Đồ án môn học tự động hóa: đề số 25

NỘI DUNG Động cơ một chiều kích từ độc lập Π 61 có số liệu sau: Pđm = 15Kw; Uưđm = 220V; ¬Iđm = 75A; nđm = 1500vp; jĐC = 0,58kg.m2; Rư = 0,178(Ω); Lư = 0,02(H); Ukt = 220V; Ikt = 4A Mạch chỉnh lưu: Tia 3 pha điều khiển đối xứng cấp nguồn cho mạch phần ứng động cơ Yêu cầu bài toán: Xây dựng hệ truyền động có tốc độ động cơ điều chỉnh từ 500vp đến 1500vp khi mang tải định mức, có đảo chiều điều khiển chung

Khoá : Khoa : Điện

Giáo viên hướng dẫn : Th.s Nguyễn Đăng Toàn

1 Khái quát chung về hệ truyền động chỉnh lưu động cơ một chiều

2 Tính chọn mạch lực và các thiết bị liên quan

3 Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển cho bộ chỉnh lưu

4 Phân tích hoạt động của mạch điều khiển

Ngày giao đề : 26/8/2015 Ngày hoàn thành : 30/11/2015

CHỈNH LƯU……….trang 223.1.TÍNH TOÁN CÁC KHÂU TRONG MẠCH ĐIỀU KHIỂN…………trang 223.1.1 Giới thiệu TCA – 780………trang 233.2.Tính toán các khâu trong mạch điều khiền……… trang 253.2.1 Khâu đồng pha ………trang 253.2.2 Tính biến áp xung ………trang 253.2.3 Máy biến áp đồng pha ……….trang 273.2.4 Khâu so sánh ……… trang 293.2.5 Khâu khuếch đại tạo xung ……… trang 303.2.6.Khâu truyền tín hiệu điều khiển ……… trang 313.2.7 Tính chọn các phần tử khâu điều khiển ……… trang 31CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN……… trang 334.1 Mạch điều khiển cho sơ đồ chỉnh lưu 3 pha hình tia……… trang 334.2.KẾT LUẬN trang 34

LỜI NÓI ĐẦU

Điện tử công suất và truyền động điện là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiêncứu ứng dụng của các linh kiện bán dẫn công suất làm việcở chế độ chuyển mạch

và quá trình biến đổi điện năng

Ngày nay, không riêng gì ở các nước phát triển, ngay cả ở nước ta các thiết bịbán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và cả trong lĩnh vựcsinh hoạt Các xí nghiệp, nhà máy như: ximăng, thủy điện, giấy, đường, dệt, sợi,đóng tàu… đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu của công nghiệp điện

tử nói chung và điện tử công suất, truyền động điện nói riêng Đó là những minhchứng cho sự phát triển của ngành công nghiệp này

Với mục tiêu công nghiệp hoá hiệnđaị hoá đất nước, ngày càng có nhiều xí nghiệp mới, dây chuyền mới sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện những kiến thức về điện tử công suất và truyền động điện Cũng với lý do

đó, chúng em được làm đồ án chuyên môn tự động hóa

Dưới sự hướng dẫn và giúp đỡ của thầy Nguyễn Đăng Toàn, chúng em đãđược nhận và làm đề tài “Xây dựng hệ truyền động có tốc độ động cơ điều chỉnh từ500v/p đến 1500v/p khi mang tải định mức, có đảo chiều điều khiển chung”

Mặc dù đã dành nhiều cố gắng xong không tránh khỏi những sai sót nhất định, chúng em mong được sự góp ý của thầy

Nhóm sinh viên thực hiện

Phạm Văn SửNguyễn Nhữ Thái

CHƯƠNG I KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƯU TIA 3 PHA

ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU 1.1.Khái niệm chung về hệ truyền động chỉnh lưu động cơ một chiều

Là bộ chỉnh lưu liên hệ nguồn xoay chiều với tải một chiều, nghĩa là đổiđiện áp xoay chiều của nguồn thành điện áp một chiều trên phụ tải

Điện áp một chiều trên tải không được lý tưởng như điện áp của ắc quy mà

có chứa các thành phần xoay chiều cùng với một chiều

Đầu ra của các sơ đồ chỉnh lưu được coi là một chiều nhưng thực sự là điện

áp đập mạch Trị số điện áp một chiều, hiệu áp suất ảnh hưởng của chúng donguồn xoay chiều rất khác nhau

Bộ biến đổi Thyristor với chuyển mạch tự nhiên có điện áp (dòng điện) ra là

1 chiều là các thiết bị biến nguồn điện xoay chiều 3 pha thành điện áp 1 chiều điềukhiển ngược

