Báo cáo đồ án tự động hóa 1 đề tài thiết kế bộ chỉnh lưu ba pha hình tia để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập

Các bộ truyền động này thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng côngnghiệp bắt đầu từ rất hệ thống điều khiển vị trí hiệu suất cao chính xác trong robot đến bộ truyền động tốc độ thay đổ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

Báo cáo đồ án tự động hóa 1

Nhóm 2

Đề tài: Thiết kế bộ chỉnh lưu ba pha hình tia để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập

Nguyễn Văn Trường Nguyễn Thành Đạt Phạm Trung Dũng Nguyễn Trung Kiên Lương Thành Luân

Chương 1: Giới thiệu về động cơ một chiều

1.1 Giới thiệu

Bộ truyền động bằng điện có sẵn trong dải công suất rất rộng từ vài watt đến vài

MW Các bộ truyền động này thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng côngnghiệp bắt đầu từ rất hệ thống điều khiển vị trí hiệu suất cao chính xác trong robot đến

bộ truyền động tốc độ thay đổi trong máy bơm để kiểm soát lưu lượng Trong tất cảcác sự truyền động, vị trí hoặc tốc độ được điều khiển bởi bộ biến đổi điện tử côngsuất Về cơ bản, bộ biến đổi điện tử công suất được sử dụng để giao tiếp giữa nguồnđiện đầu vào và động cơ điện Hình 1.1 cho thấy một sơ đồ khối của một hệ thốngtruyền động điện bao gồm động cơ điện, bộ biến đổi điện tử công suất và trục truyềnnăng lượng để truyền cơ năng từ động cơ sang tải

Hiện nay, tất cả các hệ thống truyền động điện hiện đại đều hoạt động với hệ thốngvòng kín như mô tả trong Hình 1.2 Đầu ra của bộ biến đổi điện tử công suất có thể làbiến đổi dc hoặc biến đổi xoay chiều với hiệu điện thế và tần số thay đổi được Đầu racủa bộ biến đổi điện phụ thuộc vào yêu cầu của tải Khi tải là động cơ cảm ứng bapha, bộ biến đổi đầu ra sẽ là điện áp xoay chiều có thể điều chỉnh và tần số Nếu tải làđộng cơ một chiều, bộ biến đổi đầu ra sẽ được điều chỉnh điện áp một chiều

Các tín hiệu phản hồi là các tham số đo được của tải, tức là tốc độ và vị trí Các tínhiệu này được sử dụng làm tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển Các tín hiệu lệnh cũng

áp dụng cho bộ điều khiển Sau đó, các tín hiệu phản hồi được so sánh với các tín hiệutham chiếu hoặc lệnh và theo đó các tín hiệu điều khiển được tạo ra bởi bộ điều khiển

để bật các công tắc bán dẫn của bộ biến đổi nguồn Do đó, chúng ta có thể nhận đượcđầu ra cần thiết khi tải

Hình 1.1 Một bộ truyền động điện hở

Mạch điều khiển hoặc bộ điều khiển là trái tim của các bộ biến đổi điện tử côngsuất Mạch điều khiển tạo ra các xung kích hoạt để điều khiển các thyristor của bộbiến đổi điện tử công suất Mạch điều khiển là một mạch công suất thấp được xâydựng bằng cách sử dụng các mạch tương tự, mạch kỹ thuật số, bộ vi xử lý hoặc bộ viđiều khiển hoặc máy tính nhân sự

Thông thường, có ba loại bộ truyền động như:

1.2 Bộ truyền động động cơ DC

Động cơ DC được sử dụng rộng rãi trong các bộ truyền động điều khiển vị trí vàtốc độ có thể thay đổi hoặc điều chỉnh được Họ cung cấp mô-men xoắn khởi độngcao và có thể kiểm soát tốc độ của động cơ một chiều trên một phạm vi rộng Thườngxuyên, động cơ DC kích từ độc lập và chuỗi động cơ DC được sử dụng trong bộtruyền động tốc độ thay đổi nhưng chuỗi động cơ DC được sử dụng rộng rãi cho cácứng dụng sức kéo Tốc độ của động cơ một chiều có thể được kiểm soát bằng điềukhiển điện áp phần ứng và điều khiển từ thông kích từ Trong điều khiển điện áp phầnứng, tốc độ động cơ có thể được điều khiển dưới tốc độ cơ bản hoặc tốc độ định mứcnhưng sử dụng điều khiển từ thông kích từ, tốc độ động cơ có thể được điều khiển trêntốc độ cơ bản hoặc tốc độ định mức

Hình 1.2 Một bộ truyền động điện kín

Bộ chỉnh lưu có điều khiển cung cấp điện áp đầu ra một chiều thay đổi từ điện ápđầu vào xoay chiều cố định bằng cách thay đổi góc bắn của các thyristor Bộ biến đổiDC-to-DC (hoặc choppers) có thể cung cấp điện áp đầu ra một chiều có thể thay đổi

từ điện áp một chiều cố định Vì bộ chỉnh lưu và bộ cắt được điều khiển có thể cungcấp một biến liên tục điện áp một chiều, các ứng dụng của bộ chỉnh lưu được điềukhiển và bộ cắt điện trong điều khiển tốc độ của động cơ một chiều là một cuộc cáchmạng trong các bộ truyền động tốc độ công nghiệp hiện đại từ vài watt đến vài MW.Hình 1.3 hiển thị một bộ truyền động DC cấp nguồn chỉnh lưu được điều khiển và sơ

đồ khối của bộ truyền động DC cấp nguồn chopper được mô tả trong Hình 1.4 Tùythuộc vào loại nguồn điện, bộ truyền động một chiều có thể được phân loại thành

1 Bộ chỉnh lưu điều khiển một pha được cấp bộ truyền động DC

2 Bộ chỉnh lưu điều khiển ba pha được cấp bộ truyền động DC

3 Bộ chopper được cấp bộ truyền động DC

Trong phần này, ban đầu các đặc tính cơ bản của động cơ điện một chiều đượcthảo luận và sau đó là tốc độ Các chiến lược điều khiển của động cơ điện một chiềuđược giải thích

Mạch tương đương của động cơ điện một chiều kích từ độc lập được ghép nối vớitải được trình bày trong Hình 1.5.

Trong Hình 1.5, Điện áp phần ứng Dòng điện phần ứng trạng thái ổn định

Dòng điện phần ứng tức thời Suất điện động phải hồi

Điện áp kích từ Dòng điện kích từ trạng thái ổn định

Dòng điện kích từ tức thời Điện cảm của dây quấn phần ứng Điện trở của dây quấn phần ứng Điện cảm của cuộn dây kích từ Điện cảm của cuộn dây kích từ Mômen điện từ

Tải mômen xoắn Tốc độ góc và Giảm xóc liên

tục

Dòng điện kích từ độc lập so với dòng điện phần ứng của một động cơ DCkích từ độc lập Do đó, sự thay đổi dòng điện phần ứng không có ảnh hưởng đến dòngđiện kích từ Giá trị của dòng điện kích từ nhỏ hơn dòng điện phần ứng Phương trìnhKVL trong mạch kích từ là

Hình 1.5 Mạch tương đương của động cơ DC kích từ độc lập

Phương trình KVL trong mạch phần ứng là

Suất điện động phản hồi là trong đó, là hệ số suất điện động phản hồi.Mômen điện từ do động cơ phát triển là

trong đó, là hệ số mômen xoắn

Mối quan hệ giữa mômen điện từ và mômen tải là

Ở điều kiện trạng thái ổn định, đạo hàm theo thời gian trong các phương trình trêntrở thành 0 và ở trên phương trình có thể được viết dưới dạng

hay

Năng lượng điện từ được phát triển là

Hoặc trong đó,

Rõ ràng từ phương trình trên rằng tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ độclập có thể được điều khiển bởi

1 Điều khiển điện áp phần ứng

2 Dòng điện kích từ hoặc điều khiển từ thông kích từ

Tốc độ ở điện áp phần ứng định mức được gọi là tốc độ định mức hay tốc độ cơbản Tốc độ nhỏ hơn cơ sở tốc độ được điều khiển bằng điều khiển phần ứng, phầnứng và dòng điện kích từ không đổi để duy trì mô-men xoắn cầu nhưng điện áp phầnứng rất đa dạng

