Đồ án Thiết kế mạch động lực

lời nói đầu Trong điều kiện công cuộc kiến thiết nước nhà đang bước vào thời kỳ công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước với những cơ hội thuật lợi & những khó khăn thách thức lớn. Điều này đặt ra cho thế hệ trẻ, những người chủ tương lai của đất nước những nhiệm vụ nặng nề, đất nước đang cần sức lực & trí tuệ cũng như lòng nhiệt huyết của nhưngc tri thức trẻ. Sự phát triển nhanh chóng của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật nói chung & lĩnh vực Điện - Điện tử - Tin học nói riêng làm cho bộ mặt của xã hội thay đổi từng ngày. Trong hoàn cảnh đó, để đáp ứng được những yêu cầu thực tiễn của sản xuất đòi hỏi những người cán bộ kỹ thuật trong tương lai phải được trang bị những kiến thức chuyên ngành một cách sâu rộng. Đất nước ta trong thời kỳ hiện nay nền công nghiệp có hoàn cảnh là có cải tạo, nâng cấp lại những thiết bị và dây truyền sản xuất cũ theo quan điểm là giữ lại những phần thiết bị đã hoàn thiện sẽ còn phù hợp và thay thế những phần đã lạc hậu hoặc có nhiều nhược điểm để cho ra thị trường những thiết bị có độ hoàn thiện cao, khi đưa vào sản xuất cho năng suất & chất lượng sản phẩm cao Trong quá trình làm đồ án, với sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng dẫn Dương Quốc Tuấn và các thầy giáo trong trường, sự góp ý xây dựng của các bạn học cùng với sự lỗ lực của bản thân đến nay nội dung bản đồ án đã được hoàn thành. Bản đồ án được trình bày một cách ngắn gọn, dễ hiểu, các số liệu được tra cứu từ những tài liệu có uy tín. Tuy nhiên do thời gian làm đồ án và khả năng về lượng kiến thức có hạn, cùng với sự hạn chế về sách tra cứu nên bản đồ án này không thể tránh khỏi những khiếm khuyết, em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy giáo cũng như bạn bè đồng nghiệp để bản đồ án cũng như sự hiểu biết của em ngày càng được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn ! Ngày 27 tháng 05 năm 2005 Sinh viên thiết kế: Nguyễn Vĩnh Hà_Lớp K37IB Phần II : Thiết kế mạch động lực A.chọn bộ biến đổi Với điện áp nguồn cung cấp là xoay chiều hình sin và yêu cầu đầu ra của bộ biến đổi là điện áp một chiều điều chỉnh được. Ta có thể sử dụng sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển hoặc một sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển kết hợp với một bộ biến đổi một chiều- một chiều. Trong đề tài này ta chọn sơ đồ chỉnh lưu có điều khiẻn cho gọn nhất, đơn giản nhất, còn phương án dùng một sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển kết hợp với bộ biến đổi một chiều - một chiều không sử dụng vì nó cồng kềnh, kích thước lớn, tốn nhiều van và giá thành lại cao. Với yêu cầu cụ thể của phụ tải đã cho thì các sơ đồ chỉnh lưu sau có thể đáp ứng được: 1). Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2 pha 2). Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha 3). Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 1 pha 4). Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha Ta xét một số bộ biến đổi: *). Hình tia ba pha: Giả thiết Ld=Ơ, cho sơ đồ làm việc với một góc điều khiển bằng a và cũng giả thiết là sơ đồ đã làm việc xác lập trước thời điểm bắt đầu xét (wt=0). *Tại 0oÊaÊ30o thì Do không làm việc ud= udocosa *Tại 30oÊaÊ150o thì Do không làm việc -Từ wt=0áp/3 van T3 dẫn dòng ta có ud= uc iT1= 0 iT2= 0 iT3= id= Id iDo= 0 uT1= uac uT2= ubc uT3= 0 -Các khoảng Từ wt=p/3án1=p/6 + a Từ wt=pán2 Từ wt=5p/3án3 Từ wt=7p/3án4 thì Do dẫn dòng ud= 0 iT1= 0 iT2= 0 iT3= 0 iDo= id= Id uT1= ua uT2= ub uT3= uc -Từ wt=n1=p/6+a áp van T1 dẫn dòng