[Khóa luận]phân tích một số hệ truyền động điện một chiều ứng dụng trong công nghiệp

Lời mở đầu Trong xu thế hội nhập hiện nay, đất nớc ta ngày càng tiếp nhận và học hỏi nhiều công nghệ mới từ các quốc gia trên thế giới. Ngành công nghiệp nặng nói chung hay ngành điện công nghiệp nói riêng cũng đợc thừa kế những thành tựu khoa học mà thế giới đem lại, không những vậy nó không ngừng phát triển và ngày càng hiện đại, tiên tiến hơn. Trên thực tế, chúng ta gặp rất nhiều những dây truyền, những công nghệ với kĩ thuật cao để phục vụ cho sản xuất cho con ngời. Mentor II - bộ chỉnh lu điều khiển số có rất nhiều tính năng u việt đã đợc đa vào ứng dụng trong thực tế từ rất lâu. Nó không chỉ có mặt trên khắp thế giới mà ở Việt Nam cũng đã đợc ứng dụng trong các hệ truyền động điện một chiều. Đợc sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo Tiến sĩ Hoàng Xuân Bình và các thầy cô giáo trong khoa, em đã nhận đợc đề tài : phân tích một số hệ truyền động điện một chiều ứng dụng trong công nghiệp. Đi sâu nghiên cứu xác định vùng điều chỉnh hệ số P,I,D của các bộ điều khiển. Đồ án này bao gồm 3 chơng : Chơng 1 : Tổng quan về các dạng hệ truyền động điện một chiều Chơng 2 : Bộ chỉnh lu điều khiển số Mentor II - M75 Chơng 3 : Phơng pháp xác định các hệ số P,I,D của các bộ điều khiển Do tầm hiểu biết còn hạn chế về kinh nghịêm, đồ án của em chắc chắn không tránh khỏi thiếu xót . Em rất mong nhận đợc các ý kiến góp ý của các thầy cô giáo và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn ! 1 Chơng 1 TổNG QUAN Về CáC DạNG Hệ TRUYềN động điện một chiều 1.1. Hệ truyền động máy phát - động cơ một chiều (F D)[1] 1.1.1. Khái niệm Hệ F D là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi là máy phát một chiều kích từ độc lập. Máy phát này do động cơ sơ cấp không đồng bộ 3 pha điều khiển quay và coi tốc độ quay của máy phát là không đổi. Tính chất của máy phát đợc xác định bởi hai đặc tính : Đặc tính từ hoá: là sự phụ thuộc giữa sức điện động máy phát vào dòng điện kích từ máy phát Đặc tính tải: là sự phụ thuộc giữa điện áp của 2 cực máy phát vào dòng điện tải. Các đặc tính này nói chung đều phi tuyến do tính chất của lõi sắt và các phản ứng phần ứng của dòng điện phần ứng. U đk i kđ U đk u F U KĐ ~ i KF U KF ~ Hình1.1 : Hệ thống máy phát động cơ 2 Phơng trình đặc tính cơ của hệ F - D nh sau : K U K K RI KF F = . (1-1) ( ) M R K U K K KF F 2 = (1-2) ( ) ( ) U UU KD KDKF M = , 0 (1-3) Với i KKE KFF F F F FF C . == (1-4) uf uD R R R = + (1-5) K F là hệ số kết cấu của máy phát i KF F C = là hệ số góc của đặc tính từ hoá (1-6) Từ biểu thức ta thấy: khi điều chỉnh dòng điện kích từ của máy phát thì điều chỉnh đợc tốc độ không tải của hệ thống còn độ cứng đặc tính cơ thì giữ nguyên. Có thể điều chỉnh kích từ của động cơ để có dải điều chỉnh tốc độ rộng hơn. 1.1.2. Các chế độ làm việc của hệ F D Hệ F - D có các đặc tính cơ điền đầy cả bốn