Tài liệu Đề tài "Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập" pptx

Song song với sự phát triển về kinh tế đó phải kể đến sự bùng nổ của khoa học công nghệ về điện tử, tin học,các hệ thống truyền động điện tự động ngày càng hiện đại và thông minh hơn đểđ

MỤC LỤC

2.1 Cung cấp điện cho động cơ bằng máy phát riêng 6

CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG - HÃM - ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 11

4.1.3 Tính chọn các thiết bị trong sơ đồ mạch lực 23

Sinh viªn thùc hiÖn: Qu¸ch Trêng S¬n

Líp : C¬ ®iÖn K49 – U«ng BÝ U«ng BÝ

2

50

4.3 Các thiết bị đo lường bảo vệ 434.3.1 Máy phát tốc để tạo phản hồi điện áp cho mạch vòng điên áp 43

4.3.3 Sen sơ để đo lường dòng cho mạch vòng dòng điện 44

5.1 Sơ lược về Simulink Matlab

46

5.3 Mô phỏng dòng điên, mômen, tốc độ của động cơ 48

100

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây nền kinh tế thế giới đã phát triển rất nhanh chóng,trong đó có Việt Nam, nhất là từ khi nước ta chính thức gia nhập tổ chức kinh tếWTO – một tổ chức kinh tế rất lớn mạnh của thế giới Song song với sự phát triển

về kinh tế đó phải kể đến sự bùng nổ của khoa học công nghệ về điện tử, tin học,các hệ thống truyền động điện tự động ngày càng hiện đại và thông minh hơn đểđáp ứng được các yêu cầu của thực tế các quá trình công nghệ

Đứng trước những biến động và thách thức đó nhà nước ta đã có hàng loạtcác chính sách khuyến khích các tổ chức, cá nhân phát triển sáng tạo ra những thiết

bị về điện để ứng dụng vào sản xuất nhằm phát triển nền kinh tế cao hơn nữa Tathấy hiện nay những thiết bị về tự động hoá của các nước phát triển trên thế giới ồ

ạt lấn chiếm thị trường Việt Nam ta Đặc biệt ta thấy truyền động điện tự động đangđược ứng dụng rất rọng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp nói chung và côngnghiệp mỏ nói riêng

Với tất cả những thách thức và cơ hội đó bản thân em là một sinh viênnghành cơ điện mỏ đang được đào tạo để trở thành một kỹ sư trong tương lai không

xa Em đã được học một số môn học về tự động hoá đặc biệt là môn Truyền độngđiện của thầy giáo – PGS.TS Thái Duy Thức giảng dạy, qua môn học và qua trảinghiệm từ thực tế em đã nghiên cứu tìm tòi, đọc các tài liệu liên quan đến lĩnh vực

tự động hoá em đã tích luỹ được một vốn kiến thức nho nhỏ với hy vọng sẽ làmđược điều gì đó có ích để ứng dụng vào thực tế sản xuất Sau khi kết thúc môn họcTruyền động điện và được thầy giáo giao đề tài thiết kế môn học là: “THIẾT KẾ

BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP” em

đã thu thập tài liệu tham khảo để tính toán thiết kế theo yêu cầu nhưng không thểtránh khỏi thiếu sót và sai lầm Qua đây em rất mong được sự chỉ bảo, góp ý của quíthầy giáo và bạn bè đồng nghiệp để em rút kinh nghiệm bổ xung cho đồ án đượchoàn thiện hơn

Em xin trân thành cảm ơn quý thầy cô!

