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

ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề tài "THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP” MỤC LỤC Lời nói đầu 1 CHƯƠNG I: TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ CỦA ĐỘNG CƠ 2 1.1 Các tham ssố cơ bản của động cơ 2 1.2 Tính toán các tham số định mức 2 1.3 Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ 3 CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP CẤP ĐIỆNC HO ĐỘNG CƠ 6 2.1 Cung cấp điện cho động cơ bằng máy phát riêng 6 2.2 Giải pháp dùng chỉnh lưu có điều khiển 7 CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG - HÃM - ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 11 3.1 Khởi động động cơ kích từ độc lập 11 3.2 Hãm động cơ một chiều kích từ độc lập 14 a. Hãm tái sinh 14 b. Hãm đấu ngược 16 c. Hãm động năng 17 3.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ 18 CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG, 19 CHỌN THIẾT BỊ BẢO VỆ 4.1 Thiết kế mạch lực 19 4.1.1 Giới thiệu hệ thống van động cơ 19 4.1.2 Sơ đồ mạch động lực 22 4.1.3 Tính chọn các thiết bị trong sơ đồ mạch lực 23 4.2 Thiết kế mạch điều khỉên 29 4.2.1 Sơ đồ mạch điều khiển 29 4.2.2 Nguyên lý hoạt động 30 4.2.3 Tính chọn các thiết bị bảo vệ cho mạch điều khiển 32 a. Khâu đồng pha 32 b. Khâu tạo điện áp răng cưa 33 c. Khâu so sánh 35 d. Khâu phát xung chùm 35 e. Khâu khuéch đại xung và biến áp xung 37 f. Khâu tạo nguồn nuôi 40 4.3 Các thiết bị đo lường bảo vệ 43 4.3.1 Máy phát tốc để tạo phản hồi điện áp cho mạch vòng điên áp 43 4.3.2 Khâu hạn chế dòng 44 4.3.3 Sen sơ để đo lường dòng cho mạch vòng dòng điện 44 CHƯƠNG V: MÔ PHỎNG HỆ BẰNG PHẦN MỀM SIMULINK MATLAB 46 5.1 Sơ lược về Simulink Matlab 46 5.2 Mô hình toán của hệ 47 5.3 Mô phỏng dòng điên, mômen, tốc độ của động cơ 48 KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 MỤC LỤC 53 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 tế WTO – 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 để đáp 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 loạt các 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. Ta thấy 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 đang được ứng dụng rất rọng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp nói chung và công nghiệp mỏ nói riêng. Với tất cả những thách thức và cơ hội đó bản thân em là một sinh viên nghành 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 động điện của thầy giáo – PGS.TS Thái Duy Thức giảng dạy, qua môn học và qua trải nghiệm 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 làm được điều gì đó có ích để ứng dụng vào thực tế sản xuất. Sau khi kết thúc môn học Truyền 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 thể tránh khỏi thiếu sót và sai lầm. Qua đây em rất mong được sự chỉ bảo, góp ý của quí thầy giáo và bạn bè đồng nghiệp để em rút kinh nghiệm bổ xung cho đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin trân thành cảm ơn quý thầy cô! Sinh viên 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 songựkcs 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, kgm2 Khối lượng của động cơ Q, kg é52 4,5 1000 25,2 0,632 184 992 2 1650 7,9 0,91 2000 0,40 124 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. E Uđm Ukt Iư Hình 1.1 Từ các thông số của bảng 1.1 ta tính được các tham số như sau: Tốc độ góc định mức: ựđm = 0,105.nđm Trong đó: nđm = 1000 vg/ph Thay vào công thức ta có: ựđm = 0,105.1000 = 105 rad/s - Mô men định mức: Trong đó: Pđm = 4500 kW ựđm = 105 rad/s Thay các thông số vào công thức ta có: Nm Điện trở định mức: Trong đó: Uđm = 220 V Iđm = 25,2 A Thay các thông số vào công thức ta có: Ù 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: Trong đó: - U = Uđm = 220 V - Rư là điện trở phần ứng: Rư = 0,632 Ù * 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: Từ đó rút ra ta có: Kễ = Thay các thông số: - U = 220 V - Iư = Iưđm = 25,2 A - Rư = 0,632 Ù - ựđm = 105 rad/s Vào công thức ta có: Kễ = => Kễ = 1,944 * Dựng đặc tính cơ tự nhiên bằng cách vẽ đồ thị( hình 1.2): Để dựng đường đặc tính cơ tự nhiên ta tìm hai điểm: + Điểm thứ nhất có toạ độ: (M = 0; ự = ự0=rad/s) Hay là toạ độ điểm I: ( 0 ; 113,17) + 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) Hình 1.2 ự ự0 ựđm Mđm M I II 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 1.3 Ta được đường đặc tính cơ tự nhiên như hình 1.4 dưới đây: Hình 1.4 CHƯƠNG 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 như sau: 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 như hình 2.1 dưới đây: F D ĐCKĐBBB Hình 2.1 Trên sơ đồ máy phát F được truyền động bởi một động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha, máy phát F sẽ cấp điện cho động cơ một chiều. Để điều chỉnh điện áp ra của máy phát người ta điều chỉnh dòng kích từ của máy phát F. Đối với hệ thống này thì công suất đặt gấp ba lần công suất trang bị, bởi vì máy phát cũng phải có công suất tương đương với động cơ, hơn nữa động cơ cũng phải có công suất tương đương mói truyền động được cho nó. 