Đang tải... (xem toàn văn)
Trong thực tế ngày nay, chúng ta có rất nhiều các loại động cơ như động cơ điện đồng bộ, không đồng bộ, động cơ điện một chiều..., trong đó động cơ điện một chiều có những ưu điểm riêng và rất nhiều các ứng dụng trong thực tế.
Mc lc Chng I - Gii thiu ng c in mt chiu kớch t song song .3 I.1) Cu to3 I.2) Phng trỡnh c tớnh c ca ng c in mt chiu kớch t song song .4 I.3) M mỏy v hóm ng c in mt chiu 5 I.4) iu chnh tc ng c in mt chiu kớch t song song .7 I.5) La chn phng ỏn mch lc 9 Chng II - Cỏc phng ỏn tng th 10 II.1) Gii thiu chung v b bm xung mt chiu 10 II.2) B bm xung ỏp mt chiu cú o chiu c dũng in v in ỏp .11 1) iu khin i xng 12 2) iu khin khụng i xng 16 II.3) Gii thiu mt s loi van dựng trong mch bm xung .21 Chng III - Tớnh toỏn mch lc 27 Chng IV - S nguyờn lớ mch thit k .28 III.1) Khõu to dao ng 28 III.2) Khõu to iờn ỏp rng ca 31 III.3) Khõu so sỏnh 32 III.4) Khõu chn van 33 III.5) Khõu to tr 34 III.6) Khõu khuch i xung 35 III.7) Khi phn hi .36 III.8) Khi to in ỏp ngun 37 Chng V - Tớnh toỏn mch iu khin .37 Bng tr s ton b cỏc phn t v linh kin c s dng 40 Kết luận .41 Ti liu tham kho .43 1 Lời nói đầu Trong thực tế ngày nay, chúng ta có rất nhiều các loại động cơ như động cơ điện đồng bộ, không đồng bộ, động cơ điện một chiều ., trong đó động cơ điện một chiều có những ưu điểm riêng và rất nhiều các ứng dụng trong thực tế. Động cơ điện một chiều đã ra đời từ rất lâu và cùng với sự phát triển của trình độ khoa học kỹ thuật, những ưu điểm của chúng ngày càng được tận dụng một cách triệt để, tinh vi và sáng tạo. Để động cơ điện một chiều hoạt động đúng theo yêu cầu công nghệ, ta cần rất nhiều yếu tố như công nghệ chế tạo, người vận hành . trong đó, bộ điều chỉnh điện áp một chiều (băm xung áp một chiều - BXMC) có vai trò đặc biệt quan trọng, bộ BXMC càng tối ưu thì càng dễ vận hành, tăng chất lượng làm việc và tăng tuổi thọ của động cơ. Ngày nay, sử dụng động cơ điện một chiều luôn luôn gắn liền với, không thể thiếu một yếu tố rất quan trọng đó là bộ điều chỉnh BXMC. Vậy thiết kế bộ BXMC như thế nào ? Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, chúng em được giao đồ án môn học điện tử công suất với đề tài: Thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song lấy nguồn cung cấp từ acqui. Với sự cố gắng của bản thân nói riêng và của nhóm nói chung cùng với sự hướng dẫn của các thầy cô giáo trong bộ môn và đặc biệt là TS. Võ Minh Chính đã trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này. Đồ án được gồm ba phần chính sau: 1. Giới thiệu sơ lược về động cơ điện một chiều kích từ song song. 2. Thiết kế và tính toán mạch lực. 3. Thiết kế và tính toán mạch điều khiển. Do lần đầu làm đồ án điện tử công suất chưa có kinh nghiệm nên em không tránh khỏi những sai sót, mong các thầy giúp đỡ, hướng dẫn , chỉ bảo để kiến thức của em về bản đồ án được hoàn thiện hơn. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn ! Hà nội, ngày 23 tháng 11 năm 2004 Sinh viên : Lã ngọc Sơn Lớp TĐH T2 - K41 Chương I - Giới thiệu về động cơ điện một chiều kích từ song song I.1) Cấu tạo: Máy điện một chiều cấu tạo gồm hai thành phần chính: gồm phần tĩnh và phần quay. 2 1) Phần cảm (stator): Phần cảm là phần tạo ra từ trường tĩnh của động cơ gồm có các phần sau đây: - Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường, nó gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ + Lõi sắt kích từ được làm bằng lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon ghép lại và tán chặt. + 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 và và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. - Cực từ phụ: được đặt giữa các cực chính và dùng để cải thiện đổi chiều, lõi thép thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn giống như cực từ chính. - Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy. - Chổi than : là các thanh Cacbon được tiếp xúc với cổ góp để đưa dòng điện từ nguồn một chiều vào rôto . Chổi than được đặt ở trung tính hình học của động cơ. 2) Phần ứng (rotor): Phần ứng là phần cho dòng điện một chiều chạy trong nó, tương tác giữa dòng điện I và từ thông Φ sinh ra mômen quay. Nó gồm ba phần chính: - Lõi thép : là các lá thép kĩ thuật điện (Fe - Si) mỏng ghép lại với nhau, trên có xẻ rãnh để đặt các bối dây. - Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua, nó được cấu tạo gồm các dây đồng tròn được ghép thành các phần tử (bối dây), các bối dây được ghép theo kiểu dây quấn xếp đơn hay dây quấn phức tạp tuỳ yêu cầu mômen lớn hay nhỏ. - Cổ ghóp : gồm các phiến góp được cách điện với nhau, các phiến góp được nối với các đầu mút của các bối dây để đưa dòng điện vào phần ứng. Ngoài ra còn có các bộ phận khác gồm cánh quạt dùng để làm ngội máy, trục máy . Tùy theo phương pháp kích từ người ta chia động cơ một chiều thành các dạng kích từ nối tiếp, kích từ song song, kích từ hỗn hợp, kích từ độc lập. 3 Hỡnh I- S nguyờn lý ca ng c in mt chiu kớch t ni tip (a), kớch t song song(b), kớch t hn hp(c), v kớch t c lp(d). Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thờng mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ đợc gọi là động cơ kích từ song song. I.2) Phng trỡnh c tớnh c ca ng c in mt chiu kớch t song song: 1) nh ngha: Phng trỡnh c tớnh c l th miờu t mi quan h gia mụ men in t M t v tc gúc ca ng c. 2) c tớnh c: T phng trỡnh cõn bng in ỏp : = = .E 0 0 KE RIU u 2 . . . . = = K RM K U K RI K U uu cng c tớnh c: u R K 2 ).( = = cng ln c tớnh c cng cng th: = . 0 k U : tc khụng ti lớ tng. 4 TN M n M C M C1 n 0 n yc n 1 M mm = u R KU Φ : Mômen mở máy. I.3) Mở máy và hãm động cơ điện một chiều: 1) Mở máy: Từ phương trình điện áp phần ứng : U=E u +R u .I u u R u u EU I − =⇒ Khi mở máy n=0 ⇒ E u = Φ 60 . n a Np =0 Dòng điện phần ứng lúc mở máy là: I umở = u R U vì R u nhỏ I umở lớn khoảng (20 ÷ 30) Iđm làm hỏng chổi than và cổ góp. Để dảm dòng điện mở máy ta dùng các biện pháp sau: + Dùng biến trở mở máy R mở : Mắc biến trở này vào mạch phần ứng lúc có biến trở này : Iưmở =U/(Rư+Rmở ) Lúc đầu để R mở max, trong quá trình mở này tốc độ tăng lên Eư tăng lên và điện trở này giảm dần đến 0, máy làm việc đúng điện áp định mức. + Giảm điện áp đặt vào phần ứng: Phương pháp là phương pháp thường dùng hơn cả nó dòi hỏi có một nguồn điện có thể điều chỉnh được điện áp như nguồn chỉnh lưu, hệ máy phát động cơ hay bộ băm xung một chiều. Phương pháp này dùng kết hợp với việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng rất tiện lợi. 2) Các trạng thái hãm động cơ: Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mô men quay ngược chiều tốc độ quay .Trong tất cả các trạng thái hãm động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát. Tùy theo cách biến đổi năng lượng cơ trong khi hãm người ta chia làm 3 trạng thái hãm: a) Hãm tái sinh: 5 Năng lượng động cơ trả vể nguồn xẩy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng . Khi hãm tái sinh E u >U u , động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới , so với chế độ động cơ dòng điện và mô men hãm đã đổi chiều . Đường đặc tính cơ trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần tư thứ II và thứ IV của mặt phẳng toạ độ.Trong trạng thái hãm tái sinh dòng điện hãm đổi chiều và công suất đưa trả về lưới điện có giá trị P = (E –U) .I b) Hãm ngược: Năng lượng của nguồn và động cơ bị tiêu tán dưới dạng nhiệt. Xẩy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động do mômen thế năng quay ngược chiều với mômen điện từ của động cơ. Mômen sinh ra bởi động cơ chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản suất có hai trường hợp hãm ngược : + Đưa điện trở vào mạch phần ứng. + Đảo chiều điện áp phần ứng. c) Hãm động năng: Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học của động cơ đã tích luỹ được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt. Như vậy ta thấy hãm tái sinh là phương pháp hãm tiết kiệm được năng lượng nhất, và điều này là rất cần thiết, nhất là đối với các động cơ chạy bằng acqui. Vì vậy, trong khi thiết kế bộ băm điện áp, ta cố gắng điều khiển động cơ hãm tái sinh. I.4) Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song: Động cơ điện một chiều có đặc điểm là: - Ưu điểm : điều chỉnh tốc độ dễ dàng, nhiều kênh điều khiển. - Nhược điểm: sử dụng nguồn điện một chiều. Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn như hiện nay máy điện một chiều dã trở thành một cơ cấu không thể thiếu trong truyền động điện. Từ phương trình về vận tốc: 2 . . . . Φ − Φ = Φ − Φ = K RM K U K RI K U uu ω . Ta có các phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều như sau : 1) Thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp: 6 U 1 U 2 U 3 TN ( U dm ) n 0 n cb n 1 n 2 n 3 M n M C U dm > U 1 > U 2 > U 3 n cb > n 1 > n 2 > n 3 Đặc điểm : - Đặc tính cơ là các đường song song với đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, do đó độ cứng của đặc tính cơ không thay đổi. - Do U chỉ có thể giảm do đó chỉ có thể điều chỉnh giảm tốc độ của động cơ. - Có thể thay đổi U băng các van bán dẫn. 2) Thay đổi điện trở phần ứng R u : Đặc điểm : - Khi thêm R uf vào phần ứng động cơ thì độ cứng của đặc tính cơ giảm hay đặc tính cơ của động cơ giảm đi có nghĩa là với một sự thay đổi rất nhỏ của tải sẽ dẫn đến một sự thay đổi rất lớn của ω nên không ổn định do đó trên thực tế điều chỉnh tốc độ băng R u ít được sử dụng. - Ngoài ra khi thêm R u vào phần ứng cũng có nghĩa là tăng tổn hao làm nóng động cơ. Phương pháp này chỉ sử dụng để giảm dòng mở máy khi khởi động động cơ. 3) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông: 7 TN R f1 R f2 R f3 0 M C n 3 n 2 n 1 n cb n 0 n M, I 0 < R f1 < R f2 < R f3 n cb > n 1 > n 2 > n 3 Φ1 Φ 2 Φ ñm 0 M C M 2 M 1 M n n c b n 1 n 2 n M φ ñm > φ 1 > φ 2 n cb < n 1 < n 2 Đặc điểm : - Vì từ thông trong lõi thép rất dễ bão hoà nên người ta thường chỉ điều chỉnh giảm từ thông trong động cơ. - Khi từ thông Φ dm giảm đến Φ i thì có một M ik nào đó, khi M c < M ik việc giảm Φ sẽ làm tăng tốc độ động cơ, khi M c >M ik việc giảm Φ sẽ làm tốc độ động cơ. Trên thực tế điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là rất khó thực hiện vì quan hệ Φ(ω) là phi tuyến. I.5) Lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ: Từ các phân tích trên, ta thấy trong các phương pháp điều chỉnh tốc