ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN MÔN HỌC TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Trong công cuộc công nghiệp hoá và hiện đại hoá hiện nay, ngành tự động hoá đóng một vai trò hết sức quan trọng. Việc áp dụng các hệ thống truyền động theo vòng kín nhằm tăng năng suất và tăng hiệu quả kinh tế. Một hệ thống làm việc ổn định thì sẽ cho ra những sản phẩm đảm bảo chất lượng cao. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học, đặc biệt là ngành điện tử công suất. Với việc phát minh ra các linh kiện bán dẫn đã và đang ngày càng đáp ứng được các yêu cầu của các hệ thống truyền động. Ưu điểm của việc sử dụng các linh kiện bán dẫn mà làm cho hệ thống trở nên gọn nhẹ hơn, giá thành thấp hơn và có độ chính xác tác động cao hơn. Với nhu cầu sản suất và tiêu dùng như hiện nay, thì việc tự động hoá cho xí nghiệp trong đó sử dụng các linh kiện gọn nhẹ là một nhu cầu hết sức cấp thiết. Sau gần 4 năm học tập và nghiên cứu ở trường, em đã được làm quen với các môn học thuộc ngành . Để áp dụng lý thuyết với thực tế trong học kỳ này chúng em được giao đồ án môn học tổng hợp hệ điện cơ với yêu cầu “ Thiết kế hệ thống truyền động Van Động cơ với các yêu cầu cho trước sử dụng bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển cầu 1 pha 2T,2D” . Với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ tận tình của cô giáo hướng dẫn Trần Thị Vân Anh và các thầy giáo trong bộ môn, đến nay đồ án của em đã được hoàn thành.

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công cuộc công nghiệp hoá và hiện đại hoá hiện nay, ngành tự động hoáđóng một vai trò hết sức quan trọng Việc áp dụng các hệ thống truyền động theo vòng kín nhằm tăng năng suất và tăng hiệu quả kinh tế Một hệ thống làm việc ổn định thì sẽ cho ra những sản phẩm đảm bảo chất lượng cao

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học, đặc biệt là ngành điện tử công suất Với việc phát minh ra các linh kiện bán dẫn đã và đang ngày càng đáp ứng được các yêu cầu của các hệ thống truyền động Ưu điểm của việc sử dụng các linh kiện bán dẫn mà làm cho hệ thống trở nên gọn nhẹ hơn, giá thành thấp hơn và

có độ chính xác tác động cao hơn Với nhu cầu sản suất và tiêu dùng như hiện nay, thì việc tự động hoá cho xí nghiệp trong đó sử dụng các linh kiện gọn nhẹ là một nhucầu hết sức cấp thiết

Sau gần 4 năm học tập và nghiên cứu ở trường, em đã được làm quen với các môn học thuộc ngành Để áp dụng lý thuyết với thực tế trong học kỳ này chúng em được giao đồ án môn học tổng hợp hệ điện cơ với yêu cầu “ Thiết kế hệ thống truyền động Van - Động cơ với các yêu cầu cho trước sử dụng bộ biến đổi chỉnh lưu

có điều khiển cầu 1 pha 2T,2D”

Với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ tận tình của cô giáo hướng dẫn TrầnThị Vân Anh và các thầy giáo trong bộ môn, đến nay đồ án của em đã được hoàn thành

Bản đồ án của em gồm hai phần chính :

Phần thuyết minh : gồm 6 phần :

3 Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển.

Do kiến thức chuyên môn còn hạn chế, các tài liệu tham khảo có hạn, nên đồ

án của em không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy,cô giáo cùng các bạn để bản đồ án của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn, cảm ơn cô Trần Thị Vân Anh đã giúp đỡ em để bản thiết kế hoàn thành đúng thời hạn

Thái Nguyên, ngày Tháng năm 2021

Sinh viên thiết kế Tới

Nguyễn Văn Tới

PHẦN I : PHÂN TÍCH LỰACHỌN PHƯƠNG ÁN

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

*KHÁI NIỆM CHUNG:

* Nội dung:

- Để thiết kế hệ thống truyền động cho một đối tượng truyền động ta phải căn

cứ vào đặc điểm công nghệ của nó, căn cứ vào chỉ tiêu chất lượng mà đưa ra phương

án hợp lý Với mỗi một đối tượng truyền động có thể thực hiện bằng các truyền độngkhác nhau Mỗi phương án đều có những ưu nhược điểm của nó, nói chung phương

án đưa ra cần đảm bảo các yêu cầu của đối tượng cần truyền động Phải đảm bảođược các chỉ tiêu về mặt kỹ thuật cũng như về mặt kinh tế, trong đó chỉ tiêu kỹ thuật

là quan trọng hàng đầu Thông thường một hệ thống tốt hơn về mặt kỹ thuật cũngnhư tốn kém hơn về mặt kinh tế Do vậy tuỳ thuộc yêu cầu chất lượng và độ chínhxác của sản phẩm ta cho chọn hệ thống truyền động điện nhằm đưa ra một hệ thốngđảm bảo yêu cầu mong muốn

* ý nghĩa:

- Việc lựa chọn phương án truyền động điện có ý nghĩa rất quan trọng Nó liênquan đến chất lượng sản phẩm cũng như ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế của sản

sẽ cao hơn Kết quả sẽ hoàn toàn ngược lại nếu ta lựa chọn không đúng và nó còngây ra tổn thất không ngờ trước.

