Đồ án môn học điện tử công suất và ứng dụng đề tài thiết kế hệ thống truyền động điện bbd van động cơ một chiều không đảo chiều quay

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ ỨNG DỤNG Đề Tài Thiết kế hệ thống truyền động điện BBD van Động cơ một chiều không đảo chiều qua[.]

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

KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ ỨNG DỤNG

Đề Tài: Thiết kế hệ thống truyền động điện BBD van - Động cơ một chiều

không đảo chiều quay Ngành Đào Tạo: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa

Họ và tên sinh viên: Trần Văn Thịnh

Mã sinh viên: 20104300368 Người hướng dẫn Đồ án ThS Nguyễn Ngọc Sơn

Nam Định - 2022

Mục lục CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

1.1.4 Nhận xét lựa chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ. 12

1.3 PHÂN TÍCH CHỌN PHƯƠNG PHÁP HÃM DỪNG ĐỘNG CƠ 19

1.3.1.1 Hãm tái sinh với tải phản kháng (U u2 <U u1 ) 21

2.1 Phân tích sơ đồ bộ biến đổi chỉnh lưu (lựa chọn theo yêu cầu đầu bài) 27

2.2 Tính toán lựa chọn thiết bị mạch động lực 27

5.2 Đánh giá, kết luận 27

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

LỜI NÓI ĐẦU

Đề số 2: Thiết kế hệ thống truyền động điện BBĐ van – Động cơ một chiều không đảo chiều quay.

Số liệu và yêu cầu như sau:

1.1 Phân tích chọn động cơ truyền động

1.1.1 Thay đổi điện trở phụ phần ứng (Rf)

Nguyên lý điều chỉnh: Để điều chỉnh tốc độ động cơ kích từ độc lập bằngphương pháp thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vàomạch phần ứng

Tốc độ không tải lý tưởng:

Khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng ta có dạng đặc tính cơ như hình:

Hình 1.1 Giản đồ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ phần ứng

 Nhận xét: Nếu Rf càng tăng thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời Inm và

Mnm càng giảm Phương pháp này được dùng để hạn chế dòng điện động

cư khi khởi động

1.1.2 Thay đổi điện áp phần ứng ( U )u

1.1.2.1 Cơ sở của phương pháp

Ta có:  f (R ,f kt, U)

Giả sử :

Điện áp động cơ giảm => tốc độ động cơ giảm

Tốc độ không tải lý tưởng:

u o

Uvark

  



Độ cứng đặc tính cơ:

2 u

(k )

=constR

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh động cơ

BBĐ dùng để biến đổi điện áp xoay chiều của lưới điện thành một chiều

và điều chỉnh giá trị điện áp đầu ra theo yêu cầu Điện trở trong của BBĐ Rbđ

phụ thuộc vào loại thiết bị vì thông thường công suất của bộ biến đổi và động cơsấp sỉ bằng nhau nên Rbđ cũng có giá trị đáng kể so với Rư của động cơ

Sơ đồ nguyên lý thay thế:

Hình 1.4 sơ đồ nguyên lý điều chỉnh động cơ

1.1.3 Thay đổi từ thông kích từ (  )kt

Nguyên lý điều chỉnh: Để điều chỉnh tốc độ động cơ kích từ độc lập bằngphương pháp thay đổi từ thông kích từ chính là điều chỉnh momen điện từ củađộng cơ M= K..Iư và điều chỉnh sức điện động quay Eư = K..ω của động cơ

Để thay đổi tốc độ  ta cần thay đổi  , mà từ thông kích do dòng kíchkt

từ sinh ra vậy ta mắc thêm biến trở Rv vào mạch kích từ Do tăng dòng kích từ

Ikt > Idm sẽ làm phá hỏng cuộn dây kích từ và khi  kt dm( trạng thái bão hòa)

ta tăng Ikt lên thì  cũng không thay đổi đáng kể nên ta thay đổi từ thông kíchkt

Từ thông giảm => tốc độ động cơ tăng

Giảm từ thông => tốc độ không tải lý tưởng ωox tăng, độ cứng đặc tính cơgiảm, dòng ngắn mạch Inm không đổi:

Tốc độ không tải lý tưởng: ox

dm x

Hình 1.6 dạng đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từđộc lập khi thay đổi từ thông

=> Nhận xét:

Nhược điểm:

+Dải điều chỉnh không rộng:

max min

Cũng có thể sản xuất những động cơ giới hạn điều chỉnh 5:1 thậm chí đến8:1 những phải dùng những phương pháp khống chế đặc biệt, do đó cấu tạo vàcông nghệ chế tạo phức tạp khiến cho giá thành của máy tăng lên.

