Đồ án cơ sở ngành điện tử công suất và ứng dụng chủ đề thiết kế hệ thống truyền động điện bbđ van – động cơ một chiều không đảo chiều quay

Theo đó ta có 4 loại động cơ điện một chiềuthường sử dụng: - Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai - Động cơ điện một chiều kích từ hỗn

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA ĐIỆN -*** -

ĐỒ ÁN CƠ SỞ NGÀNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ ỨNG DỤNG

Chủ đề: “Thiết kế hệ thống truyền động điện BBĐ van – Động cơ một chiều không đảo chiều quay.”

Số liệu và yêu cầu như sau:

1 Phụ tải MC = hằng số mang tính chất phản kháng.

2 Động cơ một chiều kích từ độc lập có: Pđ = 3,2 KW; nđ = 1500vg/ph.

3 BBĐ dùng sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha.

4 Phạm vi điều chỉnh D = 50:1; sai lệch tĩnh [s] = 0,1.

Giảng viên hướng dẫn : MAI VĂN DUY

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN VĂN HOÀNG HẬU

Mã sinh viên : 21104300162

Lớp : DHTD15A3HN

Hà Nội, tháng 5 năm 2023

Lời Cảm Ơn

Đồ án điện tử công suất và ứng dụng là môn học giúp cho sinh viên ngành điều khiển và tự động hoá tổng hợp và vận dụng hiệu quả những kiến thức đã học, đúc kết kinh nghiệm cho những đồ án sau này nói riêng và các môn chuyên ngành nói chung Trong quá trình thực hiện đồ án của mình, em luôn được sự quan tâm, hướng dẫn tận tình của của các giảng viên trong khoa điện cùng với sự giúp đỡ nhiệt tình từ bạn bè

và các anh chị khoá trên.

Đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy Mai Văn Duy đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo cho em những kiến thức quan trọng để hoàn thành đồ án môn học của mình.

Đồng thời, em muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, cô giáo trong khoa điện đã tạo điều kiện để em học tập, nghiên cứu thêm về chủ đề nghiên cứu của mình Xin cảm ơn các bạn và các anh chị khoá trên đã tận tình giúp đỡ em trong thời gian hoàn thành đồ án này.

Do trình độ lý luận cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế cho nên cuốn đồ

án này không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong các thầy, cô xem xét và góp ý để em học thêm được nhiều kinh nghiệm và để các đề tài đồ án sắp tới của em

có thể hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 2

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 4

1.1 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG 4

1.1.1 Đặt vấn đề 4

1.1.2 Động cơ điện một chiều 4

1.2 PHÂN TÍCH CHỌN ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG 11

1.2.1 Thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng 12

1.2.2 Thay đổi điện áp cấp cho mạch phần ứng 13

1.2.3 Thay đổi từ thông kích từ 15

1.2.4 Nhận xét lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ 16

1.3 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN BỘ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU 16

1.3.1 Phân tích hệ thống van – động cơ (T – Đ) 17

1.3.2 Phân tích hệ thống máy phát động cơ (F – Đ) 19

1.3.3 Phân tích hệ thống xung áp động cơ (ĐXA – Đ) 21

1.4 ĐÁNH GIÁ, LỰA CHỌN BỘ BIẾN ĐỔI 29

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC 30

2.1 BỘ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU HÌNH CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN 30

