Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay

Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu Trong q trình sản xuất truyền động điện có nhiệm vụ thực công đoạn cuối công nghệ sản xuất Đặc biệt dây truyền sản xuất tự động đại, trun động điện đóng vài trị quan trọng việc nâng cao suất chất lượng sản phẩm Vì hệ truyền động ln ln quan tâm nghiên cứu nâng cao chất lượng để đáp ứng với yêu cầu công nghệ Ngày ứng dụng tiến kỹ thuật điện tử, tin học, hệ truyền động điện ngày phát triển có thay đổi đáng kể Đặc biệt công nghệ sẩn xuất thiết bị điện tử công suất ngày hoàn thiện nên biến đổi điện tử công suất hệ truyện động diện đáp ứng độ nhanh, độ xác cao mà cịn góp phần làm giảm kích thước giá thành hệ Một hệ hệ truyền động động điện chiều Do ưu điểm động chiều điều chỉnh tốc độ nên động điện chiều sử dụng rộng rãi đặc biệt lĩnh vực giao thơng vận tải, khí luyện kim… việc điều khiển động điện chiều vấn đề quan trọng lĩnh vực truyền động điện Để điều khiển động điện có nhiều hệ MF- ĐC, Hệ XA- ĐC, CL-ĐC Đối với hệ lại có ưu nhược điểm riêng Khí chế tạo thiết bị điện tử cơng suất địi hỏi có kiến thức khơng mạch động lực mà kiến thức mạch điều khiển tính chọn thiết bị cho hợp lý cần thiết Vì việc tìm hiều cách tỷ mỷ lĩnh vực điện tử công suất việc cần thiết, nên đề tài em “Thiết kế nguồn chỉnh lưu cho động điện chiều kích từ độc lập khơng đảo chiều quay” trình bày gồm chương: Chương 1: Tổng quan phương pháp điều chỉnh tốc độ động Chương 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực Chương 3: Lựa chọn thiết kế mạch điều khiển Chương 4: Thiết kế vịng kín theo ngun lý tối ưu hóa module Do hạn chế nhiều mặt nên để tài khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận góp ý, nhận xét thầy cô bạn Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo: Nguyễn Vũ Thanh, thầy cô môn TBĐ - ĐT, khoa SPKT bạn khóa nhiệt tình, quan tâm, giúp đỡ em trình thực đồ án Hà Nội, ngày 15 tháng năm 2009 Sinh viên Ngô Thị Nguyệt Anh Ngô Thị Nguyệt Anh Sư phạm kỹ thuật điện K50 Đồ án tốt nghiệp Mục lục Lời nói đầu Mục lục Danh sách hình vẽ Mở đầu Chương Tổng quan phương pháp điều chỉnh tốc độ động 1.1 Động chiều phương trình đặc tính .9 1.1.1 Động chiều 1.1.2 Phương trình đặc tính .10 1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều .13 1.2.1 Thay đổi điện trở phụ .14 1.2.2 Thay đổi từ thông 15 1.2.3 Thay đổi điện áp phần ứng .16 1.2.4 Nhận xét chung phương pháp .17 CHƯƠNG lựa chọn thiết kế mạch động lực .19 2.1 Chọn sơ đồ mạch động lực 19 2.1.1 Điều chỉnh tốc độ truyền động điện 19 2.1.2 Khảo sát hệ truyền động chỉnh lưu _ động 21 2.1.3 Chọn sơ đồ chỉnh lưu nguồn chiều 25 2.2 tính tốn sơ đồ mạch động lực 35 2.2.1 Tính chọn Thyristor : .36 2.2.2 Tính tốn máy biến áp chỉnh lưu .37 2.2.3 Thiết kế cuộn kháng lọc 51 2.2.4 Tính chọn thiết bị bảo vệ mạch động lực 59 CHươNG 3: thiết kế mạch điều khiển 64 3.1 Yêu cầu nhiệm vụ mạch điều khiển 64 Ngô Thị Nguyệt Anh Sư phạm kỹ thuật điện K50 Đồ án tốt nghiệp 3.1.1 Yêu cầu mạch điều khiển: .64 3.1.2 Chức năng: .64 3.2 Nguyên tắc điều khiển 65 3.2.1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”: 65 3.2.