Đồ án Nghiên cứu điện tử công suất trong hệ thống truyền động điện

Lời nói đầu. Truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng của một công nghệ sản xuất. Đặc biệt trong dây truyền sản xuất hiện đại, truyền động điện đóng góp vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Vì vậy các hệ truyền động điện luôn luôn được quan tâm nghiên cứu nâng cao chất lượng để đáp ứng các yêu cầu công nghệ mới với mức độ tự động hoá cao. Ngày nay, do ứng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật điện tử tin học, các hệ truyền động điện được phát triển và có thể thay đổi đáng kể. Đặc biệt là do công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện, nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền động điện không những đáp ứng được độ tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần làm giảm kích thước và hạ giá thành của hệ. Chính vì vậy, chúng em đ• đi nghiên và tìm hiểu đề tài: nghiên cứu điện tử công suất trong hệ thống truyền động điện. Sau một thời gian nghiên cứư chúng em đ• hoàn thành được nội dung và yêu cầu của đề tài. Do thời gian nghiên cứu có hạn nên không thể tránh khỏi nhưng sai sót, chúng em rất mong nhận đựoc sự góp ý, chỉ dẫn thêm của các thầy cô cũng như ý kiến đóng góp của các bạn sinh viên để đề tài của chúng em hoàn thiện hơn, đáp ứng đầy đủ những mục tiêu đ• đặt ra. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hưng Yên, ngày …. tháng …. năm 2007 Nhận xét của giáo viên hướng dẫn. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Nhận xét của giáo viên phản biện. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Phụ lục Nội dung Trang Lời nói đầu. Chương I đại cương về truyền động điện 6 1.1. Sơ đồ khối tổng quát của truyền động điện 6 1.1.1. Mạch động lực 6 1.1.2. Mạch điều khiển 6 1.2. Phân loại hệ truyền động. 7 1.3. Các chế độ làm việc của truyền động điện 8 Chương II: truyền động điện một chiều 10 2.1. Hệ thống chỉnh lưu - động cơ một chiều. 10 2.1.1. Chỉnh lưu bán dẫn làm việc với động cơ điện. 10 2.1.2. Đặc tính cơ của hệ truyền động chỉnh lưu tiristo - động cơ một chiều. 20 2.1.3. Truyền động Thyristor- động cơ một chiều (T-Đ) có đảo chiều quay. 23 2.2. Các hệ truyền động điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều 28 2.2.1. Điều chỉnh xung áp mạch đơn. 28 2.2.2. Đặc tính cơ 31 2.2.3 Điều chỉnh xung áp đảo chiều 33 Chương III : truyền động điện xoay chiều. 35 3.1. Truyền động điện động cơ không đồng bộ. 35 3.1.1. Điều chỉnh điện áp động cơ. 35 3.1.2. Điều chỉnh điện trở mạch rôto 38 3.1.3. Điều chỉnh công suất trượt: 39 3.1.4. Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ không đồng bộ. 42 3.2. Truyền động điện động cơ đồng bộ. 47 3.2.1. Khái quát chung 47 3.2.2. Sự tương đồng giữa truyền động động cơ đồng bộ và động cơ một chiều. 47 3.2.3. Phân loại hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ. 