp l-ới tải, với điện áp chiều tải có chiều trùng với nửa bán kỳ tr-ớc Chỉnh l-u cầu pha hình(3-4) có chất l-ợng điện áp hoàn toàn giống nh- chỉnh l-u chu kỳ với biến áp trung tính.Nghĩa tr-ờng hợp tải trở dòng điện gián đoạn điện áp trung bình đ-ợc tải tính bằng: Uđ= Uđ0(1 + Cos )/2 Còn tải điện cảm lớn dòng điện , điện áp tải liên tục điện áp chiều : 31 U d U d cos Việc điều khiển đồng thời Tiristor T1, T2, vµ T3, T4 cã thĨ thùc hiƯn nhiều cách Một cách đơn giản sử dụng biến áp xung có cuộn thứ cấp Tuy gặp khó khăn mở van điều khiển công suất xung không đủ lớn Để tránh việc mở đồng thời van nhtrên mà chừng mực đáp ứng đ-ợc yêu cầu chất l-ợng điện áp ng-ời ta sử dụng chỉnh l-u cầu pha không đối xứng: Hỡnh 3.4 : Sơ đồ chỉnh lưu cầu pha không đối xứng Về hoạt động, điện áp d-ới đặt vào anod catod van bán dẫn thuận chiều có xung điều khiển việc dẫn dòng van làm việc giống Khi điện áp đổi dấu l-ợng cuộn L đ-ợc xả qua diode D1,D2 van đóng vai trò diod ng-ợc Chính mà Tiristor tự động khoá lại điện áp đổi dấu Việc chuyển mạch có điều khiển đ-ợc thực việc mở van van dẫn thông nửa chu kú 32 3.4.2 Thiết kế mạch phát xung mở Tiristor Sơ đồ phát xung mở Tiristor Ua U® t(ms) Urss t(ms) Urf t Xung më T1 U ss Xung mở T2 t 33 Điện áp đặt so sánh điện áp từ phát tốc (Uđw-Uw) qua mạch điều chỉnh tốc độ So sánh điện áp từ mạch dòng (UđI-Ui) qua khâu hạn chế đ-ợc so sánh với điện áp khâu c-a - Khõu ng pha Hình 3.5 : Sơ đồ khâu đồng pha mạch phát xung - Khâu phát xung tam giác R3 +U2 C1 T/2 R4 T -U2 Urmax Hình 3.6 : Sơ đồ khâu tạo xung tam giác Ta cã ®iƯn áp đầu là: Ur U max t R1C1 U r max Tại t=T/2 điện áp tích phân đạt giá trị: 34 Urrc A3 R2 Urmin R1 A2 U2 Ur U r max R3 U max R2 Thêi gian mét chu kú R3 R2 T R1C1 T 0,0025 R1C1 R3 R2 f f : tÇn số băm xung chọn R2=R1= R3=R4=10K C1=62nF * Khõu phỏt xung mở Tiristor 35 * Khâu tạo nguồn ni Hình 3.7 : Sơ đồ mạch cấp nguồn 12V 3.5 Thiết k mch o tc Để đo tốc độ hệ truyền động ta dùng máy phát tốc chiều loại 100v 2000 vòng /phút , tốc độ định mức : đm = 1500 vòng /phút Thế điện áp máy phát tốc t-ơng ứng : 100.1500 75(V ) 2000 Sơ đồ mạch đo tốc độ : Hình 3.8 : Sơ đồ mạch đo tốc độ phản hồi 36 Khâu phản hồi tốc độ Hình 3.9 : Sơ đồ điều chỉnh mạch vòng tốc độ 3.6 Thiết kế mạch đo dịng điện §Ĩ thùc khâu phản hồi dòng điện , ng-ời ta dựng điện trở Shunt khuếch đại thuật toán , mắc theo sơ đồ d-ới : 37 Xét ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu : P= 2,7 KW , = 0,83 U®m = 220 V , n®m = 1500 V/ P = 157 rad/s Ta có : U dm KM I dm I dm Ru 220 14,8.1,264 1,282 157 ndm 2,7.103 14,8( A) 220.0.83 P U dm H»ng sè thêi gian trƠ cđa hƯ thèng chØnh l-u : 3,50 0,0067 Chọn điện trở Shunt loại 25 A/60mv Khi ®ã lÊy K1 = K2 =10 K = K1 K2 = 100 Suy : Uiph = k 60 10-3 = 6(V) VËy : Ki U iph I sh 0,24 25 * Chän R1 = 10 k R2 = K1 R1 = 10.10 = 100 (K ) Chän R3 = 10 K R4 = K2 R3 =10.10 = 100 (K ) Chän R5 = K R6 = K.R5 = 100 (K ) chọn K3 = 100 Sau thiÕt kÕ ta ph¶i kiĨm tra tính ổn định chất l-ợng hệ thống truyền