1.1.4 Nhận xét lựa chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ.

 Nhận xét: Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơđiện một chiều nhưng chỉ có phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơđiện một chiều bằng cách thay đổi điện áp Uư đặt vào phần ứng củađộng cơ là tốt nhất và hay được sử dụng nhất vì nó thu được đặc tính cơ

có độ cứng không đổi, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không bị tổn hao

1.2 Phân tích lựa chọn bộ biến đổi chỉnh lưu.

1.2.1 phân tích hệ thống van T-D.

*MSơ đồ nguyên lý

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý của hệ T-D

Bộ biến đổi van Tiristor là một loại nguồn điện áp một chiều, nó trực tiếpbiến đổi dòng xoay chiều thành dòng.Việc điều chỉnh điện áp đầu ra của bộ biếnđổi được thực hiện bằng cách điều chình góc mở α của van Điện áp chỉnh lưuUd0 (điện áp không tải ở đầu ra) có dạng đập mạch với tần số đập mạch là ntrong một chu kỳ 2π của điện áp sơ cấp của máy biến áp lực Một bộ biến đổivan có thể bao gồm: Máy biến áp lực, tổ van, kháng lọc, thiết bị bảo vệ và thiết

bị điều khiển

*MSơ đồ thay thế

Hình 1.8 Sơ đồ thay thế chỉnh lưu thyristor

- Khi van dẫn ta có phương trình:

Do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lưu ra có biên

độ đập mạch cao, khả năng linh hoạt và chuyển trạng thái làm việc không cao,khả - 25 - năng quá tải về dòng và áp của van kém, chất lượng điện áp ra khôngcao, tổn thất phụ, và làm xấu hiện tượng chuyển mạch trên cổ góp

Khắc phục: Thiết kế truyền động van cố gắng làm ngắn vùng gián đoạnbằng cách nối kháng lọc, tăng số lần đập mạch, nối van đệm

1.2.2 Phân tích hệ thống máy phát động cơ (F-Đ)

Tính chất của máy phát điện được xác định bởi hai đặc tính: Đặc tính từhóa là sự phụ thuộc giữa sức điện động máy phát vào dòng điện kích từ và đặctính tải là sự phụ thuộc của điện áp trên hai cực của máy phát và dòng điện tải,các đặc tính này nối chung là phi tuyến do tính chất của lõi sắt, do các phản ứngcủa dòng điện phần ứng Trong tính toán gần đúng có thể tính hóa các đặc tínhnày:

𝐸𝐹 = 𝐾𝐹.𝜙𝐹 𝜔𝐹 = 𝐾𝐹.𝜙𝐹 𝐶 𝑖𝐾𝐹

Trong đó: 𝐾𝐹 : là hệ số kết cấu cảu máy phát

C = ∆𝜙.F/∆𝑖𝐾𝐹 : là hệ số góc của đặc tính từ hóa

Nếu quấn kích thích của máy phát được cấp bởi nguồn áp lý tưởng 𝑈𝐾𝐹 thì:

Sức điện động của máy phát trong trường hợp này sẽ tỷ lệ với điện áp kích bởi

hệ số hằng 𝐾𝐹 như vậy có thể coi gần đúng máy phát điện một chiều kích từ độclập là một bộ khuếch đại tuyến tính:

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý hệ F-D

Các biểu thức trên chứng tỏ rằng, khi điều chỉnh dòng điện kích thích củamáy phát thì điều chỉnh được tốc độ không tải của hệ thống còn độ cứng đặctính cơ thì giữ nguyên Cũng có thể điều chỉnh kích từ của động cơ để có dảiđiều chỉnh tốc độ rộng hơn