Hoạt động của mạch do nguồn điện xoay chiều quyết định vì nhờ đó mà cóthể thực hiện được các chuyện mạch dòng điện giữa các phần tử lực

Việc phân loại chỉnh lưu phụ thuộc nhiều yếu tố:

- Theo số pha có: Chỉnh lưu 1 pha, chỉnh lưu 3 pha

- Theo sơ đồ nối có: Chỉnh lưu nửa chu kỳ, chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ, chỉnhlưu hình cầu, chỉnh lưu hình tia

- Theo sự điều khiển có: Chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu có điềukhiển, chỉnh lưu bán điều khiển

=

K

R R K

- Từ thông động cơ (Φ).

- Điện áp phần ứng (Uư)

- Điện trở phần ứng

Sau đây ta sẽ lần lượt đi xét những ảnh hưởng của từng tham số đó:

1.2.1 Ảnh hưởng của điện trở phần ứng

Giả thiết : Uư=Uđm=const

Độ cứng đặc tính cơ:

f u

= +

Hình 1.2: Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập

khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng

1.2 2.Ảnh hưởng của điện áp phần ứng

Giả thiết :Φ = Φdm = const

Rư= const

Khi thay đổi điện áp phần ứng : Uư<Uđm ta có:

Tốc độ không tải lý tưởng : Var

độ và hạn chế dòng điện khởi động

Hình 1.3: Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm áp đặt vào

phần ứng động cơ

1.2.3 Ảnh hưởng của từ thông

Giả thiết : Uư = Uđm = const

Rư = const

Khi ta thay đổi từ thông tức là ta thay đổi dòng kích từ (Ikt) động cơ

Tốc độ không tải lý tưởng: 0 = var

Φ

=

x

dm x

Hình1.4:Đặc tính cơ điện (a)và đặc tính cơ (b)khi thay đổi từ thông

Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông:

Dòng điện ngắn mạch: Const

R

U I

U

dm

nm = =

Mô men ngắn mạch: Mnm = KΦxInm = var

Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông được biểu diễntrên hình 1.10

Với dạng mômen phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ thì

khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên (Hình 1.10b)

CHƯƠNG 2 TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC

= =188.03 (V)Trong đó: Ud : điện áp tải của van

U2 : điện áp nguồn xoay chiều của van

2.2.Dòng làm việc của van

Ilv = IhdDòng điện hiệu dụng Ihd = Khd Id =0,58 75 = 43.5 (A)

Trong đó: Id : dòng điện tải

Khd : hệ số xác định dòng điện hiệu dụng (Tra bảng 8.2, Khd = 0,58)

Với các thông số làm việc ở trên, chọn điều kiện làm việc của van là: có cánh tản nhiệt với đủ diện tích bề mặt, cho phép van làm việc tới 40% Idm v

Idm v = ki Ilv = 2,5 43.5 = 108.75 (A)Trong đó: Ki : hệ số dự trữ dòng điện

Vậy thông số van là: Unv = 736.94 (V)

Idm v = 108.75 (A)Tra phụ lục 2, ta chọn Tiristor với các thông số định mức:

-Dòng điện định mức của van: Idm = 120 (A)-Điện áp ngược cực đại của van: Unv = 600 (V)-Độ sụt áp trên van: ∆U = 1,5 (V)

-Dòng điện rò: Ir = 5 (mA)-Điện áp điều khiển: Udk = 2 (V)-Dòng điện điều khiển: Idk = 0,1 (A)

Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:

Ud0 cosαmin= Ud + 2∆Uv + ∆Udn + ∆UBATrong đó: αmin = 100 : góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới

∆Uv = 1,5 (V) : sụt áp trên tiristor

∆Udn ≈ 0 : sụt áp trên dây nối

∆UBA = ∆Ur + ∆ Ux : sụt áp trên điện trở và điện kháng

máy biến áp

Sơ bộ ∆UBA = 5% Ud = 0,05 400 = 20(V)Suy ra Ud0 = = 429,52 (V)Điện áp pha thứ cấp máy biến áp:

2 Id=

3

2 14,7 = 12 (A)

• Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp:

S BA

.Trong đó: kQ : hệ số phụ thuộc phương thức làm mát,

lấy kQ = 6

m: số trụ máy biến áp

SBA = kS Pd = kS Ud0 Id = 1,34 429,52 14,7 = 8460,3 (W)

= = 3,79 (cm)Chuẩn hoá đường kính trụ theo tiêu chuẩn d = 10 (cm)

