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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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. 0 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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 cứng đặc tính cơ β. β= ΔM Δω (1.1) ω (3) Δω2 (2) Δω1 AM (1) M Hình 1.1 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập Sơ đồ nguyên lý hình 1.2. + - U− E Rf Ckt I Rkt Ikt + Ukt - Hình 1.2 a. Phương trình đặc tính cơ Uư = Eư + (Rư + Rf). Iư Trong đó: Uư: điện áp phần ứng (V) Eư: sức điện động phần ứng (V) Rư: điện trở mạch phần ứng (Ω) Rf: điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω) Iư: dòng điện mạch phần ứng (A) Suất điện động Eư được tính Eư = P.N φ .ω = kφ .ω 2π.a (1.3) K: hệ số cấu tạo của động cơ φ: từ thông kích từ dưới 1 cực ω: tốc độ góc Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ta có Mtt = Mđc = M (1.4) Ta có Mtt = K.φ.Iư (1.5) Dẫn đến ω= U − R− + Rf − .M Kφ ( K φ ) 2 (1.6) Giả sử φ = const ta có đồ thị đặc tính cơ có dạng như hình 1.3. ω ω0 ω®m Μ®m Μnm M Hình 1.3 Khi ω = 0 Ta có I= U = I nm R− + Rf và M = K. φ.Inm = Mnm (1.7) (1.8) Inm, Mnm dòng và momen ngắn mạch §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 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều. Rb BBĐ Đ Eb Rư I U Eư Hình 1.5 Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau: Eb – Eư = Iư (Rb + Rưđ) ω= ( Rb + R−® ) Eb − I− Kφ®m Kφ®m (1.12) Để xác định dải điều chỉnh tốc độ. Ta thấy tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ cơ bản. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về momen khởi động. Khi momen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của hệ thống là: ωmax = ωo max − M®m ωmin = ωo max − M®m β β (1.13) (1.14) 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. 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ω ω0max ωmax ω0min ωmin M®m Mnmmin M,I 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. ik = ek dφ + ωk rb + rk dt (1.17) 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. 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP § 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. Đặc tính từ hoá Đặc tính tải Trong tính toán có thể tuyến tính hoá các đặc tính này EF = KF. φF. ωF = KF. ωF. C.iKF (1.18) Trong đó: KF: hệ số kết cấu của máy phát C: hệ số góc của đặc tính từ hoá Sơ đồ của hệ F - Đ §K I ω F U F = U® § ω MS Hình 1.7 Nếu đặt R = RưF + RưĐ Ta có thể viết được phương trình của đặc tính của hệ F - Đ ω= KF R.I .U KF − Kφ Kφ (1.19) 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ω= KF R .U KF − .M 2 Kφ ( Kφ ) ω = ω0 (U KF ) − M β (U KF ) (1.20) (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 điều chỉnh sâu tốc độ. 2. Hệ truyền động T - Đ a. Khái quát chung Hệ truyền động T - Đ: + Nguyên lý chung. + Sơ đồ thay thế. + Đặc tính cơ. + Đảo chiều. 7 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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 cơ. b. Sơ đồ và nguyên lý làm việc. i®1 icb Lc0 Lc0 K I 1 A2 I E a Ud b L c R II A1 B§1 K2 B§2 Lcb Lcb id1 icb 2 Hình 1.8 Giả thiết α1 < π 2 ; α2 > π 2 sao cho Ed1 ≤ Ed2 thì dòng chỉ có thể chạy 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: 8 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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 = E d1 +E d2 =0 R cb 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: Ln i L R DUL iDo D0 UĐ E 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 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i®k T t® t i Imax Imin t U§ UN t® T t Ta có: ( ( ) ) −t® / t− UN 1 − e E − . Imax = R 1 − e− T / Tu R I min ( ( ) ) t ® / T− −1 E UN e = − . T/T R e − −1 R Nếu S thông liên tục tđ = T thì dòng điện trong phần ứng là: I = Imax = Imin = U−E R 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH NGUYÊN TẮC ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ BẰNG XUNG ÁP MỘT CHIỀU §1. ĐIỀU CHỈNH XUNG ÁP MẠCH ĐƠN. 1. Sơ đồ nguyên lý. iN S iđk i iDo D0 L R DUL DUR UĐ E Hình 2.1 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. UĐ = UN i = iN Khi khoá S ngắt iN = 0 UĐ = 0 Do tác dụng duy trì dòng điện của điện cảm L ta có. i = iDo 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 11 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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. Iđk t® t T i Imax Imin t tđ t T Hình: 2.2 Trên hình 2.2 mô tả qúa trình dòng điện và điện áp trong chế độ dòng điện liên tục. Phương trình điện áp khi S thông. Hoặc UĐ = E + ΔUL + ΔUR (2.1) di R U −E + i= § dt L L (2.2) Tại thời điểm t = 0+ khoá S bắt đầu thông. UĐ = UN i = Imin 12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Nếu coi Sđđ E không đổi trong một chu kỳ đóng ngắt của khoá S thì nghiệm của phương trình (2.2) là: i= UN − E 1 − e− t / Tu .I m in .e− t / Tu R ( (0 ≤ t < tđ) ) (2.3) Tư = L/R hằng số thời gian Tại thời điểm t = tđ khoá S bắt đầu ngắt. i = Imax = U N −E 1 − e− t ® / T− +I min .e− t ® / T− R ( ) (2.4) Lúc này UĐ = 0; dòng điện động cơ khép mạch qua D0, nhận được phương trình sau:. di R E + i=− dt ' L L (2.5) Trong đó t’ = t - tđ. Tại t’ = 0+. i = Imax Nghiệm của (2.5) là: i= − ( ) E 1 − e t '/ T− + I max .e − t '/ T− R (tđ ≤ t < T) (2.6) tại t’ = T - tđ tức là tại t = T, i = Imin. Từ (2.6) ta có: Imin = - ( ) E − T −t / T − T −t / T 1 − e ( ® ) − + I max .e ( ® ) − R (2.7) Kết hợp (2.4) và (2.7) ta có: I max ( ( ) ) − t ® / T− UN 1 − e E = − . − T / T− R 1− e R (2.8) 13 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I min ( ) t ® / T− −1 E UN e = . T / T− − R e R −1 (2.9) Nếu S thông liên tục tại tđ = T thì dòng điện trong mạch phần ứng sẽ không đổi và bằng. I = Imax = Imin = UN − E R (2.10) 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. iđk i tđ UĐ t T tx t T UN E tđ tx t T Hình 2.3 Với các điều kiện biên của chế độ này từ (2.7) ta có. 14 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ( t / T ).( T / T− ) E e ®gh −1 = T / T− UN −1 e (2.11) Ta có thể rút gọn như sau: ee.σ − 1 m= σ e −1 Trong đó: (2.12) m= E UN ρ= t® T σ= T T− Tại trạng thái biên liên tục và trong vùng dòng điện gián đoạn do Imin=0 nên từ (2.8) và (2.9) ta có: Imax = U N −E 1 − e− t ® / T− R ( ) (2.13) từ (2.6) và (2.1) ta có: i= − U −E E 1 − e− t '/ T− + N 1 − e− t ® /T− .e− t '/ T− R R ( ) ( ) (2.14) (0 < tđ ≤ tđgh) Dòng điện này xẽ bằng không tại thời điểm t = tx hoặc t’ = tx - tđ thay các điều kiện vào (2.11) ta có: ⎡ U −E ⎛ ⎞⎤ tx = Tư. Ln ⎢ et ® / T− ⎜ 1 + N . 1 − e− t ® / T− ⎟ ⎥ E ⎝ ⎠⎦ ⎣ ( ) (2.15) Trạng thái biên giới là trạng thái tx = T như vậy với mỗi thông số của mạch và các giá trị UN, E tương ứng ta có thể tìm được tđgh. 15 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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. t T T ⎤ 1 1⎡® UĐ = ∫ U § dt = ⎢ ∫ U N dt = ∫ Edt ⎥ T0 T ⎣⎢ 0 ⎥⎦ tx U§ = 1 ⎡ U N .t ® + ( t − t x ) E ⎤⎦ T⎣ (2.16) Trong chế độ dòng điện liên tục vì tx = T nên U§ = ω= t® .U N = ρ.U N T ρ.U N R − − .I K.φ K.φ (2.17) (2.18) Giống như trong hệ U - Đ, trong hệ thống ĐX - Đ khi tx < T thì xảy ra 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. 16 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP w r=1 I, M r=0 Ta có: Dòng điện ở chế độ biên liên tục là: Iblt = = = 1 Imax 2 ( 1 ( U N −E ) 1 − e− t ®gh /T− 2R ) 1 ρ . ( U − Kφ .ωblt ) 1 N 2R 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 = U N ρ (1 − ρ ) . 1 2 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: 17 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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. Iblt.th = ( UN . σ − 2 σ +1 + 2 2σ ) Tại giá trị tới hạn của ρ ρth = 1 σ ( ) 1+ σ −1 §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) 18 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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. 19