Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 Mục lục Lời mở đầu .4 Ch ơng 1 4 Các ph ơng pháp điều khiển 5 động cơ một chiều 5 1.1 Khái niệm chung. .5 1.2 Động cơ điện một chiều .5 1.2.1 Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều .5 1.2.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều .6 1.2.3 Nguyên lý lm việc động cơ điện một chiều 8 1.3 Các phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều 9 1.3.1 Sơ đồ nối dây và đặc tính cơ động cơ một chiều kích từ độc lập 9 1.3.2 Các phơng pháp điều khiển tốc độ .11 1.4 Các hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng điện áp phần ứng 16 1.4.1 Hệ thống điều khiển máy phát - động cơ (F-Đ) 16 1.4.2 Hệ thống điều khiển tốc độ bằng băm áp một chiều .17 1.4.3 Hệ thống điều khiển tốc độ bằng chỉnh lu .18 CHƯƠNG 2 21 CáC Bộ NGUồN CHỉNH LƯU Có ĐIềU KHIểN .21 2.1 Sơ đồ chỉnh lu cầu một pha có điều khiển .22 2.2 Sơ đồ chỉnh lu tia ba pha có điều khiển .24 2.3 Sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha điều khiển không đối xứng .27 2.4 Sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng 28 Chơng 3 .35 tính toán mạch động lực .35 cho hệ truyền động .35 3.1 Mạch động lực hệ truyền động .35 3.2 Tính chọn Tiristor .36 3.3 Tính toán máy biến áp chỉnh lu .37 3.4 Thiết kế cuộn kháng lọc 44 3.4.1 Xác nh góc m cc tiu v cc i .44 3.4.2 Xác định các thành phần sóng hài .44 3.4.3 Xác định điện cảm cuộn kháng lọc 45 3.4.4 Thiết kế cuộn kháng lọc 46 SVTH: Nguyễn Văn Hải Lớp: TBĐ-ĐT 03 1 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 3.5 Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực .49 3.5.1 Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ. 49 50 3.5.2 Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn 50 3.5.3 Bảo vệ quá dòng điện cho van .51 3.5.4 Bảo vệ quá điện áp cho van 52 Chơng 4 .54 Tính toán thiết kế mạch điều khiển cho 54 bộ nguồn chỉnh lu 54 4.1 Nguyên tắc điều khiển. 54 4.1.1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính 54 4.1.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos 55 4.2 Sơ đồ khối mạch điều khiển 56 4.3 Nguyên tắc phát xung mạch điều khiển .57 4.4 Tính toán các thông số mạch điều khiển 59 4.4.1 Tính biến áp xung .62 4.4.2 Tính tầng khuếch đại cuối cùng .63 4.4.3 Chọn cổng AND .64 4.4.4 Chọn R9và C3: 65 4.4.5 Tính chọn bộ tạo xung chùm 65 4.4.6 Tính chọn tầng so sánh .66 4.4.7 Tính chọn khâu đồng pha 66 4.4.8 Tạo nguồn nuôi .67 4.4.9 Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha .69 Chơng 5 .70 Tính toán thiết kế mạch điều khiển .70 hệ truyền động 70 5.1 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển tác động liên tục 71 5.1.1 Hệ thống điều tốc phản hồi tốc độ có phản hồi âm ngắt dòng điện .71 5.1.2. Hệ thống điều chỉnh tối u hai mạch vòng kín tốc độ quay và dòng điện 73 5.2 Tính toán bộ điều chỉnh tối u hai mạch vòng kín tốc độ và dòng điện .74 5.2.1 Thiết kế mạch vòng dòng điện .75 5.2.2 Thiết kế mạch vòng tốc độ 77 5.2.3 Vấn đề hạn chế dòng I .79 Chơng 6 .82 SVTH: Nguyễn Văn Hải Lớp: TBĐ-ĐT 03 2 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 Mô phỏng mạch điện tử công suất và đặc tính động cơ điện MộT CHIềU 82 6.1 Mô phỏng các mạch chỉnh lu có điều khiển bằng PSIM 82 6.1.1 Bộ chỉnh lu cầu một pha điều khiển đối xứng 82 6.1.2 Bộ chỉnh lu cầu một pha điều khiển không đối xứng .83 6.1.3 Bộ chỉnh lu tia ba pha 84 6.1.4 Bộ chỉnh lu cầu ba pha điều khiển không đối xứng: .85 6.1.5 Bộ chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng .87 6.2 Mô phỏng đặc tính động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng Matlab .88 6.2.1 Mô phỏng động cơ một chiều KTĐL .88 6.2.2 Mô phỏng hệ thống điều chỉnh tốc độ với hai vòng phản hồi .90 Kết luận 96 Tài liệu tham khảo 97 SVTH: Nguyễn Văn Hải Lớp: TBĐ-ĐT 03 3 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 Lời mở đầu Hiện nay, nền công nghiệp càng phát triển mạnh mẽ bao nhiêu thì ứng dụng của việc điều khiển một chiều