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 luôn thường xuyên khởi động, hãm và điều chỉnh tốc độ. Khi điều chỉnh tốc độ xuống càng thấp thì tổn thất năng lượng càng lớn. - Quá trình quá độ chậm hơn so với dùng các thiết bị điện tử. - 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 điều khiển có sơ đồ nguyên lý như hình 2.2 duới đây: u2a u2c id R T6 T4 T5 T3 T1 Hình 2.2 ud 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. u2a = Biến áp có thể có tổ đấu dây: Y-Y, Y-Ä, Ä-Y và Ä-Ä. Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ như sau: Giả thiết T5 và T6 đang cho dòng chảy qua khi cho xung điều khiển vào T1 tiristor này mở ra vì u2a > 0 sự mở của T1 làm T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì u2a > u2c lúc này T6 và T1 cho dòng chảy qua (hình 2.3). 0 ig ỏ ỏ ỏ ỏ ỏ ỏ T1 T5 T2 T6 T3 T4 Hình 2.3 ố ud 0 u2a u2b u2c Điện áp trên tải là: ud = uab = u2a – u2b Khi ố = Cho xung điều khiển mở T2 tiristor này mở ra. Sự mở của T2 làm T6 bị khoá lại một cách tự nhiên vì u2b > u2c. Các xung điều khiển lệch nhau é/3 được lần lượt đưa đến cực điều khiển của các tiristor thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1, … Trong mỗi nhóm khi tiristor mở nó sẽ khoá ngay tiristor dẫn dòng trước nó. Tóm tắt thứ tự cấp xung điều khiển các van mở, khoá cho ở bảng 2.1. Bảng 2.1 Thời điểm Xung mở van Van đang dẫn Van khoá ố1 = ð/6 + ỏ T1 T6 T5 ố2 = 3ð/6 + ỏ T2 T1 T6 ố3 = 5ð/6 + ỏ T3 T2 T1 ố4 = 7ð/6 + ỏ T4 T3 T2 ố5 = 9ð/6 + ỏ T5 T4 T3 ố6 = 11ð/6 + ỏ T6 T5 T4 Vì tải có tính chất R, L: + Nếu ỏ ≤ ỏgh - liên tục thì: 1. 2. + Nếu ỏ > ỏgh - gián đoạn thì: 1. 2. 3. Trong đó: - ỏ* = ỏ + ð/3 - - + 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 trội hơn 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 là giả 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: Tại thời điểm khởi động ự = 0 do đó dòng khởi động có giá trị : Đối với động cơ này: Ở những động cơ có công suất trung bình và lớn thì Rư có giá trị rất nhỏ nên dòng khởi động ban đầu sẽ rất lớn, thường vào khoảng 20 ữ 25 lần dòng định mức. Với giá trị dòng khởi động lớn như vậy sẽ phá hỏng động cơ cũng như gây sụt áp rất lớn trên lưới điện. Để giảm dòng khởi động ta có hai biện pháp. Biện pháp thứ nhất là tăng điện trở mạch 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. * Nguyên lý điều chỉnh điện áp nguồn: MSX Mc Đ B Uđk ự Hình 3.1 Để nghiên cứu tổng quát hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ kích từ độc lập bằng cách 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 ở đây là bộ biến đổi tĩnh có điều khiển ( chỉnh lưu cầu ba pha). Bộ biến đổi này có chức năng biến năng lượng xoay chiều thành năng lượng một chiều có S.đ.đ EB điều chỉnh 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. Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.3 Khi khởi động ta có: Ux = 2 Iđm.Rư = 2,34.U2.cosỏmax ỏmax = Hãm động cơ một chiều kích từ độc lập M+ M M M M ự ự ự ự ự+ (H) (ĐC) (H) (ĐC) Hình 3.4 Hãm điện của động cơ là trạng thái mà động cơ sinh ra mô men quay ngược chiều với tốc độ quay (hình vẽ 3.4). Trong tất cả các chế độ hãm động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát. Động cơ kích từ độc lập có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng. ự B Hình 3.5 0 M’c Mc A A’ ự0 M’’c M Hãm tái sinh (hãm trả năng lượng về nguồn – hình 3.5) Động cơ đang làm việc tại điểm A trên đường đặc tính tự nhiên. + Khi Mc = 0 thì động cơ có tốc độ ự0 ự0 = → U = kễự0 Tại ự0 thì: e = kễự0 ↔ tại ự0 thì U = e hay sđđ sinh ra đúng bằng điện áp lưới. + Khi Mc đổi dấu thì động cơ làm việc tại điểm B: eB = kễựB ; ựB > ự0 Hình 3.6 nên e > U. Lúc này động cơ làm việc như máy phát điện cấp năng lượng cho lưới đấu song song với lưới điện (hình 3.6). 