*M Các chế độ làm việc của hệ F- Đ

Hình 1.10 Sơ đồ làm việc

Trong hệ F - Đ không có phần tử phi tuyến nào nên hệ có những đặc tínhđộng rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển các trạng thái làm việc Với sơ đồ cơ bảnnhư hình 1.7 động cơ chấp hành Đ có thể làm việc ở chế độ điều chỉnh được cảhai phía: Kích thích máy phát F và kích thích động cơ Đ, đảo chiều quay bằngcách đảo chiều dòng kích thích máy phát, hãm động năng khi dòng kích thíchmáy phát bằng không, hãm tái sinh khi giảm tốc độ hoặc khi đảo chiều dòng

kích từ, hãm ngược ở cuối giai đoạn hãm tái sinh khi đảo chiều hoặc khi làmviệc ổn định với mômen tải có tính chất thế năng … hệ F - Đ có đặc tính cơ ở cảbốn góc phần tư của mặt phẳng toạ độ [w ,M].

+) Ở góc phần tư thứ I và thứ III tốc độ quay và mômen quay của động cơ luôncùng chiều nhau, sức điện động máy phát và động cơ có chiều đối nhau và |E|| <|

Công suất điện từ của máy phát, công suất điện từ và công suất cơ học của động

- Đặc điểm của hệ F - Đ: +) Các chỉ tiêu chất lượng của hệ F - Đ về cơ bảntương tự các chỉ tiêu của hệ điều áp dùng bộ biến đổi nói chung

+)Ưu điểm nổi bật của hệ F - Đ là sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linhhoạt, khả năng chịu quá tải lớn, do vậy thường sử dụng hệ truyền đông F - Đ ởcác máy khai thác trong công ngiệp mỏ

+) Nhược điểm quan trọng nhất của hệ F - Đ là dùng nhiều máy điện quay, trong

đó ít nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhấtgấp 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

1.2.3 phân tích hệ thống xung áp động cơ (ĐXA-Đ)

1.2.3.1 Nguyên lý hệ thống

Hình 1.11 Cấu trúc hệ truyền động xung áp một chiều

Sơ đồ đơn giản của hệ ĐAX-ĐM dùng khóa đóng và cắt bằng thyristor.Trong đó, nguồn một chiều chỉnh lưu cầu diot 3 pha CL, tạo ra điệ áp Ud tươngđối bằng phẳng, giúp cho việc duy trì chế độ dòng điện liên tục được dễ dàng

Điều khiển thyristor T1 mở và khóa bằng xung mở của bộ điều khiển, ta

sẽ được điện áp ra của bộ băm nối tiếp Ub đặt vào phần ứng của động cơ ĐM,tương ứng sẽ có tốc độ w Trong chế độ dòng điện liên tục, các đại lượng trong

hệ được tính toán theo giá trị trung bình : Điện áp hoặc sức điện động trung bìnhcủa bộ ĐAX :

R.U

2

R.U

Hình 1.12 Đặc tính cơ của hệ truyền động

Xung điều khiển các thyristor T1 và T2 được tạo ra nhờ bộ BĐK với tần số xung

Khi thay đổi chu kỳ xung T hay tần số xung x f , ta sẽ làm thay đổi thờix

gian mở khóa của T1 và T2, từ đó thay đổi được điệnáp Ub và Uu , dẫn đến điềuchỉnh được tốc độ động cơ 

Hình 1.13 Cấu trúc bộ điều chỉnh điện áp

1.2.3.2 Đặc điểm hệ thống truyền động xung áp động cơ một chiều

Đặc điểm của bộ biến đổi xung áp là: sử dụng các linh kiện bán dẫn nêntổn hao ít, không phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, khả năng tự động hóa cao,tuy nhiên sơ đồ phức tạp, mạch điều khiển cũng phức tạp

1.2.4 Đánh giá lựa chọn bộ biến đổi.