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính: .67 3.3 Sơ đồ khối mạch điều khiển 67 3.3.1 Khâu đồng pha .69 3.3.2 Khâu so sánh 71 3.33 Tạo xung chùm điều khiển 72 3.3.4 Khâu khuếch đại .74 3.4 Sơ đồ mạch điều khiển 77 3.4.1 Sơ đồ mạch điều khiển Tiristor.(trang bên) hinh3.11 77 3.4.2 Nguyên lí hoạt động mạch điều khiển: .78 3.5 Tính tốn mạch điều khiển 78 3.5.1 Tính biến áp xung: 79 3.5.2 Tính tầng khuếch đại cuối cùng: .80 3.5.3 Chọn cổng AND: .81 3.5.4 Chọn tụ C3 R9: 82 3.5.5 Tính chọn tạo xung chùm: 82 3.5.6 Tính chọn tầng so sánh: 83 3.5.7 Tính chọn khâu đồng pha: 84 3.5.8 Tạo nguồn nuôi: .85 3.5.9 Tính tốn máy biến áp nguồn nuôi đồng pha: 86 Chương 4: thiết kế mạch vịng kín theo ngun lý tối ưu module 92 4.1 Khái quát chung điều khiển tối ưu module .92 4.1.1 Sơ qua phương pháp dùng khuếch đại tổng: 92 Ngô Thị Nguyệt Anh Sư phạm kỹ thuật điện K50 Đồ án tốt nghiệp 4.1.2 Phương pháp điều khiển tối ưu module: 93 4.2 Mơ hình hệ thống chỉnh lưu_động đơn giản 93 4.2.1 Hàm truyền động chiều kích từ độc lập: 94 4.2 Hàm truyền thyristor 95 4.3 Nguyên lý điều khiển tối ưu modul 96 4.4 Hệ thống điều khiển động chiều hai mạch vòng 101 4.5 Cấu trúc hệ tự động điều chỉnh tối ưu module hai mạch vòng 102 4.6 Mô hệ thống động chiều .103 kết luận 114 tài liệu tham khảo 115 Ngô Thị Nguyệt Anh Sư phạm kỹ thuật điện K50 Đồ án tốt nghiệp Danh sách hình vẽ H.1.1: Sơ đồ nối dây động điện kích từ độc lập H.1.2: Đặc tính điện động điện chiều kích từ độc lập 10 H.1.3: Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập 10 H.1.4: Các đặc tính động điện chiều kích từ độc lập thay đổi Rf mạch điện phần ứng 12 H.1.5: Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập giảm từ thông 14 Hình 1-2 Đặc tính điện động điện chiều kích từ kích độc lập 12 Hình 1-3 Đặc tính động điện chiều kích từ kích độc lập 12 Hình - Các đặc tính động điện chiều kích từ độc lập thay đổi Rf mạch phần ứng 14 Hình1 - Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập giảm từ thơng 16 Hình Các đặc tính động chiều kích từ độc lập .17 H.2.1 Sơ đồ nguyên lý biến đổi van 22 Hình 2-2 Đặc tính động hệ CL- Đ 24 Hình 2.3 Chỉnh lưu tia ba pha 27 Hình 2.4 Đường cong điện áp tải góc mở   600 28 Hình 2.5 Chỉnh lưu tia sáu pha 29 Hình 2.6 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng .31 Hình 2.7 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng 33 Hình 2-8 :Sơ đồ nguyên lí mạch động lực 35 Hình 2.11 Mạch động lực có thiết bị bảo vệ 59 Hình 