MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, xu thế công nghiệp hoá, hiện đại hoá đã mang lại rất nhiều thay đổi cho đất nước. Đặc biệt là trong ngành tự động hoá và có nhiều tiềm năng phát triển rất to lớn trong mọi lĩnh vực của cuộc sống. Tự động hoá mang lại nhiều lợi ích cho con người như tăng năng suất lao động, giảm công nhân đặc biệt trong môi trường độc hại thì tự động hoá đảmnhận. Trong phần lớn các nhà máy, phân xưởng đều có sự góp mặt của tự động hoá. Trong các dây truyền sản xuất, máy móc sử dụng truyền động điện bằng xung áp một chiều rất nhiều. Sử dụng hệ thống này độ an toàn cao. Đồ án này đề cập đến vấn đề nghiên cứu và thiết kế hệ thống truyền động điện bằng xung áp một chiều. Nội dung của đồ án chia làm 5 chương: Chương I: Tổng quan về điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều. Chương II: Phân tích nguyên tắc điều chỉnh động cơ bằng xung áp một chiều. Chương III: Thiết kế mạch lực Chương IV: Thiết kế hệ thống kín. Chương V: Tính toán các phần tử của mạch lực. Đồ án này thực hiện với sự giúp đỡ của thầy giáo Nguyễn Mạnh Tiến cùng các thầy cô trong bộ môn. Nội dung đồ án chắc chắn còn nhiều thiếu sótrất mong các thầy, cô giáo đóng góp bổ sung để đồ án được hoàn thiện hơn. KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu và tìm hiểu, kết hợp thực hiện với lý thuyết, theo sự hướng dẫn của thầy giáo. TS. Nguyễn Mạnh Tiến và các thầy cô trong bộ môn. Đồ án đã hoàn thành với các mục tiêu đề ra. Đưa ra được nguyên lý hoạt động của hệ thống, mạch lực của hệ thống, các hệ thống kín, hở. Hệ thống điều chỉnh bằng xung áp một chiều là một hệ thống điều chỉnh phức tạp. Gồm nhiều khâu như phản hồi âm tốc độ, phản hồi âm dòng điện, các sơ đồ mạch lực. Điều khiển động cơ bằng cách dùng xung đóng mởcác van.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 0 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, xu thế công nghiệp hoá, hiện đại hoá đã mang lại rất nhiều thay đổi cho đất nước. Đặc biệt là trong ngành tự động hoá và có nhiều tiềm năng phát triển rất to lớn trong mọi lĩnh vực của cuộc sống. Tự động hoá mang lại nhi ều lợi ích cho con người như tăng năng suất lao động, giảm công nhân đặc biệt trong môi trường độc hại thì tự động hoá đảm nhận. Trong phần lớn các nhà máy, phân xưởng đều có sự góp mặt của tự động hoá. Trong các dây truyền sản xuất, máy móc sử dụng truyền động điện bằng xung áp một chiều rất nhiều. Sử dụng hệ thống này độ an toàn cao. Đồ án này đề cập đến vấn đề nghiên cứu và thiết kế hệ thống truyền động điện bằng xung áp một chiều. Nội dung của đồ án chia làm 5 chương: Chương I: Tổng quan về điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều. Chương II: Phân tích nguyên tắc điều chỉnh động cơ bằng xung áp một chiều. Chương III: Thiết kế mạch lực Chương IV : Thiết kế hệ thống kín. Chương V : Tính toán các phần tử của mạch lực. Đồ án này thực hiện với sự giúp đỡ của thầy giáo Nguyễn Mạnh Tiến cùng các thầy cô trong bộ môn. Nội dung đồ án chắc chắn còn nhiều thiếu sót rất mong các thầy, cô giáo đóng góp bổ sung để đồ án được hoàn thiện hơn. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU §1. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU. 1. Khái niệm đặc tính cơ Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và momen của động cơ. ta có đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, nếu động cơ vận hành ở chế độ định mức. Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số ngu ồn hoặc nối thêm các điện trở, điện kháng vào động cơ. Để đánh giá về đặc tính cơ và so sánh nó người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ β. MΔ β= Δω (1.1) Hình 1.1 M (3) (2) (1) AM Δω 2 Δω 1 ω ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2 2. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập Sơ đồ nguyên lý hình 1.2. Hình 1.2 a. Phương trình đặc tính cơ U ư = E ư + (R ư + R f ). I ư Trong đó: U ư : điện áp phần ứng (V) E ư : sức điện động phần ứng (V) R ư : điện trở mạch phần ứng (Ω) R f : điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω) I ư : dòng điện mạch phần ứng (A) Suất điện động E ư được tính E ư = . 2. PN k a φ φ ω =ω π (1.3) K: hệ số cấu tạo của động cơ φ: từ thông kích từ dưới 1 cực ω: tốc độ góc Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì R f E +- U − R kt - U kt + I kt I C kt ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3 Ta có M tt = M đc = M (1.4) Ta có M tt = K.φ.I ư (1.5) Dẫn đến () φ + ω= − φ − − 2 . K f RR U M K (1.6) Giả sử φ = const ta có đồ thị đặc tính cơ có dạng như hình 1.3. Hình 1.3 Khi ω = 0 Ta có == + − nm f U II RR (1.7) và M = K. φ.I nm = M nm (1.8) I nm , M nm dòng và momen ngắn mạch §2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Có hai phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều. a. Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng của động cơ b. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ 1.1. Điều chỉ nh điện áp phần ứng Điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển…. Các ω M ω 0 ω ®m Μ ®m Μ nm ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4 thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều. Hình 1.5 Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau: E b – E ư = I ư (R b + R ưđ ) ( ) + ω= − φφ −® − ®m ®m b b RR E I KK (1.12) Để xác định dải điều chỉnh tốc độ. Ta thấy tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ cơ bản. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về momen khởi động. Khi momen tải là định mức thì các giá trị lớ n nhất và nhỏ nhất của hệ thống là: ω=ω − β ®m max max o M (1.13) ω=ω − β ®m min max o M (1.14) Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của điều chỉnh phải có momen ngắn mạch. M nmmin = M cmax = K M .M đm Đồ thị đặc tính cơ là đường thẳng song song như hình 1.6. Đ BBĐ R b I R ư E ư E b U ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5 Hình 1.6 Trong suốt quá trình điều chỉnh điện âp phần ứng thì từ thông kích từ được giữ nguyên, Mômen cho phép động cơ được tính: M cp = K.φ đm .I đm = M đm (1.16) 1.2. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ chính la điều chỉnh từ thông kích từ. Để điều chỉnh ta phải điều chỉnh momen điện từ của động cơ M= KφI ư và sức điện động quay của động cơ. Vì mạch kích từ của động cơ là phi tuyến, vì thế hệ điều chỉnh này cũng là hệ phi tuyến. k kk bk e d i rr dt φ =+ω + (1.17) r k : điện trở dây quấn kích từ r b : điện trở nguồn điện áp kích từ ω k : số vòng dây của dây quấn kích thích Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng đm. Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện. ω 0 max ω M,I ω max ω 0 min ω min M ®m M nmmin ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6 § 3. CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU. 1. Hệ truyền động F - Đ Hệ thống máy phát động cơ F - Đ là một hệ truyền động điện mà bộ biến đổi điện là máy phát điện một chiều kích từ độc lập, máy phát này thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha điều khiển quay máy phát được xác đị nh bởi hai đặc tính. Đặc tính từ hoá Đặc tính tải Trong tính toán có thể tuyến tính hoá các đặc tính này E F = K F . φ F . ω F = K F . ω F . C.i KF (1.18) Trong đó: K F : hệ số kết cấu của máy phát C: hệ số góc của đặc tính từ hoá Sơ đồ của hệ F - Đ Hình 1.7 