Hiện nay kỹ thuật vi mạch và tin học ngày càng phát triển tạo nên những thiết bị điện tử công suất có điều khiển với tính năng ngày càng phong phú,đáp ứng được những đòi hỏicủa thực tế sản xuất.Điều này tạo cho kỹ thuật điện tử công suất có một vai trò vô cùng quan trọng trong nền sản xuất công ngiệp. Ở nước ta do yêu cầu công nghiệp hoá và hiện đại hoá nền kinh tế,ngày càng phát triển các nhà máy, khu công nghiệp, nhiều dây chuyền sản xuất hiện đại, trong đó sử dụng máy móc là công cụ chủ yếu, đặc biệt là các loại động cơ đồng bộ, động cơ không đồng bộ. Bởi tác động nhanh và dễ vận hành, sạch và cho năng suất cao. Để giúp sinh viên có được một cách nhìn đúng đắn về môn học này và để làm quen với việc thiết kế và ứng dụng trong thực tế em được giao làm đồ án môn học vớiđề tài là : Thiết kế bộ điều chỉnh và ổn định tốc độ quạt thông gió dùng động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc công suất động cơ là : 15 KW. Được sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Đăng Toàn, chúng em đã hoàn thành đồ án của mình. Song do còn hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm thực tiễn nên trong đồ án không tránh khỏi những sai sót.
Trang 1ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
ĐỒ ÁN
ĐỒ ÁN CHUYÊN MÔN TỰ ĐỘNG HÓA
Giáo viên hướng dẫn: Th.s Nguyễn Đăng Toàn
Trang 21.Khái quát chung về hệ truyền động điện
2.Tính chọn mạch lực và thiết bị liên quan
3.Thiết kế mạch điều khiển cho bộ biến đổi từ đó mô phỏng kiểm chứng
4.Phân tích hoạt động của mạch điều khiển
Trang 3CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 6
1 Cấu trúc và phân loại quạt thông gió 6
2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ quạt gió dùng động cơ không đồng bộ roto lồng sóc 6
a Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi số đôi cực 6
b Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp 6
c Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ 7
CHƯƠNG 2 8
TÍNH CHỌN MẠCH LỰC VÀ THIẾT BỊ LIÊN QUAN 8
I Sơ đồ mạch động lực 8
2 Tính chọn mạch lực 9
2.1 Tính chọn van 10
2.2 Tính bảo vệ van 11
CHƯƠNG 3 15
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 15
1 Sơ đồ mạch điều khiển 15
1 Sơ đồ mạch điều khiển 15
2 Mô hình hoá mạch điều khiển bằng sơ đồ khối 17
3 Giải thích hoạt động mạch điều khiển 19
4 Thiết kế mạch tạo nguồn 30
5 Tính toán công suất biến áp nguồn nuôi và đồng pha ………31
TÀI LIỆU THAM KHẢO 32
Trang 4LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay kỹ thuật vi mạch và tin học ngày càng phát triển tạo nên những thiết
bị điện tử công suất có điều khiển với tính năng ngày càng phong phú,đáp ứng được những đòi hỏicủa thực tế sản xuất.Điều này tạo cho kỹ thuật điện tử công suất có một vai trò vô cùng quan trọng trong nền sản xuất công ngiệp
Ở nước ta do yêu cầu công nghiệp hoá và hiện đại hoá nền kinh tế,ngày càng phát triển các nhà máy, khu công nghiệp, nhiều dây chuyền sản xuất hiện đại, trong đó sử dụng máy móc là công cụ chủ yếu, đặc biệt là các loại động cơ đồng bộ, động cơ không đồng bộ Bởi tác động nhanh và dễ vận hành, sạch và cho năng suất cao
Để giúp sinh viên có được một cách nhìn đúng đắn về môn học này và để làm quen với việc thiết kế và ứng dụng trong thực tế em được giao làm đồ án môn học với đề tài là :" Thiết kế bộ điều chỉnh và ổn định tốc độ quạt thông gió dùngđộng cơ không đồng bộ rôto lồng sóc công suất động cơ là : 15 KW