* phương án lựa chọn:

- Muốn chọn được hệ thống phù hợp với yêu cầu chúng ta phải đưa ra cácphương án có thể đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật sau đó đánh giá những ưu nhượcđiểm mà chọn cho hợp lý

I CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN:

-Để thiết kế hệ thống truyền động điện người thiết kế phải đưa ra nhiềuphương án khác nhau Rồi sau đó so sánh các phương án trên hai phương diện kinh

tế và kỹ thuật để chọn ra phương án tối ưu nhất Phương án tối ưu nhất là phương ánđáp ứng được yêu cầu đề ra đồng thời là phương án đảm bảo về mặt kỹ thuật và chiphí thấp nhất

I.1 : PHÂN TÍCH CHỌN ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG VÀ PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ

- Động cơ là thiết bị truyền chuyển động chính cho máy sản xuất , là đốitượng điều khiển của hệ thống điều khiển tự động truyền động điện việc chọn động

cơ một cách hợp lý có một vị trí hết sức quan trọng trong công việc thiết kế hệ thốngtruyền động điện , động cơ được chọn phải thoả mãn các điều kiện công nghệ yêucầu, phải phụ thuộc tính chất công suất của tải đồng thời phải thoả mãn các yếu tốsao cho tổn hao ít, giá thành hạ, hoạt động tin cậy, chi phí vận hành hàng năm nhỏ,lắp đặt thay thế dễ, sửa chữa đơn giản, để chọn động cơ quay chi tiết ta xét lần lượtcác loại động cơ :

Trong công nghiệp động cơ dùng trong hệ truyền động điện gồm hai loại :

- Động cơ điện xoay chiều : Chia là hai loại :

+ Động cơ không đồng bộ : bao gồm động động cơ không đồng bộ roto lồng sóc vàđộng cơ không đồng bộ roto dây quấn

I.1.1: ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU :

I.1.1.1 : ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

- Được sử dụng rộng rãi trong thực tế, ưu điểm là cấu tạo đơn giản, đặc biệt làloại rô to lồng sóc So với máy điện một chiều thì giá thành hạ vận hành tin cậy trựctiếp dùng điện lưới không cần dùng các thiết bị biến đổi khác nhược điểm là điềukhiển và khống chế các quá trình quá độ khó khăn, với động cơ lồng sóc thì chỉ tiêukhởi động xấu hơn

®c

r f

3 f

nm

R U s M

Uf : là giá trị hiệu dụng của điện áp pha sta to

R2, ,R1 : là điện trở rô to và stato đã quy đổi

S : hệ số trượt của động cơ

S S Sth

Sth a Mth M

2

) 1 2

+ +

+

=

.3

2 1

2 1

1

2

nm X R

Mth : Mô men tới hạn

a = R1/R2 : Hệ số phụ thuộc sơ đồ nối mạch của động cơ

Sth = R’2/Xnm : hệ số trượt tới hạn

1

1ω

- Thay đổi điện trở mạch roto

- Thay đổi công suất trượt ( thay đổi số đôi cực )

a Thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ

- Sức điện động của động cơ được cho bởi công thức sau :

U1 = E = 4,44.W1.f1.Kdq1.Ф= C.f1 Ф => Ф = U1/C.f1 (*)

Giả sử f = fcb = 50Hz , U1 = const

+ Nếu điều chỉnh f > fcb : Từ (*) ta thấy khi f tăng thì Ф giảm ( vì U = const) muốngiữ cho mômen không đổi ( M = K Ф.I2.cosö = const ) thì I2 phải tăng lên I2 >I2đm Như vậy sẽ làm cho mạch từ non tải và dây quấn roto quá tải

+ Nếu điều chỉnh cho f < fcb : Từ (*) ta thấy khi f giảm thì Ф tăng dòng từ hoá Í tăngmạch từ bão hoà , cosФ giảm , tổn hao lớn , nhiệt độ tăng quá nhiệt độ cho phép

Do vậy khi điều chỉnh tần số ( dùng bộ biến tần ) người ta thường đi kèm với việcthay đổi điện áp để giữ cho Ф = const điều này rất phức tạp

b Thay đổi điện áp U khi f = const

r f = 0

r f # 0

n1

mth1 mth2

-Vì mômen động cơ tỉ lệ bình phương điện áp vì vậy khi thay đổi điện áp đặt vàostato sẽ thay đổi được mômen và thay đổi được tốc độ Để điều chỉnh được điện ápphải có bộ biến đổi điện áp xoay chiều ( ĐAXC ) thông thường không áp dụng điềuchỉnh U cho động cơ roto lồng sóc vì Sth của đặc tính cơ tự nhiên là nhỏ Với động

cơ roto dây quấn khi điều chỉnh điện áp cần nối thêm Rf mạch roto để mở rộngphạm vi điều chỉnh

