Tổng quan về điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 0 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. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1 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. MΔβ = Δω (1.1) Hình 1.1 M (3) (2) (1)AM Δω2 Δω1 ω ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2 2. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập Sơ đồ nguyên lý hình 1.2. 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 = . . . 2 . P N k a φ φω = ωπ (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 Rf E + -U− Rkt -Ukt+ Ikt I Ckt ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3 Ta có Mtt = Mđc = M (1.4) Ta có Mtt = K.φ.Iư (1.5) Dẫn đến ( )φ +ω = − φ −− 2 . K fR RU M K (1.6) Giả sử φ = const ta có đồ thị đặc tính cơ có dạng như hình 1.3. Hình 1.3 Khi ω = 0 Ta có = =+− nmf U I I R R (1.7) và M = K. φ.Inm = Mnm (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 ω M ω0 ω®m Μ®m Μnm ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4 thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều. 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 = −φ φ −® −®m ®m bb R RE I K K (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: ω = ω − β ®m max maxo M (1.13) ω = ω − β ®m min maxo M (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. Đ BBĐ Rb I Rư Eư Eb U ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5 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. kk k b k e di r r dt φ= + ω+ (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. ω0max ω M,I ωmax ω0min ωmin M®m Mnmmin ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6 § 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 Hình 1.7 Nếu đặt R = RưF + RưĐ Ta có thể viết được phương trình của đặc tính của hệ F - Đ ..F KF K R IU K Kφ φ ω = − (1.19) §F MS ωUF = U® I ω§K ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 7 ( )2. . F KF K RU M K Kφ φ ω = − (1.20) ( ) ( )0 KF KF MU U ω = ω − β (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. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 8 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. Hình 1.8 Giả thiết α1 < 2 π ; α2 > 2 π sao cho 1 2Ed Ed≤ 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: i®1 Lc0 icb Lc0 Lcb id1 Lcb icb a b c I II A1 B§1 K A2 K2 B§2 R L E 1 2 Ud I ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 9 αmax = π - (μmax + δ) Nếu chọn 1 2Ed Ed= 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 = d1 d2 cb E E R + = 0 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 EUĐ iDo D0 DUL 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 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 10 t i®k t Imax Imin i t® T t U§ t® T UN Ta có: Imax = ( ) ( ) ® − u t / t N T / T 1 eU E . R R1 e − − − −− ( ) ( ) ® − − t / T N min T / T e 1U E I . R Re 1 −= −− Nếu S thông liên tục tđ = T thì dòng điện trong phần ứng là: I = Imax = Imin = U E R − ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 11 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 i L R EUĐ iDo D0 DUL S iđk DUR 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 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 12 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. t Iđk t Imax Imin i t® T t tđ 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. UĐ = E + ΔUL + ΔUR (2.1) Hoặc i § t d U ER i d L L −+ = (2.2) Tại thời điểm t = 0+ khoá S bắt đầu thông. UĐ = UN i = Imin ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 13 Nếu coi Sđđ E không đổi trong một chu kỳ đóng ngắt của khoá S thì nghiệm của phương trình (2.2) là: i = ( )t / Tu t / TuN m inU E 1 e .I .eR − −− − (2.3) (0 ≤ t < tđ) Tư = L/R hằng số thời gian Tại thời điểm t = tđ khoá S bắt đầu ngắt. i = Imax = ( )® − ® −t / T t / TN minU E 1 e I .eR − −− − + (2.4) Lúc này UĐ = 0; dòng điện động cơ khép mạch qua D0, nhận được phương trình sau:. di R Ei dt ' L L + = − (2.5) Trong đó t’ = t - tđ. Tại t’ = 0+. i = Imax Nghiệm của (2.5) là: i = ( )− −t '/ T t '/ TmaxE 1 e I .eR −− − + (tđ ≤ t < T) (2.6) tại t’ = T - tđ tức là tại t = T, i = Imin. Từ (2.6) ta có: Imin = - ( )( ) ( )® − ® −T t / T T t / TmaxE 1 e I .eR − − − −− + (2.7) Kết hợp (2.4) và (2.7) ta có: ( ) ( ) ® − − t / T N max T / T 1 eU E I . R R1 e − − −= −− (2.8) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 14 ( )® − − t / T N min T / T e 1U E I . R Re 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 = N U 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. t iđk t tx UĐ i tđ T t tđ T T tx UN E Hình 2.3 Với các điều kiện biên của chế độ này từ (2.7) ta có. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 15 ( ) ( )®gh − − t / T . T / T T / T N E e 1 U e 1 −= − (2.11) Ta có thể rút gọn như sau: m = e.e 1 e 1 σ σ − − (2.12) Trong đó: m = N E U 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 = ( )® −t / TNU E 1 e R −− − (2.13) từ (2.6) và (2.1) ta có: i = ( ) ( )® −− −t /Tt '/ T t '/ TNU EE 1 e 1 e .e 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: tx = Tư. Ln ( )® − ® −t / T t / TNU Ee 1 . 1 e 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. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 16 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. UĐ = ®tT T § N 0 0 tx 1 1 U dt U dt = Edt T T ⎡ ⎤= ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦∫ ∫ ∫ ( )§ N ® x1U U .t t t ET ⎡ ⎤= + −⎣ ⎦ (2.16) Trong chế độ dòng điện liên tục vì tx = T nên ® § N N t U .U .U T = = ρ (2.17) N −.U R .I K. K. ρω= −φ φ (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. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 17 w r = 1 I, M r = 0 Ta có: Dòng điện ở chế độ biên liên tục là: Iblt = 1 2 Imax = ( )( )®gh −t /TN1 U E 1 e2R −− − = ( )N blt1 . U K .12R φρ − ωρ + 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 = ( )N 1U . 2 ρ − ρ 1ρ + 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: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 18 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 = ( )NU . 2 1 2 2 σ − σ + +σ Tại giá trị tới hạn của ρ ρth = ( )1 1 1+ σ −σ §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) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 19 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. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 20 2. Phương trình đồ thị dòng điện và điện áp Từ các phương trình (2.1) và (2.4) với các điều kiện đầu tương ứng có thể tìm lại được các giá trị Imax, Imin giống như các biểu thức (2.6) và (2.7). Nếu như Imax > 0 và Imin < 0 như trên hình (Hình 2.6) thì truyền động sẽ làm ở góc phần tư thứ nhất. Nếu dòng trung bình I > 0 và ở góc phần tư thứ II nếu dòng trung bình I < 0 khi điều chỉnh ρ sao cho Imax < 0 và do đó dòng điện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 21 phần ứng của động cơ I < 0 thì hệ thống làm việc ở góc thứ III khoá S1 và van D1 không dẫn dòng. Quá trình đó được mô tả ở hình dưới như sau: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 22 3. Đặc tính cơ. Hình:2.8 Đặc tính cơ của động cơ trong hệ thống này là các đường thẳng liên tục, chạy song song nhau từ góc thứ I sang góc thứ II của mặt phẳng [ω, I] ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 23 §3. ĐIỀU KHIỂN ĐỐI XỨNG. 1. SƠ ĐỒ VÀ NGUYÊN LÝ. Trong phương pháp điều chỉnh này các cặp van lẻ và chẵn thay nhau đóng cắt. Điện áp ra tải có 2 dấu +E và -E do đó giá trị trung bình của nó là: Ut = T t 0 1 U dt T ∫ (2.1) Ut = 0 0 t T N 0 t 1 1 E dt Edt T T − −∫ ∫ Ut = EN 0 t 2 1 T ⎛ ⎞−⎜ ⎟⎝ ⎠ Ut = EN (2γ - 1) (2.2) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 24 2. Đồ thị dòng điện và điện áp Hình 2.10 i1(t) = t / TN ® 1 1 1 E E 2(1 a b ) 1 .e R 1 a −⎡ ⎤− −−⎢ ⎥−⎣ ⎦ (2.3) i2(t) = 1 t / T®N 1 N 1 EE 2(b 1) 1 .e R E 1 a − −⎡ ⎤⎛ ⎞ −− +⎢ ⎥⎜ ⎟ −⎝ ⎠⎣ ⎦ (2.4) Giá trị cực đại của dòng. 1 N 1 1 d max 1 0 2 1 E 1 a 2b E I i (t ) i (D) . R 1 a R −+ −= = = −− (2.5) N 1 1 1 d min 1 E 1 a 2a b E I . R 1 a R + −= − −− ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 25 Giá trị trung bình qua diốt. ( )( )11 1 2N d N D 1 1 b 1 a bE E 2E I . . R R T 1 a =− −− τ= γ − − (2.27) Dòng qua tải: It = N 1 N E E 28 1 R E ⎛ ⎞− −⎜ ⎟⎝ ⎠ (2.8) 3. Đặc tính của động cơ. t 0 0 In 2 1 n I = γ − − Trong đó: n0 = N e E k .φ I0 = N E R §4. ĐIỀU KHIỂN KHÔNG ĐỐI XỨNG. Trong sơ đồ này với mỗi chiều dòng điện, chỉ có một cặp van mắc thẳng hàng, làm việc đóng cắt ngược pha nhau, còn 2 van kia sẽ có 1 van khoá hoàn toàn và 1 van luôn luôn sẵn sàng mở. Các biểu thức tính toán tương tự như mạch không đảo chiều. Đồ thị dòng và điện áp. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 26 t UđkT1 t t t UđkT2 UđkT3 UđkT4 t UđkT1 t UđkT1 t t t UđkT2 UđkT3 UđkT4 t UđkT1 Hình 2.11 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 27 CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN CÁC PHẦN TỬ MẠCH LỰC §3.1. MÔ TẢ SƠ ĐỒ MẠCH LỰC. § L1 Sơ đồ gồm có tụ C, điốt, van, động cơ. Tụ C có tác dụng lọc lưới điện cho ổn định và phẳng. Các van Transitor có tác dụng như các khoá để đảo chiều quay động cơ. Các điốt có tác dụng như 1 bộ cầu tạo ra dòng một chiều. Động cơ có các thông số sau: Công suất động cơ: Pđm = 1,5 kW Hiệu điện thế: Ut = 220 (V) Dòng điện: Itđm = 9,3 (A) Tốc độ quay: nđm = 1000 (V/P) Điện trở phần ứng: Rư = 2,9 (Ω) Tần số đóng mở của van Transitor: f = 2kHz. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 28 §3.2. TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP. Chu kỳ làm việc của Transitor là: 3 3 1 1 T 0,5.10 f 2.10 −= = = (s) Mạch điều chỉnh xung áp điện 1 chiều có đảo chiều quay, điều khiển theo nguyên tắc đối xứng. Thời gian Transitor đóng trong 1 chu kỳ là: tđ. Ta có hệ số: dt T ρ = Suy ra: tđ = ρ . T Chọn ρ = 0,8 ở chế độ định mức. Suy ra: tđ = 0,8 . 0,5 . 10-3 = 0,4 . 