bài tập lớn môn hệ thống điện cơ

Thiết kế mạch điều chinh tốc đọ cho hệ truyền động điện động cơ một chiều không đảo chiều sử dụng bộ biến đổi là mạch chỉnh lưu thyristor tia ba pha. Thông số động cơ 1 chiều kích từ nam châm vĩnh cửu có các số liệu như sau: Pđm= 11kW; Uưđm = 400V; Iđm = 32A; nđm=1800 vòngphút; jĐC= 0.5 kg.m2 ; Lư = 0,15(H).

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN CƠ

cơ một chiều không đảo chiều sử dụng bộ biến đổi là mạch chỉnh lưu

thyristor tia ba pha.

Giáo viên hướng dẫn: Th.s Nguyễn Đăng Toàn

Nhóm sinh viên thực hiện: (Nhóm 01)

Lớp:

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

Chương I: Khái quát chung về hệ truyền động chỉnh lưu động cơ một chi ều 5

1 Giới thiệu Tiristor 5

2 Giới thiệu động cơ 1 chiều 7

2.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều 7

2.2 Động cơ một chiều kích từ độc lập 8

2.3 Hệ truyền động chỉnh lưu động cơ một chiều 12

3 Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ (T-Đ) 14

4 Hệ thống bộ chỉnh lưu - động cơ không đảo chiều 17

Chương 2: Tính chọn mạch lực, mạch điều khiển cho bộ chỉnh lưu 18

1 Tính chọn thiết bị mạch lực 19

Chương 3: Tổng hợp và mô phỏng bộ điều chỉnh 31

1 Mô tả toán học các phần tử của động cơ điện 1 chiều 31

Mạch vòng điều chỉnh tốc độ 33

2 Mô phỏng bằng phần mềm matlab 35

2.1 Mô phỏng hoạt động của động cơ điện một chiều 35

2.2 Mô phỏng hoạt động của mạch vòng tốc độ 36

KẾT LUẬN 38

YÊU CẦU ĐỀ TÀI

Đề tài: Thiết kế mạch điều chinh tốc đọ cho hệ truyền động điện động cơ một chiều không đảo chiều sử dụng bộ biến đổi là mạch chỉnh lưu thyristor tia ba pha.Thông số động cơ 1 chiều kích từ nam châm vĩnh cửu có

các số liệu như sau:

Pđm= 11kW; Uưđm = 400V; Iđm = 32A; nđm=1800 vòng/phút; jĐC= 0.5 kg.m2 ;

Lư= 0,15(H)

Lời nói đầu

Truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng của một côngnghệ sản xuất Đặc biệt trong dây truyền sản xuất tự động hiện đại, truyền độngđiện đóng góp vai trò quan trọng trong việc nâng cao sản xuất và chất lượng sảnphẩm Vì vậy các hệ truyền động điện luôn luôn được quan tâm nghiên cứu nângcao chất lượng để đáp ứng các yêu cầu công nghệ mới với mức tự động hóa cao.Ngày nay, do ứng dụng tiến bộ kỹ thuật điện tử tin học, các hệ truyền động đượcphát triển và có nhiều thay đổi đáng kể Đặc biệt do công nghệ sản xuất các thiết bịđiện tử công suất ngày càng hoàn thiện, nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong

hệ truyền động điện không những đáp ứng được độ tác động nhanh, độ chính xáccao mà còn góp phần làm giảm kích thước và hạ giá thành của hệ

Hiện nay mạng lưới điện ở nước ta chủ yếu là mạng xoay chiều với tần số côngnghiệp Để cung cấp nguồn điện một chiều có giá trị điện áp và dòng điện điềuchỉnh được cho những thiết bị điện dùng trong các hệ thống truyền động điện mộtchiều người ta đã hoàn thiện bộ chỉnh lưu có điều khiển dùng thyristor

Trong thời gian học tại trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội, nhóm đã tích lũyđược lượng kiến thức nhất định, cùng với sự chỉ bảo, hướng dẫn tận tình của thầyTh.s Nguyễn Đăng Toàn

Nhóm chúng em đã tìm hiểu và hoàn thành đề tài: Thiết kế mạch điều chinh

tốc đọ cho hệ truyền động điện động cơ một chiều không đảo chiều sử dụng bộ biến đổi là mạch chỉnh lưu thyristor tia ba pha.

