Đang tải... (xem toàn văn)
Động cơ điện một chiều và các phương pháp điều chỉnh tốc độ điều chỉnh tốc độ bằng ICTCA785 tự động điều chỉnh tốc độ động cơ Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều đồ án thết kế hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ động cơ
MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA KỸ THUẬT & CÔNG NGHỆ Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên : TRẦN VĂN TRỌNG Ngành : Điện kỹ thuật Khóa : 37 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ động điện chiều (PL2) Các số liệu thiết kế: Pđm = 15(KW); Uđm = 220(V); nđm = 1560(vòng/phút); ηđm = 0,83; J = 0,4(Kgm2) Nhiệm vụ thiết kế: - Chương 1: Tổng quan động điện chiều kích từ độc lập phương pháp điều chỉnh tốc độ - Chương 2: Tính chọn chỉnh lưu + Bộ chỉnh lưu cầu pha đối xứng + Bộ chỉnh lưu cầu pha khơng đối xứng + Bộ chỉnh lưu hình tia ba pha + Bộ chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng + Bộ chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng - Chương 3: Mơ hình hóa động điện chiều phương pháp điều chỉnh modul tối ưu - Chương 4: Tính tốn mạch vòng dòng điện - Chương 5: Tính tốn mạch vòng tốc độ - Chương 6: Kiểm tra chất lượng hệ thống Các vẽ A0: Gồm có 02 vẽ A0: - Bản vẽ sơ đồ tổng lắp ráp - Bản vẽ sơ đồ mạch động lực Cán hướng dẫn: Th.S Nguyễn Thái Bảo Ngày giao đề tài: 24/09/2018 Ngày hoàn thành: 24/12/2018 Ngày tháng năm 2018 TRƯỞNG KHOA (Ký ghi rõ họ tên) TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) Nguyễn Thái Bảo Sinh viên hoàn thành (nộp toàn thiết kế cho Khoa) (Ký ghi rõ họ tên) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS NGUYỄN THÁI BẢO LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại nay, truyền động điện ngày ứng dụng rộng rãi lĩnh vực sống nhờ ưu kết cấu gọn nhẹ, độ bền độ tin cậy cao, đảm bảo vệ sinh mơi trường Bên cạnh truyền động điện có ưu bật đặc biệt truyền động chiều, khả điều khiển linh hoạt, dễ dàng Chính mà truyền động điện chiều có vai trò quan trọng dạng truyền động dùng, lĩnh vực đòi hỏi khả điều khiển tốc độ cao máy sản xuất Tuy nhiên, truyền động điện chiều đòi hỏi phải có nguồn điện chiều với cấp điện áp khác loại nguồn điện phi tuyến tiêu chuẩn sản xuất điện Ngày với phát triển ngành kỹ thuật linh kiện bán dẫn, nguồn dùng chỉnh lưu bán dẫn ngày chiếm ưu nhờ kết cấu gọn nhẹ, hiệu suất độ tin cậy cao, giá thành hợp lí, khơng gây tiếng ồn Cũng nhờ nguồn dùng chỉnh lưu bán dẫn mà truyền động điện chiều ngày trở nên tiện lợi ứng dụng rộng rãi Với đề tài: “Thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ động điện chiều” Đây đề tài có tính thực tiễn cao máy điện chiều sử dụng nhiều thực tiễn sống Trong trình làm đồ án với hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình thầy khoa Kỹ thuật công nghệ trường đại học Quy Nhơn, đặc biệt thầy ThS Nguyễn Thái Bảo Thầy bảo tận tình giúp em hồn thành đồ án tốt nghiệp thời hạn Vì thời gian hiểu biết có hạn nên chắn khơng thể tránh khỏi sai sót Cuối em xin chân thành cảm ơn thầy khoa đặc biệt thầy Nguyễn Thái Bảo tận tình hướng dẫn giúp em hồn thành đồ án Quy