ĐỀ tài THIẾT kế môn học TRUYỀN ĐỘNG điện1

2.2 Một số phương pháp cấp nguồn cho động cơ :  Cấp nguồn cố định không điều chỉnh được điện áp ra : - Chỉnh lưu không điều khiển.. - Dựa vào chỉ tiêu cấp nguồn phải phù hợp với công su

ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MÔN HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Họ và tên sinh viên : Bùi Hữu Nguyên

Lớp : Tự Động Hóa - Khóa 53

Số thứ tự trong danh sách : 41

TÊN ĐỀ TÀI : Thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện cho máy công tác có

momen cản bằng momen định mức của động cơ.Biết momen cản là loại momen cản tác dụng

Các số liệu ban đầu của động cơ nhƣ sau :

Pđm

(Kw)

nđm (Vg/ph)

Rư (Ω)

Lư (H)

Rkt (Ω)

Lkt (H)

Jđc (N.m)

Uđm (V)

44 1750 1.766 0.0198 222.26 119.1 0.902 500

Yêu cầu :

1 Phân tích và chọn giải pháp cấp điện cho động cơ trên

2 Xây dựng sơ đồ nguyên lý điều khiển theo hệ kín

3 Lựa chọn các thiết bị cần thiết cho hệ thống truyền động điện như :

aptomat, công tắc tơ ,nguồn, …

4 Mô phỏng hệ, tìm các luật biến thiên của : ω = f(t) , M = f(t) , i = f(t) và

phân tích những kết quả nhận được khi thay đổi các giá trị đặt khác nhau

5 Tìm các thông số của bộ điều khiển PID

6 Các bản vẽ :

a Sơ đồ cấu trúc mô phỏng hệ thống kèm theo các kết quả mô phỏng

b Sơ đồ nguyên lý điều khiển của hệ thống truyền động đã thiết kế

CHƯƠNG 1 Giới thiệu về động cơ điện một chiều kích từ độc lập 1.1 Khái niệm :

c Động cơ một chiều kích từ độc lập là loại động cơ sử dụng nguồn áp một chiều cấp cho phân ứng Còn phần cảm dùng để tao ra từ trường không đổi được cấp từ một nguồn điện một chiều riêng (kích từ độc lập) hoặc từ một nam cham vĩnh cửu

1.2 Đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập và các tính chất

a Sơ đồ mạch điện tương đương (Sơ đồ nguyên lí)

b Phương trình cân bằng áp của động cơ :

U = E + Iư.Rư (1.1) Trong đó :

Cơ - đện tự nhiên của động cơ , kí hiệu là ωtn

Với M = K.Ф.Iư  Iư = K.ФM (1.4)

Thay công thức (1.4) vào (1.3) ta được đặc tính cơ của động cơ

ω = K.ФU - (K.Ф)M.Ru2 (1.5)

Nếu U = Uđm , Ф = Фđm thì phương trình (1.5) được gọi là phương trình đặc tính cơ

tự nhiên của động cơ , kí hiệu là ωtn

c Một số điểm làm việc đặc biệt của động cơ :

 Điểm có tốc độ không tải lí tưởng :

 Độ giảm tốc tương ứng với giá trị của Iư hay momen M

Δω = Iư Rư

K.Ф = M

Rư(K.Ф)2 (1.7)

 Điểm làm việc ngắn mạch

ω = 0 ; In.m = Iư = U

Rư (1.8) Trong một số trường hợp không biết Rư ,ta có thể tính gần đúng giá trị Rư bằng công thức :

Rư = 0.5(1 - Hđm).Uđm

Iđm (1.9) Trong đó :

n Hđm là hiệu suất của động cơ lúc tải định mức

Vậy ta thay (1.9) vào ( 1.8) với U cấp cho phần ứng động cơ là Uđm , ta sẽ có :

In.m = Uđm

0.5(1-Hđm).Uđm

Iđm

= 10.5(1-Hđm).Iư

Với Hđm ~ (0.6 ÷ 0.87 )  In.m ~ ( 5 ÷ 13 ).Iđm

 Sơ đồ đặc tính cơ - điện và đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập

CHƯƠNG 2 Phân tích và chọn giải pháp cấp nguồn cho động cơ 2.1 Phân tích đặc điểm truyền động của động cơ để lựa chọn phương pháp cấp nguồn

Để thuận tiện cho việc lựa chọn phương pháp cấp nguồn ta đưa ra các chỉ tiêu

đánh giá như sau :

 Phương pháp cấp nguồn phải phù hợp với công suất của động cơ

 Cấp nguồn phải phù hợp với kiểu làm việc của động cơ như :

- Điều kiện làm việc với tải

- Động cơ làm việc có hay phải đổi chiều quay hay không

- Điều kiện phạm vi thay đổi vận tốc và độ êm dịu khi điều chỉn tốc độ

 Phương pháp cấp nguồn phải đảm bảo được lợi ích kinh tế trong thực hiện mạch thật

2.2 Một số phương pháp cấp nguồn cho động cơ :

 Cấp nguồn cố định (không điều chỉnh được điện áp ra) :

- Chỉnh lưu không điều khiển

- Nguồn phát điện một chiều cố định như ac quy , pin ,máy phát điện một chiều

 Cấp nguồn thay đổi được điệ áp ra Ud cho động cơ :

- Chỉnh lưu có điều khiển

- Băm xung áp một chiều và bộ chỉnh lưu không điều khiển

- Khuếch đại thuật toán và bộ chỉnh lưu không điều khiển

- …

2.3 Phân tích các phương pháp cấp nguồn cố định cho động cơ :

2.3.A Chỉnh lưu không điều khiển :

 Chỉnh lưu một pha :

Ud ~ 0.45.U2 (Tải R) , Ud ~ 2.U2

- Mạch điện chỉnh lưu dơn giản

- Kinh tế khi sử dụng cho các thiết bị có công suất bé

 Nhược điểm

- Điện áp,dòng điện ra nhấp nhô lớn

- Công suất chỉnh lưu nhỏ

 Chỉnh lưu hai pha nửa chu kì không điều khiển:

- Mạch điện chỉnh lưu dơn giản

- Kinh tế khi sử dụng cho các thiết bị có công suất bé,trung bình

- Điện áp,dòng điện tốt hơn chỉnh lưu một pha

 Nhược điểm

- Điện áp,dòng điện ra nhấp còn nhấp nhô

- Công suất chỉnh lưu nhỏ

- Điện áp ngược phải chịu của một Diot lớn hơn ở chỉnh lưu một pha

 Chỉnh lưu tia ba pha không diều khiển :

- Mạch điện chỉnh lưu dơn giản

- Kinh tế khi sử dụng cho các thiết bị có công suất trung bình

- Điện áp, dòng điện ra tốt hơn chỉnh lưu hai pha nửa chu kì,T chu kì nhấp nhô nhỏ hơn T chu kì nhấp nhô của chỉnh lưu hai pha nửa chu kì,tức là công suất chỉnh lưu tốt hơn

- Điện áp ngược phải chịu của một Diot nhỏ hơn ở chỉnh lưu hai nửa chu

kì

 Nhược điểm

- Điện áp,dòng điện ra nhấp nhô

- Công suất chỉnh lưu trung bình

 Phạm vi sử dụng

- Sử dụng cho các thiết bị có công suất vừa như động cơ một chiều trong sinh hoạt,máy ép nước mía

 Chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển :

- Kinh tế khi sử dụng cho các thiết bị có công suất trung bình và lớn

- Điện áp, dòng điện ra tốt hơn chỉnh lưu tia ba pha,T chu kì nhấp nhô nhỏ hơn T chu kì nhấp nhô của chỉnh lưu tia ba pha,tức là công suất chỉnh lưu lớn hơn

- Điện áp ngược phải chịu của một Diot nhỏ hơn ở chỉnh lưu hai nửa chu

- Sử dụng cho các thiết bị có công suất vừa như động cơ một chiều trong sinh hoạt,máy ép nước mía …và sử dụng cho các máy yêu cầu nguồn một chiều công suất lớn trong công nghiệp như động cơ máy cán thép ,động cơ băng tải

 Cấp nguồn từ các nguồn điện một chiều như pin ,ac quy ,máy phát một chiều :

 Ưu điểm :

