Tổng hợp điều khiển hệ điện cơ

Mục lục Đề bài: + Chỉnh lưu đảo chiều điều khiển riêng Uđk [V] 4,5 - 4,5 0 π/2 π 2π 3π ωe.t α1 α2 FX 1 FX 2 + Cho đồ thị răng cưa + Cho động cơ một chiều kích từ độc lập: Pđm = 2,8 [kW] Uđm = 220 [V] Iđm = 17 [A] nđm = 1500 [v/ph] Rư = 1,2 [Ω] Lư = 0,025 [H] J = 0,12 [kg.m2] Đ Chỉnh lưu 1 BAN I2 Id U2 Ud Chỉnh lưu 2 + - U1 Phát xung 1 Phát xung 2 Uđk Chọn sơ bộ máy biến áp nguồn: Các thông số của máy biến áp: + Điện áp trên cuộn dây sơ cấp: U1đm = 380 [V] + Phương trình cân bằng điện áp: Ed = Ud + ΔUv + ΔUBA Với: Ud: điện áp định mức của động cơ (Ud = Uđm = 220 V) ΔUv: độ sụt áp trung bình trên các Thyristor Chọn ΔUv = 2.2 = 4 [V] {sụt áp trên một van là: 2V} ΔUBA: độ sụt áp trên máy biến áp (chọn ΔUBA = 5%.Ud) ΔUBA = 5%.220 = 11 [V] Do vậy: Ed = 220 + 4 + 11 = 235 [V] + Công suất của tải: Pd = Ed.Id Trong đó: Id = Iđm = 17 [A] Do đó: Pd = 235.17 4000 [W] + Công suất của máy biến áp nguồn: SBA = 1,05.Pd = 1,05. 4000 => SBA = 4200 [VA] = 4,2 [kVA] + Điện áp ở cuộn dây thứ cấp: ku: hệ số điện áp của mạch chỉnh lưu điều khiển cầu 3 pha (ku = 2,34) Từ đó: ta có hệ số máy biến áp KBA + Dòng điện ở cuộn dây thứ cấp: I2đm = ksđ.Id = 0,816.Iđm = 0,816.17 => I2đm = 13.87 [A] ksđ: hệ số dòng điện của sơ đồ cầu 3 pha (ksđ = 0,816) + Dòng điện ở cuộn dây sơ cấp: Vậy ta cần dùng máy biến áp có các thông số: Công suất của máy biến áp: SBA = 4,2 [kVA] Hệ số máy biến áp: KBA = 3,78 Điện áp định mức ở sơ cấp: U1đm = 380 [V] Điện áp định mức ở thứ cấp: U2đm = 100,43 [V] Dòng điện định mức ở sơ cấp: I1đm = 3,67 [A] Dòng điện định mức ở thứ cấp: I2đm = 13,87 [A] Tính thiết kế máy biến áp: Chọn máy biến áp ba pha ba trụ Thiết diện của trụ: Với: QFe: thiết diện của trụ máy biến áp KQ: hệ số (KQ = 5,6 6,4). Chọn KQ = 6 m: số pha của máy biến áp (m = 3) f: tần số lưới điện (f = 50 Hz) SBA: công suất biểu kiến máy biến áp (SBA = 4,2 kVA = 4200 VA) Từ đó, ta được: Đường kính của trụ: Chọn đường kính trụ theo tiêu chuẩn: d = 7 (cm) Chọn loại thép kỹ thuất điên: $330 có độ dày 0.5 (mm) Chọn mật độ từ cảm trong trụ: B = 1 [T] Tính toán số vòng dây của dây quấn: Từ công thức: U1 = 4,44.f.w1. m Và: m = B.QFe Ta được: => w1 539 [vòng] => => w2 142 [vòng] Tính toán đường kính dây của dây quấn: Chọn dây dẫn làm bằng đồng có tiết diện tròn có mật độ dòng điện sơ bộ: J = (2,5 3,5) [A/mm2]. Chọn J = 3 [A/mm2] Tiết diện dây dẫn ở cuộn sơ cấp: Đường kính dây dẫn sơ cấp: => Chọn d1 = 1,25 [mm] => S1 = 1,23 [mm2] Đường kính dây dẫn sơ cấp kể cả cách điện: d’1 = 1,35 [mm] Tính lại mật độ dòng điện trong dây dẫn sơ cấp: Tiết diện dây dẫn ở cuộn thứ cấp: Đường kính dây dẫn thứ cấp: => Chọn d2 = 2,50 [mm] => S2 = 4,91 [mm2] Đường kính dây dẫn thứ cấp kể cả cách điên: d’2 = 2,60 [mm] Tính lại mật độ dòng điện trong dây dẫn sơ cấp: Tính chiều dài của các cuộn dây quấn: Đường kính trong của cuộn dây sơ cấp: D1 = d + d1 = 7 + 1,25 => D1 = 8,25 [cm] Chiều dài của cuộn dây sơ cấp là: L1 = w1.