Nghiên cứu và thiết kế hệ thống truyền động điện bằng xung áp một chiều

MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, xu thế công nghiệp hoá, hiện đại hoá đã mang lại rất nhiều thay đổi cho đất nước. 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 người như tăng năng suất lao động, giảm công nhân đặc biệt trong môi trường độc hại thì tự động hoá đảmnhận. Trong phần lớn các nhà máy, phân xưởng 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 chương: Chương I: Tổng quan về điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều. Chương II: Phân tích nguyên tắc điều chỉnh động cơ bằng xung áp một chiều. Chương III: Thiết kế mạch lực Chương IV: Thiết kế hệ thống kín. Chương V: Tính toán các phần tử của mạch lực. Đồ án này thực hiện với sự giúp đỡ của thầy giáo Nguyễn Mạnh Tiến cùng các thầy cô trong bộ môn. Nội dung đồ án chắc chắn còn nhiều thiếu sótrất mong các thầy, cô giáo đóng góp bổ sung để đồ án được hoàn thiện hơn. KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu và tìm hiểu, kết hợp thực hiện với lý thuyết, theo sự hướng dẫn của thầy giáo. TS. Nguyễn Mạnh Tiến và các thầy cô trong bộ môn. Đồ án đã hoàn thành với các mục tiêu đề ra. Đưa ra được nguyên lý hoạt động của hệ thống, mạch lực của hệ thống, các hệ thống kín, hở. Hệ thống điều chỉnh bằng xung áp một chiều là một hệ thống điều chỉnh phức tạp. Gồm nhiều khâu như phản hồi âm tốc độ, phản hồi âm dòng điện, các sơ đồ mạch lực. Điều khiển động cơ bằng cách dùng xung đóng mởcác van.

TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, xu thế công nghiệp hoá, hiện đại hoá đã

mang lại rất nhiều thay đổi cho đất nước 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 người như tăng năng suất lao

động, giảm công nhân đặc biệt trong môi trường độc hại thì tự động hoá đảm

nhận

Trong phần lớn các nhà máy, phân xưởng 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 chương:

Chương I: Tổng quan về điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

Chương II: Phân tích nguyên tắc điều chỉnh động cơ bằng xung áp

một chiều

Chương III: Thiết kế mạch lực

Chương IV: Thiết kế hệ thống kín

Chương V: Tính toán các phần tử của mạch lực

Đồ án này thực hiện với sự giúp đỡ của thầy giáo Nguyễn Mạnh Tiến

cùng các thầy cô trong bộ môn Nội dung đồ án chắc chắn còn nhiều thiếu sót

rất mong các thầy, cô giáo đóng góp bổ sung để đồ án được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG

CƠ MỘT CHIỀU

§1 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 người ta đưa ra khái niệm độ

(1)AM

Δω2

Δω1

ω

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

φ: từ thông kích từ dưới 1 cực ω: tốc độ góc

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì

§2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

Có hai phương 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 lưu điều khiển… Các

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

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

Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của điều chỉnh phải

có momen ngắn mạch

Mnmmin = Mcmax = KM.Mđm

Đồ thị đặc tính cơ là đường thẳng song song như hình 1.6

Đ BBĐ

E ư

Hình 1.6

Trong suốt quá trình điều chỉnh điện âp phần ứng thì từ thông kích từ

được giữ nguyên, Mômen cho phép động cơ được tính:

Mcp = K.φđm.Iđm = Mđm (1.16)

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=

KφIư 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

Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng được 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

§ 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

thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha điều khiển quay máy phát

được xác định bởi hai đặc tính

Nếu đặt R = RưF + RưĐ

Ta có thể viết được phương trình của đặc tính của hệ F - Đ

.

F KF

( )2

F KF

U

ω = ω −

β (1.21)

Từ các biểu thức ta thấy, khi điều chỉnh dòng điện kích thích của máy

phát thì điều chỉnh tốc độ không tải của hệ thống

* Chế độ làm việc

Trong hệ không có phần tử phi tuyến nào nên hệ có những đặc tính

động rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển các trạng thái làm việc

Với sơ đồ H1.7 động cơ chấp hành Đ có thể làm việc ở chế độ điều

chỉnh cả hai chiều, kích thích máy phát và kích thích động cơ Đảo chiều quay

bằng cách đảo chiều dòng kích thích máy phát

* Đặc điểm của hệ F - Đ

Ưu điểm nổi bật của hệ F - Đ là sự chuyển đổi trạng thái rất linh hoạt,

khả năng quá tải lớn Nó thường được dùng ở các máy khai thác công nghiệp

mỏ

Nhược điểm quan trọng của hệ F-Đ là dùng nhiều máy điện quay Gây

ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất gấp ba lần công suất động cơ chấp hành

Ngoài ra do các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hoá có trễ nên khó

Do chỉnh lưu Tiristo dẫn dòng theo một chiều và chỉ điều khiển khi mở

còn khoá theo điện áp lưới dẫn đến truyền động van thực hiện đảo chiều khó

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

từ BĐ1 sang động cơ mà không thể chạy từ BĐ1 sang BĐ2 được Để đạt được

trạng thái này cần có góc điều khiển phải thoả mãn điều khiển

α2 ≥ π - α1

Nếu tính đến góc chuyển mạch μ và góc khoá δ thì giá trị lớn nhất của

góc điều khiển của bộ biến đổi đang ở chế độ nghịch lưu là:

B§1

K2 B§2

R L E 1

2

U d

I

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

α1 + α2 = π

Ta có phương phát điều khiển chung đối xứng, dòng điện trung bình

chảy vòng qua hai bộ biến đổi là

Icb = d1 d2

cb

E ER

+ = 0

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 lượng

Nhược 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 lưới xoay chiều

Điều chỉnh xung điện áp 4 chiều:

Dòng điện và điện áp của động cơ UĐ, i chỉ có giá trị dương 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

tương tự như của chỉnh lưu một pha, nửa chu kỳ

UĐ = E + ΔUL + ΔUR

I = Imax = Imin = U E

R

−

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH NGUYÊN TẮC ĐIỀU CHỈNH

ĐỘNG CƠ BẰNG XUNG ÁP MỘT CHIỀU

§1 ĐIỀU CHỈNH XUNG ÁP MẠCH ĐƠN

Trên hình 2.1: Điện áp và dòng điện của động cơ UĐ, i chỉ có giá trị

dương Khi khoá S thông ta có

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 được 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 tương tự như của chỉnh lưu một

pha nửa chu kỳ

2 Phương trình đồ thị điện áp và dòng điện

UĐ = UN

i = Imin

Nếu coi Sđđ E không đổi trong một chu kỳ đóng ngắt của khoá S thì

nghiệm của phương trình (2.2) là:

Tại thời điểm t = tđ khoá S bắt đầu ngắt

−

− − + (tđ ≤ t < T) (2.6) tại t’ = T - tđ tức là tại t = T, i = Imin

( ® − )

−

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

(®gh )( − )

−

T / T N

ρ = t®T

σ =

−

TT

Tại trạng thái biên liên tục và trong vùng dòng điện gián đoạn do Imin=0

Dòng điện này xẽ bằng không tại thời điểm t = tx hoặc t’ = tx - tđ thay

các điều kiện vào (2.11) ta có:

mạch và các giá trị UN, E tương ứng ta có thể tìm được tđgh

3 Đặc tính cơ

Để xây dựng đặc tính cơ cần tìm giá trị trung bình của điện áp và dòng

điện của động cơ

chế độ dòng điện gián đoạn, trong chế độ này do mômen điện từ gián đoạn

mà đặc tính cơ trở nên rất mềm Để xác định đặc biên giới giữa vùng dòng

điện gián đoạn và vùng dòng liên tục

− − = ( N blt)

1 U K 1

2R φ

ρ − ω

ρ +σ

(2.19)

Vì chế độ biên liên tục thuộc vùng dòng điện liên tục tức là phương

trình đặc tính (2.17) vẫn thoả mãn Thay (2.17) vào (2.18) ta có:

Iblt = UN (1 )

.2

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 Iblt là:

Iblt = 0 tại ω = 0 và tại ω = ωmax

Các giá trị khác của Iblt phụ thuộc vào ρ và σ và UN và đạt giá trị cực

đại

2 1 2

2 σ − σ + +σ

Tại giá trị tới hạn của ρ

ρth = 1( )

1+ σ −1σ

§2.1 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 dương Khi khoá S1 và van D1 vận hành dòng điện phần

ứng luôn dương Công suất điện từ của động cơ là:

Pđt = I E < 0 (2.21)

Máy điện làm việc ở chế độ động cơ, quá trình dòng điện và điện áp

được mô tả như ở phần mạch đơn

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

khoá S1 bị ngắt Nếu E > 0 thì sẽ có dòng điện chạy ngược 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 được 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

ngược về nguồn và trả lại nguồn phần năng lượng đã tích lũy trong điện cảm

L trước đó

Nếu các tín hiệu điều khiển các khoá như hình (2.7) sao cho giá trị

trung bình của dòng điện phần ứng là dương thì máy điện làm việc ở chế độ

động cơ ở góc phần tư thứ nhất của mặt phẳng toạ độ [ω, I]

Một đặc điểm của bộ băng xung loại như 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 Phương trình đồ thị dòng điện và điện áp

Từ các phương trình (2.1) và (2.4) với các điều kiện đầu tương ứng có

thể tìm lại được các giá trị Imax, Imin giống như các biểu thức (2.6) và (2.7)

Nếu như Imax > 0 và Imin < 0 như trên hình (Hình 2.6) thì truyền động sẽ làm ở

góc phần tư thứ nhất Nếu dòng trung bình I > 0 và ở góc phần tư 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 được mô tả ở hình dưới như sau:

3 Đặc tính cơ

Hình:2.8 Đặc tính cơ của động cơ trong hệ thống này là các đường thẳng liên

tục, chạy song song nhau từ góc thứ I sang góc thứ II của mặt phẳng [ω, I]

§3 ĐIỀU KHIỂN ĐỐI XỨNG

1 SƠ ĐỒ VÀ NGUYÊN LÝ

Trong phương pháp điều chỉnh này các cặp van lẻ và chẵn thay nhau

đóng cắt Điện áp ra tải có 2 dấu +E và -E do đó giá trị trung bình của nó là:

Ut =

T

t 0

⎛ − ⎞

⎜ ⎟

⎝ ⎠

Ut = EN (2γ - 1) (2.2)

Giá trị trung bình qua diốt

§4 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 ngược 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 tương tự như mạch không đảo chiều Đồ thị

dòng và điện áp

UđkT1

tt

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN CÁC PHẦN TỬ MẠCH LỰC

§3.1 MÔ TẢ SƠ ĐỒ MẠCH LỰC

§

L1

Sơ đồ gồm có tụ C, điốt, van, động cơ

Tụ C có tác dụng lọc lưới điện cho ổn định và phẳng Các van Transitor

có tác dụng như các khoá để đảo chiều quay động cơ

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

Động cơ có các thông số sau:

Công suất động cơ: Pđm = 1,5 kW

§3.2 TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP

Chu kỳ làm việc của Transitor là:

3 3

Mạch điều chỉnh xung áp điện 1 chiều có đảo chiều quay, điều khiển

theo nguyên tắc đối xứng

Thời gian Transitor đóng trong 1 chu kỳ là: tđ

Ta có hệ số: td

T

ρ =Suy ra: tđ = ρ T

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 lưu cầu 1 pha hai nửa chu kỳ

Trong phương pháp điều chỉnh không đối xứng ta có:

Ut = ρ UN Trong đó: Ut: điện áp trên tải

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

U2 = UN UN

.1,22

+ Δ

U2 = 275 0, 05.275.1,2

2+

Từ 2 thông số trên dựa vào quyển điện tử công suất chọn van MOSFET

của hãng FAI RCHILD

9,3.8,6.10C

c Tính chọn Diốt của bộ chỉnh lưu

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên điốt là:

⎛ ⎞

− ⎜⎜ − ⎟⎟+

⎝ ⎠

= → =

L = 23,46 10-3 (H) Điện cảm Lư của động cơ được tính như sau:

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

2 Phân tích sơ đồ

a Khâu tạo xung răng cưa

Hình 4.1

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

Đồ thị của khâu tạo xung răng cưa

Hình 4.3

Khâu tạo xung khuếch đại dảo Khi xung răng cưa đưa vào bộ khuếh đại xung

răng cưa được đảo lại và đưa vào bộ chỉnh định

* Đồ thị của khâu khuếch đại đảo

tT

-R 9

+

-R 10

U fi

d Bộ so sánh

Hình 4.6

tT

Suy ra: -U2 = U2max – U2max.

2 Đồ thị

Hình 5.2

§5.2 TÍNH TOÁN TRONG HỆ KÍN

1 Sơ đồ

Hình 5.3

Sơ đồ hệ thống kín gồm có 2 khâu

Khâu phản hồi âm tốc độ

Khâu phản hồi âm dòng có ngắt

2 Phương trình đặc tính cơ của hệ thống kín

φ

−

=

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 như hình 5.5

Ta có: ρ = 1 ®k

rm

Ut

T =2U

Ta chọn điện áp răng cưa: Urm = 4 (V)

Ta có: Ed = ρ UN = ®k

N rm

U.U2U

Mà: Ed = KB Uđk = KB Uđk

KB = N

rm

U 275

34,3752U = 2.4 =

c Tính hệ số khuếch đại bộ điều chỉnh K R

Δωcf = ®k cp

cp

S

D 1 S

ω

−Trong đó: D là đặt điều chỉnh tốc độ

®m R

Ta chon R1 = R2 = R3 = 10 (KΩ)

Suy ra: R4 = R1 KR

R4 = 10 14,34

Chọn R6 = 10 (KΩ)

Suy ra: R5 = Kng R6

R5 = 16,8 10

R5 = 168 (KΩ)

KẾT LUẬN

Sau thời gian nghiên cứu và tìm hiểu, kết hợp thực hiện với lý thuyết,

theo sự hướng dẫn của thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến và các thầy cô

trong bộ môn Đồ án đã hoàn thành với các mục tiêu đề ra Đưa ra được

nguyên lý hoạt động của hệ thống, mạch lực của hệ thống, các hệ thống kín,

hở

Hệ thống điều chỉnh bằng xung áp một chiều là một hệ thống điều

chỉnh phức tạp Gồm nhiều khâu như phản hồi âm tốc độ, phản hồi âm dòng

điện, các sơ đồ mạch lực Điều khiển động cơ bằng cách dùng xung đóng mở

các van

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Phạm Quốc Hải; Dương 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; Dương 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