Do thời gian và trình độ còn hạn chế, nên đề tài này không tránh khỏi nhữngthiếu xót, rất mong được ý kiến đóng góp, của thầy giáo và các bạn

Chương I: Khái quát chung về hệ truyền động chỉnh lưu động cơ một chiều

1 Giới thiệu Tiristor

- Tiristor là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn gồm pnpn liên tiếp nhau tạo nênAnôt, Katôt và cực điều khiển G

- Nguyên lý làm việc của Tiristor:

+ Khi đặt Tiristor dưới điện áp một chiều, anôt vào cực dương, katôt vào cực âmcủa nguồn điện áp, J1 và J3 được phân cực thuận, J2 bị phân cực ngược Gần nhưtoàn bộ điện áp nguồn đặt lên mặt ghép J2 Điện trường nội tại E1 của J2 có chiềuhướng từ N1 về P2 Điện trường ngoài tác động cùng chiều với E1, vùng chuyển tiếpcũng là vùng cách điện càng mở rộng ra, không có dòng điện chảy qua Tiristormặc dù nó được đặt dưới điện áp thuận

+ Mở Tiristor: Nếu cho một xung điện áp dương Ug tác động vào cực G (dương sovới K), các điện tử từ N2 chạy sang P2 Đến đây một số ít trong chúng chảy vàonguồn Ug và hình thành dòng điều khiển Ig chảy theo mạch G-J3-K-G, còn phầnlớn điện tử, chịu sức hút của điện trường tổng hợp của mặt ghép J2, lao vào vùng

giữa các nguyên tử silic, tạo nên những điện tử tự do mới Số điện tử mới được giảiphóng này lại tham gia bắn phá các nguyên tử Si trong vùng chuyển tiếp Kết quảcủa phản ứng dây chuyền này làm xuất hiện ngày càng nhiều điện tử chảy vào N1,qua P1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài, gây nên hiện tượng dẫn điện ào ạt.J2 trở thành mặt ghép dẫn điện, bắt đầu từ một điểm nào đó ở xung quanh cực G rồiphát triển ra toàn bộ mặt ghép với tốc độ khoảng 1cm/100sµ Thời gian mở Tiristorkéo dài khoảng 10sµ.

+ Khóa Tiristor: Một khi Tiristor đã mở thì sự hiện diện của tín hiệu điều khiển Igkhông còn là cần thiết nữa Để khóa Tiristor có 2 cách:

- Giảm dòng điện làm việc I xuống dưới giá trị dòng điện duy trì IH

- Đặt một điện áp ngược lên Tiristor (biện pháp thường dùng) Khi đặt điện ápngược lên Tiristor UAK< 0, hai mặt ghép J1và J3 bị phân cực ngược, J2 bây giờ đượcphân cực thuận Những điện tử, trước thời điểm đảo cực tính UAK, đang có mặt tạiP1, N1, P2 bây giờ đảo chiều hành trình, tạo nên dòng điện ngược chảy từ katôt vềanôt, về cực âm của nguồn điện áp ngoài

Lúc đầu của quá trình, từ t0 đến t1, dòng điện ngược khá lớn, sau đó J1 rồi J3trở nên cách điện Còn lại một ít điện tử bị giữ lại giữa hai mặt ghép J1và J3, hiệntượng khuếch tán sẽ làm chúng ít dần đi cho đến hết và J2 khôi phục lại tính chấtcủa mặt ghép điều khiển

Trong các sơ đồ chỉnh lưu trên, giá trị điện áp trung bình một chiều ra tảiphụ thuộc vào góc điều khiển mở của Tiristor: Ud= Ud0.cosα