ud= ua iT1= id= Id iT2= 0 iT3= 0 iDo=0 uT1= 0 uT2= uba uT3= uca -Từ wt=n2á5p/3 van T2 dẫn dòng ud= ub iT1= 0 iT2= id= Id iT3= 0 iDo=0 uT1= uab uT2= 0 uT3= ucb -Từ wt=n3á7p/3 van T3 dẫn dòng ud= uc iT1= 0 iT2= 0 iT3= id= Id iDo=0 uT1= uac uT2= 0 ubc uT3= 0 -Từ wt=n4 van T1 dẫn dòng Sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc *). Hình cầu một pha bán điều khiển Hình1.6-Sơ đồ nguyên lý mạch động lực của hệ thống Hoạt động của sơ đồ: Khi wt= a cho xung điều khiển mở T1 trong khoảng thời gian n1áp tiristor T1 và điôt D2 cho dòng chảy qua. Khi U2 bắt đầu đổi dấu D1 mở ngay, T1 tự nhiên khoá lại, dòng id=Id chuyển từ T1 sang D1 (lúc này D2 vẫn cho dòng chảy qua do sức điện động tự cảm trong Ld tạo ra). D1 và D2 cùng cho dòng chảy qua, Ud=0 Khi wt =n2=p+a cho xung mở T2. Dòng tải id=Id chảy qua D1 và T2. Điốt D2 bị khoá lại. Khi U2 bắt đầu đổi dấu D2 mở ngay, T2 tự nhiên khoá lại, dòng id=Id chuyển từ T2 sang D2 (lúc này D1 vẫn cho dòng chảy qua do sức điện động tự cảm trong Ld tạo ra). Khi wt =n3=2p+a cho xung mở T1 quá trình hoạt động của các van tương tự như chu kỳ trước đó. Hình 17. Đồ thị điện áp và dòng điện của mạch chỉnh lưu cầu bán điều khiển. Trong sơ đồ này, góc dẫn dòng của Tiristor và của điôt không bằng nhau. Góc dẫn dòng của điốt là lD=p+a, còn góc dẫn dòng của tiristor là lT=p-a. Giá trị trung bình của điện áp tải: của dòng tải của dòng trong tiristor của dòng trong điốt Giá trị hiệu dụng của dòng chảy trong cuộn dây thứ cấp máy biến áp Kết luận: Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2 pha là một sơ đồ tương đối đơn giản so với sơ đồ chỉnh lưu hình cầu điện áp đặt trên mỗi van lớn gấp 2 lần do đó quá trình tính toán chọn van sẽ khó khăn. Mặt khác điện áp 2 pha là một hệ thống không có trong thực tế, việc quấn máy biến áp phức tạp vì vậy sơ đồ này ta không chọn. Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha là một sơ đồ hoàn chỉnh, chất lượng điện áp ra tốt hơn sơ đồ hình tia 2 pha, nhưng số van nhiều hơn và mạch điều khiển phức tạp hơn sơ đồ hình tia 2 pha, do đó ta không sử dụng sơ đồ này cho đề tài. Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha là một sơ đồ chỉnh lưu tốt. Cho phép sử dụng ở hệ thống truyền động công suất lớn, chất lượng điện áp ra tốt, điện áp đặt trên van nhỏ hơn một nửa so với điện áp đặt trên mỗi van của sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2 pha và 3pha do đó dễ chọn van trong tính toán thiết kế, nhưng nhược điển của nó là mạch động lực phức tạp, mạch điều khiển phức tạp, số lượng van nhiều, giá thành cao, trong khi yêu cầu của phụ tải mà đề tải cho không cần chất lượng điện áp ra quá tốt. Để đáp ứng được yêu cầu của phụ tải mà đề tài đã cho và bảo đảm được tính kinh tế ta chọn sơ đồ chỉnh lưu hình cầu một pha cho mạch động lực của hệ thống truyền động điện. Trong chỉnh lưu hình cầu một pha có 5 dạng chính sau: 1). Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu một pha dùng 4 điốt cùng với 1 Thyristor và một điốt không. 2). Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu một pha dùng 4 Thyristor. 3). Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha sử dụng 4 Thyristor và 1 điốt không. 4). Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha sử dụng 2 Thyristor và 2 điốt không, trong đó 2 van có điều khiển được mắc ở 2 nhóm van khác nhau và anốt của van ở nhóm katốt chung nối với katốt của van ở nhóm anốt chung, hai van không điều khiển cũng mắc tương tự. 5). Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha sử dụng 2 điốt và 2 Thyristor, trong đó 2 van có điều khiển được bố trí ở cùng một nhóm van, nhóm còn lại là 2 van không điều khiển. * Vậy ta sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển. 2 điốt và 2 Thyristor, trong đó 2 van có điều khiển được bố trí ở cùng một nhóm van, nhóm còn lại là 2 van không điều khiển. 1.2. Chọn phương pháp hãm. Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngược chiều tốc độ quay. Với động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm: Hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng. Việc chọn phương pháp hãm phù hợp với công nghệ là điều rất quan trọng. Với yêu cầu không cần chhính xác, chỉ cần hãm dừng nhanh để tăng năng suất đảm bảo yêu cầu đặt ra là không đảo chiều quay.Sau đây ta xét các chế độ hãm của động cơ điện một chiều kich từ độc lập để chọn ra một chế độ hãm thích hợp: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm: -Hãm tái sinh -Hãm ngược Hình 1.1 Đặc tính hãm tái sinh của động cơ kích từ độc lập -Hãm động năng a). Hãm tái sinh Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải. Khi hãm tái sinh Eư>Uư động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới. So với chế độ động cơ, dòng và mô men hãm đã đổi chiều và được xác định theo biểu thức: Mh=KfIn<0 Phương trình đặc tính cơ : Trong trạng thái hãm tái sinh, dòng điện đổi chiều và công suất được đưa trả về lưới có giá trị P=(E-U)I. Đây là phương pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh ra điện năng hữu ích. Nhưng với bộ biến đổi Tiristo-động cơ thì cácTiristo không cho phép dẫn dòng ngược (mà ở chế độ hãm ngược dòng điện đưa lên lưới bị đảo chiều xem hình 1.1) nên dòng Ih không thể chạy ngược qua bộ biến đổi để trả năng lượng về lưới. Do đó hệ truyền động đã nêu trên không thực hiện hãm tái sinh. Hình 1.2 Đặc tính hãm ngược khi đưa Rf vào mạch phần ứng của động cơ kích từ độc lập. b). Hãm ngược Trạng thái hãm ngược của động cơ xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động hoặc do momen thế năng quay ngược chiều với momen điện từ của động cơ. Mômen sinh ra bởi động cơ khi đó chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất. Với bộ biến đổi Tiristo-Động cơ ta có thể thực hiện hãm ngược bằng các cách sau: *) Đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng (hình 1.2) Dòng điện hãm: Phương trình đặc tính cơ: (Phương trình đặc tính cơ là phương trình đặc tính biến trở) Nhận xét: Khi hãm ngược ta vẫn sử dụng điện lưới do đó sẽ không thực hiện được khi sự cố mất điện. *) Đảo chiều điện áp phần ứng cùng với đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng Hình 1.3 Đặc tính hãm ngược khi đảo cực tính điện áp đặt vào phần ứng của động cơ. Qua đồ thị đặc tính cơ (hình 1.3 ) ta có nhận xét : với kiểu hãm này với nhược điểm giống như trường hợp hãm trên nó còn có thêm nhược điểm nữa là phải thêm thiết bị cắt điện vào đúng thời điểm tốc độ động cơ bằng không (w=0) nếu không động cơ (Mđc>Mc) sẽ quay ngược lại. Vì thông thường động cơ làm việc ở đIúm a trên đặc tính tự nhiên với tảI Mc ta đổi chiều điện áp phần ứng và đưa thêm điện trở phụ vào mạch, động cơ chuyển sang làm việc ở điểm b trên đặc tính biến trở. Tại b mô men đã đổi chiều chống lại chiều quay của động cơ nên tốc độ giảm theo đoạn bc, tại c tốc độ bằng không nếu ta cắt phần ứng ra khỏi điện áp nguồn đặt vào động cơ thì động cơ sẽ dừng lại, còn nếu ta không nếu ta không cắt phần ứng ra khỏi điện áp nguồn đặt vào động cơ thì tại c (Mo>Mc) động cơ sẽ quay ngược lại và làm việc ổn định tại d. Trong trường hợp này dòng điện hãm rất lớn vì: Vì vậy cần đưa thêm điện trở Rf đủ lớn