2.12 Mạch R_C bảo vệ điện áp chuyển mạch 62 Ngô Thị Nguyệt Anh Sư phạm kỹ thuật điện K50 Đồ án tốt nghiệp Hình 2.13 Mạch RC bảo vệ điện áp từ lưới 62 Hình 2.14 Mạch cầu ba pha dùng điơt tải RC bảo vệ cắt MBA non tải 63 Hình 3.1 : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “ARCCOS” 66 Hình 3.2 Nguyên lý điều khiển chỉnh lưu 67 Hình 3.4: Hình dạng xung điều khiển Thyristor 69 Hình 3.5: Sơ đồ đấu dây biến áp đồng pha 70 Hình 3.8: Một số sơ đồ chùm xung .73 Hình 3.12 Sơ đồ ngun lí tạo nguồn ni 85 H3.13 Kích thước mạch từ biến áp 87 Ngô Thị Nguyệt Anh Sư phạm kỹ thuật điện K50 Đồ án tốt nghiệp Mở đầu Tên đề tài Thiết kế nguồn chỉnh lưu cho động điện chiều kích từ độc lập khơng đảo chiều quay Lý chọn đề tài Trong năm gần kỹ thuật điện tử bán dẫn công suất lớn phát triển mạnh mẽ, thiết bị điện tử công suất có nhiều ưu điểm: có khả điều khiển rộng, có tiêu kinh tế cao, kích thước trọng lượng thấp, độ tin cậy độ xác cao… ứng dụng chúng vào việc biến đổi lượng điều khiển điện áp dòng điện xoay chiều thành chiều ngược lại ngày sâu, rộng Khi chế tạo thiết bị điện tử công suất địi hỏi có kiến thức khơng mạch động lực mà kiến thức mạch điều khiển tính chọn thiết bị cho hợp lý cần thiết Hiện động chiều sử dụng rộng rãI lĩnh vực giao thơng vận tải, khí, ….do có ưu điểm ổn định tốc độ Vì việc điều khiển động chiều vấn đề quan trọng truyền động điện Vì đồ án nghiên cứu “ Thiết kế nguồn chỉnh lưu cho động điện chiều kích từ độc lập” để làm rõ động điện chiều kích từ độc lập Hy vọng đề tài giúp ích cho bạn muốn nghiên cứu động chiều Đối tượng mục tiêu nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu: Động điện chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay  Mục tiêu nghiên cứu: Thiết kế nguồn chỉnh lưu cho động điện chiều kích từ độc lập khơng đảo chiều quay Nhiệm vụ nghiên cứu  Thiết kế mạch động lực cho động điện chiều  Thiết kế mạch điều khiển cho động điện chiều  Thiết kế mạch vịng kín theo ngun lý tối ưu module ổn định tốc độ Phạm vi nghiên cứu Đề tài “ Thiết kế nguồn chỉnh lưu cho động điện chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay” dành cho sinh viên chuyên ngành điện trường trung học chuyên nghiệp cao đẳng, đại học trung tâm đào tạo nghề điện Ngô Thị Nguyệt Anh Sư phạm kỹ thuật điện K50 Đồ án tốt nghiệp Phương pháp nghiên cứu Tổng hợp phân tích lý thuyết làm sở thiết kế mạch động lực mạch điều khiển phù hợp với thơng số u cầu, qua thiết kế mạch vịng kín theo ngun lý tối ưu module điểu khiển để ổn định động Dự kiến kết cấu nội dung Dự kiến kết cấu nội dung đề tài gồm chương: Chương Tổng quan phương pháp điều chỉnh tốc độ động Chương trình bày động chiều phương pháp điều chỉnh tốc độ chúng Chương Lựa chọn thiết kế mạch động lực Chương trình bày sơ đồ mạch động lực từ lựa chọn mạch động lực phù hợp, qua tính tốn sơ đồ mạch Chương Thiết kế mạch điều khiển Chương trình bày nhiệm vụ, yêu cầu nguyên tắc hoạt động mạch điều khiển qua lựa chọn mạch điều khiển đưa thơng số để tính tốn mạch phù hợp với yêu cầu đề     Chương 4: Thiết kế mạch vịng kín theo ngun lý tối ưu module Chương trả lời cho câu hỏi:  Thế nguyên lý tối ưu module?  