- Sử dụng đơn giản,kinh tế

- Cơ động trong việc di chuyển ,đáp ứng được nhưng vùng không có

nguồn điện xoay chiều

- Điện áp , dòng điện ra tương đối bằng phẳng

 Nhược điểm

- Công suất nguồn cấp cho tải bé (đối với pin , ac quy),

- Cồng kềnh , không kinh tế (Máy phát điện một chiều ),vì phải mua

thêm máy phát cung cấp momen

- Dùng cho các thiết bị điện tử

2.3.B Chỉnh lưu có điều khiển :

 Chỉnh lưu một pha có điều khiển :

2.3.C Băm xung áp một chiều :

- Trong băn xung áp một chiều, bằng cách thay đổi thời gian đóng mở của van điện

tử , ( Tranzito , Trisistor, ) để thay đổi điện áp ra

 Băm xung áp nối tiếp (Chế độ điều chỉnh _Băm xung áp giảm áp) :

Ud = E.T(T-t1) ;

- Ta có T > t1 Vì vậy đây là nguồn băm xung tăng áp

 Phạm vi sử dụng

2.4 Nhận xét và đưa ra phương pháp cấp nguồn cho động cơ :

- Theo yêu câu đề tài ta phải điều khiển được động cơ một chiều kích từ độc lập,cụ thể trường hợp của em là động cơ có công suất tương đối lớn là 44kW , Uđm = 500V, Iđm = 88A Lưới điện cung cấp là lưới điện công nghiệp 3 pha 220/380V

- Dựa vào chỉ tiêu cấp nguồn phải phù hợp với công suất của động cơ ta có các phương pháp cấp nguồn sau :

 Chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển

 Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển

 Chỉnh lưu cầu ba pha bất đối xứng

 Chỉnh lưu cầu ba pha và băm xung áp

 Chỉnh lưu tia ba pha và băm xung áp

- Dựa vào chỉ tiêu cấp nguồn phải phù hợp với đặc điểm làm việc của động cơ : Theo đề bài của đề tài,động cơ của em làm việc với tải có momen cản là momen cản tác dụng Yêu cầu phải thường xuyên đảo chiều trong quá trình sử dụng động cơ Vì vậy em không chọn giải pháp đảo chiều bằng công tắc tơ vì dễ gây hỏng tiếp điểm Mặt khác động cơ điều chỉnh được tốc độ trong phạm vi rộng , điều chỉnh êm dịu không nhảy cấp,do đó ta không nên sử dụng điều khiển tốc độ bằng các cấp điện trở , vì phương pháp điều khiển này vừa gây tốn kém,có hiện tượng nhảy cấp khi điều chỉnh tốc độ Vì vậy ta nên chọn những bộ nguồn có thể thay đổi được điện áp để thay cho việc dùng các cấp điện trở ,mà điều khiển vận tốc êm dịu Vậy với chỉ tiêu thứ hai ta chọn các phương pháp cấp nguồn sau :

 Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển

 Chỉnh lưu cầu ba pha và băm xung áp ( Chế độ điều chỉnh )

 Chỉnh lưu tia ba pha và băm xung áp (Chế độ nguồn)

- Dựa vào chỉ tiêu kinh tế khi thiết kế mạch thật : Thực tế các linh kiện điện tử công suất bán trên thị trường có giá không hề rẻ Vì vậy ta cần phải xem xét phân tích kĩ lưỡng để đưa ra quyết định đúng đắn để đảm bảo cho mạch cáp nguồn vừa đáp ứng được các thông số kĩ thuật yêu cầu , vưa kinh tế Qua lựa chọn đến chỉ tiêu thứ hai ta

có ba phương pháp cấp nguồn như trên ,nếu cùng điện áp định mức ,cùng công suất định mức ,ở công suất vừa và nhỏ , giá mua linh kiện IGBT cũng gần với giá mua linh kiện Thysistor , nhưng ở công suất suất lớn thì giá mua IGBT đắt hơn giá mua Thysistor nhiều Công suất động cơ của em là 44 kW thuộc loại công suất lớn ,vì vậy các linh kiện điện tử công suất để cấp nguồn phải là loại công suất lớn ,vậy để đạt được chi tiêu kinh tế tối ưu em lựa chọn dùng Thysistor để làm bội chỉnh lưu cầu

ba pha đối xứng có điều khiển

CHƯƠNG 3 Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập 3.1 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều kích từ độc lập :