Trong điều khiển kích từ, tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản có thể có khi dòng điệnphần ứng được duy trì ở giá trị định mức của nó và dòng điện kích từ thay đổi để điềukhiển tốc độ của động cơ Sức mạnh phát triển bởi động cơ là là không đổi.Các đặc điểm của một động cơ DC kích từ độc lập được mô tả trong Hình 1.6

Hình 12.6 Đặc tính của động cơ DC kích từ độc lập

Chương 2: Điều khiển động cơ một chiều

2.1 Bộ chỉnh lưu ba pha hình tia được cấp bộ truyền động DC

Hình 2.1 cho thấy một bộ biến đổi ba pha nửa chu kì được cấp bộ truyền động DCtrong đó mạch phần ứng được cấp từ bộ biến đổi ba pha nửa chu kì và mạch kích từcũng được cấp nguồn từ bộ biến đổi bán phần ba pha Bộ truyền động này chỉ hoạtđộng ở góc phần tư đầu tiên Nó phù hợp cho các ứng dụng công suất lên đến 40 kWmức độ Biến tần này có thể hoạt động ở hai góc phần tư khi mạch kích từ được truyềnđộng bởi một pha bộ biến đổi đầy đủ hoặc bộ biến đổi đầy đủ ba pha

Khi bộ biến đổi ba pha nửa chu kì được nối với mạch phần ứng thì phần ứng trungbình điện áp ở góc bắn bằng

Trong đó, là điện áp đường dây cực đại.

Nếu là điện áp pha lớn nhất của nguồn điện xoay chiều ba pha nối sao, điện ápđầu ra của bộ biến đổi ba pha nửa chu kì là

hayTrong mạch kích từ, điện áp một chiều được cung cấp bởi bộ biến đổi ba pha nửachu kì và điện áp đầu ra trung bình trên cuộn kích từ bằng

với

Vì bộ biến đổi ba pha nửa chu kì đưa ra các thành phần một chiều trong nguồnđiện xoay chiều, biến tần này không thường được sử dụng trong các ứng dụng côngnghiệp

Hình 2.1 Bộ biến đổi ba pha nửa chu kì được cấp bởi nguồn DC

Hình 2.2 (a) Dạng sóng của biến tần ba pha nửa chu kì được cấp điện bởi nguồn DC

(b) Sơ đồ góc phần tư thứ nhất

Giá trị rms của dòng điện phần ứng là

Giá trị rms của dòng điện pha là

Dòng điện thyristor trung bình là

Giá trị rms của dòng điện thyristor bằng giá trị rms của dòng điện nguồn

2.2 Tính toán thiết kế hệ truyền động một chiều

 Dữ liệu bài toán

Tốc độ của động cơ một chiều kích từ độc lập 10 HP, 300 V, 1500 rpm được điềukhiển bởi bộ chỉnh lưu ba pha nửa chu kì từ nguồn điện xoay chiều được kết nối Y,

220 V, 50 Hz nguồn AC Dòng điện kích từ được điều khiển bởi bộ chỉnh lưu ba phanửa chu kì và được đặt thành giá trị lớn nhất Giả sử điện trở phần ứng , từtrở và hệ số động cơ là 0.6V/A-rad/s

Dòng điện kích từ sẽ cực đại khi điện áp kích từ cực đại Vì vậy,

Điện áp trên cuộn dây kích từ

V

Dòng điện kích từ A

a) Ở tốc độ định mức, suất điện động định phản hồi được tạo ra là

VĐiện áp trên phần ứng là

b) Dòng điện phần ứng không tải là 12% dòng điện định mức Ta có

ASuất điện động phản hồi tạo ra trong mạch không tải là

V

rpmc) Tốc độ đặt là

Chương 3: Mạch điều khiển

3.1 Sơ đồ khối điều khiển

Khâu đồng pha có nhiêm vụ tạo ra điện áp tựa (thường là điện áp dạng răngcưa tuyến tính) trùng pha với điện áp của Thyristor

Khâu so sánh có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển ,tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau, thì phát xung ở đầu ra gửi sang tầngkhuếch đại

Khâu tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Thyristor Xung để mởThyristor có yêu cầu: sườn trước dốc thẳng đứng, để đảm bảo yêu cầu Thyristor mởtức thời khi có xung điều khiển (thường gặp loại xung này là xung kim hoặc xung chữnhật); đủ độ rộng với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của Thyristor, đủ công suất,cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực (nếu điện áp động lực quá lớn)