độ trên thì phương pháp điều chỉnh tốc độ nhờ thay đổi điện áp phần ứng là khả thi và tin cậy nhất, bởi vì dễ điều chỉnh và có đặc tính cơ cứng. Với sự phát triển của kĩ thuật bán dẫn ngày nay thì phương pháp điều chỉnh này hoàn toàn dễ dàng thực hiện được và đem lại hiệu quả cao. Trong khuôn khổ đồ án này, ta sẽ thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, ngoµi ra nã cßn có thể thực hiện chức năng mở lại máy (reset) và hãm tái sinh động cơ. CHƯƠNG II - TÍNH CHỌN MẠCH LỰC II.1) Giới thiệu chung về bộ băm xung một chiều: 1) Nguyên lý: Bộ băm điện áp một chiều cho phép từ nguồn điện một chiều U s tạo ra điện áp tải U ra cũng là điện áp một chiều nhưng có thể điều chỉnh được. 8 U ra t t 1 t 2 T 0 Ura là một dãy xung vuông (lý tưởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2. Điện áp ra bằng giá trị trung bình của điện áp xung: U ra = γ .U s (γ=t 1 /T). Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi này là dùng quy luật đóng mở các van bán dẫn công suất một cách có chu kỳ để điều chỉnh hệ số γ đảm bảo thay đổi được giá trị điện áp trung bình trên tải. 2) Các phương pháp điều chỉnh điện áp ra: Có 3 phương pháp điều chỉnh điện áp ra: a) Phương pháp thay đổi độ rộng xung: Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T ⇒ Giá trị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là: S S tai U T Ut U . . 1 ε == BB§ 9 BB§ BB§ mét chiÒu U S U ra U tb trong ú: T t 1 = l h s lp y, cũn gi l t s chu k. Nh vy theo phng phỏp ny thỡ di iu chnh ca Ura l rng (0 < 1). b) Phng phỏp xung - tn: Ni dung ca phng phỏp ny l thay i T, cũn t1=const. Khi ú: SStai UftU T t U . 1 1 == Vy U ra =U S khi 1 1 t f = v U ra=0 khi f=0. c) Phng phỏp xung - thi gian: Va thay i rng xung va thay i tn s theo nguyờn tc gi I min Trong thc t, phng phỏp bin i rng xung c dựng ph bin hn vỡ n gin hn, khụng cn thit b bin tn i kốm. II.2) Sơ đồ b bm xung ỏp mt chiu cú o chiu c dũng in v in ỏp: Do yờu cu ca ỏn l thit k b bm xung mt chiu iu chnh tc ng c in mt chiu kớch t song song, Tho món cỏc yờu cu trờn ta ch cú th chn mch lc l b bm xung áp một chiều với S nguyờn lý nh sau : Trong ú :V1,V2 l cỏc van iu khin hon ton. D1,D2, l cỏc diot. S trờn cho phộp iu chnh tc quay của động cơ, c tớnh lm vic ca ng c cú th ở góc phần t thứ nhất và gúc phn t thứ 2. 10 U S i dk1 i dk2 u d U S u S1 ,i S1 i S u D1 , i D1 Bi u d ng súng dũng, ỏp trờn cỏc ph n t [...]... trung bình của điện áp trên tải: εT 1 U ó dt = εU ó T ∫ 0 Nh vËy, ®Ĩ điều khiển tốc độ động cơ, ta chỉ cần điều khiển ε để điều chỉnh điện áp ra tải.có những ưu điểm sau: + Điện áp ra tải chỉ có 1 dấu ở chiều xác định + Cho phép giảm độ đập mạch dòng điện + Mặt khác nó cũng cho phép làm việc ở các chế độ sau: εUS> E → Động cơ nhận năng lượng εUS < E → Động cơ phát năng lượng II.3) Giới thiệu một số loại... bão hòa + UCEO: Điện áp UCE khi mạch badơ để hở, IB = 0 + UCEX: Điện áp UCE khi badơ bị khóa bởi điện áp âm, IB < 0 + ton : Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị điện áp nguồn U giảm xuống 0V + tf : Thời gian cần thiết để iC từ giá trị IC giảm xuống 0 + tS : Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị UCESat tăng đến giá trị điện áp nguồn U + P : Cơng suất tiêu tán bên trong transistor Cơng suất tiêu tán... cưa Ngun lý hoạt động cđa so s¸nh 2 cưa nh sau: Đây là bộ so sánh đầu vào đảo Khi u2>udk u3 = 0 Khi u2< udk u3 =10 (V) = Umax 26 Như vậy khi điều chỉnh udk ta sẽ điều chỉnh