Đang tải... (xem toàn văn)
Hệ truyền động xung áp một chiều. - Động cơ một chiều kích từ độc lập Π - 32 có số liệu sau: Pđm = 2.2Kw; Uưđm = 220V; - Iđm = 24A; nđm = 1500v/p; jĐC = 0,105kg.m2; Rư = 0,285(Ω); Lư = 0,0247(H); Ukt = 220V; Ikt = 0,3A - Mạch xung áp đảo chiều - Yêu cầu bài toán: Xây dựng hệ truyền động có tốc độ động cơ điều chỉnh từ 0v/p đến 1500v/p khi mang tải định mức PHẦN THUYẾT MINH 1. Khái quát chung về hệ truyền động xung áp động cơ một chiều 2. Tính chọn mạch lực và các thiết bị liên quan 3. Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển cho bộ xung áp 4. Phân tích hoạt động của mạch điều khiển 5. Phương pháp điều chỉnh và ổn định tốc độ cho hệ thống truyền động điện.
BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNGĐHCÔNGNGHIỆ PHÀNỘI NỘI DUNG - Động chiều kích từ độc lập Π - 32 có số liệu sau: Pđm= 2.2Kw; Uưđm= 220V;Iđm= 24A; nđm= 1500v/p; jĐC= 0,105kg.m2; Rư= 0,285(Ω); LΩ); L); Lư= 0,0247(Ω); LH); Ukt= 220V; Ikt=0,3A - Mạch xung áp đảochiều - Yêu cầu tốn: Xây dựng hệ truyền động có tốc độ động điều chỉnh từ 0v/p đến 1500v/p mang tải địnhmức PHẦN THUYẾT MINH Khái quát chung hệ truyền động xung áp động mộtchiều Tính chọn mạch lực thiết bị liênquan Thiết kế mô mạch điều khiển cho xungáp Phân tích hoạt động mạch điềukhiển Phương pháp điều chỉnh ổn định tốc độ cho hệ thống truyền độngđiện 10 I Khái quát chung về hệ truyền động xung áp một chiều Tổng quan động mợt chiều 1.1 Cấu tạo đặc tính động chiều Động chiều bao gồm phần phần cảm (Ω); L phần t ĩnh) phần ứng(Ω); Lphần quay) * Phần cảm (stator) Phần cảm gọi stator, gồm lõi thép làm thép đúc, vừa mạch từ vừalà vỏ máy vàcáccựctừchínhcódâyquấn kíchtừ(Ω); Lh ình1 ) ,dịng điện chạytrongdâyquấnkíchtừsao cho cựctừtạoracócựctính liên tiếp ln phiênnhau Cực từ gắn với vỏ máy nhờ bulơng Ngồi máy điện chiềucịn có nắp máy, cực từ phụ cấu chổithan Hình 1.1 Cực từ * Phầnứng(rotor) Rơto gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp trục máy Hình 1.2 Láthép rơto Hình 1.3 Dây quấn phần ứng máy điện chiều Lõithép phần ứng: Hìnhtrụ làmbằngcácláthépkĩthuậtđiện dày0,5mm, phủ sơn cách điện ghép lại Các thép dập lỗ thơng gió rãnh để đặt dây quấn phần ứng (Ω); Lhình1.2) Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trongcácrãnhcủaphầnứng tạothànhmộthoặcnhiềuvịng kín Phầntửcủadâyquấnlàmộtbối dâygồmmộthoặcnhiềuvịngdây,haiđầunốivớihaiphiếngóp củavành góp (Ω); Lhình 1.3a) hai cạnh tác dụng phần tử đặt hai rãnh haicực từ khác tên (Ω); Lhình 1.3b) Cổgóp(Ω); L vànhgóp) haycịngọilàvànhđổichiềugồmnhiều phiếnđồnghìnhđi nhạnđượcghép thànhmột khối hìnhtrụ, cách điệnvớinhauvàcáchđiện với trục máy.Các phận khác trục máy, quạt làm mátmáy… 1.2- Nguyên lý làm việc động điện chiều Trên hình 1.4 cho điện áp chiều U vào hai chổi điện A B, trongdây quấn phần ứng có dịng điện Các dẫn ab cd mang dòng điện nằmtrong từ trường chịu lực tác dụng tương hỗ lên tạo nên mômen tác dụnglên rôto, làm quay rôto Chiều lực tác dụng xác định theo quy tắc bàn tay trái(Ω); Lhình 1.4a) Hình 1.4 Mơ tả ngun lý làm việc động điện chiều Khiphầnứngquay đượcnửavòng,vịt r íthanhdẫn ab,cdđổi chỗ nhau(Ω); Lhình1.4b),nhờcóphiếngóp đổichiều dịng điện,nêndịng điệnmộtchiềubiếnđổithành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tácdụng khơng đổi,dođólực tácdụnglênrơto theomộtchiều định,đảmbảo động có chiều quay khơngđổi.Chếđộlàmviệcđịnh mứccủamáyđiệnnóichungvàcủađộngcơđiệnmộtchiềunói riêng chế độ làm việc điều kiện mà nhà chế tạo quyđịnh.Chếđộ đóđược đặctrưngbằng nhữngđạilượngghitrên nhãnmáy gọilànhữngđạilượngđ ị n h m ứ c 1.Công suất định mức Pđm(Ω); LkW hay W) 2.Điện áp định mức Uđm(Ω); LV) 3.Dòng điện định mức Iđm(Ω); LA) 4.Tốc độ định mứcnđm(Ω); Lvịng/ph) Ngồi cịn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dịng điện kích từ… Chúý:Cơngsuất địnhmức chỉcơngsuấtđưaracủa máyđiện.Đốivớimáy phát điện cơng suất đưa đầu cực máy phát, cịn động làcơngsuấtđưaratrênđầutrục độngcơ Tổng quan về bộ biến đổi xung áp 1.Cấutrúcvàphânloạibộbiếnđổixungá p * Bộbiếnđổixungápgiảmáp Sơ đồ nguyên lý Nguyên lý hoạt động : Phần tử điều chỉnh quy ước khóa S (Ω); L van bán dẫn điều khiển )Đặc điểm sơ đồ khóa S, cuộn cảm tải mắc nối tiếp Tải có tính chấtcảm kháng dung kháng Bộ lọc L & C Điôt mắc ngược với Ud để dịngtải ngắt khóa K.+ S đóng U đặt vào đầu lọc Nếu bỏ qua tổn thất cácvan phần tử Ud=U+ S mở hở mạch nguồn tải, có dịng id lượngtích lũy cuộn L cảm kháng tải, dịng khép kín qua D, Ud=0 Như vậy, Ud ≤ U Tương ứng ta có biến đổi hạ áp * Bộbiếnđổixungáptăngáp Đặc điểm: L nối tiếp với tải, khoá S mắc song song với tải Cuộn cảm L khơng tham gia vào q trình lọc gợn sóng mà có tụ C đóng vai trị này.+ S đóng, dịng điện từ +U qua L → S → -U Khi D tắt tụ có UC (Ω); Lđã tích điện trước đó).+ S ngắt, dòng điện chạy từ +U qua L → D → Tải Vì từ thơng L khơng giảm tức thời khơng L xuất suất điện động tự cảm có cực tính với U Do tổng điện áp: ud =U + eL Vậy ta có biến đổi tăng áp.Đặc tính biến đổi tiêu thụ lượng từ nguồn U chế độ liên tụcvà lượng truyền tải dạng xung nhọn * Bộbiếnđổixungáptăng-giảmáp Sơ đồ nguyên lý: Tải động mmột chiều thay mạch tương đương R-L-E L1 chỉđóng vai trị tích luỹ lượng C đóng vai trị lọc Ngun lý hoạt đợng : + S đóng, L1 có U, dịng chạy từ +U → S → L1 → -U Năng lượng tích luỹ cuộn cảm L1; đi-ơt D tắt; Ud =UC, tụ C phóng điện qua tải.