góc phần t của mặt phẳng toạ độ [, M] . Khi đặc tính cơ của hệ làm trong góc phần t thứ I và thứ III: tốc độ quay và mômen quay của động cơ luôn cùng chiều nhau, sức điện động máy phát và động cơ có chiều xung đối nhau và E E F > , > c . Năng lợng đợc vận chuyển từ nguồn đến máy phát, đến động cơ, đến tải. Lúc đó công suất điện từ của máy phát và động cơ là 0. >= I EP FF (1-7) 0. <= IE P D (1-8) 3 i KFđm , i KĐ đm 0. >= M P co (1-9) Khi đặc tính cơ của hệ nằm trong góc phần t thứ II và thứ IV: do 0 > nên dẫn đến E F E > , dòng phần ứng chảy ngợc từ động cơ về máy phát làm cho mômen và tốc độ quay ngợc chiều nhau. Năng lợng đợc vận chuyển từ tải về động cơ qua máy phát về lới. Hệ làm việc trong trạng thái hãm tái sinh. Công suất của máy phát và động cơ là 0. <= I EP FF (1-10) 0. >= IE P D (1-11) 0. <= M P co (1-12) i KFđm , i KĐ đm M E F E M E F M E i KFđm , i KĐmin i KFđm , i KĐmin 4 Hình 1.2 : Đặc tính cơ của hệ F - D ở chế độ động cơ Vùng hãm ngợc của động cơ trong hệ F - D đợc mô tả nh sau: Sức điện động của động cơ E cùng chiều với sức điện động của máy phát E F do rôto bị kéo quay ngợc bởi ngoại lực của tải thế năng hoặc do sức điện động máy phát đảo dấu 0. >= I EP FF (1-13) 0. >= IE P D (1-14) 0. <= M P co (1-15) E F và E cùng chiều nhau và cùng cung cấp cho điện trở mạch phần ứng tạo nhiệt năng tiêu tán trên điện trở này. i KFđm , i KĐ đm M E F E E F E M M i KFđm , i KĐmin i KFđm , i KĐ đm i KFđm , i KĐmin Hình 1.3 : Đặc tính cơ của hệ F - D ở chế độ hãm tái sinh 5 Giả sử hệ đang làm việc tại điểm A với M A = M C và = A thực hiện hãm đảo chiều. Do quán tính nên tốc độ động cơ không thể thay đổi đột ngột đợc mà không đổi và chuyển làm việc sang điểm B. Từ B tốc độ động cơ giảm dần đến điểm C thì kết thúc quá trình hãm tái sinh kết thúc. Đoạn CD là đoạn hãm ngợc vì E F đã đổi dấu mà E cha đổi dấu. Đến D tốc độ động cơ bằng 0 nhng do sự tồn tại của mômen hãm động cơ tăng tốc quay theo chiều ngợc lại đến điểm A thì làm việc ổn định. 1.1.3. Đặc điểm của hệ F - D Ưu điểm : - Sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt - Khả năng quá tải lớn - Hãm tái sinh trả năng lợng về lới Nhợc điểm: - Dùng nhiều máy điện quay, ít nhất là hai máy điện một chiều - Gây ồn lớn - Công suất lắp đặt máy gấp nhiều lần công suất động cơ chấp hành ( ít nhất 3 lần ) 1.2. hệ thống truyền động chỉnh lu - Động cơ một chiều [1] 1.2.1. Chỉnh lu bán dẫn làm việc với động cơ một chiều D E D C B B A OA A OA A - M C M C O A C E Hình 1.4 : Đặc tính cơ của hệ F - D ở chế độ hãm ngược 6 Hệ truyền động chỉnh lu - động cơ một chiều có bộ biến đổi là các mạch chỉnh lu điều khiển có sức điện động phụ thuộc vào giá trị của góc điều khiển. Chỉnh lu có thể cung cấp nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng, dòng điện kích từ động cơ. Tuỳ theo yêu cầu cụ thể của truyền động mà ta có thể dùng sơ đồ thích hợp và phân loại theo: - Số pha: 1 pha, 