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. ự01 ự ự0 A Mc M a) 0 Mc A B ự ự0 ự0 M b) Hình 3.7 Nâng Hạ Trong thực tế hãm tái sinh xảy ra khi động cơ chuyển từ tốc độ cao sang tốc độ thấp (hình 3.7.a) hoặc khi hạ tải (hình 3.7.b). B b) Hãm đấu ngược Hãm đấu ngược xảy ra khi mà động cơ được đấu để quay theo chiều này nhưng thực 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. Mc D(hạ) A(nâng ự0 M Mnm TN ực Hình 3.8 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 sang chế 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. e e e 1 1 1 2 2 2 a) b) c) + Cách 2: đảo chiều điện áp phần ứng (hình 3.9-dùngkhi dừng máy khẩn cấp) M A B C -ựo ựo a b c d) Hình 3.9 Động cơ đang làm việc tại A nếu mà ta đảo cực tính và đấu thêm điện trở phụ thì động cơ chuyển sang làm việc tại B (do quán tính nên tốc độ chưa giảm). B là chế độ hãm đấu ngược, dưới tác dụng của mômen hãm động cơ nhanh chóng dừng lại tại điểm C. c) Hãm động năng (hình 3.10) e Iư e Iư RH ự01 ự ự0 B A MH M a) C Hình 3.10 Hãm động năng được thực hiện bằng cách cắt động cơ ra khỏi lưới điện và đấu vào điện trở hãm. b) c) ở hình 3.10.a là động cơ kích từ độc lập làm việc ở chế độ động cơ, hình 3.10.b là động cơ kích từ độc lập làm việc ở chế độ hãm động năng, hình 3.10.c là đồ thị vẽ đặc 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 vào bằng không: dòng này đã đổi chiều đi từ động cơ ra, động cơ làm việc như một máy phát điện, tải của nó là điện trở hãm, mômen đổi dấu trở thành mômen hãm vì dòng đổi chiều. Phương trình đặc tính cơ lúc này là: Quá trình hãm xảy ra như sau: Động cơ chuyển từ điểm A sang làm việc tại B là chế độ hãm động năng, dưới tác dụng của mômen hãm MH động cơ chạy chậm lại và dừng lại tại điểm O. Điều chỉnh tốc độ động cơ Để điều chỉnh tốc độ động cơ ta sử dụng phương pháp dùng chỉnh lưu để thay đổi điện áp đấu vào mạch phần ứng của động cơ như dã trình bày ở mục 3.1 trang 11. 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: BBĐ CKT Đ FX TH & KĐ Ud ón A B C ft xđk Hình 4.1 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. FX: mạch phát xung. 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 các xung đưa tới các chân điều khiển của các van ở bbộ biến đổi, nếu lúc này nhóm van nào đó đang được đặt điện áp thuận van sẽ mở với góc mở ỏ. Đầu ra của bộ biến đổi BBĐ có điện điện áp Ud đặt lên phần ứng động cơ dẫn đến động cơ quay với tốc độ ứng với Ud ban đầu. Trong quá trình làm việc nếu vì một nguyên nhân nào đó làm cho tốc độ động 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 ổn định tốc độ. 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) Phương trình đặc tính cơ điện của hệ thống: => I 0 Hình 4.2 ự Từ đây ta vẽ được họ đặc tính cơ điện của hệ thống (hình 4.2) Đánh giá chất lượng hệ thống Ưu điểm: + Do sử dụng các thiết bị bán dẫn ở bộ biến đổi nên hệ thống có tốc độ tác động nhanh cao, hiệu suất hệ thống cao. + Là bộ biến đổi tĩnh có kết cấu gọn nhẹ, không yêu cầu nền móng đặc biệt. + Dễ thiết lập các hệ thống tự động kín để nâng cao chất lượng hệ thống. Nhược điểm: + 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 sinh thành phần sóng hài bậc cao gây phát nóng động cơ ( có thể khắc phục nhược điểm này bằng cách mắc thêm cuộn kháng). FT A B C AT K K K BA KT RI Đ K K 0 220V Sơ đồ mạch động lực 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 cho phần 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 = Trong đó: Iưđm - là dòng định mức bộ biến đổi có: Idđm = Iưđm và Iưmax = 2,5Iưđm ÄUómax=2,5ÄUóđm = 2,5UdoUkYk Với: - Uk là điện áp ngắn mạch: Uk(%) = 5 % => Uk = 0,05 - Yk= Vậy: Udo = 289,7 V => UVo = Udo/1,35 = 289,7/1,35 =214,6V 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: V Tỷ số máy biến áp: k= Dòng hiệu dụng thứ cấp BA: A Dòng hiệu dụng sơ cấp BA: A Công suất định mức BA: SBA = 1,05.Pd = 1,05UdoIdđm = 1,05.289,7.25,2 = 7665,46 VA Tra sổ tay chọn máy biến áp tiêu chuẩn có Sđm = 20 KV Tính chọn các Tiristor trong mạch chỉnh lưu Dòng trung bình qua mỗi Tiristor: Ivtb = IT = A Dòng cực đại qua mỗi Tiristor: ITM = A Điện áp ngược cực đại qua mỗi Tiristor phải chịu: V Chọn hệ số dự trữ về điện áp và dòng điện của các Tiristor là: Ku = 1,8 và KI = 1,4 Vậy điện áp ngược của van cần chọn là: Uv = 1,8.303,4 ≈ 546 V Dòng điện của van cần chọn là: I = KI.ITM = 1,4.21 =29,4 A Vậy ta chọn được loại Tiristor dùng cho bộ chỉnh lưu cấp nguồn cho động cơ là loại: BTW 28A800R do hãng Thomson chế tạo có các thông số (bảng 4.1) sau: Bảng 4.1 Mã hiệuTiristor Ihd Ui,m IH Ig Ug toff du/dt di/dt BTW 28A800R A V A A V ỡs V/ỡs A/ỡs 35 800 0,07 0,18 3 20 200 100 Tính cuộn kháng san bằng Công thức tính gần đúng điện cảm phần ứng độnh cơ một chiều kích từ độc lập: , H Trong đó: KL = 1,4 ữ 1,9 (máy có bù); KL = 5,5 ữ 5,7 (máy không có bù); ở đây ta chọn máy có bù và chọn KL = 5,6 Uưđm = 220 V Iưđm = 25,2 A Zp = 2 (số đôi cực) nđm = 1000 vòng/ph Thay các thông số vào công thức ta có Lư = 0,024 H Ta thấy: Lư.