Đồ án: Tổng hợp hệ thống điện cơ

Chia sẻ: Dinhcong Huan | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:41

Thêm vào BST

Báo xấu

272
lượt xem 61
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đồ án đề cập đến nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển hệ truyền động điện DC có một mạch vòng điều chỉnh tốc độ với bộ biến đổi là mạch xung áp không đảo chiều. Để nắm rõ hơn nội dung kiến thức đồ án, mời các bạn cùng tham khảo tài liệu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án: Tổng hợp hệ thống điện cơ

TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, xu thế công nghiệp hóa – hiện đại hóa đã mang lại rất nhiều thay đổi cho đất nước. Đặc biệt là trong ngành điện có nhiều tiêm năng lớn trong lĩnh vực của cuộc sống. Ngành điện mang lại nhiều lợi ích cho con người như tăng năng suất lao động, giảm công nhân đặc biệt là trong môi trường lao động độc hại. Trong phần lớn các nhà máy xí nghiệp, phân xưởng đều có sự góp m ặt của ngành điện. Trong các dây truyền sản suất, máy móc sử dụng truyền động điện bằng xung áp một chiều rất nhiều bởi vì s ử dụng h ệ th ống này có độ an toàn cao. Đồ án đề cập đến nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển hệ truyền động điện DC có một mạch vòng điều chỉnh tốc độ với bộ bi ến đ ổi là m ạch xung áp không đảo chiều. Nội dung đồ án được chia làm 4 chương: Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động xung áp động cơ một chiều. Chương 2: Tính toán mạch lực và mạch điều khiển cho bộ xung áp. Chương 3: Tổng hợp và mô phỏng hệ điều chỉnh. Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển cho hệ thống. Đồ án này được thực hiện với sự giúp đỡ của thầy Nguy ễn Đăng Toàn cùng các thầy cô trong bộ môn. Trong quá trình làm chắc chắn không th ể chánh được một số thiếu sót nên em rất mong các thầy cô đóng góp ý kiến bổ xung để đồ án được hoàn thiện hơn. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1.1. Đặc tính cơ của động cơ một chiều. 1.1.1. 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, n ếu đ ộng cơ v ận hành 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 ni ệm độ cứng đặc tính cơ β. Tổng hợp hệ thống điện cơ 1
1.1.2. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập Sơ đồ nguyên lý hình 1.2 Tổng hợp hệ thống điện cơ 2
Khi ω = 0 Ta có và Inm, Mnm : dong và momen ngăn mach ̀ ́ ̣ 1.2. 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 1.2.1. Điều chỉnh điện áp phần ứng. Điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị ngu ồn máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu đi ều khi ển…. Cácthiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành mộtchiều. Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệthống như sau: Tổng hợp hệ thống điện cơ 3
Để xác định dải điều chỉnh tốc độ. Ta thấy tốc độ lớn nh ất c ủa h ệ 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: Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính th ấp nh ất của đi ều ch ỉnh phải có momen ngắn mạch. Mnmmin = Mcmax = KM.Mđm Đồ thị đặc tính cơ là đường thẳng song song như hình 1.6. Trong suốt quá trình điều chỉnh điện ap phần ứng thì từ thông kích từ được ́ giữ nguyên, Mômen cho phép động cơ được tính: 1.2.2. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ. Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh momen điện từ của động cơ . Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là phi tuyến. Trong đó: rk - điện trở dây quấn kích thích Tổng hợp hệ thống điện cơ 4