Mục đích làm gì?  Xây dựng hàm truyền nào?  Kết mô matlap sao? Dự kiến kết nghiên cứu Thiết kế mạch động lực, mạch điều khiển phù hợp với yêu cầu đặt Thiết kế mạch vòng theo nguyên lý tối ưu module để ổn định động Lĩnh vực ứng dụng Là tài liệu học tập cho sình viên ngành điện tìm lời giải cần thiết nhận toán thiết kế nguồi điện tử công suất Là tài liệu tham khảo cho kỹ sư cán nghiên cứu thiết kế, lắp đặt, sửa chữa, vận hành thiết bị điện tử công suất Ngô Thị Nguyệt Anh Sư phạm kỹ thuật điện K50 Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí Chương Tổng quan phương pháp điều chỉnh tốc độ động 1.1 Động chiều phương trình đặc tính 1.1.1 Động chiều Cho đến động điện chiều dùng phổ biến hệ thống truyền động chất lượng cao, công nghiệp, giao thông vận tải nói chung thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục phạm vi rộng (máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ) Cấu tạo động điện chiều gồm có dây quấn phần cảm phần ứng Các dây quấn phần cảm có dịng điện chiều tạo nên từ trường từ thông cực từ φ qua phần ứng Dây quấn phần ứng phần sinh sức điện động có dịng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm dây đồng có bọc cách điện Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt hộp chổi than nhờ lị xo tì chặt lên cổ góp Kết cấu cổ góp gồm có nhiều phiến đồng có nhạn cách điện với lớp mi ca hợp thành trụ trịn Chức vành góp chổi điện để làm khép mạch dòng điện dẫn phần ứng, cực đó, theo chiều cho, khơng phụ thuộc vào tốc độ cho Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động điện chiều có nhiều ưu việt so với loại động khác, khơng có khả điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực , mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao dải điều chỉnh tốc rộng Ngô Thị Nguyệt Anh Sư phạm kỹ thuật điện K50 Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí 1.1.2 Phương trình đặc tính Ikt KT U Rf U =Eư + (Rư + Rf)Iư (1-1) Trong : Uư : điện áp phần ứng (v) Eư : sức điện động phần ứng (v) Rư : điện trở mạch phần ứng (ς) Rf : điện trở phụ mạch phần ứng, (ς) Iư : dòng điện mạch phần ứng Với Rư = rư + rcf + rb + rct rư : điện trở cuộn dây phần ứng rcf : điện trở cuộn cực từ phụ rb : điện trở cuộn bù rct : điện trở tiếp xúc chổi điện Sức điện động Eư phần ứng động xác định theo biểu thức: Eu = Ngô Thị Nguyệt Anh pN Φ.ω = K Φ.ω 2.