Phương pháp điều chỉnh điện áp mạch roto chỉ thích hợp với những truyền động màmômen tải là hàm tăng theo tốc độ như quạt gió , bơm li tâm …

c Thay đổi tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở mạch rôto

n 1

r f # 0

r f = 0

m th mn

Ta có thể điều chỉnh trơn điện trở mạch roto bằng các van bán dẫn , ưu thế là dễ tựđộng hoá việc điều chỉnh Điện trở trong mạch roto động cơ được xác định theobiểu thức

Rr = Rrd + Rf

Trong đó : Rrd : Điện trở mạch dây quấn roto

Rf : Điện trở ngoài mắc thêm vào mạch roto Khi thay đổi điện trở mạch roto thì mômen tới hạn của động cơ không thay đổi và độtrượt tới hạn tỉ lệ bậc nhất với điện trở

Si : : Độ trượt khi điện trở mạch roto là Rrd

Mặt khác :

Si

Rrd I Rrd

Rr Si

Rr r I S

Rr r I M

3

.3

.3

1 2

1

2 1

2

ωω

=

Khi thay đổi điện trở mạch roto thì mômen thay đổi => tốc độ thay đổi

Thông thường chọn Rf ở chế độ dài hạn , chọn bằng vật liệu có ρ nhỏ

Phương pháp này làm tăng tổn hao , do đó giảm hiệu suất

Với máy điện không đồng bộ rô to dây cuốn, ta có thể dùng phương pháp thayđổi điện trở mạch phần ứng để thay đổi tốc của nó Ưu điểm là kết cấu bộ biến đổirất đơn giản nhưng nó có nhược điểm là ở vùng tốc độ thấp do hệ số trượt S lớn nêngây tổn hao nhiều

p= 2

n = n1.(1-s) =f1.(1-s)/p

Khi thay đổi p thì n thay đổi

Tuy nhiên việc thay đổi p sẽ làm cho tốc độ bị nhảy cấp và việc điều chỉnh là khôngtrơn

- Ưu điểm là có độ ổn định tốc độ cao hệ số cosö và hiệu suất lớn , vận hành có độtin cậy cao

- Mạch stato tương tự động cơ không đồng bộ , mạch roto có cuộn kích từ và cuộndây khởi động

- Khi đóng điện động cơ làm việc với tốc độ không đổi và bằng tốc độ đồng bộ

p

f1

1

2π

ω =

(1)

Từ (1) ta thấy khi thay đổi f thì sẽ thay đổi được tốc độ do đó cấu trúc của hệ truyềnđộng điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ bao giờ cũng có bộ biến tần kèm theo

Với máy đồng bộ thì bộ biến đổi cũng là bộ biến tần, nên hệ thống cũng phứctạp và đắt tiền như bộ biến đổi của động cơ Rôto lồng sóc Mặt khác do công nghệ làyêu cầu có chất lượng cao nếu sử dụng máy điện đồng bộ thì thời gian mở máy sẽlâu và tốn nhiều thời gian như vậy thì năng suất lao động không cao

I.1.2 : ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

- Đặc điểm chung của động cơ điện một chiều là hoạt động tin cậy, có mô menlớn, điều chỉnh tốc độ đơn giản hơn máy điện xoay chiều, nhưng nhược điểm là giáthành đắt

Động cơ một chiều có 3 loại chính :

+ Động cơ một chiều kích từ độc lập

+ Động cơ một chiều kích từ nối tiếp

+ Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp

Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp ít dùng vì vậy ta sẽ đi nghiên cứu hai loại trên

I.1.2.1 : ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP

- Với động cơ một chiều kích từ nối tiếp ta có cuộn dây kích từ được ghép nối tiếpvới phần ứng

- Phương trình đặc tính cơ điện :

KC

R I KC

KCI M

KC

R KCM U

* Nhận xét :

- Đặc tính cơ có dạng hypebol và mềm ở phạm vi dòng điện có giá trị nhỏ hơn địnhmức ở vùng có dòng điện lớn hơn do mạch từ bão hoà nên từ thông hầu như khôngđổi và có dạng gần tuyến tính Do đó loại động cơ này không nên dùng cho hệtruyền động yêu cầu độ ổn định tốc độ cao mà sử dụng cho những hệ truyền động cóyêu cầu tốc độ thay đổi theo phụ tải Động cơ một chiều kích từ nối tiếp có khảnăng quá tải lớn về mômen ( nhờ cuộn CKT mắc nối tiếp vào mạch phần ứng ) =>

Vì từ thông phụ thuộc dòng điện nên khả năng chịu tải của động cơ không chịu ảnhhưởng của sụt áp lưới