10-3 (s) 1. Tính chọn các phần tử của bộ chỉnh lưu cầu 1 pha hai nửa chu kỳ. Trong phương pháp điều chỉnh không đối xứng ta có: Ut = ρ . UN Trong đó: Ut: điện áp trên tải. UN: điện áp nguồn. Suy ra: UN = t U ρ UN = 220 275(V) 0,8 = Dòng tụ C lọc phẳng điện áp nên điện áp vào bộ chỉnh lưu. Tụ C lọc phẳng điện áp nên điện áp vào bộ phận chỉnh lưu là: U2 = N N U U .1,2 2 + Δ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 29 U2 = 275 0,05.275 .1,2 2 + U2 = 245 (V) a. Tính chọn Transitor. Dòng qua van chính là dòng động cơ. Suy ra: IV = Iđm. IV = 9,3 (A) Ungmax = 22.U 2.245= Ungmax = 346,5 (V) Từ 2 thông số trên dựa vào quyển điện tử công suất chọn van MOSFET của hãng FAI RCHILD. Itb = 15 (A) Utb = 400 (V) b. Tính chọn tụ. Ta chọn ΔUC = 5% UN ΔUC = 5% . 275 = 13,75 (V) Ta có: UNmin = UN - ΔUC. Suy ra: UNmin = 275 - 13,75 = 261,25 (V) UNmax = UN + ΔUC = 275 + 13,75 = 288,75 Ta có: θ = acrsin N min N max U U ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ Suy ra: θ = acrsin 261,25 288,75 ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ = 64,79 0. Ta có công thức: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 30 3 3 p 0 20.10 t .20.10 4 360 − −θ= + (s) Suy ra: tp = 3 0 0 20.10 64,79 .20 4 360 − + .10-3 (s) Tp = 8,6 . 10-3 (s) Ta tính tụ C từ công thức: C = dm p C I .t UΔ Suy ra: 39,3.8,6.10 C 13,75 − = C = 5,816 . 10-3 (F) C = 5816 (μF) c. Tính chọn Diốt của bộ chỉnh lưu. Điện áp ngược lớn nhất đặt lên điốt là: Ung.max = 2 . U2 Ung.max = 2 . 245 = 346,5 (V) Dòng điện trung bình qua diốt. ID = ®m I 9,3 2 2 = ID = 4,65 (A). d. Tính L. Phương trình đoạn tđ ÷ T i = − − t ' t ' T T max F 1 e I .e R − −⎛ ⎞− − +⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 31 t1 = T - Tđ 1 − − 1 − t t ' T T min max t T min max 1 min max − E I 1 e I .e R E E I e . I R R tE E ln I ln I R T R − − − ⎛ ⎞= − − +⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎛ ⎞+ = +⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ = − + +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 1 max min − t E E ln I ln I T R R ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ Trong đó: Imin = 0,95 . Iđm = 8,835. Imax = 1,05 . Iđm = 9,765. E = 1,84 . 104 = 191,36. R = 2,9 T1 = 0,1 . 10-3 Suy ra: 1 − t 191,36 191,36 ln 9,765 ln 8,835 T 2,9 2,9 ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 1 − 1 − t 4,32745 4,31509. T t 0,01236. T = − = → 31− tT 8,09.100,01236 −= = . − − L T L T .R R = → = L = 23,46 . 10-3 (H) Điện cảm Lư của động cơ được tính như sau: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 32 Lư = −®m L −®m ®m U .K I .n .p Trong trường hợp có bù ta chọn K = 1,4 Suy ra: Lư = 220 .1,4 9,3.1000.2 Lư = 16,6 . 10-3 (H) Ta có: L = Ld + Lư Suy ra: Ld = L - Lư Ld = 23,46 . 10-3 - 16,6 . 10-3 Ld = 6,86 . 10-3 (H) Ld = 686 (μH) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 33 CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN §4.1. PHÂN TÍCH SƠ ĐỒ 1. Sơ đồ. R 19 + R 20 R 21 R 22 D IR D IR PW M 1 D IR T 1 R 24 R 26 U fi R 14 R 18 - - R 16 U i + R 15 R 17 R 25 +- U c® U ω R 9 R 8 R 7 +- R 10 R 23 - + R 12 R 11 R 13 +- R 2 R 4 R 1 R 3 +-C R 5 R 31 +-R 6 R 27 R 28 +- R 29 R 30 T 4 T 3 T 2 PW M 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 34 2. Phân tích sơ đồ. a. Khâu tạo xung răng cưa. Hình 4.1. Đây là khâu tạo xung răng cưa sơ đồ gồm 4 điện trở R1 ÷ R4 và 2 IC. Đồ thị của khâu tạo xung răng cưa. Hình 4.2. b. Khâu tạo khuếch đại đảo. * Sơ đồ. R27 - + R6 - + R28 R5 R31 - Hình 4.3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 35 Khâu tạo xung khuếch đại dảo. Khi xung răng cưa đưa