hệ thống điều khiển xung áp áp 1 chiều

U: điện áp phần ứng VE: sức điện động phần ứng VR: điện trở mạch phần ứng ΩRf: điện trở phụ trong mạch phần ứng ΩI: dòng điện mạch phần ứng ASuất điện động E đợc tính Ta có Mtt = Mđc = M

Lời cam đoan

Em xin cam đoan đề tài tốt nghiệp này là do em tự thiết kế dới sự hớng dẫn của thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến Các số liệu và kết quả trong đề tài là hoàn thành trung thực

Để hoàn thành bản đồ án này, em chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo

đã đợc ghi trong bảng các tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu nào khác

mà không đợc liệt kê ở phần tài liệu tham khảo

Sinh viên

Phạm Văn Thể

Mục lục

Trang

Lời cam đoan 1

Mở đầu 4 Chơng I: Tổng quan về điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều 5

Đ1 Đặc tính cơ của động cơ một chiều 5

1 Khái niệm đặc tính cơ 5

2 Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập 6

Đ2 Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều 7

1.1 Điều chỉnh điện áp phần ứng 7

1.2 Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ 9

Đ 3 Các hệ truyền động điện động cơ một chiều 10

1 Hệ truyền động F - Đ 10

2 Hệ truyền động T - Đ 11

Chơng 2: Phân tích nguyên tắc điều chỉnh động cơ bằng xung áp một chiều 15

Đ1 Điều chỉnh xung áp mạch đơn 15

1 Sơ đồ nguyên lý 15

2 Phơng trình đồ thị điện áp và dòng điện 16

3 Đặc tính cơ 20

Đ2.1 Điều chỉnh xung áp Mạch kép 22

1 Sơ đồ nguyên lý 22

2 Phơng trình đồ thị dòng điện và điện áp 24

3 Đặc tính cơ 26

Đ3 Điều khiển đối xứng 27

1 Sơ đồ và nguyên lý 27

2 Đồ thị dòng điện và điện áp 28

3 Đặc tính của động cơ 29

Đ4 Điều khiển không đối xứng 29

Chơng III: Tính toán các phần tử mạch lực 31

Đ3.1 Mô tả sơ đồ mạch lực 31

Đ3.2 Tính chọn mạch điều chỉnh điện áp 32

1 Tính chọn các phần tử của bộ chỉnh lu cầu 1 pha hai nửa chu kỳ 32

Chơng IV: Thiết kế mạch điều khiển 37

Đ4.1 Phân tích sơ đồ 37

1 Sơ đồ 37

2 Phân tích sơ đồ 38

Chơng V: Thiết kế hệ thống kín 45

Đ5.1 Đặc tính cơ của hệ thống hở 45

1 Xây dựng phơng trình đặc tính cơ 45

2 Đồ thị 45

Đ5.2 Tính toán trong hệ kín 46

1 Sơ đồ 46

2 Phơng trình đặc tính cơ của hệ thống kín 46

Đ5.3 Tính chọn hệ thống kín 47

Đ5.4 Tính toán sơ đồ của bộ điều chỉnh và khâu ngắt 52

Kết luận 54 Tài liệu tham khảo 55

Mở đầu

Trong những năm gần đây, xu thế công nghiệp hoá, hiện đại hoá đã mang lại rất nhiều thay đổi cho đất nớc Đặc biệt là trong ngành tự động hoá và có nhiều tiềm năng phát triển rất to lớn trong mọi lĩnh vực của cuộc sống Tự động hoá mang lại nhiều lợi ích cho con ngời nh tăng năng suất lao động, giảm công nhân đặc biệt trong môi trờng độc hại thì tự động hoá đảm nhận

Trong phần lớn các nhà máy, phân xởng đều có sự góp mặt của tự động hoá Trong các dây truyền sản xuất, máy móc sử dụng truyền động điện bằng xung áp một chiều rất nhiều Sử dụng hệ thống này độ an toàn cao

Đồ án này đề cập đến vấn đề nghiên cứu và thiết kế hệ thống truyền động

điện bằng xung áp một chiều

Nội dung của đồ án chia làm 5 chơng:

Sinh viên

Phạm Văn Thể

Chơng I: Tổng quan về điều chỉnh tốc độ động

cơ một chiều

Đ1 Đặc tính cơ của động cơ một chiều.