Sau khi đưa ra ba phương pháp án trên kết hợp với các chỉ tiêu kinh tế kỹthuật và khả năng vận hành cùng với điều kiện phát triển của khoa học kỹ thuậtchọn phương án dùng T-Đ Vì phương pháp này có nhiều ưu điểm phù hợp vớiyêu cầu công nghệ

Vì vậy ta chọn hệ thống truyền động như sau:

+ Động cơ: chọn loại động cơ 1 chiều kích từ độc lập

+ Phương pháp điều chỉnh tốc độ : thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ.+ Loại BBĐ: hệ truyền động T-Đ

1.3 Phân tích chọn phương pháp hãm dừng động cơ.

Hãm động cơ gồm 2 phương pháp:

+ Hãm theo phương pháp cơ

+ Hãm theo phương pháp điện

Hãm theo phương pháp cơ là dùng phanh cơ hoặc phanh điện – cơ, phanhđiện- cơ thường đặt ở cổ trục động cơ và có nhiều kiểu, nhiều loại nhưng nguyêntấc điều khiển tương tự nhau Khi cấp điện cho động cơ chạy thì cuộn phanhcũng được cấp điện khi đó cổ trục động cơ chạy thì cuộn phanh cũng được cấpđiện vì cổ trục động cơ được nối lỏng Khi cắt điện để động cơ được nối lỏng thìcuộn phanh cũng mất điện vì cổ trục động cơ bị ép lại

+ Ghìm cho hệ TĐĐ làm việc với tốc độ ổn định

Hai mục đích sau phương pháp hãm phanh điện – cơ rất khó thực hiệnnên ta không dùng phanh điện cơ

Phương pháp hãm điện dùng được trong tất cả các trường hợp trên nên taphân tích hãm điện.

Trạng thái hãm của động cơ là trạng thái động cơ sinh ra momen điện từ ngượcvới chiều quay của roto đang có, có 3 trạng thái hãm :

Hãm tái sinh xảy ra trong các trường hợp sau đây:

+ Với tải mang tính chất tải phản kháng, hãm tái sinh bằng cách giảm điện áp

Uu2<Uu1

+ Với tải mang tính chất thế năng, ta tiến hanh hạ tải bằng cách đảo chiều điện

áp phần ứng Ở đây ta nghiên cứu tải mang tính chất phản kháng nên ta khôngxét trường hợp này

Khi hãm tái sinh không nên đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng vì đưa

thêm điện trở phụ vào sẽ làm cho hiệu suất của việc hãm tái sinh giảm đi tốc độlàm việc khi hãm lớn gây ra mất an toàn

Vậy ta xét hãm tái sinh bằng phương pháp giảm điện áp nguồn

1.3.1.1 Hãm tái sinh với tải phản kháng (Uu2<Uu1)

Hãm tái sinh xảy ra ở những hệ có điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng Động

cơ khi giảm điện áp để để điều chỉnh tốc độ sừng máy và để đảo chiều quayXảy ra hãm tái sinh khi:

  

Hình 1.14 Hãm tái sinh với giảm điện áp Uu

Khi thay đổi điện áp phần ứng:

Tốc độ không tải lý tưởng tại A:

 = const nên 2 đường đặc tính cơ song song với nhau

Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm A trên đặc tính cơ với tốc độ

không tải lý tưởng Wo1 ở góc phần tư thứ nhất với momen cản Mc và tốc độ động

Đoạn DC dòng điện và momen động cơ dương:

- Nhận xét:

Hãm tái sinh là phương pháp hãm kinh tế nhưng do ta chọn bộ biến đổihình tia 2 pha mắc Diod Do là bộ biến đổi đơn Bộ biến đổi đơn không cho phépdẫn dòng ngược mà chỉ cho dẫn dòng theo một chiều nên hệ truyền động của takhông thực hiện hiện hãm tái sinh này

1.3.2 Hãm ngược

Hãm ngược là trạng thái máy phát của động cơ khi momen cản động cơngược chiều với tốc độ quay của động cơ (M    ) Có 2 loại hãm ngược

+ Hãm đảo chiều điện áp phần ứng (sử dụng với tải phản kháng)

