Đề bài: Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc đối xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu) với số liệu cho trước: Sinh viªn thùc hiÖn: NguyÔn §øc HuyÒn Nhãm ®å ¸n §TCS 5 – Líp T§H2 K48 Ph¬ng ¸n 4. Phương án Điện áp lưới (VAC) Dòng điện định mức Điện áp phần ứng Phạm vi điều chỉnh tốc độ 1 110 20 120 10:1 2 220 8 220 15:1 3 380 15 100 20:1 4 127 V 6 A 400 V 25:1 5 300 10 600 15:1 Mục lục Đề bài 1 Lời nói đầu 2 Chơng I Giới thiệu về động cơ điện một chiều I.1 Đặt vấn đề I.2 Tổng quan về động cơ điện một chiều. I.2.1 Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều I.2.2 Động cơ điện kích thích độc lập I.3 Các vấn đề khác khi điều khiển động cơ điện một chiều. I.3.1 Các góc phần t làm việc I.3.2 Các chế độ làm việc của ĐCĐ 1 chiều kích từ độc lập I.3.3 Vấn dề phụ tải I.4 Các phơng án tổng thể 4 Chơng II Mạch băm xung II.1 Gii thiu v bm xung mt chiu (BXDC) II.1.1 Phơng pháp thay đổi độ rộng xung II.1.2 Phơng pháp thay đổi tần số xung II.1.3 Nhn xét II.2 Các s bm xung II.2.1 S gim áp (Step-down (Buck)) II.2.2 Biến đổi tăng áp (step-up (boost)) II.2.3 S bm o cc (Step-down/up (buck-boost)) II.2.4 B o dòng II.2.5 B o áp II.2.6 B Chopper lp E 1. S nguyên lý 2. Các phng pháp iu khin II.3 Kt lun II.3.1 Chn mch lc II.3.2 Chn phng pháp iu khin II.3.3 Chn van bán dn 18 Chơng III Thiết kế mạch lực III.1. Tính toán chn van III.1.1 Chn Diode cụng sut III.1.2 Chn các van bán dn 42 2 Chơng IV Thiết kế mạch điều khiển IV.1. Yêu cầu chung của mạch điều khiển IV.2. Nguyên lý của mạch điều khiển 54 Lời nói đầu ng dng in t cụng sut trong truyn ng in iu khin tc ng c in l lnh vc quan trng v ngy cng phỏt trin. Cỏc nh sn xut khụng ngng cho ra i cỏc sn phm v cụng ngh mi v cỏc phn t bỏn dn cụng sut v cỏc thit b iu khin i kốm. Do ú khi thc hin ỏn chỳng em ó c gng cp nht nhng kin thc mi nht, nhng cụng ngh mi trong lnh vc iu khin cỏc phn t bỏn dn cụng sut. Vi yờu cu thit k mch bm xung mt chiu iu khin ng c in mt chiu kớch t c lp cú yờu cu o chiu quay theo nguyờn tc i xng , chỳng em ó c gng tỡm hiu k v cỏc phng ỏn cụng ngh sao cho bn thit k va m bo yờu cu k thut, yờu cu kinh t . Vi hy vng ỏn in t cụng sut ny l mt bn thit k k thut cú th ỏp dng c trong thc t nờn chỳng em ó c gng mụ t c th, t m v tớnh toỏn c th cỏc thụng s ca cỏc s mch. Mc dự chỳng em ó rt n lc v c gng lm vic vi tinh thn hc hi v quyt tõm cao nht tuy nhiờn õy l ln u tiờn chỳng em lm ỏn, v c bit do trỡnh hiu bit ca chỳng em cũn nhiu hn ch nờn chỳng em khụng th trỏnh khi nhng sai sút, chỳng em mong nhn c s phờ bỡnh gúp ý ca cỏc thy giỳp chỳng em hiu rừ hn cỏc vn trong ỏn cng nh nhng ng dng thc t ca nú bn ỏn ca chỳng em c hon thin hn .V chỳng em hi vng trong mt tng lai khụng xa, chỳng em cú th ỏp dng nhng kin thc v hiu bit thu c t chớnh ỏn u tiờn trong cuc i sinh viờn ca chỳng em vo thc t cng nh s phỏt trin hn nú trong cỏc ỏn sau ny. Trong quỏ trỡnh lm ỏn chỳng em ó nhn c s giỳp v ch bo rt tn tỡnh ca thy giỏo Dơng Văn Nghi .Chỳng em xin chõn thnh cm n thy v hi vng thy s giỳp chỳng em nhiu hn na trong vic hc tp ca chỳng em sau ny. Nhúm sinh viờn thc hin. 3 Chơng I Giới thiệu về động cơ điện một chiều I.1 Đặt vấn đề Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp cả về chiều rộng lẫn chiều sâu,điện và các máy điện đóng một vai trò rất quan trọng , không thể thiếu đợc trong phần lớn các ngành công nghiệp và đời sống sinh hoạt của con ngời. Nó luôn đi trớc một bớc làm tiền đề nhng cũng là mũi nhọn quyết định sự thành công của cả một hệ thống sản xuất công nghiệp. Không một quốc gia nào, một nền sản xuất nào không sử dụng điện và máy điện. Do tính u việt của hệ thống điện xoay chiều: dễ sản xuất, dễ truyền tải , cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng đợc sử dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định nh trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (nh trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ). Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn nhng do những u điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại. Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song u điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu nh bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng đợc hoặc nếu đáp ứng đợc thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (nh bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lợng cao. Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ khoảng 75% ữ 85%, ở động cơ điện công suất trung bình và lớn khoảng 85% ữ 94% .Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 100000kw điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000v. Hớng phát triển là cải tiến tính nâng vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những máy công suất lớn hơn đó là cả một vấn đề rộng lớn và phức tạp vì vậy với vốn kiến thức còn hạn hẹp của mình trong phạm vi đề tài này em không thể đề cập nhiều vấn đề lớn mà chỉ đề cập tới vấn đề thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ có đảo chiều của động cơ một chiều 4 kích từ độc lập theo nguyên tắc đối xứng . Đây là một trong những phơng pháp đợc dùng phổ biến nhất hiện nay để điều chỉnh động cơ điện một chiều kích từ độc lập với yêu cầu đảo chiều quay động cơ theo phơng pháp đối xứng .Đây là một phơng pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao và đợc sử dụng rộng rãi bởi những tính năng và đặc điểm nổi bật của nó mà chúng em sẽ phân tích và đề cập sau này. I.2 Tổng quan về động cơ điện một chiều. I.2.1) Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng nh máy phát điện một chiều ngời ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ. Theo đó ứng với mỗi cách ta có các loại động cơ điện loại: - Kích thích độc lập: khi nguồn một chiều có công suất ko đủ lớn, mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên :I = I. - Kích thích song song: khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp ko đổi, mạch kích từ đợc mắc song song với mạch phần ứng nên I = I u +I t - Kích thích nối tiếp: cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng nên ta có I = I =I t . - Kích thích hỗn hợp ta có: I = I u +I t Với mỗi loại động cơ trên thì sẽ tơng ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều khiển và ứng dụng là tơng đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố.Trong đề tài này ta chỉ xét đên động cơ điện một chiều kích từ độc lập và biện pháp hữu hiệu nhất để điều khiển loại động cơ này. I.2.2 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập +Phơng trình đặc tính cơ: là phơng trình biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ (n) và mômen (M) của động cơ có dạng chung M K RR K U fu u . )( 2 + = Thông qua phơng trình này, ta có thể thấy đợc sự phụ thuộc của tốc độ động cơ vào mômen động cơ và các thông số khác (mômen, từ thông ), từ đó đa ra phơng án để điều chỉnh động cơ (tốc độ) với phơng án tối u nhất. Với những điều kiện U = const, I t = const thì từ thông của động cơ hầu nh không đổi, vì vậy quan hệ trên là tuyến tính và đờng đặc tính cơ của động cơ là đờng thẳng. Thờng dạng của đặc tính là đờng thẳng mà giao điểm với trục tung ứng với mômen ngắn mạch còn giao điểm với trục tung ứng với tốc độ không tải của động cơ Ngời ta đa thêm đại lợng = M để đánh giá độ cứng. Đặc tính càng dốc càng cứng ( càng lớn) tức là mômen biến đổi nhiều nhng tốc độ biến đổi ít và ngợc lại. Đặc tính càng ít dốc càng mềm tức là mômen biến đổi ít nhng tốc độ biến đổi nhiều thay đổi. 5 Để hiểu đợc nguyên lý và lựa chọn phơng pháp điều chỉnh tối u, trớc hết ta đi xét đặc tính của động cơ điện. Đó là quan hệ giữa tốc độ quay với mômen (hoặc dòng điện) của động cơ. +Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ: nếu động cơ vận hành ở chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông định mức và không nối thêm các điện kháng, điện trở vào động cơ). Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có các điểm làm việc định mức có giá trị M đm , đm . +Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số nguồn hoạc nối thêm các đIện trở, điện kháng. Để so sánh các đặc tính cơ với nhau, ngời ta đa ra khái niệm độ cứng của đặc tính cơ: =/ (tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc). a) Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Sơ đồ kích từ độc lập đợc thể hiện nh dới đây: Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau: gọi là động cơ điện kích từ độc lập. Phơng trình đặc tính cơ xuất phát: ufuuu IRREU )( ++= 6 o M Mnm Mt t 0 +U: điện áp phần ứng. +E: sức điện động phần ứng. +R: điện trở mạch phần ứng : R=r +r cf +r b +r ct +r: điện trở cuộn dây phần ứng. +r cf : điện trở cuộn cực từ phụ. +r i : điện trở cuộn bù. +r ct : điện trở tiếp xúc của chổi điện. +R f : điện trở phụ trong mạch phần ứng. +I: dòng điện mạch phần ứng. +E đợc xác định theo biểu thức sau: = a pN Eu 2 + p: số đôi cực từ chính. + N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng. + A: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng. + : từ thông kích từ dới một cực từ. +: tốc độ góc. a pN K 2 = Trong đó K là hệ số cấu tạo của động cơ. nKE eu = 55,9/60/2 nn == Vì vậy n a pN E u = 60 K K K e 105,0 55,9 == Suy ra u fu u I K RR K U + = Biểu thức (*) là phơng trình đặc tính cơ điện của động cơ. Mặt khác mômen điện từ của động cơ đợc xác định udt IKM = Suy ra = KMI dtu / Thay vào (*) ta đợc dt fu u M K RR K U 2 )( + = 7 Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mômen điện từ bằng M. Ta có M K RR K U fu u 2 )( + = Đây là phơng trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Đồ thị hình vẽ: Nhận xét : + I=0 hoặc M=O ta có 0 = + = fu u RR U Đây là tốc độ không tải lý tởng của động cơ + = 0 thì fu u RR U I + = : Dòng điện ngắn mạch. nmnm MIKM == : Mômen ngắn mạch. = = 0 K RI K U u 8 o M Mnm Mt t 0 = + = 0 2 )( M K RR K U fu u M K R I K R K U RRR u u fu 2 0 )( = = = += Từ đó có thể tốc độ đông cơ điện một chiều phụ thuộc vào các đại lợng là: U, R, I. Nh vậy thông qua các đại lợng biến thiên này mà ta có thể điều khiển đợc tốc độ động cơ điện một chiều. b) Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều là một trong các nội dung chính của truyền động điện nhằm đáp ứng các yêu cầu công nghệ nào đó của các máy sản xuất.Điều chỉnh tốc độ là dùng phơng pháp thuần tuý điện tác động lên bản thân hệ thống truyền động điện để thay đổi tốc độ quay của động cơ điện. Tốc độ quay của động cơ điện thờng bị thay đổi do sự biến thiên của tải ,của nguồn hay chế độ làm việc nh mở máy ,hãm máy và do đó gây ra các sai số so với tốc độ ,kĩ thuật mong muốn Trong các hệ thống truyền động điện thờng căn cứ vào một số chỉ tiêu kinh tế ,kĩ thuật cơ bản ,các chỉ tiêu này đợc tính khi thiết kế và điều chỉnh động cơ điện Trong thực tế có 3 phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều + Điều chỉnh điện áp cho phần ứng động cơ. + Điều chỉnh bằng cách thay đổi từ thông phần ứng hay thay đổi điện áp phần ứng cấp cho mạch kích từ. + Điều chỉnh bằng thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng. b.1) Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng Chỉ áp dụng đợc với động cơ điện một chiều kích thích độc lập hoặc song làm việc ở chế độ kích thích độc lâp. Loại này cần có thiết bị nguồn nh: máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lu điều khiển có chức năng biến năng lợng điện xoay chiều thành một chiều có sđđ E b điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk. 9 Ta có phơng trình M U IKR K RR K E RRIEE dk udmud Km udb dm b udbuub = + = += )( )( 0 Vì từ thông của động cơ đợc giữ không đổi nên đặc tính cơ cũng không đổi. Tốc độ không tải lí tởng tuỳ thuộc giá trị U đk của hệ thống. Đồ thị tuyến tính do đó mới nói phơng pháp này là triệt để. Để xác định dải điều chỉnh tốc độ. Chú ý: + Phơng pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng không đổi + Tốc độ không tải lý tởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp U đk của hệ thống do đó có thể nói phơng pháp này điều khiển là triệt để. + Giải điều chỉnh tốc độ của hệ tthống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tính ứng với điện áp định mức và từ thông định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều khiển bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mô men khởi động. +Với một cơ cấu máy cụ thể có dmM MK ,, max0 xác định vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng dm dm M M = = min0min max0max dmMcnm MKMM == maxmin Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có môn men ngắn mạch là dmMcnm MKMM . maxmin == (K M : là hế số mômen quá tải). Họ đặc tính cơ là các đờng thẳng song song nên ta có 10 [...]