1 Khái niệm đặc tính cơ

Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và momen của

động cơ ta có đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, nếu động cơ vận hành ở chế độ

định mức Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham

số nguồn hoặc nối thêm các điện trở, điện kháng vào động cơ

Để đánh giá về đặc tính cơ và so sánh nó ngời ta đa ra khái niệm độ cứng

(1) AM

∆ω 2

∆ω 1

ω

Hình 1.1

U: điện áp phần ứng (V)E: sức điện động phần ứng (V)R: điện trở mạch phần ứng (Ω)

Rf: điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω)I: dòng điện mạch phần ứng (A)Suất điện động E đợc tính

Ta có Mtt = Mđc = M (1.4)

Có hai phơng pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều.

a Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng của động cơ

b Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ

1.1 Điều chỉnh điện áp phần ứng

Điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lu điều khiển Các…

thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lợng điện xoay chiều thành một chiều.

Hình 1.5

ở chế độ xác lập có thể viết đợc phơng trình đặc tính của hệ thống nh sau:

Để xác định dải điều chỉnh tốc độ Ta thấy tốc độ lớn nhất của hệ thống

bị chặn bởi đặc tính cơ cơ bản Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về momen khởi động Khi momen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của hệ thống là:

R b I R ưđ

E ư

1.2 Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ.

Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ chính la điều chỉnh từ thông kích từ Để điều chỉnh ta phải điều chỉnh momen điện từ của động cơ M= KφI

và sức điện động quay của động cơ Vì mạch kích từ của động cơ là phi tuyến, vì thế hệ điều chỉnh này cũng là hệ phi tuyến

rk: điện trở dây quấn kích từ

rb: điện trở nguồn điện áp kích từ

ωk: số vòng dây của dây quấn kích thích

Thờng khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng đợc giữ nguyên bằng

đm Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện

Đ 3 Các hệ truyền động điện động cơ một chiều.

1 Hệ truyền động F - Đ

Hệ thống máy phát động cơ F - Đ là một hệ truyền động điện mà bộ biến

đổi điện là máy phát điện một chiều kích từ độc lập, máy phát này thờng do

động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha điều khiển quay máy phát đợc xác định bởi hai đặc tính

F KF

K R I U

Kφ Kφ

( )2

F KF

khăn và phức tạp hơn truyền động F-Đ Có hai nguyên tắc cơ bản để xây dựng

hệ truyền động T-Đ đảo chiều

Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ động cơ

BĐ1

K2 BĐ2

R L E

1

2

U d I

sao cho Ed1 ≤ Ed2 thì dòng chỉ có thể chạy

từ BĐ1 sang động cơ mà không thể chạy từ BĐ1 sang BĐ2 đợc Để đạt đợc trạng thái này cần có góc điều khiển phải thoả mãn điều khiển

α2 ≥π - α1

Nếu tính đến góc chuyển mạch à và góc khoá δ thì giá trị lớn nhất của góc điều khiển của bộ biến đổi đang ở chế độ nghịch lu là:

αmax = π - (àmax + δ)Nếu chọn Ed1 = Ed2 thì:

c Đặc điểm.

Ưu điểm nổi bật của hệ T - Đ là độ tác động nhanh cao không gây ồn và

dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất lớn Điều

đó rất thuận tiện trong việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng

để nâng cao chất lợng

Nhợc điểm của hệ thống T-Đ là các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng

điện áp ra có biên độ đập mạnh cao, gây tổn thất phụ trong máy điện, còn làm xấu điện áp nguồn và lới xoay chiều

Điều chỉnh xung điện áp 4 chiều:

Dòng điện và điện áp của động cơ UĐ, i chỉ có giá trị dơng khi khoá S thông ta có UD = UN, i = iN khi khoá S ngắt iN = 0, UĐ = 0 và i = iDo

Do tác dụng duy trì dòng của cuộn cảm L

Nếu đóng ngắt khoá S với tần số không đổi thì hoạt động của mạch tơng

tự nh của chỉnh lu một pha, nửa chu kỳ

UĐ = E + ∆UL + ∆UR

I = Imax = Imin = U E

R

−

Các giá trị trung bình của điện áp và dòng điện phần ứng là UĐ, I và do đó sức

điện động E của động cơ khi đóng và ngắt liên tục khoá S, sẽ đợc xác định khi biết luật đóng ngắt khoá và các thông số của mạch Nếu đóng ngắt khoá S với

tần số không đổi thì hoạt động của mạch tơng tự nh của chỉnh lu một pha nửa chu kỳ.

