Nghiên cứu thiết kế hệ truyền động điện T-Đ có đảo chiều điều khiển chungcho động cơ một chiều kích từ độc lập

I. NỘI DUNG :Nghiên cứu thiết kế hệ truyền động điện T-Đ có đảo chiều điều khiển chung cho động cơ một chiều kích từ độc lậpII. SỐ LIỆU CHO TRƯỚC :Động cơ một chiều kích từ độc lập có các thông số sau :P = 22 Kw ;Uđm = 400 V ;Uktđm = 200 V ; Iđm = 60 A ;Iktđm = 5 A ; nđm = 750 vòng/phút ;III. NHIỆM VỤ :Chương 1:Khái quát chung về hệ truyền độngChương 2:Tính chọn mạch lực thiết bị bảo vệChương 3:Tổng hợp và mô phỏng bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độChương 4:Thiết kế mạch điều khiển cho bộ chỉnh lưu

BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

***** *****

ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ

-Nguyễn Văn Khoa -Nguyễn Bá Viễn

-Trần Văn Phú - Đỗ Quang Pháp

-Nguyễn Việt Hùng -Võ Thanh Tùng

Giáo viên hướng dẫn : ThS Nguyễn Đăng Toàn

I NỘI DUNG :

Nghiên cứu thiết kế hệ truyền động điện T-Đ có đảo chiều điều khiển chung

cho động cơ một chiều kích từ độc lập

II SỐ LIỆU CHO TRƯỚC :

Động cơ một chiều kích từ độc lập có các thông số sau :

Uktđm = 200 V ; Iđm = 60 A ;

Iktđm = 5 A ; nđm = 750 vòng/phút ;

III NHIỆM VỤ :

Chương 1:Khái quát chung về hệ truyền động

Chương 2:Tính chọn mạch lực thiết bị bảo vệ

Chương 3:Tổng hợp và mô phỏng bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ

Chương 4:Thiết kế mạch điều khiển cho bộ chỉnh lưu

Sinh viên hoàn thành thiết kế đồ án

Ngày … tháng … năm 2012 Ngày … tháng … năm 2012

Ngày … tháng … năm 2012

Giáo viên duyệt

Kết quả bảo vệ :

LỜI NÓI ĐẦU

Truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng của một côngnghệ sản suất Đặc biệt trong dây truyền sản xuất tự động hiện đại , truyền động điệnđóng góp vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.Vìvậy các hệ truyền động điện luôn luôn được quan tâm nghiên cứu nâng cao chất lượng

để đáp ứng các yêu cầu công nghệ mới với mức độ tự động hóa cao

Trong thời đại công nghệ hiện nay thì động cơ điện một chiều chiếm một tỉ lệ khálớn trong nền sản suất công nghiệp của thế giới và đặc biệt là các hệ thống dây chuyền

tự động trong các nhà máy xí nghiệp được sử dụng rất rộng rãi và vận hành có độ tincậy cao.Vấn đề là quan trọng trong các dây chuyền sản xuất là điều khiển để điềuchỉnh tốc độ động cơ hay đảo chiều quay động cơ để nâng cao năng suất Sau khi nhận

được đề tài: “Nghiên cứu thiết kế hệ truyền động điện T-Đ có đảo chiều điều khiển chung cho động cơ một chiều kích từ độc lập ,bộ biến đổi sử dụng chỉnh lưu thyristor cầu 3 pha đối xứng.” Nội dung đồ án gồm có 4 chương:

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động điện

Chương 2: Tính chọn mạch lực , thiết bị bảo vệ

Chương 3: Tổng hợp và mô phỏng bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ

Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển cho bộ chỉnh lưu

Dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy giáo Nguyễn Đăng Toàn cùng với sự nỗ lựccủa nhóm ,chúng em đã hoàn thành xong khối lượng kiến thức mà thầy đã hướng dẫn Trong quá trình làm đề tài chúng em đã tích lũy được một số kiến thức để có thểnâng cao kiến thức của mình một cách chắc chắn hơn Tuy nhiên với thời gian và kiếnthức có hạn cho dù chúng em đã cố gắng hết sức mình song khó tránh khỏi nhữngthiếu sót Chúng em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô để đồ án của chúng

em được hoàn thành hơn nữa.Qua đây chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy côgiáo của khoa điện trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội và đặc biệt là thầy giáo NguyễnĐăng Toàn người đã hướng dẫn nhóm chúng em trong quá trình làm đồ án vừa qua

Ngày….tháng… năm 2012

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG 1.1 Khái quát chung về hệ truyền động điện.

1.1.1 Cấu trúc của hệ thống truyền động điện và phân loại.

* Định nghĩa hệ thống truyền động điện:

Hệ truyền động điện tự động (TĐĐ TĐ) là một tổ hợp các thiết bị điện, điện tử,v.v phục vụ cho cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấucông tác trên các máy sản suất, cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điềukhiển quá trình biến đổi năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ

* Cấu trúc chung:

Hình 1-1: Mô tả cấu trúc chung của hệ TĐĐ TĐ

BBĐ: Bộ biến đổi; ĐC: Động cơ điện; MSX: Máy sản xuất; R và RT: Bộ điều chỉnhtruyền động và công nghệ; K và KT: các Bộ đóng cắt phục vụ truyền động và côngnghệ; GN: Mạch ghép nối; VH: Người vận hành

1.1.2 Cấu trúc của hệ TĐĐ TĐ gồm 2 phần chính:

- Phần lực (mạch lực): từ lưới điện hoặc nguồn điện cung cấp điện năng đến bộbiến đổi (BBĐ) và động cơ điện (ĐC) truyền động cho phụ tải (MSX) Các bộ biếnđổi như: bộ biến đổi máy điện (máy phát điện một chiều, xoay chiều, máy điện khuếchđại), bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bảo hoà), bộ biến đổi điện tử, bándẫn (Chỉnh lưu tiristor, bộ điều áp một chiều, biến tần transistor, tiristor) Động cơ cócác loại như: động cơ một chiều, xoay chiều, các loại động cơ đặc biệt

- Phần điều khiển (mạch điều khiển) gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điềuchỉnh tham số và công nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ công

nghệ và cho người vận hành Đồng thời một số hệ TĐĐ TĐ khác có cả mạch ghép nốivới các thiết bị tự động khác hoặc với máy tính điều khiển.