2.1.1 Sơ đồ nguyên lý 30

2.1.2 Nguyên lý làm việc 30

2.2 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC 33

2.2.1 Tính toán chọn máy biến áp động lực 33

2.2.2 Tính toán lựa chọn van Tiristor 35

2.2.3 Tính toán bộ lọc và chọn thiết bị bảo vệ 35

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 39

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 39

3.1.1 Khái niệm chung 39

3.1.2 Hệ thống điều khiển pha đứng 40

3.1.3 Hệ thống điều khiển pha ngang 41

3.1.4 Hệ thống điều khiển dùng diot hai cực gốc 42

3.1.5 Đánh giá lựa chọn hệ thống điều khiển 42

3.2 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 42

3.2.1 Khối đồng bộ hóa 42

3.2.2 Khâu tạo điện áp răng cưa 45

3.2.3 Khối so sánh 47

3.2.4 Khối tạo xung chùm 49

3.2.5 Khối tách xung và khuyếch đại xung 51

3.2.6 Mạch tạo nguồn nuôi và tín hiệu điều khiển 54

3.3 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 55

3.3.1 Tính chọn biến áp xung (BAX) 55

3.3.2 Tính chọn Tranzitor tầng khuếch đại cuối cùng 56

3.3.3 Tính chọn máy biến áp đồng pha 56

3.3.4 Chọn các Tranzitor ở mạch điều khiển 57

3.3.5 Các vi mạch khuếch đại thuật toán trong mạch tích phân 57

3.3.6 Tính chọn bộ khuếch đại trung gian 58

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG, KHẢO SÁT HỆ THỐNG 62

4.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG, KHẢO SÁT 62

4.1.1 Mô phỏng mạch động lực 62

4.1.2 Mô phỏng mạch điều khiển 63

4.1.3 Sơ đồ mô phỏng toàn mạch trên Psim 63

4.2 ĐÁNH GIÁ, KẾT LUẬN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

Chương 1: Phân tích, lựa chọn phương án truyền động điện.

1.1. Lựa chọn phương án truyền động.

Nó ảnh hưởng trực tiếp đến dây chuyền sản xuất chất, lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế

1.1.2 Động cơ điện một chiều.

1.1.2.1 Cấu tạo.

Động cơ một chiều gồm có 2 phần chính:

- Phần tĩnh (stato):

Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường, gồm có lõi sắt và dây quấn kích từ lồng

ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kĩ thuật điện hay thép cacbon dày0.5 mm đến 1 mm ép chặt Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện

Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính dùng để cải thiện tình trạng của

máy điện và đổi chiều Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực

từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn của cực từ chính Cực từ phụ đượcgắn vào vỏ nhờ bulông

Gông từ: Gông từ dùng để làm mạch nối các cực từ.

Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và đảm

bảo cho người khỏi chạm phải điện Trong máy điện nhỏ và vừa, nắp máy còn có tác dụnglàm giá đỡ ổ bi, trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang

Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài

- Phần quay (rotor):

Lõi sắt phần ứng: Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ Thường dùng những tấm thép kĩ

thuật điện dày 0.5 mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao dodòng điện xoáy gây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dâyquấn vào

Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua Dây quấn

phần ứng thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ (công suấtdưới vài KW) thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa và lớn, thường dùngdây có tiết diện hình chữ nhật Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép

Cổ góp: Cổ góp dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Cánh quạt: dùng để quạt gió làm nguội máy

Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp cánh quạt, ô bi Thường làm bằng thép

cacbon tốt

1.1.2.2 Phân loại động cơ điện một chiều.

Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người ta phânloại theo cách kích thích từ các động cơ Theo đó ta có 4 loại động cơ điện một chiềuthường sử dụng:

- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai

- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ, một cuộn mắc

song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng

Vì động cơ một chiều kích từ hỗn hợp có cấu tạo phức tạp, giá thành vô cùng đắt nên takhông xét đến vì không phù hợp với tiêu chí về kinh tế Ta chỉ xét động cơ một chiều kích

từ nối tiếp và động cơ một chiều kích từ độc lập

a) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp:

Đặc điểm của động cơ một chiều kích từ nối tiếp là cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộndây phần ứng, nên cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng

Hình 1.1.1 Sơ đồ nguyên lý ĐCMC kích từ nối tiếp.

Nếu phản ứng phần ứng được bù đủ: φ = C.Iư (0.5)

Thế vào phương trình (0.3) ta nhận được:

ω= U u

K C I u − R KC= A1

I −B (0.6) Trong đó đặt

A1= U u

KC ;B= R KC

Ta cũng có

I u=√ ❑ (0.7)

Thay (0.7) vào (0.6) ta được:

Hình 1.1.3 Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) của ĐCMC kích từ nối tiếp.

Giả thiết động cơ không tải (I = 0 hoặc M = 0) thì tốc độ không tải lý tưởng sẽ là vôcùng lớn Nhưng thực tế do có ma sát, các tổn thất phụ và động cơ có từ dư:

φdư = (2÷10)φ’đm nên khi không tải thì tốc độ không tải của động cơ vẫn có giá trị là:

ω kt= U u

K φ du

Tốc độ ωot này thường rất lớn so với tốc độ định mức, nên thực tế không cho phép động

cơ một chiều kích từ nối tiếp làm việc ở chế độ không tải

Ngoài ra nhìn vào đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp và cấu tạo của nó

ta có nhận xét sau:

- Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp mềm và độ cứng thay đổi theo phụtải Do đó thông qua tốc độ của động cơ ta có thể biết được sự thay đổi của phụ tải Tuynhiên không nên sử dụng động cơ này cho những truyền động có yêu cầu ổn định cao mànên sử dụng nó cho những truyền động có tốc độ thay đổi theo tải

- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về mômen Do cuộn kích từnối tiếp nên ở phần dòng điện phần ứng lớn hơn định mức thì từ thông động cơ lớn hơn địnhmức, do đó mômen của nó tăng nhanh hơn so với sự tăng của dòng điện Như vậy với mức

độ quá dòng điện như nhau thì động cơ một chiều kích từ nối tiếp có khả năng quá tải vềmômen và khả năng khởi động tốt hơn động cơ một chiều kích từ độc lập Nhờ có ưu điểm

đó mà động cơ một chiều kích từ nối tiếp rất thích hợp với những truyền động làm việcthường có quá tải lớn và yêu cầu mômen khởi động lớn như máy nâng vận chuyển, máy cánthép

- Vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng nên khả năng chịu tảicủa động cơ không bị ảnh hưởng bởi sự sụt áp của lưới điện Loại động cơ này thích hợpcho những truyền động dùng trong ngành giao thông có đường dây cung cấp điện dài

Từ nhận xét trên ta thấy động cơ 1 chiều kích từ nối tiếp không phù hợp với yêu cầu nên chúng ta không chọn.

b) Động cơ điện một chiều kích từ song song.

Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích

từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từsong song

Hình 1.1.5 Sơ đồ nguyên lý của ĐCMC kích từ song song.

Lúc đầu, máy không có dòng điện kích từ, từ thông trong máy do từ dư của cực từ tạo

ra bằng khoảng 2 ÷ 3 % từ thông định mức Khi quay phần ứng, trong dây quấn phần ứng sẽ

có sđđ cảm ứng do từ thông dư sinh ra Sđđ này khép mạch qua dây quấn kích từ (điện trởmạch kích từ ở vị trí nhỏ nhất) sinh ra dòng điện kích từ, làm tăng từ trường cho máy Quátrình tiếp tục cho đến khi đạt đến điện áp ổn định

Để máy có thể tạo nên điện áp cần thiết phải có từ dư và chiều từ trường dây quấn kích

từ phải cùng chiều từ trường dư Nếu không còn từ dư thì ta phải mồi để tạo từ dư, nếuchiều 2 từ trường ngược nhau thì ta phải đổi cực tính dây quấn kích từ hoặc đổi chiều quayphần ứng

Phương trình cân bằng điện áp là:

- Mạch phần ứng: U = Eư – Iư.Rư

- Mạch kích từ: Ukt = Ikt.(Rkt + Rđc)

Phưng trình dòng điện là: Iư = I + Ikt

Khi dòng điện tải tăng, dòng điện phần ứng tăng dẫn đến điện áp U giảm Trong máykích từ song song, Ikt không phải là hằng số mà thay đổi theo điện áp Do vậy, khi U giảm,làm cho Ikt giảm, từ thông và sđđ càng giảm, U càng giảm nhanh hơn, chính vì thế đườngđặc tính ngoài dốc hơn so với máy kích từ độc lập

Hình 1.1.6 Đặc tính ngoài U = f(I) và đặc tính điều chỉnh I kt = f(I).

Từ đường đặc tính ta thấy: Khi ngắn mạch, điện áp U = 0, Ikt = 0, sđđ trong máy khi đóchỉ do từ dư sinh ra, vì thế dòng ngắn mạch In nhỏ so với dòng điện định mức Điều này cónghĩa là sự cố ngắn mạch ở đầu máy phát kích từ song song không gây nguy hiểm như ởtrường hợp máy phát kích từ độc lập

Để điều chỉnh điện áp, ta phải điều chỉnh dòng điện kích từ, đường đặc tính điều chỉnh Ikt = f(I) Khi U, n không đổi có dạng tương tự như trường hợp máy phát kích từ độc lậpnhưng dốc hơn vì ở máy phát kích từ song song thì khi tăng tải, điện áp sụt nhiều hơn nênmức độ tăng dòng điện kích từ phải nhiều hơn

Do đó, động cơ 1 chiều kích từ song song không phù hợp với yêu cầu nên chúng ta không chọn.

c) Động cơ 1 chiều kích từ độc lập:

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạchkích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơmột chiều kích từ độc lập.

Hình 1.1.7 Sơ đồ nguyên lý của ĐCMC kích từ độc lập.