I.1.2.2: ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP :

- Phương trình đặc tính cơ điện :

I K

R K

U

φφ

ω = −

- Phương trình đặc tính cơ :

M K

R K

U

2

)( φφ

- Đặc tính cơ có dạng đường thẳng và có độ cứng cao Khi động cơ làm việc với tốc

độ không đổi thì mômen điện từ bằng mômen cản trên trục động cơ Điểm làm việctương ứng với điểm giao giữa đặc tính của động cơ và đặc tính mômen cản của phụtải

- Từ phương trình đặc tính cơ ta đưa ra các phương pháp điều chỉnh tốc độ như sau :

- Phương pháp thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng động cơ

- Phương pháp thay đổi từ thông

- Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

a Thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng

- Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ như hình vẽ

c

- Khi động cơ làm việc định mức Mđm = Mc

- Muốn thay đổi tốc độ ta đóng các điện trở phụ khi đó Iư giảm đột biến , do quántính cơ nên tốc độ chưa kịp biến đổi Trên hệ toạ độ (ωM) điểm làm việc chuyển từ

a sang b Mômen giảm M<Mc => tốc độ giảm làm Iư lại tăng lên và tiến tới làmviệc xác lập tại c với tốc độ ω2< ω1

- Khi thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ thì :

có hạn , và việc điều chỉnh không trơn Tất cả những nguyên nhân trên đều hạn chếdải điều chỉnh

- Đặc biệt phương pháp này gây tổn thất nhiều năng lượng do đó giảm hiệu suất hệthống

b Thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

- Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ khi thay đổi từ thông như hình vẽ

t n

φ1

φ2 c

- Khi điều chỉnh từ thông người ta không đặt vấn đề tăng từ thông vì :

+ Không cho phép nâng dòng kích từ lớn hơn định mức Hơn nữa nếu

= đm mà tiếp tục tăng thì mạch từ bão hoà từ thông không thể tăng được nữa Փ Փ

vì vậy khi điều chỉnh từ thông người ta sẽ giảm từ đm trở xuống Փ

M x K

Ru x

K

Udm I

x K

Ru x

K

Udm

)( φφ

φφ

- Khi giảm từ đm xuống 1 do quán tính cơ chưa kịp thay đổi nên Փ Փ ω chưa thayđổi và chuyển sang A’ , M giảm xuống MA’ < Mc => tốc độ giảm và động cơ làmviệc xác lập tại B’

- Khi giảm từ đm xuống 2 do quán tính cơ chưa kịp thay đổi nên Փ Փ ω chưa thayđổi và chuyển sang A’’ , M giảm xuống MA’’ > Mc => tốc độ tăng và động cơ làmviệc xác lập tại B’’

- Như vậy khi giảm từ thông tốc độ có thể tăng hoặc giảm chứng tỏ phải có một giátrị cực trị thoả mãn Փ

Khi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông thì

- Vì công suất mạch kích từ nhỏ nên việc điều chỉnh là dễ dàng và tổn hao công suất

ít

- Khả năng tự động hoá cao

- Độ cứng đặc tính cơ giảm mạnh khi từ thông giảm và tốc độ không tải lý tưởngtăng , sai lệch tĩnh tăng

- Khi giảm từ thông để tăng tốc độ thì điều kiện chuyển mạch cổ góp xấu đi vì vậy

để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì phải đồng thời giảm Iư =>mômen cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh

- Do điện cảm lớn nên hằng số thời gian lớn , thời gian quá độ dài

c Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt lên phần ứng động cơ

- Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần ứng cho như hình vẽ

R dm

K

Ux I

dm K

R dm

K

Ux

2

)( φφ

φφ

Khi U giảm thì tốc độ giảm

dm K

Dải điều chỉnh lớn : 1

1

max 0

βω

Trong đó Kqt : hệ số quá tải Kqt < 2

ω

ωψ

* Nhận xét :

- Đây là phương pháp được đánh giá tốt , nó là phương án điều chỉnh triệt để , nghĩa

là có thể điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi không tải lý tưởng ,phương pháp này đảm bảo sai số tốc độ nhỏ , khả năng quá tải lớn , dải điều chỉnhrộng và tổn thất năng lượng ít

- Phần tử điều khiển nằm ở mạch điều khiển bộ biến đổi nên độ tinh điều khiển cao ,thao tác nhẹ nhàng và khả năng tự động hoá cao

- Khi thay đổi U độ cứng đặc tính cơ không thay đổi nên giảm sai lệch tĩnh - Đặcbiệt phương pháp này rất thích hợp với loại tải mang tính chất phản kháng và bằnghằng số ( Mc = const )

I.2 PHÂN TÍCH CHỌN BỘ BIẾN ĐỔI :

Cấu trúc phần mạch lực của hệ thống truyền động điều chỉnh động cơ bao giờcũng cần có bộ biến đổi , các bộ biến đổi này cấp điện cho mạch phần ứng hoặc kích

từ của động cơ Cho đến nay trong công nghiệp sử dụng 4 bộ biến đổi chính

- Bộ biến đổi máy điện gồm : Động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máykhuếch đại

- Bộ biến đổi điện từ : Khuếch đại từ

- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn : Chỉnh lưu Tiristor hoặc Diôt

- Bộ biến đổi chỉnh lưu không điều khiển + xung áp một chiều : Tranzitor hoặcTiristor

I.2.1 : BỘ BIẾN ĐỔI MÁY ĐIỆN

- Bộ biến đổi này gồm máy phát một chiều kích từ độc lập phát ra điện áp cung cấpcho mạch phần ứng động cơ , máy phát này thường do động cơ sơ cấp không đồng

bộ 3 pha ĐK kéo quay và tốc độ quay của máy phát là không đổi

Sơ đồ nguyên lý như sau :

KF F KF

KF KF

KF F F F

F F F

i C

R

U i

i C K

K E

φ

KF : Hệ số cấu trúc máy phát

C : Hệ số góc của đặc tính từ hoá

Vậy sức điện động của máy phát tỉ lệ điện áp kích thích bởi hệ số hằng KF

KF F

R U

KD KD

KF

KF F

U

M U

U

M K

R U

K

K

.).(

)(

0

2

βω

ω

φφ

Từ hệ trên ta thấy khi điều chỉnh dòng kích thích máy phát thì điều chỉnh được tốc

độ không tải còn độ cứng đặc tính cơ thì không đổi

* Nhận xét :

+ Điện áp ra bằng phẳng gần như không có sóng hài bậc cao

+ Dải điều chỉnh D = 10/1÷30/1 Khi sử dụng các biện pháp ổn định tốc độ dải điều chỉnh D có thể đạt D= 100/1÷200/1

+ Có thể điều chỉnh tốc độ vô cấp

+ Hệ thống làm việc linh hoạt ở bốn góc phần tư

+ Thực hiện tốt việc đảo chiều và các chế độ hãm

+ Phù hợp với tải Mc = const

- Nhược điểm

+Công suất lắp đặt của hệ thống lớn gấp 5 lần công suất tải

+ Việc gia công nền móng tốn kém , diện tích lắp đặt lớn

+ Bảo quản phức tạp , gây tiếng ồn lớn

+ Hiệu suất không cao do sử dụng nhiều máy điện

I.2.2 : BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỪ :

Sơ đồ nguyên lý như sau :

+

-a b c

Bằng cách thay đổi giá trị nguồn cấp cho KĐT ta sẽ thay đổi được giá trị điện áp ra của bộ biến đổi và thay đổi được tốc độ động cơ

* Nhận xét :

- Ưu điểm :

Phạm vi điều chỉnh tốc độ tương đối rộng , dễ chế tạo , bền , giá thành hạ

- Nhược điểm :

+ Độ linh động điều khiển kém , đảo chiều khó khăn

+ Quán tính của hệ lớn do ảnh hưởng của điện kháng khuếch đại từ

+ Hệ số công suất thấp , khi điều khiển chịu ảnh hưởng phi tuyến của đặc tính từ hoámạch từ

I.2.3 : BỘ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU KHIỂN + XUNG ÁP MỘT CHIỀU

Sơ đồ nguyên lý như sau :

- Điện áp trung bình trên tải có dạng :

.1.1

1

1 0

U Tck

t U udt Tck

udt Tck Utb

Bằng cách thay đổi giá trị của γ ta sẽ thay đổi được giá trị của Utb và tốc độ động cơ

thay đổi theo

Về lý thuyết có 3 cách thay đổi γ là :

+ Giữ nguyên Tck và thay đổi t1

+ Giữ nguyên t1 và thay đổi Tck

+ Kết hợp cả hai cách trên : Nhưng phức tạp và ít dùng thông thường dùng cách 1

* Nhận xét :

+ Đặc điểm của bộ biến đổi xung áp là : Sử dụng các linh kiện bán dẫn nên tổn hao ít, không phụ thuộc nhiệt độ môi trường , khả năng tự động hoá cao , tuy nhiên sơ đồphức tạp , mạch điều khiển cũng phức tạp

I.2.4 : BỘ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU BÁN DẪN : DÙNG TIRISTOR

- Nguyên lý điều khiển : khi có Uđk thông qua bộ phát xung ( FX ) sẽ điều khiển cácTiristor và nhận được điện áp chỉnh lưu bằng việc thay đổi Uđk ta sẽ thay đổi đượcgóc mở của T và thay đổi được giá trị điện áp đầu ra

*Nhận xét :

_ Ưu điểm

+Ưu điểm nổi bật của hệ thống này là tính tác động nhanh hệ thống gọn nhẹ , dễ tạo

ra hệ thống vòng kín , hệ thống nâng cao được độ cứng đặc tính cơ và mở rộng phạm

vi điều chỉnh Có thể điều chỉnh vô cấp , sai lêch tĩnh nhỏ

+ Dễ tự động hoá hệ thống , tác động nhanh ,hoạt động tin cậy không gây ồn , không cần nền móng đặc biệt và hiệu suất cao

