Tổng hợp điều khiển hệ điện Đề bài: + Chỉnh lưu đảo chiều điều khiển riêng + Cho đồ thị cưa Uđk [V] 4,5 α1 FX FX α2 π/2 π 2π 3π ωe.t - 4,5 + Cho động chiều kích từ độc lập: Pđm = 2,8 [kW] Uđm = 220 [V] Iđm = 17 [A] nđm = 1500 [v/ph] Rư = 1,2 [Ω] Lư = 0,025 [H] J = 0,12 [kg.m2] Tổng hợp điều khiển hệ điện Chỉnh lưu Chỉnh lưu + BAN U1 U2 Ud I2 Đ Id Phát xung Phát xung Uđk Tổng hợp điều khiển hệ điện Chọn sơ máy biến áp nguồn: 1.1 Các thông số của máy biến áp: + Điện áp cuộn dây sơ cấp: U1đm = 380 [V] + Phương trình cân bằng điện áp: Ed = Ud + ΔUv + ΔUBA Với: Ud: điện áp định mức của động (Ud = Uđm = 220 V) ΔUv: độ sụt áp trung bình Thyristor Chọn ΔUv = 2.2 = [V] {sụt áp van là: 2V} ΔUBA: độ sụt áp máy biến áp (chọn ΔUBA = 5%.Ud) ΔUBA = 5%.220 = 11 [V] Do vậy: Ed = 220 + + 11 = 235 [V] + Công suất của tải: Pd = Ed.Id Trong đó: Id = Iđm = 17 [A] Do đó: Pd = 235.17 ≈ 4000 [W] + Công suất của máy biến áp nguồn: SBA = 1,05.Pd = 1,05 4000 => SBA = 4200 [VA] = 4,2 [kVA] + Điện áp ở cuộn dây thứ cấp: U đm = Ed 235 = = 100,43[V ] k u 2,34 ku: hệ số điện áp của mạch chỉnh lưu điều khiển cầu pha (ku = 2,34) Từ đó: ta có hệ số máy biến áp KBA Tổng hợp điều khiển hệ điện K BA = U 1đm 380 = = 3,78 U đm 100,43 + Dòng điện ở cuộn dây thứ cấp: I2đm = ksđ.Id = 0,816.Iđm = 0,816.17 => I2đm = 13.87 [A] ksđ: hệ số dòng điện của sơ đồ cầu pha (ksđ = 0,816) + Dòng điện ở cuộn dây sơ cấp: I1đm = I đm 13,87 = = 3,67[ A] K BA 3,78 Vậy ta cần dùng máy biến áp có thông số: Công suất của máy biến áp: SBA = 4,2 [kVA] Hệ số máy biến áp: KBA = 3,78 Điện áp định mức ở sơ cấp: U1đm = 380 [V] Điện áp định mức ở thứ cấp: U2đm = 100,43 [V] Dòng điện định mức ở sơ cấp: I1đm = 3,67 [A] Dòng điện định mức ở thứ cấp: I2đm = 13,87 [A] 1.2 Tính thiết kế máy biến áp: Chọn máy biến áp ba pha ba trụ 6.1 Thiết diện của trụ: QFe = K Q S BA m f Với: QFe: thiết diện của trụ máy biến áp KQ: hệ số (KQ = 5,6 ÷ 6,4) Chọn KQ = m: sớ pha của máy biến áp (m = 3) f: tần số lưới điện (f = 50 Hz) SBA: công suất biểu kiến máy biến áp (SBA = 4,2 kVA = 4200 VA) Từ đó, ta được: QFe = 4200 = 31,75(cm ) 3.50 Tổng hợp điều khiển hệ điện 6.2 Đường kính của trụ: d= 4.QFe = π 4.31,75 = 6,36(cm) 3,14 Chọn đường kính trụ theo tiêu chuẩn: d = (cm) Chọn loại thép kỹ thuất điên: ∃330 có độ dày 0.5 (mm) Chọn mật độ từ cảm trụ: B = [T] 6.3 Tính tốn sớ vòng dây của dây q́n: Từ công thức: U1 = 4,44.f.w1 φ m Và: φ m = B.QFe Ta được: w1 = U1 380 = 4,44 f B.QFe 4,44.50.1.31,75.10 − => w2 U = w1 U => w1 ≈ 539 [vòng] => w2 = w1 U2 100,43 = 539 U1 380 w2 ≈ 142 [vòng] 6.4 Tính toán đường kính dây của dây quấn: Chọn dây dẫn làm bằng đồng có tiết diện tròn có mật độ dòng điện sơ bộ: J = (2,5 ÷ 3,5) [A/mm2] Chọn J = [A/mm2] Tiết diện dây dẫn ở cuộn