(π.D1) = 539.3,14.8,25 => L1 = 13962.795 [cm] = 139,63 [m] Đường kính trong của cuộn dây thứ cấp: D2 = d + d1 + d2 = 7 + 1,25 + 2,50 => D2 = 10,75 [cm] Chiều dài của cuộn dây sơ cấp là: L2 = w2.(π.D2) = 142.3,14.10,75 => L1 = 4793,21 [cm] = 47,93 [m] Tính điện trở của các cuộn dây quấn: Từ công thức tính điện trở: Trong đó: : điện trở suất dây quấn (với dây đồng: = 0,02133 [Ω.mm2/m]) Điện trở của dây quấn sơ cấp: => R1 = 2,42 [Ω] Điện trở của dây quấn sơ cấp: => R2 = 0,21 [Ω] Điện trở của máy biến áp đã quy đổi về thứ cấp: => RBA = 0,38 [Ω] Tính điện cảm của các cuộn dây quấn: + Kết cấu dây quấn sơ cấp: thực hiện theo cách quấn đồng tâm Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp: Trong đó: h: chiều cao của trụ. Chọn h = 30 [cm] hg: khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp. Chọn hg = 1 [cm] d’1: đường kính dây quấn sơ cấp kể cả lớp cách điện do đó: Số lớp dây ở cuộn sơ cấp là: Lấy n11 = 3 [lớp]. Trong đó: 2 lớp có 215 vòng dây và 1 lớp có 109 vòng. Chiều cao của cuộn dây sơ cấp: h11 = w11.d’1 = 215.1,35.10-1 => h11 = 29,03 [cm] Bề dày cuộn sơ cấp: B1 = d’1.n11 = 1,35.10-1.3 => B1 = 0,41 [cm] + Kết cấu dây quấn thứ cấp: thực hiện theo cách quấn đồng tâm Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn thứ cấp: Trong đó: h: chiều cao của trụ. Chọn h = 30 [cm] hg: khoảng cách từ gông đến cuộn dây thứ cấp. Chọn hg = 1 [cm] d’2: đường kính dây quấn thứ cấp kể cả lớp cách điện do đó: Số lớp dây ở cuộn thứ cấp là: Lấy n22 = 2 [lớp]. Trong đó: 1 lớp có 112 vòng dây và 1 lớp có 30 vòng. Chiều cao của cuộn dây thứ cấp: h22 = w22.d’2 = 112.2,60.10-1 => h22 = 29,12 [cm] Bề dày cuộn thứ cấp: B2 = d’2.n22 = 2,60.10-1.2 => B2 = 0,52 [cm] + Điện kháng của máy biến áp quy đổi về thứ cấp là: Trong đó: r: bán kính trong của cuộn dây thứ cấp (r = 6,36/2 = 3,18 cm) ω: tần số góc của lưới điện (ω = 314 [rad/s]) h: là chiều cao của trụ => Xba = 1,69 [Ω] Từ đó, ta được điện cảm của máy biến áp quy đổi về thứ cấp: => Lba = 5.10-3 [H] = 5 [mH] Tính chọn mạch lực: Tính chọn Thyristor cho bộ chỉnh lưu điều khiển: Để tính chọn Thyristor ta cần dựa vào các yếu tố: dòng tải, điện áp ngược của các Thyristor. Các thông số của Thyristor được tính như sau: + Điện áp