Đồ án Tổng hợp các bộ điều chỉnh cho hệ TĐĐ tự động 1 chiều

Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU....................................................................................................................... 1
Nhận xét của giáo viên:........................................................................................................2
Tổng hợp các bộ điều chỉnh cho hệ TĐĐ tự động 1 chiều với các thông số.......................3
CHƯƠNG I...........................................................................................................................4
1.2.2.1.Sơ đồ nguyên lý:.......................................................................................................................9

1.2.2.2. Ảnh hưởng của điện trở phần ứng:.......................................................................9
1.3.2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh tự động truyền động điện:...................................13
1.3.2.2. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống:..............................................................................14
1.3.3. Xác định cấu trúc và tham số bộ điều chỉnh dòng điện theo tiêu chuẩn modul tối
ưu:.....................................................................................................................................14
1.3.4. Xác định cấu trúc và tham số bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn modul đối
xứng:................................................................................................................................16
CHƯƠNG II........................................................................................................................ 19
CHƯƠNG III......................................................................................................................24
CHƯƠNG IV....................................................................................................................... 31
CHƯƠNG V........................................................................................................................33
CHƯƠNG VI....................................................................................................................... 53
6.1.Giới thiệu về Simulink trong Matlab :..........................................................................53
6.2.Mô phỏng hệ thống:.......................................................................................................54
KẾT LUẬN.......................................................................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................60

LỜI NÓI ĐẦU
Trong công cuộc xây dựng và đổi mới đất nước thì việc phát triển khoa học kỹ
thuật đã được ứng dụng vào lĩnh vực công nghiệp. Ở nước ta đã nhập khá nhiều loại

máy móc, thiết bị rất hiện đại, do vậy đòi hỏi quá trình giảng dạy cho học sinh, sinh
viên phải trang bị những kiến thức cơ bản về nguyên lý và hoạt động cũng như
nguyên tắc vận hành hệ thống điều chỉnh tự động nhằm nắm bắt kịp thời với thực tế
của xã hội trong hiện tại và trong những năm tới.
Đối với sinh viên khoa điện, những kĩ sư tương lai sẽ trực tiếp tham gia vào các hệ
thống điện. Được làm đồ án môn học Tổng hợp hệ thống điện cơ là một sự tập
duyệt,vận dụng những lí thuyết đã học vào thiết kế các hệ thống truyền động như một
cách làm quen với với công việc sau này. Tính toán truyền động là một việc làm
tương đối khó, trong thời gian làm và học tập vừa qua, với sự cố gắng nỗ lực của bản
thân cùng với sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của các thầy giáo Th.s Nguyễn Hữu
Hải, em đã hoàn thành xong môn học và bài tập lớn này.

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

1


Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC

Trong quá trình thiết kế đồ án môn học, với kiến thức còn hạn chế nên bản đồ án
chắc khó tránh khỏi những sai sót. Em rất mong được sự nhận xét góp ý của các thầy
cô giáo và các bạn để bản thiết kế của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện

Lê Kim Tâm

Nhận xét của giáo viên:

.................................................................
.................................................................
.................................................................
.................................................................
.................................................................
.................................................................
.................................................................
.................................................................
.................................................................

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

2


Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC

.................................................................
.................................................................
.................................................................
.................................................................
.................................................................
.................................................................
.................................................................
.................................................................
.................................................................
.................................................................
.................................................................

................................................................

ĐỀ BÀI

Tổng hợp các bộ điều chỉnh cho hệ TĐĐ tự động 1 chiều với các thông số
 Pđm=75(KW); Uđm=440(V)
 Iđm=204(A); nđm=1000(vòng\phút)
 Lư=0,00432(H); ŋđm=0,833
 Kd=20; Ki=0,02; Kw=0,01
 Tc=0,0544s; Tư=0,05s
Nếu bộ biến đổi là chỉnh lưu cầu 3 pha, xen xơ dòng điện là biến dòng xoay chiều 3
pha, xen xơ dòng điện là máy phát tốc 1 chiều.
1. Hãy vẽ sơ đồ nguyên lí thể hiện chi tiết cả mạch điều khiển và mạch động lực.
2. Tính toán các thiết bị liên quan trong mạch điều khiển và mạch động lực.