rb- điện trở nguông điện áp kích thích ωk-số vòng dây cả dây quấn kích thích. Ở chế độ xác lập ta có: Thường khi điều chỉnh thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trị định mức , do đó đặc tính cơ thấp nh ất trong vùng đi ều ch ỉnh t ừ thông chính là đặc tính có điện áp phần ứng định mức từ thông dịnh múc và được gọi là đặc tính cơ bản (đôi khi chính là đặc tính tự nhiên). Tốc độ l ớn nh ất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện. Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi.Để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết quả là momen trên trục động cơ giảm rất nhanh ngay cả khi giữ nguyên dòng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính cơ cũng giảm nhanh khi gi ảm t ừ thông kích thích. 1.3. Các hệ truyền động điện động cơ một chiều. 1.3.1. 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 Trong đó: Tổng hợp hệ thống điện cơ 5
KF là hệ số kết cấu của máy phát C là hệ số góc của đặc tính từ hoá Sơ đồ của hệ F – Đ Nếu đặt R = RưF + RưĐ Ta có thể viết được phương trình của đặc tính của hệ F – Đ 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 th ể làm việc ở ch ế đ ộ điềuchỉnh cả hai chiều, kích thích máy phát và kích thích đ ộng cơ. Đảo chi ều 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 nghi ệp mỏ . Nhược điểm quan trọng của hệ F-Đ là dùng nhiều máy điện quay. Gây ra tiếng ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất gấp ba l ần công su ất đ ộng c ơ Tổng hợp hệ thống điện cơ 6
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. 1.3.2. Hệ truyền động T – Đ. 1.3.2.1. Khái quát chung. Hệ truyền động T - Đ: + Nguyên lý chung. + Sơ đồ thay thế. + Đặc tính cơ. + Đảo chiều. Do chỉnh lưu Tiristo dẫn dòng theo một chiều và ch ỉ đi ều khi ển khi mở, còn khóa 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 t ắc c ơ 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. 1.3.2.2. Sơ đồ và nguyên lý làm việc. Giả thiếtsao cho 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. Nếu tính đến góc chuyển mạch µ và góc khoá δ thì giá trị lớn nhất c ủa góc Tổng hợp hệ thống điện cơ 7
điều khiển của bộ biến đổi đang ở chế độ nghịch lưu là: αmax =π - (µmax +δ) Nếu chọn thì: α1 +α2 =π Ta có phương phát điều khiển chung đối xứng, dòng điện trung bình ch ảy vòng qua hai bộ biến đổi là. 1.3.2.3. 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 su ất rất l ớn. 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 tuy ến, 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. 1.4. Nguyên tắc điều chỉnh động cơ bằng xung áp một chiều. 1.4.1. Điêu chinh xung ap mach đơn. ̀ ̉ ́ ̣ 1.4.1.1. Sơ đồ nguyên lý. Trên hình 2.1: Điện áp và dòng điện của động cơ U Đ, i chỉ có giá trị dương. Khi khoá S thông ta có. UĐ = UN i = iN Tổng hợp hệ thống điện cơ 8
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 U Đ, I và do đó sức điện động E của động cơ khi đóng và ngắt liên tục khoá S, s ẽ được xác định khi biết luật đóng ngắt khoá và các thông số của mạch. Nếu đóng ngắt khoá S với tần số không đổi thì hoạt động c ủa m ạch tương t ự nh ư c ủa chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ. Trên hình 2.2 mô tả qúa trình dòng điện và điện áp trong chế độ dòngđiện liên tục. Phương trình điện áp khi S thông. UĐ = E +∆UL +∆UR Tại thời điểm t = 0+ khoá S bắt đầu thông. UĐ = UN , i = Imin Nếu coi Sđđ E không đổi trong một chu kỳ đóng ngắt của khoá S thì nghi ệm Tổng hợp hệ thống điện cơ 9
của phương trình (2.2) là: Tư = L/R hằng số thời gian Tại thời điểm t = tđ khoá S bắt đầu ngắt. Lúc này UĐ = 0; dòng điện động cơ khép mạch qua D 0, nhận được phương trình sau:. Trong đó t’= t - tđ ̣ Tai: t=0+ i=Imax ̣ ̉ ̀ nghiêm cua (2.5) la: Tai t’ = T- tđ tức là tai t = T, i = Imin. ̣ ̣ Từ (2.6) ta co: ́ Kêt hợp (2.4) và (2.7) ta co: ́ ́ Tổng hợp hệ thống điện cơ 10