+ S ngắt, cuộn cảm L1 sinh sức điện động ngược chiều với trường hợp đóng⇒D thơng⇒năng lượng từ trường nạp C, tụ C tích điện; ud ngược chiềuvới U.Vậy điện áp tải đảo dấu so với U Giá trị tuyệt đối |Ud| lớn hơnhay nhỏ U nguồn * Bộbămxungmộtchiềucóđảochiều Ở ta sử dụn van bán dẫn IGBT Bộ BXM dùng van điều khiển hoàn tồnIGBT có khả thực điều chỉnh điện áp đảo chiều dòng điện tải Trong hệ truyền động tự động có yêu cầu đảo chiều động đóbộ biến đổi thường hay dùng để cấp nguồn cho động chiều kích từ độc lập có nhu cầu đảo chiều quay.Các van IGBT làm nhiệm vụ khố khơng tiếp điểm Các Điơt Đ1,Đ2,Đ3,Đ4dùng để trả lượng phản kháng nguồn thực trình hãm tái sinh.Cócácphhươngpháp điều khiển khác như:Điềukhiểnđộclập,điềukhiểnkhơng đối xứng điều khiển đốixứng * Lựachọnbộbiếnđổi - Lựa chọn mạchlực Qua mạch phân tích ta thấy để phù hợp đảo chiều động cơ(Ω); Lmộtcáchchủđộng)tachọnbộbămxungmộtchiềucóđảochiều(Ω); Lc ầuBXDC),mạchnày chophép nănglượngđitheo2chiềuUd,Id cóthể đảochiềumộtcách độclập.Hơnnữamạchnàyrấtthơngdụng(Ω); LdùngtrongDC-DC,DC-ACconverter)dođó việc tìm mua phần tử dễ dànghơn -Lựa chọn van bán dẫnChọn van IGBT bởi: + IGBT phần tử kết hợp khả đóng cắt nhanh MOSFET khảnăng chịu tải lớn transistor thường, tần số băm điện áp cao làm cho động chạy êm + Công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ nên làm cho đơn giản đáng kể thiếtkế biến đổi làm cho kích thước hệ thống điều khiển nhỏ, nócũng làm tiết kiệm luợng (Ω); Lđiều khiển) + IGBT phần tử đóng cắt với dịng áp lớn, dần thay transistor B J T n ó n g y c n g t h ô n g d ụ n g h n d o đ ó v i ệ c m u a t h i ế t b ị c ũ ng đ n g i ả n hơn.Cùng với phát triển IGBT IC chuyên dụng điều khiển chúng(Ω); L IGBT Driver) ngày phát t r iển hoàn thiện việc điều khiển chuẩn xác việc thiết kế mạch điều khiển đơn giản, gọn nhẹ 1.1.3 Phânloại Có nhiều cách phân loại biến đổi xung áp môt chiều, tuỳ thuộc vào cách mắc khoá điện từ song song hay nối tiếp mà người ta chia biến đổi xung áp thành nối tiếp hay song song (Ω); Lhình 1.3 1.4) Cũng phân biệt biến đổi tuỳ thuộc vào điện áp ra, ví dụ biến đổi xung áp hình 1.4a biến đổi xung áp có điện áp nhỏ điện áp vào, cịn biến đổi xung áp hình 1.4b biến đổi xung áp có điện áp lớn điện ápvào Tuỳ thuộc vào dấu điện áp mà người ta chia ra: biến đổi xung áp không đảo chiều (Ω); Lhình 1.3 1.4) biến đổi xung áp có đảo chiều (Ω); Lhình 1.6) Trong giao thông, để cấp điện cho nhiều động dồn tàu người ta mắc song song nhiều phụ tải (Ω); Lhình 1.5b) biến đổi xung áp có nhiều mạch nhánh song song (Ω); Lhình 1.5b), trường hợp có biến đổi xung áp cong gọi biến đổi xung áp nhiều pha, so với biến đổi xung áp nêu hình (Ω); Lhình 1.3 1.4) II.Tính chọn mạch lực các thiết bị liên quan 2.1 Tính chọn động mộtchiều Để thiết kế hệ truyền động phù hợp với yêu cầu người ta đưa nhiều phương án khác nhau, sau so sánh phương án phương diện kinh tế kỹ thuật để chọn phương án tối ưu Đây động sử dụng lượng điện chiều.Gồm động điện chiều kích từ độc lập,kích