Đề tài “Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển tốc độ DC’’ pot

mà máy điện xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến.Tuy nhiên động cơ điện vẫn giữ một vị trí quan trọng trong các ngành sản xuấtcông nghiệp nặng như trong công nghiệp gia

Mục lục

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 3

1.1 Đặt vấn đề 3

1.2 Các phương pháp điều khiển động cơ một chiều 4

1.2.1 Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều 4

1.2.2 Động cơ điện kích từ độc lập 5

1.3 Các vấn đề khác khi điều khiển động cơ điện một chiều 14

1.3.1 Các góc phần tư làm việc 14

1.3.2 Các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 15

1.3.3.Vấn đề phụ tải 18

CHƯƠNG II:MỘT SỐ MẠCH BĂM XUNG MỘT CHIỀU (BXDC) ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 20

2.1 Giới thiệu về băm xung một chiều (BXDC) 20

2.1.1 Phương pháp thay đổi độ rộng xung 21

2.1.2 Phương pháp thay đổi tần số xung 21

2.1.3 Nhận xét 21

2.2 Các dạng băm xung cơ bản 22

2.2.1 Xung áp nối tiếp 22

2.2.2 Xung áp song song 23

2.2.3 Xung áp đảo dòng lớp B 24

2.2.4 Xung áp đảo áp lớp B 25

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 26

3.1 Yêu cầu chung của mạch điều khiển 26

3.2 Nguyên lý chung của mạch điều khiển 27

3.2.1 Sơ đồ nguồn nuôi 30

3.2.2 Khối tạo dao động và tạo xung răng cưa 31

3.2.3 Khâu so sánh 32

3.2.4 Khâu điều khiển đóng mở IRF540 33

TỔNG KẾT 34

TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

LỜI NÓI ĐẦUTrong giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại hoá nền kinh tế đất nước,ngày càng có nhiều thiết bị bán dẫn công suất hiện đại được sử dụng rộng rãitrong tất cả các lĩnh vực sản xuất, phục vụ đời sống con người Đặc biệt tronglĩnh vực điều chỉnh tự động sử dụng van bán dẫn.

Trong các lĩnh vực điều chỉnh tự động nói chung cũng như trong lĩnhvực giao thông nói riêng việc đòi hỏi cần có các bộ điều chỉnh nhằm tiết kiệmnăng lượng ngày càng được đòi hỏi và thay thế

Bên cạnh đó trong lĩnh vực giao thông việc sử dụng các động cơ xăng, diezenngày càng có xu hướng giảm vì các nhược điểm như: Tiêu hao nhiều nănglượng, ô nhiễm môi trường Đồng thời với các thành tựu của khoa học kỹthuật thì việc chế tạo các động cơ điện ngày càng được hoàn thiện Song songvới sự phát triển đó là sự đòi hỏi phải có bộ điều khiển các loại động cơ đó vớichất lượng tốt nhất, thoả mãn các yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật nhằm sử dụng

và thay thế các động cơ cũ

Bộ băm xung áp một chiều sử dụng van bán dẫn trong tương lai đáp ứngđược nhu cầu cần thiết về bộ điều khiển điều chỉnh tốc độ động cơ điện mộtchiều Do đó là một đề tài hay nên trong sau khi học xong môn Điện tử công

suất và truyền động điện, chúng em đã được Th.s Lê Thị Minh Tâm– giảng viên

khoa Điện – Điện tử trường ĐHSPKT Hưng Yên, giao cho chúng em đề tài

“Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển tốc độ DC’’

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 Đặt vấn đề

Cùng với sự tiến bộ của văn minh nhân loại, chúng ta đã chứng kiến thấy

sự phát triển rầm rộ kể cả về quy mô lẫn trình độ của nền sản xuất hiện đại.Trong sự phát triển đó ta cũng có thể chỉ ra rằng điện năng và máy tiêu thụ điệnnăng đóng vai trò không thể thiếu được nếu không muốn nói là chủ chốt Nó đitrước làm tiền đề và cũng là mũi nhọn quyết định sự thành công của cả một hệthống sản xuất công nghiệp Không một quốc gia nào, một nền sản xuất côngnghiệp nào không sử dụng điện và máy điện

Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyềntải ,cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản, dễ vậnhành mà máy điện xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến.Tuy nhiên động cơ điện vẫn giữ một vị trí quan trọng trong các ngành sản xuấtcông nghiệp nặng như trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung là cácthiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng, có công xuất lớn(như trong máy cán thép, đầu máy điện, máy công cụ lớn ) Mặc dù so vớiđộng cơ xoay chiều để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắthơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạphơn nhưng do ưu điểm của nó mà động cơ điện một chiều vẫn không thể thiếutrong nền sản xuất hiện đại

Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ hay máyphát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau Song ưu điểm lớn nhất củađộng cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải Nếu như bảnthân động cơ điện xoay không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp được thì cũngphải tốn chi phí cho các thiết bị đi kèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động

cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúcmạch lực, mạch điều khiển còn đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ khoảng 75%

lớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 100MW, điện áp vào khoảngvài trăn đến 1000V Hướng phát triển là cải tiến tính nâng vật liệu, nâng cao chỉtiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những máy công suất lớn đó là cả một vấn đềrộng lớn và phức tạp vì vậy với vốn kiến thức còn hạn hẹp của mình trong phạm

vi đề tài này em không đề cập nhiều vấn đề lớn mà chỉ đề cập tới vấn đề thiết kế

bộ điều chỉnh tốc độ có đảo chiều của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.Phương pháp được chọn ở đây là bộ băm xung, có thể đây chưa là phương phápmang lại hiệu quả kinh tế cao nhất nhưng nó được sử dụng rộng rãi bởi nhữngtính năng và đặc điểm mà ta sẽ phân tích và đề cập sau này

1.2 Các phương pháp điều khiển động cơ một chiều

1.2.1 Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều

Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiềungười ta phân loại theo cách kích từ của động cơ Theo đó ta có các loại động cơđiện :

- Kích từ độc lập: Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn, mạchđiện phần ứng và phần kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhaunên:

I=Iư

- Kích từ song song: Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn vàđiện áp không đổi, mạch kích từ được mắc song song với mạch điện phầnứng nên:

I= Iư + Ikt

- Kích từ nối tiếp: Cuộn kích từ được mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng,cuộn kích từ có tiết diện lớn hơn, điện trở nhỏ hơn, số vòng ít chế tạo dễdàng, ta có: I=Iư = Ikt

ωo

M Mnm

này ta chỉ xét đến động cơ điện một chiều kích từ độc lập và biện pháp hữu hiệu

để điều khiển loại động cơ này

đó đưa ra phương án tối ưu để điều chỉnh tốc độ động cơ Với những điều kiện

Uư = const, Ikt= const thì từ thông của động cơ gần như không đổi, vì vậy quan

hệ trên là tuyến tính và đường đặc tính cơ của cộng cơ là thẳng

Thường dạng của đường đặc tính cơ mà là đường thẳng thì giao điểm vớitrục hoành ứng với điểm mômen ngắn mạch, còn giao điểm với trục tung ứngvới điểm tốc độ không tải lý tưởng của động cơ

Người ta đưa ra đại lượng β= ∆ M

∆ ω để đánh giá độ cứng của đường đặctính cơ Đặc tính càng dốc càng cứng (β càng lớn) tức mômen biến đổi nhiềunhưng tốc độ biến đổi ít và ngược lại Đặc tính càng ít dốc càng mềm tức làmômen biến đổi ít nhưng tốc độ thay đổi nhiều

Để hiểu được nguyên lý và lựa chọn phương pháp điều chỉnh tối ưu, trướchết ta đi xét đặc tính cơ cua động cơ điện Đó là mối quan hệ giữa tốc độ quayvới mômen (hoặc dòng điện ) của động cơ.

Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, nếu động vận hành ở chế độ định mức(điện áp, dòng điện, từ thông định mức, và không nối thêm các điện trở, điẹnkháng vào động cơ ) Trên đường đặc tính cơ tự nhiên ta có điểm làm việc địnhmức có giá trị (Mđm;ωωđm) hoặc (Iđm;ωωđm)

Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham sốnguồn hoặc nối thêm các điện trở, điện kháng

Để so sánh các đặc tính cơ với nhau người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc

tính cơ β= ∆ M

∆ ω (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:

Khi nguồn điện 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 nhau, lúc này động cơđược gọi là động cơ kích từ độc lập

Dựa vào sơ đồ trên có thể viết được cân bằng điện áp của mạch phần ứng nhưsau:

Uư = Eư + ( Rư + Rf )Iư

Trong đó:

6

 Uư: điện áp phần ứng (V)

 Eư: sức điện động phần ứng (V)

 Rư: điện trở phần ứng (Ω) )

 Rf: điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω) )

 Iư: dòng điện phần ứng (A)

Với Rư = rư + rct + ri + rcf ;ω

 rư : điện trở cuộn dây phần ứng

 rct : điện trở tiếp xúc của chổi than

N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

a: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng Φ: từ thông kích từ dưới một cực từ (Wb)

ω: tốc độ góc (rad/s)

K = 2 π a PN : hệ số cấu tạo của động cơ

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (v/p) thì :

ωo

M Mnm

I ư= U ư

R ư+R f=Inm : Dòng điện ngắn mạch Và: M=KΦInm=Mnm : Mômen ngắn mạch

Mặt khác từ phương trình đặc tính cơ (*)và (**) ta cũng có thể viết được: ω= U ư

R=Rư+Rf ;ω ω0= U ư

KΦ Φ ;ω ∆ ω= R

KΦ Φ I ư= R

(KΦ Φ)2M :Gọi là độ sụt tốc độ ứng vớigiá trị của M

Từ đó có thể thấy tốc độ động cơ điện một chiều phụ thuộc vào các đại lượng

là Uư , R, I Như vậy thông qua các đại lượng này thay đổi ta có thể điều chỉnhtốc độ của động cơđiện một chiều

b Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.