• Chọn loại thép:

Ta chọn loại thép 330, các lá thép có độ dày 0,5 (mm)

Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ BT = 1 Tiristor

• Chọn tỷ số m = d h = 2,3 (m = 2 – 2,5)

Suy ra h = 2,3 d = 2,3 10 = 23 (cm)Suy ra chọn chiều cao trục là 23 (cm)

• Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp:

W1 =

Fe

T Q B f

U

44,4

1

= 4 , 44 50 1 45 , 06 10 4

400

− = 399,86(vòng)Chọn W1 = 400 (vòng)

• Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp:

• Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp:

Đối với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô, chọn J1 = J2 = 2,75 (A/mm2)

• Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp:

5 , 1 2

23 −

0,92

• Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp:

• Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp:

h1 =

c

1l 1

k

.W b

= 0,075,92.25 = 20,38 (cm)

• Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày S01 = 0,1 (cm)

• Khoảng cách từ trụ tới cuộn sơ cấp: a01 = 10 (mm)

• Đường kính trong của ống cách điện:

D1 = dFe + 2 a01 – 2 S01 = 10 + 2 1 – 2 0,1 = 11,8 (cm)

• Đường kính trong của cuộn sơ cấp:

Dt1 = D1 + 2 S01 = 11,8 + 2 0,1 = 12 (cm)

• Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn sơ cấp: cd11 = 0,1 (mm)

• Bề dày cuộn sơ cấp:

12 +

= 13,41 (cm)

• Chiều dài dây quấn sơ cấp;

l1 = W1 π Dtb1= π 147 13,41 = 6189,78 (cm) = 61,89 (m)

• Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp:

cd01 = 9 (mm)

• Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp:

W =

k

b W

= 0 , 92

8 , 0 23

= 7,85 (cm)

• Chọn khoảng cách giữa 2 cuộn thứ cấp: a22 = 2 (cm)

• Đường kính trụ d = 10 (cm), tra theo bảng 4 – Tài liệu 2, chọn số bậc là 6 bậc.

• Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ:

Qbt = 2 (1,6 9,5 + 1,1 8,5 + 0,7 7,5 + 0,6 6,5 + 0,4 5,5 +0,7 3) = 76 (cm2)

• Tiết diện hiệu quả của trụ:

5 , 0

6 2 = 24 (lá)

Bậc 5: n5= 04,5 2 = 16 (lá)Bậc 6: n6= 07,5 2 = 28 (lá)

Ta chọn gông có tiết diện hình chữ nhật có các kích thước sau:-Chiều dày của gông bằng chiều dày của trụ:

b = dt =10,2 (cm)-Chiều cao của gông bằng chiều rộng tập lá thép thứ nhất của trụ: a = 9,5 (cm)

Tiết diện gông: Qbg = a b = 9,5 10,2 = 96,9 (cm2)

• Tiết diện hiệu quả của gông:

1

.Q W 44 ,

2 , 72

= 0,73 (T)

• Chiều rộng cửa sổ:

c = 2 (a01 + Bd1 + a12 + Bd2) + a22 = 2 (1 + 1,404 + 0,9 + 1,404) +2 = 11,42 (cm)

• Khoảng cách giữa 2 tâm trục:

89 , 61

= 0,081 (Ω)

• Điện trở trong của cuộn thứ cấp máy biến áp ở 750C:

95 , 76

• Sụt áp trên điện trở máy biến áp:

• Điện cảm máy biến áp quy dổi về thứ cấp:

• Điện áp trên động cơ khi có góc mở αmin = 100

U = Ud0 cosαmin - 2 ∆Uv – ∆UBA

• Tổn hao không tải có kể đến 15% tổn hao phụ:

P0 = 1,3 nf (MT BT2 + Mg Bg2) = 1,3 1,15 (39,09 0,932 + 76,38 0,732) = 111,39 (W)

39,111

100% = 0,59 %

• Điện áp ngắn mạch tác dụng:

Unr=

2 2

58,48.16,0

100% = 3,82 %

• Điện áp ngắn mạch phản kháng:

Unx=

2 2

08,203

= 597,29 (A)

• Dòng điện ngắn mạch tức thời cực đại:

Imax= 2 I2nm (1 + e −πU.U nx nr )

= 2 597,29 (1 + e π0.0,0727,0382) = 1006,93 (A)

Imax = 1006,93 (A) < idinh = 1800 (A)

• Kiểm tra máy biến áp có đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến thiên của dòng điện chuyển mạch:

Giả sử chuyển mạch từ T1 sang T3, ta có phương trình:

6

10 97 , 0 2

6 08 , 203

− = 256413,59 (A/s)

• Hiệu suất thiết bị chỉnh lưu:

5,59.220

-Khi góc mở nhỏ nhất α = αmin , điện áp trên tải lớn nhất

Ud max = Ud0 cosαmin = Ud dm và tương ứng với tốc độ động cơ sẽ lớn nhất nmax = ndm-Khi góc mở lớn nhất α = αmax , điện áp trên tải nhỏ nhất

Ud min = Ud0 cosαmax và tương ứng với tốc độ động cơ là nhỏ nhất nmin

d

u u ddm

R I

U

R I U

.min min

34 , 2 20

cos 08 , 203 34 , 2 20

1

π

Udmin = 59,43 (V)Suy ra amax =arcos







0

min

d

dU

43 , 59

= 82,810

2π = π =π

=ℑ

p

Trong đó p = 6 là số xung đập mạch trong một chu kỳ điện áp lưới

Khai triển chuỗi Furier của điện áp Ud:

+1

=

+

+1

Trong đó: an = ℑ ∫ℑ

0

6 cos

6

6

θ θ α

π θ

3

2 2

−

−

k U

= ( )

26

3

2 2

−

−

k U

bn = ℑ ∫ℑ

0

6 cos

2

θ

θ d k

6

6

θ θ α

π θ

3

2 2

−

−

k U

26

3

2 2

−

−

k U

Ta có: α

π cos

63

a

=Vậy ta có biên độ điện áp:

2 2

n n

2

16

16

3

k k

R E u

Cân bằng 2 vế:

dt

di L Ri

U− = − + vì

dt

di L

Ri− <<

Nên

dt

di L

U− = Trong các thành phần xoay chiều bậc cao, thành phần sóng bậc k = 1 có mức

θ π

fL

U dt

U L i

L f

U

2 6

U L

1 , 0 2 6

1π

≥

ρ=6là số xung đập mạch trong một chu kỳ điên áp lưới

max 2 2 2

max 0

16

cos

0 2

0

136

81,82cos.08,203.34,2

68,161π

=

Điện cảm mạch phàn ứng đã có:

BA u

L = +2

Trong đó: Lu : điện cảm mạch phần ứng

5,59.1500.2 2

60.220

25,0

2

60

π π

=

dm dm

dm u

I n p

U L

= 0,00294 (µH ) = 2,94 (mH)

25 , 0

=

γ là hệ số lấy cho động cơ có cuộn bù.

Luc = 2,94 + 0,97 2 = 4,88 (mH)Điện cảm cuộn kháng lọc:

Lk = L – Luc = 14,4 – 4,88 = 9,52 (mH)

2.4.4 Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc:

• Do điện cảm cuộn kháng lớn và điện trở rất bé, ta có thể coi tổng trở cuộn kháng xấp xỉ bằng điện kháng cuộn kháng:

) ( 93 , 17 10

52 , 9 50 6 2 '.

.

5,59.93,172

317 2

95 , 5 43 ,

75 2

35,317.5

f

S k

Chuẩn hoá tiết diện trụ theo kích thước có sẵn, chọn Q = 4,25 (cm2)

• Với tiết diện trụ Q = 4,25 (cm2)

Chọn loại thép 330A, là thép dày 0,35 (mm)

a = 20 (mm), b = 25 (mm)

• Chọn mật độ từ cảm trong trụ: BT = 0,8 T

• Khi có thành phần điện xoay chiều chạy qua cuộn kháng thì trong cuộn kháng sẽ xuất hiện một sức điện động EK:

EK = 4,44 W f’ BT QGần đúng ta có thể viết: EK = ∆U = 75,43 (V)

)(55,16610

.25,4.8,0.50.6.44,4

43,75

.4,44.f

95,55

,592

2 2

2 1

• Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng: J = 2,75 (A/mm2)

• Tiết diện dây quấn cuộn kháng:

)(7,2175,2

65,

mm J

I

Chọn dây tiết diện chữ nhật, cách điện cấp B, chọn SK = 21,9 (mm2)Xem phụ lục 9, chọn kích thước dây aK bK = 3,8 5,9 (mm)Tính lại mật độ dòng điện 2,72( / )

9,21

65,

mm A S

I J K

=

• Chọn hệ số lấp đầy:

7,0Q

, 0

7 , 21 166 K

a

h

m , suy ra h = 3 a = 3 20 = 60 (mm)

) ( 57 , 8 60

46 , 51

cm h

49,99

,5

2.260

2

b

h h

166 W

a B

• Chiều dài của vòng dây trong cùng:

) ( 8 , 108 3 2 ) 25 20 (

2

2 ) (

2 ) 25 20 (

2 ) (

2 ) (

2,5258

,1082

,21

166.10.317.02133,

0W

• Khối lượng sắt:

MFe = VFe mFe = 0,16 7,85 = 1,256 (kg)

• Khối lượng đồng:

MCu = VCu mCu = Sk ltb W mCu = 21,7 317 166 8,9 10-6 = 10,16 (kg)

CHƯƠNG 3:THIẾT KẾ VĂ MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN

CHO BỘ CHỈNH LƯU

3.1.TÍNH TOÂN CÂC KHĐU TRONG MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Mạch điều khiển Tiristor cho câc sơ đồ chỉnh lưu được ứng dụng dung

TCA-780 Sơ đồ nguyín lý gần giống nhau Đặc biệt lă sự hoạt động của mỗi kính hoăntoăn giống nhau nín được sử dụng chung

Sơ đồ điều khiển chung một MBA đồng pha cùng cấp điện âp đồng bộ va 3 vimạch TCA-780, 3 khuếch đại xung vă BAX (cho sơ đồ hình tia):

3.1.1 Giới thiệu TCA – 780:

c b U

U 9 Điện áp đồng bộ

U 10 Điện áp răng cưa

U 15'- A 2 Chân 12 nối đất

U 11 Điện áp điều khiển

U 14'- A 1 Chân 12 nối đất

Hình 3-14: Đồ thị điện âp của TCA – 780

TCA-780 lă vi mạch phức tạp thực hiện được 4 chức năng của một mạch điềukhiển thông thường

“Tờ đầu” điện âp đồng bộ tạo điện âp răng cưa đồng bộ so sânh vă tạo xung ra.

TCA-780 do hảng simens sản xuất, được sử dụng để điều khiển từ 0÷180 điện.Câc thông số chủ yếu của vi mạch TCA-780:

5 1 19 10 12 14

15 11 6 13 8

− Điện áp răng cưa: Ur max = US÷α (V)

− Điện trở tạo điện áp răng cưa Rg =20÷500 kΩ

− Tụ điện ngoài C10 =0,5μA

− Điện áp điều khiển U11 =0,5÷(US -2) (V)

Vi mạch TCA-780 được áp dụng vào mạch điều khiển Tiristor của chỉnh lưulàm cho mạch điều khiển được đơn giản hơn

Ta có thể mô tả mạch điề khiển gồm 2 khối: khối điều khiển pháp xung vàkhối đầu ra, khối điều khiển phát xung xử lý vi mạch TCA-780, khối đầu ra là tầngkhuếch đại Transistor và MBA xung các mạch điều khiển cho mỗi sơ đồ chỉnh lưu

3.2.Tính toán các khâu trong mạch điều khiền:

Hình 3-2: Sơ đồ khối mạch điều khiển

3.2.1 Khâu đồng pha:

Khâu đồng pha tạo ra điện áp tựa cùng với điện áp nguồn Nếu khâu đồng phatạo ra điện áp tựa dạng răng cưa thì thoả mản được yêu cầu về vùng điều khiển, độchính xác và tính ổn địn trong quá trình tạo xung

Hình 3-3: Chọn chế độ làn việc của máy biến áp xung

a) Làm việc trên một phần đặc tính từ hóa

b) Làm việc trên toàn bộ đặc tính từ hóa

Chọn vật liệu sắt từΦ330, lõi sắt có dạng hình chữ E, làm việc trên một mộtphần đặc tính từ hoá có:

50 10

7 0

6

− = 1,4 104

Vì mạch từ có khe hở nên phải tính từ thẩm trung bình sơ bộ chọn

− Chiều dài trung bình của đường sức: l = 0,1

− chiều dài khe hở không khí : IKH =105 m

Vậy từ thẩm trung bình của lãi sắt từ:

µ 1

1 +

1 , 0 10

1 , 0 +

− = 5,8.103 Thể tích của lõi sắt từ:

V = QI = 0 2 . '2

B

I U S

T S

tb

∆

µ µ

Trong đó:

Q: tiết điện lõi thép

Tx: độ rộng xung phụ thuộc vào thời gian mỡ Tiristor Tin

và điện cảm của tải Để đảm bảo cho Tiristor mở rộng trong hệ thông của ta, cóđiện cảm lớn ta chọn Tx =600 μs

15 , 8 =2,7(A)

⇒ V = 21 , 5 ( )

7 , 0

7 2 5 7 15 , 0 10 600 10 10 8 ,

2

6 6