vào mạch phần ứng để hạn chế Ih. Tóm lại hãm ngược bằng phương pháp đảo cực tính đặt vào phần ứng động cơ nhơ trên dòng điện rất lớn gây tổn thất năng lượng lớn. Eư cùng chiều U động cơ làm việc như một máy phát mắc nối tiếp với lưới. Lúc đó nó vừa nhận năng lượng từ lưới điện đồng thời năng lượng điện do nó phát ra đều tiêu tán trên mạch phần ứng dưới dạng nhiệt làm giảm tuổi thọ động cơ. Mặt khác nếu như tốc độ động cơ đã giảm thấp nếu ta không cắt động cơ ra khỏi lưới một cách chính xác thì động cơ sẽ quay ngược lại do đó không phù hợp với yêu cầu công nghệ. c). Hãm động năng Hãm động năng là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học các động cơ đã tích luỹ được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt. *) Hãm động năng kích từ độc lập Ta cắt phần ứng động cơ khỏi lưới điện một chiều và đóng vào một điện trở hãm nhưng còn mạch kích từ vẫn nối với nguồn như cũ (hình 1.4). Tại thời điểm ban đầu,tốc độ động cơ vẫn có giá trị whd nên: Ehd = K Fwhd Và dồng điện ban đầu: Tương ứng có mô men hãm ban đầu: Mhd = K FIhd < 0 Mhđ2 Mhđ1 0 c2 c1 Mc M(i) wođ2 wođ1 b2 b1 o wo w Hình 1.4a Sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập Hình1.4b Đặc tính cơ hãm Phương trình đặc tính cơ điện: Phương trình đặc tính cơ : Khi f= const thì độ cứng của đặc tính cơ hãm phụ thuộc Rh. Khi Rh càng nhỏ, đặc tính cơ càng cứng, mô men càng lớn, hãm càng nhanh. Tuy nhiên cần phải chọn Rh sao cho dòng hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho phép: Ihd <= (2á 2,5)Iđm. Khi hãm động năng kích từ độc lập năng lượng chủ yếu được tạo ra do động năng của động cơ tích luỹ được nên công suất tiêu tốn chỉ nằm trên mạch kích từ. Pktdm = (1 á 1,5)%Pđm Phương trình cân bằng công suất khi hãn động năng: Eư.Ih = (Rư + Rh).Ih.Ih *) Hãm động năng kích tự kích Hình 1.5 Sơ đồ hãm động năng tự kích của động cơ một chiều kích từ độc lập. a) Sơ đồ nguyên lý; b) Đặc tính hãm; Nó khắc phục nhược điểm trên của hãm động năng tự kích độc lập. Thật vậy hãm động năng tự kích xảy ra khi động cơ đang quay ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích thích ra khỏi lưới điện để đóng vào một điện trở hãm (hình 1.5). Theo sơ đồ nguyên lý ta có: Iư=In+Ikt Và các phương trình đặc tính là: Và Trong quá hãm tốc độ giảm dần, dòng kích từ giảm dần do đó từ thông F giảm dần và là hàm số của tốc độ. Vì vậy các đặc tính cơ khi hãm có dạng như đường đặc tính không tải của máy phát điện tự kích phi tuyến (hình 1.5). *) Nhận xét Trong sơ đồ bộ chỉnh lưu cầu một pha dùng 2 điốt và 2 Thirystor ta chọn cho hệ thống truyền động không làm việc ở chế độ nghịch lưu, không có chuyển năng lượng về nguồn do đó không có hãm tái sinh. Mặt khác phụ tải đã cho không đảo chiều, suất điện động E không đổi chiều vì vậy tốc độ động cơ không đảo chiều. Muốn hãm ngược ta phải có các công tắc tơ để thực hiện đảo chiều điện áp, như vậy sẽ rất phức tạp, giá thành cao, kích thước lại lớn. Mặt khác về mặt năng lượng thì hãm ngược có chỉ tiêu năng lượng xấu nhất, cho nên ta không chọn hãm ngược trong hệ thống truyền động. Vì vậy chỉ còn lại có hãm động năng với ưu điểm là đơn giản và chỉ tiêu năng lượng hơn ở hãm ngược là hợp lý hơn cả cho hệ thống truyền động. Vậy ta có sơ đồ mạch động lực như hình vẽ (hình 1.6): III- chọn chế độ hãm cho động cơ Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngược chiều với tốc độ quay của động cơ (lúc này động cơ làm việc ở chế độ máy phát ) . Như phân tích chọn động cơ trên ta chọn động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập nên có 3 trạng thái hãm sau đây: Hãm tái sinh ( trả năng lượng về lưới ) Hiện tượng này xảy ra khi tốc độ động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng (w > w 0 ), lúc này, do Eư >Uư nên động cơ làm việc như một máy phát song song với lưới. So với chế độ động cơ dòng điện và mômen đổi chiều và xác định theo biểu thức sau đây: Ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ khi xảy ra hãm là : -w0 I E U w0 w0đ w M Mc Mc Ih E U Hệ thống làm việc ổn định với tốc độ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng wođ >w . Trạng thái này, Ih đổi chiều và công suất được trả về lưới là : P = (U- E)I Đây là phương pháp hãm kinh tế vì động cơ sinh ra điện năng hữu ích nếu đủ điều kiện hoà điện. Xét thực tế đề tài, với hệ thống truyền động van động cơ thì van (Tiristor ) chỉ dẫn dòng theo 1 chiều nhất định nên khi động cơ sinh ra năng lượng trả về lưới thì các van không cho phép dẫn ngược nên ta không sử dụng chế độ hãm này. Hãm ngược: Xảy ra khi phần ứng động cơ dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động hoặc do mômen thế năng quay ngược chiều với động cơ. Mômen của động cơ sinh ra khi đó chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất. Ta có thể thực hiện hãm ngược theo 2 cách: + Đưa điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng động cơ: E U M w Mc 0 w0đ w0 b - w0 D w0đ w0 M(I) w Mc 0 C Như vậy, E và U tác động cùng chiều, động cơ lúc này làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện biến điện năng nhận từ lưới và cơ năng trên trục thành nhiệt năng đốt nóng điện trở tổng của mạch phần ứng. Vì vậy tổn thất năng lượng là rất lớn , hơn nữa không thực hiện được khi xảy ra sự cố mất điện. + Đảo chiều điện áp Khi hãm ngược xảy ra đến thời điểm đạt được tốc độ v = 0 thì cần phải có thiết bị cắt phần ứng khỏi điện áp nguồn (tại C) nếu không động cơ chuyển sang làm việc ổn định tại D với chiều quay ngược lại. Đưa Rf vào để hạn chế dòng điện hãm. Song trạng thái hãm ngược thường gây tổn thất rất lớn, giảm đáng kể tuổi thọ động cơ, không khắc phục được sự cố như mất điện và nếu cắt điện không đúng thời điểm thì không thực hiện được. Do vậy trạng thái hãm này không phù hợp với đề tài được giao. Hãm động năng: Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát, mà năng lượng cơ học của động cơ đã tích luỹ được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt. Hãm động năng kích từ độc lập . Cắt phần ứng khỏi lưới, đóng vào điện trở hãm Rh và giữ nguyên mạch kích từ.Ta có: Mhd = KFIhđ < 0 Và b hoàn toàn phụ thuộc vào Rh. Song cần chọn Rh cho phù hợp Ihd Ê (2á2,5).Idm Rh2 Rh1 0 M a w b1 b2 Mc Mhđ1 Mhđ2 w0d1 w0d2 _ + Lư Rư Đ Ih Rh Khi hãm động năng, năng lượng chủ yếu được tạo ra do động năng của động cơ nên nó chỉ tiêu tốn trong mạch kích từ của động cơ với công suất: Pktđm = (1 á 1,5) % Pđm Hãm động năng kích từ độc lập không thể thực hiện khi mất điện do mạch kích từ phải được cung cấp điện để khắc phục điều này người ta thường sử dụng phương pháp sau: Hãm động năng tự kích. C1 C2 Ih CKT Rh Ikt Rh2 Rh1 0 M(I) a w b1 b2 Mc Mhđ1 Mhđ2 w0d1 w0d2 Xảy ra khi động cơ đang quay ta cắt hết nguồn để đóng vào một điện trở hãm. Kết luận So với phương pháp hãm ngược, hãm động năng có hiệu quả kém hơn khi chúng có cùng tốc độ ban đầu và có cùng tải Mc. Tuy nhiên, hãm động năng ưu việt hơn về mặt năng lượng, đặc biệt là hãm động năng tự kích, không tiêu thụ năng lượng từ lưới, phương pháp này khắc phục được khi có sự cố mất điện xảy ra và có độ tin cậy cao hơn.Do vậy, ta chọn hãm động năng làm trạng thái hãm cho động cơ chấp hành của hệ thống.