Do an dien tu cong suat

Hiện nay trong nhiềulĩnh vực khác nhau của đời sống , thì động cơ không đồng bộ là loại động cơđược sử dụng rộng rãi nhờ kinh tế , dễ chế tạo,chi phí vận hành bảo dưỡng sủachữa thấp…Tuy

Trường đại học Điện lực

Đồ án môn

Điện tử công suất

Sinh viên : Hoàng Thị Hằng

Lớp : Đ2-CNTD

Đề tài

Thiết kế bộ nguồn băm xung áp một chiều , điều khiển

động cơ một chiều có đảo chiều quay

Hà Nội ngày tháng năm 2010

Đồ án môn học :

Điện tử công suất

Nội dung : Thiết kế bộ nguồn băm xung áp một chiều , điều khiển động cơ

một chiều có đảo chiều quay Với các thông số sau :

Giáo viên hướng dẫn : Cô Nguyễn Thị Điệp.

Sinh viên thực hiện : Hoàng Thị Hằng

Lời nói đầu : Trong giai đoạn công ngiệp hóa , hiện đại hóa nền kinh tếđất nước , ngày càng có nhiều thiết bị bán dẫn công suất hiện đại được sử dụngrộng rãi trong tất cả các lĩnh vực sản xuất , phục vụ đời sống con người Đặcbiệt trong lĩnh vực điều chỉnh tự động sử dụng van bán dẫn

Trong các lĩnh vực điều chỉnh tự động nói chung và trong một số lĩnh vựcnói riêng đòi hỏi cần có các bộ điều chỉnh nhằm tiết kiệm năng lượng ngày càngđược đòi hỏi và cần được thay thế

Các thành tựu của khoa học, việc chế tạo các động cơ ngày càng đượchoàn thiện Song song với sự phát triển đó là sự đòi hỏi phải có các bộ điềukhiển các loại động cơ đó với chất lượng tổt nhất , thỏa mãn các yêu cầu 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 ứng

Lời cảm ơn: Em xin cảm ơn cô Nguyễn Thị Điệp và các thầy cô giáo

trong khoađã giúp em hoàn thành đồ án này

Nội dung của đồ án:

Trong đồ án này trình bày thiết kế bộ nguồn băm xung áp một chiều ,điều khiển động cơ một chiều có đảo chiều quay Ta sẽ tìm hiểu về động cơ mộtchiều và bộ băm xung một chiều để điều chỉnh động cơ một chiều đó

Gồm các nội dung:

Chương 1> Giới thiệu về động cơ một chiều

1> Giới thiệu chung

2> Cấu tạo

3> Nguyên lí

4> Phương trình dặc tính cơ

5> Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ

Chương 2> Giới thiệu về một số mạch băm xung áp

ứng dụng trong điều khiển động cơ một chiều

Chương 1 : Giới thiệu về động cơ điện một chiều

A> Tổng quan về động cơ điện một chiều.

1> Giới thiệu chung:

Vấn đề ứng dụng của động cơ điện nói chung trong truyền động điện sảnxuất cũng như ở đầu máy kéo là đựoc sử dụng rộng rãi Hiện nay trong nhiềulĩnh vực khác nhau của đời sống , thì động cơ không đồng bộ là loại động cơđược sử dụng rộng rãi nhờ kinh tế , dễ chế tạo,chi phí vận hành bảo dưỡng sủachữa thấp…Tuy nhiên trong một số lĩnh vực nhất định đòi hỏi về yêu cầu cao

về điều hành tốc độ , về khả năng quá tải thì động cơ KĐB không thể đáp ứngđược hoặc thực hiện được thì phải chi phí các thiết bị đi kèm ( như bộ biếntần ) rất đắt tiền Vì vậy động cơ điện một chiều hiện tai vân là loại động cơkhông thể thay thế được trong những lĩnh vực nói trên

Ứng dụng phổ biến của động cơ điện một chiều hiện nay trong các ngànhsản xuất như hầm mỏ , khai thác quặng , máy xúc và đặc biệt là trong các đầumáy kéo tải ở lĩnh vực giao thông Đó là nhờ hai đặc điểm quan trọng ưu việtcủa nó:

Ngoài hai đặc tính cơ bản trên , thì cấu trúc mạch lực và mạch điềukhiển động cơ điện một chiều (ĐCĐ1C)đơn giản hơn nhiều so với động cơKĐB , đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao hơn trong dải điều chỉnhrộng