Được sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Đăng Toàn, chúng em đã hoàn
thành đồ án của mình Song do còn hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm thựctiễn nên trong đồ án không tránh khỏi những sai sót
Trang 5CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
1 Cấu trúc và phân loại quạt thông gió
Quạt thông gió được chia làm 2 loại chính với năng lực thông gió khác nhau:+ Quạt hút và thông gió cục bộ
+ Quạt hút và thông gió tổng thể
a Quạt hút và thông gió cục bộ
- Thường có công suất nhỏ, độ ồn thấp
- Gồm 4 loại:
+ Quạt âm trần: Là quạt thong gió có tính thẩm mỹ cao, hiệu quả rõ rệt nhờ ốngdẫn khí chuyên biệt Có thể sử dụng khoảng không giữa 2 lớp trần thạch cao làm ống dẫn khí ra bên ngoài
+ Quạt gắn tường: Là quạt gió dễ lắp đặt nhất, thường không sử dụng ống dẫn khí hoặc quạt được lắp ở hộp kỹ thuật
+ Quạt siêu âm: Có tiếng ồn siêu nhỏ
+ Quạt cắt gió-chắn gió
b Quạt hút và thông gió tổng thể
Có công suất và độ ồn lớn hơn
Sử dụng quạt công nghiệp và quạt hút gió hướng trục
2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ quạt gió dùng động cơ không đồng
bộ roto lồng sóc
a Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi số đôi cực
Nói chung, trong điều kiện bình thường, động cơ điện có hệ số trượt khá nhỏ,
vì vậy tốc độ của roto gần bằng tốc độ đồng bộ n1 = 60f1/p Do đó khif1 =const thì thay đổi p (số đôi cực của đây quấn stato) có thể thay đổi được tốc độ
Dễ thấy, khi thay đổi số đôi cực p là số tự nhiên nên tốc độ chỉ có thể thay đồi từng cấp, điều chỉnh tốc độ không phẳng
b Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp
Trang 6Ưu điểm của phương pháp này là bộ điều chỉnh có thể đặt ở vị trí bất kì, đemlại hiệu quả kinh tế cao khi có nhiều động cơ điện làm việc đồng thời, có thể điều chỉnh trơn, dải điều chỉnh rộng có khả năng hãm tái sinh.
c Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ
Mômen động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp Stato, do đó có thể điều chỉnh được momen và tốc độ ĐKB bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp Stato trong khi giữ nguyên tần số Để điều chỉnh điện áp ĐKB phải dùng các bộbiến đổi điện áp xoay chiều(ĐAXC) mà ta thường dùng bộ 6 Tiristor đấu song song ngược
Do quạt thông gió dùng động cơ không đồng bộ roto lồng sóc với công suấtnhỏ hơn 200KW vớiyêu cầu điều chỉnh trơn, vùng điều chỉnh không quá rộng(cỡ 3:1) thì áp dụng phương pháp điều áp xoay chiều 3 pha là hợp lý bởi nó ápdụng cho động cơ làm việc độc lập, tổn thất nhỏ hiệu suất cao
Vậy ta sẽ dùng phương pháp điều áp xoay chiều 3 pha dùng 6 tiristor mắc song song ngược điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh góc mở để điều
chỉnh điện áp cấp cho động cơ
Trang 7CHƯƠNG 2 TÍNH CHỌN MẠCH LỰC VÀ THIẾT BỊ LIÊN QUAN
1 Sơ đồ mạch động lực
Với bộ điều chỉnh tốc độ quạt thông gió ở đây, không yêu cầu đảo chiều thích hợp nhất ta sẽ chọn sơ đồ Tiristor đấu song song ngược 3 pha không có điểm trung tính
Trang 8Nguyên lý hoạt động:
+Đóng cầu dao của áptômát AT cấp điện cho mạch Lúc này bộ biến đổi đang khoá nên động cơ chưa được cấp điện, nút mở máy đang mở nên điện chưa được cấp vào động cơ
