Chương II: Lựa chọn phương án truyền động

Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ

iđk



tđ



T



t



tđ



T



t



tđ



T



t



tđ tx



T



t



tđ tx



i

Imax



T



t



Imin

UĐ

UN



iđk



i



UĐ

UN

E



Khi khoá S thông : UĐ = UN, i = iN

Khi khoá S ngắt : UĐ = 0, iN =0, i =iĐ0 do tác dụng của điện cảm L

Các giá trị trung bình của UĐ, I và sức điện động E sẽ đợc xác định nếu biết luật

đóng, ngắt khoá và thông số của mạch

Nếu đóng ngắt khoá với tần số không đổi thì hoạt động của mạch tơng tự nh

chỉnh lu một pha nửa chu kỳ

Đánh giá vềhệ truyền động xung áp động cơ một chiều :

u điểm : Hệ sử dụng các van điều khiển hoàn toàn, độ tác động nhanh, không

gây ồn, dễ tự đông hoá

Nhợc điểm : Dạng điện áp ra bị gián đoạn, gây nên tổn thất phụ trong máy điện,

hệ số công suất thấp

2. Hệ điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ :

Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi tần số nguồn cho phép

mở rộng phạm vi sử dụng động cơ không đồng bộ trong nhiều ngành công nghiệp.

Nó cho phép mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và nâng cao tính chất động học của hệ

Nguyễn Công Hoàng - TĐH - CH12

7



Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ

thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nay chung và động cơ không đồng bộ

nay riêng. Nó có thể ứng dụng cho thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc nh

truyền động của máy dệt, băng tải hoặc cho cả các thiết bị đơn lẻ nhất là những cơ

cấu có yêu cầu tốc độ cao nh máy li tâm, máy màiĐặc biệt là hệ điều chỉnh tốc độ

động cơ bằng cách biến đổi nguồn cung cấp sử dụng cho động cơ không đồng bộ rôto

lồng sóc sẽ có kết cấu đơn giản vững chắc, giá thành hạ và có thể làm việc trong

nhiều môi trờng.

Nguyên lý điều chỉnh :

Theo lý thuyết máy điện, 1 =



2 1

f

p



thay đổi tần số sẽ làm cho tốc độ từ trờng



quay thay đổi, do đó dẫn đến tốc độ động cơ thay đổi. Dạng đặc tính động cơ khi

thay đổi tần số :





f>fđm



f=fđm

f
M

Khi tần số tăng (f>fđm) thì mômen tới hạn giảm ( điện áp giữ không đổi)

Mth



1

f



2



1



Khi tần số giảm : nếu giữ nguyên điện áp thì dòng điện động cơ tăng gây

ảnh hởng xấu đến các chỉ tiêu động cơ. Vì vậy, để đảm bảo một chỉ tiêu mà

không làm động cơ bị quá dòng, cần phải điều chỉnh cả điện áp động cơ, cụ

thể là giảm điện áp cùng với việc giảm tần số theo quy luật nhất định

Biến tần có hai loại là biến tần nguồn áp và biến tần nguồn dòng. Nhng ở đây, ta sử

dụng cho hệ truyền động là biến tần nguồn áp. Sở dĩ chọn nh vậy vì :

Biến tần nguồn dòng chỉ thích hợp cho động cơ có công suất lớn, với việc sử

dụng các khoá là thyistor nên mạch điều rất phức tạp. Hơn nữa, khó điều

khiển đồng thời cả tần số và điện áp

Biến tần nguồn áp rất thích hợp cho động cơ có công suất vừa và nhỏ. Sử

dụng các van điều khiển hoàn toàn nên việc điều khiển đóng ngắt các van dễ

Nguyễn Công Hoàng - TĐH - CH12



8



Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ

dàng hơn. Đặc biệt, là có thể điều chỉnh cả tần số và điện áp bằng phơng

pháp điều chế độ rộng xung ( PWM)

Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần nguồn áp :



D1



D3



D5



S1



S3



S5



D4



D6



D2



S4



S6



S2



C



Nguyên lý hoạt động :

Các khoá nghịch lu đợc đóng cắt theo thứ tự nhất định tạo thành điện áp xoay

chiều ba pha đặt lên động cơ chấp hành, góc dẫn của các khoá là 180, thời điểm các

khoá S1, S3, S5và S2, S4, S6 bắt đầu dẫn lệch nhau 120, do đó điện áp ra của nghịch lu

cũng lệch nhau về thời gian là 120.

Các khoá S là khoá bán dẫn, ở các truyền động công suất nhỏ thờng dùng các

transistor, ở các truyền động công suất lớn thờng dùng các van thyristor, GTO.