Điều chỉnh tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động điệnnhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ nào đó của các máy sản xuất Điều chỉnh tốc

độ là dùng phương pháp thuần túy điện tác động lên bản thân hệ thống truyềnđộng điện để thay đổi tốc độ quay của động cơ điện Tốc độ làm việc của động

cơ điện thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn hay chế độ làmviệc mở máy hay hãm máy và do đó gây ra sai số với tốc độ kỹ thuật nhưmong muốn Trong các hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉtiêu kinh tế kỹ thuật cơ bản các chỉ tiêu này cũng được tính đến khi thiết kế hoặcđiều chỉnh động cơ điện Thực tế có ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơđiện một chiều:

+ Điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ

+ Điều chỉnh bằng cách thay đổi từ thông phần ứng hay thay đổi điện ápphần ứng cấp cho mạch kích từ

+ Điều chỉnh bằng thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng

Chỉ áp dụng được với động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc songsong làm việc ở chế độ kích thích độc lập.loại này cần có thiết bị nguồn như:máy phát điện một chiều cho bộ kích từ,các bộ chỉnh lưu điều khiển có chứcnăng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điềuchỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Uđk

 Phương pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứngkhông đổi

10

 Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệ thống,

do đó có thể nói phương pháp này điều khiển là triệt để

 Dải điều chỉnh tốc độ của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản, là đặc tínhứng với điện áp định mức và từ thông định mức Tốc độ nhỏ nhất của dải điềukhiển bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi động Khi mômentải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:

sơ bộ được:

ω 0 max∨β∨ ¿

M đm ≤ 10¿

Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ động cơ không vượt quá 10 khi tải có đặc tính mômen không đổi.

Điều chỉnh từ thông động cơ điện một chiều kích từ độc lập chính là điềukhiển mômen điện từ của động cơ M=KΦ Ф I ư và sức điện động quay của động cơ

E ư=KΦ Ф W Do mạch kích từ của động cơ điện một chiều là phi tuyến vì vậy hệđiều chỉnh từ thông cũng là phi tuyến

ik

12

Từ sơ đồ trên ta được :

i k= e k

r b+r k+ωk

dФ dt

Với rk – Điện trở dây quấn kích thích (phần ứng),

rb – Điện trở của nguồn điện áp kích thích,

ωk – Số vòng dây cuộn kích từ

Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng bằng Uđm do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc tính cơ có điện ápphần ứng định mức, từ thông định mức và được gọi là đặc tính cơ bản(đôi khi

là đặc tính cơ tự nhiên) Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu

đi, vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết quả là mômen cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh Kể cả khi giữ nguyên dòng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính

cơ cũng giảm rất nhanh khi giảm từ thông kích thích:

II: hãm ω I: động cơ

Mc

Mc 0

Thực tế loại này ngày nay người ta khụng dựng (chỉ đề cập qua) Vỡ phươngphỏp này cho phộp điều chỉnh tốc độ quay trong vựng dưới tốc độ định mức, vàluụn kốm theo tổn hao năng lượng trờn điện trở phụ, làm giảm hiệu suất động cơđiện Vỡ vậy phương phỏp này chỉ ỏp dụng ở động cơ điện cú cụng suất nhỏ vàthực tế thường dựng ở động cơ điện trong cần trục

c Kết luận

Phương phỏp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cỏch thay đổi từ thụng cúnhiều hạn chế so với phương phỏp điều chỉnh điện ỏp phần ứng Phương phỏpthay đổi từ thụng bị hạn chế bởi cỏc điều kiện cơ khớ: đú chớnh là điều kiệnchuyển mạch của cổ gúp điện Cụ thể phương phỏp thay đổi điện ỏp phần ứng cúcỏc ưu điểm hơn như sau:

 Hiệu suất điều chỉnh cao (phương trỡnh điều khiển là tuyến tớnh, triệt để ),

cú cụng suất tổn hao nhỏ

 Việc thay đổi điện ỏp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mụmenngắn mạch giảm, dũng ngắn mạch giảm Điều này rất cú ý nghĩa trong lỳc khởiđộng động cơ

 Độ sụt tốc tuyệt đối trờn toàn dải điều chỉnh ứng với mỗi mụmen điềuchỉnh xỏc định là như nhau nờn dải điều chỉnh đều, trơn, liờn tục