+ Để mở máy, ấn nút mở máy M, cuộn hút rơle khởi động có điện tác động làm các tiếp điểm Rtđ đóng lại, điện được duy trì cấp cho rơle và đồng thời cấp điện cho mạch điều khiển tác động mở các Tiristor hầu như ngay lập tức Động
cơ được cấp điện bắt đầu quá trình khởi động
+Trong quá trình làm việc, việc điều chỉnh tốc độ thông qua điều chỉnh một điện áp đặt nhờ biến trở đặt trên mạch điều khiển để điều chỉnh góc mở của
bộ Tiristor Tín hiệu phản hồi để điều chỉnh là điện áp lấy từ bộ phát tốc đưa về mạch điều khiển
+ Khi muốn dừng máy ta ấn nút dừng D, rơle Rtđ bị mất điện làm cuộn hút nhả, các tiếp điểm Rtđ mở ra cắt điện cấp vào mạch điều khiển Bộ biến đổi bị khoá, các Tiristor không dẫn, động cơ được cắt khỏi lưới
+ Các điện trở R,C bảo vệ bộ Tiristor, các cầu chì CC bảo vệ ngắn mạch dòng quá tải lớn Bộ biến dòng cấp điện cung cấp cho các rơle nhiệt RN Các rơle nhiệt RN để bảo vệ quá tải lâu dài Khi quá tải lâu dài nhiệt độ tăng quá nhiệt độcho phép làm rơle nhiệt tác động mở các tiếp điểm RN ngừng cung cấp điện chomạch, cắt động cơ ra khỏi lưới Khicó hiện tượng mất pha mạch bảo vệ mất phanằm trong bộ điều khiển tác động cũng cắt điện lưói vào động cơ và mạch điều khiển
2 Tính chọn mạch lực
Các thông số động cơ cần được điều khiển:
Pcơ = 15 kW Uđm = 220/380 V Cos = 0,82
= 0,85 2p=4 nđm=1420 vòng/phút;
Trang 9P1 = Pcơ/h = 3.Uf.If.Cos If =
Pco
3.η.Uf cosϕ= 150003.0,85.220.0,82 =32,61(A)
Như vậy It= 32,61 (A)
Dòng hiệu dụng qua van : Iv= 0,5.It=16,305 (A)
Dòng trung bình qua van : Itb =
Trong công nghiệp người ta thường dùng 3 phương pháp làm mát :
+ Làm mát bằng nước (cho nước trực tiếp chảy qua cánh tản nhiệt tức là cầnmột hệ thống bơm và ống đẫn rất phức tạp.)
+ Làm mát bằng gió cưỡng bức (dùng quạt thông gió bao quanh cánh tản nhiệt)+ Làm mát tự nhiên để van tự tản nhiệt tự nhiên qua các cánh tản nhiệt vào môitrường
Đối với phương pháp 1 và 2 được dùng cho thiết bị công suất lớn đòi hỏi điềukhiển với chất lượng cao, giá thành làm mát là cao và lắp đặt cồng kềnh phứctạp Đối với bộ điều áp xoay chiều ba pha dùng cho động cơ không đồng bộ tải
là quạt thông gió thì sử dụng làm mát cho van là phương pháp làm mát tự nhiên
là hợp lý bởi đây là loại thiết bị tải nhẹ và ít thay đổi Khi làm việc lượng gióqua thiết bị lớn nên có thể lợi dụng để làm mát cho van được Khi đó ta lấy hiệusuất của van là 25%
Từ các số liệu tính toán ở trên ta có:
Trang 10Dòng hiệu dụng qua van : Iv = 0.5It =16,305 (A)
Điện áp ngược đặt lên van : Ung =√2.U2 = 380.√2=537,4 (V)
- Dòng chọn van : Icv =
14,68.100
25 =58,72( A)
- Điện áp chọn van :Ucv=Ungmax.KDT=537,4.1,8=967,32(V)
Như vậy ta có thể chọn loại van T11-80 do Nga sản xuất với các thông số :
- Điện áp ngược lớn nhất
- Trị số trung bình cho phép đối với đóng điện
- Nhiệt độ lớn nhất cho phép của mạch ghép
- Tốc độ tăng trưởng lớn nhất của điện áp du/dt
- Tốc độ tăng trưởng lớn nhất của dòng điện di/dt
- Thời gian khóa
Nếu quá trị cho phép của nhà sản suất đều gây ra hư hỏng cho van Do
đó chúng cần được bảo vệ chống những sự cố bất ngờ xảy ra : ngắn mạch tải,quá điện áp hoặc quá dòng điện
Trang 112.2.1 Thiết kế tản nhiệt
Dòng qua van ở đây không quá lớn 23,91 A nên không cần mắc song song các Tiristor Ta chỉ cần thiết kế cánh toả nhiệt cho nó
Khi làm việc, van bán dẫn có sụt áp, do đó có tổn hao công suất