48 3.2.4.Truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ dùng biến tần nguồn áp. 49 3.2.5. Hệ truyền động động cơ đồng bộ với bộ biến đổi tần số nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên. 51 3.2.6. Cấu trúc mạch điều chỉnh tốc độ truyền động động cơ đồng bộ dùng biến tần nguồn dòng. 57 Chương iv truyền động động cơ bước 61 4.1. Các kiểu động cơ bước 61 4.1.1. Động cơ bước từ kháng biến thiên một khối 61 4.1.2. Động cơ bước từ kháng biến thiên nhiều khối. 62 4.1.3. Động cơ bước lai. 62 4.2. Cơ chế tạo nên momen quay 63 4.3. Đáp ứng mômen - tốc độ. 64 4.4. Mạch điều khiển động cơ bước. 65 4.4.1. Mạch điều khiển đơn cực. 66 4.4.2. Mạch điều khiển hai cực tính. 66 chương v: truyền động servo. 68 5.1. Điều khiển động cơ điện. 68 5.2. Truyền động servo. 70 5.3. Giới thiệu về board thí nghiệm điều khiển động cơ một chiều bằng phương pháp điều khiển servo 70 LờI KếT 74 Tài liệu tham khảo 75 Chương I: đại cương về truyền động điện 1.1. Sơ đồ khối tổng quát của truyền động điện 1.1.1. Mạch động lực Gồm bộ biến đổi và động cơ truyền động. Bộ biến đổi đóng vai trò biến đổi điện áp nguồn cung cấp về điện áp, dòng điện, tần số phù hợp với yêu cầu của các động cơ truyền động. Bộ biến đổi có thể là các bộ biến đổi máy điện: máy phát điện một chiều, xoay chiều, bộ biến đổi điện từ: khuếch đại từ, điện kháng b•o hoà và bộ biến đổi điện tử công suất. Bộ biến đổi điện tử công suất thực chất là các khoá chuyển mạch điện tử làm việc ở chế độ đóng- mở. Do sự ra đời, phát triển và hoàn thiện của kỹ thuật điện tử công suất với các ưu điểm nổi trội như: tốc độ chuyển mạch nhanh, tính năng dòng, áp cao, chắc chắn, hiệu suất cao, độ tin cậy cao, dễ dàng điều khiển, khống chế, đáp ứng các đòi hỏi của kỹ thuật số nên ngày nay các bộ biến đổi điện tử công suất điều khiển bằng kỹ thuật số hoàn toàn chiếm ưu thế trong truyền động điện. Động cơ truyền động gồm các loại động cơ điện một chiều, động cơ không đồng bộ, động cơ đồng bộ và các loại động cơ đặc biệt khác. Các động cơ này được cung cấp bằng điện áp u, dòng điện i và tạo nên momen quay và tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải cơ học. 1.1.2. Mạch điều khiển Mạch điều khiển bao gồm các cảm biến đo lường dùng để đánh giá thông số trạng thái của mạch động lực và các bộ điều khiển tác động nên các thông số của bộ biến đổi nhằm duy trì các tính năng cần thiết của hệ truyền động điện về tốc độ, dòng điện, momen và các mục đích khác như mở máy, h•m, đổi chiều quay và các chức năng bảo vệ. Các cảm biến trong hệ truyền động điện thường là máy biến dòng, đánh giá tình trạng mang tải của động cơ. Cảm biến tốc độ thường dùng là máy phát tốc, độ chuyển mạch quang gồm Transistor và đĩa m• hoá. Cảm biến vị trí dùng đĩa m• hoá và mạch quang. Các bộ điều khiển thường được phân thành hai loại: - Bộ điều khiển gần xác định thứ tự và thời điểm phát xung mồi và khoá các linh kiện điện tử công suất theo chiến lược điều khiển bộ biến đổi nhằm cung cấp cho động cơ nguồn điện áp, tần số, dạng sóng phù hợp với yêu cầu của truyền động. - Bộ điều khiển thuật toán nhằm giải quyết các yêu cầu riêng của truyền động như điều khiển tốc độ và vị trí, hạn chế dòng điện, các yêu cầu khi mở máy, h•m đổi chiều. Thông thường tín hiệu ra của khối điều khiển này là momen. 1.2. Phân loại hệ truyền động. Có nhiều cách phân loại hệ truyền động: theo ứng dụng, theo kiểu bộ biến đổi. Theo điều kiện làm việc các hệ truyền động có thể được phân thành: +) Điện áp làm việc: hạ áp nhỏ hơn 690 V, trung áp 2,4 11 KV +) Theo liên kết cơ học: trực tiếp (qua hộp giảm tốc), gián tiếp qua liên kết cơ khí. +) Theo chuyển động: chuyển động quay, thẳng đứng, truyền động thẳng. +) Theo tốc độ: Tốc độ cao, tốc độ thấp. +) Theo phương pháp tái sinh: Có tái sinh hoặc không tái sinh năng lượng. +) Theo phương pháp làm mát: Bằng thông gió trực tiếp, gián tiếp, bằng nước • Phân loại truyền động theo cấu trúc của bộ biến đổi Bộ biến đổi Sơ đồ Đặc điểm Chỉnh lưu có điều khiển -Động cơ một chiều -Bộ chỉnh lưu tiristo có điều khiển -Điều chỉnh điện áp một chiều -Hệ số công suất phụ thuộc tốc độ Biến tần trực tiếp Dộng cơ không đồng bộ, đồng bộ -Biến đổi AC/AC trực tiếp -Chuyển mạch tự nhiên -Mạch 18 xung sóng hài thấp -Hệ số công suất phụ thuộc tốc độ Nghịch lưu chuyển mạch tải -Động cơ đồng bộ -Bố trí nghịch lưu đơn giản -Hệ số công suất phụ thuộc tốc độ -Động cơ đồng bộ đòi hỏi kích từ -Chịu momen đập mạnh ở tốc độ thấp Nghịch lưu chuyển mạch cưỡng bức -Động cơ không đòng bộ rôto lồng sóc -Tương tự nghịch lưu chuyển mạch tải -Cần tụ điện chuyển mạch -Cần mạch chuyển mạch ở tốc độ thấp Nghịch lưu nguồn áp -Động cơ đồng bộ và động cơ lồng sóc -Nguồn áp liên lạc 1 chiều -Điện áp ra PWM -Hệ số công suất cao ở tốc độ thấp 1.3. Các chế độ làm việc của truyền động điện Căn cứ vào đặc tính nóng và nguội lạnh của máy điện, người ta chia chế độ làm việc của truyền động thành ba loại: dài hạn, ngắn hạn và ngắn hạn lặp lại. +) Chế độ làm việc ngắn hạn: do phụ tải duy trì trong thời gian dài, cho nên nhiệt độ của động cơ đủ thời gian đạt tới trị số ổn định. +) Chế độ làm việc ngắn hạn: do phụ tải duy trì trong thời gian ngắn, thời gian nghỉ dài, cho nên nhiệt độ động cơ chưa kịp đạt tới giá trị ổn định và nhiệt độ động cơ sẽ giảm về giá trị ban đầu. +) Chế độ ngắn hạn lặp lại: phụ tải có tính chất chu kỳ, thời gian làm việc và nghỉ xen kẽ nhau. Nhiệt độ động cơ chưa tăng đến trị số ổn định thì được giảm do mất tải; nhiệt độ động cơ suy giảm chưa về tới giá trị ban đầu thì được tăng lên do có tải. Do vậy, người ta đưa ra khái niệm thời gian đóng điện tương đối: Trong đó: tlv: thời gian làm việc có tải tck= tlv+ tnghỉ là thời gian của một chu kỳ Chương II: truyền động điện một chiều Động cơ điện một chiều được sử dụng rộng r•i trong hệ truyền động điều tốc chất lượng cao, vì ưu điểm nổi trội của động cơ điện một chiều là momen quay của nó phụ thuộc vào dòng điện phần ứng và từ thông phần cảm và có thể diều chỉnh riêng rẽ, liên tục, bằng phẳng trong phạm vi rộng. Tuy nhiên do giá thành cao, hệ thống vành góp và trổi điện đòi hỏi phải được bảo dưỡng thường xuyên nên hệ thống này chỉ được sử dụng với công suất tới 1 2 MW, ở tốc độ 1000 v/p, điện áp cực đại đạt tới 1500V. Động cơ điện một chiều thường được sử dụng trong các hệ thống yêu cầu chất lượng điều chỉnh tốc độ cao như robot, máy in, công nghiệp giấy, dệt... 2.1. Hệ thống chỉnh lưu - động cơ một chiều. 2.1.1. Chỉnh lưu bán dẫn làm việc với động cơ điện. Trong hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển - động cơ một chiều, bộ biến đổi điện là các mạch chỉnh lưu điều khiển có sđđ Eđ phụ thuộc và giá trị của pha xung điều khiển(góc điều khiển). Chỉnh lưu có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng điện kích thích động cơ. Tuỳ theo yêu cầu cụ thể của truyền động mà có thể dùng các sơ đồ chỉnh lưu thích hợp, để phân biệt chúng có thể căn cứ vào các dấu hiệu sau đây: - Số pha: 1 pha, 3 pha, 6 pha... - Sơ đồ nối: Hình tia, hình cầu, đối xứng và không đối xứng; - Số nhịp: Số xung áp đập mạch trong thời gian một chu kỳ điện áp nguồn; - Khoảng điều chỉnh: là vị trí của đặc tính ngoài trên mặy phẳng toạ độ [Ud,Id]; - Chế độ năng lượng: Chỉnh lưu, nghịch lưu phụ thuộc; - Tính chất dòng tải: Liên tục, gián đoạn; Chế độ làm việc của chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển và vào các tính chất của tải, trong truyền động điện tải của chỉnh lưu thường là cuộn kích từ(L-R) hoặc là mạch phần ứng động cơ (L-R-E). Để tìm hieeur hoạt động của hệ chỉnh lưu điều khiển- động cơ một chiều ta đi phân tích mạch chỉnh lưu hình tia ba pha mà sơ đồ thay thế được vẽ hình 2.1. Hình 2.1: Sơ đồ nối dây và sơ đồ thay thế của chỉnh lưu hình tia ba pha. Trong đó: E - sđđ quay của động cơ, u21, u22, u23 – sđđ thứ cấp máy biến áp nguồn, L,Lx - điện cảm mạch một chiều và điện cảm tản của dây quấn thứ cấp máy biến áp, R - điện trở mạch một chiều(kể cả điện trở dây quấn thứ cấp máy biến áp đ• quy đổi), L = Lư + Lk R = Rba + Rư Rk Lba = L2 + L1 (W2/W1)2 Rba = R2 + R1 (W2/W1)2. a) Chế độ dòng liên tục Hình 2.2: Chỉnh lưu hình hình tia ba pha. a) Đặc tính điều chỉnh; b) Đồ thị thời gian. Khi dòng điện chỉnh lưu id là liên tục thjì có thể dựng được đồ thị các quá trình dòng điện và điện áp như trên hình 2.2b . Sđđ chỉnh lưu là những đoạn hình sin nối tiếp nhau, giá trị trung bình của sđđ chỉnh lưu được tính như sau: (2-1) Trong đó: - tần số góc của điện áp xoay chiều; - góc mở van(hay góc điều khiển) tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên; - góc điều khiển tính từ thời điểm sđđ xoay chiều bắt đầu dương; p – số xung áp đập mạch trong một chu kỳ điện áp xoay chiều. Phương trình vi phân mô tả mạch thay thế trên hình2.1 là: Với sơ kiện khi thì id = I0 có nghiệm sau: (2-2) Trong đó Nếu gọi góc dẫn của van là thì có thể tính được thành phần một chiều của dòng điện chỉnh lưu, chính là thành phần sinh mômen quay của động cơ: (2-3) Còn giá trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu thì đươc tính bởi biểu thức đơng giản hơn: (2-5) b) Hiện tượng chuyển mạch. Trong sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha, khi phát xung nhằm để mở một van Thyristor thì điện áp anot của pha đó phải dương hơn điện áp của pha có van đang dẫn dòng, còn dòng điện của van kế tiếp sẽ tăng dần lên. Do có điện cảm trong mạch mà quá trìng này sảy ra từ từ, cùng tại một thời điểm cả hai van cùng dẫn dòng và chuyển dòng cho nhau, quá trình này gọi là chuyển mạch giữa các van. Hình 2.3 Hiện tượng chuyển mạch giữa các van thyristo T1, T2. Trong quá trìng chuyển mạch vì cả hai van đều dẫn nên sđđ chỉnh lưu bằng trung bình cộng của điện áp hai pha. Phương trìng cân bằng điện áp cho các pha lúc chuyển mạch là: Để ý rằng i1+i2=ib và nếu coi di1/dt=-di2/dt thì (2-6) Thời điểm bắt đầu xảy ra chuyển mạch là tại ; giải phương trình trên ta được biểu thức tính dòng điện qua van: , (2-7) Trong đó: ’ Quá trình chuỷen mạch kết thúc khi i1=0, i2=id, nếu ta đặt i2=id tại thì ta có thể tinh được góc chuyển mạch : Trong thực tế vận hành ít khi dòng điện chỉnh lưu vượt quá giá trị Id/Imk=0,1, do đó có thể nói rằng trong chỉnh lưu hình tia ba pha góc chuyển mạch cực đại là . Do có chuyể mạch nên sđđ chỉnh lưu bị sụt đi. Giá trị trung bình của sụt áp do chuyển mạch được tính như sau: c) Chế độ dòng điện gián đoạn. Hiện tượng gián đoạn dòng điện chỉnh lưu xảy ra do năng lượng điện tử tích lũy trong mạch khi dòng điện tăng không đủ duy trì tính chất liên tục của dòng điện khi nó giảm. Lúc này góc dẫn của van trở nên nhỏ hơn , dòng điện qua van trở về không trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn. Trong khoảngdẫn của van thì sđđ chỉnh lưu bằng sđđ nguồn: Khi dòng điện bằng không sđđ chỉnh lưu bằng sđđ của động cơ điện: có thể viết được biểu thức tính dòng điện chỉnh lưu nếu trong công thức(2-2) đặt I0=0. , (2-8) trong đó, như đ• đề cập ở trên: Trong trường hợp bỏ qua điện trở R trong mạch phần ứng thì phương trình mô tả mạch hình 2.4(Đặc tính cơ của hệ F- Đ) sẽ là: Hình 2.4: Đặc tính cơ hệ F - Đ a) Trong chế độ động cơ; b) Trong chế độ h•m tái sinh. (2-9) và nghiệm tổng quát của nó như sau nếu gọi C là hằng số tích phân: Khi thì id = 0 nên ta có nghiệm riêng cho trường hợp dòng điện gián đoạn: (2-10) dòng điện id bắt đầu xuất hiện tại và tăng đến giá trị cực đại tại điểm mà ở đó = U2a - E =0 và giảm đến bằng không tại . Nếu đặt thì ta có thể viết được biểu thức tính dòng điện chỉnh lưu hệ đơn vị tương đối với dạng gọn gàng hơn: (2-11) Đặt và id*=0 vào (2-11) ta tìm được góc dẫn ở dạng hàm ẩn: (2-12) Đây là quan hệ hàm ẩn giữa ba biến số có thể giải bằng cách thử lặp hoặc là bằng phương pháp đồ thị. Trong trường hợp giữ nguyên góc điều khiển nhưng tăng dần sđđ E của động cơ ( ) thì góc dẫn sẽ giảm dần và khi E=U2msin thì =0 tức là không có dòng chảy trong mạch. Lúc này mômen động cơ cũng sẽ bằng 0, động cơ bị giảm tốc độ và do đó E giảm, dòng điện lại xuất hiện trong mạch nhưng với tốc độ thấp hơn. Vì thế, ở chế độ dòng điện gián đoạn, đặc tính cơ của động cơ trở nên rất dốc. Giá trị trung bình của dòng điện ở chế độ gián đoạn viết trong hệ đơn vị tương đối được tính như sau: (2-13) Trong trường hợp ngược lai khi giữ và giảm dần E, góc dẫn sẽ dài dần ra và khi thì dòng điện trong mạch trỏ nên liên tục (xem hình 2.5b), giá trị đó của sđđ E (tương tự ) ứng với trạng thái biên giới liên tục và có thể tìm được nó nếu đặt vào (2-12) và (2-13). (2-14) (2-15) Mặt khác vì: nên (2-16) (2-17) Hình 2.5: Chế độ dòng điện gián đoạn và biên liên tục. Để tìm đường biên giới giữa vùng dòng điện liên tục và vù