điều chỉnh tốc độ và đảo chiều quay động cơ điện một chiều

Việc ứng dụng điện tử công suất vào truyền động điện điều khiển tốc độ động cơ trong các xí nghiệp công nghiệp hiện đại ngày càng nhiều và không thể thiếu.. Các phương pháp điều chỉnh tố

  

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

TÊN ĐỀ TÀI : ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ VÀ ĐẢO CHIỀU QUAY ĐỘNG CƠ ĐIỆN

MỘT CHIỀU.

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : Nguyễn Phương Thảo

SINH VIÊN THƯC HIỆN : Quản Mạnh Dũng

Chu Văn Giang

LỚP : ĐK8LC2

Hưng Yên , tháng 8 năm 2011

ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN MÔN HỌC Nhóm sinh viên thực hiện :

Lớp : ĐK8LC.2

Khoá học : 2010-2012

Ngành đào tạo : Kỹ thuật Điện

Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo bộ nguồn chỉnh lưu bán điều khiển điều chỉnh tốc độ động

cơ điện một chiều

 Số liệu cho trước:

- Thông số động cơ DC: động cơ một chiều kích từ độc lập có Uđm=220V,

Iđm=2.1A, n đm = 3000 vòng / phút, Pđm=370W

- Điều chỉnh vô cấp

- Các tài liệu và giáo trình chuyên môn

- Hệ có đảo chiều quay

- Nguồn điện xoay chiều 220V, 50Hz

 Nội dung cần hoàn thành:

1 Phân tích, lựa chọn phương án

2 Lý thuyết và các vấn đề liên quan

3 Phân tích, lựa chọn thiết bị

4 Sản phẩm của đề tài: Quyển thuyết minh và các bản vẽ , sản phẩm phải hoạt động

và có tính thẩm mỹ, mô tả đầy đủ nội dung của đề tài

1 Quản mạnh Dũng

2 Chu văn Giang

Giáo viên hướng dẫn Nguyễn Phương Thảo

Nhận xét đánh giá của giáo viên hướng dẫn ………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Giáo viên hướng dẫn

………

………

Nhận xét, đánh giá của giáo viên phản biện ………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Giáo viên phản biện ………

………

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, Khoa học _ Kĩ thuật đóng một vai trò quan trọng và không thể thiếu trong quá trình phát triển kinh tế, CNH – HĐH đất nước Trong những thành tựu khoa học –

kỹ thuật phục vụ công cuộc phát triển đất nước thành công, phải kể đến cả những đóng góp của ngành tự động hoá trong cả đời sống, cũng như trong sản xuất công nghiệp mà Điện tử công suất góp phần giải quyết những bài toán kĩ thuật phức tạp trong các lĩnh vực tự động hóa Việc ứng dụng điện tử công suất vào truyền động điện điều khiển tốc

độ động cơ trong các xí nghiệp công nghiệp hiện đại ngày càng nhiều và không thể thiếu Một trong những ứng dụng của đtcs trong sản xuất công nghiệp là điều khiển tốc

độ động cơ một chiều Chính vì vậy chúng em đã tìm hiểu và nghiên cứu đề tài “ĐIỀU

CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU” dưới sự giúp đỡ của cô Nguyễn

Phương Thảo.

 Đồ án gồm các nội dung sau:

• Chương 1 : Tổng quan về động cơ điện một chiều và các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ.

• Chương 2: Thiết kế mạch

• Chương 3: Chế tạo mô hình

Trong quá trình thực hiện đề tài, Mặc dù chúng em đã rất nỗ lực và cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi cộng với quyết tâm cao nhất, song do trình độ còn có hạn nên không thể tránh khỏi nhiều sai sót, chúng em kính mong nhận được sự phê bình, góp ý của các thầy cô giáo và các bạn để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn, đặc biệt là cô Nguyễn

Phương Thảo đã tạo điều kiện và tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án môn học

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1.1 Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều

1.1.2 Cấu tạo và hoạt động của máy điện một chiều

1.1.2.1 Phần tĩnh hay stato

1.1.2.2.Phần quay hay roto

1.1.2.3.Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

1.2.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá chất lượng hệ thống điều

chỉnh tốc độ

1.2.1.1.Phạm vi điều chỉnh tốc độ

1.2.1.2.Sai số tốc độ

1.2.1.3.Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ

1.2.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện

áp phần ứng

1.2.4 Hệ truyền động chỉnh lưu thysistor - động cơ

9 9991010111112

1212121213

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH.

