ĐỒ ÁN_ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN.doc

ĐỒ ÁN_ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN

Mục lục

Lời nói đầu 2

Chơng I 3

Hệ chỉnh lu điều khiển – động cơ một chiều (CL-Đ) 3

I Sơ đồ nguyên lý hệ CL - Đ 3

II Tính toán và dựng đặc tính cơ tự nhiên của động cơ 4

III Tính toán bộ nguồn chỉnh l u 5

1 Tính toán máy biến áp chỉnh lu 5

Tính chọn van động lực 6

Tính cuộn kháng lọc 8

IV Tính toán và dựng đặc tính cơ của hệ CL - Đ 9

Chơng II 11

Hệ tự động hạn chế dòng điện khởi động 11

I Sơ đồ nguyên lý 11

II Lập sơ đồ cấu trúc, xác định hàm truyền của các khâu và của hệ 12

1 Lập sơ đồ cấu trúc 12

Xác định hàm truyền của các khâu và của hệ 15

III Xây dựng đặc tính cơ của hệ tự động 18

IV Tính thời gian khởi động động cơ 19

Lời nói đầu

Ngày nay ,không chỉ ở các nớc phát triển ,ngay ở nớc ta các thiết bị bán dẫn đã và

đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và cả trong sinh hoat gia đình các xí nghiệp và nhà máy nh xi măng ,thuỷ điện giáy ,đờng ,dệt ,sợi ,đóng tàu là những minh chứng

Nhờ chủ trơng mở cửa ngày càng có thêm nhiều xí nghiệp mới dây trruyền sản xuất mới ,đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ s điện những kiến thức về điện tử công suất

về vi mạch và vi xử lý Xuất phát từ yêu cầu thực tế và tầm quan trọng của bộ môn

điện tử công suất và thiết bị điều khiển các thầy đã cho chúng em từng bớc tiếp xúc với việc thiết kế thông qua đồ án môn hoc điện tử công suất và thiết bị điều khiển.Ngày nay, nền kinh tế nớc ta đang phát triển mạnh mẽ, đời sống nhân dân cũng nâng cao nhanh chóng Nhu cầu về tự động hoá trong các lĩnh vực công nghiệp cũng

nh các lĩnh vực khác tăng trởng không ngừng Điều này đòi hỏi đội ngũ kỹ s phải nắm bắt và thiết kế ra những hệ điều khiển tự động phục vụ thiết thực cho các lĩnh vực của cuộc sống

Đồ án môn học là một yêu cầu cần thiết và bắt buộc với sinh viên ngành tự động hoá Nó kiểm tra và khảo sát trình độ thực tế của sinh viên và giúp cho sinh viên có tduy độc lập vơí công việc Mặc dù vậy , với sinh viên cha có nhiều kinh nghiệm thực

tế , cần có sự giúp đỡ của các thầy cô giáo nên trong đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót Qua đây, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Bùi Đình Tiếu đã h-ớng dẫn , chỉ bảo em tận tình để em hoàn thành tốt đồ án này

có cực tính không đổi nh hình vẽ, dòng điện phần ứng I cũng chỉ có thể chảy theo một chiều ( thuận chiều van bán dẫn )

Nh ta đã biết khi dặt điện áp nguồn xoay chiều vào biến áp, các điện áp pha thứ cấp U2a, U2b, U2c xoay chiều hình sin đặt lên anôt của các tiristo T1, T2, T3 Nếu các tiristo này nhận đợc xung điện áp dơng trên cực điều khiển vào lúc anôt của chúng d-

ơng hơn catôt thì chúng sẽ thông, và trên hai đầu phần ứng động cơ sẽ nhận đợc điện

áp uCL- gọi là điện áp chỉnh lu có dạng nhấp nhô theo các đỉnh hình sin của điện áp

thứ cấp máy biến áp nh đồ thị trên Nh vậy điện áp chỉnh lu có chứa thành phần một chiều Ud và thành phần xoay chiều Ud~ Tuy nhiên, chỉ có thành phần một chiều Ud

tạo dòng điện thuần một chiều và momen động cơ

II Tính toán và dựng đặc tính cơ tự nhiên của động cơ

Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ một chiều kích từ độc lập có dạng đờng thẳng tuyến tính do đó muốn dựng đợc thì chỉ cần xác định đợc 2 điểm bất kỳ mà đặc tính cơ đi qua, ở đây ta sẽ xác định 2 điểm: điểm định mức [Mđm, ωđm] và điểm không tải

lý tởng [M = 0, ω = ωo] Các tọa độ đợc xác định nh sau:

Tốc độ định mức :

11060

1050 260

n

1000.5,131000.PM

Pđm = 13,5 ( KW ) là công suất của động cơ

Nh vậy ta có điểm thứ nhất trên đờng đặc tính cơ cần tìm [122,7 ; 110]

Từ thông của động cơ :

92,1110

12,0.5,73220R

.IU

.K

đm

u udm udm

Uuđm = 220 ( V ) l à điện áp định mức đặt v o dây quà ấn phần ứng

Iuđm = 73,5 ( A ) l dòng à điện đinh mức trong dây quấn phần ứng

Ru = 0,12 ( Ω ) l à điện trở mạch phần ứng động cơ

Tốc độ không tải lý tưởng :

6,11492

,1

220

Ta được điểm thứ hai của đặc tính [0 ; 114,6] v dà ựng được đường đặc tính cơ tự

nhiên như sau

N

hận xét

• Đụ̣ sụt tụ́c khi có tải định mức ( so với tụ́c đụ̣ khụng tải lý tưởng ) :

%4

%100.6,114

1106,114

%100

o

đm o

ω

ω

−ω

=ω

92,1R

)đm.K

Vọ̃y đặc tính cơ này cứng

III.Tính toán bộ nguồn chỉnh lu

1 Tính toán máy biến áp chỉnh lu

• Điện áp pha thứ cấp định mức U2đm của máy biến áp đợc tính theo công thức:

2

6.3

235K

UU

u

do đm

Trong đó

K2 = 0,58 là hệ số dòng điện

Id = Iuđm= 73,5 ( A ) là dòng điện tải

• Điện áp pha sơ cấp định mức U1đm của máy biến áp là U1đm = 220 ( V )

• Dòng điện pha sơ cấp định mức I1đm của máy biến áp đợc tính theo công thức :

95,3863,42.220

201I

.U

U

đm 1

đm 2 đm

• Điện kháng XBAcủa dây quấn máy biến áp

38,063,42

201.100

8I

U.100

%UX

đm 2

đm 2 nm

00121,

050 2

38,0f

.2

• Điện trở RBAcủa dây quấn máy biến áp

1,063,42

201.100

2I

U.100

%PR

đm 2

đm 2 đđm

• Công suất biểu kiến SBA của máy biến áp

SBA = Ks.Pdmax = Ks.Uuđm.Iuđm

Trong đó

Ks = 1,34 là hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực

Pdmax là công suất cực đại của động cơ

Uuđm là điện áp định mức của động cơ

Iuđm là dòng điện định mức của động cơ

⇒ SBA = 1,34 220 73,5 = 21,7 ( kVA )

Các van động lực đợc lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản là: dòng tải Id = Iuđm = 73,5 A, sơ đồ chỉnh lu tia ba pha, điều kiện tỏa nhiệt, điện áp làm việc Udo = 235 V Các thông số của van động lực đợc tính nh sau:

• Điện áp ngợc lớn nhất mà thyristor phải chụi:

Unmax = Knv .U2f

Trong đó

u

do f

n

K

U.K

6.3

.2

63

235.6

• Dòng điện làm việc của van đợc tính theo dòng điện dòng hiệu dụng:

Ilv = Ihd = Khd Id

Trong đó với sơ đồ chỉnh lu tia ba pha thì Khd = 0,58

⇒ Ilv = 0,58.73,5 = 42,63( A )Chọn điều khiển làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ điện tích toả nhiệt không có quạt đối lu không khi với điều khiển đó dòng điện định mức của van

Iđmv cần chọn là

Iđmv = Ki Ilv

Trong đó Ki là hệ số dự trữ dòng điện và chọn Ki = 3,2

⇒ Iđmv = 3,2 42,63 = 136,4( A )

Từ các thông số Unv , Iđmv ta chọn 3 tiristor loại 151RB100 có các thông số sau

Điện áp ngợc cực đại của van: Un = 1000( V )