từ nối tiếp kích từ hỗn hợp Với động chiều kích từ hỗn hợp lọai động có kết cấu phức tạp,giá thành cao nên ta loại bỏ khơng phù hợp tiêu kinh tế 2.1.1 Động chiều kích từ nốitiếp Ta thấy loại có cuộn kích từ nối tiếp với phần ứng động nên dịng kích từ dịng phần ứng động DovậykhiIưbiếnđổithìtừthơngɸcũngbiếnđổisẽgâyrahiệntượngt dư(Ω); Ltổnthấtphụ)lớn ɸdư = ɸđm /5 Mà động chiều kích từ nối tiếp có đặc tính dạng phi tuyến (Ω); Lhypecbol ), nên đặc tính mềm độ cứng lại thay đổi theo phụ tải Mặt khác, từ thông động phụ thuộc vào dòng phần ứng nên khả chịu tải động bị ảnh hưởng lớn điện áp lưới Điều gây khó khăn trình điều chỉnh ổn định tốc độ, q trình có hiệu tốc độ thấp hiệu không cao, tốc độ cao đạt điều khó khăn Do vậy, động không phù hợp với yêu cầu 2.1.2 Đợng chiều kích từ đợclập Domạchkíchtừnằmđộclậpvớimạchphầnứngnêntừthơngkíchtừɸ=constkhitảithayđổi Phương trình đặc tính cơ: w = U/(Ω); LK ɸ) – RI/(Ω); LK ɸ) = U/(Ω); LK ɸ) – RM(Ω); LK ɸ)2 Vìɸ=constnênquanhệw(Ω); LM)làquanhệđườngthẳng.Độcứngđặctínhcơ: β = - (Ω); LKɸ)2/R = const Đặc tính động chiều kích từ độc lập Nhận xét: Loại động cho phép tải lớn, dải điều chỉnh rộng dễ điều chỉnh Từ phương trình đặc tính cho thấy loại động điều chỉnh tốc độ tới cách điêù chỉnh Uư, Rf, ik Tính chọn van bán dẫn cơng suất -Tính chọn Điơt mạch van Qua phân tích mạch lực ta thấy+ Dịng điện trung bình chạy qua diode Với giá trị dịng định mức động Iđm = 6A Chọn chế độ làm mát van có cánh tỏa nhiệt với đủ điẹn tích bề mặtvà có quạt thơng gió, cho dòng điện làm việc cho phép chạy qua van tới 50% Iđm Lúc dịng chạy qua van cần chọn : Iđmv = Ki /Imax = 6/0.5 = 12(Ω); LA) Qua biểu đồ ta thấy : Điện áp ngược cực đại đặt van (Ω); L bỏ qua sụt áp van U = 400V Chọn hệ số điện áp Ku= 2.5Ungv= 2.5.400 = 1000(Ω); LV) Chọn diode loại CR20-100 có thơng số sau Ký hiệu 1N2445 Imax(Ω); LA) 20 Un(Ω); LV) 1000 Ỉ(Ω); LA) 20 Ith(Ω); LA) 10u Trong : Imax :dòng điện làm việc cực đại cho phép quavan Ungv : điện áp ngược cực đại cho phép đặt lên van Ipik : đỉnh xung dòngđiện ΔU(V)U :tổn hao điện áp trạng thái mở củaDiode Ith : dòng điện thử cựcđại Ir :dòng điện rò nhiệt độ 250 C Tcp : nhiệt độ cho phép làm việc -Tính chọn IGBTTính dịng trung bình chạy qua van: Tep 20 ΔU(V)U(Ω); LV) 1.1 Qua phân tích mạch lực ta thấy: Dịng điện trung bình chạy qua van lμ : IS =γ It Với giá trị dòng điện định mức động Itđm =6(Ω); LA) +Chọnchếđộlàmmátlàvancócánh toảnhiệtvớiđủdiện tíchbềmặtvàcóquạt thơng gió, dịng điện làm việc cho phép chạy qua vanlêntới 50 %Idm Lúc dịng điện qua van cần chọn : Iđmv = Ki / Imax =6/0.5=12(Ω); LA) Qua biểu đồ ta thấy :Điện áp ngược cực đại đặt lên van (Ω); Lbỏ qua sụt áp van ) Ungmax=E=400(Ω); LV) (Ω); LV).Từ tính tốn ta chọn van IGBT …có thông số sau Loại ỈG4PH30K Loại vỏ Ic max Vce Pdm Vce(Ω); Lsat) Uce(Ω); LuA) In.Diode TO247A 20 120 100W 250 NO Tính chọn Điôt mạch chỉnh lưu Tính chọn dựa vào yếu tố dịng tải ,điều kiện toả nhiệt ,điện áplàm việc, thông số van tính sau : +) Điện áp ngược lớn mà Diode phải chịu : Unmax=Knv.U2 =418,88 (Ω); LV) Điện áp ngược van cần chọn : Unv = KdtU Un max =2,5 418,88 = 1047,20 Trong :KdtU - hệ số dự trữ điện áp ,chọn KdtU =2,5 +) Dòng làm việc van tính theo dịng hiệu dụng :Ilv =3,46 (Ω); LA) (Ω); LDo sơ đồ cầu pha ,hệ số dòng hiệu dụng :Khd =0,57) Chọn điều kiện làm việc van có cánh toả nhiệt đầy đủ diện tích toả nhiệt ; Khơng có quạt đối lưu khơng khí ,với điều kiện dòng định mứccủa van cần chọn : Iđm =Ki Ilv =3,2 3,46 = 11,07 (Ω); LA) (Ω); LKi hệ số dự trữ dòng điện chọn Ki =3,2)từ thông số Unv ,Iđmv ta chọn Diode loại SKR20/12 nhà sản xuấtIR sản xuất có thơng số sau : Điện áp ngược cực đại van : Un = 1200 (Ω); LV) Dòng điện định mức van : Iđm =20 (Ω); LA) Dòng điện thử cực đại : Ith =60 (Ω); LA) Dòng điện rò : Ir =4 (Ω); LmA) Sụt áp lớn Diode trạng thái dẫn : ΔU(V)U = 1,55 (Ω); LV) Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép :Tmax=1800C III Thiết kế mô phỏng mạch điều khiển cho bộ xungáp 3.1.Sơ đồ cấu trúc mạch điềukhiển * Yêucầuchungcủamạchđiềukhiển Mạch điều khiển điều khiển băm xung áp chiều cần xây dựngtheo nguyên tắc yêu cầu sau: -Tạo xung mở IGBT có biên độ điện áp +15V, độ rộng theo yêucầu điều khiển -Tạo xung khóa IGBT có biên độ điện áp -5V, độ rộng theo yêucầu -Tạo kênh điều khiển nhóm van IGBT theo luật điều khiển đối xứng - Đảm bảo van đóng, mở an tồn tức nhóm van khóa chắnthì nhómvan cịnlạimớiđượcmở - Tầnsốlàmviệccủamạchđiềukhiểnlà2kHz Sơ đồ *Khâu tạo điện áp tam giác Đểmạch điềukhiểnhoạt độngtốt vớiluậtđiềukhiểnđốixứngtachọnphương pháp tạo điện áp tựa điện áp tam giác tích phân sóngvng Giải thíc ngun tắc hoạt động Khuếch thuậttốnU1 cóhồitiếpdương bằngđiệntrởR1,đầuracót r ị s ố đ i ệ n p b ã o hòa dấu p h ụ t h u ộ c h i ệ u đ iệná p h a icổn g (Ω); L + )và(Ω); L - ) Đầu vào (Ω); L+) có tín hiệu, tín hiệu khơng đổi lấy từ đầu U1, mộttín hiệu biến thiên lấy từ đầu khuếch thuật tốn U2 Điện áp chuẩn sosánhđểquyếtđịnhđổidấuđiệnápracủaU1làtrungtính vào(Ω); L - ).GiảsửđầuracủaU1âm,khuếch thuậttốnU2tích phânđảodấuchođiệnápcósườnđilêncủađiệnáptựa.Điệnápvàocủa (Ω); L + ) lấytừR1vàR2, haiđiệnáp trái dấu Điệná p đường nạp vào qua R2 c ủ a tụ,cịnđiệnápvàoquaR1khơng biến thiên đổi,tớikhinàoU(Ω); L + )= theo 0thì đầuracủaU1đổi dấu thành dương Chu kỳ điện áp U1 luân phiên đổi dấu vậycho ta điện áp tựa có dạng tam giác hình vẽ.Tần số điện áp tựa tính dựa vào công thứcsau F = 1/(Ω); L4.R3C1R1/R2) Dotầnsốlàmviệcyêucầucủamạchđ iềuk hiểnlà2kHznênt ầnsố xungtamgiáccũngphảilà2kHz.Điều đólàmnảysinhvấnđề làmviệccủa mạchtạo