2.1 LỰA CHỌN SƠ ĐỒ VÀ THIẾT KẾ MẠCH LỰC.

2.1.1 Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển

2.1.2 Chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển

2.1.3 Lựa chọn tính toán sơ đồ mạch lực

2.1.3.1 Lựa chọn sơ đồ mạch lực

2.1.3.2 Tính chọn linh kiện và thiết bị bảo vệ

2.2 LỰA CHỌN SƠ ĐỒ VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.

2.2.1 Phân tích mạch điều khiển

2.2.2 Nguyên lý hoạt động

2.3 GIỚI THIỆU VỀ VI MẠCH TCA 785.

2.3.1 Đặc trưng và nhiệm vụ

2.3.2 Sơ đồ nguyên lý và cấu tạo

2.3.3 Các thông số và nguyên lý làm việc của TCA 785

2.3.4 Tính toán các thông số mạch điều khiển

2.4 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÍ TOÀN MẠCH

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO MÔ HÌNH

3.1 Sơ đồ bố trí linh kiện

3.2 Sơ đồ mạch boad

3.3 Mô hình sản phẩm đã hoàn thiện

3.4 Quá trình chạy thử mạch

41424343

LỜI KẾT.

TÀI LIỆU THAM KHẢO.

4647

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1.1 Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều

Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ điện một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện xoay chiều thông dụng

Do động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt, khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải Chính vì vậy mà động cơ một chiều được dùng nhiều trong các ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải…mà điều quan trọng là các ngành công nghiệp hay đòi hỏi dùng nguồn điện một chiều

Bên cạnh đó, động cơ điện một chiều cũng có những nhược điểm nhất định như so với máy điện xoay chiều thì giá thành đắt hơn(dễ phát sinh tia lửa điện)…nhưng do những

ưu điểm của nó nên động cơ điện một chiều vẫn còn có một tầm quan trọng nhất định trong sản xuất

Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều hiện nay vào khoảng 10000KW , điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000V Hướng phát triển hiện nay là cải tiến tính năng của vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những động cơ có công suất lớn…

1.1.2 Cấu tạo của máy điện một chiều.

Kết cấu của máy điện một chiều có thể phân tích thành 2 phần chính là phần tĩnh và phần quay

+ Cơ cấu chổi than.

1.1.2.2 Phần quay hay roto.

d Các bộ phận khác

+ Cánh quạt: dùng để quạt gió làm nguội máy

+ Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi

1.1.2.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều.

Động cơ điện phải có hai nguồn năng lượng :

- Nguồn kích từ cấp vào cuộn kích từ để sinh ra từ thông kích từ

- Nguồn phần ứng được đưa vào hai chổi than để đưa vào cổ góp của phần ứng

Hình 1.2: Nguyên lý hoạt động của máy điện một chiều

Khi cho điện áp 1 chiều U đặt vào 2 chổi than A và B trong dây quấn phần ứng có dòng điện Iư các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực điện từ Fđt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay được nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau do có phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng không đổi đảm bảo động cơ có chiều quay

chiều của s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tay phải

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều là rất quan trọng nó có thể giúp

ta dễ dàng chọn lựa phương phù hợp cho từng hệ thống riêng biệt

Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc

+

-I F

F a

mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng.

1.2.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá chất lượng hệ thống điều chỉnh tốc độ

Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn cứ vào các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền động điện:

1.2.1.1 Phạm vi điều chỉnh tốc độ.

1.2.1.2 Sai số tốc độ.

1.2.1.3 Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ

1.2.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều.

- Điều khiển tốc độ động cơ bằng điện trở phần ứng

- Điều khiển tốc độ bằng từ thông

- Điều khiển tốc độ bằng điện áp phần ứng

1.2.5 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần

-Bộ biến đổi máy phát điện một chiều

-Bộ biến đổi xung áp một chiều

 Tương ứng với việc sử dụng bộ biến đổi, ta có các hệ truyền động sau đây:

-Hệ truyền động máy phát – động cơ ( hệ F -Đ)

-Hệ truyền động xung áp – động cơ điện một chiều (hệ XA - Đ)

-Hệ truyền động chỉnh lưu Tiristor – động cơ (hệ T-Đ)

 Kết luận:

Trong các hệ truyền động cho động cơ một chiều như trên nhóm chúng em đã chọn phương án sử dụng bộ chỉnh lưu bán dẫn có điều khiển (hệ T – Đ) để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bởi:

-Mạch nhỏ, không cồng kềnh, các kiến thức cần thiết sát với chương trình được đào tạo tại nhà trường

-Độ tin cậy của mạch khá cao, có thể ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp

1.2.4 Hệ truyền động chỉnh lưu thysistor - động cơ ( T- Đ).

Với hệ truyền động T - Đ ta có thể thay đổi thời điểm đặt xung điện áp lên cực điều khiển, nhờ đó ta có thể điều chỉnh được điện áp chỉnh lưu