Tuy vậy phương phỏp này đũi hỏi cụng suất điều chỉnh caovaf phải cú nguồn ỏpđiều chỉnh được, xong nú khụng đỏng kể so với những ưu điểm của nú Vậy nờnphương phỏp này được sử dụng rộng rói

1.3 Cỏc vấn đề khỏc khi điều khiển động cơ điện một chiều.

1.3.1 Cỏc gúc phần tư làm việc.

Trạng thỏi hóm và trạng thỏi động cơ được phõn bố trờn đặc tớnh cơ ở cỏcgúc phần tư tương ứng với chiều mụmen và tốc độ như hỡnh vẽ

 I, III: trạng thỏi động cơ (ω cựng chiều với mụmen M )

 II, IV: trạng thỏi hóm (ω ngược chiều với mụmen M)

14

IV: hãm III: động cơ

Mc 4

Theo đú :

Cụng suất cơ Pcơ = Mđ.ω

Cụng suất điện của động cơ Pđ = Pcơ+∆ P (∆P: tổn hao cụng suất)

1.3.2 Cỏc chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kớch từ độc lập.

Trong đề tài này chúng em được yêu cầu thực hiện biện pháp giảm điện ápnguồn đặt vào phần ứng động cơ Dễ dàng nhận thấy biện pháp này là phù hợphơn vì khi khống chế dòng ngắn mạch ở chế độ khởi động còn hạn chế được cảđiện áp khởi động (do điều khiển là làm giảm áp).

b Chế độ hãm

Hãm là trạng thái mà mômen động cơ sinh ra quay ngược chiều tốc độquay Động cơ điện một chiều có ba trạng thái hãm: Hãm tái sinh, hãm ngược,hãm động năng Động cơ làm việc ở chế độ máy phát

Xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng.Khi đó Uư <Eư động cơ làm việc như một máy phát song song với lưới.So vớichế độ động cơ, dòng điện và mômen hãm đã đổi chiều và được xác định theobiểu thức:

Đường đặc tính cơ nằm trong góc phần tư thứ 2 và thứ 4 Hãm tái sinh,dòng điện hãm đổi chiều công suất được đưa trả về lưới điện có giá trị P = (E-U)I Đây là là phương pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh năng lượng hữuích.

Xảy ra khi phần ứng động cơ dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các

bộ phận chuyển động hoặc do thế năng quay ngược chiều với mômen điện từcủa động cơ, mômen của động cơ khi đó chống lại sự chuyển động của cơ cấusản xuất

- Hãm ngược khi đưa điện trở phụ vào mạch điện phần ứng(tăng tải):

Đặc tính hãm ngược sức điện động tác dụng cùng chiều với điện áp lưới Động

cơ làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện biến điện năng nhận từ lưới

và cơ năng trên trục thành nhiệt đốt nóng tổng trở mạch phần ứng, vì vậy tổnthất năng lượng lớn

- Hãm ngược bằng đảo chiều điện áp phần ứng:

Dòng điện Ih ngược chiều với chiều làm việc của động cơ và có giá trị có thể làkhá lớn Do đó điện trở đưa vào phải phải có giá trị đủ lớn để hạn chế dòng diệnhãm ban đầu Ihđ trong phạm vi cho phép: Ihđ ≤(2÷2,5)Iđm , và phương trình đặctính cơ có dạng:

Ehđ=KФωωhđ ;ω Và dòng điện hãm: I hđ= −E ư

R ư+R h=

−KΦФω hđ

R ư+R h Mômen hãm đầu: M h=KΦФI hđ<0

Chứng tỏ Ihđ và Mhđ ngược chiều với tốc độ ban đầu Khi hãm động năng Uư =

Hãm động năng tự kích từ xảy ra khi động cơ đang quay, ta cắt cả phần ứng vàcuộn kích từ ra khỏi lưới điện để đóng vào một điện trở hãm Khi đó:

−R ư+ R kt R h

R kt+R h

(KΦФ)2 M

Trong quá trình hãm tốc độ động cơ giảm dần, dòng kích từ giảm dần và do đó

từ thông Фω giảm dần và là hàm số của tốc độ Vì vậy đặc tính cơ như có dạngnhư đường đặc tính không tải lý tưởng của máy phát diện tự kích từvà phi tuyến

So với phương pháp hãm ngược thì hãm động năng có hiệu quả kém hơnnhưng khi chúng có cùng tốc độ và cùng mômen cản Mc Tuy nhiên hãm độngnăng ưu việt hơn về mặt năng lượng đặc biệt là hãm động năng tự kích vì khôngtiêu thụ năng lượng từ lưới nên phương pháp này có khả năng hãm khi có sự cốmất điện lưới

18