Sinh viên

Sinh viªn thùc hiÖn: Qu¸ch Trêng S¬n

Líp : C¬ ®iÖn K49 – U«ng BÝ U«ng BÝ

4

150

Quách Trường Sơn

CHƯƠNG I

TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ CỦA ĐỘNG CƠ

1.1 Các thông số cơ bản của động cơ

Theo nhiệm vụ thiết kế thì động cơ đã cho là loại é52 các thông số kỹ thuật

cho ở bảng 1.1 dưới đây:

Bảng1.1 Kiểu Pđm

KW

n vg/

ph

Iđm

A

Rư+rcp

Ù

rcks

Ù

Số thanh dẫn tác dung của phần ứng N

Số nhánh song song của phần ứng 2a

Số vòng dây một cực của cuộn song song

ự kcs

Từ thông hữu ích của một cực ễ, mVb

Dòng kích từ song song định mức iđm, A

Tốc độ quay cho phép cực đại vg/ph

Mô men quán tính của phần ứng J, kgm 2

Khối lượng của động

cơ Q, kg

Sơ đồ đấu bình thường của động cơ kích từ độc lập cho ở hình 1.1 Cuộn kích

từ của động cơ được cấp điện từ một nguồn độc lập

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG I 5

TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ CỦA ĐỘNG CƠ 5

1.1 Các thông số cơ bản của động cơ 5

Từ các thông số của bảng 1.1 ta tính được các tham số như sau:

E

Uđm

U

kt

I

ư

Hình 1.1

ựđm = 0,105.nđm

Trong đó: nđm = 1000 vg/phThay vào công thức ta có:

ựđm = 0,105.1000 = 105 rad/s

- Mô men định mức:

dm

dm dm

P M





Trong đó: Pđm = 4500 kW

ựđm = 105 rad/sThay các thông số vào công thức ta có:

86,42105

73,82,25

1.3 Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ é52.

Phương trình đặc tính cơ tự nhiên của động cơ một chiều kích từ độc lập é52:

2

)( 





K

R M K

* Xác định hệ số Kễ: để xác định hệ số Kễ chúng ta căn cứ vào phương trình

đặc tính cơ điện tự nhiên của động cơ:

Sinh viªn thùc hiÖn: Qu¸ch Trêng S¬n

Líp : C¬ ®iÖn K49 – U«ng BÝ U«ng BÝ

6

200

632,0.2,25220

+ Điểm thứ hai có toạ độ: (M = Mđm = 42,86 Nm; ự = ựđm = 105 rad/s)

Hay là toạ độ điểm II: (42,86 ; 105)

Từ hai toạ độ điểm I và II ta dựng được đồ thị như sau:

* Dựng đặc tính cơ tự nhiên bằng cách sử dụng cấu trúc Matlab (hình 1.3):

Hình 1.2

ự

ự0ự

đm

Mđm

MI

II

Ta được đường đặc tính cơ tự nhiên như hình 1.4 dưới đây:

Sinh viªn thùc hiÖn: Qu¸ch Trêng S¬n

Líp : C¬ ®iÖn K49 – U«ng BÝ U«ng BÝ

8Hình 1.3

Hình 1.4

wCHƯƠNG II

PHƯƠNG PHÁP CẤP ĐIỆN CHO ĐỘNG CƠ

Để mà cung cấp điện cho động cơ về mặt lý thuyết ta có các giải pháp nhưsau:

Cung cấp điện cho động cơ bằng một máy phát riêng

Cung cấp điện cho động cơ bằng một máy phát riêng có sơ đồ nguyên lý nhưhình 2.1 dưới đây:

Trên sơ đồ máy phát F được truyền động bởi một động cơ không đồng bộ

ĐCKĐBBB

Hình 2.1

250

- Ưu điểm: - Điện áp ra của máy phát bằng phẳng hơn là chỉnh lưu

- Nhược điểm: - Máy phát khi làm việc gây tiếng ồn, gây tia lửa điện, gây

nhiễu đến các thiết bị khác

- Gây tổn thất năng lượng lớn, nhất là ở những hệ luônthường xuyên khởi động, hãm và điều chỉnh tốc độ Khi điềuchỉnh tốc độ xuống càng thấp thì tổn thất năng lượng càng lớn

- Quá trình quá độ chậm hơn so với dùng các thiết bị điệntử

- Thiết bị lắp đặt cồng kềnh, giá thành cao

Giải pháp dùng chỉnh lưu có điều khiển

+ Nguyên lý làm việc:

Sử dụng chỉnh lưu có điều khiển ở đây ta dùng chỉnh lưu cầu ba pha có điềukhiển có sơ đồ nguyên lý như hình 2.2 duới đây:

Sinh viªn thùc hiÖn: Qu¸ch Trêng S¬n

Líp : C¬ ®iÖn K49 – U«ng BÝ U«ng BÝ

u

d 300

50

Sơ đồ nguyên lý của chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển như trên hình 2.2

Nó gồm có 6 tiristor và chia làm hai nhóm là catốt chung (T1, T3, T5) và anốt chung (T2, T4, T6) Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp lệch nhau 1200

U i

Sinh viªn thùc hiÖn: Qu¸ch Trêng S¬n

Líp : C¬ ®iÖn K49 – U«ng BÝ U«ng BÝ

12

350

+ Ưu nhược điểm:

- Ưu điểm: - Dòng chỉnh lưu tương đối phẳng

- Động cơ ít bị ảnh hưởng bởi các sóng hài bậc cao, không gây tiếng ồn, gây tia lửa và không làm nhiễu đến thiết bị khác

- Điện áp ra thay đổi được bằng cách thay đổi góc mở của tiristor

- Thiết bị nhỏ gọn không cồng kềnh dễ bố trí, lắp đặt

- Nhược điểm: Điện áp ra của chỉnh lưu không được bằng phẳng như điện áp

ắc quy mà nó chứa cả thành phần xoay chiều cùng với một chiều

* Kết luận:

Sau khi phân tích sơ đồ nguyên lý và phân tích ưu nhược điểm của hai giải pháp trên đây ta thấy giải pháp thứ hai là dùng chỉnh lưu có nhiều ưu điểm vượt trộihơn so với dùng hệ thống máy phát để điều chỉnh tốc độ động cơ

Hơn nữa ta thấy trong giai đoạn hiện nay việc thay thế thiết bị điện tử đang làgiả pháp tối ưu đối với ngành công nghiệp nói chung đặc biệt là trong ngành công nghiệp mỏ nói riêng

Chính vì những lý do như vậy nên ở đây ta chọn giải pháp thứ hai là dùng chỉnh lưu có điều khiển để cấp điện cho động cơ kích từ độc lập é52- công suất 4,5kW-tốc độ 1000 vg/ph

CHƯƠNG III

PHƯƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG - HÃM - ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

Khởi động động cơ một chiều kích từ độc lập

Từ phương trình cân bằng áp của động cơ:

U = E + Iư Rư

Trong đó: E : Sức điện động của động cơ (V)

Iư : Dòng điện phần ứng (A)

Rư : Điện trở mạch phần ứng của động cơ (Ù)

Ta xác định được dòng của động cơ khi làm việc ở chế độ động cơ:

u u

u

R

K

U R

E U

Tại thời điểm khởi động ự = 0 do đó dòng khởi động có giá trị :

u nm u

R

U I

Đối với động cơ này: I u I nm 348,1 13,8.I dm

632,0

Để giảm dòng khởi động ta có hai biện pháp Biện pháp thứ nhất là tăng điện trởmạch phần ứng Biện pháp thứ hai là giảm điện áp đấu vào động cơ

* Kết luận : ở đây động cơ là động cơ kích từ độc lập é52- công suất

4,5kW-tốc độ 1000 vg/ph Vì là động cơ có công suất nhỏ nên ta sử dụng biện pháp thứ hai

là giảm điện áp đấu vào động cơ Cụ thể là ta sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha để thay đổi điện áp đấu vào động cơ

Sinh viªn thùc hiÖn: Qu¸ch Trêng S¬n

Líp : C¬ ®iÖn K49 – U«ng BÝ U«ng BÝ

14

400

* Nguyên lý điều chỉnh điện áp nguồn:

Để nghiên cứu tổng quát hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ kích từ độc lập bằngcách thay đổi điện áp nguồn chúng ta nghiên cứu sơ đồ tổng quát như hình 3.1.Trong đó Đ là động cơ một chiều kích từ độc lập, B là bộ biến đổi Bộ biến đổi ởđây là bộ biến đổi tĩnh có điều khiển ( chỉnh lưu cầu ba pha) Bộ biến đổi này cóchức năng biến năng lượng xoay chiều thành năng lượng một chiều có S.đ.đ EB điềuchỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Uđk

ở đây bộ biến đổi là bộ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển, nguyên lý làm việc như

đã trình bày ở mục 2.2 của chương II trang 7

Với sự phân tích sơ đồ nguyên lý hình vẽ hình 2.2 và hình 2.3 Sau khi thay đổi điện áp ta có các đường đặc tính cơ là các đường song song với nhau và các đường đặc tính nhân tạo nằm ở phía dưới đường đặc tính cơ tự nhiên như hình vẽ 3.3 trang 13 bên đây Để vẽ các đường đặc tính cơ ta sử dụng cấu trúc Matlab như hình 3.2 trang 13

Khi khởi động ta có:

Sinh viªn thùc hiÖn: Qu¸ch Trêng S¬n

Líp : C¬ ®iÖn K49 – U«ng BÝ U«ng BÝ

16

Hình 3.2

Hình 3.3

Hình 3.3

  dm

n u

.34,2

632,0.2,25.2arccos

34,2

.2

a) Hãm tái sinh (hãm trả năng lượng về nguồn – hình 3.5)

M

+

MM

M

M

ựự

(ĐC)

Hình 3.4

ựB

+ Khi Mc đổi dấu thì động cơ làm việc tại điểm B: eB = kễựB ; ựB > ự0

nên e > U Lúc này động cơ làm việc như máy phát điện cấp năng lượng cho lướiđấu song song với lưới điện (hình 3.6)

u

u

R

e U

I   dòng đổi chiều suy ra

mô men đổi chiều, tốc độ không đổi chiều mà lại lớn lên

nên trạng thái này là trạng thái hãm, máy phát trả năng

lượng về nguồn, lúc này tải làm cho động cơ trở thành máy

phát (từ động năng → điện năng → về lưới)

Như vậy điều kiện để xảy ra hãm tái sinh là: ự > ự0

Trong thực tế hãm tái sinh xảy ra khi động cơ chuyển từ tốc độ cao sang tốc độthấp (hình 3.7.a) hoặc khi hạ tải (hình 3.7.b)

Sinh viªn thùc hiÖn: Qu¸ch Trêng S¬n

Líp : C¬ ®iÖn K49 – U«ng BÝ U«ng BÝ

18

Hình 3.6

Nâng

Hạ

b) Hãm đấu ngược

Hãm đấu ngược xảy ra khi mà động cơ được đấu để quay theo chiều này nhưngthực tế động cơ động cơ lại quay theo chiều ngược lại do tải hoặc do quán tính.Hãm đấu ngược được thực hiện bằng hai cách

+Cách 1: đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng(hình 3.8)dùng để giảm

tải.

Đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng sao cho mômen ngắn mạch của nó sinh

ra nhỏ hơn mômen cản, nếu mômen cản có tính chất thế thì động cơ sẽ chuyển sangchế độ hãm đấu ngược Động cơ làm việc từ A chuyển

sang B sau đó giảm dần tốc độ và dừng lại tại C

Nhưng mômen ngắn mạch sinh ra nhỏ hơn

mô men cản, do đó dưới tác dụng cử mômen cản

sẽ kéo cho động cơ quay theo chiều ngược lại

và rơi vào trạng thái hãm đấu ngược, tốc độ động

cơ tăng dần và về làm việc ổn định tại D

+ Cách 2: đảo chiều điện áp phần ứng (hình 3.9-dùngkhi dừng máy khẩn cấp)

M

c D(hạ)

A(nâng ự

0

MM

500

Sinh viªn thùc hiÖn: Qu¸ch Trêng S¬n

Líp : C¬ ®iÖn K49 – U«ng BÝ U«ng BÝ

ở hình 3.10.a là động cơ kích từ độc lập làm việc ở chế độ động cơ, hình 3.10.b làđộng cơ kích từ độc lập làm việc ở chế độ hãm động năng, hình 3.10.c là đồ thị vẽđặc tính cơ khi động cơ làm việc ở chế độ hãm động năng.

Tại thời điểm cắt động cơ ra khỏi lưới điện động cơ đang quay với tốc độ tại

A cho nên sđđ của nó sinh ra vẫn có theo chiều cũ nhưng điện áp nguồn đặt vàobằng không:

H u u

R R

e I

CHƯƠNG IV

XÂY DỰNG SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ ĐIỀU

KHIỂN TỰ ĐỘNG – CHỌN THIẾT BỊ BẢO VỆ

Thiết kế mạch lực

4.1.1 Giới thiệu hệ thống van - động cơ: (T- Đ) – (hình 4.1)

Hệ thống van - động cơ có sơ đồ như hình vẽ 4.1 dưới đây:

Sơ đồ trên đây gồm có các phần tử sau:

- Đ: động cơ một chiều kích từ độc lập thực hiện các chức năng biến năng lượng điện một chiều thành cơ năng truyền động cho cơ cấu sản xuất

- BBĐ: là bộ biến đổi van điều khiển thực hiện chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều cung cấp cho động cơ

- Ud: tín hiệu điện áp đặt

- Ft: máy phát tốc thực hiện khâu phản hồi âm tốc độ

- TH & KĐ: khối tổng hợp và khuếch đại tín hiệu

Sinh viªn thùc hiÖn: Qu¸ch Trêng S¬n

Líp : C¬ ®iÖn K49 – U«ng BÝ U«ng BÝ

Hình 4.1

600

- FX: mạch phát xung.

a) Hoạt động của hệ thống.

Giả sử ban đầu hệ thống đã được đóng vào lưới với điện áp thích hợp, lúc này động

cơ vẫn chưa làm việc Khi ta đặt vào hệ thống một điện áp đặt Ud ứng với một tốc

độ nào đó của động cơ, thông qua khâu TH & KH và mạch FX sẽ xuất hiện cácxung đưa tới các chân điều khiển của các van ở bbộ biến đổi, nếu lúc này nhóm vannào đó đang được đặt điện áp thuận van sẽ mở với góc mở ỏ Đầu ra của bộ biến đổiBBĐ có điện điện áp Ud đặt lên phần ứng động cơ dẫn đến động cơ quay với tốc độứng với Ud ban đầu

Trong quá trình làm việc nếu vì một nguyên nhân nào đó làm cho tốc độđộng cơ giảm thì qua biểu thức: Uđk = Ud – ón

Khi n giảm → Uđk tăng → ỏ giảm → Ud tăng → n tăng về điểm làm việc yêu cầu.Khi n tăng quá mức cho phép thì quá trình diễn ra ngược lại Đây là nguyên lý ổnđịnh tốc độ

b) Họ đặc tính cơ của hệ thống

Sức điện động của bộ biến đổi BBĐ:

Eb = Ebm.cosỏ = Ub (Ub = Uư : điện áp đầu ra của bộ biến đổi BBĐ)

Eb = KKĐ.Kb(Ud – ó.n)

bm

d b KD

E

n U

K K

- Phương trình đặc tính cơ điện của hệ thống:

u d d

u b d

d

d b KD u

d d

u b d

d

K

R R K

U K K I

K

R R K

U n

d

u b d

d

d b

K K K

R R K

U K K n

.

.

.