- Cấu tạo hệ T - Đ bao gồm :

+ Máy biến áp ( MBA ): Chức năng biến điện áp xoay chiều về điện áp phù hợp với động cơ

+ Thysistor: Là phần từ biến đổi:

- Thysistor mở khi : VA > VK và có xung điều khiển

- Thysistor khoá khi: VA < Vk và dòng thysistor giảm về 0

+ Cuộn cảm LK: Có tác dụng san bằng điện áp làm việc

+ Động cơ điện một chiều

Nguyên lý hoạt động :

+ Khi cuộn cảm LK có giá trị Ld không đủ lớn thì năng lượng trong cuộn cảm không đủ lớn để duy trì dòng điện trong cuộn, do vậy sinh ra dòng gián đoạn

+ Đặc điểm của hệ CL – Đ ở chế độ này là dòng điện không ổn định, momen sinh ra không đều, động cơ có tốc độ không được ổn định

 Do vậy, ta cần áp dụng các phương pháp tự động điều chỉnh đặc biệt khi sử dụng

ra dòng liên tục

(Ta đã chọn α để có dòng id liên tục do vậy ta luôn có dòng qua động cơ)

Từ sơ đồ thay thế ta có : Id =

L R

E

U do

cos

Hình1.4: Sơ đồ nguyên lý của hệ T – Đ

 Lưu ý: Khi có hiện tượng trùng dẫn ( hai van cùng dẫn) sẽ làm ngắn mạch phía

thứ cấp máy biến áp.Vì vậy để tránh hiện tượng cháy, nổ do ngắn mạch ta phải

-var U

Udk

∼

−+

Hình 1.5: Sơ đồ thay thế chỉnh lưu thysistor - động cơ và đặc tính cơ của động cơ

+ Phương trình đặc tính cơ:

M X R U

dm

k t dm

do

)(

cos

ΦΚ

−Φ

Κ

ΦΚ

2

β

chế độ hãm tái sinh Bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lưu biến cơ năng của tải thành điện năng xoay chiều trả về lưới

- Ưu nhược điểm của hệ T- Đ:

+ công suất điều khiển nhỏ, giá thành rẻ hơn so với các hệ truyền động khác.

+ Van bán dẫn có dòng phi tuyến, thời gian quá độ sẽ lớn

+ Điện áp chỉnh lưu có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ trong máy điện và xấu dạng điện áp của nguồn hoặc lưới

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH

2.1 LỰA CHỌN SƠ ĐỒ VÀ THIẾT KẾ MẠCH LỰC

2.1.1 Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển

Theo dạng nguồn dạng nguồn cấp xoay chiều, có thể chia chỉnh lưu thành một pha

hay ba pha Dựa vào công suất cung cấp cho tải mà ta lựa chọn mạch chỉnh lưu là một

pha hay mạch chỉnh lưu 3 pha Thông thường theo kinh nghiêm ta có :

D1

I (L= d

α

π 2 2πα3

3π 3π

Hinh 2.3: Nối cùng cực tính Hình 2.4: Nối ngược cực tính.

● Nguyên lý làm việc:

* Sơ đồ cùng cực tính:

D1 về B

đường thẳng Năng lượng của cuộn dây sẽ được tích lũy xả qua D2 tới D1 điện áp tải trong vùng π÷α2 là bằng 0

Đến α2 cấp xung điều khiển T2, T2 dẫn Từ α2 ÷ 2π dòng tải là dòng điện của 2 van T2

cuộn dây xả qua D1 về T2

có điều khiển được thực hiện bằng việc mở các van kế tiếp Các van được dẫn thông trong nửa chu kỳ

Ta có đường cong dòng điện và điện áp tải như hình18.a

* Sơ đồ ngược cực tính:

T1 qua tải về D1 về B T1 và D1 dẫn từ (α1÷π )

sẽ được tích lũy xả qua D1 và D2

dương) T2 phân cực ngược nên T2 bị khóa

Ta có đường cong dòng điện và điện áp tải như hình 18.b

* Biểu thức tính toán:

Điện áp trung bình trên tải:

Ud = 2.2π

1

∫

π α

- Sơ đồ mạch lực, mạch điều khiển đơn giản

- Không cần sử dụng bộ đổi nguồn 3 pha

- Điện áp ra sau chỉnh lưu tương đối ổn định, có tính liên tục

* Nhược điểm:

- Điện áp sau khi chỉnh lưu nhỏ (U1/Ud lớn)

- Sử dụng không hiệu quả công suất MBA

- Sử dụng các mạch chỉnh lưu công suất nhỏ

* Ứng dụng:

- Bộ chỉnh lưu có điều khiển được ứng dụng rộng rãi đặc biệt trong lĩnh vực điện tử công suất Nó thường được dùng để cung cấp nguồn điện một chiều có giá trị điện áp và dòng điện điều chỉnh được cho những thiết bị điện dùng trong các hệ thống truyền động điện một chiều

- Các mạch chỉnh lưu có điều khiển cũng được sử dụng để cấp điện có cực tính cho máy hàn điện

- Ngoài ra các mạch chỉnh lưu có điều khiển còn có nhiều các ứng dụng khác

2.1.2 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển

• Sơ đồ nguyên lí

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lí chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển

D0

1cc1cc1cc

● Nguyên lí hoạt động

Như sơ đồ nguyên lí ta có hai nhóm 3 thyristor mắc catot chung và nhóm 3 diode mắc anot chung hoặc cũng có thể mắc ngược lại là 3 diode catot chung và 3 thyristor catot chung

Do trong sơ đò chỉ có một nửa số van là có thể điều khiển nên sơ đồ cầu khoong đối xứng gọi là sơ đồ cầu bán điều khiển

Cách làm việc cũng tương đương như sơ đồ cầu đối xứng.Điều cần lưu ý là khi thyristor phân điện áp thuận mà muốn dẫn thông thì phải cấp xung điều khiển,còn các diode thì

cứ phân cực thuận là dẫn thông luôn.Làm việc của sơ đồ như sau

Tại thời điểm Trong khoảng từ đến ta có u1>u3 >u2:

diode D6 thông sẽ cho dòng Id chạy qua phụ tải ,diode V6 thông sẽ làm cho các diode V2 –V6 phân cực ngược

Trong khoảng từ từ 3 đến 5 ta có u1>u2 >u3:

thế của anode V2 (do V6 thông) điện áp u2 > u3 nên V2 thông do V2 thông nên thế u3 đặt

V1 và V2

Trong khoảng từ 5 đến 7 ta có u2>u1>u3:

đến thế u2> u1 đặt lên catot của V1 làm V1 khóa thế u3 thấp nhất đặt lên catot của diode

V4 và V6 nên V4 và V6 khóa dòng điện phụ tải sẽ được dẫn qua V3 và V 2

Trong khoảng từ 7 đến 9 ta có u2>u3>u1

Do diode V2 đã thông nên đặt thế u3>u1 nên V4 thông u1 thấp nhất lên anot cua diode V2

nên V2 khóa, thyristor V3 đã thông trước nên đặt thế u2 lớn nhất lên catot của V5,nên thyristor này không thể thông cứ lí giải một cách tương tự như vậy ta sẽ có được khoảng thông và khóa của các thyrystor và diode

chung (Ud1) trừ nhóm diode tức anot chung (Ud2)

2 1.3 Lựa chọn tính toán sơ đồ mạch lực.

2.1.3.1 Lựa chọn sơ đồ mạch lực

Nhìn chung các loại chỉnh lưu cầu một pha có chất lượng điện áp tương đương như

điện làm việc của van bằng nhau, nên việc ứng dụng chúng cũng tương đương nhau Mặc dù vậy ở chỉnh lưu cầu một pha có ưu điểm hơn ở chỗ: điện áp ngược trên van bé hơn; biến áp dễ chế tạo và có hiệu suất cao hơn Thế nhưng chỉnh lưu cầu một pha có số lượng van nhiều gấp hai lần, làm giá thanh cao hơn, sụt áp trên van lớn gấp hai lần, chỉnh lưu cầu điều khiển đối xứng thì việc điều khiển phức tạp hơn Do vậy ta chọn mạch chỉnh lưu một pha điều khiển không đối xứng là phù hợp.

Hình 2.6: Sơ đồ mạch lực chỉnh lưu động cơ điện một chiều

2.1.3.2 Tính chon linh kiện và thiết bị bảo vệ mạch lực

Các thông số của động cơ điện 1 chiều như sau:

Trong đó: U lv - điện áp cực đại khi làm việc [V];

I lv, I vhd - dòng điện làm việc và dòng điện hiệu dụng của van [A];

k U - hệ số điện áp của sơ đồ;

Thông số cần có của van động lực là:

Ungmax = kdtU Ulv = 2 345,6 = 691,2 V (chọn hệ số dự trữ kdtU = 2)

Iđmv = ki Ilv = 4 1,48= 5,92 A (chọn hệ số dự trữ dòng điện Ki= 4 )

(với điều kiện làm mát đã chọn Ilv = (10 ÷ 40)% Iđmv ở đây chọn Ilv = 25% Iđmv )

Từ các thông số tính toán như trên ta chọn:

 Thyristor loại BT151 có các thông số như sau:

-Dòng điện định mức của van: Iđmvan = 7,5 A