Hiện nay trên thế giới ,ở các nước phát triển việc dùng ĐCĐ thay thế chocác loại động cơ điêzen hoặc xăng là phổ biến, đó cũng là xu thế chung đối vớitoàn thế giới Một mặt vì nguồn điện rộng rãi, tiến bộ nhảy vọt về công nghệbán dẫn cho phép chế tạo được nhiều bộ biến đổi gọn nhẹ , khả năng giới hạndòng áp cao và tin cậy hơn và dặc biệt là không gây ô nhiễm môi trường và chohiệu suất cao

2> Cấu tạo

Cấu tạo : Kết cấu chủ yếu của động cơ điện một chiều được chia thành 2

- Cực từ phụ : được đặt giữa các cực từ chính và được dùng để cải thiện đổichiều

- Gông từ : làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy

- Cơ cấu chổi than : gồm chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo

là khe thông gió ngang trục , gió thổi qua làm mát trục

- Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động cảm ứng và có dòngđiện chạy qua

- Cổ góp : dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều trong dây quấn phầnứng thành dòng điện một chiều đưa ra ngoài

Một số các bộ phận khác…

chiều thành các loại như sau:

+ ĐCĐ1C kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

Nếu ta nối hai chổi điện với dòng điện một chiều chạy trong các thanh dẫnnằm trong từ trường của nam châm N-S Dưới tác dụng của từ trường namchâm lên các thanh dẫn có dòng điện sẽ sinh ra lực điện từ có độ lớn:

F=Btb *l*i

Trong đó : Btb cảm ứng từ trung bình trong khe hở

l: chiều dài của thanh dẫn

i: dòng điện chạy trong thanh dẫn

chiều của lực xác định theo quy tắc bàn tay trái

Lực điện từ tác dụng lên các thanh dẫn ở mỗi vùng cực có chiều không đổi ,momen do lực điện từ sinh ra có chiều không đổi làm cho khung dây quay theomột chiều nhất định Đó la nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều.4> Phương trình đặc tính cơ

Khái niệm : Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay vàmomen của động cơ ω = f(M) hoặc n=f(M)

Hình 1: Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập

Ta có phương trình cân bằng điện áp của mạch phân ứng như sau :

Với Rư= rư + rcf + rb +rct

rư : điện trở cuộn dây phần ứng

rcf: điện trở cuộn cực từ phụ

rb : điện trở cuộn bù

rct : điện trở tiếp xúc của chổi điện

Sức điện động Eu của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức :

p N

2 Π a

Trong đó : p : số đôi cực từ chính

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

a : số đôi mạch nhánh song song

Là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

Mdt=k Ф Iư

Và bỏ qua các tổn thất cơ vâ tổn thất thép thi momen trên trục bằng momenđiện từ.

Hình 2 : Sơ đồ đặc tính cơ của ĐCĐMC

5> Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều :

Từ phương trình đặc tính cơ trên, có thể thấy có 3 đại lượng có thểđược thay đổi để điều chỉnh tốc độ động cơ, ứng với một giá trị mômen tải đãcho, đó là các đại lượng:

U-điện áp đặt vào phần ứng

Rư +Rf -điện trở mạch phần ứng, và

Φ-từ thông của động cơ Từ đó dẫn đến 3 phương pháp điều chỉnh tốc

độ động cơ một chiều, xét một cách tổng quát

a> Khi thay đổi điện áp phần ứng, chúng ta chỉ thay đổi giá trị ω0 chứ khôngthay đổi độ dốc của đặc tính cơ, do đó các đặc tính cơ ứng với các điện áp phầnứng khác nhau sẽ là những đường thẳng song song nhau Thông thường, điện áplàm việc của động cơ được thay đổi giảm dần từ điện áp định mức (vì lý do antoàn), do đó các đặc tính cơ sẽ thấp dần kể từ đặc tính cơ tự nhiên (nếu giữ từthông định mức và điện trở phần ứng tự nhiên khi thay đổi điện áp phần ứng)

Họ đặc tính cơ có thể thấy được trên hình 2

Hình 3 Họ đặc tính cơ của động cơ khi điều chỉnh điện áp phần ứng

Ở hình trên ta có các đường đặc tính tương ứng với U1 và U2 với U2<U1 <Uđm

ứng tự nhiên (thêm điện trở vào mạch phần ứng) Khi thực hiện điều này, chỉ có

độ lớn của độ dốc của đặc tính cơ là bị ảnh hưởng (tăng lên), do đó các đặc tính

tăng lên Họ đặc tính cơ được thể hiện trong hình 3

Hình 4 Họ đặc tính cơ của động cơ khi điều chỉnh điện trở phần ứng

Các đường trên là các đường đặc tính của động cơ với các điện trở phụkhác nhau R2 > R1 > R0

c> Các động cơ nhỏ sử dụng nam châm vĩnh cửu không có khả năng điềuchỉnh từ thông, nhưng các động cơ lớn hơn sử dụng dây quấn kích từ có thểthực hiện điều này Tương tự như cách phân tích ở trên, trong trường hợp này

cả giá trị ω0 lẫn độ dốc của đặc tính cơ đều bị thay đổi Thông thường từ thông

khả dĩ là giảm từ thông trong máy, khi đó ω0 sẽ tăng nhưng độ dốc còn tăngnhanh hơn Họ đặc tính cơ có dạng như trong hình 4