ự = Lư.2ðf = 0,024.2.3,14.50 = 7,536 > 5.Rư = 5.0,632 = 3,16 Vậy hệ thống luôn làm việc ở chế độ dòng liên tục, ta không thêm cuộn bù. Bảo vệ sự cố trên hệ thống truyền động điện Mạch bảo vệ được thiết lập để bảo vệ an toàn và tránh gây tổn thất cho người vận hành và thiết bị. Do vậy quan điểm khi xây dựng mạch bảo vệ là phải có biện pháp phòng chống các sự cố và các trạng thái làm việc bất thường xảy ra nhằm hạn chế tổn thất ở mức độ thấp nhất. Mặt khác các phần tử bán dẫn công suất trong bộ biến đổi cũng pải được bảo vệ chống những sự cố bất ngờ, những nhiễu loạn nguy hiểm như ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, quá điện áp hoặc quá dòng điện qua van, quá nhiệt trong thiết bị biến đổi. Tuỳ theo các loại sự cố và mức độ ta có thể phân ra các nhóm loại bảo vệ: * Bảo vệ trên mạch động lực - Bảo vệ cắt khẩn cấp trên mạch động lực: Như ngắn mạch ở bộ biến đổi hệ thống truyền động, mất kích từ động cơ, quá tốc độ, quá dòng, quá điện áp phần ứng, đánh lửa gây ngắn mạch ở vành góp, ngắn mcạh ở một số vòng dây của máy biến áp nguồn …Mạch bảo vệ thực hiện cắt khẩn cấp bằng các thiết bị đóng cắt truyền thống như cầu chì, áptômát, rơ le…kết hợp với bảo vệ ở mạch điều khiển như khoá Tiristor, cắt nguồn nuôi, khoá các bộ phận điều chỉnh… -Bảo vệ cắt có thời gian: sự cố quá tải, cách điện giảm, quá nhiệt v.v…mạch bảo vệ phát hiện và phát tín hiệu cảnh báo trong lúc đó mạch điều chỉnh sẽ tự động thay đổi tham số điều khiển để thoát khỏi sự cố hoặc người vận hành trực tiếp điều chỉnh. Nếu sau một thời quy định mạch bảo vệ sẽ tác động cắt hệ thống ngừng làm việc để giải quyết sự cố. Trong các hệ thống truyền động hiện đại điều khiển số dùng vi sử lý hay vi tính có trang bị chương trình kiểm tra trạng thái của hệ để phát tín hiệu cảnh báo hoặc dự báo sự cố xảy ra cắt kịp thời để tránh hư hỏng. Thiết bị bảo vệ dòng điện ngắn mạch bên sơ cấp biến áp của bộ biến đổi, ngắn mạch bên phía thứ cấp của biến áp nguồn nhưng nằm ngoài bộ biến đổi.Ngắn mạch bên trong hệ truyền điện (bộ biến đổi và động cơ) sử dụng cầu chì.để bảo vệ mất từ thông ta sử dụng rơle bảo vệ mất từ thông, sử dụng rơle bảo vệ quá nhiệt để bảo vệ quá nhiệt động cơ, máy biến áp… * Bảo vệ trong bộ biến đổi - Bảo vệ qúa nhiệt: khi Tiristor được điều khiển mở cho dòng chảy qua van công suất bên trong sẽ đốt nóng chúng, trong đó đặt mặt ghép là nơi bị đốt nóng lớn nhất. Ngoài ra quá trình chuyển mạch van cũng gây ra tổn thất điện năng, do các thiết bị bán dẫn nói chung rất nhạy cảm với nhiệt độ, mọi sự quá nhiệt độ trên van dù chỉ diễn ra trong thời gian ngắn cũng có thể phá hỏng van nên để bảo vệ quá nhiệt trên van ta sử dụng các biện pháp làm mát cưỡng bức. Biện pháp làm mát thông dụng nhất là quạt không kí xung quanh cánh tản nhiệt (làm mát bằng gió). đối với thiết bị bán dẫn công suất lớn hơn ta có thể cho trực tiếp nước chảy qua cánh tản nhiệt (làm mát bằng nước) hoặc ngâm cả thiết bị bán dẫn vào dầu biến thế. Trong đồ án này việc thiết kế bảo vệ quá nhiệt cho Tiristor thực hiện bằng phương pháp làm mát cưỡng bức bằng gió với hệ số bảo vệ quá nhiệt trên van là: ki = 1,5 và ku = 1,6. - Bảo vệ quá điện áp trên van: Để bảo vệ quá điện áp trên van ta sử dụng mạch RC để bảo vệ từng Tiristor: mạch đấu song song với van dùng để bảo vệ quá điện áp do các nguyên nhân nội tại gây ra sự tích tụ điện tích trong lớp bán dẫn trong quá trình làm việc của van sẽ tạo ra dòng điện ngược khi khoá van trong thời gain ngắn do đó làm xuất hiện suất điện động cảm ứng rất lớn trên các điện cảm đường dây nối. Mạch RLC đấu giữa các nguồn pha dùng để bảo vệ quá áp do các nguyên nhân bên ngoài mang tính ngẫu nhiên như hiện tượng sấm sét, một cầu chì bị nhảy, cắt không tải máy biến áp…Các tri số linh kiện bảo vệ được chọn dựa vào các trị số kinh nghiệm: R = (5 ữ 30) Ù ; C = (0,5 ữ 4) ỡF Sơ đồ mạch bảo vệ hoàn chỉnh (hình 4.4): BAN LC Ecb Đ C1 R1 R1 C1 Hình 4.4 + Mạch R1C1 bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích: + Mạch R2C2 bảo vệ quá điện áp do cắt biến áp không tải gây ra. Mạch kích từ động cơ Để tạo điện áp kích từ ta dùng sơ đồ cầu ba pha không điều khiển (hình 4.5): i1 D1 i3 D3 i5 D5 D4 i4 D6 i6 D2 i2 ic ib Rcks Sơ đồ mạch lực mạch kích từ Hình: 4.5 Từ loại động cơ ta có: Iktđm = 0,91 A và Rcks = 184 Ù Điện áp ra trên mạch chỉnh lưu: Ud = IktđmRcks = 0,91.184 = 167,44 V Điện áp chỉnh lưu không tải: Ud0cosỏmin = Ud + ÄUv + ÄUx + ÄUr => V Dòng thứ cấp máy biến áp: A Công suất định mức MBA kích từ: VA Tra sổ tay ta chọn MBA tiêu chuẩn: Sđm = 3 kVA Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van cần chọn: V Dòng trung bình qua van cần chọn: Iv = A Chọn Điốt loại: B – 10 do Liên Xô cũ chế tạo có: Itb = 10 A; Uim = 500 V Thiết kế mạch điều khiển 4.2.1 Sơ đồ mạch điều khiển (hình 4.6a) Hình 4.6a Nguyên lý hoạt động: Tín hiệu xoay chiều sau khi đi qua biến áp nguồn được chỉnh lưu bởi hai điốt Đ1 và Đ2. Điện sau chỉnh lưu so sánh với điện áp chuẩn U0 để tại tín hiệu đồng bộ trùng với thời điểm điện áp lưới đi qua điểm 0. Khi tín hiệu đồng bộ âm tụ C được nạp và ngược lại khi tín hiệu đồng bộ dương tụ C phóng. Như vậy ở đầu ra của IC sẽ có tín hiệu răng cưa, sau đó tín hiệu răng cưa được so sánh với tín hiệu điều khiển (lấy từ khâu phản hồi tốc độ ) bằng khuếch đại thuật toán. Bộ OA7 là một đa hài dao động tạo xung chùm có tần số cao với mục đích giảm kích thước của máy biến áp xung. Tín hiệu cao tần trộn với tín hiệu sau khi so sánh rồi tiếp tục trộn với tín hiệu phân phối nhằm tạo ra tín hiệu cho từng Tiristor riêng biệt, những tín hiệu này được khuếch đại và thông qua biến áp xung đưa trực tiếp lên cực điều khiển của Tiristor. ở đây phương án chọn dùng sơ đồ cầu 3 pha nên cần thiết kế 3 kênh tương tự nhau cho các pha A, B, C. ố ố Uđk U0 ố ố ố ố U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9 ố * Dạng điện áp mạch điều khiển (hình 4.6b): Hình 4.6b Tính toán và chọn thiết bị bảo vệ cho mạch điều khiển Tính toán khâu đồng pha: + Nguyên lý hoạt động (hình 4.7): Điện áp xoay chiều 220V được đưa qua mạch chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ. Nửa chu kỳ đầu: U2 > 0 và U’2> 0: Đ1 dẫn. Nửa chu kỳ sau: U2 0: Đ2 dẫn. Ta được điện áp U1 như hình vẽ 4.7b. U được đưa vào cực thuận của OP1, điều chỉnh Rx1 để được điện áp U0 đưa vào cửa đảo. Nếu U1 < U0 thì U2 < 0 và U2 = -(E-2) V Nếu U1 > U0 thì U2 > 0 và U2 = (E-2) V. Điện áp ra U2 là dạng xung chữ nhật R1 R2 Rx1 u1 ố u1 ố ố u3 Hình 4.7 . + Tính toán: Ta có: f = 50 Hz => T = 1/f = 1/50 = 0,02 s = 20 ms. Do đó trong nửa chu kỳ ta phải tạo ra điện áp răng cưa sao cho: t = tp + tn = 0,01 s tp : thời gian phóng của tụ điện tn : thời gian nạp của tụ điện. Trong thực tế tính toán để giải điều kiện lớn từ 0 ữ Uđm thì hoặc tn << tp Hoặc tp << tn. ậ đây ta chọn : tn = 0,001 s = 1 ms Tp = 0,009 s = 9 ms. Với tp = 9 ms ta phải điều chỉnh Rx1 sao cho: U0 =U1 Chọn R2 = 1kÙ ta có: => kÙ Chọn loại biến trở có giá trị 40 kÙ để điều chỉnh lấy giá tri thích hợp. Khâu tạo điện áp răng cưa. Dz R3 U3 U2 E Rx2 C1 OA1 D2 ố U3 ố U4 Hình 4.8 + Nguyên lý hoạt động (sơ đồ hình 4.8): Khi U2 < 0 thì D3 dẫn, áp ở cửa đảo của OA2 âm: U < 0 nên U3 = k(U+ + U-) > 0 => điện áp ở cửa ra của OA là bão hoà dương. Chọn R3 << Rx2 để bỏ qua iRx2 trong giai đoạn này. Dòng qua tụ là dòng iRx2 vì dòng vào cửa âm của OA không đáng kể. Điện áp ra bằng điện áp tụ C và bằng: Như vậy điện áp trên tụ C tăng trưởng tuyến tính khi điện áp này đạt tu rò ngương D2 thì thông và giữ ở điện áp này (nếu không có D2thì điện áp tăng Ubh). Khi U2 > 0 thì D3 khoá => i2 = 0, lúc này dòng đi qua tụ C là dòng đi qua Rx2, dòng điện này ngược chiều với dòng đi qua tụ C khi U2 < 0 nghĩa là nó phóng điện. U3 = + Tính toán: Chọn tụ : C = 0,22 ỡF Chọn biên độ điện áp răng cưa cửa là 9,1 V do đó chọn Dz có UDz = 9,1 V. Để tụ C phóng điện về 0 ta chọn Rx2 theo: Thay số ta có: kÙ Chọn Rx2 gồm một loại biến trở 50 kÙ và một điện trở R = 30 kÙ. Trong thời gian tn trên tụ phải vượt quá giá trị điện áp ổn áp nên ta có: kÙ Chọn R3 = 4,3 kÙ và OA loại ỡA 741 có các thông số sau: Điện áp nguồn nuôi: Vcc = ±15 V Hiệu điện thế giữa cổng vào đảo và cổng vào không đảo: VID = ±30 V Điện áp tín hiệu đầu vào: V1 = ±15 V (biên độ của V1 không vượt quá 15V) Nhiệt độ làm việc: T = -550C ữ 1250C. Khâu so sánh + Nguyên lý họat động (hình 4.9): 5 Uđk D7 R9 3 4 OA3 R8 ố U4 Uđk ố U5 U6 ố Hình 4.9 Điện áp răng cưa U3 được đưa vào cổng đảo của OA3 còn điện áp điều khiển Uđk được đưa vào cổng không đảo khi đó điện áp ra là: U4 = K0.(Uđk – U3). Do đó khi Uđk > U3 thì điện áp ra là dương bão hoà, còn khi Uđk < U3 thì điện áp ra U4 dương bão hoà. Điốt D7 để lọc phần âm của điện áp ra U4 do đó U5 chỉ lấy phần điện áp dương. + Tính toán: Vì dòng vào kuếch đại thuật toán là rất nhỏ nên ta chọn R8 = 10kÙ. Ta chọn OA3 là khuếch đại thuật toán ỡA 741, chọn R9 = 10 kÙ Khâu phát xung chùm + Nguyên lý hoạt động (hình 4.10): 7 R10 D16 R12 C2 6 OA4 R11 R21 U6 ố U7 ố Hình 4.10 Tại thời điểm mà điện áp trên tụ UC2 = 0 thì Ur = 0 vì : Ta tiến hành nạp cho tụ C2 một điện áp UC2 0 => Ur = Umax lúc đó thì tụ C được nạp điện theo chiều ngược lại so với chiều mà ta nạp cho C2 lúc ban đầu, tụ C2 được nạp tới giá trị: Khi Ur = 0 thì UP = 0 do đó C2 phóng qua R10 về âm nguồn của OA4 và điện áp ra của OA4 ở mức âm bão hoà. Quá trình nạp lặp lại làm đầu ra của OA4 có xung điện áp dạng chữ nhật với tần số tuỳ thuộc vào giá trị của R10 và C2. + Tính toán: Chu kỳ của xung chùm được xác định theo công thức: Chọn Chọn C2 = 0,01 ỡF => kÙ Như vậy ta chọn R10 = R11 = R12 = 4,5 kÙ Khâu khuếch đại xung và biến áp xung. + Sơ đồ (hình 4.11): T1 R3 D2 R4 D1 C3 T2 R1 R2 BCS Hình 4.11 * Biến áp xung: Biến áp xung có nhiệm vụ tách ly mạch lực và mạch điều khiển. Phối hợp trở kháng giữa tầng khuếch đại xung và cực điều khiển van lực. Yêu cầu lớn nhất đối với biến áp xung là truyền xung từ mạch điều khiển lên cực điều khiển của Tiristor với độ méo ít nhất. Biến áp xung làm việc với tần số cao nên lõi dẫn từ trường cho biến áp xung là lõi ferit dạng xuyến hình trụ có tiết diện chữ E. Do chế độ làm việc của biến áp xung là từ hoá một phần nên ta chọn: Độ biến thiên cường độ từ trường : ÄB = 0,2 T Độ biến thiên mật độ từ cảm: ÄH = 30 A/m Kích thước tổng cuả biến áp xung là: Trong đó: tx là độ rộng một xung: tx = tn = 0,05 ms ÄUx : là độ sụt áp cho phép, chọn ÄUx = 0,1 V kba : là hệ số máy biến áp: kba = 2 U2 : là điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp: U2 = Uđk = 3,5 V I2 : là dòng điện cuộn thứ cấp máy biến áp do tx = tn nên coi: I2 = 0,5. Iđk = 0,1 A Thay các giá trị vào công thức trên ta có: m3 Tra bảng cho trường hợp từ hoá một phần chọn loại lõi hình trụ kí hiệu 1811 ( đường kính ngoài là 18 mm, đường kính trong là 11 mm, có tiết diện lõi tương ứng bằng 0,443 cm2. Do đó ta có số vòng dây cuộn sơ cấp là: vòng Yêu cầu lớn nhất đối với máy biến áp xung là truyền xung từ mạch điều khiển lên cực điều khiển của Tiristor với độ méo là ít nhất. * Khuếch đại xung + Nguyên lý làm việc: Khi có xung vào các bóng T1, T2 mở, đưa xung tới biến áp xung rồi tạo xung mở Tiristor. Vì biến áp xung có tính chất vi phân nên phải có điện trở R2 để tiêu tán năng lượng tích luỹ của các cuộn dây trong giai đoạn T1, T2 khoá, nếu không thù biên độ của các xung sẽ giảm đi đáng kể do điểm làm việc của lõi biến áp đẩy lên phía bão hoà. Do R2 mắc nối tiếp với cuộn sơ cấp của máy biến áp xung nên làm giảm điện áp đặt lên biến áp xung, để giữ điện áp ban đầu trên máy biến áp bằng nguồn Ecs ta thêm tụ C vào D1 có tác dụng ngăn mạch biến áp xung khi T1 khoá D2 nhằm chống quá áp gây hỏng bóng. + Tính toán: Theo thông số van T14-320-6 đã chọn ta có: Iđk = 200 mA Uđk = 3,5 V Tham số dòng điện và điện áp của cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = k.Uđk ; I1 = ( k là hệ số điều khiển máy biến áp) Chọn k = 2 ta có: U1 = 2.3,5 = 7 V ; I1 = 200/2 = 100 A Nguồn công suất phải có giá trị lớn hơn U1 để bù điện áp trên điện trở vì vậy Ecs = 15 V. Từ giá trị Ecs và I1 chọn bóng T1 loại BFY51 có Icmax = 1A; UCE = 30 V ; õ =40 Điện trở: R2 > Ù Công suất điện trở này thường từ 2W đến 4W do dòng quá lớn và khá thường xuyên lớn nhất là khi góc quay điều khiển nhỏ nhất. Kiểm tra độ sụt áp trên điện trở khi bóng dẫn dòng: UR2 = I1.R2 = 0,1.15 = 1,5 V Suy ra điện áp trên biến áp xung phải là: U1 = Ecs - UR2 = 15 – 1,5 = 13,5 V và đạt yêu cầu. Tuy nhiên để tăng mạch xung kích cho van dẫn có thể dùng thêm tụ tăng cưỡng áp C được tính như sau: Tần số xung chùm 10 Khz tương ứng với chu kỳ bổ xung là: Khoảng cách giữa hai hai xung chùm là: tu = ỡs Vậy do : + Khoảng cách giữa hai xung chùm là: Vậy do ; nên chọn C = 1,1mF. Bóng T2 chọn loại BC107, Ucc = 45V, Icmax =0,1A, bmin = 110. Vậy điện trở đầu vào tính theo công thức: Thay số: Chọn R1 =20kW. Đi ốt loại 1N1192A có các thông số sau:Imax =20A, Un = 50V Khâu tạo nguồn nuôi *Nguyên lý làm việc (hình 4.12) Ecs C7 2-1 2-2 C3 C4 C5 C6 C1 C2 a b c a’ b’ c’ Hình 4.12 Ta cần tạo ra nguồn điện áp ± 15V để cấp cho máy biến áp xung và nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ. Ta chọn mạch chỉnh lưu cầu dùng điốt , điện áp thứ cấp máy biến áp, nguồn nuôi: . Chọn U2 = 9V. Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi, ta dùng hai vi mạch ổn áp 7815 và 7915 là vi mạch ổn áp cho ta điện áp – 15V Các thông số của vi mạch: + Điện áp đầu vào: Uv = 7 ¸ 35V + Điện áp đầu ra: UR = 15V với IC7815, UR = -15V với IC7915. + Dòng điện đầu ra: IR = 0 ¸ 1A + Tụ điện C4, C5 lọc các thành phần bậc cao chọn: C4 = C5 =C6 = C7 =470mF, U =35V. * Tính biến áp nguồn nuôi và đồng pha: + Ta thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc kéo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi, chọn kiểu máy biến áp ba pha ba trụ, trên mỗi trụ có ba dây, một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp. + Điện áp lấy ra ở thứ cấp máy biến áp làm điện áp đồng pha lấy ra thứ cấp làm nguồn nuôi: + Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha: + Công suất nguồn nuôi cấp cho máy biến áp xung: + Công suất tiêu thụ ở 6IC084 sử dụng làm khuyếch đại thuật toán ta chọn hai IC TL084 để tạo 6 cổng AND: + Công suất biến áp xung cấp cho việc điều khiển Tiristor: + Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi: + Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy: + Dòng điện thứ cấp máy biến áp: + Dòng điện sơ cấp máy biến áp: + Tiết diện trụ của máy biến áp được tính theo công thức: cm2 kQ = 6 là hệ số hấp thụ phụ thuộc vào phương thức làm mát. m = 3 là số trụ của biến áp f = 50Hz là tần số lưới điện. Chuẩn số tiết diện trụ: Q = 1,63cm2 =1,63.10-4 m2 Kích thước mạch từ là lá thép dày d = 0,5mm Số lượng lá thép: 68 lá; a=12mm; b = 16mm; k = 30mm Hệ số ép chặt kc =0,85. + Chọn mật độ từ thẩm B = 1T ở trong trụ ta có vòng dây sơ cấp: (vòng) + Chọn Mật độ dòng điện: J1 = J2 =2,75A/mm2. - Tiết diện dây quấn sơ cấp: - Đường kính của dây quấn sơ cấp: Chọn d1 =0,1mm; đường kính có xen kẽ cách điện d1cđ =0,12mm. + Số vòng dây cuộn thứ cấp: (vòng) + Tiết diện dây quấn thứ cấp: + Đường kính dây quấn thứ cấp: Chuẩn hoá: d2 = 0,3mm. Chuẩn hoá đường kính kể cả cách điện là: d2cd = 0,33mm. + Chọn hệ số lấp đầy: klđ =0,7 + Chiều rộng cửa sổ: . * Tính chọn Đi ốt cho thiết bị chỉnh lưu nguồn nuôi: - Dòng điện qua đi ốt: - Điện áp nguồn lớn nhất: . - Chọn dòng điện định mức: - Điện áp ngược lớn nhất: . Vậy chọn Đi ốt kP208A có: Iđm =1,5A; Un =100V. 4.3 Các thiết bị đo lường bảo vệ 4.3.1. Máy phát tốc để tạo phản hồi điện áp cho mạch vòng điện áp. Chọn loại 20V/3000RPM của hãng servo-tek, trong serie B. Máy phát tốc ở đây ta chọn là máy điện một chiều, Chọn loại 20V/3000RPM của hãng servo-tek, trong serie B. Máy phát tốc ở đây ta chọn là máy điện một chiều. Yêu cầu của máy phát tốc một chiều là điện áp một chiều có chứa ít thành phần xoay chiều tần số cao và tỉ lệ với tốc độ động cơ, không bị trễ nhiều về giá trị. Yêu cầu điện áp một chiều phát ra không phụ thuộc vào tải và nhiệt độ. Khi ở vùng tốc độ cao có sóng điều hoà bậc cao do hiện tượng chuyển mạch ở vành góp, các sóng điều hoà này phụ thuộc vào tổng số phiến góp và giá trị tốc độ động cơ. Cần bố trí mạch lọc để lọc bớt các thành phần sóng điều hoà này. Uw C R w Hình 4.13 Sơ đồ như hình vẽ 4.13: - Chọn điện trở đủ lớn: - Cùng với bộ lọc hàm truyền của khâu phát tốc: - Hệ số tỷ lệ: - Tw: hằng số thời gian của phản hồi, cũng chính là hằng số thời gian của bộ lọc Tw = RC; Chọn: R =100KÙ, C =10ỡF = 10-5F => Tw =10.10-5 = 0,001s. 4.3.2 Khâu hạn chế dòng Mạch hạn chế dòng (hình 4.14) hạn chế lượng đặt dòng và áp điều khiển không vượt quá giá trị cho phép, nghĩa là không quá 10V. Chọn: R =100KÙ, C =10ỡF; Tw = 0,001s U1 Un=12V Umax=10V 1KÙ 10KÙ 10KÙ Hình 4.14 10V 10V U1 U2 4.3.3 Sen sơ để đo lường dòng cho mạch vòng dòng điện. Để đo lường dòng điện cho mạch vòng điều chỉnh dòng điện ta dùng một điện trở shunt model SH 1000, có thông số: Hãng sản xuất: Bogart engineering. Thông số chuyển đổi: 1000A/100mV. Điện trở: 0,1mW. Hoạt động ổn định trong dải: 0 ¸ 820A - Mắc shunt trong mạch lực như sau: để tránh các xung dòng, áp có thể ảnh hưởng đến shunt, ta sử dụng một mạch cách ly phản hồi cho shunt (hình 4.15). R6 R5 R7 R2 R3 C1 Rs6 R4 R1 R8 R12 R9 R10 R11 R12 R C Hình 4.15 Bao gồm các mạch dao động xung tam giác đối xứng, mạch so sánh, mạch truyền xung ( photo coupler để cách ly mạch lực và mạch điều khiển) và mạch tích phân để lấy lại giá trị của điện áp đo cấp vào mạch điều khiển. Mạch dao động xung tam giác đối xứng có: Uđk Chọn C1 =22ỡF, R2 = R3 =100KÙ; R1 =10KÙ.f =1 136Hz. Mạch so sánh có điện trở là: R5 = R6 =100Ù; R7 = R8 =1KÙ. Mạch truyền xung có Rđch là một biến trở 10KÙ R9 = R10 = R11 = R12 =10KÙ. Khâu tích phân để lấy lại điện áp có: C = 10ỡF, R = 10KÙ. Hằng số thời gian của tích phân: Rc = 0,001s = 1ms Khâu phản hồi dòng của mạch vòng dòng điện: Ti =0,001s hằng số thời gian của khâu tích phân cuối để lấy lại điện áp. CHƯƠNG V MÔ PHỎNG HỆ BẰNG PHẦN MỀM CỦA SIMULINK MATLAB 5.1 Sơ lược về Simulink Matlab là một bộ chương trình phần mềm lớn của lĩnh vực toán số. Tên bộ chương trình chính là chữ viết tắt của từ MATrix LABoratory, thể hiện định hướng chính của chương trình là các phép tính vector và ma trận. Phần cốt lõi của chương trình bao gồm một số hàm toán, các chức năng nhập, xuất cũng như khả năng điều khiển chu trình mà nhờ đó ta có thể dựng nên các Scrípt. Ngoài phần cốt lõi còn có các Toolbox có các chức năng chuyên dụng khác. Simulink là một Toolbox có vai trò đặc biệt quan trọng, là một công cụ mạnh phục vụ mô hình hoá và mô phỏng các hệ thống kỹ thuật vật lý trên cơ sở sơ đồ cấu trúc dạng khối. Giao diện đồ hoạ trên màn hình của Simulink cho phép thể hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ tín hiệu với các khối chức năng quen thuộc. Simulink cung cấp cho người sử dụng một thư viện rất phong phú, có sẵn với số lượng lớn các khối chức năng cho các hệ tuyến tính, phi tuyến và giãn đoạn. Hơn thế người sử dụng cũng có thể tạo nên các khối riêng của mình. Sau khi đã xây dựng mô hình của hệ thống cần nghiên cứu, bằng cách ghép các khối cần thiết thành sơ đồ cấu trúc của hệ, ta có thể khởi động quá trình mô phỏng. Trong quá trình mô phỏng ta có thể chích tín hiệu tại vị trí bất kỳ của sơ đồ cấu trúc và hiển thị đặc tính của tín hiệu đó trên màn hình. Hơn thế nữa nếu có nhu cầu ta còn có thể cất giữ các đặc tính đó vào môi trường nhớ. Việc nhập và thay đổi tham số của tất cả các khối cũng có thể được thực hiện rất đơn giản bằng cách nhập trực tiếp hay thông qua Matlab. Để khảo sát hệ thống ta có thể sử dụng thêm các toolbox như Signal processing ( sử lý tín hiệu ), Optimization ( tối ưu ) hay Control System ( hệ thống điều khiển ). 5.2 Mô hình toán của hệ Trong đó: kệ = 1,944 J = 0,4 kgm2 Lư = 0,024 H ự = 105 rad/s Iư = 25,2 A. Từ mô hình toán đó ta xây dựng sơ đồ cấu trúc Matlab như hình 5.1 sau: Hình 5.1 5.3 Mô phỏng dòng điện, mômen, tốc độ động cơ. Ở đây ta sẽ khởi động cơ theo dải điều chỉnh góc ỏ từ ỏmax đến ỏmin như sau: Trong đó: ỏmax = 86,5 0 như đã tính ở phần trước ỏmin được tính như sau: U = Ud = 2,34.220.cosỏmin = Uđm = 220 V => ỏmin = arccos(220/2,34.220) = 64,70 ỏmin = 64,70 ≈ pi/2.8 (rad/s). + Dòng điện :Từ đó ta có: i = f(t) như hình vẽ 5.2 dưới đây: Hình 5.2 Ở hình 5.2 ta thấy khi bắt đầu khởi động: góc ỏ = ð/2 = 900 ; thời gian khởi động: tkđ = 0. sau đó ta vặn nút điều chỉnh góc ỏ = ð/2,15 =840; t = 1s. Lúc này dòng điện tăng lên đến 30A rồi giảm về 27,5A ở giây thứ 1. Rồi tiếp tục điều chỉnh góc ỏ đến giá trị bằng ỏmin = 64,70 ở thời điểm t = 7s. Kể từ dây thứ 6 thì dòng ổn định ở giá trị định mức. + Mômen: Ta có M = f(t) như hình 5.3 dưới đây: đặc tính mômen có giáng điệu giống như dòng điện và ở dây thứ 6 mômen đạt giá trị định mức: Mđm = 42,86 Nm + Tốc độ: ự = f(t) như hình vẽ 5.3 dưới đây: Ta thấy sau khi điều chỉnh góc mở ỏ ở dây thứ 6 thì tốc độ đạt giá trị định mức ựđm = 105 rad/s KẾT LUẬN Trên đây là tất cả những nội dung mà bản thân em qua quá trình học tập trên lớp, tìm tòi tài liệu để tham khảo và với sự hướng dẫn của thầy giáo Thái Duy thức em đã trình bày đầy đủ những nội dung yêu cầu của đề tài là “thiết kế bộ điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập”. Nội dung em trình bày gồm có 5 chương lớn và trong mỗi chương là các đề mục phù hợp với nội dung của từng chương. Bản thân em dã nỗ lực cố gắng hoàn thành nội dung đề tài yêu cầu xong không tránh khỏi sai sót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo từ phía thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp. Em xin trân thành cảm ơn quý Thầy giáo! TÀI LIỆU THAM KHẢO Cơ sở lý thuyết truyền động điện tự động tập I_ PGS - TS Thái Duy Thức_ nhà xuất bản giao thông vận tải Hà Nội - 2001. Thiết kế truyền động điện tự động tập I _ PGS -TS Thái Duy Thức, ThS Phan Minh Tạo_ nhà xuất bản giao thông vận tải Hà Nội - 2000. Điện tử công suất trong công nghiệp mỏ và dầu khí _ PGS - TS Thái Duy Thức, ThS Khổng Cao Phong _ nhà xuất bản giao thông vận tải Hà Nội - 2007. Matlab & simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động _ Ngô Phùng Quang _ nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội - 2004.