_ Nhược điểm

+ Hệ thống chịu nhiều ảnh hưởng của nhiệt độ khi dòng nhỏ suất hiện vùng gián đoạn , khả năng linh hoạt khi di chuyển trạng thái không cao , hệ thống đảo chiều phức tạp , khả năng quá tải của các van kém

+ Do các van có tính phi tuyến nên điện áp chỉnh lưu ra có dạng đập mạch rất cao

Mạch động lực của hệ thống truyền động điện đã cho theo đề tài là hệ thốngvan-động cơ bao gồm động cơ điện, bộ biến đổi và các thiết bị phụ khác.

Động cơ điện theo đề tài là động cơ điện một chiều, kích từ độc lập, không đảochiều, phạm vi điều chỉnh tốc độ 50/1 với sai lệch tĩnh St%=10% Với các số liệu đãghi trong đề số .

Phương pháp điều chỉnh tốc độ ta lựa chọn là phương pháp thay đổi điện áp đặtvào phần ứng động cơ Với phương pháp này ta có thể điều chỉnh vô cấp tốc độ, độbằng phẳng của tốc độ bằng 1, độ dốc đặc tính bằng const, dải điều chỉnh rộng, chỉtiêu năng lượng đợc đánh giá tốt, bảo đảm ổn định tốc độ động cơ tốt hơn nhiều sovới các phương pháp khác Như vậy vấn đề đặt ra là ta phải chọn sơ đồ bộ biến đổi

và một số thiết bị phụ cho mạch động lực, mà chủ yếu là bộ biến đổi

1.1 Chọn bộ biến đổi

Với điện áp nguồn cung cấp là xoay chiều hình sin và yêu cầu đầu ra của bộbiến đổi là điện áp một chiều điều chỉnh được Ta có thể sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cóđiều khiển hoặc một sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển kết hợp với một bộ biến đổimột chiều- một chiều Trong đề tài này ta chọn sơ đồ chỉnh lu có điều khiẻn cho gọnnhất, đơn giản nhất, còn phơng án dùng một sơ đồ chỉnh lu không điều khiển kết hợpvới bộ biến đổi một chiều - một chiều không sử dụng vì nó cồng kềnh, kích thớc lớn,tốn nhiều van và giá thành lại cao

Với yêu cầu cụ thể của phụ tải đã cho thì các sơ đồ chỉnh lu sau có thể đáp ứngđược:

1) Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2 pha

2) Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha

3) Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 1 pha

4) Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha

Ta xét một số bộ biến đổi:

*) H×nh cÇu mét pha b¸n ®iÒu khiÓn

Hình1.6-Sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lư hình cầu 1 pha 2T-2DTrong sơ đồ hình 2.31 hai van có điều khiển được mắc ở hai nhómvan khác nhau và anot của van ở nhóm katot chung nối với katot của van ởnhóm anot chung và nối vào một cực của nguồn xoay chiều, hai van khôngđiều khiển cũng mắc tương tự.

 Nguyên lý làm việc

Cũng như các sơ đồ có điot không, sơ đồ chỉnh lưu dùng 2 điot và 2thyristor chỉ làm việc có hiệu quả khi có điện cảm lớn trong mạch tải Dovậy ở đây ta xét một trường hợp giả thiết phụ tải có Ld = ∞ Tóm tắt guyên

lý làm việc của sơ đồ như sau:

Hình 1.7 Đồ thị điện áp chỉnh lưu, dòng điện các van, điện áp trên 2 van T1 vàD1 được biểu diễn ở hình dưới :

việc quấn máy biến áp phức tạp vì vậy sơ đồ này ta không chọn Sơ đồ chỉnh lưu tia

3 pha là một sơ đồ hoàn chỉnh, chất lượng điện áp ra tốt hơn sơ đồ hình tia 2 pha,nhưng số van nhiều hơn và mạch điều khiển phức tạp hơn sơ đồ hình tia 2 pha, do đó

ta không sử dụng sơ đồ này cho đề tài

Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha là một sơ đồ chỉnh lưu tốt Cho phép sử dụng ở

hệ thống truyền động công suất lớn, chất lượng điện áp ra tốt, điện áp đặt trên vannhỏ hơn một nửa so với điện áp đặt trên mỗi van của sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2 pha

và 3pha do đó dễ chọn van trong tính toán thiết kế, nhưng nhược điểm của nó làmạch động lực phức tạp, mạch điều khiển phức tạp, số lượng van nhiều, giá thànhcao, trong khi yêu cầu của phụ tải mà đề tải cho không cần chất lượng điện áp ra quátốt

Để đáp ứng được yêu cầu của phụ tải mà đề tài đã cho và bảo đảm đợc tínhkinh tế ta chọn sơ đồ chỉnh lưu hình cầu một pha cho mạch động lực của hệ thốngtruyền động điện

