Bài Tập Lớn: Tổng Hợp Hệ Thống Điện Cơ - Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ DC

Tài liệu tổng hợp hệ thống điện cơ, hướng dẫn thiết kế mạch điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều, tính toán thông số và mô phỏng hệ thống trên Matlab.

• Tác giả: Lương Văn Cử
• Người hướng dẫn: Nguyễn Sơn Tùng
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện
• Đề tài: Thiết kế mạch điều chỉnh tự động tốc độ hệ truyền động điện động cơ một chiều. (Dùng bộ biến đổi chỉnh lưu cầu 1 pha không đối xứng có điều khiển)
• Loại tài liệu: Bài tập lớn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Thiết Kế Mạch Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Một Chiều

Thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều là một trong những ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật điện công nghiệp hiện đại. Hệ thống này được sử dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất tự động, nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Điều khiển tốc độ động cơ DC không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn tăng độ tin cậy của hệ thống vận hành. Trong bối cảnh công nghiệp hoá hiện đại, việc áp dụng công nghệ kỹ thuật vào quy trình sản xuất là vấn đề cấp bách hàng đầu. Hệ truyền động điện một chiều đã trở thành giải pháp tối ưu cho các hệ thống có yêu cầu chất lượng cao, đặc biệt là khi cần điều chỉnh đồng thời điện áp và từ thông của động cơ.

1.1. Vai Trò Của Hệ Thống Điều Khiển Tốc Độ

Hệ thống điều khiển tốc độ đóng vai trò then chốt trong tự động hoá các quy trình sản xuất. Nó cho phép điều chỉnh tốc độ quay của động cơ DC theo yêu cầu thực tế, từ đó tối ưu hoá năng suất làm việc. Các hệ thống dây chuyền tự động trong các nhà máy, xí nghiệp hiện nay đều sử dụng công nghệ này để thay thế sức lao động con người, đem lại hiệu suất cao và độ tin cậy cao trong vận hành.

1.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Thiết Kế Mạch Điều Khiển

Trong công nghiệp hiện đại, thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ các dây chuyền sản xuất tự động cho đến các hệ thống điều khiển công nghiệp phức tạp, công nghệ này đã chứng minh giá trị thực tiễn của mình. Việc nắm vững thiết kế hệ thống này là cần thiết cho các kỹ sư điện nhằm hội nhập cùng sự phát triển chung của khoa học kỹ thuật.

II. Các Thành Phần Chính Của Mạch Điều Khiển

Mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều bao gồm các thành phần quan trọng sau: tiristor (phần tử bán dẫn điều khiển), động cơ DC (kích từ độc lập), bộ chỉnh lưu cầu (một pha bán điều khiển), và các bộ điều chỉnh tự động (PID). Trong đó, tiristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp p-n-p-n, có khả năng kiểm soát dòng điện một chiều từ anot đến catot. Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ DC hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển điện áp cung cấp cho động cơ thông qua các xung điều khiển. Tổng hợp các thành phần này tạo nên một hệ thống điều khiển tốc độ hiệu quả và ổn định.

2.1. Tiristor Và Nguyên Lý Hoạt Động

Tiristor là phần tử bán dẫn có ba cực: anot (A), catot (K), và cực điều khiển (G). Nguyên lý làm việc của tiristor dựa trên việc áp dụng xung dòng điện vào cực điều khiển để mở thiết bị. Khi nhận được xung điều khiển, tiristor sẽ chuyển từ trạng thái trở kháng cao sang trở kháng thấp, cho phép dòng điện chảy từ anot đến catot. Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong thực tế vì tính độc lập và tin cậy cao.

2.2. Bộ Chỉnh Lưu Cầu Một Pha Bán Điều Khiển

Mạch chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển là trái tim của hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC. Mạch này sử dụng các tiristor được sắp xếp theo cấu trúc cầu, cho phép chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Bộ chỉnh lưu được điều khiển bằng cách thay đổi góc mở của tiristor, từ đó điều chỉnh được điện áp trung bình cung cấp cho động cơ một chiều.

III. Cấu Trúc Hệ Thống Điều Chỉnh Tự Động

Hệ thống điều chỉnh tự động tốc độ động cơ DC được xây dựng dựa trên cấu trúc vòng kín với các bộ điều chỉnh PID. Cấu trúc hệ thống này bao gồm: máy phát tốc độ một chiều (phần tử phản hồi), máy biến dòng (biến đổi tín hiệu lỗi), và bộ điều chỉnh PID (xử lý tín hiệu điều khiển). Mô tả toán học động cơ DC kích từ độc lập cho phép ta xác định được các thông số kỹ thuật của hệ thống. Hệ thống điều khiển này hoạt động bằng cách so sánh tốc độ thực tế với tốc độ mong muốn, sau đó điều chỉnh điện áp cung cấp cho động cơ để đạt được tốc độ mục tiêu. Tiêu chuẩn modul tối ưu được áp dụng để xác định các thông số của bộ điều chỉnh dòng, trong khi tiêu chuẩn modul đối xứng được sử dụng cho bộ điều chỉnh tốc độ.

3.1. Bộ Điều Chỉnh PID Trong Hệ Thống

Bộ điều chỉnh PID (Proportional-Integral-Derivative) là thành phần quan trọng giúp hệ thống duy trì tốc độ động cơ ổn định. Hệ thống điều khiển sử dụng hai bộ điều chỉnh PID: một cho điều chỉnh dòng theo tiêu chuẩn modul tối ưu, và một cho điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn modul đối xứng. Mỗi bộ điều chỉnh được tối ưu hoá để đáp ứng các yêu cầu động học cụ thể của hệ thống, đảm bảo hiệu suất và độ ổn định cao.

3.2. Phân Tích Đặc Tính Động Học

Khảo sát đặc tính động học của hệ thống được thực hiện thông qua mô phỏng Matlab Simulink, cho phép kiểm tra hành vi của hệ thống điều khiển dưới các điều kiện khác nhau. Mô phỏng này giúp xác minh tính chính xác của thiết kế mạch điều khiển và các thông số của bộ điều chỉnh. Kết quả mô phỏng cung cấp thông tin quý báu về thời gian ổn định, sai số tĩnh, và khả năng theo dõi của hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC.

IV. Thiết Kế Sơ Đồ Nguyên Lý Và Lựa Chọn Linh Kiện

Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển tốc độ động cơ DC được xây dựng dựa trên các tính toán kỹ thuật chính xác. Thiết kế mạch bao gồm việc phân tích và chọn mạch chỉnh lưu, tính toán van động lực, thiết kế cuộn kháng lọc điện, và xác định các thành phần song hài. Cuộn kháng lọc đóng vai trò quan trọng trong việc làm mịn dòng điện và giảm nhiễu điều hoà. Việc tính toán điện cảm của cuộn kháng cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo hiệu suất của hệ thống. Tổng quan về IC TCA 785 - vi mạch điều khiển xung chuyên dụng, là phần tử then chốt trong việc điều khiển tiristor trong mạch chỉnh lưu cầu. Vi mạch TCA 785 cung cấp các tín hiệu điều khiển chính xác với độ trễ nhỏ.

4.1. Tính Toán Và Lựa Chọn Van Bán Dẫn

Tính toán van động lực (tiristor) phải đảm bảo rằng các tiristor được chọn có khả năng chịu được điện áp đỉnh ngược và dòng điện đỉnh trong hệ thống. Xác định góc mở cực tiểu và cực đại của tiristor là bước quan trọng để kiểm soát phạm vi điều khiển tốc độ động cơ. Lựa chọn tiristor phù hợp đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, tránh hư hỏng linh kiện và kéo dài tuổi thọ của thiết bị.

4.2. Thiết Kế Cuộn Kháng Lọc Và IC Điều Khiển

Thiết kế cuộn kháng lọc điện giúp làm trơn dòng điện phía sau mạch chỉnh lưu, giảm sóng gợn và nhiễu điều hoà. Xác định các thành phần của song hài trong hệ thống là cần thiết để tính toán chính xác điện cảm của cuộn kháng. IC TCA 785 được sử dụng để tạo ra các xung điều khiển chính xác cho tiristor, với các chức năng như đồng bộ hóa, bảo vệ lệch pha, và giới hạn dòng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN T-Đ 1. Giới thiệu Tiristor Tiristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra 3 lớp tiếp giáp p-n J1 ,J2 ,J3. Tiristo có 3 cực anot A, catot K, cực điều khiển G như hình dưới: Hình 1.1 Cấu tạo và ký hiệu của Tiristor Nguyên lý làm việc của Tiristor: Tiristor chỉ cho phép dòng chạy qua một chiều, từ anot đến catot và cản trở dòng chảy theo chiều ngược lại.

Tiristor dẫn dòng ngoài điều kiện phải có điện áp UAK> 0 còn phải thêm một số điều kiện khác nữa. Do đó tiristor được coi là phần tử bán dẫn có điều khiển để phân biệt với một số phần tử bán dẫn khác không điều khiển như Điot. Mở Tiristor: Khi được phân cực thuận, UAK>0, tiristor có thể mở bằng hai cách: - Thứ nhất, có thể tăng điện áp anot – catot cho đến khi đạt giá trị điện áp thuận lớn nhất. Khi đó điện trở tương đương trong mạch anot – catot sẽ giảm đột ngột và dòng qua tiristor hoàn toàn do mạch ngoài xác định.

Phương pháp này không áp dụng ngoài thực tế do nguyên nhân mở không mong muốn và không phải lúc nào cũng tăng được điện áp đến giá trị U th,max. Và lại sẽ xảy ra trường hợp tiristor sẽ tự mở dưới tác dụng của các xung áp tại một thời điểm ngẫu nhiên không xác định được. - Thứ hai, phương pháp được áp dụng trong thực tế , là đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và catot. Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của tiristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anot – catot nhỏ.

Khi đó nếu dòng qua anot – catot lớn hơn giá trị nhất định, gọi là dòng duy trì (I dt ) thì tiristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung điều khiển nữa. Điều này nghĩa là có thể điều khiển các tiristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so với công suất của mạch lực mà tiristor là một phần tử đóng cắt và khống chế dòng điện. Khóa Tiristor: Nhóm 2 4 BTL: Tổng hợp hệ thống điện cơ KHOA ĐIỆN Một khi Tiristor đã mở thì sự hiện diện của tín hiệu điều khiển Ig không còn là cần thiết nữa. Để khóa Tiristor có 2 cách: - Giảm dòng điện làm việc I xuống dưới giá trị dòng điện duy trì I H.

-Đặt một điện áp ngược lên Tiristor (biện pháp thường dùng) Khi đặt điện áp ngược lên Tiristor UAK < 0, hai mặt ghép J1 v à J3 bị phân cực ngược, J2 bây giờ được phân cực thuận. Những điện tử, trước thời điểm đảo cực tính U AK , đang có mặt tại P1, N1, P2 bây giờ đảo chiều hành trình, tạo nên dòng điện ngược chảy từ katôt về anôt, về cực âm của nguồn điện áp ngoài. Lúc đầu của quá trình, từ t0 đến t1, dòng điện ngược khá lớn, sau đó J 1 rồi J 3 trở nên cách điện. Còn lại một ít điện tử bị giữ lại giữa hai mặt ghép J1 và J3, hiện tượng khuếch tán sẽ làm chúng ít dần đi cho đến hết và J2 khôi phục lại tính chất của mặt ghép điều khiển.

Trong các sơ đồ chỉnh lưu trên, giá trị điện áp trung bình một chiều ra tải phụ thuộc vào góc điều khiển mở của Tiristor: Ud= Ud0.cosα Do đó, khi thay đổi góc điều khiển α thì ta sẽ thay đổi được giá trị điện áp trung bình ra tải. Nếu tăng giá trị góc điều khiển α thì điện áp trung bình sẽ giảm, ngược lại, giảm α thì điện áp trung bình sẽ tăng. Giá trị lớn nhất của điện áp trung bình ra tải là Ud0, ứng với góc α= 0. Dòng điện trung bình qua tải: Ud I với Z d  X L2  R 2 Zd Trường hợp trong mạch tải có thêm suất điện động phản kháng: Ud  E I Zd 1.

Giới thiệu động cơ một chiều Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện xoay chiều thông dụng. Do động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt, khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải. Chính vì vậy mà động cơ một chiều được dùng nhiều trong các nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải,các nghành công nghiệp hay đòi hỏi dùng nguồn điện một chiều… Bên cạnh đó, động cơ điện một chiều cũng có những nhược điểm nhất định của nó như so với máy điện xoay chiều thì giá thành đắt hơn chế tạo và bảo quản Nhóm 2 5 BTL: Tổng hợp hệ thống điện cơ KHOA ĐIỆN cổ góp điện phức tạp hơn (dễ phát sinh tia lửa điện) nhưng do những ưu điểm nổi trội của nó nên động cơ điện một chiều vẫn có một tầm quan trọng nhất định trong sản suất. Cấu tạo của động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: phần tĩnh và phần động.

Phần tĩnh Đây là đứng yên của máy, bao gồm các bộ phận chính sau: + Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông.

Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau. + Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu rạo giống như dây quấn cực từ chính.

Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông. + Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại. Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc.

Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy. + Các bộ phận khác: - Náp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang.

- Cơ cấu chổi than: để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặy lên cổ góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ.

Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại. Phần quay Bao gồm những bộ phận chính sau : + Lõi sắt: Là phần ứng dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn Nhóm 2 6 BTL: Tổng hợp hệ thống điện cơ KHOA ĐIỆN hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì dặt dây quấn vào.

Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lạ thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió. Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt. Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục.

Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto. + Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện.

Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài kw thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn.

Nêm có làm bằng tre, gỗ hay bakelit. + Cổ góp: dùng để đổi chiều dòng điẹn xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại.

Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng. + Các bộ phận khác: - Cánh quạt: dùng để quạt gió làm nguội máy. Máy điện một chiều thường chế tạo theo kiểu bảo vệ.

Ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên trục máy , khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ. Gió đi qua vành góp, cực từ lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy. - Trục máy: trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi.

Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt. Động cơ một chiều kích từ độc lập 1.1 Sơ đồ nguyên lý: Nhóm 2 7 BTL: Tổng hợp hệ thống điện cơ KHOA ĐIỆN Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ độc lập Ta có phương trình đặc tính cơ: U u Ru  R f   K   K  2 Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy Có ba thông số ảnh hưởng đến đặc tính cơ đó là: - Từ thông động cơ (Φ). - Điện áp phần ứng (Uư). -Điện trở phần ứng.