ngược của Thyristor: Điện áp làm việc của van: trong đó: knv: hệ số điện áp ngược của van (knv = = 2,45) ku: hệ số điện áp tải (ku = 2,34) Do đó: => Ulv = 230,34 [V] Điện áp ngược mà van phải thỏa mãn: Uv kdt.Ulv Trong đó: kdt: hệ số dự trữ điện áp (Chọn kdt = 1,9) Uv 1,9.230,34 = 437,65 [V] + Dòng điện trung bình của Thyristor: => Itbv = 5,67 [A] Do vậy, Thyristor được chọn sao cho: Iv klv.Itbv = .5,67 => Iv 8,05 [A] Dựa vào bảng tra cứu ta chọn Thyristor có ký hiệu: BT152 - 600R có các thông số như sau: + Itbmax = 13 [A] + Ungmax = 600 [V] + Uđk = 1 [V] + Iđk = 32 [mA] Tính chọn bộ bảo vệ cho Thyristor: Để bảo vệ cho các Thyristor ta dùng mạch bảo vệ RC (mạch gồm điện trở R mắc song song với tụ điện C) mắc song song với mỗi Thyristor. R C K T A Mạch này sẽ bảo vệ cho Thyristor khi tốc độ tăng áp và tăng dòng trên van trong quá trình chuyển trạng thái của van. Ngoài ra, nó còn giúp cho Thyristor hoạt động ổn định khi điện áp trên van có tốc độ tăng trưởng (du/dt)lớn. Vì nếu trên van có tốc độ tăng trưởng của điện áp lớn thì Thyristor có thể chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái dẫn mà không cần có tín hiệu điều khiển trên cực điều khiển G. Tốc độ tăng trưởng điện áp (du/dt) sẽ sinh ra dòng điện đặt trên tụ điện C của mạch bảo vệ: Chính dòng điện này nó giữ vai trò như dòng điều khiển IG để Thyristor mở cho dòng điện ngoài mong muốn đi qua. Khi kích mở Thyristor thì tụ điện C sẽ phóng điện qua Thyristor và điện trở R sẽ hạn chế dòng điện này. Mạch bảo vệ RC được chọn theo kinh nghiệm: C = 1 [mF] R = 1 [kW] Đồ thị điện áp và dòng điện trên tải của bộ chỉnh lưu điều khiển: T1 T3 T5 T2 T6 T4 U2 Zt Sơ đồ mạch chỉnh lưu điều khiển cầu ba pha: u2 αT1 αT3 αT5 αT1 αT3 αT2 αT4 αT6 αT2 0 0 0 ed id ω.t ω.t ω.t Đồ thị Ed (t) và Id (t) Xây dựng họ đặc tính cơ: Phương trình họ đặc tính cơ có dạng: Trong đó: Ed0 = 235 [V] R: điện trở của mạch (gồm máy biến áp và động cơ) R = RBA + Rư = 0,38 + 1,2 => R = 1,58 [W]] Từ phương trình đặc tính cơ điện của động cơ: => => ωđm = 157 [v/ph] Ta được: Mđm = (k. đm).Iđm = 1,23.17 => Mđm = 20,91 [N.m] Khi động cơ quay thuận thì: 00 α1 900 nên: 0 Ud = Ed0.cos α Ed0 Hay: 0 Ud 235 [V] Khi động cơ quay ngược thì: 900 α2 1800 nên: - Ed0 Ud = Ed0.cos α 0 Hay: - 235 [V] Ud 0 (dấu “-” thể hiện chiều điện áp đặt vào động cơ đã đổi chiều. Tức là: động cơ đã được đảo chiều quay) Cho nên ta có họ đặc tính cơ: ω [v/ph] M [N.m] 0 Mđm - Mđm ωđm - ωđm Chiều thuận Chiều ngược ω0 - ω0 Uđk Ed Tổng hợp mạch vòng dòng điện: Mô hình toán học của bộ chỉnh lưu: Trong đó: KCL: hệ số khuếch đại của chỉnh lưu. => KCL = 52,22 Tb: hằng số thời gian Tb = Tđk + Tvo Với: Tđk: chu kỳ phát xung điều khiển (Chọn: Tđk = 0,001 [s]) Tvo: hằng số thời gian chuyển mạch chỉnh lưu. => Tvo = 0,0017 [s] Tb = 0,001 + 0,0017 => Tb= 0,0027 [s] Uđk Ed Vậy, mô hình toán học của bộ chỉnh lưu: Mô hình toán học của động cơ một chiều kích từ độc lập: Do động cơ có kích từ độc lập nên: k.