3 pha, 6 pha - Sơ đồ nối: hình tia, hình cầu, đối xứng và không đối xứng; - Số xung nhịp: số xung áp đập mạch trong thời gian một chu kỳ điện áp nguồn. - Chế độ năng lợng : chỉnh lu, nghịch lu phụ thuộc; - Tính chất dòng tải : liên tục, gián đoạn. Tìm hiểu hoạt động của hệ CL - Đ ta xét một sơ đồ chỉnh lu tia ba pha với các kí hiệu có ý nghĩa đợc giải thích bên dới : E sức điện động quay của động cơ, uuu 232221 ,, - sức điện động thứ cấp máy biến áp nguồn, L, L x - điện cảm mạch một chiều và điện cảm tản của dây cuốn thứ cấp máy biến áp, R - điện trở mạch một chiều (gồm cả điện trở dây cuốn thứ cấp máy biến áp đã quy đổi). LL ku L += (1-16) RRR kuba R += (1-17) += W W LLL ba 1 2 2 12 (1-18) += W W RRR ba 1 2 2 12 (1-19) 7 1.2.1.1. Chế độ dòng điện liên tục Giá trị trung bình của sức điện động chỉnh lu đợc tính nh sau : cos sin 2 0 2 2 E U E d p m d d p == + (1-20) Trong đó t e . = (1-21) = p 2 0 (1-22) U E m d p p 2 0 .sin. = (1-23) e - tần số góc của điện áp xoay chiều - góc điều khiển tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên 0 - góc điều khiển tính từ thời điểm điện áp bắt đầu dơng p - số xung áp đập mạch trong một chu kỳ điện áp xoay chiều Phơng trình vi phân mô tả : dt LRE di iU d dm ++=+ )sin(. 02 (1-24) Hình 1.5 : Sơ đồ nối dây và sơ đồ thay thế chỉnh lưu tia 3 pha U 2c U 2b U 2a E T 3 T 2 T 1 T 1 I d RT 3 T 2 cba + - L R 8 Khi 0 = thì I i d 0 = , phơng trình vi phân có nghiệm : ( ) [ ] ( ) [ ] ( ) [ ] { } += sin.coscot.exp.sin.cos 2002 0 UU II i mm m d EgER (1-25) Với R L arctg e . = Nếu gọi là góc dẫn của van thì có thể tính đợc thành phần dòng chỉnh lu một chiều và đây cũng chính là thành phần sinh ra mômen quay của động cơ : +== E R p d p I Ui md . 22 sin. 2 sin. 2 . 2 02 0 (1-26) Giá trị trung bình của dòng điện chỉnh lu đợc tính bởi biểu thức đơn giản : LR E E I d d . cos. 0 0 + = (1-27) T 1 T 3 T 2 T 1 O E U U 2a U 2c U 2b U 2a Hình 1.6 : Giản đồ điện áp chỉnh lưu 9 1.2.1.2. Hiện tợng chuyển mạch Khi phát xung nhằm để mở một van thì điện áp anốt của pha đó phải dơng hơn điện áp của pha đang dẫn dòng. Do đó dòng điện của van đang dẫn sẽ giảm dần về không còn dòng điện của van kế tiếp se tăng dần lên. Quá trình này xảy ra từ từ vì trong mạch có điện cảm, cùng tại một thời điểm cả hai van đều dẫn dòng và chuyển dòng cho nhau. Hiện tợng này gọi là hiện tợng chuyển mạch giữa các van. Hình 1.7: Giản đồ dòng điện chỉnh lưu O i d O i T3 O i T2 O i T1 2 22 UU ba + i T3 i T1 i T2 i T3 T 3 T 2 T 1 O U U 2c U 2b U 2a Hình 1.8 : Giản đồ điện áp và dòng điện chỉnh điện khi có hiện tượng chuyển mạch i d O 10 . Lời mở đầu Trong xu thế hội nhập hiện nay, đất nớc ta ngày càng tiếp nhận và học hỏi nhiều công nghệ mới từ các quốc gia trên thế giới. Ngành công nghiệp. Xuân Bình và các thầy cô giáo trong khoa, em đã nhận đợc đề tài : phân tích một số hệ truyền động điện một chiều ứng dụng trong công nghiệp. Đi sâu nghiên