+ Khả năng chịu quá tải về dòng, áp nhỏ, khi có gia tốc dòng và áp du/

dt, di/dt có nguy cơ làm hỏng các van điện tử

+ Sức điện động của bộ biến đổi có dạng đập mạch làm phát sinhthành phần sóng hài bậc cao gây phát nóng động cơ ( có thể khắc phục nhượcđiểm này bằng cách mắc thêm cuộn kháng)

Sinh viªn thùc hiÖn: Qu¸ch Trêng S¬n

Líp : C¬ ®iÖn K49 – U«ng BÝ U«ng BÝ

24

700

Hình 4.3

4.1.3 Tính chọn các thiết bị trong sơ đồ mạch lực

a) Yêu cầu đối với bộ chỉnh lưu

- Nguồn điện xoay chiều: 380V, 50 Hz

- Bộ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển

- Điện áp chỉnh lưu: Ud = 220 V

- Dòng chỉnh lưu: Id = 25,2 A

b) Xác định điện áp không tải chỉnh lưu và điện áp ra của máy biến áp

Bộ biến đổi chỉnh lưucần có giá tri điện áp không tải đảm bảo cung cấp chophần ứng động cơ điện một chiều có các tham số: sức điện động định mức động cơ

Eưđm, sụt áp tổng ở mạch khi dòng phản ứng cực đại Iưmax

ó1Udocosỏmin = ó2Eưđm + ểÄUv + IưmaxRư + ÄUómax

Trong đó:

Udo - điện áp không tải của chỉnh lưu

ó1 - hệ số tính đến sự suy giảm của điện áp lưới: ó1 = 0,95

ó2 - hệ số dự trữ máy biến áp: ó2 = 1,04 ữ 1,.06

ỏmin – góc điều khiển cực tiểu: ỏmin = 120

ểÄUv - tổng sụt áp trên van, mỗi thời điểm chỉ có hai van dẫn nên:

ểÄUv = 2 ÄUv = 2.1,6 = 3,2 V

Iưmax: dòng cực đại phần ứng động cơ: Iưmax = (2ữ2,5)Iưđm ta chọn:

Iưmax = 2,5Iưđm = 2,5.25,2 = 63 A

Eưđm = Uưđm – RưIưđm = 220 – 0,632.25,2 ≈ 204 V

ÄUómax : sụt áp cực đại do trùng dẫn

ÄUómax =

ddm

udm udm

u dm

I

I I

I





Trong đó: Iưđm - là dòng định mức bộ biến đổi có:

Idđm = Iưđm và Iưmax = 2,5Iưđm

 ÄUómax=2,5ÄUóđm = 2,5UdoUkYk

,0.5,0.5,212cos.95,0

63.632,02,3204.02,15

,2

min 1

max 2

u u V udm

do

U Y

I R U E

Sinh viªn thùc hiÖn: Qu¸ch Trêng S¬n

Líp : C¬ ®iÖn K49 – U«ng BÝ U«ng BÝ

26

750

c) Tính chọn biến áp nguồn BAN

BAN đấu theo kiểu Ä/Y, điện áp lưới UL = 380V

Giá trị hiệu dụng điện áp thứ cấp máy biến áp nối Ä/Y:

8,1236

7,289.3

14,36

.3

Tỷ số máy biến áp: k= 3,07

8,123

380

2

U U

Dòng hiệu dụng thứ cấp BA:

58,202,253

23

11

SBA = 1,05.Pd = 1,05UdoIdđm = 1,05.289,7.25,2 = 7665,46 VATra sổ tay chọn máy biến áp tiêu chuẩn có Sđm = 20 KV

d) Tính chọn các Tiristor trong mạch chỉnh lưu

Dòng trung bình qua mỗi Tiristor:

Ivtb = IT = 25,2 8,4

3

13

,214.22

Uv = 1,8.303,4 ≈ 546 VDòng điện của van cần chọn là:

I = KI.ITM = 1,4.21 =29,4 AVậy ta chọn được loại Tiristor dùng cho bộ chỉnh lưu cấp nguồn cho động cơ làloại:

BTW 28A800R do hãng Thomson chế tạo có các thông số (bảng 4.1) sau:

800