đm = 1,23 = const Phương trình cân bằng điện áp của động cơ: hay: => Với: T = Lư/Rư: quán tính điện từ Phương trình chuyển động của hệ thống: M(p) – Mc(p) = J.p.ω(p) J: mômen quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ. Phương trình Mô men điện từ: M = k.đm.I M(p) = k.đm.I(p) Sức điện động cảm ứng trong động cơ: E = k.đm. ω E(p) = k.đm.ω(p) k.đm k.đm U E I M Mc ω - - Sơ đồ cấu trúc của động cơ: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện: Trong các hệ thống truyền động tự động thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản. Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong các hệ thống là trực tiếp hoặc gián tiếp xác định mômen kéo của động cơ. Ngoài ra nó còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc, … Ri(p) Ui Uiđ Uđk Id - Soi(p) Ri(p) Ui Uiđ Uđk Id - Ed Soi(p) + Sơ đồ cấu trúc của mạch vòng điều chỉnh dòng điện khi bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động E (do ảnh hưởng của E đến mạch vòng dòng điện là không lớn) là: Đặt: Tsi = Ti + Tb (Chọn thiết bị đo có: Ti = 0,0022) Ksi = KCL.Ki/R (Chọn thiết bị đo có: Ki = 0,011) Vì Ti.Tb << (Ti + Tb) nên ta có thể bỏ qua phần tử: p2.Ti.Tb Do đó: Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu môđun: Ta được: Chọn τσ = Tsi thì: Đặt: hằng số khuếch đại của bộ điều chinh tốc độ Như vậy, bộ điều chỉnh tốc độ là khâu: tỷ lệ – tích phân (PI) Uiđ ei _ Id Cuối cùng ta được sơ đồ cấu trúc: Hàm truyền đạt của mạch vòng dòng điện là: Tổng hợp mạch vòng tốc độ: Sơ đồ khối của hệ điều chỉnh tốc độ: Rω Uω Uωđ ω _ k.đm Uiđ Id M Mc _ Soω Ta có: (1 + 2Tsi.p).(1 + p.Tω) = 1 + p.(Tω + 2Tsi) + p2.Tω.2Tsi vì (Tω + 2Tsi) << (Tω.2Tsi) nên ta có thể bỏ qua phần tử p2.Tω.2Tsi Đặt: Ksω = Kω. k.đm/Ki Tsω = Tω + 2Tsi Từ đó, ta được: Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu môđun: Ta được: Chọn τσ = Tsω thì: Như vậy, Bộ điều chỉnh tốc độ là một khâu tỷ lệ (P) Uω Uωđ ω - Cuối cùng ta được sơ đồ cấu trúc của mạch vong tốc độ: Hàm truyền đạt của mạch vòng tốc độ là: Chọn bộ điều chỉnh tốc độ có: Kω = 0,0001 Tω = 0,005 Mô phỏng hệ thống: Mạch vòng dòng điện: Sơ đồ mạch vòng dòng điện: Kết quả mô phỏng: Mạch vòng tốc độ: Sơ đồ mạch vòng tốc độ: Kết quả mô phỏng: