Tổng hợp điện hệ truyền động chỉnh lưu-động chiều Mục lục CHƯƠNG I GIỚI THIỆU HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƯU – ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1.1 Giới thiệu Tiristor 1.2 Giới thiệu động chiều 1.2.1 Cấu tạo động điện chiều 1.2.1.1 Phần tĩnh 1.2.1.2 Phần quay 1.2.2 Động chiều kích từ độc lập 1.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý: 1.2.2.2 Ảnh hưởng điện trở phần ứng : 1.2.2.3 Ảnh hưởng điện áp phần ứng: 1.2.2.4 Ảnh hưởng từ thông: 1.3 Hệ truyền động chỉnh lưu – động chiều 10 1.3.1 Khái niệm chung hệ truyền động chỉnh lưu – động chiều 10 1.3.2.1 Hoạt động hệ thống 11 CHƯƠNG II 14 THIẾT KẾ MẠCH LỰC HỆ TRUYỀN ĐỘNG 14 2.1 Lựa chọn thiết bị mạch động lực 14 2.1.1 Chọn sơ đồ chỉnh lưu 14 2.2.2 Lựa chọn phương án đảo chiều hai chỉnh lưu 18 2.2.3 Lựa chọn phương án điều khiển hai chỉnh lưu 18 2.2.3.1 Phương pháp điều khiển riêng 18 2.3.2.2 Phương pháp điều khiển chung 18 2.2 Tính chọn thiết bị mạch động lực 19 2.2.1 Tính chọn động 19 2.2.2 Tính chọn cơng suất máy biến áp động lực 19 2.2.3 Tính chọn Tiristo 21 2.2.4 Tính chọn cuộn kháng cân 21 2.2.5 Tính chọn cuộn kháng san 22 2.2.6 Tính chọn thiết bị bảo vệ mạch động lực 24 2.3 Thuyết minh sơ đồ nguyên lý mạch lực hệ truyền động 25 2.3.1 Sơ đồ 25 2.3.2 Nguyên lý làm việc mạch động lực 25 CHƯƠNG III 29 THIẾT KẾ MẠCH PHÁT XUNG ĐIỀU KHIỂN 29 3.1 Đặt vấn đề 29 3.2 Thiết kế mạch phát xung điều khiển 29 3.2.1 Lựa chọn phương pháp phát xung 29 3.2.2 Sơ đồ khối mạch điều khiển theo pha đứng 30 3.2.2.1 Mạch đồng hoá 30 3.2.2.2 Mạch phát sóng cưa 31 3.2.2.3 Khối so sánh 32 3.2.2.4 Khâu tạo xung 33 3.2.3 Một số mạch khác 34 SV thực hiện: Nguyễn Thị Chinh Trang:1 Tổng hợp điện hệ truyền động chỉnh lưu-động chiều 3.2.3.1 Mạch tạo nguồn nuôi 34 3.3.1 Tính chọn khâu tạo điện áp chủ đạo 39 3.3.2 Tính chọn khâu phản hồi tốc độ 39 3.3.3 Tính chọn BAX 39 3.3.4 Tính khâu khuyếch đại xung 40 3.3.5 Tính chọn mạch tạo điện áp cưa 40 3.3.6 Tính chọn khâu khuyếch đại trung gian 41 3.3.7 Xác định hệ số khuyếch đại biến đổi 42 CHƯƠNG IV 43 THUYẾT MINH SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 43 4.1 Nguyên lý làm việc mạch động lực 43 4.1.1 Khi động làm việc thuận: 43 4.1.2 Khi động làm việc theo chiều ngược: 43 4.2 Nguyên lý làm việc mạch điều khiển 43 4.2.1 Nguyên lý ổn định tốc độ điều chỉnh tốc độ 43 4.2.2 Khả hạn chế phụ tải 44 4.2.3 Quá trình đảo chiều động 44 4.2.4 Hãm dừng 44 CHƯƠNG V 45 XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH TĨNH 45 5.1 Đặt vấn đề 45 5.2 Xây dựng đặc tĩnh 45 5.2.1 Xây dựng đặc tính vùng làm việc 45 5.2.2 Xây dựng đặc tính vùng ngắt dịng 46 CHƯƠNG VI 49 XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG 49 XÉT ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG 49 6.1 Mục đích ý nghĩa 49 6.2 Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ thống 49 6.2.1 Khảo sát chế độ động hệ thống 51 6.2.1.1 Tính tốn số thời gian hệ số khuyếch đại 52 6.2.1.2 Xây dựng hàm truyền hệ thống 52 6.3 Xét ổn định chỉnh hệ thống 54 6.3.1 Xét tính ổn định hệ thống 54 6.4 Hiệu chỉnh hệ thống 55 6.4.1 Hàm truyền BBĐ hệ thống 55 6.4.2 Hàm truyền động điện chiều 55 6.4.3 Tổng hợp mạch vòng dòng điện bỏ qua sức điện động mômen cản Mc động 56 6.4.4 Tổng hợp hệ mạch vòng tốc độ 59 CHƯƠNG VII 62 ỨNG DỤNG MATLAB ĐỂ KHẢO SÁT TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG 62 7.1 Giới thiệu phần mềm Matlab/Simulink 62 7.2 Thư viện khối chuẩn Simulink: 62 7.2.1 Thư viện khối Sources (Khối phát tín hiệu): 63 7.2.2 Thư viện khối Sinks 64 SV thực hiện: Nguyễn Thị Chinh Trang:2 Tổng hợp điện hệ truyền động chỉnh lưu-động chiều 7.2.3 Thư viện khối Continuous 65 7.2.4 Thư viện khối Dicrete (tín hiệu rời rạc hay tín hiệu số Z) 66 7.2.5 Thư viện khối Nonlinear (các khâu phi tuyến) 67 7.2.6 Thư viên khối Signal & System: 67 7.2.7 Thư viện chứa khối toán học Math: 67 7.2.8 Thư viện chứa khối Function & Tables: 68 7.2.9 Thư viện khối mở rộng Simulink: 68 7.3 Ứng dụng Matlab khảo sát tính ổn định hệ thống 69 7.3.1 Mô BBĐ hệ thống 69 7.3.2 Mô hoạt động động điện chiều 70 7.3.3 Mô hoạt động dòng điện 70 7.3.4 Mô khâu phản hồi tốc độ hệ truyền động 71 7.3.5 Mô khâu phản hồi chung tốc độ dòng điện 72 Kết luận 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 SV thực hiện: Nguyễn Thị Chinh Trang:3 Tổng hợp điện hệ truyền động chỉnh lưu-động chiều DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ TRONG ĐỒ ÁN Hình 1.1 Cấu tạo ký hiệu Tiristor Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý động chiều kích từ độc lập Hình 1.3: Các đặc tính động chiều kích từ độc lập Hình 1.4: Các đặc tính động chiều kích từ độc lập Hình1.5:Đặc tính điện (a)và đặc tính (b)khi thay đổi từ thơng 10 Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống chỉnh lưu – động chiều 11 Hình 1.7: Họ đặc tính hệ 12 Hình 2.1: Sơ đồ (a), đồ thị (b) chỉnh lưu Tiristor hình cầu pha 14 Hình 2.2: Sơ đồ (a), đồ thị (b) chỉnh lưu Tiristor hình cầu pha 15 Hình 2.3: Sơ đồ (a), đồ thị (b) chỉnh lưu Tiristor hình tia pha 16 Hình 2.4: Dạng điện áp Ud mạch hình tia pha 17 Hình 2.5 Sơ đồ mạch động lực 25 Hình 2.6 Giản đồ điện áp dịng điện mạch động lực 28 Hình 3.1: Sơ đồ đấu dây đồ thị véctơ mạch đồng hóa 31 Hình 3.2: Sơ đồ mạch phát sóng cưa 31 Hình 3.3: Sơ đồ mạch đồ thị điện áp mạch so sánh 33 Hình 3.4: Sơ đồ mạch tạo xung 33 Hình 3.5: Giản đồ tạo xung 34 Hình 3.6: Sơ đồ mạch tạo nguồn ni 35 Hình 3.7: Sơ đồ khối tạo điện áp chủ đạo 35 Hình 3.8: Khâu phản hồi tốc độ 36 Hình 3.9: Sơ đồ khối phản hồi âm dòng điện 37 Hình 3.10: Giản đồ điện áp dòng điện mạch điều khiển 38 Hình 5.1: Sơ cấu trúc hệ thống 45 Hình 5.2: Sơ đồ cấu trúc hệ thống khâu cải thiện chất lượng 46 Hình 5.3: Đặc tính tĩnh hệ thống 48 Hình 7.1:Thư viện khối chuẩn Simulink 63 Hình 7.2 Kết mơ biến đổi hệ thống 69 Hình 7.3 Kết mơ hoạt động động điện chiều 70 Hình 7.4 Kết mơ hoạt động mạch vịng dịng điện 71 Hình 7.5 Kết mơ khâu phản hồi tốc độ hệ truyền động 71 Hình 7.6 Kết mơ đồ thị khâu phản hồi tốc độ 73 SV thực hiện: Nguyễn Thị Chinh Trang:4 Tổng hợp điện hệ truyền động chỉnh lưu-động chiều CHƯƠNG I GIỚI THIỆU HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƯU – ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1.1 Giới thiệu Tiristor Tiristor linh kiện gồm lớp bán dẫn gồm pnpn liên tiếp tạo nên Anôt, Katôt cực điều khiển G (hình vẽ) Hình 1.1 Cấu tạo ký hiệu Tiristor Nguyên lý làm việc Tiristor: Khi đặt Tiristor điện áp chiều, anôt vào cực dương, katôt vào cực âm nguồn điện áp, J1 J3 phân cực thuận, J2 bị phân cực ngược Gần toàn điện áp nguồn đặt lên mặt ghép J2 Điện trường nội E1 J2 có chiều hướng từ N1 P2 Điện trường tác động chiều với E1, vùng chuyển tiếp vùng cách điện mở rộng ra, dịng điện chảy qua Tiristor đặt điện áp thuận Mở Tiristor: Nếu cho xung điện áp dương Ug tác động vào cực G (dương so với K), điện tử từ N2 chạy sang P2 Đến số chúng chảy vào nguồn Ug hình thành dịng điều khiển Ig chảy theo mạch G-J3-K-G, phần lớn điện tử, chịu sức hút điện trường tổng hợp mặt ghép J2, lao vào vùng chuyển tiếp này, chúng tăng tốc độ, động lớn lên , bẻ gãy liên kết nguyên tử silic, tạo nên điện tử tự Số điện tử giải phóng lại tham gia bắn phá nguyên tử Si vùng chuyển tiếp Kết phản ứng dây chuyền làm xuất ngày nhiều điện tử chảy vào N1, qua P1 đến cực dương nguồn điện ngoài, gây nên tượng dẫn điện ạt J2 trở thành mặt ghép dẫn điện, điểm xung quanh cực G phát triển toàn mặt ghép với tốc độ khoảng cm/100 s Thời gian mở Tiristor kéo dài khoảng 10 s Khóa Tiristor: Một Tiristor mở diện tín hiệu điều khiển Ig khơng cịn cần thiết Để khóa Tiristor có cách: - Giảm dịng điện làm việc I xuống giá trị dòng điện trì IH - Đặt điện áp ngược lên Tiristor (biện pháp thường dùng) Khi đặt điện áp ngược lên Tiristor UAK < 0, hai mặt ghép J1 J3 bị phân cực ngược, J2 phân cực thuận Những điện tử, trước thời điểm đảo cực tính UAK, có mặt P1, N1, P2 đảo chiều hành trình, tạo nên dịng điện ngược chảy từ katôt anôt, cực âm nguồn điện áp ngồi Lúc đầu q trình, từ t0 đến t1, dịng điện ngược lớn, sau J1 J3 trở nên cách điện Cịn lại điện tử bị giữ lại hai mặt ghép J J3, tượng khuếch tán làm chúng dần hết J2 khôi phục lại tính chất mặt ghép điều khiển Trong sơ đồ chỉnh lưu trên, giá trị điện áp trung bình chiều tải phụ thuộc vào góc điều khiển mở Tiristor: Ud = Ud0.cos  SV thực hiện: Nguyễn Thị Chinh Trang:5 Tổng hợp điện hệ truyền động chỉnh lưu-động chiều Do đó, thay đổi góc điều khiển  ta thay đổi giá trị điện áp trung bình tải Nếu tăng giá trị góc điều khiển  điện áp trung bình giảm, ngược lại, giảm  điện áp trung bình tăng Giá trị lớn điện áp trung bình tải Ud0, ứng với góc  =0 Dịng điện trung bình qua tải: I= Ud Zd với Z d = X L2 + R Trường hợp mạch tải có thêm suất điện động phản kháng: I= Ud − E Zd 1.2 Giới thiệu động chiều Trong sản xuất đại, động chiều coi loại máy quan trọng ngày có nhiều loại máy móc đại sử dụng nguồn điện xoay chiều thông dụng Do động điện chiều có nhiều ưu điểm khả điều chỉnh tốc độ tốt, khả mở máy lớn đặc biệt khả q tải Chính mà động chiều dùng nhiều nghành cơng nghiệp có u cầu cao điều chỉnh tốc độ cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải,các nghành cơng nghiệp hay địi hỏi dùng nguồn điện chiều Bên cạnh đó, động điện chiều có nhược điểm định so với máy điện xoay chiều giá thành đắt chế tạo bảo quản cổ góp điện phức tạp (dễ phát sinh tia lửa điện) ưu điểm trội nên động điện chiều có tầm quan trọng định sản suất 1.2.1 Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều phân thành hai phần chính: phần tĩnh phần động 1.2.1.1 Phần tĩnh Đây đứng yên máy, bao gồm phận sau: + Cực từ chính: phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại tán chặt Trong động điện nhỏ dùng thép khối Cực từ gắn chặt vào vỏ máy nhờ bulơng Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện cuộn dây bọc cách điện kỹ thành khối tẩm sơn cách điện trước đặt cực từ Các cuộn dây kích từ đặt cực từ nối tiếp với + Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt cực từ dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép cực từ phụ thường làm thép khối thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu rạo giống dây quấn cực từ Cực từ phụ gắn vào vỏ máy nhờ bulông + Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động điện nhỏ vừa thường dùng thép dày uốn hàn lại Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc Có động điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy + Các phận khác: SV thực hiện: Nguyễn Thị Chinh Trang:6 Tổng hợp điện hệ truyền động chỉnh lưu-động chiều - Náp máy: Để bảo vệ máy khỏi vật rơi vào làm hư hỏng dây quấn an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ vừa nắp máy cịn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp nắp máy thường làm gang - Cơ cấu chổi than: để đưa dòng điện từ phần quay ngồi Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt hộp chổi than nhờ lò xo tì chặy lên cổ góp Hộp chổi than cố định giá chổi than cách điện với giá Giá chổi than quay để điều chỉnh vị trí chổi than cho chỗ Sau điều chỉnh xong dùng vít cố định lại 1.2.1.2 Phần quay Bao gồm phận sau : + Lõi sắt: Là phần ứng dùng để dẫn từ Thường dùng thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng hai mặt ép chặt lại để giảm tổn hao dịng điện xốy gây nên Trên thép có dập hình dạng rãnh để sau ép lại dặt dây quấn vào Trong động trung bình trở lên người ta cịn dập lỗ thơng gió để ép lạ thành lõi sắt tạo lỗ thơng gió dọc trục Trong động điện lớn lõi sắt thường chia thành đoạn nhỏ, đoạn có để khe hở gọi khe hở thơng gió Khi máy làm việc gió thổi qua khe hở làm nguội dây quấn lõi sắt Trong động điện chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng ép trực tiếp vào trục Trong động điện lớn, trục lõi sắt có đặt giá rơto Dùng giá rơto tiết kiệm thép kỹ thuật điện giảm nhẹ trọng lượng rôto + Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng phần phát sinh suất điện động có dịng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ có cơng suất vài kw thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật Dây quấn cách điện cẩn thận với rãnh lõi thép Để tránh quay bị văng lực li tâm, miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt đai chặt dây quấn Nêm có làm tre, gỗ hay bakelit + Cổ góp: dùng để đổi chiều dịng điẹn xoay chiều thành chiều Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có mạ cách điện với lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm hợp thành hình trục trịn Hai đầu trục trịn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp trụ trịn cách điện mica Đi vành góp có cao lên để hàn đầu dây phần tử dây quấn phiến góp dễ dàng + Các phận khác: - Cánh quạt: dùng để quạt gió làm nguội máy Máy điện chiều thường chế tạo theo kiểu bảo vệ Ở hai đầu nắp máy có lỗ thơng gió Cánh quạt lắp trục máy , động quay cánh quạt hút gió từ ngồi vào động Gió qua vành góp, cực từ lõi sắt dây quấn qua quạt gió ngồi làm nguội máy - Trục máy: đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt ổ bi Trục máy thường làm thép cacbon tốt 1.2.2 Động chiều kích từ độc lập 1.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý: SV thực hiện: Nguyễn Thị Chinh Trang:7 Tổng hợp điện hệ truyền động chỉnh lưu-động chiều _ + Uu + Rf I Đ C CKT RKT D IKT UKT + _ Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý động chiều kích từ độc lập Ru + R f Uu  = − Ta có phương trình đặc tính cơ: K (K )2 Từ phương trình đặc tính ta thấy Có ba thơng số ảnh hưởng đến đặc tính là: - Từ thơng động () - Điện áp phần ứng (Uư) - Điện trở phần ứng Sau ta xét ảnh hưởng tham số đó: 1.2.2.2 Ảnh hưởng điện trở phần ứng : Giả thiết : Uư=Uđm=const  = đm=const Khi ta đổi điện trở mạch phần ứng ta có tốc độ khơng tải lý tưởng: 0 = U dm = Const K dm Độ cứng đặc tính cơ: M ( K) = =− = Var  Ru + R f Khi Rf lớn,  nhỏ nghĩa đặc tính dốc Ứng với Rf = Ta có đặc tính tự nhiên: tn = - ( K) Ru tn có giá trị lớn nên đặc tính tự nhiên có độ cứng tất đường đặc tính có điện trở phụ Như thay đổi điện trở phụ Rf ta họ đặc tính biến trở có dạng hình 1.4 Ứng với phụ tải Mc đó, Rf lớn tốc độ động giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch mômen ngắn mạch giảm Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp để hạn chế dòng điện điều chỉnh tốc độ động phía tốc độ SV thực hiện: Nguyễn Thị Chinh Trang:8 Tổng hợp điện hệ truyền động chỉnh lưu-động chiều Hình 1.3: Các đặc tính động chiều kích từ độc lập thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng 1.2.2.3 Ảnh hưởng điện áp phần ứng: Giả thiết :  = dm = const Rư = const Khi thay đổi điện áp phần ứng : Uư