2 Phơng trình đồ thị điện áp và dòng điện.

Hình: 2.2

Trên hình 2.2 mô tả qúa trình dòng điện và điện áp trong chế độ dòng

điện liên tục

Nếu coi Sđđ E không đổi trong một chu kỳ đóng ngắt của khoá S thì nghiệm của phơng trình (2.2) là:

( ® ­ )

­

t / T N

Nếu thời gian thông của khoá S giảm đến một giá trị tới hạn nào đó

tđ=tđgh thì dòng điện Imin = 0 và hệ thống sẽ làm việc ở trạng thái biên giới chuyển từ chế độ dòng điện liên tục sang chế độ dòng điện gián đoạn

Hình 2.3

Với các điều kiện biên của chế độ này từ (2.7) ta có

( ®gh )( ­ )

­

t / T T / T

T / T N

Imax = UN E( t / T ® ­ )

1 eR

Ta có:

Dòng điện ở chế độ biên liên tục là:

Iblt = 1

2 Imax = ( ) ( t ®gh /T ­ )

ρ − ρ1

ρ + σ

(2.20)

Sử dụng (2.17) và (2.19) xác định được biên giới liên tục, chính là đường có dạng nửa elíp vẽ bằng nét đứt ở hình H2.5 giá trị cực tiểu của I là:

Iblt = 0 tại ω = 0 và tại ω = ωmax

Cỏc giỏ trị khỏc của Iblt phụ thuộc vào ρ và σ và UN và đạt giỏ trị cực đại

σTại giỏ trị tới hạn của ρ

ρth = 1( )

1+ σ −1σ

Đ2.1 Điều chỉnh xung áp Mạch kép

1 Sơ đồ nguyên lý

Hình: 2.5

Để hệ truyền động có thể làm việc ở chế độ hãm tái sinh, có thể dùng sơ

đồ điều chỉnh trên Trong đó dòng điện phần ứng có thể đảo dấu, song Sđđ động cơ chỉ có chiều dơng Khi khoá S1 và van D1 vận hành dòng điện phần ứng luôn dơng Công suất điện từ của động cơ là:

Máy điện làm việc ở chế độ động cơ, quá trình dòng điện và điện áp đợc mô tả nh ở phần mạch đơn.

Để đảo chiều dòng điện ta đa khoá S2 và van D2 vào vận hành còn khoá S1

bị ngắt Nếu E > 0 thì sẽ có dòng điện chạy ngợc lại chiều ban đầu do trong mạch chỉ có một nguồn duy nhất cấp là Sđđ E

Công suất điện từ của động cơ là:

Pđt = I E > 0 (2.22)Công suất điện từ đợc tích vào điện cảm L Khi S2 ngắt trên điện cảm L sinh ra Sđđ này trở lên lớn hơn điện áp nguồn UN làm van D2 dẫn dòng ngợc về nguồn và trả lại nguồn phần năng lợng đã tích lũy trong điện cảm L trớc đó

Nếu các tín hiệu điều khiển các khoá nh hình (2.7) sao cho giá trị trung bình của dòng điện phần ứng là dơng thì máy điện làm việc ở chế độ động cơ ở góc phần t thứ nhất của mặt phẳng toạ độ [ω, I]

Một đặc điểm của bộ băng xung loại nh trên là do dòng điện phần ứng có phần âm nên giá trị trung bình của nó có thể nhỏ bỏ kỳ, thậm chí bằng không và truyền động không có chế độ dòng điện gián đoạn Dòng điện phần ứng của ĐX

- Đ loại B bao gồm 4 đoạn ứng với góc dẫn của 4 phần tử bán dẫn đó là:

S1, D1 và S2, D2

2 Phơng trình đồ thị dòng điện và điện áp

Từ các phơng trình (2.1) và (2.4) với các điều kiện đầu tơng ứng có thể tìm lại đợc các giá trị Imax, Imin giống nh các biểu thức (2.6) và (2.7) Nếu nh Imax

> 0 và Imin < 0 nh trên hình (Hình 2.6) thì truyền động sẽ làm ở góc phần t thứ nhất Nếu dòng trung bình I > 0 và ở góc phần t thứ II nếu dòng trung bình I < 0 khi điều chỉnh ρ sao cho Imax < 0 và do đó dòng điện phần ứng của động cơ I < 0

thì hệ thống làm việc ở góc thứ III khoá S1 và van D1 không dẫn dòng Quá trình

đó đợc mô tả ở hình dới nh sau:

3 Đặc tính cơ.