Đặc điểm của biến tần nguồn áp :

Điện áp ra trên tải đợc định hình sẵn. Việc điều chỉnh tần số điện áp ra trên tải đợc thực hiện dễ dàng bằng điều khiển quy luật mở van của phần nghịch lu. Phơng

pháp này thay đổi tần số dễ dàng mà không phụ thuộc vào lới, độ đáp ứng quá độ

nhanh. Tuy nhiên độ tin cậy không cao bằng biến tần nguồn dòng.

3. So sánh giữa hai phơng án truyền động :

a) Về tính đơn giản trong điều chỉnh :

Về mặt này phơng án băm xung áp chiếm u thế hơn. Với phơng án điều chỉnh tần

số ta còn phải kết hợp với điều chỉnh điện áp theo một quy luật nhất định, điều này

làm phức tạp lên rất nhiều so với phơng án xung áp một chiều.

b) Về hiệu suất điều chỉnh , dải điều chỉnh :

Trong phơng án băm xung áp, điện áp ra bị đập mạch, gay tổn thất phụ trong máy

điện, dẫn đến hệ số công suất thấp. Trong phơng án biến tần có khả năng giữ cho tổn

thất công suất là hằng nên nay chung, tổn thất thấp nhất trong các phơng án truyền

động.

Cả hai phơng án đều cho đợc mômen khởi động lớn, tuy nhiên, phong án biến tần

có dải điều chỉnh rộng hơn nhiều so với phơng án băm xung áp.

c) Về tính kinh tế của phơng án truyền động :

Nguyễn Công Hoàng - TĐH - CH12



9



Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ

Phơng án truyền động dùng bộ biến tần thực tế là phơng án truyền động kinh tế.

Mặc dù giá thành các bộ biến tần có đắt hơn nhng bù lại động cơ là rôto lồng sóc có

kết cấu đơn giản vận hành tin cậy, giá thành hạ.

d) Về tính kinh tế của phơng án truyền động :

Do khả năng điều chỉnh tần số đa đến khả năng có mọi đặc tính cơ mong muốn

nên thực tế phơng án điều chỉnh tần số có thể áp dụng cho mọi yêu cầu truyền dộng.

Phơng án dùng biến tần cho phép vận hành tin cậy. Hơn nữa giá thành của các bộ

biến tần nay đã rẻ đi rất nhiều, cho hiệu suất điều chỉnh cao.

Kết luận :

Từ những phân tích trên ta quyết định chọn phơng án truyền động dùng các bộ

biến tần sử dụng động cơ rôto lồng sóc. Cụ thể ở đây, ta chọn biến tần nguồn áp.

Sơ đồ mạch lực :



T1



D1



T3



D3



T5



D5



T4



EN



D4



T6



D6



T2



D2



A



Nguyễn Công Hoàng - TĐH - CH12



B



C



10



Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ

chơng III : tính chọn công suất cho động cơ

và mạch lực

1. Tính chọn công suất động cơ :

Khi ôtô khởi động, lực cản tác dụng lên ôtô là lớn nhất, bao gồm :

Lực cản lăn :

F1 = .G

trong đó : - hệ số cản lăn, lấy = 0,02

G - tổng trọng lợng xe

Thay số : F1 = 0,02(4.103 + 3.103).9,81

= 1373,4(N)

Lực ma sát lăn ổ trục :

F2 = à. G

trong đó : à - hệ số ma sát lăn ổ trục, lấy à = 0,005

G - tổng trọng lợng xe

Thay số : F2 = 0,005(4.103 + 3.103).9,81

= 343,35(N)

Lực kéo tiếp tuyến cần thiết để thắng lực cản là :

Fk = F1 + F2 = 1373,4 + 343,35 = 1716,75 (N)

Từ đó ta tính đợc công suất động cơ yêu cầu :

P=



( F1 + F 2)v max



t



=



1716,75.16.67

= 33,67( kW )

0,85



Chọn hệ số dự trữ : kdt = 1,1

Công suất động cơ :

Pđộng cơ = 1,1.P = 1,1.33,67 = 37,04 (kW)

Xác định tốc độ cực đại của động cơ :

n dc



Tỷ số truyền : it = n

b

Tốc độ cực đại :

nmax = it.nbmax

= 9,55.

=



v max

.it

rb



9,55.1,2.