vào bộ khuếh đại xung răng cưa được đảo lại và đưa vào bộ chỉnh định. * Đồ thị của khâu khuếch đại đảo. t Tt1 U Uđm Hình 4.4. c. Khâu tạo điện áp điều khiển. Hình 4.5. R15 R16 R18 R14 Uω Uc® R7 R8 R17 + - Ui R9 - + R10 Ufi ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 36 d. Bộ so sánh. Hình 4.6 t Tt1 U t Hình 4.7 e. Khâu tạo xung răng cưa Hình 4.8 - R27 R28 + R29 R30 PWM - + IC1 IC2 + - - IC2 + + - R3 R4 R2 R1 R5 R6 R8 R7 C1 ĐỒ ÁN TỐT NG Điện á t = 0 → U t = T1 → U * Khi t HIỆP p ra của IC t1 ta có 2 = U2max t2 ta có 2 = -U2ma = t1: U2 = 2 – U1max. R x + U1max. - U2max Hình 1 1 t C 1 1 t R C 4.9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 38 Suy ra: -U2 = U2max – U2max. 1 1 t R C Suy ra R1C1 = 12 1 2 max2 U t U Ta có t1 = 1 2 T −= 31 1 0,5.102t ( )−= 31 0,25.10t s Suy ra − = 3 1 1 8.0,25.10 2.10 R C R1C1 = 0,08.10-3 (s) Chọn C1 = 0,01 μF = 0,01.10-6F Suy ra − −= 3 1 6 0, 08.10 0,01.10 R R1 = 8.103 (KΩ) * Ta chọn R3 = R2 = 10 (KΩ) Chọn R5 = R6 = 1 (KΩ) Chọn R4 = 2,5 (KΩ) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 39 R 19 + R 20 R 21 R 22 D IR D IR PW M 1 D IR T 1 R 24 R 26 U fi R 14 R 18 - - R 16 U i + R 15 R 17 R 25 +- U c® U ω R 9 R 8 R 7 +- R 10 R 23 - + R 12 R 11 R 13 +- R 2 R 4 R 1 R 3 +-C R 5 R 31 +-R 6 R 27 R 28 +- R 29 R 30 T 4 T 3 T 2 PW M 4 PW M ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 40 M O SF E T + E 2 22 0 M O SF E T + E 4 M O SF E T + E 3 M O SF E T + E 1 22 0 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 41 CHƯƠNG V: THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÍN §5.1. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA HỆ THỐNG HỞ. 1. Xây dựng phương trình đặc tính cơ. Hình 5.1 Ta có: Eb = KB . Uđk Mà Eb = Kφ . ω + I . Rư. Suy ra: ω = BK Kφ . Uđk - − R Kφ . I (5.1) Phương trình (5.1) là phương trình đặc tính cơ của hệ thống. 2. Đồ thị. Hình 5.2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 42 §5.2. TÍNH TOÁN TRONG HỆ KÍN. 1. Sơ đồ. Hình 5.3 Sơ đồ hệ thống kín gồm có 2 khâu. Khâu phản hồi âm tốc độ. Khâu phản hồi âm dòng có ngắt. 2. Phương trình đặc tính cơ của hệ thống kín. Từ sơ đồ hình 5.3 ta có: Vùng dòng điện I < Ing và I ≥ Ing. ΔUđk = Uđω - γ. ω - Kng (Ufi - U0). UđK = KR. ΔU UiK = KR [Uđω - γ. ω - Kng (Ufi - U0)]. Eb = KB. UđK Eb = KB. KR [Uđω - γ. ω - Kng (Ufi - U0)] Mà: Eb = Kφ. ω + ỉư. Suy ra: KB. KR. [Uđω - γ. ω - Kng (Ufi - U0)] = Kφ . ω + I . Rư. KB. KR. Uđω - KB. KR. γ.ω - KB. KR. Kng. Ki.I - KB. KR. Kng. U0 = Kφ . ω + I.Rư ω(KB. KR. γ + Kφ) = KB. KR (Uđω - KngU0) - (KB. KR. Kng. Ki + Rư). I ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 43 B R ® ng 0 B R ng i − B R B R K .K (U K .U ) K .K .K .K R .I K K .K . K K .K . ω φ φ + +ω = −+ γ + γ (5.2) Phương trình (5.2) là phương trình đặc tính cơ của hệ kín. §5.3. TÍNH CHỌN HỆ THỐNG KÍN. a. Tính Kφ. Suy ra: ®m ®m − ®m U I .R KΦ −= ω 220 9,3.2,4K 1000 9,55 φ −= K 1,84φ = b. Xác định hệ số khuếch đại bộ biến đổi: Đồ thị điện áp khâu phát xung RC và so sánh có dạng như hình 5.5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 44 Ta có: ρ = ®k1 rm Ut T 2U = Ta chọn điện áp răng cưa: Urm = 4 (V) Ta có: Ed = ρ . UN = ®k N rm U .U 2U Mà: Ed = KB. Uđk = KB. Uđk. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 45 Suy ra: KB = d ®k E U = N rm U 2U . KB = N rm U 275 34,375 2U 2.4 = = c. Tính hệ số khuếch đại bộ điều chỉnh KR. Δωcf = cp®k cp S . D 1 S ω − Trong đó: D là đặt điều chỉnh tốc độ. Sy: Sai số tốc độ cho phép. cf 1000 5%9,55 . 