P = U.Ilv Tổn hao công suất này sinh nhiệt Mặt khác van chỉ được làm việctới nhiệt độ tối đa cho phép Tcp nào đó Do đó phải tìm cách bảo vệ quá nhiệtcho van bán dẫn
Muốn bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn cần phải chọn đúng dòng điện van theo chế độ làm mát Làm mát van hiện nay phổ biến người ta
thường dùng cánh toả nhiệt Diện tích bề mặt toả nhiệt có thể được tính gần đúng theo công thức:
Trang 12P - tổn hao công suất [ W ];
- độ chênh nhiệt so với môi trường = Tlv -Tmt
Tlv -Tmt - nhiệt độ làm việc và nhiệt độ môitrường [ o C ];
ktn - hệ số có xét tới điều kiện tỏa nhiệt (trong điều kiện làm mát tự nhiên
không quạt cưỡng bức, thường chọn ktn = 10.10-4 W/cm2 oC
Chọn toả nhiệt có 5 cánh (10 mặt tiếp giáp) thì diện tích 1 mặt là
697,375/10 = 69,74 [cm 2 ]
Chọn b =8 cm h = 6cm c = 3cm z= 5cm h o = 1cm
Suy ra a = 35 cm
2.2.2 Bảo vệ quá điện áp
Linh kiện bán dẫn nói chung và bán dẫn công suất nói riêng, rất nhạy cảm với
sự thay đổi của điện áp Những yếu tố điện áp ảnh hưởng lớn nhất tới van bándẫn mà cần có phương thức bảo vệ là:
+ Điện áp đặt vào van lớn quá thông số của van
+ Xung điện áp do chuyển mạch van
+ Xung điện áp từ phía lưới xoay chiều, nguyên nhân thường gặp là do cắt tải có điện cảm lớn trên đường dây
+ Xung điện áp do cắt đột ngột biến áp non tải
Để bảo vệ van khi làm việc dài hạn mà không bị quá điện áp, cần chọnđúng các van bán dẫn theo điện áp ngược
Bảo vệ xung điện áp do quá trình đóng cắt các van được dùng mạch R-C mắc song song với các van bán dẫn Sơ đồ đơn giản của loại mạch này mô tả trên hình 2.3 Khi có sự chuyển mạch, do phóng điện từ van ra ngoài tạo nên xung
Trang 13điện áp trên bề mặt tiếp giáp P-N Mạch R - C mắc song song với van bán dẫn tạo mạch vòng phóng điện tích quá độ trong quá trình chuyển mạch van
Có thể tính các giá trị R,C bằng phương pháp đồ thị nhưng để đơn giản
ta chọn theo kinh nghiệm R = 30Ω C = 4μF
Để bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, mắc song song với tải ở đầu vào mộtmạch R - C, nhằm lọc xung như mô tả trên hình 2.3b Khi xuất hiện xung điện
áp trên đường dây, nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàntoàn trên điện trở đường dây Trị số R, C phụ thuộc nhiều vào tải
Bảo vệ van bán dẫn khỏi đánh thủng do cắt biến áp non tải.
Để bảo vệ van do cắt đột ngột biến áp non tải, trong đa số các bộ biến đổingười ta thường mắc một mạch R-C ở đầu ra một chỉnh lưu cầu ba pha phụbằng các điốt công suất bé, như mô tả trên hình 2.3c Trị số tụ C trong trườnghợp này có thể được tính:
Trong đó: I - Dòng điện từ hoá biến áp %;
I2;U2 - Dòng điện, điện áp thứ cấp biến áp;
K TU - Khả năng tăng điện áp cho phép của van, thường được
Trang 14Thông số của R,C phụ thuộc vào mức độ quá điện áp có thể xảy ra, tốc độ biếnthiên của dòng điện , điện cảm trên đường dây, dòng điện từ hoá máy biến áp
2.2.3 Bảo vệ quá dòng điện
+ Với điện U = 380 V ; Iđm=47,82A Ku = Ki= 1,25 thì :
Điện áp lớn nhất mà Aptômát phải chịu là:
Trang 15CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
1 Sơ đồ mạch điều khiển
Trang 172 Mô hình hoá mạch điều khiển bằng sơ đồ khối
Lưới điện 220/380 được đưa vào bộ điều áp xoay chiều 3 pha để cấp điện
áp cho động cơ Khi động cơ hoạt động mạch đo sẽ có nhiệm vụ đo trạng thái hệ thống đưa về mạch điều khiển để ổn định tốc độ và cắt hệ thống khi cần thiêt
2.1 Khi 0 60 o