16,67

0,3



= 636,79 (vòng/phút)

Nh vậy ta cần chọn động cơ thoả mãn :

Pđm Pđc = 37,04 (kW)

nđm nmax = 636,79(vòng/phút)

Nguyễn Công Hoàng - TĐH - CH12



11



Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ

Tra trong tài liệu tham khảo, ta chọn động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc kiểu

MTKB với các thông số kỹ thuật nh sau :

Kiểu động cơ : MTKB 512-8

Công suất định mức : Pđm = 37(kW)

Tốc độ định nức : nđm = 705(vòng/phút)

Tỷ số : Mth/Mđm = 3,6 , Mkđ/Mđm = 3,3

Hệ số công suất định mức : cos = 0,72

Dòng stato định mức : Ist.đm = 91(A)

Đòng stato không tải : Ist.o = 55(A)

Điện trở stato : rst = 0,08 ()

Điện kháng stato : xst = 0,17 ()

Dòng rôto định mức quy đổi : Irđm = 63(A)

Điện trở rôto quy đổi : rf.r = 0,19 ()

Điện kháng rôto quy đổi : xf.r = 0,16 ()

Mômen quán tính của rôto : J = 1,32 (kg.m2)

Khối lợng của động cơ : Q = 470 (kg)

Xác định các thông số còn lại của động cơ :

Sơ đồ mạch điện thay thế của động cơ không đồng bộ :



X1



X'2



R1



I1



R'1/s

-I'2



I0



Xm



Các thông số đã biết :

R1 = 0,08()

X1 = 0,17()

R2 = 0,19()

X2 = 0,16()

Số đôi cực của động cơ : p = 4

Tần số làm việc 50Hz, tốc độ quay từ trờng :

n1 =



60 f 1

60.50

=

= 750

p

4



(vòng/phút)



Nguyễn Công Hoàng - TĐH - CH12



12



Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ

Hệ số trợt định mức : sđm =

Điện kháng của mạch từ :

Xà = E fr =



I '2 (



I0



1 dm 750 705

=

= 0,06

1

750



0,19 2

R' 2 2

63. (

) + 0,16 2

) + ( X '2 ) 2

0,06

s

=

= 3,63()

I0

55



Tổng trở một pha của động cơ :

R'2

(

+ jX ' 2 ) jXà

s

+ R1 + jX 1

Zf =

R'2

+ jX ' 2 + jXà

s

0,19

+ j 0,16) j 3,63

0,06

+ 0,08 + j 0,17

0,19

+ j 0,16 + j 3,63

0,06

(



=



= 2,3347,56 = 1,71 + j1,58 = R + jX

R = 1,71 (), X = 1,58()

2. Tính chọn mạnh lực :

Sơ đồ mạch lực :



T1



D1



T3



D3



T5



D5



T4



EN



D4



T6



D6



T2



D2



A



B



C



Mạch lực dùng kiểu điều khiển cho góc dẫn của van = 180, tải là động cơ đấu

sao.

Các van lần lợt mở theo thứ tự từ T1 T6 với góc lệch giữa 2 van một góc 60

Đồ thị dòng, áp đầu ra nghịch lu :



Nguyễn Công Hoàng - TĐH - CH12



13



Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ



T1

60



120



180 240



300



360



T2



T3



T4



T5



T6



Ua



ia





1



it



id



Nguyễn Công Hoàng - TĐH - CH12



14



Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ

Động cơ làm việc ở chế độ định mức nên : Upha = U đm = 220(V)

Suy ra :

uA(t) = 2 Uf.sin(t) (V)

uB(t) = 2 Uf.sin(t-120) (V)

uC(t) = 2 Uf.sin(t+120) (V)

Dòng điện pha :

iA(t) =



2Uf

Z



sin(t-)



với : = arctg



X

R



1,58



= arctg 1,71 = 47,48



Dòng hiệu dụng qua van T1 :

IT1 =



1 180 2

i A d =

2 47 , 48



1 180

133,53 2 sin 2 ( 47,48)d

247 , 48



= 62,63(A)

Dòng hiệu dụng qua điốt :

IĐ =



1 +1 2

i A d =

22 / 3



1 +1

133,53 2 sin 2 ( 47,48) d

22 / 3



= 56,58(A)

Chọn điốt :

Dòng điện hiệu dụng qua điốt : IĐ = 56,58(A)

Điện áp ngợc đặt lên điốt : Ung = UN = 600(V)

Chọn hệ số dự trữ điện áp là 1,6 :

Ungv = 1,6.600 = 960(V)

Chọn hệ số dự trữ dòng là 2 : Ilv = 2.56,58 = 113,16(A)

Từ đó chọn điốt loại S42110 với các thông số :

Imax = 125(A)

Un = 1100(V)

Ipik = 1800(A)

U = 1,2 (V)