... 2.2.6 B Chopper lp E Đây là bộ băm xung một chiều có đảo chiều 1 S nguyờn lý ở đây ta sử dụng van bán dẫn IGBT Bộ BXMC dùng van điều khiển hoàn toàn IGBT có khả năng thực hiện điều chỉnh điện áp và đảo chiều dòng điện tải 31 Trong các hệ truyền động tự động có yêu cầu đảo chiều động cơ do đó bộ biến đổi này thờng hay dùng để cấp nguồn cho động cơ một chiều kích từ độc lập có nhu cầu đảo chiều quay... úng ct rt nh So với các phơng pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều nh phơng pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát một chiều, bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lu có điều khiển thì phơng pháp dùng mạch băm xung có nhiều u điểm đáng kể: điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm năng lợng, kinh tế và hiệu quả cao, đồng thời đảm bảo... dải điều chỉnh đã cho Điều chỉnh tốc độ bằng phơng pháp này rất thích hợp trong những trờng hợp Mt=const trong toàn dải điều chỉnh b.2) Điều chỉnh từ thông động cơ Điều chỉnh từ thông kích thích động cơ điện một chiều chính là điều khiển mômen điện từ của động cơ điện M = K .I u Do mạch kích từ của động cơ điện một chiều là phi tuyến vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là phi tuyến Từ sơ đồ trên ta... chế độ khởi động còn hạn chế đợc điện áp khởi đông Do điều khiển là làm giảm áp b) Chế độ hãm 13 Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngợc chiều tốc độ quay, Động cơ điện một chiều có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngợc, và hãm động năng b.1) Hãm tái sinh Xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tởng Khi đó U > E Động cơ làm việc nh một máy phát điện song song với. .. khi điều động cơ điện một chiều 1.3.1 Các góc phần t làm việc Pc=Md0 M II: Hãm Mc 12 Pc=Md>0 Pc=MdEt : Động cơ làm việc ở chế độ động cơ Năng lợng từ nguồn qua S1 ,S2 cấp cho động cơ +Trong khoảng t1 ữ t2: S1 khóa ,S4 mở Năng lợng tích luỹ trong điện cảm sẽ cấp cho động cơ và duy trì dòng điện qua Đ2 ,Đ4 +Trong khoảng t2 ữ T :Khi năng lợng dự trữ trong điện cảm hết ,suất điện động động cơ sẽ đảo chiều dòng điện và dòng tải sẽ khép mạch qua S4 ,Đ2 Để động cơ làm việc theo chiều ngợc lại ,luật điều. .. hệ số đập mạch thay đổi khá nhiều, từ 0.057 đến 19.64 Nh vậy dạng điện áp ra cũng không đẹp, làm tăng kích thớc, khối lợng bộ lọc trớc khi cấp cho tảI động cơ -Cũng nh sơ đồ chỉnh lu tia 3 pha, để có thể đảo chiều quay động cơ ta phảI đấu song song ngợc 2 bộ chỉnh lu, dẫn đến tăng số lợng van, tăng kích thớc thiết bị I.4.2.3.Dùng 1 bộ chỉnh lu cầu 3 pha không điều khiển và 1 bộ băm xung 1 chiều có đảo. .. suất) 1.3.2 Các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập a) Khởi động Xuất phát từ phơng trình đặ tính cơ của động cơ điện một chiều Ru + R f U = u Iu K K (*) Khi khởi động nên I nm = U dm ở động cơ công suất trung bình và lớn thì R thờng có R giá trị nhỏ nên dòng điện khởi động ban đầu (dòng ngắn mạch) tơng đối lớn I nm = 2 ữ 2,5I dm Với giá trị dòng lớn, sẽ không cho phép về mặt chuyển... ) Với 0 max , K M , M dm xác định ở mỗi máy D phụ thuộc tuyến tính vào Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện một chiều bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở mạch phần ứng gấp khoảng 2 lần điện trở phần ứng động cơ do đó có thể tính sơ bộ đợc: 0 max / M dm 10 Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ không vợt quá 10, Vậy với yêu cầu của để bài ta sẽ điều chỉnh dải điện áp ra trong dải điều . này đợc tính khi thiết kế và điều chỉnh động cơ điện Trong thực tế có 3 phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều + Điều chỉnh điện áp cho phần ứng động cơ. + Điều chỉnh bằng cách. Đề bài: Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc đối xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu) với số liệu cho trước: Sinh viªn thùc. ta có thể thấy đợc sự phụ thuộc của tốc độ động cơ vào mômen động cơ và các thông số khác (mômen, từ thông ), từ đó đa ra phơng án để điều chỉnh động cơ (tốc độ) với phơng án tối u nhất. Với