Nhơn, ngày 24 tháng 12 năm 2018 Trần Văn Trọng SVTH: Trần Văn Trọng Kỹ thuật điện – điện tử K37B ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS NGUYỄN THÁI BẢO CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 1.1 Tổng quan động điện chiều 1.1.1 Tầm quan trọng động điện chiều Trong sản xuất đại, động điện chiều coi loại máy quan trọng Mặc dù động xoay chiều có tính ưu việt cấu tạo đơn giản, công suất lớn…Nhưng động điện xoay chiều thay hoàn toàn động điện chiều Đặc biệt ngành công nghiệp, giao thông vận tải, thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục phạm vi rộng máy cán thép, máy công cụ lớn Vì động điện chiều có ưu điểm khả điều chỉnh tốc độ tốt, khả mở máy lớn khả tải Bên cạnh động điện chiều có nhược điểm định giá thành đắt, chế tạo bảo quản phức tạp Nhưng ưu điểm nên có tầm quan trọng định sản xuất Ngày hiệu suất động điện chiều công suất nhỏ vào khoảng 75% 85%, động có cơng suất trung bình lớn vào khoảng 85% - 94% Cơng suất lớn động điện chiều vào khoảng 10000KW Điện áp vào khoảng vài trăm đến 1000V Hướng phát triển cải tiến tính vật liệu, nâng cao tiêu kinh tế động chế tạo máy công suất lớn 1.1.2 Cấu tạo động điện chiều Hình 1: Mặt cắt dọc động điện chiều 1.1.2.1 Phần tĩnh (Phần cảm hay stator) SVTH: Trần Văn Trọng Kỹ thuật điện – điện tử K37B ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS NGUYỄN THÁI BẢO a) Cực từ Được làm thép kỹ thuật dạng thép khối tấm, xung quanh có dây quấn cực từ gọi dây quấn kích từ Nó thường nối với nguồn chiều, nhiệm vụ tạo từ thông máy b) Cực từ phụ Được đặt xen cực từ chính, xung quanh cực từ chính, xung quanh cực từ phụ có dây quấn cực từ phụ Dây quấn cực tù phụ đấu nối tiếp với dây quấn roto Nhiệm vụ cực từ phụ triệt tiêu từ trường phần ứng Trên vùng trung tính hình học để hạn chế xuất tia lửa điện chổi than cổ góp c) Vỏ máy (Gơng từ) Ngồi nhiệm vụ thơng thường bảo vệ máy, vỏ máy động điện chiều tham gia dẫn từ, phải làm thép dẫn từ d) Các phận khác − Nắp máy: Để bảo vệ máy tránh khỏi vật rơi vào làm hư hỏng dây quấn an toàn cho người tránh tiếp xúc trực tiếp với điện − Cơ cấu chổi than: để đưa dòng điện từ phần quay Cấu tạo bao gồm chổi than đặt hộp nhờ lò xo tì chặt lên cổ góp 1.1.2.2 Phần quay (Phần ứng hay roto) a) Lõi thép roto Dùng để dẫn từ, thường làm thép kỹ thuật điện dày 0.5mm phủ lớp cách điện mỏng hai mặt ép chặt lại để giảm tổn hao dòng điện xốy gây nên Trên thép có dập rãnh để quấn dây b) Dây quấn phần ứng Là phần phát sinh suất điện động có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm dây đồng có sơn cách điện c) Cổ góp Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành chiều Gồm nhiều phiến đồng ghép cách điện với nhau, bề mặt cổ góp gia cơng với độ bóng thích hợp để đảm bảo tiếp xúc tốt chổi than cổ góp quay 1.1.3 Nguyên lý làm việc Nguyên lí hoạt động động điện chiều dựa định luật lực điện từ: Khi dẫn mang dòng điện đặt thẳng góc với đường sức từ trường, dẫn F = B.i.l chịu lực điện từ tác dụng có trị số là: dt Trong đó: B: Là từ cảm (T) i: Là dòng điện (A) l: Là chiều dài hiệu dụng dẫn (m) Fđt: Là lực