cũng nh máy điện một chiều đặc biệt là động cơ điện một chiều càng đợc sử dụng rộng rãi bấy nhiêu. Và để đáp ứng những yêu cầu khắt khe nhất trong sản xuất thì chất lợng điều khiển một chiều là hết sức quan trọng. Những năm gần đây kĩ thuật số phát triển rất nhanh nhng kĩ thuật điện tử và bán dẫn công suất lớn đã hoàn chỉnh hơn, cả về lý thuyết và ứng dụng do có những u điểm u việt nh: có khả năng điều khiển rộng, có chỉ tiêu kinh tế cao, kích thớc và trọng lợng thấp, độ tin cậy và chính xác caoứng dụng của chúng vào việc biến đổi năng lợng là điều khiển điện áp và dòng điện xoay chiều thành một chiều và ngợc lại ngày càng sâu rộng. Vì vậy, mục đích của đề tài là xây dựng hệ thống chỉnh lu không điều khiển đảo chiều và ổn định tốc độ động cơ một chiều một cách chính xác, dễ sử dụng và vận hành và có độ ổn định cao. Dới sự hớng dẫn tận tình của thầy Hà Xuân Hoà, em đã có thể tổng hợp đợc tất cả các kiến thức đã có trong quá trình học đồng thời tích luỹ đợc thêm rất nhiều kiến thức khác khi thực hiện đề tài, điều đó sẽ rất hữu ích cho bản thân em sau này. Em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy, ngời đã nhiệt tình chỉ bảo giúp đỡ và định hớng cho em trong suốt thời gian qua. Xin cảm ơn cha mẹ và gia đình đã ủng hộ hết lòng cho con cả về vật chất lẫn tinh thần. Cảm ơn bạn bè đã ở bên động viên cổ vũ cho tôi. Với kiến thức còn nhiều hạn chế, em cảm thấy đồ án còn cần thêm nhiều điều bổ xung để nó có thể ứng dụng đợc trong môi trờng sản xuất. Em rất mong đợc sự góp ý chân thành và tích cực từ các thầy và các bạn. Xin chân thành cảm ơn! Tháng 11 năm 2008 Lê Minh Tú Ch ơng 1 SVTH: Nguyễn Văn Hải Lớp: TBĐ-ĐT 03 4 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 Các ph ơng pháp điều khiển động cơ một chiều 1.1 Khái niệm chung. Điều khiển tốc độ l một yêu cầu cần thiết tất yếu của các máy sản xuất. Ta biết rằng hầu hết các máy sản xuất đòi hỏi có nhiều tốc độ, tùy theo từng công việc, điều kiện l m việc m ta lựa chọn các tốc độ khác nhau để tối u hoá quá trình sản xuất. Muốn có đ ợc các tốc độ khác nhau trên máy ta có thể thay đổi cấu trúc cơ học của máy nh tỉ số truyền hoặc thay đổi tốc độ của chính động cơ truyền động. ở đây chúng ta chỉ khảo sát theo ph ơng pháp thay đổi tốc độ động cơ truyền động. Tốc độ l m việc của động cơ do ng ời điều khiển quy định đ ợc gọi l tốc độ đặt. Trong quá trình l m việc, tốc độ động cơ có thể bị thay đổi vì tốc độ của động cơ phụ thuộc rất nhiều v o các thông số nguồn, mạch v tải nên khi các thông số thay đổi thì tốc độ của động cơ sẽ bị thay đổi theo. Tình trạng đó gây ra sai số về tốc độ v có thể không cho phép. Để khắc phục ng ời ta dùng những ph ơng pháp ổn định tốc độ. Độ ổn định tốc độ còn ảnh h ởng quan trọng đến giải điều chỉnh (phạm vi điều chỉnh tốc độ) v khả năng quá tải của động cơ. Độ ổn định c ng cao thì dải điều chỉnh c ng có khả năng mở rộng v mômen quá tải c ng lớn. Có rất nhiều ph ơng pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ nh : - Điều chỉnh tham số. - Điều chỉnh điện áp nguồn. - Điều chỉnh cấu trúc sơ đồ. ở đây chỉ đề cập đến điều khiển động cơ một chiều. 1.2 Động cơ điện một chiều. 1.2.1 Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều. Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ một chiều vẫn đợc coi l một loại máy quan trọng mặc dù ng y nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện xoay chiều thông dụng. Do động cơ điện một chiều có nhiều u điểm nh khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt, khả năng mở máy lớn v đặc biệt l khả năng quá tải. Chính vì vậy m động cơ một chiều đ ợc dùng nhiều trong các ngh nh công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ nh cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải . m điều quan trọng l các ngh nh công nghiệp hay đòi hỏi dùng nguồn điện. Bên cạnh đó, động cơ điện một chiều cũng có những nhợc điểm nhất định của nó nh so với máy điện xoay chiều thì giá th nh đắt hơn chế tạo v bảo quản cổ góp điện phức tạp hơn (dễ phát sinh tia lửa điện) . nhng do SVTH: Nguyễn Văn Hải Lớp: TBĐ-ĐT 03 5 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 những u điểm của nó nên động cơ điện một chiều vẫn còn có một tầm quan trọng nhất định trong sản suất. Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều hiện nay v o khoảng 10000 KW, điện áp v o khoảng v i trăm cho đến 1000 V. H ớng phát triển hiện nay l cải tiến tính năng của vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ v chế tạo những động cơ có công suất lớn hơn . 1.2.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều. Hình 1.1 :Cấu tạo động cơ một chiều. Động cơ điện một chiều có thể phân th nh hai phần chính: phần tĩnh v phần động. 1.2.2.1 Phần tĩnh hay stato. Đây l phần đứng yên của máy, bao gồm các bộ phận chính sau: a) Cực từ chính: L bộ phận sinh ra từ trờng gồm có lõi sắt cực từ v dây quấn kích từ lồng ngo i lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ l m bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon d y 0,5 đến 1 mm ép lại v tán chặt. Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ đợc gắn chặt v o vỏ máy nhờ các bulông. Dây quấn kích từ đợc quấn bằng dây đồng bọc cách điện v mỗi cuộn dây đều đợc bọc cách điện kỹ th nh một khối tẩm sơn cách điện tr ớc khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ đợc đặt trên các cực từ n y đ ợc nối tiếp với nhau. SVTH: Nguyễn Văn Hải Lớp: TBĐ-ĐT 03 6 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 Hình 1.2 : Cực từ chính. b) Cực từ phụ: Cực từ phụ đợc đặt trên các cực từ chính v dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép của cực từ phụ thờng l m bằng thép khối v trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn m cấu rạo giống nh dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ đợc gắn v o vỏ máy nhờ những bulông. c) Gông từ: Gông từ dùng l m mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời l m vỏ máy. Trong động cơ điện nhỏ v vừa th ờng dùng thép d y uốn v h n lại. Trong máy điện lớn th ờng dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang l m vỏ máy. d) Các bộ phận khác: Bao gồm: - Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngo i rơi v o l m hỏng dây quấn v an to n cho ng ời khỏi chạm v o điện. Trong máy điện nhỏ v vừa nắp máy còn có tác dụng l m giá đỡ ổ bi. Trong tr ờng hợp n y nắp máy thờng l m bằng gang. - Cơ cấu chổi than: Để đa dòng điện từ phần quay ra ngo i. Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chạy lên cổ góp. Hộp chổi than đợc cố định trên giá chổi than v cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay đợc để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại. 1.2.2.2 Phần quay hay rôto. Bao gồm những bộ phận chính sau: a) Lõi sắt phần ứng : Dùng để dẫn từ. Thờng dùng những tấm thép kỹ thuật điện d y 0,5 mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn v o. Trong những động cơ trung bình trở lên ng ời ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lạ th nh lõi sắt có thể tạo đ ợc những lỗ thông gió dọc trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thờng chia th nh những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi l khe hở thông gió. Khi máy l m việc gió thổi qua các khe hở l m nguội dây quấn v lõi SVTH: Nguyễn Văn Hải Lớp: TBĐ-ĐT 03 7 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 sắt. Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng đợc ép trực tiếp v o trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục v lõi sắt có đặt giá rôto.Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện v giảm nhẹ trọng l ợng rôto. b) Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng l phần phát sinh ra suất điện động v có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thờng l m bằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ có công suất dới v i kW th ờng dùng dây có tiết diện tròn.Trong máy điện vừa v lớn th ờng dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn đợc cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có l m bằng tre,gỗ hay bakelit. c) Cổ góp: Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều th nh một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có đợc mạ cách điện với nhau bằng lớp mica d y từ 0,4 đến 1,2mm v hợp th nh một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa v nh ốp v trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi v nh góp có cao lên một ít để h n các đầu dây của các phần tử dây quấn v các phiến góp đ ợc dễ d ng. Hình 1.3 : Lá thép roto. Hình1.4 : Phiến đổi chiều và cổ góp. d) Các bộ phận khác: - Cánh quạt: Dùng để quạt gió l m nguội máy. Máy điện một chiều th - ờng chế tạo theo kiểu bảo vệ, ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên trục máy, khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngo i v o động cơ. Gió đi qua v nh góp, cực từ lõi sắt v dây quấn rồi qua quạt gió ra ngo i l m nguội máy. - Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt v ổ bi. Trục máy thờng l m bằng thép cacbon tốt. 1.2.3 Nguyên lý l m việc động cơ điện một chiều. Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B thì khi đó trong dây quấn phần ứng có dòng điện. Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm trong từ trờng sẽ chịu lực tác dụng tơng hỗ lên nhau tạo ra mômen quay tác dụng lên roto làm roto quay chiều của lực tác dụng xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình1.5a). SVTH: Nguyễn Văn Hải Lớp: TBĐ-ĐT 03 8 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 Khi roto quay đợc nửa vòng vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ cho nhau nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện biến đổi dòng điện đổi chiều đa vào phần ứng giữ cho chiều của lực tác dụng không đổi do đó lực tác dụng lên roto vẫn theo một chiều không đổi, đảm bảo chiều quay của động cơ không đổi (hình1.5b). Hình1.5 : Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều. 1.3 Các phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều. 1.3.1 Sơ đồ nối dây và đặc tính cơ động cơ một chiều kích từ độc lập. 1.3.1.1 Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Hình 1.6 :Sơ đồ nối dây động cơ một chiều kích từ độc lập. 1.3.1.2 Phơng trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Phơng trình cân bằng điện áp phần ứng và mạch kích từ: U= e + R ut .i u +L ut . dt di u > U u = E u + R ut .(1+T u .p).I u (1-1) U kt = R kt .i kt +L kt . dt di kt > U kt = R kt .(1+T kt .p).I kt (1-2) Trong đó : R ut = R u + R fu ; L ut = L u +L fu ; T u = Ru Lu ; T kt = kt kt R L (1-3) U - điện áp phần ứng (v). E - sức điện động phần ứng (v). SVTH: Nguyễn Văn Hải Lớp: TBĐ-ĐT 03 9 - + + - C KT R KT I ử U ẹ U KT Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 R - điện trở của mạch phần ứng (). R fu - điện trở phụ trong mạch phần ứng (). I dòng điện mạch phần ứng (A). Với : R= r u +r cf +r b +r ct Trong đó : r u - điện trở cuộn dây phần ứng. r cf - điện trở cuộn cực từ phụ. r b - điện trở cuộn bù. r ct - điện trở tiếp xúc của chổi điện. Sức điện động E u của động cơ đợc xác định theo công thức: E u = a NP 2 . =K (1-4) Trong đó: p số đôi cực từ chính. N- số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng. a - số đôi cự mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng. từ thông kích từ dới một cực từ (wb) - tốc độ góc(rad/s) K= a NP 2 . - hệ số cấu tạo của động cơ. Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì: E u =K n (1-5) Và 55,960 .2 nn == Vì vậy E u = n a NP 60 . Trong đó hệ số sức điện động của động cơ là : K e = a NP 60 . K e = K K 105,0 55,9 Từ (1-1) và (1-2) ta có: u fu u I K RR K U + = (1-6) Biểu thức trên là phơng trình đặc tính cơ điện của động cơ. Mặt khác momen điện từ M dt của động cơ đợc xác định bởi: M dt = u IK . (1-7) Suy ra = K M I dt u Thay giá trị I u và (1-6) ta đợc : dt fu u M K RR K U 2 )( + = (1-8) SVTH: Nguyễn Văn Hải Lớp: TBĐ-ĐT 03 10