+ Hãm đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng (sử dụng với tải mang tính chất thếnăng)

Ở đây ta chỉ xét tải phản kháng nên không xét đến tải thế năng

Hãm ngược đảo chiều điện áp phần ứng

Hình 1.15 a) Sơ đồ hãm ngược bằng đảo chiều điện áp phần ứng

b) Giản đồ hãm ngược bằng đảo chiều điện áp phần ứng

Khi thay đổi điện áp phần ứng:

 => 2 đặc tính cơ không song song với nhau

Động cơ đang làm việc ở điểm A, ta đổi chiều điện áp phần ứng ( vì dòngđảo chiều lớn nên phải mắc thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để hạn chế)thì động cơ sẽ chuyển sang chế độ làm việc tại điểm B để thỏa mãn 2 điều kiệnlàm việc trên đặc tính cơ mới và có tốc độ bằng tốc độ động cơ ở A:

1.3.3 Hãm động năng

Hãm động năng là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà nănglượng cơ học của động cơ đã tích lũy trong quá trình làm việc trước đó biếnthành điện năng sử dụng trong mạch hãm dưới dạng nhiệt

Ta xét trường hợp hãm động năng kích từ độc lập

Hãm động năng kích từ độc lập

Khi động cơ đang quay muốn thực hiện hãm động năng kích từ độc lập tacắt phần ứng của động cơ khỏi lưới điện 1 chiều và đóng vào 1 điện trở hãm,mạch kích từ vẫn nối với nguồn như cũ

Hình 1.16 a) Sơ đồ hãm động năng của động cơ kích từ độc lập

b) giản đồ hãm động năng của động cơ kích từ độ lập

Ban đầu K đóng, H mở động cơ làm việc ổn định tại điểm A, tốc độ không tải lýtưởng là  A

Để tiến hanh hãm động năng ta mở khóa K và đóng H, nghĩa là cắt điện áp phầnứng ra khỏi động cơ và đóng vào điện trở hãm Rhãm

+ Tốc độ động cơ không đổi

+ Làm việc trên đặc tính cơ mới

1.3.4 Đánh giá, lựa chọn bộ biến đổi

Trong sơ đồ bộ chỉnh lưu tia 3 pha có Do ta chọn cho hệ thống truyền động không làm việc ở chế độ nghịch lưu, không có chuyển năng lượng về nguồn do

đó không có hãm tái sinh Mặt khác phụ tải đã cho không đảo chiều, 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 thì hãm 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 hãm động năng với ưu điểm là đơn giản

và chỉ tiêu năng lượng hơn ở hãm ngược nên hợp lý hơn cả cho hệ thống truyền động điện

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC

2.1 Phân tích sơ đồ bộ biến đổi chỉnh lưu (lựa chọn theo yêu cầu đầu bài) 2.1.1 Sơ đồ nguyên lý

2.1.2 Nguyên lý làm việc

2.2 Tính toán lựa chọn thiết bị mạch động lực

2.2.1 Tính toán chọn máy biến áp động lực

2.2.2 Tính toán lựa chọn van Thyristor

2.2.3 Tính toán bộ lọc và thiết bị bảo vệ

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN

3.1 Giới thiệu chung về mạch điều khiển

3.1.1 Hệ thống điều khiển pha đứng

3.1.2 Hệ thống điều khiển pha ngang

3.1.3 Đánh giá lựa chọn hệ thống điều khiển

3.2 Thiết kế mạch điều khiển

3.2.1 Khổi đồng bộ hóa và phát song răng cưa

3.2.2 Khối so sánh

3.2.3 Khối tạo xung

3.2.4 Khối tổng hợp và khuếch đại trung gian

3.2.5 Mạch tạo nguồn nuôi và tín hiệu chủ đạo

3.3 Tính toán thiết bị mạch điều khiển

CHƯƠNG 4: THẾ KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

4.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực

4.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển

4.3 Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG, KHẢO SÁT HỆ THỐNG

5.1 Kết quả mô phỏng, khảo sát

5.2 Đánh giá, kết luận