Tài liệu Đồ án tốt nghiệp - Tổng quan về điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều doc

Đồ án tốt nghiệp Tổng quan điều chỉnh tốc độ động điện chiều ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, xu cơng nghiệp hố, đại hố mang lại nhiều thay đổi cho đất nước Đặc biệt ngành tự động hố có nhiều tiềm phát triển to lớn lĩnh vực sống Tự động hố mang lại nhiều lợi ích cho người tăng suất lao động, giảm công nhân đặc biệt mơi trường độc hại tự động hoá đảm nhận Trong phần lớn nhà máy, phân xưởng có góp mặt tự động hố Trong dây truyền sản xuất, máy móc sử dụng truyền động điện xung áp chiều nhiều Sử dụng hệ thống độ an toàn cao Đồ án đề cập đến vấn đề nghiên cứu thiết kế hệ thống truyền động điện xung áp chiều Nội dung đồ án chia làm chương: Chương I: Tổng quan điều chỉnh tốc độ động chiều Chương II: Phân tích nguyên tắc điều chỉnh động xung áp chiều Chương III: Thiết kế mạch lực Chương IV: Thiết kế hệ thống kín Chương V: Tính tốn phần tử mạch lực Đồ án thực với giúp đỡ thầy giáo Nguyễn Mạnh Tiến thầy cô môn Nội dung đồ án chắn cịn nhiều thiếu sót mong thầy, giáo đóng góp bổ sung để đồ án hồn thiện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU §1 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Khái niệm đặc tính Đặc tính động điện quan hệ tốc độ quay momen động ta có đặc tính tự nhiên động cơ, động vận hành chế độ định mức Đặc tính nhân tạo động đặc tính ta thay đổi tham số nguồn nối thêm điện trở, điện kháng vào động Để đánh giá đặc tính so sánh người ta đưa khái niệm độ cứng đặc tính β β= ΔM Δω (1.1) ω (3) Δω2 (2) Δω1 AM (1) M Hình 1.1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đặc tính động chiều kích từ độc lập Sơ đồ nguyên lý hình 1.2 + - U− E Rf Ckt I Rkt Ikt + Ukt - Hình 1.2 a Phương trình đặc tính Uư = Eư + (Rư + Rf) Iư Trong đó: Uư: điện áp phần ứng (V) Eư: sức điện động phần ứng (V) Rư: điện trở mạch phần ứng (Ω) Rf: điện trở phụ mạch phần ứng (Ω) Iư: dòng điện mạch phần ứng (A) Suất điện động Eư tính Eư = P.N φ ω = kφ ω 2π.a (1.3) K: hệ số cấu tạo động φ: từ thơng kích từ cực ω: tốc độ góc Nếu bỏ qua tổn thất tổn thất thép ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ta có Mtt = Mđc = M (1.4) Ta có Mtt = K.φ.Iư (1.5) Dẫn đến ω= U − R− + Rf − M Kφ ( K φ ) (1.6) Giả sử φ = const ta có đồ thị đặc tính có dạng hình 1.3 ω ω0 ω®m Μ®m Μnm M Hình 1.3 Khi ω = Ta có I= U = I nm R− + Rf M = K φ.Inm = Mnm (1.7) (1.8) Inm, Mnm dịng momen ngắn mạch §2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Có hai phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều a Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động b Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động 1.1 Điều chỉnh điện áp phần ứng Điều chỉnh điện áp phần ứng động chiều cần có thiết bị nguồn máy phát điện chiều kích từ độc lập, chỉnh lưu điều khiển… Các ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP thiết bị nguồn có chức biến lượng điện xoay chiều thành chiều Rb BBĐ Đ Eb Rư I U Eư Hình 1.5 Ở chế độ xác lập viết phương trình đặc tính hệ thống sau: Eb – Eư = Iư (Rb + Rưđ) ω= ( Rb + R−® ) Eb − I− Kφ®m Kφ®m (1.12) Để xác định dải điều chỉnh tốc độ Ta thấy tốc độ lớn hệ thống bị chặn đặc tính cơ Tốc độ nhỏ dải điều chỉnh bị giới hạn yêu cầu