sơ cấp: S1 = I 3,67 = = 1,22[mm ] J Đường kính dây dẫn sơ cấp: d1 = 4.S1 4.1,22 = = 1,25 π 3,14 => S1 = 1,23 [mm2] Đường kính dây dẫn sơ cấp kể cách điện: d’1 = 1,35 [mm] => Chọn d1 = 1,25 [mm] Tổng hợp điều khiển hệ điện Tính lại mật độ dòng điện dây dẫn sơ cấp: J1 = I1 3,67 = = 2,98[mm ] S1 1,23 Tiết diện dây dẫn ở cuộn thứ cấp: S2 = I 13,87 = = 4,62[mm ] J Đường kính dây dẫn thứ cấp: d2 = 4.S 4.4,62 = = 2,43[ mm] π 3,14 => S2 = 4,91 [mm2] Đường kính dây dẫn thứ cấp kể cách điên: d’2 = 2,60 [mm] => Chọn d2 = 2,50 [mm] Tính lại mật độ dòng điện dây dẫn sơ cấp: J2 = I 13,87 = = 2,82[mm ] S 4,91 6.5 Tính chiều dài của cuộn dây quấn: Đường kính của cuộn dây sơ cấp: D1 = d + d1 = + 1,25 => D1 = 8,25 [cm] Chiều dài của cuộn dây sơ cấp là: L1 = w1.(π.D1) = 539.3,14.8,25 => L1 = 13962.795 [cm] = 139,63 [m] Đường kính của cuộn dây thứ cấp: D2 = d + d1 + d2 = + 1,25 + 2,50 => D2 = 10,75 [cm] Chiều dài của cuộn dây sơ cấp là: L2 = w2.(π.D2) = 142.3,14.10,75 => L1 = 4793,21 [cm] = 47,93 [m] 6.6 Tính điện trở của cuộn dây quấn: Từ công thức tính điện trở: R = ρ L S Tổng hợp điều khiển hệ điện Trong đó: ρ : điện trở suất dây quấn (với dây đồng: ρ = 0,02133 [Ω.mm2/m]) Điện trở của dây quấn sơ cấp: L1 139,63 = 0,02133 S1 1,23 R1 = ρ => R1 = 2,42 [Ω] Điện trở của dây quấn sơ cấp: R2 = ρ L2 47,93 = 0,02133 => R2 = 0,21 [Ω] S2 4,91 Điện trở của máy biến áp đã quy đổi thứ cấp: R BA w   142  = R2 + R1   = 0,21 + 2,42.  w   539   1 => RBA = 0,38 [Ω] 6.7 Tính điện cảm của cuộn dây quấn: + Kết cấu dây quấn sơ cấp: thực hiện theo cách quấn đồng tâm Tính sơ số vòng dây lớp của cuộn sơ cấp: w11 = h − hg d '1 Trong đó: h: chiều cao của trụ Chọn h = 30 [cm] hg: khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp Chọn hg = [cm] d’1: đường kính dây quấn sơ cấp kể lớp cách điện đó: w11 = 30 − ≈ 215[vg ] 1,35.10 −1 Số lớp dây ở cuộn sơ cấp là: n11 = w1 539 = = 2,5 w11 215 Lấy n11 = [lớp] Trong đó: lớp có 215 vòng dây lớp có 109 vòng Tổng hợp điều khiển hệ điện Chiều cao của cuộn dây sơ cấp: h11 = w11.d’1 = 215.1,35.10-1 => h11 = 29,03 [cm] Bề dày cuộn sơ cấp: B1 = d’1.n11 = 1,35.10-1.3 => B1 = 0,41 [cm] + Kết cấu dây quấn thứ cấp: thực hiện theo cách quấn đồng tâm Tính sơ số vòng dây lớp của cuộn thứ cấp: w22 = h − hg d '2 Trong đó: h: chiều cao của trụ Chọn h = 30 [cm] hg: khoảng cách từ gông đến cuộn dây thứ cấp Chọn hg = [cm] d’2: đường kính dây quấn thứ cấp kể lớp cách điện đó: w22 = 30 − ≈ 112[vg ] 2,60.10 −1 Số lớp dây ở cuộn thứ cấp là: n22 = w2 142 = = 1,27 w22 112 Lấy n22 = [lớp] Trong đó: lớp có 112 vòng dây lớp có 30 vòng Chiều cao của cuộn dây thứ cấp: h22 = w22.d’2 = 112.2,60.10-1 => h22 = 29,12 [cm] Bề dày cuộn thứ cấp: B2 = d’2.n22 = 2,60.10-1.2 => B2 = 0,52 [cm] + Điện kháng của máy biến áp quy đổi thứ cấp là: r B + B2 X ba = 8.π ( w2 ) ( ).(a12 + ).ω.10 −7 h Trong đó: Tổng hợp điều khiển hệ điện r: bán kính của cuộn dây thứ cấp (r = 6,36/2 = 3,18 cm) ω: tần số góc của lưới điện (ω = 314 [rad/s]) h: chiều cao của trụ X ba = 8.3,14 (142) ( 3,18 0,41 + 0,52 ).(0,01 + ).314.10 −7 30 => Xba = 1,69 [Ω] Từ đó, ta được điện cảm của máy biến áp quy đổi thứ cấp: Lba = X ba 1,69 = ω 314 => Lba = 5.10-3 [H] = [mH] Tổng hợp điều khiển hệ điện Tính chọn mạch lực: 2.1 Tính chọn Thyristor cho chỉnh lưu điều khiển: Để tính chọn Thyristor ta cần dựa vào yếu tố: dòng tải, điện áp ngược của Thyristor Các thông số của Thyristor được tính sau: + Điện áp ngược của Thyristor: Điện áp làm việc của van: U lv = k nv U = k nv đó: Ud ku knv: hệ số điện áp ngược của van (knv = = 2,45) ku: hệ số điện áp tải (ku = 2,34) Do đó: U lv = 2,45 220 => 2,34 Ulv = 230,34 [V] Điện áp ngược mà van phải thỏa mãn: Uv ≥ kdt.Ulv Trong đó: kdt: hệ số dự trữ điện áp (Chọn kdt = 1,9) Uv ≥ 1,9.230,34 = 437,65 [V] + Dòng điện trung bình của Thyristor: I tbv = I d I đm 17 = = 3 => Itbv = 5,67 [A] Do vậy, Thyristor được chọn cho: Iv ≥ klv.Itbv = 5,67 => Iv ≥ 8,05 [A] Dựa vào bảng tra cứu ta chọn Thyristor có ký hiệu: BT152 - 600R có thông số sau: + Itbmax = 13 [A] + Ungmax = 600 [V] + Uđk = [V] + Iđk = 32 [mA] 10 Tổng hợp điều khiển hệ điện 2.2 Tính chọn bảo vệ cho Thyristor: Để bảo vệ cho Thyristor ta dùng mạch bảo vệ RC (mạch gồm điện trở R mắc song song với tụ điện C) mắc song song với mỗi Thyristor Mạch sẽ bảo vệ cho Thyristor tốc độ tăng áp K tăng dòng van trình chuyển trạng thái của van Ngồi ra, nó còn giúp cho Thyristor hoạt động ởn định điện áp van có tốc độ tăng trưởng (du/dt)lớn Vì nếu van có tốc độ tăng trưởng của điện áp lớn thì Thyristor có thể chuyển từ trạng thái đóng sang R T C trạng thái dẫn mà không cần có tín hiệu điều khiển A cực điều khiển G Tốc độ tăng trưởng điện áp (du/dt) sẽ sinh dòng điện đặt tụ điện C của mạch bảo vệ: i = C du dt Chính dòng điện nó giữ vai trò dòng điều khiển I G để Thyristor mở cho dòng điện ngồi mong ḿn qua Khi kích mở Thyristor thì tụ điện C sẽ phóng điện qua Thyristor điện trở R sẽ hạn chế dòng điện Mạch bảo vệ RC được chọn theo kinh nghiệm: C = [µF] R = [kΩ] 11 Tởng hợp điều khiển hệ điện 2.3 Đồ thị điện áp dòng điện tải của chỉnh lưu điều khiển: Sơ đồ mạch chỉnh lưu điều khiển cầu ba pha: T1 T3 T5 U2 Zt T4 T6 T2 Đồ thị Ed (t) Id (t) u2 αT1 αT3 αT5 αT1 αT3 ω.t ed αT2 αT4 αT6 αT2 ω.t id ω.t 12 Tổng hợp điều khiển hệ điện Xây dựng họ đặc tính cơ: Phương trình họ đặc tính có dạng: ω= Ed cos α R − M k φđm ( k φđm ) Trong đó: Ed0 = 235 [V] R: điện trở của mạch (gồm máy biến áp động cơ) R = RBA + Rư = 0,38 + 1,2 => R = 1,58 [Ω]] Từ phương trình đặc tính điện của động cơ: ω đm = U đm R − I đm k φ đm k φ đm => k φ đm = ωđm = U đm − R.I đm ω đm 2.π 2.3,14 nđm = 1500 60 60 => ωđm = 157 [v/ph] Ta được: k φđm = 220 − 1,58.17 = 1,23 157 Mđm = (k φ đm).Iđm = 1,23.17 => Mđm = 20,91 [N.m] Khi động quay thuận thì: 00 ≤ α1 ≤ 900 nên: ≤ Ud = Ed0.cos α ≤ Ed0 Hay: ≤ Ud ≤ 235 [V] Khi động quay ngược thì: 900 ≤ α2 ≤ 1800 nên: - Ed0 ≤ Ud = Ed0.cos α ≤ Hay: - 235 [V] ≤ Ud ≤ (dấu “-” thể hiện chiều điện áp đặt vào động đã đổi chiều Tức là: động đã được đảo chiều quay) 13 Tổng hợp điều khiển hệ điện Cho nên ta có họ đặc tính cơ: ω [v/ph] Chiều thuận ω0 ωđm - Mđm Chiều ngược Mđm M [N.m] - ωđm - ω0 14 Tổng hợp điều khiển hệ điện Tởng hợp mạch vòng dòng điện: 4.1 Mơ hình tốn học của chỉnh lưu: Uđk K CL + p.Tb Ed Trong đó: KCL: hệ số khuếch đại của chỉnh lưu K CL = Ed 235 = U rcm 4,5 => KCL = 52,22 Tb: hằng số thời gian Tb = Tđk + Tvo Với: Tđk: chu kỳ phát xung điều khiển (Chọn: Tđk = 0,001 [s]) Tvo: hằng số thời gian chuyển mạch chỉnh lưu Tvo = π 1 = = m.ωe 2.m f 2.3.1000 => Tvo = 0,0017 [s] Tb = 0,001 + 0,0017 => Tb= 0,0027 [s] Vậy, mơ hình tốn học của chỉnh lưu: Uđk 52, 1+p0.,27 Ed 15 Tổng hợp điều khiển hệ điện 4.2 Mơ hình tốn học của động chiều kích từ độc lập: Do động có kích từ độc lập nên: k φ đm = 1,23 = const Phương trình cân bằng điện áp của động cơ: U − E = Ru I + Lu dI dt hay: U ( p ) − E ( p ) = Ru I ( p) + Lu p.I ( p ) = Ru I ( p ).(1 + p => I ( p ) = [U ( p ) − E ( p)] Lu ) Ru / Ru + p.T Với: T = Lư/Rư: quán tính điện từ Phương trình chuyển động của hệ thống: M − M c = J dω dt M(p) – Mc(p) = J.p.ω(p) J: mômen quán tính của phần chuyển động quy đổi trục động Phương trình Mô men điện từ: M = k φ đm.I M(p) = k φ đm.I(p) Sức điện động cảm ứng động cơ: E = k φ đm ω E(p) = k φ đm.ω(p) Sơ đồ cấu trúc của động cơ: k.đm E U - / Ru + p.Tu I k.đm M - J.p ω Mc 16 Tổng hợp điều khiển hệ điện 4.3 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện: Trong hệ thống truyền động tự động thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện mạch vòng Chức của mạch vòng dòng điện hệ thống trực tiếp hoặc gián tiếp xác định mơmen kéo của động Ngồi nó còn có chức bảo vệ, điều chỉnh gia tốc, … + Sơ đồ cấu trúc của mạch vòng điều chỉnh dòng điện bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động E (do ảnh hưởng của E đến mạch vòng dòng điện không lớn) là: Uiđ Ri(p) Uđk Ui K CL 1+ p.Tb Ed 1/ R + p.T Ki 1+ p.Ti Uiđ Ri(p) Uđk Id Soi(p) Soi(p) Id Ui S oi ( p ) = K CL K i / R K CL K i / R = (1 + p.Ti ).(1 + p.Tb ).(1 + p.T ) (1 + p.(Ti + Tb ) + p Ti Tb ).(1 + p.T ) Đặt: Tsi = Ti + Tb (Chọn thiết bị đo có: Ti = 0,0022) Ksi = KCL.Ki/R (Chọn thiết bị đo có: Ki = 0,011) 17 Tổng hợp điều khiển hệ điện Vì Ti.Tb