Nếu đặt R = R ưF + R ưĐ Ta có thể viết được phương trình của đặc tính của hệ F - Đ . . F KF K RI U K K φφ ω= − (1.19) §F M S ω U F = U ® I ω § K ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 7 () 2 F KF K R UM K K φ φ ω= − (1.20) () () 0 KF KF M U U ω=ω − β (1.21) Từ các biểu thức ta thấy, khi điều chỉnh dòng điện kích thích của máy phát thì điều chỉnh tốc độ không tải của hệ thống. * Chế độ làm việc. Trong hệ không có phần tử phi tuyến nào nên hệ có những đặc tính động rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển các trạng thái làm việc. Với sơ đồ H1.7 động cơ chấp hành Đ có thể làm việc ở chế độ điều chỉnh cả hai chiều, kích thích máy phát và kích thích động cơ. Đảo chiều quay bằng cách đảo chiều dòng kích thích máy phát. * Đặc điểm của hệ F - Đ Ưu điểm nổi bật của hệ F - Đ là sự chuyển đổi trạng thái rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn. Nó thường được dùng ở các máy khai thác công nghiệp mỏ. Nhược điểm quan trọng củ a hệ F-Đ là dùng nhiều máy điện quay. Gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất gấp ba lần công suất động cơ chấp hành. Ngoài ra do các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hoá có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ. 2. Hệ truyền động T - Đ a. Khái quát chung Hệ truyền động T - Đ: + Nguyên lý chung. + Sơ đồ thay thế. + Đặc tính cơ. + Đảo chiều. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 8 Do chỉnh lưu Tiristo dẫn dòng theo một chiều và chỉ điều khiển khi mở còn khoá theo điện áp lưới dẫn đến truyền động van thực hiện đảo chiều khó khăn và phức tạp hơn truyền động F-Đ. Có hai nguyên tắc cơ bản để xây dựng hệ truyền động T-Đ đảo chiều. Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ động cơ. b. Sơ đồ và nguyên lý làm việc. Hình 1.8 Giả thiết α 1 < 2 π ; α 2 > 2 π sao cho 12 Ed Ed≤ thì dòng chỉ có thể chạy từ BĐ 1 sang động cơ mà không thể chạy từ BĐ 1 sang BĐ 2 được. Để đạt được trạng thái này cần có góc điều khiển phải thoả mãn điều khiển. α 2 ≥ π - α 1 Nếu tính đến góc chuyển mạch μ và góc khoá δ thì giá trị lớn nhất của góc điều khiển của bộ biến đổi đang ở chế độ nghịch lưu là: i ®1 L c0 i cb L c0 L cb i d1 L cb i cb a b c I II A1 B§1 KA2 K2 B§2 R L E 1 2 U d I ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 9 α max = π - (μ max + δ) Nếu chọn 12 Ed Ed= thì: α 1 + α 2 = π Ta có phương phát điều khiển chung đối xứng, dòng điện trung bình chảy vòng qua hai bộ biến đổi là. I cb = d1 d2 cb EE R + = 0 c. Đặc điểm. Ưu điểm nổi bật của hệ T - Đ là độ tác động nhanh cao không gây ồn và dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất lớn. Điều đó rất thuận tiện trong việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lượng. Nhược điểm c ủa hệ thống T-Đ là các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp ra có biên độ đập mạnh cao, gây tổn thất phụ trong máy điện, còn làm xấu điện áp nguồn và lưới xoay chiều. Điều chỉnh xung điện áp 4 chiều: Ln iL R E U Đ i Do D 0 DU L Dòng điện và điện áp của động cơ U Đ , i chỉ có giá trị dương khi khoá S thông ta có U D = U N , i = i N khi khoá S ngắt i N = 0, U Đ = 0 và i = i Do . Do tác dụng duy trì dòng của cuộn cảm L. Nếu đóng ngắt khoá S với tần số không đổi thì hoạt động của mạch tương tự như của chỉnh lưu một pha, nửa chu kỳ. U Đ = E + ΔU L + ΔU R . 3. CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU. 1. Hệ truyền động F - Đ Hệ thống máy phát động cơ F - Đ là một hệ truyền động điện mà bộ biến đổi điện là. nghiên cứu và thiết kế hệ thống truyền động điện bằng xung áp một chiều. Nội dung của đồ án chia làm 5 chương: Chương I: Tổng quan về điều chỉnh tốc độ động