Kiểu hoạt động này còn được gọi là kiểu hoạt động 2/3 có nghĩa là lúc nàocũng có 2 đến 3 van cùng dẫn Khi có 3 van dẫn thì điện áp ra tức thời tới tải sẽbằng điện áp pha Khi có 2 van dẫn thì điện áp ra tức thời tới tải sẽ bằng nửađiện áp dây.Ta có đồ thị dạng đường cong điện áp ra như sau: ( = 30o
Trang 18
2.2 Khi 60 o 90 o
Kiểu hoạt động này còn được gọi là kiểu 2/2, có nghĩa là luôn có hai van ở hai pha khác nhau cùng dẫn Các pha chứa van không dẫn thì có điện áp ra tức thời tới tải là bằng không Ta có các đồ thị sau: ( = 75o )
Kiểu hoạt động này còn được gọi là kiểu hoạt động 0/2 tức là luôn có hai vandẫn hoặc là chẳng có van nào dẫn cả Ta có đồ thị dạng đường cong điện áp ranhư sau: ( = 120o )
Trang 19
3 Giải thích hoạt động mạch điều khiển
3.1 Khâu đồng pha
Khâu đồng pha tạo ra điện áp có pha trùng với pha của điện áp lưới và có biên
độ tỉ lệ thuận với biên độ của nó Cách đơn giản nhất ta dùng 1 máy biến áp (Hình 2)
Điện trở R và tụ C tạo thành mạch lọc, nó sẽ lọc các xung nhọn đầu có tần số cao do máy biến áp tạo ra
Trang 21Đồ thị mô phỏng như sau
3.3 Khâu vi phân
Khâu vi phân tạo ra xung kim từ xung vuông góc
Trang 22Hình 6
Giả sử Ur = 0 V theo đồ thị ta có Uv = -15V Lúc này điện áp trên 2 bản tụ là 15V Tại thời điểm 30ms Uv tăng đột ngột lên +15V điện áp trên tụ không thểthay đổi đột ngột được nên điện áp ở bản tụ bên phải sẽ tăng lên +30V để đảmbảo điện áp trên 2 bản tụ vẫn là 15V sau đó nó sẽ giảm dần về 0V
Tại t=40 ms Uv giảm đột ngột từ +15V xuống –15V, trước thời điểm này đIện áp trên 2 bản tụ là -15V và nó không thể thay đổi đột ngột được nên tạithời điểm đó điện thế ở bản cực bên phải sẽ giảm đột ngột xuống –30V để đảm bảo điện áp trên 2 bản cực vẫn là -15V Sau đó nó sẽ tăng từ từ lên 0V
Như vậy ta có xung kim như đồ thị mô phỏng bên trên
3.4 Tạo điện áp tựa răng cưa
Sơ đồ như sau
Trang 23Đầu tiên ta phải tạo ra xung vuông góc có chu kì 10ms trong đó có 1 ms xung âm và 9 ms xung dương
Mạch này thực chất là sự kết hợp của mạch cộng và mạch so sánh xung kimvới 1 mức điện áp được điều chỉnh từ trước thông qua phân áp R6,R7
Nếu xung kim âm D2 mở D1 khoá Lúc này ta có mạch so sánh xung kim âmvới 1 điện áp ít âm hơn Ta thấy Uv > 0 nên Ur = -15V
Nếu xung kim dương D1 mở D2 đóng lúc này ta có mạch so sánh 0V với1xung âm Ta thấy Uv < 0 nên Ur = +15V
Chọn R6 = 6,2 KΩ, R7 = 32 KΩ
Ta có đồ thị mô phỏng như sau
Tiếp theo ta đưa xung vuông vừa tạo ra vào mạch tạo răng cưa như sau
Trang 24Tính toán mạch tạo răng cưa
Khi Uđk = -15v D thông IR2 = Uđk / R2 = -15/R2
Chọn UDZ = 6V ta phải chọn điện trở sao cho dòng qua tụ C trong khoảng1ms đạt đến giá trị UDZ
Nếu dòng qua tụ có giá trị không đổi điện áp trên tụ thay đổi theo quy luật tuyếntính Uc = (Ic/C)t do đó Ic/C = Uc/t = 6.103
Trong khoảng 9ms còn lai dòng qua tụ C bằng dòng qua điện trở Rx+R10
Phải chọn tụ sao cho trong 9ms còn lạitụ vừa phóng điên về 0v
Uc = Uc0 – (Ic/C)t vớiUco = 6V
0 = 6 – (Ic/C)9.10-3 hay Ic = (C.6)/(9.10-3)
=(0,22.10-6.6)/(9.10-3) = 0,147.10-3 (A)
Ic = 15/(Rx+R10) suy ra Rx+R10 = 15/Ic =15/(0,147.10-3) = 102 kΩ
Trang 25Chọn R1 = 51kΩ Ta thay đổi Rx để điện áp trên tụ đúng bằng 0V sau 9ms
3.5 Tạo xung điều khiển
Điện áp răng cưa tạo ra sẽ được so sánh vớiUđk là điện áp cố định Bằng cách thay đổiUđk ta có thể điều chỉnh được góc mở Khi tăng Uđk góc mở sẽgiảm Uđk được thay đổi bằng cách dùng 1 biến trở