3.2 Yêu cầu và nhiệm vụ mạch điều khiển

Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bô biến đổi thyristor vì nó đóng vaitrò chủ đạo quan trọng trong việc quyết định chất lượng và độ tin cậy cửa bộ biến đổi.Yêu cầu của mạch điều khiển:

- Độ rộng xung và độ lớn của xung điều khiển

- Độ dốc của răng cưa, sự đối xứng của xung trong các kênh điều khiển

- Điện trở kênh điều khiển phải nhỏ để thysistor không tự mở khi dòng dò tăng.Cần khử được nhiễu cảm ứng để tránh mở nhầm

Nhiệm vụ của mạch điều khiển là tạo ra xung ở những thời điểm mong muốn để

mở các van động lực của bộ chỉnh lưu

3.3 Nguyên tắc điều khiển

Sơ đồ khối điều khiển thysistor

Mạch điều khiển thyristor có thể phân loại theo nhiều cách Song các mạch điềukhiển đều dựa theo nguyên lý thay đổi góc pha và theo đó ta có hai nguyên lý khốngchế ngang và khống chế đứng.

Khống chế ngang là phương pháp tạo góc thay đổi bằng cách dịch chuyển điện

áp sang hình sin theo phương pháp ngang so với điện áp tựa Nhược điểm của phươngpháp này là góc phụ thuộc vào dạng điện áp và tần số lưới, do đó độ chính xác củagóc điều khiển thấp

Khống chế đứng là phương pháp tạo góc thay đổi bằng cách dịch chuyển điện ápchủ đạo theo phương pháp thẳng đứng so với điện áp tựa Phương pháp này có độchính xác cao và khoảng điều khiển rộng ( )

Có 2 phương pháp điều khiển thẳng đứng là tuyến tính và arccos

Do đó ta chọn phương pháp điều khiển thẳng đứng tuyến tính

3.4 Các phương pháp lựa chọn mạch điều khiển

Sử dụng các thuật toán IC rời rạc thông qua các khâu:

- Khâu khuếch đại và biến áp xung

Các khâu được thể hiện qua hình:

Các khâu điều khiển dùng IC rời rạc

 Ưu điểm: Giá thành rẻ

 Nhược điểm: Độ phức tạp của mạch cao, chất lượng điều khiển không cao

3.4.1 Khâu đồng pha

Đồng

pha Răng cưa sánh So xung Tạo KĐ- BA

Trộn xung

TZT

Chức năng của khâu này là đảm bảo quan hệ về góc pha cố định với điện áp củavan lực, nhằm xác định điểm gốc để tính góc điều khiển 𝛼, hình thành điện áp có dạngphù hợp làm xung nhịp cho hoạt động của khâu tạo điện áp tựa Khâu đồng bộ dùngbiến áp 3 pha, vì mạch điều khiển còn có khâu khác cũng cần dùng biến áp nênthường chỉ dùng chung một biến áp có nhiều cuộn dây thứ cấp, mỗi cuộn thực hiệnchức năng riêng, trong đó có cuộn dành cho khâu đồng bộ này Khi cuộn sơ cấp đấutam giác, thứ cấp đấu sao, ta sẽ đạt phạm vi điều chỉnh α = ( ), vì điện áp đồng

bộ UđbA lấy theo điện áp dây AC, do đó điểm qua 0 của điện áp này vào đúng điểm cắtnhau của 2 điện áp pha A và C, mà điện áp này tương đương với góc α = của vanlực ở pha A+

3.4.2 Mạch tạo răng cưa

Khi điện áp đồng bộ ở nửa chu kì dương sẽ làm T1 mở, dòng qua T1 phải chảy từnguồn E đi qua R2 và R3, gây sụt áp trên R2 tạo điện áp thuận mở T2 cho nên T2 cũngdẫn theo Dòng qua T2 sẽ nạp cho tụ C với hằng số thời gian tụ nạp là R2C, tụ C đượcnạp cho đến trị số của ổn áp thì dừng lại, đến đây hết giai đoạn chuẩn bị cho tạo điện