1.1.3 Phân loại hệ thống truyền động điện tự động:

- Truyền động điện không điều chỉnh: thường chỉ có động cơ nối trực tiếp vớilưới điện, quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định

- Truyền động có điều chỉnh: tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà ta có hệtruyền động điện điều chỉnh tốc độ, hệ truyền động điện tự động điều chỉnh mô men,lực kéo, và hệ truyền động điện tự động điều chỉnh vị trí Trong hệ này có thể là hệtruyền động điện tự động nhiều động cơ

- Theo cấu trúc và tín hiệu điều khiển mà ta có hệ truyền động điện tự độngđiều khiển số, hệ truyền động điện tự động điều khiển tương tự, hệ truyền động điện

tự động điều khiển theo chương trình

- Theo đặc điểm truyền động ta có hệ truyền động điện tự động động cơ điệnmột chiều, động cơ điện xoay chiều, động cơ bước, v.v

- Theo mức độ tự động hóa có hệ truyền động không tự động và hệ truyền độngđiện tự động

- Ngoài ra, còn có hệ truyền động điện không đảo chiều, có đảo chiều, hệtruyền động đơn, truyền động nhiều động cơ, v.v

1.2.Một số hệ truyền động cơ bản

1.2.1.Hệ F- Đ (Hệ thống máy phát- Động cơ một chiều).

- Hệ thống máy phát – động cơ (F – Đ) là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi

là máy phát điện 1 chiều kích từ độc lập Máy phát này thường do động cơ sơcấp không đồng bộ ba pha điều chỉnh quay và coi tốc độ quay của máy phát làkhông đổi

- Tính chất của máy phát điện được xác định bởi hai đặc tính:

+ Đặc tính từ hóa: là sự phụ thuộc giữa sức điện động của máy phát vào dòngđiện kích từ

+ Đặc tính tải: là sự phụ thuộc của điện áp trên 2 cực của máy phát điện vàodòng điện tải

- Sơ đồ nguyên lý

Hình 1-2: Điều chỉnh tốc độ động cơ ĐMđl dùng máy phát.

- Điện áp máy phát (điều chỉnh kích từ máy phát )

 Phương pháp điều chỉnh chính của hệ F-Đ là điều chỉnh dòng kích từ máy phát.

- Đảo chiều quay

- Đảo chiều kích từ máy phát (hay dùng)

- Đảo chiều kích từ động cơ

 Chế độ hãm

- Hãm động năng : thực hiện bằng cách điều chỉnh điện áp kích từ = 0

- Hãm tái sinh : sảy ra khi giảm điện áp để đảo chiều quay hoặc mô men tải cótính chất thế năng

 Đặc điểm của hệ F-Đ.

- Ưu điểm :

- Hệ F-Đ có đặc tính cơ cứng và có các trạng thái làm việc rất linh hoạt

- Đặc tính của hệ F-Đ rất tốt , thích hợp với nhiều loại tải

- Hệ F-Đ cho phép quá tải lớn hơn , phạm vi điều chỉnh rộng

- Nhược điểm :

- Trong hệ F-Đ chứa nhiều máy điện giá thành cao , khi làm việc gây tiếng ồn ,không gian lắp đặt lớn nên ít dùng hệ F-Đ

1.2.2 Hệ T-Đ.(Truyền động thyristor-Động cơ một chiều)

* Hệ T-Đ không đảo chiều.

nguon xoay chieu 220V

Hình 1-3:Sơ đồ nguyên lý hệ T-Đ không đảo chiều

- Bộ biến đổi gồm : chỉnh lưu có điều khiển hoặc chỉnh lưu bán điều khiển

- Tồn tại các loại chỉnh lưu sau:

- Tia 3 pha

- Tia 1 pha

- Cầu 3 pha đối xứng và không đối xứng

- Cầu 1 pha đối xứng và không đối xứng

Tùy theo góc α và điện cảm của cuộn kháng lọc, tải động cơ mà mạch chỉnh lưu cóthể làm việc ở hai chế độ dòng tải liên tục và dòng tải gián đoạn.

 Các chế độ làm việc của hệ T-Đ không đảo chiều

- Mạch chỉnh lưu làm việc ở chế độ chỉnh lưu phụ thuộc

Năng lượng của hệ : cơ năng của tải (động cơ) biến thành điện năng qua chỉnhlưu trả về lưới ĐTC trong chế độ này nằm ở góc phần tư thứ tư

- Hãm ngược : được thực hiện bởi mô men cản năng lượng được tiêu hao trênđiện trở dây quấn

- Hãm động năng :

Ed=0=> =

Trên mặt phẳng ĐTC thì đường hãm động năng là đường đi qua gốc tọa độvới

hệ T-Đ không đảo chiều thì đặc tính điều chỉnh thuộc góc phần tư thứ 1 và thứ4

 Hệ T-Đ có đảo chiều.