Do đó, khi thay đổi góc điều khiển α thì ta sẽ thay đổi được giá trị điện áptrung bình ra tải Nếu tăng giá trị góc điều khiển Α thì điện áp trung bình sẽ giảm,ngược lại, giảm α thì điện áp trung bình sẽ tăng Giá trị lớn nhất của điện áp trungbình ra tải là Ud0, ứng với góc α=0 Dòng điện trung bình qua tải:

với

Trường hợp trong mạch tải có thêm suất điện động phản kháng:

2 Giới thiệu động cơ 1 chiều

2.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều

- Động cơ điện một chiều chia thành 2 phần chính:

- Cực từ phụ: đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện điều kiện làm

việc của máy điện và đổi chiều

+ Lõi thép cực từ phụ có thể là một khối hoặc có thể được ghép bởi các láthép tùy theo chế độ làm việc

+ Xung quanh cực từ phụ được đặt dây quấn cực từ phụ, dây quấn cực từphụ được nối với dây quấn phần ứng

+ Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy

 Gồm các bộ phận chính sau:

+ Lõi sắt: Là phần ứng dùng để dẫn từ Thường dùng những tấm lá thép kỹthuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổnhao do dòng điện xoáy gây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi éplại thì đặt dây quấn vào

+ Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điệnđộng và có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng

có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ có công suất vài kW thường dùng dây cótiết diện tròn Trong máy điện vừa và lớn dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dâyquấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép

+ Cổ góp: dùng để đôi chiều dòng điện xoay chiều thành 1 chiều Cổ gópgồm nhiều phiến đồng có mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến1,2mm và hợp thành một hình trục tròn Hai đầu trục dùng hai hình ốp hình chữ

V ép chặt lại Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica Đuôi cành góp

có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến gópđược dễ dàng

- Các bộ phận khác:

+ Cánh quạt: dùng để quạt gió làm nguội máy Máy điện một chiều thườngchế tạo theo kiểu bảo vệ Ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió Cánh quạt lắp trêntrục máy, khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ Gió đi quavành góp, cực từ lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy

+ Trục máy: trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trụcmáy thường làm bắng thép cacbon tốt

2.2 Động cơ một chiều kích từ độc lập

2.2.1 Sơ đồ nguyên lý

- Ta có phương trình đặc tính cơ điện:

 Ảnh hưởng của điện trở phần ứng:

- Giả thiết Uư= Uđm=const và Φ=Φđm=const

- Khi ta đổi điện trở mạch phần ứng ta có tốc độ không tải lý tưởng:

- Độ cứng của đặc tính cơ:

- Khi Rf càng lớn, 𝜷 càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc Ứng với:

- Rf = 0 Ta có đặc tính cơ tự nhiên:

- 𝜷tn có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả cácđường đặc tính có điện trở phụ Như vậy khi thay đổi điện trở ohuj Rf tađược một họ đặc tính cơ biến trở có dạng như hình 1.3.

 Ảnh hưởng của điện áp phần ứng:

- Giả thiết: 𝜱=𝜱đm = const

Rư = const

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

- Tốc độ không tải lý tưởng:

- Độ cứng đặc tính cơ:

 Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ song song đặctính cơ tự nhiên Khi ta thay đổi điện áp thì momen ngắn mạch, dòngđiện mạch của động cơ giảm ứng với phụ tải nhất định Do đó được sửdụng điều chỉnh tốc độ động cơ và giảm dòng mở máy.

 Ảnh hưởng của từ thông:

- Giả thiết: Uư = Uđm = const

Rư = const

- Khi ta thay đổi từ thông tức là thay đổi dòng kích từ động cơ Tốc độ

không tải lý tưởng:

- Độ cứng đặc tính cơ:

- Do cấu tạo động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông Nênkhi từ thông giảm thì 𝝎0x tăng, còn 𝜷 sẽ giảm Ta có một họ đặc tính cơvới 𝝎0x tăng dần và độ cứng của đặc tính cơ giảm dần khi giảm từ thông.

2.3 Hệ truyền động chỉnh lưu động cơ một chiều

Bộ biến đổi Thyristor với chuyển mạch tự nhiên có điện áp(dòng điện) ra là mộtchiều là các thiết bị nguồn xoay chiều 3 pha thành điện áp 1 chiều điều khiểnngược.