Khi động cơ làm việc, rôto mang cuộn dây phần ứng quay trong từ trường của cuộn cảmnên trong cuộn ứng xuất hiện một sức điện động cảm ứng có chiều ngược với điện áp đặtvào phần ứng động cơ Theo sơ đồ nguyên lý, có thể viết phương trình cân bằng điện áp củamạch phần ứng (rôto) như sau:

Uư = Eư + ( Rư + Rf ) Iư (0.9)

Trong đó:

- Uư : Điện áp phần ứng động cơ (V)

- Eư : Sức điện động phần ứng động cơ (V)

- Rư : Điện trở cuộn dây phần ứng (Ω)

- Rf : Điện trở phụ mạch phần ứng (Ω)

- Iư : Dòng điện phần ứng động cơ (A)

Rư = rư + rct + rcb + rcp (0.10)

- r : Điện trở cuộn dây phần ứng

- rct : Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp

- N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng

- a : Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

- ω: Tốc độ góc của động cơ (rad/s)

K= 2πa pN là hệ số kết cấu của động cơ

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì:

K −

R u +R f

K I ư (0.16) (0.16) chính là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

Mặt khác mômen điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi: Mđt = K.φ.Iu

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mômen điện

từ, ta ký hiệu là M, nghĩa là Mđt = Mcơ = M

ω= U u

K −

R u +R f

(K)2 M (0.18)

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Hình 1.1.8 Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) của ĐCMC kích từ độc lập.

Giả thiết phần ứng được bù đủ, tư thông φ = const, thì các phương trình đặc tính cơ điện(0.9) và phương trình đặc tính cơ (0.11) là tuyến tính Đồ thị của chúng được biểu diễn trênhình a và hình b là những đường thẳng

Theo các đồ thị trên, khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có:

ω= U u

K =ω0 (0.19)

ωo được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ Còn khi ω= 0 ta có:

I ư=R u +R f

(K)2 =I nm (0.20)

M = KφInm = Mnm

Trong đó, Inm và Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch

Mặt khác phương trình đặc tính cũng có thể được viết dưới dạng:

ω= U u

K −

R u +R f

(K)2 I ư =ω0−∆ω (0.21) ω= U K u − R

(K)2M=¿ ω0−∆ ω (0.22)

Trong đó: R= R u +R f ; ω=U u

K

∆ ω=R K I ư= (K R)2M

Với Δω được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M

Ta có thể biểu diễn đặc tính cơ và đặc tính cơ điện trong hệ đơn vị tương đối, với điềukiện từ thông là định mức (φ = φđm)

Do đó, để đáp ứng các chỉ tiêu mà yêu cầu hệ thống đã đặt ra thì chỉ có động cơ một chiều kích từ độc lập phù hợp để làm động cơ truyền động cho hệ thống.

1.2. Phân tích chọn động cơ truyền động.

Để thiết kế hệ truyền động phù hợp với yêu cầu người ta đưa ra nhiều phương án khácnhau, sau đó so sánh các phương án đó trên phương diện kinh tế kỹ thuật để chọn ra phương

án tối ưu nhất

Trong thực tế, đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập thường có 3 phương phápđiều chỉnh tốc độ như sau:

- Thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng

- Thay đổi điện áp cấp cho mạch phần ứng

- Thay đổi từ thông kích từ

1.2.1 Thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng.

cơ như sau:

- Tốc độ không tải lý tưởng:

Người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện khởi động và

Hình 1.2 SEQ Hình \* ARABIC 2 Các đặc tính cơ của

ĐCMC kích từ độc lập khi thay đổi (tăng) điện trở phụ.

điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản.

1.2.2 Thay đổi điện áp cấp cho mạch phần ứng.

Khi thay đổi điện áp giảm đi so với Uđm thì các thông số đặc tính cơ như sau:

- Tốc độ không tải lý tưởng:

- Mômen ngắn mạch: Mnm = KϕIư, mômen ngắn mạch giảm dần khi ta giảm điện

Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chếdòng điện khi khởi động

1.2.3 Thay đổi từ thông kích từ.

Hình 1.2.6 Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) của ĐCMC kích từ

độc lập khi giảm từ thông

d) Nhận xét.