động T- Đ 38 3.7 L g 39 40 3.8 Kết đo lƣờng Sau lắp ráp hệ thống ta tiến hành đo kiểm tra thực nghiệm mô hình Với tải = const Tốc độ đặt Tốc độ đáp ứng động Vset(v/ph) Vreal(v/ph) 500 498 0.4 350 335 4.3 150 130 13.4 Sai lệch ( %) Ta nhận thấy hệ thống đáp ứng yêu cầu điều chỉnh tốc độ , dải điều chỉnh tốc độ rộng nhiên điều chỉnh tốc độ sai số lớn 41 KẾT LUẬN Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu theo hướng dẫn thầy giáo hướng dẫn GS.TSKH.Thân NgọcHoàn thầy cô môn Điện tự động công nghiệp, thiết kế đồ án tơt nghiệp em hồn hành với yêu cầu đặt đề tài : - Tìm hiểu động điện chiều kích từ độc lập - Tổng hợp hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ độc lập hai mạch vịng điều chỉnh - Tính toán lựa chọn phần tử hệ truyền động điện - Xây dựng lắp ráp mô hình hệ truyền động Do thời gian có hạn khả cịn hạn chế nên đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót, vấn đề đề cập đến hạn chế Với điều kiện cho phép em nghiên cứu tiếp vấn đề sau: - Hiển thị tốc độ , điện áp dòng điện đáp ứng hệ thống máy tính phần mềm LABVIEW 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS.TSKH.Thân Ngọc Hoàn ,TS.Nguyễn Tiến Ban – Tự động truyền động điện NXB KHKT – 2007 [2] GS.TSKH.Thân Ngọc Hoàn – Máy điện NXB Xây dựng – 2005 [3] Bùi Đình Tiếu, Phạm Duy Nhi – Cơ sở truyền động điện tự động NXB Đại học Trung học chuyên nghiệp Hà Nội – 1982 [4] Nguyễn Phùng Quang MATLAB simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động NXB KHKT Hà Nội – 2004 [5] Trần Văn Thịnh – Tính tồn thiết kế thiết bị điện tử công suất NXB KHKT- 2004 [6] Diễn đàn Điện Tử Việt Nam (www.dientuvietnam.net) [7] Diễn đàn Sinh viên Bách Khoa (www.svbkol.org) [8] Datasheet Linh kiện Điện tử (www.datasheetcatalog.com) 43 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Cấu tạo động điện chiều kích từ độc lập 1.2 Nguyên lý hoạt động 1.3 Đặc tính động điện chiều 1.4 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều 11 1.4.1 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp phần ứng 11 1.4.2 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông 13 1.4.3 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở mạch phần ứng 14 CHƢƠNG 2: TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 17 2.1 Cấu trúc hệ truyền động điện 17 2.2 Mơ hình tốn hệ thống 19 2.2.1 Mơ hình tốn động điện chiều 19 2.2.2 Mơ hình toán chỉnh lưu 22 2.3 Tổng hợp mạch vòng dòng điện 24 2.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ 25 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU 27 3.1 Mở đầu 27 3.2 Chọn động 28 3.3 Xây dựng khối điều khiển PI 29 3.3.1 Bộ điều khiển PI 29 3.3.2 Lựa chọn thơng số PI vịng điều chỉnh dòng 30 3.3.3 Lựa chọn thơng số PI vịng điều chỉnh tốc độ 30 44 3.4 Xây dựng chỉnh lưu 31 3.4.1 Chọn chỉnh lưu 31 3.4.2 Thiết kế mạch phát xung mở Tiristor 33 3.5 Thiết kế mạch đo tốc độ 36 3.6 Thiết kế mạch đo dòng điện 37 39 3.8 Kết đo lường 41 KẾT LUẬN 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 45