Hình 5: Họ đặc tính cơ của động cơ khi điều chỉnh từ thông

Bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức với dòng kích từ theochiều hướng giảm ,nghĩa là ta chỉ có thể điều chỉnh được tốc độ trong vùng trêntốc độ định mức Đường cao nhất ứng với từ thông định mức

Họ đặc tính cơ cho phép xác định điểm làm việc ổn định mới của động

cơ ứng với mỗi phương pháp điều khiển tốc độ, nếu chúng ta biết được cácthông số làm việc mới của động cơ Tuy nhiên, quá trình thay đổi tốc độ củađộng cơ từ điểm làm việc cũ đến điểm làm việc mới diễn ra như thế nào còn tùythuộc vào cách thức mà chúng ta điều chỉnh tham số của động cơ trong mỗiphương pháp, đó là lý do có nhiều thuật toán điều khiển khác nhau như bang-bang, PI, PID, fuzzy logic,

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có nhiều hạnchế so với phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng Phương pháp thay đổi từthông bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí :đó chính là điều kiện chuyển mạchcủa cổ góp điện ,Cụ thể phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có các ưuđiểm sau:

hơn, nên tổn hao công suất điều khiển nhỏ

- Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là giảm U dẫn đến momen ngắnmạch giảm,dòng ngắn mạch giảm.Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi độngđộng cơ

- Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một momen điềuchỉnh xác định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn,liên tục.

Tuy vậy phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏiphải có nguồn áp điều chỉnh được xong nó là không đáng kể so với vai trò và

ưu điểm của nó,vì vậy phương pháp này được sử dụng rộng rãi

Từ những phân tích trên ta thấy việc chọn lựa phương pháp điều chỉnhđiện áp phần ứng là thích hợp nhất cho động cơ Trong đồ án này sẽ trình bàyđiều khiển động cơ điện một chiều có đảo chiều quay bằng băm xung áp

B> Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.

Thực tế có hai phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều :

- Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ

- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ

Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện mộtchiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phầnứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ Hiện nay sử dụng 4 loại biến đổichính :

- Bộ biến đổi máy điện

- Bộ biến đổi điện từ

- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn

- Bộ biến đổi xung áp một chiều

Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động,điều chỉnh tốc độđộng cơ một chiều có loại điêu khiển theo mạch kín (ta có hệ truyền động điềuchỉnh tự động) và loại mạch điều klhiển mạch hở (hệ truyền động điều khiểnhở).Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện có cấu trúc phức tạp,nhưng có chấtlượng điều chỉnh cao và dải điều chỉnh rộng hơn so với hệ truyền động hở Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều cònđược phân loại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiềuquay.Đồng thời tùy thuộc vào các phương pháp hãm,đảo chiều mà ta có truyềnđộng làm việc ở một góc phần tư,hai góc phần tư và bốn góc phần tư

Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồnnhư máy phát điện một chiều kích từ độc lập,các bộ chỉnh lưu điều khiển…Cácthiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một

nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trởtrong Rb và điện cảm Lb khác không

I

Rb Rưđ

° LK

U

Uđk

Eb(uđk) Eư

Hình 6 :Sơ đồ khối và thay thế ở chế độ xác lập

Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau :

thẳng song song nhau,nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết :

ωomin – ωmin Δω

S= =

ωomin ωomin

Mc.cp = K Φđm Iđm =Mđm

Phạm vi điều chỉnh tốc độ và momen nằm trong hình chữ nhật bao bởi các

mạch chính là tổn hao trong mạch phần ứng nếu bỏ qua các tổn hao không đổitrong hệ Hiệu suất biến đổi năng lượng của hệ là :

Hình 8 : Quan hệ giữa hiệu suất truyền động và tốc độ

với các lọai tải khác nhau

dụng trong điều khiển động cơ 1 chiều

Như đã đề cập , phương pháp điều chỉnh điện áp được lựa chọn trongđiều chỉnh tốc độ động cơ Để thay đổi điện áp phần ứng động cơ ta thay đổi tần

số băm khi dùng bộ băm xung áp một chiều Bộ băm xung áp một chiều dùngcho động cơ có công suất nhỏ là phù hợp nhất