Các phương pháp đảo chiều :

- Phương pháp đảo chiều điện áp phần ứng

- Phương pháp đảo chiều điện áp kích từ

- Đảo chiều bằng tiếp điểm công tắc tơ

- Đảo chiều bằng cách sử dụng hai bộ điều chỉnh mắc theo kiểu thuận nghich

 Đảo chiều bằng tiếp điểm công tắc tơ:

DC

nguon xoay chieu 220V

Hình 1-4:sơ đồ đảo chiều bằng công tắc tơ

Phương pháp này đơn giản nhưng không tốt khó khăn cho nhứng yêu cầu như :hãm tái sinh.

 Đảo chiều bằng cách sử dụng hai bộ chỉnh lưu mắc theo kiểu thuận nghịch

DC

BCL2

Lc Ikt

Hình 1-5: Sơ đồ mắc 2 bộ chỉnh lưu theo kiểu thuận nghịch

Hệ này có hai phương pháp điều khiển :

- Phương pháp điều khiển riêng : Hai mạch chỉnh lưu làm việc độc lập, mạch nàylàm việc thì mạch kia nghỉ

- Phương pháp điều khiển chung: Cả hai mạch chỉnh lưu cùng làm việc nhưngchế độ làm việc của hai mạch khác nhau ( mạch này làm việc ở chế độ chỉnhlưu thì mạch kia làm việc ở chể độ nghịch lưu , nhưng phải đảm bảo + =π.Đây cũng là điều kiện chống dòng cân bằng chạy giữa hai mạch chỉnh lưu

 Đặc điểm của hệ T-Đ

Ưu điểm: Hệ T-Đ là một trong nhứng hệ TĐ Đ có cấu trúc gọn cho phép sửdụng nguồn trực tiếp từ lưới, điều khiển dễ dàng vì vậy cho phép mức độ tựđộng hóa cao hiệu suất năng lượng cao

 Nhược điểm : Ở chế độ tải nhỏ thì hệ T-Đ dễ xảy ra hiện tượng dòng tải giánđoạn vì vậy trong chế độ này cần áp dụng các phương pháp điều chỉnh thíchhợp như điều chỉnh thích nghi( thích nghi với các chế độ khác nhau)

1.2.3.Hệ xung áp – động cơ 1 chiều

- Điều chỉnh xung áp đơn (Loại A: tải R, L, E).

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1-6: Sơ đồ nguyên lý xung áp đơn (loại A)

Hình 1-6: mô tả sơ đồ nguyên lý điều chỉnh xung áp (XA-Đ) loại A ( còn gọi là bộbăm xung loại A) trong đó điện áp và dòng điện của động cơ uD , i chỉ có giá trịdương Khi khóa s thong ta có uD = uN; i= iN, khi khóa S ngắt iN=0; uD=0 và i= iDo

do tác dụng duy trì dòng điện của điện cảm L Các giá trị trung bình của điện áp vàdòng điện phần ứng UD, I và do đó sđđ E của động cơ khi đóng và ngắt khóa liêntục sẽ được xác định nếu biết luật đóng , ngắt khóa và các thong số của mạch Nếuđóng ngắt khóa S với tần số không đổi thì hoạt động của mạch tương tự như củachỉnh lưu một pha , một nửa chu kỳ

 Điều chỉnh xung áp đảo chiều.

Để hệ truyển động có thể làm việc ở chế độ hãm tái sinh, có thể dùng sơ đồđiểu chỉnh xung áp loại B (Hình 1-7) trong đó dòng điện phần ứng có thể đảodấu , song sđđ động cơ chỉ có chiều dương Khi khóa và van vận hànhdòng điện phần ứng luôn luôn dương công suất điện từ của động cơ là

để đảo chiều dòng điện ta đưa khóa và van vào vận hànhcòn khóa S1 bị ngắt Nếu E>0 thì sẽ có dòng điện chảy ngược lại chiều ban đầu

do trong mạch chỉ có nguồn duy nhất sđđ E, công suất điện từ của động cơ

công suất này được tích vào điện cảm L Khi S2 ngắt trên điện

cảm L sinh ra sđ đ tự cảm ∆UL > 0 , cùng chiều với sđ đ quay E , tổng hai sđđnày trở nên lớn hơn điện áp nguồn UN làm van D2 dấn dòng ngược về nguồn vàtrả lại nguồn phần năng lượng đã tích lũy trong điện cảm L trước đó

E

D2

iD2+UN

iN

S2

iS2

D2iD1

UL R iS1

Hinh 1-7: Sơ đồ bộ điều chỉnh xung áp loại B

1.2.4.Truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ dùng biến tần nguồn áp.

Dưới đây là sơ đồ mạch điều khiển nghịch lưu cầu 3 pha nguồn áp (Biến tầnnguồn áp)

Ud

Uf

Hình 1-8:Biến tần nguồn áp

- Nguyên tắc điều khiển như sau:

+ Điều chỉnh biên độ điện áp (phương pháp này dễ điều khiển nhưng nguồn rachất lượng không cao , là xung vuông và sóng hài cao , gây tổn hao phụ)

+ Điều chế độ rộng xung Pwm

+ Điều chế đơn cực

+ Điều chế lưỡng cực

- Ưu điểm: trong một nửa chu kỳ có nhiều xung (không có song hài…)

+ Điều khiển từ thông

+ Điều khiển véc tơ

1.2.5.Truyền động điều chỉnh động cơ không đồng bộ dùng biến dòng chuyển mạch tự nhiên.