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

3


Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC

3. Tiến hành mô phỏng kiểm chứng kết quả tính toán.
 Tổng hợp Ri theo tiêu chuẩn tối ưu module
 Tổng hợp Rω theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng

CHƯƠNG I

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Tìm hiểu chung về hệ thống điện cơ :
 Hệ điện cơ là các hệ thống dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng và
khống chế tự động cơ năng đó.
 Phần cơ bản của hệ điện cơ là hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện
(ĐCTĐTĐĐ).
 Mục đích tiêu cơ bản của ĐCTĐTĐĐ là phải đảm bảo giá trị yêu cầu của các
đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc vào các đại lượng nhiễu lên hệ điều
chỉnh

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

4


Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC

Hình 1.1 : Cấu trúc chung của hệ ĐCTĐTĐĐ
 Phân loại hệ điện cơ : việc phân loại hệ thống điều chỉnh tự động truyền động
điện thường có nhiều cách ,tùy thuộc vào mục đích mà ta có thể phân loại.
 Phân loại theo động cơ truyền động :
• Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động cơ một chiều.
• Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động cơ xoay chiều không đồng bộ.
• Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động cơ xoay chiều đồng bộ.
• Hệ ĐCTĐTĐĐ dùng động cơ bước.
 Phân loại theo hệ điều chỉnh và tín hiệu vào bộ điều chỉnh.
• Bộ ĐCTĐTĐĐ có bộ điều chỉnh tương tự (analog).
• Bộ ĐCTĐTĐĐ có bộ điều chỉnh số (digital).

• Bộ ĐCTĐTĐĐ có bộ điều chỉnh tương tự - số (analog – digital)
 Phân loại theo cấu trúc hoặc thuật toán điều khiển.
• Hệ ĐCTĐTĐĐ có điều khiển thích nghi.
• Hệ ĐCTĐTĐĐ có điều khiển mờ.
 Phân loại theo nhiệm vụ chung :
• Hệ ĐCTĐTĐĐ duy trì đại lượng điều chỉnh theo lượng đặt
truowvs không đổi.
• Hệ ĐCTĐTĐĐ tùy động : là hệ điều khiển vị trí yêu cầu điều
khiển tự động lượng ra theo lượng đặt biến thiên tùy ý.các hệ này
thường gặp ở các hệ truyền động quay angten, ra đa, …
• Hệ ĐCTĐTĐĐ điều khiển chương trình, là hệ điều khiển vị trí
nhưng đại lượng điều chỉnh được điều khiển tự động tuân theo
lương đặt biến thiên theo một chương trình định trước .

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

5


Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC

 Các tiêu chuẩn của hệ điện cơ : để đánh giá các hệ điều chỉnh tự động ruyền
động điện người ta thường dựa vào các chỉ tiêu sau :
nmax
 Đặc tính phụ tải D =
.
nmin
ni +1

 Phạm vi điều chỉnh tốc độ ϕ =
.
ni
 Độ trơn (độ bằng phẳng) điều chỉnh St =
 Sai lệch tĩnh St % =

n0i − ni
.
n0i

n0i − ni
.100% .
n0i

1.2. Giới thiệu chung về động cơ một chiều :
 Trong nền sản xuất hiện đại động cơ một chiều vẫn coi là một laoij máy quan
trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện
xoay chiều thong dụng.
 Do động cơ một chiều có nhiều ưu điểm khác 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 thong vận tải, …
 Bên cạnh đó động cơ một chiều cũng có như nhược điểm nhất định của nó so
với động cơ xoay chiều thì giá thành đắt hơn, chế tạo và bảo quản cổ góp điện
phức tạp hơn(dễ phát sinh tia lửa điện)… nhưng do những do những ưu điểm nổi
trội của nó nên động cơ một chiều vẫn có tầm quan trọng nhất định trong sản
xuất.

1.2.1.Cấu tạo của động cơ một chiều :
Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: phần tĩnh và phần

động.

1.2.1.1. Phần tĩnh :
Đây là phần đứng yên của máy, bao gồm các phần 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

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

6


Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC

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.

1.2.1.2. 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 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.

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

7

Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC

 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.

1.2.2.

Động cơ một chiều kích từ độc lập

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

8


Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC

1.2.2.1. Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.2 sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ độc lập
Ta có phương trình đặc tính cơ :
R +R
u
f
−
Ω=
2
KΦ ( KΦ )
UU

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.
Điện trở phần ứng.

1.2.2.2. Ảnh hưởng của điện trở phần ứng:
Giả thiết Uu = U dm =const
Φ= Φ dm =const
Khi ta đổi điện trở mạch phần ứng ta có tốc độ không tải lý tưởng :
= const

Độ cứng đặc tính cơ:

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

9


Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC

= var
Khi Rf càng lớn ,

càng nhỏ nghĩa là đặc tính càng dốc .ứng với R f =0 ta có

đặc tính cơ tự nhiên:
β tn = −

( KΦ )
Ru

β tn có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các đường
đặc tính có điện trở phụ .Như vậy khi thay đổi điện trở phụ R f ta được một họ đặc
tính biến trở như hình 1.4. ứng với một phụ tải M c nào đó, nếu R f càng lớn thì tốc
độ động cơ càng nhỏ, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng
giảm. cho nên người ta thường dùng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều
chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản.

Hình 1.3 các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện trở
phụ phần ứng

1.2.2.3. Ảnh hưởng của điện áp phần ứng
Giả thiết :

Φ = Φdm = const , Rư = const

Khi thay đổi điện áp phần ứng : UưU

x
Tốc độ không tải lý tưởng : ω 0 x = KΦ = Var
dm

( KΦ ) 2
Độ cứng đặc tính cơ : βox = R = Const
u

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

10


Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC

Như vậy khi ta thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc
tính cơ song song đặc tính cơ tự nhiên (hình 1.5). Ta thấy khi thay đổi điện áp (giảm
áp) thì mô men ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm ứng với phụ tải
nhất định. Do đó phương pháp này cũng có thể sử dụng để điều chỉnh tốc độ và hạn
chế dòng điện khởi động.

Hình 1.4: Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm áp đặt vào
phần ứng động cơ

1.2.2.4. Ảnh hưởng của từ thông
Giả thiết :

Uư = Uđm = const , Rư = const

Khi ta thay đổi từ thông tức là ta thay đổi dòng kích từ (Ikt) động cơ.
U

dm
Tốc độ không tải lý tưởng: ω 0 x = KΦ = var
x

Độ cứng đặc tính cơ:

β =−

( Kφ x ) 2
= var
Ru

Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi
từ thông giảm thì ω0 x tăng, còn β sẽ giảm. Ta có một họ đặc tính cơ với ω0 x tăng dần
và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông.

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

11


Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC

Hình1.5:Đặc tính cơ điện (a)và đặc tính cơ (b)khi thay đổi từ thông
Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông:
Dòng điện ngắn mạch: I nm =
Mô men ngắn mạch:

U dm
= Const
RU

Mnm = KΦxInm = var

Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông được biểu
diễn trên hình 1.5.
Với dạng mômen phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ thì khi
giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên (Hình 1.5 b)

1.3. Hệ truyền động chỉnh lưu động cơ một chiều :
1.3.1.Khái niệm chung.
 Là bộ chỉnh lưu nguồn xoay chiều với tải một chiều, nghĩa là đổi điện áp
xoay chiều của nguồn thành điện áp một chiều trên phụ tải.