π a 10 (1-2) Sư phạm kỹ thuật điện K50 Chương 4: Thiết kế mạch vịng kín theo ngun lý tối ưu Module Để cho Regulator bơt phức tạp người ta lấy l < với : T = Rph.C1 ; T1 + T2 R = T R ph T1.T2 = R1.Cph Nếu đối tượng có nhiều số thời gian người ta chia đối tượng nhiều phần tử, đối tượng từ đến hai Ti tương ứng với ta đặt Regulator thích ứng, hình thành hệ nhiều mạch vịng sơ đồ : Uđi Rn(p) R1(p) ĐT ĐTn 4.4 Hệ thống điều khiển động chiều hai mạch vòng Trong hệ T - Đ ta cần bù số thời gian điện từ động T số thời gian học động T c không cần bù số thời gian trễ chỉnh lưu, số thời gian lọc sóng hài chúng nhỏ Ta lập hai mạch vòng : Mạch vòng phản hồi dòng điện phần ứng mạch vòng phản hồi âm tốc độ Lúc ta nối vào hệ khâu hiệu chỉnh nối tiếp sơ đồ khối hệ dạng hàm truyền sau : Uđự Rự(p) Uphự Uđi Uphi Ri(p) K CL 1+ τp Ud Iư ự Kphi Kphự (Chú ý trình tính tốn để thuận tiện ta bỏ qua tác động IC gây ảnh hưởng mạch vòng phản hồi sức điện động E = KΦự) Ngô Thị Nguyệt Anh 101 Sư phạm kỹ thuật điện K50 Chương 4: Thiết kế mạch vịng kín theo ngun lý tối ưu Module 4.5 Cấu trúc hệ tự động điều chỉnh tối ưu module hai mạch vòng BA Kh BD kt kt FT Uđk Kphi RI Uphi Rự Kphự Uđ Uđự Uphự i Từ mơ hình hệ thống ta thuyết minh hoạt động sau: Khi thay đổi góc mở α Thyristor ta thay đổi điện áp phần ứng Ud thay đổi tốc độ động Khi khởi động động điện điều chỉnh góc mở α Thyristor góc mở lớn cho phép mà điện áp phần ứng đủ dùng để khắc phục điện áp rơi điện trở phần ứng Sau góc mở α giảm dần để tốc độ quay động tăng lên, có tốc độ mong muốn Hoặc hãm động để trở trạng thái tốc độ khơng Thì ln có sai số tĩnh tốc độ Äự Vậy ta dùng thêm vòng phản hồi tốc độ với sử dụng điều chỉnh R(ự) thích hợp điều chỉnh Äự theo giá trị cho phép ( Lể=5,245(mH) Rư = 0,14 Ù , Rba= 0,062 Ω => Rể=0,202 ( Ω ) => Tu = LΣ = 0,026 s RΣ Ngô Thị Nguyệt Anh ωdm = 103 n dm 980 = = 102,62(rad / s) 9,55 9,55 Sư phạm kỹ thuật điện K50 Chương 4: Thiết kế mạch vịng kín theo ngun lý tối ưu Module kΦ = U u − Iu R u = 1,85 Wbp; ωdm Ngô Thị Nguyệt Anh TC = 104 JR Σ = 0,112(s) (kΦ ) Sư phạm kỹ thuật điện K50 Chương 4: Thiết kế mạch vịng kín theo nguyên lý tối ưu Module 1, Hàm truyền động xác định từ phương trình sau, cho : U dk = f (ω ) E b = K CL e−τ s U dk = K CL U τ s + dk E b − E − IRu − Lu I s = → E b − E = IRu (1+ Tus) Vậy hàm truyền: Ngô Thị Nguyệt Anh 105 Sư phạm kỹ thuật điện K50 Chương 4: Thiết kế mạch vịng kín theo ngun lý tối ưu Module K CL = U d0 218,5 = = 21,9 U dk max 10 1 = = 0,0033(s) mf 2.3.50 21,9 F = 0,0033s + τ= Tổng hợp mạch vịng dịng điện có xét đến suất điện động: Ngô Thị Nguyệt Anh 106 Sư phạm kỹ thuật điện K50 Chương 4: Thiết kế mạch vòng kín theo ngun lý tối ưu Module Vậy ta có hàm truyền điều khiển Tu s)(1+ Tu ) Ru (1+ 0,186s)(1+ 0,026s) Ri (s) = = K K T 0,11s2 2( i CL2 C )τ s2 Ru (1+ Tổng hợp mạch vịng điều khiển: Ngơ Thị Nguyệt Anh 107 Sư phạm kỹ thuật điện K50 Chương 4: Thiết kế mạch vịng kín theo ngun