- Dựa vào phương trình đặc tính cơ ,đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích

từ độc lập đã được phân tích ở chuong một là :

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông phần cảm

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn cung cấp

3.1.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng

- Phương pháp điều chỉnh này dựa vào việc thêm vào mạch điện phần ứng các cấp điện trở khác nhau (hình 3.1) ,từ đó ta có thể thay đổi được tốc độ động cơ

- Ta có phương trình đặc tính cơ,cơ - cơ điện sau khi thêm điện trở phần ứng như sau :

ω = K.ФU -

Iư.(Rư+Rp)K.Ф (3.1)

ω = K.ФU -

M.(Rư+Rp)(K.Ф)2 (3.2)

 Hai phương trình (3.1) và (3.2) được gọi lần lượt là đặc tính cơ điện nhân tạo

và đặc tính cơ - cơ điện nhân tạo của động cơ

- So sánh hệ số góc của đường đặc tính cơ điện và cơ điện nhân tạo so với hệ số góc của đường đặc tinh cơ điện ,cơ - cơ điện tự nhiên ta thấy :

Iư.(Rư+Rp)K.Ф > Iư.RưK.Ф (3.3) M.(Rư+Rp)

(K.Ф)2 >

M.Ru(K.Ф)2 (3.4)

 Như vậy đường đặc tính cơ , cơ - cơ điện nhân tạo dốc hơn đường đặc tính cơ, cơ- cơ điện tự nhiên , biểu diễn như (hình 3.1)

 Nguyên lí điều chỉnh tốc độ :

-Sau khi động cơ khởi động theo đường 1-2-3-4-5-6-7 (hình 3.2), động cơ tăng tốc

về làm việc ổn định tại đểm A ,Ta thao tác để đưa thêm cấp điện trở Rp1 vào mạch

phần ứng , do có quán tính tốc độ động cơ chưa kịp thay đổi nên động cơ làm việc tại điểm B , tại thời điểm này có dω

+ Hãm tái sinh ( Hạ điện áp phần ứng ω > ω0 ) , tức là bằng cách thay đổi cấp điện

trở để hạ điện áp phần ứng xuống ta sẽ hãm tái sinh được động cơ

 Ưu điểm

- Mạch điều khiển đơn giản , dễ dàng thiết kế và làm mạch

 Nhược điểm

- Chỉ điều chỉnh được tốc độ thấp hơn tốc độ không tải

- Sử dụng với những tải có Momen cản không đổi mới hiệu quả

- Số cấp điện trở bị hạn chế , nên số cấp tốc độ không nhiều

- Điều chỉnh không êm dịu , phạm vi điều chỉnh hẹp

- Phương pháp điều chỉnh phụ thuộc vào tải (lúc không tải thì không điều chỉnh được tốc độ )

- Tồn hao nhiều năng lượng trên các điện trở phụ

KẾT LUẬN :

- Phương pháp này gây tổn thất lớn , không kinh tế khi đưa vào sản xuất công nghiệp Không đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh êm dịu trong các dây truyền sản xuất Vì vậy không nên áp dụng phương pháp này

3.1.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông phần cảm

- Phương pháp này dựa trên việc thay đổi dòng điện kích từ để thay đổi từ thông trong mạch phần cảm (hình 3 ,từ đó sẽ thay đổi được tốc độ động cơ

- Ta có phương trình đặc tính cơ,cơ - cơ điện sau khi thay đổi từ thông Ф như sau :

ω = K.ФU x - K.ФxIư.Rư (3.5)

ω = K.ФxU - (K.ФM.Rxư)2 (3.6)

 Ta có : ω0 = K.ФđmU ; ωx =

UK.Фx ; K.ФIư.Rưđm ; K.ФIư.Rưx, nhận thấy Фđm > Фx như vậy các đường đặc tính nhân tạo nằm phía trên đường đặc tính tự nhiên

(hình 3.)