Dòng điện định mức của van: Iđm = 150( A )

Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 3300(A)

Dòng điện của xung điều khiển: Iđk = 200( mA )

Điện áp của xung điều khiển: Uđk = 2,5( V)

Dòng điện rò: Ir = 15( mA)

Sụt áp lớn nhất của Thyistor ở trạng thái dẫn là: ∆U = 2,2( V )

dt

Thời gian chuyển mạch: tcm = 40( às )

Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép: Tmax = 125 ( oC )

Chọn dải điều chỉnh tốc độ của động cơ D = 10:1

Tốc độ lớn nhất trong dải điều chỉnh ωmax = ωđm = 110 ( rad/s )

Tốc độ nhỏ nhất trong dải điều chỉnh là

1110

110D

max

Sức điện động của bộ chỉnh lu tơng ứng với ωmin là

Ebmin = Udo.cosαmax = K.Φđm.ωmin + (RCL + Ru).Iuđm

⇒ Ebmin = 1,92.11 + ( 0,28 + 0,12 ) 73,5 = 50,52 ( V )Trong đó

Điện trở chỉnh lu gồm các thành phần sau

RCL = RBA + RKL + Rcm

Trong đó

RBA: điện trở của dây quấn máy biến áp, gồm điện trở cuộn thứ cấp

và điện trở cuộn sơ cấp quy đổi về mạch thứ cấp

RBA = 0,1 ( Ω )

RKL: điện trở cuộn kháng lọc ( thờng rất nhỏ RKL≈ 0 )

Rcm: điện trở đẳng trị xét đến phần sụt áp do hiện tợng chuyển mạch giữa các tiristo

18,038,0.2

3X

.2

m

π

=π

Với XBA = 0,38 ( Ω ) là điện kháng của máy biến áp đã đợc tính ở mục III.1

⇒ RCL = 0,1 + 0 + 0,18 = 0,28 ( Ω )

Vậy 0,215

235

52,50U

Ecos

do

min b

Biên độ của thành phần sóng hài bậc 1 là

o 2

2 2

o max

2 2 2

max do

m

13

58,77cos.235.2tg

311

3

cosU.2

−

=α+

59,172I

1,0.f

.2.m

UL

udm

m 1

π

=π

60.220

5,0I

n.p 2

60.U.L

uđđ đm

udm

Với động cơ không có cuộn bù lấy γ = 0,5

IV Tính toán và dựng đặc tính cơ của hệ CL - Đ

Nếu biểu thị bộ chỉnh lu bằng nguồn sức điợ̀n đụ̣ng Eb, điện trở trong RCL, van một chiều V, cùng với mạch của động cơ ta đợc sơ đồ thay thế của hệ nh sau

Thay Eb = Udo.cosα và E = K.Φ.ω vào biểu thức trên ta có

K.Φ.ω = Udo.cosα – Rut.Iu

).K(

R

K

cos.U

K

I

R

K

cos.U

2 ut do

u ut do

Φ

−Φ

α

=Φ

−Φ

α

=ω

Trong đó

K.Φ = K Φđm = 1,92 ( Wb ) ( do động cơ có kích từ độc lập )

)92,1(

4,092

,1

cos.235

2

−

α

=ω

ut

2 Đ

• Các đờng đặc tính không kéo dài sang phía trái trục tung vì các van không cho dòng điện chạy theo chiều ngợc.

Khi dòng điện Iu > Ing thì Rđo.Iu > Uo Vo sẽ thông và điện áp phản hồi ngắt Uphngắt >

0 và đợc tính theo biểu thức sau

Uphngắt = Rđo.Iu – Uo = Rđo.( Iu – Ing ) Điện áp điều khiển vào bộ biến đổi sẽ là :

Uđk = Uđ - Uphngắt = ( Uđ + Rđo.Ing ) – Rđo.Iu

Và sức điện động của bộ biến đổi sẽ phụ thuộc vào dòng I :

u u u

M = k.Φ®m.Iu

dt

d.JM

ChuyÓn sang ¶nh laplace ta cã

u u u u

đm

b K (R L p I

p.J

M

=ω

Suy ra

p.T1

R1)