- Sơ đồ nguyên lý:

do vi tri

Ld

Hình 1-9:Sơ đồ nguyên lý mạch lực hệ TĐ BBĐ-Động cơ không đồng bộ

dùng biến tần nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên

Mạch lực của hệ truyền động được trình bày trên hình 1-9 bao gồm:

- Chỉnh lưu thyristor (CL) , cuộn lọc (Ld)và nghich lưu thyristor (NL)

- Để đảm bảo NL làm việc được trong chế độ chuyển mạch tự nhiên , động cơphải ở chế độ quá kích từ Lúc đó NL thực chất là chỉnh lưu làm việc trong chế

độ nghịch lưu bị động với điện áp động cơ, vì vậy trong mạch nghịch lưukhông có các phần tử chuyển mạch

1.3 Điều chỉnh tốc độ truyền động điện.

Điều chỉnh tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động điện tựđộng nhằm đáp ứng nhu cầu công nghệ của máy sản xuất.Điều chỉnh tốc độtruyền động điện là dùng các phương pháp thuần túy điện , tác động lên bảnthan hệ thong truyền động điện (nguồn và động cơ điện) để thay đổi tốc độquay của trục động cơ điện

Tốc độ làm việc của truyền động điện do công nghệ yêu cầu và được gọi là tốc

độ đặt , hay tốc độ mong muốn Trong quá trình làm việc, tốc độ động cơthường bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệchtốc độ thực so với tốc độ đặt Trong các hệ truyền động điện tự động thườngdùng các phương pháp khác nhau để ổn định tốc độ động cơ Để đánh giá chấtlượng của một hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêukinh tế - kỹ thuật cơ bản , các chỉ tiêu này cũng được tính đến khi thiết kế hoặcchỉnh định các hệ thống truyền động điện

- Sai tốc độ : là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ

- Độ trơn điều chỉnh tốc độ

- Dải điều chỉnh tốc độ: là tỉ số giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ làmviệc ứng với momen tải.

- Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải

- Chỉ tiêu kinh tế

1.3.1.Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Thực tế có 2 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

- Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ

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

1.3.2.Nguyên lý điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng.

Để điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ 1 chiều cần có các thiết bị nguồnnhư máy phát điện 1 chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển… Cácthiết bị này có chức năng biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành 1 chiều

có sức điện động Eb điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Uđk Vì nguồn cócông suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở là Rb vàđiện cảm Lb ≠ 0 (hình 1-10):

1.3.3.Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ.

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh momen điện

từ của động cơ Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến vì vậy hệđiều chỉnh từ thông cũng là phi tuyến

Trong đó:

- điện trở dây quấn kích thích

- điện trở nguông điện áp kích thích

-số vòng dây cả dây quấn kích thích

Ở chế độ xác lập ta có:

Thường khi điều chỉnh thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trị định mức ,

do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc tính có điện

áp phần ứng định mức từ thông dịnh múc và được gọi là đặc tính cơ bản (đôi khichính là đặc tính tự nhiên) Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởikhả năng chuyển mạch của cổ góp điện.Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay củađộng cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi.Để đảm bảođiều kiện chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép ,kết quả là momen trên trục động cơ giảm rất nhanh ngay cả khi giữ nguyen dòng điệnphần ứng thì độ cứng đặc tính cơ cũng giảm nhanh khi giảm từ thông kích thích

Hình 1.11 Sơ đồ thay thế và đặc tính điều chỉnh từ thông động cơ

1.3.4.Ổn định tốc độ làm việc của hệ truyền động điện một chiều.

Thực chất ta tìm cách nâng cao độ cưng ĐTC tĩnh Muốn vậy hệ TĐ Đ phải có cấutrúc là hệ kín ( có các mạch phản hồi)

 Ổn định tốc độ bằng phương pháp phản hồi dương dòng điện

- Sơ đồ:

Ru UdkUph

Hình 1-12: Sơ đồ ồn định tốc độ bằng phương pháp phản hồi dương dòng điện.Trong đó:

Uph- tín hiệu phản hồi dòng điện

Udk- tín hiệu điều khiển

Hình 1-13: Sơ đồ ồn định tốc độ bằng phương pháp phản âm điện áp.Trong đó:

Uphu- tín hiệu phản hồi điện áp

Udk- tín hiệu điều khiển

MFT

Hình 1-14: Sơ đồ ồn định tốc độ bằng phương pháp phản âm tốc độ.Trong đó:

Uphw- tín hiệu phản hồi dòng điện

Udk- tín hiệu điều khiển

1.3.5.Điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều.

Động cơ điện xoay chiều được dùng rất phổ biến trong một dải công suất rộng vì

có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ vận hành, nguồn điện sẵn (lưới điện xoay chiều).Tuy nhiên, trong các hệ cần điều chỉnh tốc độ, đặc biệt với dải điều chỉnh rộng thìđộng cơ xoay chiều được sử dụng ít hơn động cơ một chiều vì còn gặp nhiều khókhăn Gần đây, nhờ sự phát triển của kỹ thuật điện tử, bán dẫn, việc điều chỉnh tốc độđộng cơ xoay chiều không đồng bộ đã có nhiều khả năng tốt hơn

a, Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rôto.