Nếu S thông liên tục tại tđ = T thì dòng điện trong mạch phần ứng sẽ không đổi và bằng. 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 từchế độ dòng điện liên tục sang chế độ dòng điện gián đoạn. Với các điều kiện biên của chế độ này từ (2.7) ta có. Tổng hợp hệ thống điện cơ 11
Ta có thể rút gọn như sau: ́ Trong đo: Tại trạng thái biên liên tục và trong vùng dòng điện gián đoạn do I min=0 nên từ (2.8) và (2.9) ta có: Từ (2.6) và (2.1) ta co: ́ Dòng điện này xẽ bằng không tại thời điểm t = t x hoặc t’ = tx - tđ thay các điều kiện vào (2.11) ta có: 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. 1.4.1.2. Đặc tính cơ. Để xây dựng đặc tính cơ cần tìm giá trị trung bình c ủa đi ện áp và dòng điện của động cơ. Tổng hợp hệ thống điện cơ 12
Trong chế độ dòng điện liên tục vì tx = T nên Giống như trong hệ U - Đ, trong hệ thống ĐX - Đ khi tx < T thì x ảy 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. Dòng điện ở chế độ biên liên tục là: Tổng hợp hệ thống điện cơ 13
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: 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: tai và tai ̣ ̣ Các giá trị khác của Iblt phụ thuộc vào ρ và δ và UN và đạt giá trị cực đại. Tại giá trị tới hạn của ρ: ̀ ̉ ́ ̣ ́ 1.4.2. Điêu chinh xung ap mach kep 1.4.2.1. Sơ đồ nguyên lý Tổng hợp hệ thống điện cơ 14
Để hệ truyền động có thể làm việc ở chế độ hãm tái sinh, có th ể dung sơ đồ điều chỉnh trên. Trong đó dòng điện phần ứng có thể đảo dấu, xong 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 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 S 2 và van D2 vào vận hành còn khoá S1 bị ngắt. Nếu E > 0 thì sẽ có dòng điện chạy ngược l ại chi ều ban đầudo trong mạch chỉ có một nguồn duy nhất cấp là Sđđ E. Công suất điện từ của động cơ là: Pđt = I. E > 0 Công suất điện từ được tích vào điện cảm L. Khi S2 ng ắt trên đi ện cảm L sinh ra Sđđ này trở lên lớn hơn điện áp nguồn U N làm van D2 dẫn dòng ngược về nguồn và trả lại nguồn phần năng lượng đã tích lũy trong đi ện 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 đi ện làm vi ệc ở ch ế đ ộ động cơ ở góc phần tư thứ nhất của mặt phẳng toạ độ [ω, I]. Một đặc đi ểm của bộ băng xung loại như trên là do dòng điện ph ần ứng có phần âm nên giá trị trung bình của nó có thể nhỏ bỏ kỳ, thậm chí bằng không và truy ền động không có chế độ dòng điện gián đoạn. Dòng điện phần ứng của ĐX - Đ lo ại Tổng hợp hệ thống điện cơ 15
B bao gồm 4 đoạn ứng với góc dẫn của 4 ph ần tử bán dẫn đó là: S 1, D1 và S2, D2. 1.4.2.2. 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 I max, 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 truy ền động s ẽ làm ở góc phần tư thứ nhất. Nếu dòng trung bình I > 0 và ở góc ph ần t ư th ứ II n ếu dòng trung bình I < 0 khi điều chỉnh ρ sao cho I max< 0 và do đó dòng điện phần ứng của động cơ I < 0 thì hệ thống làm việc ở góc th ứ III khoá S 1 và van D1 không dẫn dòng. Quá trình đó được mô tả ở hình dưới như sau: Tổng hợp hệ thống điện cơ 16
1.4.2.3. Đặc tính cơ. ̀ Hinh 2.8 Đặc tính cơ của động cơ trong hệ thống này là các đường th ẳng lien t ục, chạy song song nhau từ góc thứ I sang góc thứ II của mặt phẳng [ω, I]. 1.4.3. Điêu khiên đôi xứng. ̀ ̉ ́ 1.4.3.1. Sơ đồ nguyên ly. ́ Tổng hợp hệ thống điện cơ 17
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: 1.4.3.2. Đồ thị dòng điện và điện áp Tổng hợp hệ thống điện cơ 18
Giá trị cực đai cua dong : ̣ ̉ ̀ Giá trị trung bình qua diốt: ̀ ̉ Dong qua tai: 1.4.3.3. Đặc tính của động cơ. Tổng hợp hệ thống điện cơ 19
Trong đo:́ 1.4.4. Điêu khiên không đôi 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 s ẽ 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. Tổng hợp hệ thống điện cơ 20