KE()p.LR(

KEI

u

u đm

b u

u

đm b

u

+ωΦ

−

=+

ωΦ

−

Σ Σ

( 1 )

p.J

u u

p.T1

e.K)p(w

p +

Víi chØnh lu ta cã

p.T1

e.K)p(w

đk

p CL+

5,2310

235U

UdU

dEK

max đk

do đk

.m

20Thêng lÊy

Ω

π

=τ

=τ

.m

2

max

Víi chØnh lu tia 3 pha th× τmax = 0,0066 ( s )

T®k = 0 : qu¸n tÝnh m¹ch t¹o xung – pha

Th«ng thêng

p.1

Ke

.K)p(

đ CL u

đo ut

.K

RR

K

U.KI K

RR

=Φ

+

−Φ

=ω

Thay ω = ω®m = 110 ( rad/s ), Iu = Iu®m= 73,5 ( A ), K.Φ = K.Φ®m = 1,92 ( Wb ),

KCL = 23,5 , Rut = 0,4 ( Ω ) vµo ph¬ng tr×nh trªn:

5,73.92,1

4,0R92

,1

U.5,23

• Vïng Iu > Ing

u đo ut

đo ng đo u đ CL u

đo ut

.K

RR

K

)R.IR.IU.(

KI K

RR

+

−

=Φ

+

−Φ

=ω

Cho ω = 0 ( rad/s ), Iu = Idừng = 2.73,5 = 147 ( A ), K.Φ = K.Φđm = 1,92 ( Wb ),

KCL = 23,5 , Rut = 0,4 ( Ω ) vào phơng trình trên ta đợc phơng trình sau:

147.92,1

4,0R92

,1

)R.25,110R

.147U

.(

5,23

wI( p ) = 0,19

1 Hàm truyền của khâu động cơ

Hàm truyền của khâu động cơ là

)p(U

)p()p(w

u Đ

R1)

kU(

1)

MM

1.M

.p.J, thay v o ( 5 ) ta cóà

⇒ (U k ).11 RT .p

k

.p.J

u

u

=Φ

p.T1

R1 k

k

.p.J

u

u u

u

u

+

=+

ωΦ+Φ

⇒ U 11RT .p

p.T1

R1 k.k

p.J

u

u u

u

u

+

=ω

R)

p.T1.(

.k

.k)p.T1.(

R.p.J

u

u u

u u

2 2 u

u

+

=ω+

Φ

Φ+

Σ Σ

u u

u

.k)p.T1.(

R.p.J

.k

U

Φ++

u 2

2 u

u

p.T.k

R.Jp.k

R.J1

.k1

U

Φ

+Φ+

Φ

=

ω

Σ Σ

u c c

u

p.T.Tp.T1

.k1

U

++

Φ

=ω

Vậy ta đợc hàm truyền của động cơ là

u c c

Đ

p.T.Tp.T1

.k1)

p(w

++

0249,0R

LT

u

u

Σ Σ

k.Φ = k.Φđm = 1,92 ( Wb ) (theo mục II chơng 2)Thay vào biểu thức ( 8 ) ta có

2 Hàm truyền của khâu chỉnh lu có phản hồi dòng

Hàm truyền của khâu phản hồi dòng có dạng nh sau

)p(U

)p(U)p(w

KU

τ+

3 2

2

u

)92,1(

4,0.5,0).k(

R.J

Φ

=

2 3 3

Đ

p.10.28,2p.10.25,541

52,0)

p(

++

=

U®k = U® - Uphng¾t = U® - (Iu.R®o – Uo) ( 10 )Cho Uo = 0, thay vµo ( 10 ) ta cã U®k = U® - Iu.R®o ⇒ thay v o ( 9 ) à