 Nguyên lí điều chỉnh tốc độ :

- Động cơ đang làm việc ổn định tại điểm A ,điều chỉnh từ thông Ф giảm xuống

,ngược lại điều chỉnh từ thông Ф tăng lên (Ф = Фđm ) tốc độ giảm nhanh xuống và ổn định tại điểm làm việc A.(hình 3.)

- Từ thông Ф càng nhỏ thì tốc độ càng lớn tuy nhiên để đảm bảo an toàn thì chúng

ta chỉ điều chỉnh Ф giảm tới 40% - 60% Фđm

- Mặt khác ta thấy Mnm = K.Фx.Inm (3.7 )  Mnm càng nhỏ khi Фx càng nhỏ (hình 3.).Khi Mc là hằng số ,ta thay đổi từ thông Ф động cơ sẽ làm việc tại điểm E,F,G Giả

sử A là điểm làm việc định mức ,khi Ф thay đổi thì động cơ làm việc ở các điểm E,F,G Xét khi động cơ làm việc tại điểm F,G thì động cơ ở tình trạng như thế nào

- Xét tại điểm B :

MF = K.ФF.IB = MC = Mđm = K.Фđm.Iđm

Ta có : ФF < Фđm  IB > Iđm ; Chứng minh tương tự ta có IC càng lớn

KẾT LUẬN :

- Tại B,C động cơ bị quá tải Do đó trường hợp này không dùng cho trường hợp có

MC = const ,đề bài ra cho tải là loại momen cản tác dụng tức là MC = const nên

không áp dụng cách điều chỉnh này cho động cơ của em, mà chỉ dùng được cho động

cơ có MC biến đổi theo quy luật Hipepol

3.1.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn cung cấp cho phần ứng :

- Với sơ đồ trên Đ là động cơ điện một chiều kích từ độc lập, B là bộ biến đổi ,

chúng được hiểu như là thiết bị nguồn một chiều ,nó có thể là máy phát điện một chiều kích từ độc lập , chỉnh lưu có điều khiển , khuếch đại từ , có thể là khuếc đại máy điện Các bộ phận biến đổi này có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều điều chỉnh được nhờ tín hiệu Uđk

- Ta có phương trình cân bằng áp của các phần tử trong hệ thống :





UB=EB-Iư.RB Uđc=Eđc+Iư.Rư

EB=KB.Uđk Eđc=K.Ф.ω

(3.1)

- Trong đó :

- RB là điện trở trong của bộ biến đổi B

- KB là hệ số khuếch đại áp của bộ biến đổi B

- Cđc = K.Фđm là hệ số của động cơ

- Biến đổi hệ phương trình (3.1) ta có phương trình đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của hệ thống B-Đ ;

 Đặc tính cơ điện :

ω = EB

Cđc -

Iư.(Rư+RB)Cđc  ω =

KB.Uđk

Cđc -

Iư.(Rư+RB)Cđc (3.2)

 Đặc tính cơ :

ω = EB

Cđc -

M.(Rư+RB)Cđc2  ω =

KB.Uđk

Cđc -

M.(Rư+RB)Cđc2 (3.3)

- Thông thường quan hệ EB(Uđk) là hàm phi tuyến , do đó hệ số khuếch đại điện áp

KB = dEB

dUđk ~

ΔEBΔUđk ↕ # const Nếu bộ biến đổi B làm việc ở miền tuyến tính thì

KB = const

- Độ cứng của đặc tính cơ được tính theo công thức β = (K.Фđm)

2

(Rư+RB) (3.4) Vì Фđm = const nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi

- Nếu thay đổi Uđk ta sẽ thay đổi được tốc dộ không tải lí tưởng :

ω0min = β.ωMc0min (3.8) ; ω0min = Mkđβ = KM.Mcβ (3.9)

- Ở chương ba ta đã lựa chọn phương pháp cấp nguồn bằng chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển để điều khiển tốc độ động cơ.Ngoài ra còn có một số hệ truyền động để điều chỉnh tốc độ của động cơ như :

 Truyền động điện một chiều theo hệ máy phát - động cơ (F-D)

 Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng điều chỉnh xung điện áp

 Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng khuếch đại từ

3.1.3.Phân tích phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập bằng chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển

 Điều chỉnh tốc độ động cơ :