Hình:2.8

Đặc tính cơ của động cơ trong hệ thống này là các đờng thẳng liên tục, chạy song song nhau từ góc thứ I sang góc thứ II của mặt phẳng [ω, I]

Đ3 Điều khiển đối xứng.

Giá trị trung bình qua diốt.

Đ4 Điều khiển không đối xứng.

Trong sơ đồ này với mỗi chiều dòng điện, chỉ có một cặp van mắc thẳng hàng, làm việc đóng cắt ngợc pha nhau, còn 2 van kia sẽ có 1 van khoá hoàn toàn và 1 van luôn luôn sẵn sàng mở

Các biểu thức tính toán tơng tự nh mạch không đảo chiều Đồ thị dòng và

điện áp

H×nh 2.11

Chơng III: Tính toán các phần tử mạch lực

Đ3.1 Mô tả sơ đồ mạch lực.

Sơ đồ gồm có tụ C, điốt, van, động cơ

Tụ C có tác dụng lọc lới điện cho ổn định và phẳng Các van Transitor có tác dụng nh các khoá để đảo chiều quay động cơ

Các điốt có tác dụng nh 1 bộ cầu tạo ra dòng một chiều

Đ3.2 Tính chọn mạch điều chỉnh điện áp.

Chu kỳ làm việc của Transitor là:

3 3

Chọn ρ = 0,8 ở chế độ định mức

Suy ra: tđ = 0,8 0,5 10-3 = 0,4 10-3 (s)

1 Tính chọn các phần tử của bộ chỉnh lu cầu 1 pha hai nửa chu kỳ.

Trong phơng pháp điều chỉnh không đối xứng ta có:

Tụ C lọc phẳng điện áp nên điện áp vào bộ phận chỉnh lu là:

U2 = UN UN

.1,22

+ ∆

U2 = 275 0,05.275.1,2

2+

∆Suy ra:

3

9,3.8,6.10C

c Tính chọn Diốt của bộ chỉnh lu.

Điện áp ngợc lớn nhất đặt lên điốt là:

Tt0,01236.

Ch¬ng IV: ThiÕt kÕ m¹ch ®iÒu khiÓn

2 Phân tích sơ đồ.

a Khâu tạo xung răng ca.

Hình 4.1.

Đây là khâu tạo xung răng ca sơ đồ gồm 4 điện trở R1 ữ R4 và 2 IC

Đồ thị của khâu tạo xung răng ca

Hình 4.2.

b Khâu tạo khuếch đại đảo.

* Sơ đồ

Hình 4.3

Khâu tạo xung khuếch đại dảo Khi xung răng ca đa vào bộ khuếh đại xung răng ca đợc đảo lại và đa vào bộ chỉnh định.

* Đồ thị của khâu khuếch đại đảo

Ui

-R 9

+

-R 10

U fi

Hình 4.5.

-+ -

Suy ra: -U2 = U2max – U2max.

−

=

Kφ =1,84

b Xác định hệ số khuếch đại bộ biến đổi:

Đồ thị điện áp khâu phát xung RC và so sánh có dạng nh hình 5.5

Ta cã: ρ = 1 ®k

rm

Ut

KB = N

rm

34,3752U = 2.4 =

c Tính hệ số khuếch đại bộ điều chỉnh K R

∆ωcf = đk cp

cp

S

D 1 S

ω

−Trong đó: D là đặt điều chỉnh tốc độ

®m R

K Φ

R

U U R

1

R

R X R

Chän R6 = 10 (KΩ)

Suy ra: R5 = Kng R6

R5 = 16,8 10

R5 = 168 (KΩ)

Tài liệu tham khảo

1 Phạm Quốc Hải; Dơng Văn Nghi - Điện tử công suất.

Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật - năm 1997

2 Bùi Quốc Khánh; Phạm Quốc Hải; Nguyễn Văn Liễn; Dơng Văn Nghi -

Điều chỉnh tự động truyền động điện.

Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật năm 1994

3 Bùi Quốc Khánh; Nguyễn Văn Liễn; Nguyễn Thị Hiền - Truyền động điện.

Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật năm 1994