)R.IU.(

p.1

K

τ+

Mµ theo ( 5 ) vµ ( 7 ) ta cã

p.T1

R1)

kU(I

u

u u

u

+ωΦ

−

p.J

I kp.J

1

=ω

p.J

I

).k(UI

u

u u

2 u

u = − Φ  + Σ

J.R

).k(p.T1

R1.UI

u

u u

2

u

u u

Φ

−+

=

Σ Σ

⇒

c u

u u

u u

u

T)

p.T1.(

p

Ip

.T1

R1.UI

+

−+

T)

p.T1.(

p

11

.I

u

u u

c u

c u

u

p.T

1p.T1

R1I

++

−τ

+

đo u

c u

u đ

CL

p.T

1)p.T1(

R1U

.p.1

KU

⇒

p.1

K.p.T

1p.T1

R.R

1.p.1

Kp.T

1)p.T1(U

Uw

CL c

u

đo u

CL c

u

đ

u CL

τ+

.987,0p.5,23

43,18p.692,8p.0486,0p.10.77,2

2 3

4

++

+

3 Hµm truyÒn cña toµn hÖ thèng

Hµm truyÒn cña toµn hÖ thèng ( Mc = 0, Uo = 0 )

)p(U

)p(U.)p(U

)p()p(U

)p()p(w

đ

u u

u

u CL

đo u

p.T1

R1.p.1

K)

R.IU

+τ+

u

u CL

đo

R1

)p.T1(.K

)p.1(RU

1

=ω

⇒

đo u

CL u

đm

R1.K

)p.1).(

p.T1(

p.J

K)

p(U

)p()p(

w

+τ+

)p.0066,01).(

p.042,01(

p.6,092,1)

p(

w

++

+

=

⇒ w(p) 2,77.10 4p3 1270,0486,46 .p2 7,57.p

++

K

U.KM K

RR

.K

E

2 u đ

CL 2

đo u

b

Φ

−Φ

=Φ

+

−Φ

Khi M = 0 thay vào phơng trình ( 12 ) ta có ωo = 132,18 ( rad/s ) vậy ta có điểm

thứ nhất trên đặc tinh cơ cần tìm là [ 0 ; 132,18 ]

Khi Iu = Ing = 1,5 Iđm khi đó M = K.Φđm.Iu = K.Φđm.1,5.Iđm = 1,92.1,5.73,5 = 211,68

( N.m ) Thay vào ( 12 ) ta có ω = 98,31 ( rad/s ) Vậy ta có điểm thứ hai trên dặc tính

cơ cần tìm là [ 211,68 ; 98,31 ]

•Vùng Iu > Ing

R.KR

.K

)R.IU.(

KM K

R

K

E

2 đo CL u

đo ng đ CL 2

u b

Φ

+

−Φ

+

=Φ

−Φ

=

Với Uđ = 10,8 ( V ), KCL = 23,5 , K.Φ = K.Φđm = 1,92 ( Wb ), Ru ∑= 0,53 ( Ω )

Khi ω = 0 tức Iu = Idừng = 2Iđm từ phương trình ( 13 ) ta có M = 283,64 ( N.m )

Vọ̃y ta có điờ̉m thứ ba trờn đặc tính cơ cõ̀n tìm là [ 283,64 ; 0 ]

Ta có đặc tính của hợ̀ tự đụ̣ng là

IV Tính thời gian khởi động động cơ

Ứng với Mc = 0,3.Mđm ta có theo phương trình ( 12 ) tụ́c đụ̣ làm viợ̀c của đụ̣ng

cơ là

ωc = 132,18 – 0,16.0,3.122,7 = 126,29 ( rad/s )

[ 283,64; 0 ]

[211,68 ; 98,31 ] [ 0 ; 132,18 ]

Từ phương trình ( 12 ) ta có M = 826,125 – 6,25.ω ( 14 )

Thời gian khởi động của động cơ t được tính từ biểu thức

t = t1 + t2

Trong đó từ phương trình

dt

dJM

0 (M Mc)

d.Jt

Vậy =98∫,31 −ω

1

)MM(

d.Jt

Thay M ở ( 14 ) vào biểu thức trên ta có

=98,310 1

)7,122.3,0.73,063,283(

d.6,0t

⇒

31 , 98

0

1 ln246,82 0,73

73,0

6,0

=119,98

31 ,

d.Jt

Thay M ở ( 15 ) vào biểu thức trên ta có

=119,9831 , 98

2 (826,125 6,25 0,3.122,7)

d.6,0t

⇒

98 , 119

31 , 98

2 ln789,315 6,25

25,6

6,0

Vậy thời gian khởi động động cơ từ tốc độ ω = 0 đến tốc độ xác lập ( sai khác khoảng 5 % ) là

t = t1 + t2

⇒ t = 0,283 + 0,14 = 0,423 ( s )