sai số tốc độ momen khởi động Khi momen tải định mức giá trị lớn nhỏ hệ thống là: ωmax = ωo max − M®m ωmin = ωo max − M®m β β (1.13) (1.14) Để thoả mãn khả q tải đặc tính thấp điều chỉnh phải có momen ngắn mạch Mnmmin = Mcmax = KM.Mđm Đồ thị đặc tính đường thẳng song song hình 1.6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ω ω0max ωmax ω0min ωmin M®m Mnmmin M,I Hình 1.6 Trong suốt trình điều chỉnh điện âp phần ứng từ thơng kích từ giữ ngun, Mơmen cho phép động tính: Mcp = K.φđm.Iđm = Mđm (1.16) 1.2 Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ la điều chỉnh từ thơng kích từ Để điều chỉnh ta phải điều chỉnh momen điện từ động M= KφIư sức điện động quay động Vì mạch kích từ động phi tuyến, hệ điều chỉnh hệ phi tuyến ik = ek dφ + ωk rb + rk dt (1.17) rk: điện trở dây quấn kích từ rb: điện trở nguồn điện áp kích từ ωk: số vịng dây dây quấn kích thích Thường điều chỉnh từ thơng điện áp phần ứng giữ nguyên đm Tốc độ lớn dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế khả chuyển mạch cổ góp điện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP § CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Hệ truyền động F - Đ Hệ thống máy phát động F - Đ hệ truyền động điện mà biến đổi điện máy phát điện chiều kích từ độc lập, máy phát thường động sơ cấp không đồng ba pha điều khiển quay máy phát xác định hai đặc tính Đặc tính từ hố Đặc tính tải Trong tính tốn tuyến tính hố đặc tính EF = KF φF ωF = KF ωF C.iKF (1.18) Trong đó: KF: hệ số kết cấu máy phát C: hệ số góc đặc tính từ hố Sơ đồ hệ F - ĐK I F U F = Uđ § ω MS Hình 1.7 Nếu đặt R = RưF + RưĐ Ta viết phương trình đặc tính hệ F - Đ ω= KF R.I U KF − Kφ Kφ (1.19) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ω= KF R U KF − M Kφ ( Kφ ) ω = ω0 (U KF ) − M β (U KF ) (1.20) (1.21) Từ biểu thức ta thấy, điều chỉnh dịng điện kích thích máy phát điều chỉnh tốc độ khơng tải hệ thống * Chế độ làm việc Trong hệ khơng có phần tử phi tuyến nên hệ có đặc tính động tốt, linh hoạt chuyển trạng thái làm việc Với sơ đồ H1.7 động chấp hành Đ làm việc chế độ điều chỉnh hai chiều, kích thích máy phát kích thích động Đảo chiều quay cách đảo chiều dịng kích thích máy phát * Đặc điểm hệ F - Đ Ưu điểm bật hệ F - Đ chuyển đổi trạng thái linh hoạt, khả tải lớn Nó thường dùng máy khai thác công nghiệp mỏ Nhược điểm quan trọng hệ F-Đ dùng nhiều máy điện quay Gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy gấp ba lần cơng suất động chấp hành Ngoài máy phát chiều có từ dư, đặc tính từ hố có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ Hệ truyền động T - Đ a Khái quát chung Hệ truyền động T - Đ: + Nguyên lý chung + Sơ đồ thay + Đặc tính + Đảo chiều ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Do chỉnh lưu Tiristo dẫn dòng theo chiều điều khiển mở cịn khố theo điện áp lưới dẫn đến truyền động van thực đảo chiều khó khăn phức tạp truyền động F-Đ Có hai nguyên tắc để xây dựng hệ truyền động T-Đ đảo chiều Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng đảo chiều dòng kích từ động b Sơ đồ nguyên lý làm việc i®1 Lc0 I icb Lc0 K A2 I E a Ud b L c R II A1 B§1 K2 B§2 Lcb Lcb id1 icb Hình 1.8 Giả thiết α1 < π ; α2 > π cho Ed1 ≤ Ed2 dịng chạy từ BĐ1 sang động mà chạy từ BĐ1 sang BĐ2 Để đạt trạng thái cần có