Trong chỉnh lưưu hình cầu một pha có 5 dạng chính sau:

1) Sơ đồ chỉnh lu hình cầu một pha dùng 4 điốt cùng với 1 Thyristor và mộtđiốt không

2) Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu một pha dùng 4 Thyristor

3) Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha sử dụng 4 Thyristor và 1 điốt không

4) Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha sử dụng 2 Thyristor và 2 điốt không, trong đó

2 van có điều khiển được mắc ở 2 nhóm van khác nhau và anốt của van ở nhómkatốt chung nối với katốt của van ở nhóm anốt chung, hai van không điều khiểncũng mắc tương tự

5) Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha sử dụng 2 điốt và 2 Thyristor, trong đó 2 van cóđiều khiển được bố trí ở cùng một nhóm van, nhóm còn lại là 2 van không điềukhiển

* Vậy ta sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển 2 điốt và 2Thyristor, trong đó 2 van có điều khiển được bố trí ở cùng một nhóm van, nhóm cònlại là 2 van không điều khiển

1.2 Chọn phương pháp hãm.

Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngược chiều tốc độ quay.Với động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm: Hãm tái sinh, hãmngược và hãm động năng Việc chọn phơng pháp hãm phù hợp với công nghệ là điềurất quan trọng

-Hãm tái sinh

-Hãm ngược

Hình 1.1 Đặc tính hãm tái sinh của động cơ kích từ độc lập-Hãm động năng

a) Hãm tái sinh

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải Khihãm tái sinh E>U động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới Sovới chế độ động cơ, dòng và mô men hãm đã đổi chiều và được xác định theo biểuthức:

Ih = Uu − Eu = K o − K o <

Mh=KIn<0Phương trình đặc tính cơ :

Nhưng với bộ biến đổi Tiristo-động cơ thì cácTiristo không cho phép dẫn dòngngược (mà ở chế độ hãm ngược dòng điện đa lên lưới bị đảo chiều xem hình 1.1)

hệ truyền động đã nêu trên không thực hiện hãm tái sinh.

Hình 1.2 Đặc tính hãm ngược khi đa Rf vào mạch phần ứng của động cơ kích từ độc

lập

b) Hãm ngược

Trạng thái hãm ngược của động cơ xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của độngnăng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động hoặc do momen thế năng quay ngượcchiều với momen điện từ của động cơ Mômen sinh ra bởi động cơ khi đó chống lại

sự chuyển động của cơ cấu sản xuất

Với bộ biến đổi Tiristo-Động cơ ta có thể thực hiện hãm ngược bằng các cáchsau:

*) Đa điện trở phụ vào mạch phần ứng (hình 1.2)

Nhận xét: Khi hãm ngược ta vẫn sử dụng điện lưới do đó sẽ không thực hiệnđược khi sự cố mất điện.

*) Đảo chiều điện áp phần ứng cùng với đa điện trở phụ vào mạch phần ứng

Hình 1.3 Đặc tính hãm ngược khi đảo cực tính điện áp đặt vào phần ứng của động

cơ

Qua đồ thị đặc tính cơ (hình 1.3 ) ta có nhận xét : với kiểu hãm này với nhượcđiểm giống như trường hợp hãm trên nó còn có thêm nhược điểm nữa là phải thêmthiết bị cắt điện vào đúng thời điểm tốc độ động cơ bằng không (=0) nếu khôngđộng cơ (Mđc>Mc) sẽ quay ngược lại

Vì thông thường động cơ làm việc ở điểm a trên đặc tính tự nhiên với tảI Mc tađổi chiều điện áp phần ứng và đa thêm điện trở phụ vào mạch, động cơ chuyển sanglàm việc ở điểm b trên đặc tính biến trở Tại b mô men đã đổi chiều chống lại chiềuquay của động cơ nên tốc độ giảm theo đoạn bc, tại c tốc độ bằng không nếu ta cắtphần ứng ra khỏi điện áp nguồn đặt vào động cơ thì động cơ sẽ dừng lại, còn nếu takhông nếu ta không cắt phần ứng ra khỏi điện áp nguồn đặt vào động cơ thì tại c(Mo>Mc) động cơ sẽ quay ngược lại và làm việc ổn định tại d

Trong trường hợp này dòng điện hãm rất lớn vì:

Ih = − Uu −Eu = −Uu −Eu

R + Ru f RΣ

M = ΦK I

Vì vậy cần đa thêm điện trở Rf đủ lớn vào mạch phần ứng để hạn chế Ih.