Vì cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông Nên khi từ thônggiảm thì ωxo tăng, còn β sẽ giảm Ta có một họ đặc tính cơ với ωxo tăng dần và độ cứng củađặc tính cơ β giảm dần khi giảm từ thông Dải điều chỉnh hẹp, sai lệch tĩnh tăng, tổn thấtnăng lượng nhỏ

Với dạng mômen phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ thì khi giảm từthông, tốc độ động cơ sẽ tăng lên Tuy nhiên, khi Φ giảm quá nhiều thì Iư tăng quá lớn gâynên sụt áp trong mạch phần ứng tăng lên Do đó, công suất động cơ sẽ giảm và tốc độ giảm

1.2.4 Nhận xét lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ.

Qua những phân tích cụ thể về 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ trên ta thấy mỗi phương pháp điều chỉnh đều có những ưu nhược điểm riêng phù hợp với từng yêu cầu công nghệ Căn cứ công nghệ của đề tài ta thấy phương pháp thay đổi tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh điện áp mạch phần ứng động cơ có nhiều ưu điểm như:

- Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng

- Điều chỉnh trơn và điều chỉnh vô cấp

- Sai lệch tĩnh nhỏ, trong toàn dải điều chỉnh

Từ những phân tích ta đã chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện

áp mạch phần ứng Phương pháp này là phải dùng bộ biến đổi BBĐ là một khâu quan trọngcủa hệ thống truyền động điện, nó là một trong những yếu tố quyết định đến chất lượng của

hệ thống Có 3 phương án cho BBĐ trong hệ thống truyền động điện:

- Hệ thống van – động cơ (T – Đ)

- Hệ thống máy phát động cơ (F – Đ)

- Hệ thống xung áp động cơ (ĐXA – Đ)

1.3.1 Phân tích hệ thống van – động cơ (T – Đ).

a) Sơ đồ nguyên lý.

Hình 1.3.1 Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế hệ T-Đ.

b) Nguyên lý làm việc.

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều khi thay đổi giá trị điện áp Udk

ta thay đổi được góc điều khiển α nhờ đó thay đổi được sức điện động của bộ biến đổi Eb =Ebmcos α Từ đó thay đổi được điện áp đặt vào mạch phần ứng động cơ Ud = F(α) và thay đổiđược tốc độ động cơ

c) Các chế độ làm việc.

- Chế độ dòng liên tục:

Khi mô men tải Mt tăng thì dòng điện động cơ tăng dẫn đến năng lượng điện từ cũngtăng Nếu điện áp nguồn nhỏ hơn sức điện động thì năng lượng của cuộn dây lớn làm chonăng lượng xả ra đủ sức để duy trì dòng điện đến thời điểm mở van kế tiếp

U cl =U d 0 cos cosα

- Chế độ dòng gián đoạn:

Do mạch của động cơ có điện cảm và điện cảm ấy có tích lũy năng lượng Nếu dòng điệnnhỏ, lượng tích lũy năng lượng của cuộn dây nhỏ nên xả năng lượng nhỏ, vì vậy điện áp của

lưới nhỏ hơn sức điện động của động cơ năng lượng của cuộn dây xả ra để đảm bảo anoddương hơn catod không đủ duy trì tính chất liên tục của dòng điện Lúc này dòng điện quavan trở về 0 trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn.

ω0=U d0 coscos α Keϕ

Và độ cứng đặc tính cơ

β=(Ke ϕ đm)2

R ư +R cl

- Chế độ dòng điện gián đoạn.

Khi làm việc ở chế độ dòng gián đoạn đường đặc tính cơ không là đường

thẳng mà là đường cong có độ cứng thấp hơn Biên giới vùng dòng điện gián đoạn là dòngphân cách giữa vùng dòng điện liên tục và dòng gián đoạn chính là tập hợp đường trạng tháibiên độ Khi thay đổi góc α=(0-Π) gần đúng là đường ê líp có các trục chính là trục tọa độ

e) Nhận xét.

- Ưu điểm của hệ (T-Đ):

Tác động nhanh, tổn thất ít, giảm tiếng ồn, kích thước trọng lượng nhỏ, nền móng khôngphức tạp, hiệu suất lớn, có khả năng điều chỉnh trơn với phạm vi điều chỉnh rộng Hệ sốkhuyếch đại lớn nên dễ thiết lập hệ thống tự động vòng kín để mở rộng phạm vi điều chỉnh

và cải thiện điều kiện làm việc của hệ

- Nhược điểm của hệ (T-Đ):

Khả năng linh hoạt chuyển đổi trạng thái làm việc không cao Khả năng quá tải về áp vàdòng kém Mạch điều khiển hệ đảo chiều khá phức tạp Sức điện động ra của bộ biến đổi có

độ đập mạch lớn nên phải dùng cuộn kháng lọc, làm tăng kích thước, giá thành, giảm độcứng đặc tính cơ, giảm tác động nhanh… Hệ số cosφ của hệ nói chung là thấp

Mặc dù có những nhược điểm như đã nêu ở trên nhưng phần ưu điểm của hệ T – Đ cũngrất nhiều, nó có ý nghĩa quyết định, do vậy ngày nay đã thay thế hoàn toàn hệ truyền động

Khi thay đổi dòng kích từ máy phát F thì tốc độ không tải lý tưởng ω0 thay đổi còn độ

cứng đặc tính cơ βfđ thì giữ nguyên

- Ưu điểm của hệ F- Đ:

Linh hoạt chuyển đổi làm việc cả 4 góc phần tư, đặc tính động tốt, hệ số quá tải lớn Dotốc độ được điều chỉnh trên mạch kích từ nên tổn hao nhỏ Nếu sử dụng 2 mạch vòng điềuchỉnh tốc độ thì dải điều chỉnh đạt khoảng D = 10 ÷ 30

- Nhược điểm của hệ F- Đ:

Sử dụng nhiều máy điện quay nên hiệu suất thấp η = ηđs ηF ηĐ, công suất lắp đặt lớnkhoảng (4 ÷ 5) lần công suất động cơ Cồng kềnh chiếm diện tích lắp đặt, gây ồn, nền móngphức tạp Vốn đầu tư lớn, chỉ tiêu kinh tế thấp

1.3.3 Phân tích hệ thống xung áp động cơ (ĐXA – Đ).

Ngày nay hệ xung áp – động cơ được sử dụng rộng rãi, nhất là khi các yếu tố về độ tincậy, dễ điều chỉnh, độ ổn định, kích thước trọng lượng được đặt lên hàng đầu Có nhiều

cách phân loại, ở đây ta phân theo hệ xung áp mạch đơn (không đảo chiều), hệ xung áp đảochiều.

Đối với các bộ biến đổi công suất nhỏ (vài KW) và trung bình (hàng chục KW) người tathường sử dụng bóng bán dẫn lưỡng cực IGBT Đối với công suất lớn (vài trăm KW) người

ta thường dùng GTO, cao hơn nữa dùng Tiristor Ở giáo trình này chỉ đề cập đến van điềukhiển hoàn toàn IGBT, GTO – chúng có ưu điểm là mở và khóa hoàn toàn bằng xung (điềukhiển hoàn toàn), khác với tiristor mở bằng xung, khóa phải dùng mạch khóa (bán điềukhiển) Nhược điểm của van điều khiển hoàn toàn là công suất nhỏ hơn tiristor

1.3.3.1 Hệ xung áp đơn.

a) Sơ đồ nguyên lý.

Hình 1.3.4 Sơ đồ nguyên lý hệ XA đơn dùng Tiristor (trái) và dùng GTO (phải).

Từ sơ đồ nguyên lý trên ta có phương trình và đồ thị dòng áp sau:

Hình 1.3.5 Đồ thị dòng áp hệ XA đơn dùng GTO.

CK = 200 – 400hz ) so với hằng số thời gian cơ học của

hệ nên ta có thể coi sức điện động động cơ E ≈ const trong chu kỳ TCK

Nghiệm của phương trình trên có dạng:

R u : Hằng số thời gian điện từ của mạch

Quá trình tăng giảm dòng điện trên đồ thị vẽ cho trường hợp hệ đã làm việc xác

lập Như vậy hệ xung áp – động cơ một chiều cũng có ba chế độ dòng điện: liên tục, biên liên tục, gián đoạn

b) Đặc tính cơ của hệ thống.

Như trên ta đã biết vì hệ xung áp – động cơ một chiều có ba chế độ dòng điện nên để xâydựng đặc tính cơ, tương tự hệ T – Đ ta cũng phải xây dựng ba vùng sau đó ghép lại thànhđặc tính cơ hoàn chỉnh

1) Chế độ dòng liên tục.

Khi γ thay đổi từ (0-1) ta sẽ có họ đường đặc tính co song song với nhau vì

|β|XA =const

2) Chế độ dòng biên liên tục.

Ở chế độ dòng biên liên tục ta có: i1(t=0)=i2(t2) = 0 Để xác định dòng biên liên tục (IBLT)

ta có một số giả thiết như sau:

- Dòng điện i1(t), i2(t2) tăng, giảm tuyến tính vì TCK nhỏ (thực tế tăng giảm theo hàmmũ)

- Khai triển hàm Taylor chỉ lấy hai số hạng đầu :

- e −t 1 /Tu ≈ 1− t1

T CK

Trong đó Inm = U/R

Với hệ XA đơn đã biết từ hệ phương trình trên cho ta thiết lập các quan hệ sau:

Hình 1.3.7 Đặc tính cơ hoàn chỉnh.

1.3.3.2 Hệ truyền động xung áp – đảo chiều.

a) Sơ đồ nguyên lý.

Để đảo chiều quay của động cơ có nhiều sơ đồ, thông dụng ta có sơ đồ sau:

Hình 1 19 Sơ đồ nguyên lý hệ xung áp đảo chiều.

Trong đó:

T1 → T4: van điều khiển hoàn toàn (GTO hoặc IGBT)

D1 → D4: Điốt để trả năng lượng từ tải về nguồn

Co: Kho điện để nhận năng lượng và giữ điện áp không đổi, nếu nguồn là ắcquy thìkhông cần Co

Rt, Lt : Điện trở, điện cảm của động cơ và của cuộn kháng lọc nếu có

E = Kφđmω: Sức điện động của động cơ một chiều kích từ độc lập

b) Nguyên lý đảo chiều

Để đảo chiều quay động cơ có rất nhiều phương pháp:

Nếu Δt1− Δt2>0→U tb>0 - Động cơ quay thuận

Δt1− Δt2<0→U tb<0- Động cơ quay ngược

Δt1− Δt2=0→U tb=0 - Hãm động năng

Hình 1.3.8 Đồ thị điện áp phương pháp 1.

- Phương pháp 2: (phương pháp điều khiển không đối xứng)

Động cơ quay thuận:

T1, T4 ngược pha trong một chu kỳ

T3, T2 ngược pha trong một chu kỳ nhưng T3 khóa cả chu kỳ còn T2 mở cả chu kỳ

Động cơ quay ngược (phương pháp điều khiển không đối xứng)

T3, T2 ngược pha trong một chu kỳ

T1, T4 ngược pha trong một chu kỳ nhưng T1 luôn khóa còn T4 luôn mở trong một chu kỳ

Hình 1.3.9 Đồ thị điện áp phương pháp 2 (TH quay thuận)

Kết hợp lại ta có phương trình đặc tính cơ điện đặc tính cơ:

Khi 0 ≤ γ < 0,5 tốc độ ωo’ = (2γ - 1) ωo < 0

Ký hiệu: γ13= Δt1

T CK − Δt2 là thời gian mở tương đối của van 1, 3

γ24=1−γ13 là thời gian mở tương đối của van 2, 4

Ta có đồ thị đặc tính cơ như hình:

Hình 1.3.11 Đặc tính cơ phương pháp 1.

- Phương pháp 2:

Kết hợp đặc tính cơ của hệ xung áp đơn (khi có hãm tái sinh, hãm động năng) và hệ xung

áp đảo chiều (phương pháp 1) ta có đặc tính cơ phương pháp 2

Hình 1.3.12 Đặc tính cơ phương pháp 2.

d) Nhận xét.

- Ưu điểm hệ xung áp động cơ:

Hiệu suất cao vì tổn hao trong các van và mạch điều khiển nhỏ, mạch điều khiển đơngiản khi dùng van điều khiển hoàn toàn Chất lượng điện áp tốt hơn so với các bộ biến đổiliên tục Kích thước gọn nhẹ nhất là khi dùng nguồn là động cơ Khi có nguồn có công suấtlớn ta có thể bỏ qua Rb do vậy độ đặc tính cơ cao Dễ thiết lập hệ thống tự động vòng kín(trong thực tế chỉ sử dụng vòng kín)

- Nhược điểm hệ xung áp động cơ:

Điện áp xung gây ra tổn thất phụ do thành phần xoay chiều gây ra Tần số đóng cắt lớn(f= 200-400 Hz) tạo ra nhiễu cho nguồn và thiết bị điều khiển Tồn tại vùng gián đoạn đặctính cơ dốc, kém ổn định

Ngày nay hệ xung áp – động cơ một chiều được sử dụng nhiều trong giao thông đườngphố, ô tô chạy điện

1.4. Đánh giá, lựa chọn bộ biến đổi.

Từ những phân tích cụ thể ưu nhược điểm của từng hệ thống ta thấy mổi hệ thống đều cónhững ưu nhược điểm riêng phù hợp với từng công nghệ cụ thể từng hệ thống truyền động.Qua phân tích trên ta thấy hệ thống truyền động van - động cơ (T - Đ) có nhiều ưu điểm nổibật, phù hợp với yêu cầu đề tài

Chương 2: Tính toán lựa chọn mạch động lực.

2.1 Bộ biến đổi chỉnh lưu hình cầu ba pha điều khiển hoàn toàn.

2.1.1 Sơ đồ nguyên lý.

Hình 2.1.1 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu hình cầu ba pha điều khiển hoàn toàn.

-BA là máy biến áp cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, trong sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha thìcũng có thể không cần sử dụng BA nếu nguồn cung cấp có điện áp phù hợp với yêu cầu của

sơ đồ và không yêu cầu cách ly về điện giữa mạch động lực bộ chỉnh lưu với nguồn điệnxoay chiều

-Các van chỉnh lưu có điều khiển từ T1 ÷ T6 dùng để biến đổi điện áp xoay chiều 3 phabên thứ cấp BA là ua , ub , uc thành điện áp một chiều đặt lên phụ tải ud gồm Rd, Ld Chỉ sốcủa các van trong sơ đồ có khác so với trong sơ đồ tổng quát đã nêu: nhóm van kaôt chungthì ký hiệu như sơ đồ tổng quát còn nhóm van anôt chung thì có sự đổi vị trí

-iA, iB, iC : dòng các pha cuộn dây sơ cấp của BA

- ia, ib, ic : dòng các pha cuộn dây thứ cấp của BA

- iT1 ÷ iT6 : dòng các van chỉnh lưu

- id : dòng điện chỉnh lưu

2.1.2 Nguyên lý làm việc

Ở đây ta xét một trường hợp với giả thiết điện cảm phụ tải là vô cùng lớn (Ld=∞) Đểxác định điện áp chỉnh lưu tức thời ta có thể dựa vào các phương pháp khác nhau: ví dụ dựavào thứ tự làm việc của các van ta xác định được trong từng khoảng thời gian 2 van nào của

sơ đồ dẫn dòng ta sẽ tìm được ud bằng hiệu điện áp 2 pha mắc với 2 van dẫn dòng đó, hoặc

ta có thể chọn điện thế điểm trung tính nguồn làm mốc (ϕ0 = 0) lúc đó ta có thể tính đượcđiện thế 2 điểm K và A trên sơ đồ hình 2.1.1, ta có ϕK bằng điện áp chỉnh lưu của sơ đồ tia 3pha các van nối katôt chung udtK , còn - ϕA bằng bằng điện áp chỉnh lưu của sơ đồ tia 3 phacác van nối anôt chung udtA (ϕK = udtK, ϕA = - udtA)

Ta có thể tóm tắt sự hoạt động của sơ đồ trong hơn một chu kỳ như sau:

Hình 2.1.2 Đồ thị dòng, áp pha a của bộ chỉnh lưu cầu ba pha.

S2=3U2I2= Ud.Id.(π/3) S1=3U1I1= Ud.Id.(π/3) SttBA=(S1+S2)/2 = S1 = S2 = Ud.Id.(π/3) ≈1,05.Ud.Id

2.2 Tính toán lựa chọn thiết bị mạch động lực.

Công suất định mức của động cơ một chiều kích từ độc lập là:

PĐ = 3.2 (KW) ; Ndm = 1500 ( vòng/phút )

Ta chọn động cơ có số liệu kỹ thuật như sau:

2.2.1 Tính toán chọn máy biến áp động lực.

Máy biến áp động lực nhiệm vụ cung cấp điện cho mạch chỉnh lưu với số pha và sốpha và số cấp điện áp phù hợp Trong hệ thống này ta sử dụng máy biến áp động lực 3pha 3 trụ có tổ nối dây Y/Y

Công suất tính toán của máy biến áp:

Stt =1,05.Ud.Id =1,05 220 14.54 =3358.74 (VA) =3.358(KVA) Điện áp định mức cuộn dây thứ cấp MBA :

U2đm ≥ Uđm.Ku Kα.KR.Ksđ Trong đó :

- Uđm : điện áp định mức động cơ

- Ku: là hệ số xét tới ảnh hưởng khả năng ảnh hưởng dao động trong phạm vi cho phépcủa điện áp lưới thường lấy Ku = 1,05 ÷ 1,1 , ta chọn Ku = 1,1

- Kα : là hệ số kể đến góc điều khiển nhỏ nhất (α min) nhằm đảm bảo chắc chắn hệ thốngkhông rơi vào trạng thái lật nhào nghịch lưu, ta chọn : αmin = 300 ⇒ αmax = 1500Suy ra K α= 1cos α= 2√❑

- KR : là hệ số xét đến sụt áp trên điện trở thuần của máy biến áp,trên điện cảm cuộndây thứ cấp máy biến áp, do chuyển mạch, sụt áp trên dây nối và cuộn kháng, trêncác van KR thường được chọn : KR = 1,15 ÷ 1,25, ta chọn :KR =1,15

- Ksđ: là hệ số phụ thuộc sơ đồ chỉnh lưu