Phương pháp này chỉ được sử dụng với động cơ rotor dây quấn và được ứng dụng rấtrộng rãi do tính đơn giản của phương pháp Sơ đồ nguyên lý và các đặc tính cơ khithay đổi điện trở phần ứng như hình 1-15:

Hình 1-15:Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB 3 pha bằng cách thay đổi

điện trở phụ trong mạch rôto

Nhận xét:

- Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ về phía giảm

- Tốc độ càng giảm, đặc tính cơ càng mềm, tốc độ động cơ càng kém ổn định trước sựlên xuống của mômen tải

- Dải điều chỉnh phụ thuộc trị số mômen tải Mômen tải càng nhỏ, dải điều chỉnh cànghẹp

- Khi điều chỉnh sâu (tốc độ nhỏ) thì độ trượt động cơ tăng và tổn hao năng lượng khiđiều chỉnh càng lớn

- Phương pháp này có thể điều chỉnh trơn nhờ biến trở nhưng do dòng phần ứng lớnnên thường được điều chỉnh theo cấp

b, Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào mạch stato.

Thực hiện phương pháp này với điều kiện giữ không đổi tần số Điện áp cấp cho động

cơ lấy từ một bộ biến đổi điện áp xoay chiều BBĐ điện áp có thể là một máy biến áp

tự ngẫu hoặc một BBĐ điện áp bán dẫn như được trình bày ở mục trước Hình 1.16trình bày sơ đồ nối dây và các đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần cảm

Hình 1-16: Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB 3 pha bằng cách thay đổi

điện áp đặt vào mạch stator

Nhận xét:

- Thay đổi điện áp chỉ thực hiện được về phía giảm dưới giá trị định mức nên kéo theomômen tới hạn giảm nhanh theo bình phương của điện áp.

- Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không đồng bộ thường có độ trượt tới hạn nhỏ nênphương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm điện áp thường được thực hiện cùngvới việc tăng điện trở phụ ở mạch rotor để tăng độ trượt tới hạn do đó tăng được dảiđiều chỉnh lớn hơn

- Khi điện áp đặt vào động cơ giảm, mômen tới hạn của các đặc tính cơ giảm, trongkhi tốc độ không tải lý tưởng (hay tốc độ đồng bộ) giữ nguyên nên khi giảm tốc độ thì

độ cứng đặc tính cơ giảm, độ ổn định tốc độ kém đi

c, Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số của nguồn xoay chiều.

Thay đổi tần số nguồn cấp cho động cơ là thay đổi tốc độ không tải lý tưởng nên thayđổi được đặc tính cơ Tần số càng cao, tốc độ động cơ càng lớn

Khi điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ thì các thông số liên quan đến tần số nhưcảm kháng thay đổi, do đó, dòng điện, từ thông, của động cơ đều bị thay đổi theo vàcuối cùng các đại lượng như độ trượt tới hạn, mômen tới hạn cũng bị thay đổi Chính

vì vậy, điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp thay đổi tần số thường kéotheo điều chỉnh điện áp, dòng điện hoặc từ thông của mạch stator

d, Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực của động cơ.

Đây là cách điều chỉnh tốc độ có cấp Đặc tính cơ thay đổi vì tốc độ đồng bộ đổi theo

số đôi cực

Động cơ thay đổi được số đôi cực là động cơ được chế tạo đặc biệt để cuộn dây stator

có thể thay đổi được cách nối tương ứng với các số đôi cực khác nhau Các đầu dây đểđổi nối được đưa ra các hộp đấu dây ở vỏ động cơ Số đôi cực của cuộn dây rotorcũng phải thay đổi như cuộn dây stator Điều này khó thực hiện được đối với động cơrotor dây quấn, còn đối với rotor lồng sóc thì nó lại có khả năng tự thay đổi số đôi cựcứng với stator Do vậy, phương pháp này được sử dụng chủ yếu cho động cơ rotorlồng sóc Các động cơ chế tạo sẵn các cuộn dây stator có thể đổi nối để thay đổi số đôicực đều có rotor lồng sóc Tỷ lệ chuyển đổi số đôi cực có thể là 2:1, 3:1, 4:1 hay tới8:1

1.4 TỔNG QUAN VỀ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA CÓ ĐẢO CHIỀU

1.4.1 Nguyên tắc cơ bản để xây dựng hệ truyền động T-D đảo chiều :

- Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ

- Giữ nguyên dòng kích từ và đảo chiều dòng phần ứng nhưng được phân ra bốn

+ Truyền động dùng hai bộ biến đổi cấp cho phần ứng điều khiển riêng

+ Truyền động dùng hai bộ biến đổi nối song song điều khiển chung

Tuy nhiên , mổi loại sơ đồ đều có ưu nhược điểm riêng và thích hợp với từngloại tải , trong phần này ta chọn bộ truyền động dùng hai bộ biến đổi nối song songngược điều khiển chung , bởi nó dùng cho dãi công suất vừa và lớn có tần số đảochiều cao và thực hiện đảo chiều êm hơn Trong sơ đồ này động cơ không những đảochiều được mà còn có thể hãm tái sinh

1.4.2.Phương pháp điều khiển chung :

Sơ đồ gồm hai bộ biến đổi G1 và G2 , đấu song song ngược với nhau và các cuộnkháng cân bằng Lc Từng bộ biến đổi có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu hoặc nghịchlưu

Phương pháp điều khiển kiểu tuyến tính : α 1 + α 2 = π

Lúc này cả hai mạch chỉnh lưu cùng được phát xung điều khiển , nhưng luônkhác chế độ nhau : một mạch ở chế độ chỉnh lưu ( xác định dấu của điện áp một chiều

ra tải cũng là chiều quay đang cần có ) còn mạch kia ở chế độ nghịch lưu Vì haimạch cùng dấu cho một tải nên giá trị trung bình của chúng phải bằng nhau

Nếu dòng điện liên tục ta có : Ud1 = Ud0.cosα1 ;

Ud2 = Ud0.cosα2 ;Vậy : Ud0.cosα1 = Ud0.cosα2 ;

Hay : cosα1 + cosα2 = 0 ; suy ra α1 + α2 = 1800 ;

Nếu α1 là góc mở đối với G1 , α2 là góc mở đối với G2 thì sự phối hợp giá trị α1 và

α2 phải được thực hiện theo quan hệ :

α1 + α2 = 1800 ;

Sự phối hợp này gọi là phối hợp điều khiển tuyến tính (hình 1-17)

Hình 1-17 : Sơ đồ phối hợp tuyến tính của α1 và α2 Giả sử cần động cơ quay thuận , ta cho G1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu ,

α1 = 0 →U 900 , Ud1 > 0 , bấy giờ α2 > 900 , G2 làm việc ở chế độ nghịch lưu , Ud2<α <

Khi α1 = α1 = 900 , thì Ud1 = Ud2 = 0 , động cơ ở trạng thái dừng

Giả sử uc là điện áp điều khiển ở bộ điều khiển cần khởi động ĐM quay thuận tacho uc = uc1 (hình 1-17)

só ứng với trạng thái trước đó , E > U’d1 →U bộ biến đổi G1 bị khoá lại

Mặt khác E > |U’

d2| nên bộ biến đổi G2 làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc , trả năng lượng tích luỷ trong động cơ về nguồn điện xoay chiều Dòng điện phần ứng đổi dấu , chảy từ M vào G2 động cơ bị hãm tái sinh , tốc độ giảm xuống đến giá trị ứng với U’

d1

Nếu cho điện áp điều khiển uc <α < 0 thì G2 sẽ làm việc ở chế độ chỉnh lưu , còn G1

sẽ làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc

Vậy bằng cách thay đổi điện áp điều khiển uc ( uc > 0 hoặc uc <α < 0 ) ta sẽ thay đổi được góc mở α1 và α2 :

+ Nếu uc > 0 thì α1 <α < 900 , α2 > 900 dẫn đến bộ chỉnh lưu G1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu , còn bộ biến đổi G2 làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc kết quả là làm cho động cơ quay thuận ωT

+ Nếu uc <α < 0 thì α1 > 900 , α2 <α < 900 dẫn đến bộ chỉnh lưu G1 làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc , còn bộ biến đổi G2 làm việc ở chế độ chỉnh lưu , kết quả là làmcho động cơ quay theo chiều ngược ωN

Hình 1-18 : Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha dùng phương pháp điều khiển chung Đặc điểm của chế độ đảo dòng đang xét là có một dòng điện lúc thì chảy từ G1

vào G2 , lúc thì chảy từ G2 vào G1 mà không qua mạch tải Người ta gọi dòng điệnnày là “ dòng điện tuần hoàn ”

Dòng điện tuần hoàn làm cho máy biến áp và các thyristor làm việc nặng nềhơn Để hạn chế dòng điện tuần hoàn người ta dùng bốn điện cảm Lc (như hình 1-19) Như thế sẽ làm tăng công suất đặt và giá thành hệ thống Tuy nhiên phươngpháp điều khiển chung cho phép điều chỉnh nhanh tối đa

- Xác định dòng điện tuần hoàn i cc

Hình 1-19 : Sơ đồ dạng sóng biểu diễn quan hệ giữa α1 và α2

Xét truờng hợp α1 = 300 , α2 = 1800 - α1 = 1500 , như hình 1-20 Trong khoảng θ1

đến θ3 : có T1 và T6’ , T2 và T5’ dẫn dòng ,nhưng anôt T5’ và catôt T2 có cùng một điệnthế , không có dòng chảy từ T5’ sang T2 Chỉ có dòng tuần hoàn chảy từ G1 vào G2 qua

T1 và T6’ Điện áp tuần hoàn trong khoảng này là :

ucc12 = u2a –u2b = 6U2 sin(θ + π/6) ;Nếu chuyển toạ độ từ O sang O2 , ta có :

0

θ0

icc21 icc12

α2

Tiếp tục xét các khoảng khác , kết quả nhận được cho phép ta kết luận :

hoàn icc12 chảy từ G1 vào G2 , và ba xung dòng điện tuần hoàn icc12 chảy từ G2 vào G1 Trị trung bình của dòng điện tuần hoàn :

.(sinα1 – α1 cosα1) ; (1-23)

Phương pháp điều khiển kiểu phi tuyến : α 1 + α 2 = π + ξ

Đây là kiểu điều khiển phối hợp không hoàn toàn thì lúc này sẽ có thêm hệ số phi tuyến ξ và ta có :

α1 + α2 = π + ξ ;Góc ξ phụ thuộc vào các giá trị của α1 và α2 một cách phi tuyến

Hình 1-20 : a ) Sơ đồ điều khiển chung phối hợp kiểu tuyến tính

b ) Sơ đồ điều khiển chung phối hợp kiểu phi tuyến

1.4.3.Phương pháp điều khiển riêng :

Hai mạch chỉnh lưu hoạt động riêng biệt Mạch này hoạt động (được phát xungđiều khiển ) thì mạch kia hoàn toàn nghỉ ( bị ngắt xung điều khiển ) Vì vậy loại trừđược dòng điện tuần hoàn và không cần cuôn kháng cân bằng Lc Song trong quátrình đảo chiều cần có “ thời gian chết ” ( nhỏ nhất là vài ms ) để cho van của mạchphải ngừng hoạt động kịp phục hồi tính chất khoá rồi mới bắt đầu phát xung cho mạchkia hoạt động Vì vậy cần một khối logic điều khiển đảo chiều tin cậy và phức tạp

Id

ω0dm

0dm 0dm dm

α1min

0dm 0dm dm

α2max

0dm 0dm dm

Ic

α1 = π/2

0dm 0dm dm

-ω0dm

0dm 0dm dm

α1max

0dm 0dm dm

Id

α1min

0dm 0dm dm

α2max

0dm 0dm dm

ω0dm

0dm 0dm dm

-ω0dm

0dm 0dm dm

α1max

0dm 0dm dm

α2min

0dm 0dm dm

α1 = π/2

0dm 0dm dm

Ic

b )

0dm 0dm dm

ωω

Để thay đổi trạng thái làm việc của các bộ chỉnh lưu thì phải dùng thiết bị đặcbiệt để chuyển các tín hiệu điều khiển từ bộ chỉnh lưu này sang bộ chỉnh lưu kia Bởivậy , khi điều khiển riêng , các dặc tính cơ sẽ bị gián đoạn ở tại trục tung Như vậy ,khi thực hiện thay đổi chế độ làm việc của hệ sẽ khó khăn hơn và hệ có tính linh hoạtkém hơn khi điều chỉnh tốc độ

Trong phương pháp điều khiển riêng cũng có phối hợp điều khiển kiểu tuyế tính

CHƯƠNG 2 TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ T-Đ

2 1 TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC

2.1.1 Sơ đồ mạch động lực hệ chỉnh lưu cầu ba pha thyristor

Hình 2-1 : Sơ đồ mạch động lực của hệ chỉnh lưu cấu ba pha thyristor hệ T-Đ

2.1.2 Các thông số của động cơ

- Động cơ một chiều có các thông số sau :

6 U d

= 3

;

- Điện áp ngược của van cần chọn :

Unv = Kdtu Unmax = 1,8 418,7 = 753,6 V ;Trong đó : Kdtu : Hệ số dự trữ điện áp , thường chọn Kdtu = 1,8 ;

- Dòng điện làm việc của van đựơc tính theo dòng hiệu dụng :

Ilv = Ihd = khd Id = I dm3

= 60

3 = 34,64 A ;( do trong sơ đồ cầu ba pha , hệ số dòng điện hiệu dụng : khd = 13 )

- Chọn thyristor làm việc với điều kiện có cánh tản nhiệt và đủ diện tích tản nhiệt, không có quạt đối lưu không khí , với điều kiện có dòng điện định mức của van cầnchọn :Idm = ki Ilv = 3,2 34,64 = 110,85 A ;

ki : Hệ số dự trữ dòng điện , chọn ki = 3,2

Để chọn thyristor làm việc với các tham số định mức cơ bản trên , ta tra bảngthông số van , chọn các van có thông số điện áp ngược , dòng điện định mức lớn hơngần nhất với thông số đã tính Vậy ta chọn thyristor cho mạch động lực loạiSCI50C80 do Mỹ sản xuất có các thông số sau :

- Dòng điện định mức của van: Idm = 150 (A) ;

- Điện áp ngược cực đại của van: UnT = 800 (V) ;

- Đỉnh xung dòng điện : Ipk = 2800 (A) ;

- Độ sụt áp trên thyrisor : ∆UT = 1,6 (V) ;

- Dòng điện của xung điều khiển : Ig = 0,1 (A) ;

- Điện áp của xung điều khiển : Ug = 3,0 (V) ;

- Thời gian chuyển mạch : tcm = 80 (µs) ;

2.1.4 Tính toán máy biến áp chỉnh lưu :

Để chọn các thiết bị trong mạch động lực cũng như mạch bảo vệ , trước hết

cần xác định điện áp ra của bộ biến đổi Tiristor

Chọn máy biến áp ba pha ba trụ có sơ đồ nối dây ∆/Y , làm mát tự nhiên bằng không khí

Máy biến áp là một bộ phận quan trọng của hệ thống điện , thực hiện các chức năng sau

- Biến đổi điện áp nguồn cho phù hợp với yêu cầu sơ đồ phụ tải

- Bảo đảm sự cách ly giữa phụ tải với lưới điện để vận hành an toàn và thuận tiện

- Biến đổi số pha cho phù hợp với số pha của sơ đồ phụ tải

- Tạo điểm trung tính cho sơ đồ hình tia

- Hạn chế dòng điện ngắn mạch trong chỉnh lưu và hạn chế mức tăng dòng Anốt

để bảo vệ van

- Cải thiện hình dáng sóng điện lưới làm cho nó đỡ biến dạng so với hình sin ,

do đó nâng cao chất lượng điện áp lưới

- Điện áp pha thứ cấp máy biến áp :

Phương trình cân bằng điện áp khi có tải :

Ud0.cosαmin = Ud + 2∆UV + 2∆Udm + ∆UBA

Trong đó :

αmin = 00 là góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới ;

∆UV = 1,6 V là sụt áp trên thyristor ;

∆Udm ≈ 0 là sụt áp trên dây nối :

∆UBA = ∆Ur + ∆Ux là sụt áp trên điện trở và điện kháng trên máy biến



BA V

U    

2 , 13 2 2 2 220

Cos





= 433,79 V ;Điện áp pha thứ cấp máy biến áp :

m : Số trụ của máy biến áp , m = 3

f : Tần số của nguồn xoay chiều , f = 50 Hz

= 4.77,627

 = 9,94 cm Chuẩn hóa đường kính trụ theo tiêu chuẩn : d = 10 cm

- Chọn loại thép kỹ thuật điện , các lá thép có độ dày 0,5 mm

Chọn chiều cao trụ h = 23 cm

* Tính toán dây quấn

- Số vòng dây mổi pha sơ cấp máy biến áp :

- chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp :

Với dây dẫn bằng đồng , máy biến áp khô , chọn J1 = J2 = 2,75 A/mm2

- Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp :

Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn : S1 = 8,69 mm2

Kích thước của dây có kể đến cách điện là : S1cd = a1 × b1 = 1,81 × 6,9 mm

- Tính lại mật độ dòng điện trong cuôn sơ cấp :

Chuẩn hoá tiết diện theo chuẩn : S2 = 17,8 mm2

Kích thước của dây có kể đến cách điện là : S2cd = a2 × b2 = 5,1 × 10 mm

- Tính lai mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp :

k b

- Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp :

n11 = 1

11

22028

W

W  = 7,8 lớp Chọn số lớp n11 = 7 lớp

Như vậy có 220 vòng chia thành 8 lớp , vậy 7 lớp đầu có 28 vòng và lớp thứ 8 có

cd0 = 1 cm

* Kết cấu dây quấn thứ cấp

- Chọn sơ bộ cuộn chiềi cao cuộn thứ cấp :

- Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp:

nl2 = 2

2

107 26

l

W

W  = 4,1 lớp chọn n12 = 4 lớp

* Các thông số của máy biến áp :

- Điện trở trong của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 75oC :

- Điên trở trong của cuộn thứ cấp máy biến áp ở 75oC :



3.0,22.60 = 12,6114 V

Bảng thông số của máy biến áp động lực

Công suất máy biến áp biểu kiến SBA = 25,1 kVA

Điện áp pha thứ cấp U2 = 185,45 V

Dòng điện hiệu dụng sơ cấp I1 = 23,908A

Dòng điện hiệu dụng thứ cấp I2 = 48,,98 A

Số vòng dây mổi pha sơ cấp W1 = 220 vòng

Số vòng dây mổi pha thứ cấp W2 = 107 vòng

Điện trở quy đổi về thứ cấp RBA = 0,13 Ω

Điện kháng quy đổi về thứ cấp XBA = 0,22 Ω

Điện cảm quy đổi về thứ cấp LBA = 0,7 mH

Điện áp ngắn mạch phần trăm Un = 6,7 %

FG

Lc

u2c

CB

R

R

RR

R

C

CC

C

C

CC

C2cc

2cc2cc

3ccAp

BAL

Đồ án môn học TĐĐ GVHD:Th.s.Nguyễn Đăng Toàn

Hình 2-2 : Mạch động lực có thiết bị bảo vệ

2.2.1 Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn

Khi làm việc với dòng điện chạy qua , trên van có sự sụt áp , do đó có tổn hao công suất ∆P , tổn hao nãy sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn Mặt khác van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép TCP nào đó , nếu quá nhiệt độ cho phépthì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng Để van bán dẫn làm việc an toàn , không bị chọc thủng về nhiệt , ta phải chọn và thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý

∆P : Tổn hao công suất ( W ) ;

τ : Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường

Km : Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ Chọn Km = 8 W/m2.0C

Tlv ,Tmt : Nhiệt độ làm việc và nhiệt độ của môi trường (0C)

Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 400C Nhiệt độ làm việc cho phép của thyristor

Tcp = 1250C Chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt Tlv = 800C

τ = Tlv - Tmt = 80 - 40 = 400C ;

Vậy : Sm = 69, 28

8.40 = 0,2165 m2 ;Chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh , kích thước mổi cánh là

t

a × b = 16 × 16 (cm × cm )

Tổng diện tích của cánh tản nhiệt

S = 12 2 16 16 = 0,6144 m2 ;

2.2.2 Bảo vệ quá dòng cho van

Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực , tự động bảo vệ khi quá tải và ngắn mạch thyistor , ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi , ngắn mạch thứ cấp máy biến áp , ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu

Cầu dao dùng để tạo khoảng cách an toàn khi sửa chữa hệ truyền động

- Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các thyristor , ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu :

Dòng điện định mức dây chảy nhóm 3CC là :

I3CC = 1,1.Idm = 1,1 60 = 66 A ;

Vậy chọn cầu chảy nhóm :

1CC loại 60 A ; 2CC loại 40 A ; 3CC loại 70 A ;

2.2.3 Bảo vệ quá điện áp cho van

Linh kiện bán dẫn nói chung và linh kiện bán dẫn công suất nói riêng , rất nhạy cảm vói sự thay đổi của điện áp Những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới van bán dẫn

mà ta cần có phương thức bảo vệ là :

- Điện áp đặt vào van lớn quá thông số của van

- Xung điện áp do chuyển mạch van

- Xung điện áp từ phía lưới điện xoay chiều , nguyên nhân thường gặp là do cắt tải có điện cảm lớn trên đường dây

- Xung điện áp do cắt đột ngột máy biến áp non tải

Để bảo vệ cho van làm việc dài hạn không bị quá điện áp , thì ta phải chọn đúng các van bán dẫn theo điện áp ngược

- Để bảo vệ quá điện áp của xung điện áp do quá trình đóng cắt các van thyristor được thực hiện bằng cách mắc R – C song song với thyristor Khi có sự cố chuyển mạch , các điên tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điên ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm , làm cho quá điện áp giũa anôt và catôt của thyristor Khi có mạch R – C mắc song song với thyristor , tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên thyristor không bị quá điện áp

Theo kinh nghiệm R1 = ( 5 ÷ 30 ) Ω ; C1 = ( 0,25 ÷ 4 ) µF ;

Ta chọn : R1 = 5,1 Ω ; C1 = 0,25 µF ;

Hình 2-3 : Mạch R – C bảo vệ quá điện áp khi van chuyển mạch

- Để bảo vệ cho xung điện áp lưới từ điện áp lưới , ta mắc song song với tải ở

1