Tóm lại hãm ngược bằng phương pháp đảo cực tính đặt vào phần ứng động cơnhơ trên dòng điện rất lớn gây tổn thất năng lượng lớn E cùng chiều U động cơ làmviệc như một máy phát mắc nối tiếp với lưới Lúc đó nó vừa nhận năng lượng từ lướiđiện đồng thời năng lượng điện do nó phát ra đều tiêu tán trên mạch phần ứng dướidạng nhiệt làm giảm tuổi thọ động cơ Mặt khác nếu như tốc độ động cơ đã giảmthấp nếu ta không cắt động cơ ra khỏi lưới một cách chính xác thì động cơ sẽ quay

ngược lại do đó không phù hợp với yêu cầu công nghệ

c) Hãm động năng

Hãm động năng là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà nănglượng cơ học các động cơ đã tích luỹ được trong quá trình làm việc trước đóbiến thành điện năng tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt

Mhd = K Ihd < 0

Hình 1.4a Sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập

Phương trình đặc tính cơ điện:

Theo sơ đồ nguyên lý ta có: I=In+Ikt

RR

u

h h

u kt n

kt n

u ktkt

dần và là hàm số của tốc độ Vì vậy các đặc tính cơ khi hãm có dạng như đường đặctính không tải của máy phát điện tự kích phi tuyến (hình 1.5)

*) Nhận xét

Trong sơ đồ bộ chỉnh lưu cầu một pha dùng 2 điốt và 2 Thirystor ta chọn cho hệthống truyền động không làm việc ở chế độ nghịch lưu, không có chuyển nănglượng về nguồn do đó không có hãm tái sinh Mặt khác phụ tải đã cho không đảochiều, suất điện động E không đổi chiều vì vậy tốc độ động cơ không đảo chiều.Muốn hãm ngược ta phải có các công tắc tơ để thực hiện đảo chiều điện áp, như vậy

sẽ rất phức tạp, giá thành cao, kích thước lại lớn Mặt khác về mặt năng lượng thìhãm ngược có chỉ tiêu năng lượng xấu nhất, cho nên ta không chọn hãm ngược trong

hệ thống truyền động Vì vậy chỉ còn lại có hãm động năng với ưu điểm là đơn giản

và chỉ tiêu năng lượng hơn ở hãm ngược là hợp lý hơn cả cho hệ thống truyền động.Vậy ta có sơ đồ mạch động lực như hình vẽ (hình 1.6):

K +

§ C - Rh

Giới thiệu sơ đồ

1 - AB : Aptomat dùng để bảo vệ và đóng cắt mạch điện

2 - MBA : máy biến áp động lực có các nhiệm vụ sau:

Cung cấp điện áp phù hợp cho bộ chỉnh lu

Cách li về mặt điện giữa nguồn xoay chiều với mạch động lực bộ chỉnh lưu.Nhờ có điện cảm nên có thể hạn chế tốc độ tăng dòng điện qua các van.

Hạn chế dòng ngắn mạch qua các van

Giảm ảnh hưởng của bộ biến đổi đến lưới điện xoay chiều

3 - Các van T1, T2 : các van dùng để biến đổi điện áp xoay chiều thành mộtchiều có thể điều khiển được để cung cấp cho động cơ

4 - R,C : các điện trở và điện dung dùng để bảo vệ quá tốc độ tăng áp qua cácvan

5 - D1,D2 : tương tự điôt không làm nhiệm vụ dẫn dòng và tăng tính liên tục củadòng điện qua phụ tải

6 - CK : cuộn kháng san bằng được mắc nối tiếp với mạch động lực để sanbằng dòng điện qua phụ tải

7 - ĐC : động cơ điện một chiều, là đối tượng điều chỉnh của hệ thống

8 - RH : điện trở dùng để hãm động năng, làm giảm thời gian hãm và dòng điện hãm cho động cơ

PHẦN III: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

MẠCH ĐIỀU KHIỂN

- Do chúng ta sử dụng bộ biến đổi van nên để các van của bộ chỉnh lưu có thể

mở tại một thời điểm nào đó thì khi đó van phải thoả mãn hai điều kiện

+ Phải có điện áp thuận đặt lên hai cực katốt (K) và anốt (A) của van

+ Trên cực điều khiển (G) và katốt (K) của van phải có điện áp điều khiển,thường gọi là tín hiệu điều khiển

Để có hệ thống các tín hiệu điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu, người ta

sử dụng một mạch điều khiển để tạo ra các tín hiệu đó Mạch tạo ra các tín hiệu điều khiển đó gọi là mạch phát xung

- Vì hệ thống yêu cầu chất lượng cao , độ ổn định tốc độ cao tức là đặc tính cơphải rất cứng , muốn vậy ta phải thiết kế mạch phản hồi âm tốc độ để hệ tự động ổn định tốc độ khi tải dao động Ngoài ra cũng cần thiết kế mạch phản hồi âm dòng điện để tự động hạn chế dòng điện khi khởi động hoặc khi có quá tải quá phạm vi cho phép

- Để đảm bảo chất lượng động , chất lượng tĩnh đồng thời nâng cao khả năng

tự động hoá và dễ dàng tổng hợp tín hiệu phản hồi ta phải thiết kế khâu khuếch đại trung gian