được góc γ tức điều chỉnh được độ rộng xung, từ đó ta cã thĨ ®iỊu chØnh được điện áp ra tải Ta có quan hệ giữa γ > α nên muốn có dải điều chỉnh rộng ta phải giảm α nghĩa là giảm độ rộng xung ở khâu tạo dao động (u1) III.4) Khâu... BT để khuyếch đại xung , phần tử Opto-Isolator để cách li Mạch cụ thể như sau: 24V IC6.1 R6.1.3 OP4N25 u5.1 T6.1 BC308C R6.1.2 R6.1.4 u6.1 R6.1.1 R6.1.5 III.7) Khối phản hồi: Ở đây ta sẽ nhận tín hiệu phản hồi điện áp tải , so sánh với điện áp đặt u d ( tín hiệu điều chỉnh tốc độ) để hiệu chỉnh udk sao cho khi uph=ud thì udk=ud Nếu vì một lí do nào đó (động cơ có tải thay đổi nhỏ ) điện áp ra động cơ. .. được dạng xung vng đã điều chỉnh độ rộng xung tương ứng với Udk Khâu chọn van có nhiệm vụ đưa xung và van để có thể điều khiển cả mạch lực hoạt động theo phương pháp điều khiển đã được lựa chọn mà ở đây là khi có tín hiệu điều khiển quay thuận thì mạch logic cho phép xung u3 được đưa vào V1 điện áp nghịch đảo u3 được đưa vào V2 , tín hiệu điều khiển V2 có giá trị 0 điều khiển V1 có giá trị 1 để : V1... xung từ mạch điều khiển có biên độ nhỏ đầu ra là xung có cùng dạng nhưng biên độ lớn hơn để điều khiển các van IGBT tuy nhiên nó khơng chỉ làm nhiệm vụ khuếch đại mà còn phải cách li giữa mạch điều khiển và mạch lực Biến áp xung có thể thực hiện cả hai nhiệm vụ đó đối với các xung có độ rộng nhỏ Ở đây xung u3 có độ rộng thay đổi và khuyếch đại xung còn phải 28 khuyếch đại tín hiệu liên tục để điều khiển... lớn Khác với transistor lưỡng cực được điều khiển bằng dòng điện, transistor Mos được điều khiển bằng điện áp Transistor Mos gồm các cực chính: cực máng (drain), nguồn (source) và cửa (gate) Dòng điện máng - nguồn được điều khiển bằng điện áp cửa - nguồn Điện trở Dòng hằng điện số máng = 9V = 7,5V = 6V = 4,5V = 3V • Cửa • • • Điện áp máng – nguồn (a) 16 Máng (b) Nguồn H×nh a) Họ đặc tính ra H×nh b) Ký... dao động: Theo phân tích ở trên ta có T1=0,693C1.1 R1.1 T2=0,693C1.1 R1.2 Chu kỳ xung là: T=T1+T2=0,693C1.1 (R1.1+R1.2) Ở đây ta cần dãy xung vng có tần số f=500Hz phù hợp với u cầu của tải động cơ Dải điều chỉnh tốc độ là 15:1 dải điều chỉnh điện áp vào khỗng 15:1 γ = 1/15 ÷ 1 α < γ Ta chọn α= 0,05 => T=2ms , T1 =0,1ms Chọn C1.1=0,1µF => R1.1=1,44 kΩ ,R1 2 = 28,86-1,44=27,42 kΩ C1.2 dùng để. .. anốt, về cực âm của nguồn điện ngồi Thời gian khóa toff: Thời gian từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược đến dòng điện ngược bằng ,toff kéo dài khoảng vài chục μs I UZ IH 0 U Uch Đặc tính volt-ampe của tiristor - Ứng dụng: Tiristor được sử dụng trong các bộ nguồn đặc biệt: trong mạch chỉnh lưu, bộ băm và trong bộ biến tần trực tiếp hoặc các bộ biến tần có khâu trung gian một chiều 4) GTO - gate... transistor cơng suất: Transistor cơng suất dùng để đóng cắt dòng điện một chiều có cường độ lớn Tuy nhiên trong thực tế transistor cơng suất thường cho làm việc ở chế độ khóa IB = 0, IC = 0: transistor coi như hở mạch 2) Transistor Mos cơng suất: Transistor trường FET (Field - Effect Transistor) được chế tạo theo cơng nghệ Mos (Metal - Oxid - Semiconductor), thường sử dụng như những chuyển mạch điện tử có cơng . n l thit k b bm xung mt chiu iu chnh tc ng c in mt chiu k ch t song song, Tho m n c c y u cu tr n ta ch c th chn mch lc l b bm xung p m t chi u. Mc lc Chng I - Gii thiu ng c in mt chiu k ch t song song .....3 I. 1) Cu to3 I. 2) Phng tr nh c t nh c ca ng c in mt chiu k ch t song song ...4 I. 3) M