Bộ băm xung điện áp một chiều (BXMC) dùng để điều chỉnh hoặc ổnđịnh điện áp ra tải lấy từ nguồn điện cũng là một chiều BXMC được sử dụngtrong các thiết bị như cho động cơ điện một chiều , các cơ cấu điên từ , mạch ổn

áp dải rộng , vv…Van thích hợp với băm xung một chiều là các loại mà điềukhiển được cả quá trình mở và khóa van , do đó tốt nhất là dùng Tranzito(lưỡng cực , MOSFET, IGBT) Khi công suất tải quá lớn ( do dòng lớn và điện

áp quá cao ) vẫn phải dùng Thyristo , lúc đó do không thể khóa van bằng cựcđiều khiển ta buộc phải đưa thêm vào mạch lực các phần tử chuyên dùng đểkhóa van gọi là các phẩn tử chuyển mạch thường làm cho các mạch hoạt độngkém tin cậy

BXMC có thể chia thành ba loại cơ bản :

1> Loại có van và điện cảm mắc nối tiếp với tải

2> Loại có van mắc song song tải còn điện cảm mắc nối tiếp với tải

3> Loại có van mắc nối tiếp với tải còn điện cảm mắc song song với tải

Nó có những ưu điểm sau:

*Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi không đáng kể so vớicác bộ biến đổi liên tục

*Độ chính xác cao ,ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường vì yếu tố điềuchỉnh là thời gian đóng khóa K mà không phải là giá trị điện trở của các phần tửđiều chỉnh thường gặp trong các bộ điều chỉnh liên tục

І> Giới thiệu nguyên lý chung của bộ biến đổi xung áp một chiều.

Sau đây giới thiệu nguyên lý chung của bộ băm xung , đồng thời phân tíchkhái lược về các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ làm việc của băm xung áp

Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc như một công tắc tơ tĩnh ( K) đóng

Hình 9: Sơ đồ nguyên lí của bộ băm xung một chiều

mở liên tục 1 cách chu kỳ Nhờ vậy mà biến đổi được điện áp một chiều khôngđổi thành các xung điện áp một chiều Utb có trị số có thể điều chỉnh được Hoạt động của BXMC dựa trên nguyên tắc đóng ngắt tải với nguồn theo

điện áp trung bình một chiều ra tải là :

T: Chu kỳ đóng cắt của khóa K

Theo biểu thức trên ta thấy để thay đổi điện áp ra trên tải có hai cách:

(phương pháp điều chế độ rộng xung) Gía trị trung bình của điện áp rakhi thay đổi độ rộng xung là:

Ut = = γ.E

thì dải điều chỉnh của Ura là rộng ( 0< ε <1)

2> Thay đổi tần số đóng cắt (f=1/T) và giữ thời gian đóng khóa K không đổi(λ=const) Khi đó:

Ut = E = t1 f.E

Vậy Ut= E.f1 =

Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phương pháp trên.Thực tế phương phápbiến đổi độ rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn,không cần thiết

bị biến tần đi kèm

Như vậy bộ biến đổi xung áp có khả năng điều chỉnh và ổn định điện áp ra

động cơ

- Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp thì 0 < Utb < E

- Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp thì E < Utb < 0

Trong sơ đồ trên L ,C là bộ phận lọc để san bằng và giữ cho điện áp tảithực tế là không đổi , mục đích là giảm hệ số đập mạch nâng cao chất lượngđiều chỉnh

Điện áp trên tải thu được phụ thuộc vào tần số đóng cắt khóa K Trongkhi đó các hạn chế về công nghệ và tổn hao của bộ biến đổi điện áp một chiềuquyết định giới hạn tần số làm việc của bộ biến đổi Để tránh các sóng khôngmong muốn và từ đấy tránh được momen đập mạch thì tần số phải lớn hơn mộtmức nào đó Tần số đóng cắt càng nhanh thì càng làm giảm được kích thướccủa bộ lọc , nhưng nếu quá lớn sẽ sinh ra nhiễu vô tuyến Vì vậy cần cân nhắc

để lựa chọn được bộ biến đổi làm việc ở dải tần thích hợp Thực tế thườngdùng tần số băm khoảng 400Hz ÷ 600Hz

Thực tế khóa k trên sơ đồ nguyên lí được thay thế bằng khóa điện từ cụthể là Tiristor hoặc Transistor ( công suất hoặc MOS)

Việc sử dụng loại linh kiện nào dùng trong bộ biến đổi trong thực tế làdựa vào khả năng kinh tế kỹ thuật và trong nhiều truờng hợp thì việc lựa chọnkhông rõ ràng