Điện áp một chiều trên áp không được lý tưởng như điện áp của ắc quy
mà có chứa các thành phần xoay chiều cùng với một chiều.
 Đầu ra của các sơ đồ chỉnh lưu được coi là một chiều nhưng thực sự là điện
áp đập mạch. Trị số điện áp một chiều, hiệu suất của chúng ảnh hưởng do nguồn
xoay chiều rất khác nhau.
 Bộ biến đổi thyristor với chuyển mạch tự nhiên có điện áp ( dòng điện ) ra là
một chiều là các thiết bị biến nguồn điện xoay chiều 3 pha thành điện áp một
chiều điều khiển ngược.
 Hoạt động của mạch do nguồn điện xoay chiều quyết định vì nhờ đó mà có
thể thực hiện được các chuển mạch dòng điện giữa các phần tử lực.
Việc phân loại chỉnh lưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố :

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

12


Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC

 Theo số pha có : chỉnh lưu 1pha, chỉnh lưu 3pha
 Theo sơ đồ nối có : chỉnh lưu nửa chu kỳ, chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ, chỉnh
lưu cầu, chỉnh lưu hình tia, …
 Theo sự điều khiển có : chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu có điều
khiển, chỉnh lưu bán điều khiển, …

1.3.2.Xây dựng sơ đồ cấu trúc của hệ
1.3.2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh tự động truyền động điện:

Hình 1.6 : Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh tự động truyền động điện

Cấu trúc được trình của hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện ở
trên gồm: Động cơ 1 chiều M quay máy sản xuất và bộ biến đổi năng lượng
(được gọi là phần lực). Các thiết bị đo lường và các bộ điều chỉnh R ( được gọi
là phần điều khiển). Tín hiệu điều khiển hệ thống là các tín hiệu đặt .

Tín hiệu điều khiển được lấy ra từ bộ điều chỉnh R . Các bộ điều chỉnh R
nhận tín hiệu sai lệch về trạng thái làm việc của truyền động thông qua so sánh
giữa tín hiệu đặt và tín hiệu đo lường các đại lượng truyền động. Sự biến thiên
của các tín hiệu đặt gây ra các sai lệch không tránh được trong quá trình quá độ
và cũng có thể gây sai lệch trong chế độ xác lập. Trên cơ sở phân tích các sai
lệch điều chỉnh, ta có thể chọn được các bộ điều chỉnh, các mạch bù thích hợp
để nâng cao chính xác của hệ thống.

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

13

Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC

1.3.2.2.Sơ đồ cấu trúc của hệ thống:
Hệ truyền động điện sử dụng các mạch vòng dòng điện và tốc độ. FX là thiết bị
phát xung điều khiển bộ biến đổi BĐ. Phần tử phi tuyến HCD là phần tử hạn chế
dòng điện trong quá trình quá độ. Các sensor S i, S ω đóng vai trò các khâu phản hồi
dòng điện và tốc độ.

Hình 1.7 : sơ đồ cấu trúc hệ thống
1.3.3. Xác định cấu trúc và tham số bộ điều chỉnh dòng điện theo tiêu chuẩn
modul tối ưu:
Mạch vòng dòng điện là mạch vòng cơ bản của hệ thống,nó xác định mô men
kéo của động cơ và thực hiện các chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc…Ta thấy
hằng số thời gian cơ học Tc rất lớn so với hằng số thời gian điện từ của mạch phần
ứng Tư nên ta có thể coi sức điện động của động cơ không ảnh hưởng đến quá trình
điều chỉnh của mạch vòng dòng điện.
Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh dòng điện:

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

14


Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC

Hình 1.8 : sơ đồ khối mạch vòng dòng điện
Trong Ri là bộ điều chỉnh dòng điện, BBĐ là bộ biến đổi, S i là sensor dòng điện.
Tđk, Tvo Tư, Ti là các hằng số thời gian của mạch điều khiển chỉnh lưu, sự chuyển
mạch chỉnh lưu, phần ứng và sensor dòng.
Rư

- điện trở mạch phần ứng.

∂U d
∂α

- hệ số khuếch đại của chỉnh lưu.

Khi hằng số thời gian cơ học lớn hơn nhiều so với hằng số thời gian của mạch
phần ứng thì có thể bỏ qua mạch vòng sđđ ( ∆E=0).
Hàm truyền mạch vòng dòng điện:
S0i =
Trong đó:
Tđk , Tv0 , Ti << Tư
Đặt Ts=Tđk + Tv0 + Ti
Như vậy ta có:
S oi (p ) =

K CL .K i / R ­
(1 + pTs )(1 + pT­ )

Lúc này hàm truyền hệ thống có dạng:

Hàm truyền hệ kín:

Hình 1.9 : sơ đồ hàm truyền đạt
Ri ( p ) S 0i ( p )
F ( p) =
1 + Ri ( p ) S 0i ( p)

Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có F(p) = FMC(p)
Hàm chuẩn theo tiêu chuẩn modul tối ưu có dạng:

FMC ( p) =

1
1 + 2τ σ p + 2τ 2 σ p 2

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

15


Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC

Khi đó:



F ( p) =

Ri ( p) S 0i ( p )

= FMC ( p)
1 + Ri ( p ) S 0i ( p)

Ri ( p ) =

FMC ( p)
S 0i ( p)[1 − FMC ( p)]

Thay hàm truyền Soi(p) và FMC(p) vào ta có:
R i (p) =

1
S 0 i(p).2.τ σ p(1 + τ σ p)

=

(1 + T p)(1 + T p)
s
­
K .K
cl i .2.T .p.(1 + T . p )
σ
σ
R
­

Vì Ts là hằng số thời gian nhỏ nên ta chọn τσ = Ts, do đó ta có bộ điều chỉnh có
cấu trúc của bộ PI (tỷ lệ - Tích phân)
R i (p) =

1 + T­ p
K cl .K i
.2.T .p
s
R­

1.3.4.Xác định cấu trúc và tham số bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu
chuẩn modul đối xứng:
Hàm truyền hệ kín của mạch vòng dòng điện là:
Fi(p) =

=

Với :
Ri(p) =
W(p) =
Đặt Ts= Tvo + Tdk + Ti , sau khi thay và rút gọn ta được :
Fi(p) = =
Từ kết quả tổng hợp mạch vòng dòng điện ở phần trên bỏ qua ảnh hưởng của sức
điện động ta có sơ đồ khối mạch vòng bộ điều chỉnh tốc độ như sau:

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

16


Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC

Hình 1.10 : sơ đồ cấu trúc thu gọn
Hằng số thời gian cơ học:
Tc =

R ­ .J
( KΦ ) 2

=>

KΦ.

R­
1
=
J . p KΦ.Tc . p

Do thành phần 2.Ts2.p2 nhỏ nên ta có thể bỏ qua trong biểu thức hàm truyền mạch
vòng dòng điện. Khi đó ta có sơ đồ cấu trúc sau:

Hình 1.11 : Sơ đồ cấu trúc thu gọn

Trong đó S ω là khâu xensơ tốc độ có hàm truyền là khâu quán tính với hệ số hàm
truyền là K ω và hằng số thời gian lọc T ω
Khi mạch không có nhiễu loạn thì U ωđ ≠ 0 và Mc = 0
Khi đó hàm truyền đạt của đối tượng điều chỉnh là:
Soω ( p) =

R ­ .Kω

1

Ki .KΦ.T p(1 + p.T )(1 + 2. p.T )
c
ω
s
.

Vậy sơ đồ cấu trúc của mạch vòng tốc độ có dạng:

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

17


Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện
Uid

Đồ án môn : THHTĐC

Soω ( p)

-

I

U

Hàm truyền hệ kín:
F ( p) =

Rω ( p ) S 0ω ( p)

1 + Rω ( p) S 0ω ( p )

Hàm chuẩn theo tiêu chuẩn modul đối xứng có dạng:
FĐX(p) =

1 + 4.τ σ
1 + 4.τ σ p + 8.τ σ2 . p 2 + 8.τ σ3 . p 3

Áp dụng tiêu chuẩn modul đối xứng ta có:
F(p) = FĐX(p)

⇒

⇒

Rω ( p) S 0ω ( p)
=
F (p)
1 + Rω ( p ) S 0ω ( pĐX
)
Rω ( p) =

FĐX ( p)
S Oω ( p ).(1 − FĐC ( p))

Thay F(p) và FĐX(p) ở trên ta có
Rω ( p) = K i .Kφ .TC

R ­ .K ω

.