2.3.2 Giới thiệu sơ đồ

 Trong đó:

+ Đ: động cơ 1 chiều kích từ độc lập, thực hiện chức năng biến năng lượngđiện 1 chiều thành cơ năng truyền động cho cơ cấu sản xuất

+ BBĐ: bộ biến đổi van có điều khiển, thực hiện chức năng biến năng lượngđiện xoay chiều thành một chiều cung cấp cho động cơ.

+ Uđ: Tín hiệu đặt

+ FT: máy phát tốc phản hồi âm tốc độ

+ TH & KĐ: khối tổng hợp và khuyếch đại tín hiệu

+ FX: mạch phát xung

 Nguyên lý hoạt động:

+ Giả sử ban đầu hệ thống đã được đóng vào lưới với điện áp thích hợp, lúcnày động cơ vẫn chưa làm việc Khi đặt vào hệ thống một điện áp đặt Uđ ứng vớimột tốc dộ nào đó của động cơ Thông qua khâu TH & KĐ và mạch FX sẽ xuấthiện các xung đưa tới các chân điều khiển của các van của bộ biến đổi, nếu lúc nàynhóm van nào đó đang được đặt điện áp thuận, van sẽ mở với góc α Đầu ra BBĐ

có Ud đặt nên phần ứng động cơ dẫn đến động cơ quay với tốc dộ ứng với Uđ banđầu

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

Thường sử dụng bộ chỉnh lưu có điều khiển thyristor Tốc độ động cơ thay đổibằng cách thay đổi điện áp chỉnh lưu cấp cho phần ứng động cơ, để thay đổi điện

áp chỉnh lưu ta chỉ cần sử dụng mạch điều khiển, thay đổi thời điểm thông vanthyristor

+ Ưu điểm của hệ này là tác động nhanh, không gây ồn và dễ tự động hoá Docác van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất cao, điều đó thuận lợi cho việcthiết lập hệ thống điều chỉnh nhiều vòng, để nâng cao chất lượng đặc tính tĩnh vàcác đặc tính của hệ thống.

+ Nhược điểm của hệ là do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng chỉnh lưucủa điện áp có biên độ đập mạch gây tổn hao phụ trong máy điện Hệ số côngsuất cos  của hệ thống nói chung là thấp Tính dẫn điện 1 chiều của van buộc taphải sử dụng 2 bộ biến đổi để cấp điện cho động cơ có đảo chiều quay

a Sơ đồ thay thế tính toán

Từ phương trình đặc tính động cơ tổng quát:

Ta thấy sự thay đổi Uu thì  0 sẽ thay đổi, còn   const

Vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau

Như vậy muốn thay đổi điện áp phần ứng Uu ta phải có bộ nguồn cung cấpđiện một chiều thay đổi được điện áp ra.

R R K

E

dm

CL u dm

) (

cos

2 0

cos

M K

R R K

E

dm

CL u dm

d

Vậy khi ta thay đổi góc điều khiển   ( 0   ) thì Ed thay đổi từ Ed0 đến –Ed0

và ta sẽ được 1 hệ đặc tính cơ song song nằm ở mức bên phải của mặtphẳng toạ độ

Bộ chỉnh lưu kép điều khiển chung:

Trong bộ chỉnh lưu kép điều khiển chung, xung kích được đưa tới cả hai bộchỉnh lưu nhưng với góc kích khác nhau, sao cho tổng điện áp DC của hai bộchỉnh lưu là zero để không có dòng DC chạy qua móc vòng trong hai bộ chỉnhlưu Do đó:

0 2

1  d 

V

0 cos

0 cos cos 1  2 

0 2

cơ, còn bộ chỉnh lưu kia chỉ tải dòng cân bằng

Quá trình đảo chiều động cơ diễn ra như sau: giả sử ban đầu động cơ hoạtđộng theo chiều thuận (góc phần tư thứ nhất) với bộ chỉnh lưu 1 ở chế độ chỉnhlưu Khi đảo chiều, góc kích  1 sẽ được tăng lên và  2 giảm đi theo quan hệ (1).Sức điện động E của động cơ sẽ lớn hơn V 1 và V 2 , nên động cơ hoạt động

ở chế độ hãm tái sinh ở góc phần tư thứ hai Dòng phần ứng lúc này do bộ chỉnh

Hình 2-6

Ưu điểm: Bộ chỉnh lưu kép điều khiển chung có mạch điều khiển đơn giản

hơn kiểu điều khiển riêng Dòng điện phần ứng động cơ có thể đảo chiều mộtcách tự nhiên, nên hệ thống có độ ổn định tốc độ tốt trong suốt dải làm việc củađặc tính cơ

Nhược điểm: Việc thêm cuộn kháng cân bằng khiến hệ thống trở nên cồng

kềnh, tăng giá thành, giảm hiệu suất và hệ số công suất Đáp ứng quá độtrở nên chậm đi do thời hằng phần ứng tăng thêm

Chương 2: Tính chọn mạch lực, mạch điều khiển cho bộ chỉnh lưu

1 Tính chọn thiết bị mạch lực

Mạch động lực bao gồm: sơ đồ chỉnh lưu, cuộn kháng, máy biến áp động lực, các phần tử R-C Theo đề bài ra thì động cơ là động cơ 1 chiều kích từ độc lập, có các thông số như sau: Pđm= 11kW; Uưđm = 400V; Iđm = 32A; nđm=1800 vòng/phút; jĐC= 0.5 kg.m2 ;

Lư= 0,15(H)

1.1 Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha

- Đồ thị điện áp Ud, dòng điện Id thể hiện trên hình vẽ , với góc mở đặc biệt

α = 300

- Nếu α ≥300 điện áp Ud sẽ có đoạn bằng 0,vì vậy thi tải thuần trở điện áp Id

sẽ bị gián đoạn, vì vậy có đoạn bằng 0, và dòng điện qua van luôn kếtthúc khi điện áp pha về 0

Udα = Ud0

- Nếu α<300 điện áp Ud luôn > 0 Như vậy với tải thuần trở dòng điện Id sẽluôn luôn tồn tại và chạy liên tục qua tải, vì vậy dạng dòng này gọi làdòng liên tục quy luật dẫn dòng như sau: 3 van sẽ thay nhau dẫn liên tục

trong 1 chu kỳ vì vậy mỗi van dẫn trong khoảng

Udα= Ud0.cosα

 Như vậy với mạch chỉnh lưu tia 3 pha quy luật điện áp Udα phụ thuộc vào chế độ dòng , điện áp ra có chất lượng chưa cao nhưng có thể khắc phục

bằng cuộn kháng mạch này có ưu điểm là mạch điều khiển đơn giản, giá thành rẻ.

1.2 Lựa chọn phương án đảo chiều hai bộ biến đổi

- Dùng 2 bộ biến đổi đấu song song ngược bỏi nó có ưu điểm là dòng hãmphần ứng nhỏ, mạch đơn giản,có thể đáp ứng được khả năng đảo chiều nhanh

1.2.1 Lựa chọn phương án điều khiển 2 bộ biến đổi

- Có 2 phương pháp là :

+ Điều khiển riêng từng bộ biến đổi

+ Điều khiển chung

a Phương pháp điều khiển riêng

Ở phương pháp này 2 bộ biến đổi làm việc độc lập với nhau Khi phát cho bộbiến đổi thuận làm việc thì bộ biến đổi ngược không được phát xung sẽ khóa lại vàngược lại Phương pháp này có ưu điểm là không phát sinh dòng cân bằng songnhược điểm của nó là thòi gian đảo chiều lớn

b Phương pháp điều khiển chung

- Trong phương pháp này gồm có :

+ Điều khiển phối hợp tuyến tính : cả 2 bộ biến đổi sẽ được phát xung để làmviệc, với quan hệ góc mở : α1 + α2 =1800 Khi hệ thống làm việc luôn tồn tại một

bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu(α<900) và một bộ biến đổi làm việc ở chế

độ nghịch lưu (α>900)

+ Phương pháp này có ưu điểm là đảo chiều nhanh, quan hệ giữa điện áp trung