Ith = 200(A), tcp = 150C

Chọn van điều khiển :

Dòng điện hiệu dụng qua van : IT = 62,63(A)

Điện áp ngợc cực đại đặt lên van : Ung = UN = 600(A)

Từ đó, ta chọn van điều khiển là IGBT loại IXSH40N60 với các thông số :

Nhà sản xuất : IXSY

Loại vỏ : TO3(B)

Ic max = 75(A)

Vces = 600(V)

Pd(max) = 500(W)

3. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực :

a. Tính toán cánh tản nhiệt :

Nguyễn Công Hoàng - TĐH - CH12



15



Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ

Tổn thất công suất trên một van điều khiển :

p = U.Ilv = 2,5.62,34 = 155,85 (W)

Diện tích bề mặt toả nhiệt :

Sm = p/km.

trong đó : p tổn hao cống suất

- độ chênh lệch so với môi trờng

Chọn Tmt = 40C. Chọn nhiệt dộ trên cánh tản nhiệt : Tlv = 100C

= Tlv Tmt = 60C

km hệ số toả nhiệt bằng đối lu và bức xạ, k=8[W/m2. C]

Sm =



155,85

= 0,32( m 2 )

8.60



Chọn loại cánh tản nhiệt có 16 cánh kích thớc mỗi cánh : axb = 10x10(cmxcm)

b. Bảo vệ quá điện áp cho van :

Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt van đợc thực hiện bằng cách mắc R-C

song song với van. Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn

phóng ra ngoài tạo dòng điện ngợc trong khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh

chóng của dòng điện ngợc gây ra sddd cảm ứng rất lớn trong điện cảm làm quá áp

cho van.

Khi có mạch RC mắc với van tạo ra mạch vòng dòng điện tích trong quá trình

chuyển mạch nên van không bị quá áp.

Ngời ta thờng chọn :

R = 10 ữ 1000()

C = 0,01 ữ 1(àF)

Chọn R = 500(), và C = 20(àF)

c. Bảo vệ quá dòng :

Chọn thiết bị bảo vệ dòng cho van là cầu chì tác động nhanh.

Dòng định mức của dây chảy cầu chì :

Idc = 1,1.Ivan = 1,1.62,34 = 68,57(A)

Chọn cầu chì có : Idcdm = 80(A)

4. Sơ đồ mạch điều khiển :

Điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng phơng pháp biến tần thì ta phải kết hợp

thay đổi điện áp đặt vào stato của động cơ. ở đây, để điều chỉnh điện áp ta dùng phơng pháp điều chế độ rộng xung(PWM). Đây là phơng pháp tiên tiến, hiệu quả nhất vì

:

- Vừa điều chỉnh đợc điện áp ra, vừa điều chỉnh đợc tần số.

- Điện áp ra gần với hình sin.

- Có thể dùng chỉnh lu không điều khiển ở đầu vào nghịch lu để làm tăng hiệu quả

sơ đồ.

Nội dung của phơng pháp điều chế độ rộng xung là so sánh một sóng sin chuẩn, có

tần số bằng tần số của điện áp ra mong muốn, với một điện áp răng ca tần số cao, cỡ

2-10kHz.

Nguyễn Công Hoàng - TĐH - CH12



16



Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ

Phơng pháp điều chế độ rông xung có hai dạng :

- Biến điệu bề rộng xung một cực tính

- Biến điệu bề rộng xung hai cực tính

ở đây, ta dùng phơng pháp biến điệu bề rộng xung hai cực tính, nhằm khắc phục

đợc sự gián đoạn của dòng điện.

Đối với hai van trên cùng một nhánh cầu tín hiệu điều khiển giữa các lần khoá một

van trên, mở một van dới và ngợc lại phải có một thời gian trễ tối thiểu nhằm đảm bảo

van đã khoá lại chắc chắn trớc khi van kia mở ra.

Điện áp ra sẽ gồm dãy xung có độ rộng xung thay đổi với chu kỳ lặp lại bằng chu

kỳ của sóng răng ca.

Hệ số biến điệu : =



Ucm

Urm



,01



Ucm : biên độ sóng sin chủ đạo

Urm : biên độ sóng răng ca

Khi = 0, Ura = 0 ; khi =1, Ura = Uramax

Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống điều khiển biến điệu độ rộng xung ba pha :

V1







V4



V3







V6







Tạo

răng

cua











Phát sinA

sinB

sin

chuẩn sinC



V5







V2



Tính chọn các phần tử mạch điều khiển :

a_Khâu tạo xung răng ca :

Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung tam giác :



Nguyễn Công Hoàng - TĐH - CH12



17