10 1 5% Δω = − Δωcf = 0,551 (rad/s). Hình 5.6 Khi I < Ing phương trình đặc tính cơ có dạng: ω = B R ® B R B R K .K .U RI K K .K . K K .K . ω Φ Φ −+ γ + γ Ta có: ®m cf B R RI K K .K .Φ ⇒ =Δω+ γ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 46 ®mR cf B R.I 1 K K . K .Φ ⎛ ⎞= −⎜ ⎟Δω γ⎝ ⎠ Suy ra: KR = 14,34 d. Tính Ki, Kng Đặc tính cơ hệ thống khi I > Ing. B R ® ng 0 B R i ng B R B R K .K (U K .U ) R K .K .K .K .I K K .K . K K .K . ω φ φ + +ω = −+ γ + γ * Ta có: Ki = i ®m 5 5 K I 9,3 = = (V/A) Ki = 0,538 (V/A) * Ta có: ωA = ωđm + Δωcf Phương trình đặc tính AB (I < Ing) ω = ωA - B R RI K K .K .φ + γ ωB = ω(Ing) = ωA - ng B R R.I K K K .φ + γ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 47 Ta có: B R cd ng 0 B R i ng B R B R K .K (U K .U ) R K .K .K .K .I K K .K . K K .K .φ φ + +ω = −+ γ + γ Khi: I = Id Suy ra: ω = 0 Có: KB . KR (Ucđ + Kng U0) = (R + KB. KR. Ki. Kng). Id. KB. KR. Ccd + KB. KR. KngU0 = R . Id + KB. KR. Ki. Kng . Id Ta có: U0 = Ki. Ing. Suy ra: Kng. KB. KR. Ki (Id - Ing) = Kb. KR. Ucđ - RId. ( )B R c® dng B R i d ng K .K .U R.I K K .K .K I I −= − * Tính Ucđ. Khi I < Ing Ta có: ω = B R c® B R B R K .K .U R.I K K .K . K K .K .φ φ −+ γ + γ Ta thay: I = Iđm = 9,3 A. ω = ωđm = 1000 9,55 = 104,7. (rad/s) ωđm = B R c® B R K .K .U K K .K .Φ + γ - ®m B R R.I K K .K .Φ + γ → ( )B Rc® R B R B K K .K . IR U K .K K .K Φω + γ= + ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 48 → c® 104,7(1,84 34,375.14,34.0,095 9,3.2,9U 14,34.34,375 14,34.343,375 += + → Ucđ = 10,38 (V). Chọn: Id = 2,5 Iđm. Ing = 1,5 Iđm Suy ra: Kng = 34,375.14,34.10,38 2,9.2,5.9,3 34,375.14,34.0,538.9,3 − Kng = 2,056. §5.4. TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ CỦA BỘ ĐIỀU CHỈNH VÀ KHÂU NGẮT Từ sơ đồ cấu trúc ta có: I < Ing. Uđk = ( )−4 ®m 1 cc R U U R Suy ra = 4 1 R R X R Ta chon R1 = R2 = R3 = 10 (KΩ) Suy ra: R4 = R1. KR R4 = 10. 14,34 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 49 R4 =143,4 (KΩ) I > Ing Ta có ( )ω ω= − −4®k ® 1 i R U U U U R Ta có ( )= −5i 6 fi c R U U U R Suy ra: = 5 6 ng R K R Chọn R6 = 10 (KΩ) Suy ra: R5 = Kng. R6 R5 = 16,8 .10 R5 = 168 (KΩ) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 50 KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu và tìm hiểu, kết hợp thực hiện với lý thuyết, theo sự hướng dẫn của thầy giáo. TS. Nguyễn Mạnh Tiến và các thầy cô trong bộ môn. Đồ án đã hoàn thành với các mục tiêu đề ra. Đưa ra được nguyên lý hoạt động của hệ thống, mạch lực của hệ thống, các hệ thống kín, hở. Hệ thống điều chỉnh bằng xung áp một chiều là một hệ thống điều chỉnh phức tạp. Gồm nhiều khâu như phản hồi âm tốc độ, phản hồi âm dòng điện, các sơ đồ mạch lực. Điều khiển động cơ bằng cách dùng xung đóng mở các van. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Phạm Quốc Hải; Dương Văn Nghi - Điện tử công suất. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật - năm 1997. 2. Bùi Quốc Khánh; Phạm Quốc Hải; Nguyễn Văn Liễn; Dương Văn Nghi - Điều chỉnh tự động truyền động điện. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật năm 1994. 3. Bùi Quốc Khánh; Nguyễn Văn Liễn; Nguyễn Thị Hiền - Truyền động điện. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật năm 1994.