điện từ (N) SVTH: Trần Văn Trọng Kỹ thuật điện – điện tử K37B ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS NGUYỄN THÁI BẢO Để hiểu rõ nguyên lí hoạt động động điện chiều, ta giả sử động điện chiều mô cách đơn giản qua việc làm quay khung dẫn abcd theo chiều Hình 2: Mơ hình đơn giản động điện chiều − Nếu ta đặt điện áp chiều U vào hai chổi điện A B dây quấn phần ứng có dòng điện Iư chạy qua Các dẫn ab, cd có dòng điện nằm từ trường tạo lực F đt ngược chiều nhau, tác dụng làm cho roto quay (hình 1.2a) − Khi phần ứng quay vòng, vị trí dẫn ab, cd đổi chỗ cho nhau, nhiên có phiến góp đổi chiều dòng điện nên chiều lực từ tác dụng không đổi, đảm bảo động có chiều quay khơng đổi (hình 1.2b) Khi quay dẫn cắt từ trường cảm ứng với sức điện động Eư, động chiều sức điện động Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư gọi sức phản điện động vậy, ta thấy lượng điện biến thành lượng làm cho động quay theo chiều Khi ta có phương trình: U = Eu + Ru I u 1.1.4 Phương trình đặc tính ĐCĐ chiều kích từ độc lập Hình 3: Sơ đồ nguyên lí động điện chiều kích từ độc lập SVTH: Trần Văn Trọng Kỹ thuật điện – điện tử K37B ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS NGUYỄN THÁI BẢO Để thành lập phương trình đặc tính ta xuất phát từ phương trình cân điện áp động cơ: U u = Eu + ( Ru + R f ).I u = Eu + R.I u (1) Trong đó: Uu : điện áp phần ứng (V) Eu : Sức điện động phần ứng (V) Ru : Điện trở mạch phần ứng Rf : Điện trở phụ mạch phần ứng Iu : Dòng điện mạch phần ứng Eu Sức điện động phần ứng động xác định theo biểu thức Eu = Trong đó: K= E pN Φ.ω = K Φ.ω ⇒ ω = u 2π a K Φ pN : 2π a Hệ số cấu tạo động ⇒ Eu = U u − ( Ru + R f ).I u R + Rf Eu U = u − u I u K Φ K Φ K Φ R + Rf U ⇒ω = u − u I u K Φ K Φ ⇒ (2) ⇒ ω = f ( I ) : Đặc tính điện động điện chiều Mặc khác momen điện từ động điện xác định bởi: M M dt = K Φ.I u ⇒ I u = dt K Φ Ru + R f U ⇒ω = u − M dt K Φ ( K Φ )2 Thế vào (2) Nếu bỏ qua tổn thất tổn thất thép momen trục động momen điện từ, ta kí hiệu M nghĩa M dt = M co = M Đây phương trình đặc tính ⇒ω = U u Ru + R f − M ⇒ ω = f ( M ) K Φ ( K Φ) (3) Giả thiết phản ứng phần ứng bù đủ, từ thơng Φ = const phương trình đặc tính điện (2) phương trình đặc tính (3) tuyến tính, có đồ thị hình vẽ: SVTH: Trần Văn Trọng Kỹ thuật điện – điện tử K37B ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS NGUYỄN THÁI BẢO Hình 4: Đặc tính điện đăc tính động Theo đồ thị trên, Iư=0 M=0 ta có: ω= Uu = ω0 K Φ ω0 : Tốc độ không tải lý tưởng động Iu = Khi ω=0: Uu = I nm Ru + R f M = K ΦI nm = M nm ∆ω = R R I u = M K Φ ( K Φ ) : Độ sụt tốc độ 1.1.5 Ảnh hưởng tham số đến đặc tính Từ phương trình đặc tính động cơ, ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến R , Φ, U u đặc tính động là: 1.1.5.1 Ảnh hưởng điện trở phần ứng Giả thuyết U = U dm = const; Φ = Φ dm = const phẩn ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf Muốn thay đổi giá trị điện trở mạch vào mạch phần ứng Vậy phương trình đặc tính lúc là: ω= R + Rf U − u M K Φ dm ( K Φ dm )2 Ta thấy thay đổi giá trị điện trở SVTH: Trần Văn Trọng Rf tốc độ thay đổi theo Kỹ thuật điện – điện tử K37B ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS NGUYỄN THÁI BẢO Khi đặc tính động điện chiều mắc thêm Rf vào mạch điện phần ứng sau: Hình 5: Đặc tính mắc thêm Rf ω= Ta có: Ru U − M = ω0 − ∆ω K Φ ( K Φ )2 Theo đường đặc tính ta có: ∆ω1 = Ta giả thiết Ru M ( K Φ dm ) ; U , Φ, I u ∆ω2 = Ru + R f ( K Φ dm ) M ; ∆ω3 = Ru + R f ( K Φ dm ) M số Do nên momen M số R < Rf < Rf ∆ω < ∆ω2 < ∆ω3 Mặt khác u nên ta có Độ cứng đặc tính tự nhiên: βTN β1 = βTN Vậy nên (k Φ dm )2 dM ∆M = ≈ =− dω ∆ω Ru (k Φ dm ) ( k Φ dm ) (k Φ dm ) β = − β = − =− Ru + R f Ru + R f Ru ; ; β1 > β > β3 M Vậy ứng với phụ tải c đó, Rf lớn tốc độ giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch momen ngắn mạch giảm Cho nên người ta dụng phương pháp để hạn chế dòng điện điều chỉnh tốc độ động phía tốc độ 1.1.5.2 Ảnh hưởng từ thông SVTH: Trần Văn Trọng 10 Kỹ thuật điện – điện tử K37B ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Khi I = I max = 2.I dm = 164,3( A) GVHD: ThS NGUYỄN THÁI BẢO điện áp tương đương ứng Regulator tốc độ: U vi max = Ki I max = 0,085.164,3 ≈ 14(V ) Từ ta chọn điơt zener loại 1N4744A SVTH: Trần Văn Trọng 76 Kỹ thuật điện – điện tử K37B ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS NGUYỄN THÁI BẢO SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SVTH: Trần Văn Trọng 77 Kỹ thuật điện – điện tử K37B ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS NGUYỄN THÁI BẢO CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 5.1 Xét tính ổn định hệ thống Ổn định tiêu hệ thống chỉnh lưu tự động Hệ muốn sử dụng trước tiên phải ổn định Để xét hệ thống điều chỉnh có ổn định hay không ta dựa tiêu chuẩn ổn định đại số Hurwitz 5.1.1 Tiêu chuẩn ổn định Hurwitz Tiêu chuẩn ổn định Hurwitz phát triển sau: Hệ thống điều chỉnh tự động có phương trình đặc tính với hệ số dương ổn định giá trị tất định thức Hurwitz dương Giả sử phương trình đặc tính hệ thống có dạng bậc ba sau: a3 p + a2 p + a1 p + a0 = > 0, i = 0,1, 2,3, ( ) Ta có định thức Hurwitz: Điều kiện để hệ thống ổn định là: , ∆1 , ∆ , ∆ > ⇔ a3 , a2 , a1 , a0 > 0; a1a2 > a3a0 5.1.2 Xét tính ổn định hệ thống thiết kế Như chương trước trình bày hệ thống điều chỉnh hai mạch vòng có hàm truyền: Wht ( p) = Kω 64τ p + 32τ p + 8τ p + 3 Có phương trình đặc tính: 64τ p3 + 32τ p + 8τ p + = Ta có hệ số: a3 = 64τ > 0; a2 = 32τ > a1 = 8τ > 0; a0 = > a1a2 − a3a0 = 256τ − 64τ = 192τ > Sau kiểm tra theo tiêu chuẩn Hurwitz hệ thống ổn định SVTH: Trần Văn Trọng 78 Kỹ thuật điện – điện tử K37B ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS NGUYỄN THÁI BẢO 5.2 Xét trình độ hệ thống 5.2.1 Xét mạch vòng dòng điện Mạch vòng dòng điện có hàm truyền: K I (p) Wi ( p ) = = 2 i UVi ( p) 2τ p + 2τ p + Dùng phần mềm MATLAP-SIMULINK mô theo cấu trúc chương ta đồ thị ω (t ) sau: Hình 1: Đồ thị mạch vòng dòng điện 5.2.2 Xét tồn hệ thống Hàm truyền toàn hệ thống: Wht ( p) = SVTH: Trần Văn Trọng Kω 64τ p + 32τ p + 8τ p + 3 79 Kỹ thuật điện – điện tử K37B ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ta thấy GVHD: ThS NGUYỄN THÁI BẢO τ = 0,0067( s) ⇒ τ