1
1
.(
1
+
)
4.Ts'
8.Ts' . p

'
Với Ts = Ts + 0,5Tω

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

18


Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC

CHƯƠNG II
THIẾT KẾ MẠCH LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
2.1. Thiết kế mạch lực hệ truyền động
2.1.1.Thiết bị mạch động lực :
Mạch động lực bao gồm các phần tử: sơ đồ chỉnh lưu, cuộn kháng, máy biến
áp động lực, các phần tử R-C. Theo đề ra thì động cơ là động cơ một chiều kích từ
độc lập có:

Công suất truyền động: 75 kw
Tốc độ cực đại và phạm vi điều chỉnh 1000 v/p.
Như vậy, việc thiết kế sơ đồ mạch động lực chỉ còn là lựa chọn các phần tử khác cho
phù hợp.

Hình 2.1 : Sơ đồ chỉnh lưu Tiristor hình cầu 3 pha

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

19


Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC

T1

T5

T3

θ

T6

T2

T4

T6

IG1
θ
θ
θ
θ
θ

IG2
IG3
IG4
IG5
IG6
α

1

α

2

α

3

α

4

α

5

α

6

α

1

Ud

θ

Hình 2.2: Sơ đồ (a), đồ thị (b) chỉnh lưu Tiristor hình cầu 3 pha

Khi phát xung mở van cho mạch hoạt động cũng phải đồng thời cho hai tiristor
cần dẫn. Trên đồ thị ở hình 1.2b thể hiện điều này ở chỗ mỗi tiristor được phát hai
xung: xung đầu tiên xác định góc α , xung thứ 2 đảm bảo thông mạch tải.
Ở đây vẫn phải đảm bảo góc điều khiển các van phải bằng nhau:
α 1 = α 2 = ... = α 6 = α . Theo đồ thị Ud ( θ ) ta thấy góc giới hạn θ th giữa dòng liên
tục và dòng gián đoạn bằng 600. Vậy:
Nếu α ≤ 60 0 ta sẽ có qui luật dễ nhớ là:

U dα = U d 0 cos α = 2,34U 2 cos α
Nếu α >600 thì dòng điện sẽ gián đoạn. Điện áp chỉnh lưu nhận được (xem đồ thị U d
với giai đoạn T1T6 dẫn khi Ud = Uab) là:

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

20


Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC

π

U dα

3
3 6 1 + cos(α + 60 0 )
=
2 3U 2 sin θdθ =
U2
π α +∫600
π
2

1 + cos(α + 60 0 )
= U d0
2

2.1.2.Tính chọn thiết bị mạch động lực :
2.1.2.1. Tính chọn động cơ
Động cơ được chọn là động cơ 1 chiều kích từ độc lập có:
Uđm =220 V, nđm =1500v/p, P =20kW

Các thông số cơ bản còn lại của động cơ

I udm =

P
20000
=
= 114( A)
ηU dm 0,8.220

U2a,U2b,U2c sức điện động thứ cấp máy biến áp nguồn
E : sức điện động của động cơ
R, L :điện trở, điện cảm trong mạch
R = 2.Rba + Ru + Rk + Rdt
L = 2.Lab + Lu + Lk
Trong đó :
Rba, Lba: điện trở, điện cảm của MBA qui đổi về thứ cấp.
Rk, Lk: điện trở và điện cảm cuộn kháng lọc
Rdt: điện trở mạch phần ứng động cơ được tính :

Ru = 0,5.(1 − η ).

U udm
(Ω) = 0.5(1-0.8). 220 = 0.193 ( Ω )
114
I udm

Lư : điện cảm mạch phần ứng động cơ được tính theo công thức:
Lu = γ .

U dm .60
220.60
= 0,25.
= 0,00154 (H)=1,54(mH)
2π . p.ndm .I dm
2π .2.1500.114

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

21


Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC

Trong đó :
Lấy γ = 0,25 là hệ số lấy cho động cơ điện một chiều có cuộn bù.
U dm (V )
I dm ( A)
ndm (vg / ph)
Kiểu Pdm (kW )
20

220

114

1500

2.1.2.2. Tính chọn công suất máy biến áp động lực
Biến áp động lực được đấu theo kiểu ∆ / Y . Điện áp lưới UL = 380 (V)
U1
380
=
Tỉ số biến áp: kBAN = U V0 = 389 1,69
3
3

Dòng điện hiệu dụng thứ cấp biến áp nguồn BAN

2
2
I 2 = .I d = .204 = 166,7 A
3
3
=> Dòng điện hiệu dụng cung cấp cho biến áp nguồn BAN

1

1

I1 = K
I2 =
1,69 166,7= 98,55(A)
BAN
Công suất định mức biến áp BAN:
SBAN = 1,05Ud0Iđm = 1,05.525.204 = 112,5kVA)
Dựa vào các số liệu đã tính được ở trên ta chọn máy biến áp có các số liệu sau:
UL

Ud0

SBAN

I1

I2

(V)

(V)

(KVA)

(A)

(A)

380

525

112,5

98,55

166,7

2.1.2.3. Tính chọn các thyristor trong mạch chỉnh lưu

Thông số của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha.
• Dòng trung bình qua mỗi thysistor:

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

22


Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC

1
1
IT = 3 Iđm = 3 .204= 68(A).
• Dòng cực đại qua mỗi thysistor:

1
1
ITM = 3 Idmax = 3 .408= 136(A).
• Điện áp ngược cực đại mà mỗi thysistor phải chịu:
Ungmax =

2 Uv0 = 2 .389 =550 (V).

• Chọn hệ số dự trữ điện áp và dòng điện các thysistor là:
Ku = 1,6 và Ki = 1,5
• Khi đó Thysistor phải chịu điện áp ngược cực đại :
1,6. 550 = 880 (V)
• Dòng trung bình khi dẫn = 1,5. 68 = 102 (A)

• Dòng cực đại khi dẫn = 1,5. 136 = 204(A)
2.1.2.4. Tính chọn các cuộn kháng cân bằng
Khi hệ thống làm việc sẽ có những thời điểm hai van của hai bộ biến đổi ở hai
pha cùng mở. Lúc đó dòng cân bằng sẽ chạy từ pha có điện áp tức thời lớn hơn sang
pha kia; dòng cân bằng này khiến cho bộ biến đổi phải làm việc nặng nề hơn và nó có
khả năng phá hỏng các tiristo nếu ta không tìm cách hạn chế. Vì vậy nhất thiết phải
đặt thêm cuộn kháng cân bằng.
2.1.2.5. Tính chọn thiết bị mạch lực
Ta biết rằng các tiristo là phần tử rất nhạy với sự biến thiên đột ngột của điện áp
hay dòng điện, đặc trưng cho những hiện tượng này là gia tốc dòng điện và điện áp
di/ dt và du/dt. Các nguyên nhân gây ra những hiện tượng này bao gồm:
 Quá gia tốc dòng, áp do quá trình chuyển mạch.
 Quá gia tốc dòng, áp do cộng hưởng.
 Quá gia tốc dòng, do cắt máy biến áp ở chế độ không tải hay tải nhỏ
Để bảo vệ an toàn cho các van trước những tác nhân nêu trên ta dùng các phần tử RC mắc song song với các tiristo như hình vẽ

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

23


Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC
R

Trị số của R, C có thể tra theo các đường

C

cong được xây dựng bằng máy tính.
T

các quan hệ Ua /Up;

G=

b
; H = ω 0 × Uk
ω0

phụ thuộc vào F =

I×
Uk

L
C vì b =

R
2 ×L

L : Là điện cảm quy đổi của toàn bộ mạch,tra đường cong ta được
C = 0,346 µF và R = 3,9 KΩ
2.1.2.6. Tính chọn điện trở hãmh
Muốn hãm động năng kích từ độc lập ta cắt phần ứng động cơ ra khỏi lưới
đồng thời đóng them điện trở hãm vào mạch phần ứng.
Tại thời điểm đóng cắt ban đầu do quán tính cơ nên tốc độ chưa kịp thay đổi nên
Ehbđ = KΦωbđ = Ed = −U dm

I hbđ =

− E hbđ
U dm
440
=
=
Ru + Rh Ru + Rh 0,18 + Rh

Về mặt kỹ thuật để đảm bảo an toàn cho động cơ thì chọn R nằm trong vùng cho
phép

I hbđ = 2 ÷ 2,5I đm

Chọn I hbđ = 2,2 I đm = 2,2.204 = 448,8( A) Rh =

440
− 0,18 = 0,8(Φ)
Ih

CHƯƠNG III
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.1. Thiết kế mạch phát xung điều khiển

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

24


Trường ĐHCN Hà Nội - Khoa Điện

Đồ án môn : THHTĐC

3.1.1.Lựa chọn phương pháp phát xung
Các hệ thống điều khiển đồng bộ hiện nay thường sử dụng ba phương pháp phát xung
chính là:
• Phát xung điều khiển theo pha đứng.
• Phát xung điều khiển theo pha ngang.
• Phát xung điều khiển sử dụng điốt hai cực gốc.
 Phương pháp phát xung điều khiển theo nguyên tắc pha đứng:
Hệ thống này tạo ra các xung điều khiển nhờ việc so sánh giữa tín hiệu điện áp tựa
hình răng cưa thay đổi theo chu kì điện áp lưới và có thời điểm suất hiện phù hợp
góc pha của lưới với điện áp điều khiển một chiều thay đổi được .
Hệ thống này có nhược điểm là khá phức tạp, song nó có những ưu điểm nổi bật
như: khoảng điều chỉnh góc mở α rộng, ít phụ thuộc vào sự thay đổi của điện áp
nguồn, dễ tự động hoá, mỗi chu kì của điện áp anốt của tiristo chỉ có một xung được
đưa đến mở nên giảm tổn thất trong mạch điều khiển...Do đó hệ thống này được sử
dung rộng rãi.
 Phương pháp phát xung điều khiển sử dụng điốt hai cực gốc (UJT).
Phương pháp này cũng tạo ra các xung nhờ việc so sánh giữa điện áp răng cưa
xuất hiện theo chu kì nguồn xoay chiều với điện áp mở của UJT. Phương pháp này
mặc dù đơn giản nhưng có nhược điểm là góc mở α có phạm vi điều chỉnh hẹp vì
ngưỡng mở của UJT phụ thuộc vào điện áp nguồn nuôi. Mặt khác, trong một chu kì
điện áp lưới mạch thường đưa ra nhiều xung điều khiển nên gây tổn thất phụ trong
mạch điều khiển.
 Phương pháp phát xung điều khiển theo pha ngang:
Ở phương pháp này người ta tạo ra điện áp điều khiển hình sin có tần số bằng tần
số nguồn và góc pha điều khiển được (dùng các cầu R-C hoặc cầu R-L). Thời điểm
suất hiện xung trùng với góc pha đầu của điện áp điều khiển. Phương pháp này có
nhược điểm là: khoảng điều chỉnh góc mở α hẹp, rất nhạy với sự thay đổi của dang

điện áp nguồn, khó tổng hợp nhiều tín hiệu điều khiển...do vậy thường ít được sử
dụng.
 Chọn phương pháp điều khiển:

SVTH: Lê Kim Tâm – Điện 4 – K4

25