góc điều khiển phải thoả mãn điều khiển α2 ≥ π - α1 Nếu tính đến góc chuyển mạch μ góc khố δ giá trị lớn góc điều khiển biến đổi chế độ nghịch lưu là: ĐỒ ÁN TỐT NG Ồ GHIỆP Hình 4.9 Điện áp IC2 C t = → t1 ta có U2 = U2max – U1max x t R1 C1 t = T1 → t2 ta có U2 = -U2ma + U1max ax * Khi t = t1: U2 = - U2max t R1 C1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Suy ra: -U2 = U2max – U2max Suy R1C1 = Ta có t1 = t1 = t R1 C1 U12 t1 2U2 max T 0,5.10 −3 t1 = 0, 25.10 −3 ( s ) Suy R1 C1 = 8.0, 25.10 −3 2.10 R1C1 = 0,08.10-3 (s) Chọn C1 = 0,01 μF = 0,01.10-6F Suy R1 = 0, 08.10 −3 0, 01.10 −6 R1 = 8.103 (KΩ) * Ta chọn R3 = R2 = 10 (KΩ) Chọn R5 = R6 = (KΩ) Chọn R4 = 2,5 (KΩ) 38 Ufi R14 R18 R16 R15 + R17 R20 R19 Ui + Uω + Uc® R2 R3 R21 R4 R9 R8 R7 R22 R1 R25 + R10 + C + R26 DIR R24 R23 R31 R5 R12 R11 + R13 T3 T1 T2 T4 PWM4 DIR PWM1 DIR R6 + R 28 R 27 + R29 R30 PWM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 39 +E2 +E1 220 MOSFET MOSFET MOSFET MOSFET 220 +E4 +E3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 40 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG V: THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÍN §5.1 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA HỆ THỐNG HỞ Xây dựng phương trình đặc tính Hình 5.1 Ta có: Eb = KB Uđk Mà Eb = Kφ ω + I Rư Suy ra: ω = KB R Uđk - − I Kφ Kφ (5.1) Phương trình (5.1) phương trình đặc tính hệ thống Đồ thị Hình 5.2 41 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP §5.2 TÍNH TỐN TRONG HỆ KÍN Sơ đồ Hình 5.3 Sơ đồ hệ thống kín gồm có khâu Khâu phản hồi âm tốc độ Khâu phản hồi âm dịng có ngắt Phương trình đặc tính hệ thống kín Từ sơ đồ hình 5.3 ta có: Vùng dịng điện I < Ing I ≥ Ing ΔUđk = Uđω - γ ω - Kng (Ufi - U0) UđK = KR ΔU UiK = KR [Uđω - γ ω - Kng (Ufi - U0)] Eb = KB UđK Eb = KB KR [Uđω - γ ω - Kng (Ufi - U0)] Mà: Eb = Kφ ω + ỉư Suy ra: KB KR [Uđω - γ ω - Kng (Ufi - U0)] = Kφ ω + I Rư KB KR Uđω - KB KR γ.ω - KB KR Kng Ki.I - KB KR Kng U0 = Kφ ω + I.Rư ω(KB KR γ + Kφ) = KB KR (Uđω - KngU0) - (KB KR Kng Ki + Rư) I 42 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ω= K B K R (U ®ω + K ng U ) K φ +K B K R γ − K B K R K ng K i +R − K φ +K B K R γ I (5.2) Phương trình (5.2) phương trình đặc tính hệ kín §5.3 TÍNH CHỌN HỆ THỐNG KÍN a Tính Kφ Suy ra: KΦ = Kφ = U ®m − I ®m R − ω®m 220 − 9,3.2,4 1000 9,55 K φ = 1,84 b Xác định hệ số khuếch đại biến đổi: Đồ thị điện áp khâu phát xung RC so sánh có dạng hình 5.5 43 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ta có: ρ = t1 U ®k = T 2U rm Ta chọn điện áp cưa: Urm = (V) Ta có: Ed = ρ UN = U ®k U N 2U rm Mà: Ed = KB Uđk = KB Uđk 44 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ed UN = U ®k 2U rm Suy ra: KB = UN 275 = = 34,375 2U rm 2.4 KB = c Tính hệ số khuếch đại điều chỉnh KR Δωcf = ω®k S cp D − S cp Trong đó: D đặt điều chỉnh tốc độ Sy: Sai số tốc độ cho phép 1000 9,55 5% Δωcf = 10 − 5% Δωcf = 0,551 (rad/s) Hình 5.6 Khi I < Ing phương trình đặc tính có dạng: ω= Ta có: K B K R U ®ω RI − K Φ +K B K R γ K Φ +K B K R γ ⇒ RI ®m = Δωcf K Φ +K B K R γ 45 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ⎛ R.I ⎞ K R = ⎜ ®m − K Φ ⎟ ⎝ Δωcf ⎠ K B γ Suy ra: KR = 14,34 d Tính Ki, Kng Đặc tính hệ thống I > Ing ω= K B K R (U ®ω +K ng U ) K φ +K