áp răng cưa Nửa chu kì sau, khi điện áp đồng bộ chuyển sang âm sẽ làm cho T1 khóanên dòng T1 bằng 0, do đó sụt áp trên R2 bằng 0, dẫn đến T2 cũng khóa theo Như vậytrạng thái của T1 và T2 luôn giống nhau Từ lúc này tụ C bắt đầu phóng điện qua T3.Bóng T3 đấu theo kiểu mạch emiter lặp, điện thế trên emiter sẽ lặp lại điện thế bazơ

Hình 3.1 Mạch tạo răng cưa tuyến tính đi xuống

nhưng thấp hơn 0,7V do có sụt áp trên quá độ bazơ-emiter, vì B của T3 nối với 0V củamạch điều khiển nên điện thế E sẽ cố định và bằng 0,7V Điện áp trên R5 là (E –0,7V), chính là dòng phóng của tụ C Điện áp trên tụ C giảm theo quy luật tuyến tính.

+ khi U rc > U đk thì đầu ra của OA3 có U ss = -U bh

+ khi U rc < U đk thì đầu ra của OA3 có U ss = U bh

Do có diode D6 nên :

+ khi U ss < 0 thì D6 thông và giữ cho U4 = 0

+ khi U ss > 0 thì D6 không thông và U4 = U bh

Như vậy ta đã có một dãy xung vuông như hình vẽ có độ trễ so với điểm mở tựnhiên của điện áp đồng pha một góc Góc này có thể thay đổi được nhờ thay đổi giátrị của điện áp Uđk

Hình 3.2 Khâu so sánh

Nguyên tắc tạo xung chùm thường dùng là coi tín hiệu do bộ so sánh đưa ranhư một tín hiệu cho phép hay cấm khâu khuếch đại xung được nhận xung tần số cao

từ một bộ tạo dao động xung tới nó

Hình 3.3 Tín hiệu xung sau khâu so sánh

Tính toán:

Chu kì của bộ phát xung:

với Tần số của bộ tạo xung chọn

kỳ dương, một van ở nữa chu kỳ âm Tuy nhiên, việc phát xung điều khển cho van khiđiện áp ở trên van âm là không mong muốn Để tránh điều này cần có thêm mạch táchxung, lúc đó van lực sẽ nhận được xung điều khiển khi điện áp trên van dương

Thông số các thiết bị phát xung chùm:

Hình 3.5 Khâu tách xungHình 3.4 Khâu phát xung chùm

TT Tên Chủng loại( giá trị)

3.4.5 Khâu khuếch đại xung

Biến áp xung để truyền tín hiệu điều khiển có các đặc điểm sau:

 Tạo được biên độ xung ra theo yêu cầu

 Dễ thay đổi cực tính của xung ra

 Cách ly về điện giữa mạch điều khiển và mạch lực

Máy biến áp xung này gồm 2 cuộn thứ cấp để cấp cho 2 van thuộc cùng một

nhóm dẫn

3.4.6 Khâu tạo xung kép

Hình 3.6 Sơ đồ khâu khuếch đại xung

Dạng xung kép là hai xung đơn cách nhau điện, để điều khiển mở cho van lựccần hai xung, xung thứ nhất là xung chính, được phát động theo góc điều khiển α,xung thứ hai là xung phụ đảm bảo hai van cùng dẫn.

3.4.7 Chọn cổng AND

Do khâu so sánh nối với cửa vào của logic AND nên chỉ trong khoảng điện áp ra của Uss ở mức cao tương ứng logic 1 xung từ bộ dao động tần số cao mới đi qua đượcmạch AND để tới khâu KĐX Bản thân mức logic 1 này lại phụ thuộc góc nên kết quả ra ta có độ rộng xung chùm là

Chọn cổng AND là IC 4073 có 3 AND 3 đầu vào tích hợp trên 1 IC

Tín hiệu điều khiển tạo ra sau khi so sánh , Uđk và điện áp phân kênh, điện áp của khâu tạo xung chùm U5 được trộn với nhau qua cổng AND trước khi đưa vào BAX để tạo ra xung điều khiển dang chùm nhằm giảm bớt được kích thước của BAX

Hình 3.7 Sơ đồ khâu tạo xung kép

Hình 3.9 Cổng AND

Hình 3.10 Sơ đồ IC 4073Hình 3.8 Tạo xung chùm có độ rộng bằng