lý tối ưu Module Ngơ Thị Nguyệt Anh 108 Sư phạm kỹ thuật điện K50 Chương 4: Thiết kế mạch vịng kín theo ngun lý tối ưu Module Ngô Thị Nguyệt Anh 109 Sư phạm kỹ thuật điện K50 Chương 4: Thiết kế mạch vòng kín theo ngun lý tối ưu Module Ngơ Thị Nguyệt Anh 110 Sư phạm kỹ thuật điện K50 Chương 4: Thiết kế mạch vịng kín theo ngun lý tối ưu Module Vậy hàm tốc độ điều khiển PI: Rω (s) = 1+ 4τ Σ s 1+ 4τ Σ s 1+ 1,184s 1+ 1,184s = R ( s ) = = ω 0,17s 0,17s 8Ru kωτ ∑ 8Ru kωτ ∑ s s k φ k i Tc k φ k i Tc sơ đồ điều khiển nối tầng : Ngô Thị Nguyệt Anh 111 Sư phạm kỹ thuật điện K50 Chương 4: Thiết kế mạch vịng kín theo nguyên lý tối ưu Module Đồ thị ổn định tốc độ: Ngô Thị Nguyệt Anh 112 Sư phạm kỹ thuật điện K50 Chương 4: Thiết kế mạch vịng kín theo nguyên lý tối ưu Module Đồ thị ổn định dòng điện: Ngô Thị Nguyệt Anh 113 Sư phạm kỹ thuật điện K50 Đồ án tốt nghiệp kết luận Qua trình thực đề tài “ thiết kế nguồn chỉnh lưu cho động điện chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay” đồ án giải nhiệm vụ sau: Nghiên cứu sâu động điện chiều từ thiết kế mạch động lực, mạch điều khiển theo thông số yêu cầu tải Thiết kế mạch vòng tối ưu module để ổn định tốc độ động Việc điều khiển động chiều vấn đề quan trọng lĩnh vực truyền động điện việc ổn định tốc độ dòng điện động đóng tải vấn để quan trọng có tính định Hy vọng đồ án tài liệu giúp ích cho sinh viên ngành điện, kỹ sư … tham khảo Qua bổ sung kinh nghiệm thực tế đưa phương án tối ưu Từ đưa động điện chiều ứng dụng nhiều sản xuất, ngành giao thơng vận tải…góp phần đẩy nhanh cơng nghiệp hóa đại hóa nước ta Ngơ Thị Nguyệt Anh 114 Sư phạm kỹ thuật điện K50 Đồ án tốt nghiệp tài liệu tham khảo Trần Văn Thịnh - Tính tốn thiết kế thiết bị điện điện tử công suất Nhà Xuất Bản Giáo Dục_2000 Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền - Truyền Động Điện – Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật_2006 Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi - Điều Chỉnh Tự Động Truyền Động Điện – Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật Võ Minh Chính, Phạm Quốc HảI, Trần Trọng Minh - Điện Tử Công Suất – Nhà Xuất Bẩn Khoa Học Kỹ Thuật Ngô Thị Nguyệt Anh 115 Sư phạm kỹ thuật điện K50 ... cứu: Động điện chiều kích từ độc lập khơng đảo chiều quay  Mục tiêu nghiên cứu: Thiết kế nguồn chỉnh lưu cho động điện chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay Nhiệm vụ nghiên cứu  Thiết kế. .. 1-2 Đặc tính điện động điện chiều kích từ kích độc lập 12 Hình 1-3 Đặc tính động điện chiều kích từ kích độc lập 12 Hình - Các đặc tính động điện chiều kích từ độc lập thay đổi Rf... tơi nghiên cứu “ Thiết kế nguồn chỉnh lưu cho động điện chiều kích từ độc lập? ?? để làm rõ động điện chiều kích từ độc lập Hy vọng đề tài giúp ích cho bạn muốn nghiên cứu động chiều Đối tượng mục