B K R γ * Ta có: Ki = K i = I ®m = − R +K B K R K i K ng K φ +K B K R γ I (V/A) 9,3 Ki = 0,538 (V/A) * Ta có: ωA = ωđm + Δωcf Phương trình đặc tính AB (I < Ing) ω = ωA - RI K φ +K B K R γ ωB = ω(Ing) = ωA - R.I ng K φ +K B K R γ 46 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ta có: ω= K B K R (U cd +K ng U ) K φ + K B K R γ − R +K B K R K i K ng K φ +K B K R γ I Khi: I = Id Suy ra: ω = Có: KB KR (Ucđ + Kng U0) = (R + KB KR Ki Kng) Id KB KR Ccd + KB KR KngU0 = R Id + KB KR Ki Kng Id Ta có: U0 = Ki Ing Suy ra: Kng KB KR Ki (Id - Ing) = Kb KR Ucđ - RId K ng = K B K R U c® −R.I d K B K R K i ( I d −I ng ) * Tính Ucđ Khi I < Ing Ta có: ω = K B K R U c® R.I − K φ +K B K R γ K φ +K B K R γ Ta thay: I = Iđm = 9,3 A ω = ωđm = ωđm = 1000 = 104,7 (rad/s) 9,55 K B K R U c® R.I ®m K Φ +K B K R γ K Φ +K B K R γ → U c® = ω ( K Φ + K B K R γ ) K R K B + IR K R K B 47 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP → U c® = 104,7(1,84 + 34,375.14,34.0,095 9,3.2,9 + 14,34.34,375 14,34.343,375 → Ucđ = 10,38 (V) Chọn: Id = 2,5 Iđm Ing = 1,5 Iđm Suy ra: Kng = 34,375.14,34.10,38 − 2,9.2,5.9,3 34,375.14,34.0,538.9,3 Kng = 2,056 §5.4 TÍNH TỐN SƠ ĐỒ CỦA BỘ ĐIỀU CHỈNH VÀ KHÂU NGẮT Từ sơ đồ cấu trúc ta có: I < Ing Uđk = Suy XR = R4 (U®m − Ucc ) R1 R4 R1 Ta chon R1 = R2 = R3 = 10 (KΩ) Suy ra: R4 = R1 KR R4 = 10 14,34 48 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP R4 =143,4 (KΩ) I > Ing Ta có U®k = Ta có Ui = R4 (U®ω − Uω − Ui ) R1 R5 (U fi − Uc ) R6 Suy ra: Kng = R5 R6 Chọn R6 = 10 (KΩ) Suy ra: R5 = Kng R6 R5 = 16,8 10 R5 = 168 (KΩ) 49 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu, kết hợp thực với lý thuyết, theo hướng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến thầy cô môn Đồ án hoàn thành với mục tiêu đề Đưa nguyên lý hoạt động hệ thống, mạch lực hệ thống, hệ thống kín, hở Hệ thống điều chỉnh xung áp chiều hệ thống điều chỉnh phức tạp Gồm nhiều khâu phản hồi âm tốc độ, phản hồi âm dòng điện, sơ đồ mạch lực Điều khiển động cách dùng xung đóng mở van 50 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Quốc Hải; Dương Văn Nghi - Điện tử công suất Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật - năm 1997 Bùi Quốc Khánh; Phạm Quốc Hải; Nguyễn Văn Liễn; Dương Văn Nghi Điều chỉnh tự động truyền động điện Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật năm 1994 Bùi Quốc Khánh; Nguyễn Văn Liễn; Nguyễn Thị Hiền - Truyền động điện Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật năm 1994 51 ... TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU §1 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Khái niệm đặc tính Đặc tính động điện quan hệ tốc độ quay momen động ta có đặc tính tự nhiên động cơ, động vận... cổ góp điện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP § CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Hệ truyền động F - Đ Hệ thống máy phát động F - Đ hệ truyền động điện mà biến đổi điện máy phát điện chiều kích từ độc lập,... ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Có hai phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều a Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động b Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động 1.1 Điều chỉnh điện áp phần ứng Điều chỉnh