Báo cáo Đồ Án Điện tử công suất và truyền Động Điện tính toán thiết kế hệ truyền Động Điện chỉnh lưu Động cơ một chiều

ĐÁNH GIÁ1 Điểm từng tiêu chí và điểm cuối cùng làm tròn đến 0,5 L1.1 Vận dụng được các kiến thức về thiết kế mạch lực, mạch điều khiển bộ biến đổi công suất, hệ truyền động điện ứng dụn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ

====o0o====

BÁO CÁO

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

CHỈNH LƯU ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

Giáo viên hướng dẫn: Vũ Thị Yến

Nhóm số:……7……

Hà Nội 2024

Tên sản phẩm: Báo cáo đồ án môn học

II ĐÁNH GIÁ1 (Điểm từng tiêu chí và điểm cuối cùng làm tròn đến 0,5

L1.1 Vận dụng được các kiến thức về thiết

kế mạch lực, mạch điều khiển bộ biến đổi công suất, hệ truyền động điện ứng dụng trong các công nghệ sản suất

5

2 L1.2 Thiết kế, tính chọn được thiết bị cho

mạch lực và mạch điều khiển 5

Hà Nội, ngày … tháng … năm 20…

GIẢNG VIÊN 1 GIẢNG VIÊN 2

1 Trên cơ sở mục tiêu/chuẩn đầu ra của học phần và sản phẩm của chủ đề nghiên

cứu, giảng viên xây dựng tiêu chí đánh giá và điểm tối đa của từng tiêu chí

SV5 Nguyễn Gia Tuấn

II Nội dung học tập

Tính toán thiết kế hệ truyền động điện chỉnh lưu động cơ một chiều

Số liệu cho trước

- Động cơ một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu có số liệu sau: Pđm = 1,5Kw;

Uưđm = 220V; Iđm = 8,7A; nđm = 1500v/p, Rư = 2,775(Ω) , Lư = 0,0961(H), J = 0,085kg.m2

- Mạch chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển đối xứng cấp nguồn cho mạch phần ứng động cơ

PHẦN THUYẾT MINH

1 Phân tích lựa chọn phương án truyền động điện

1.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều và lựa chọn phương án điều

chỉnh tốc độ1.2 Lựa chọn hệ truyền động

2 Thiết kế mạch chỉnh lưu

2.1 Phân tích và tính chọn mạch lực

2.2 Thiết kế mạch điều khiển

2.2.1 Thiết kế mạch điều khiển và mô phỏng kiểm chứng bằng phần

mềm

2.2.2 Tính chọn thiết bị mạch điều khiển

3 Xây dựng hệ điều khiển tốc độ sử dụng cấu trúc hai mạch vòng phản hồi3.1 Tính chọn thiết bị đo dòng điện và tốc độ

3.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện

3.3 Tổng hợp mạch vòng tốc độ

2 Hoạt động của sinh viên (xác định các hoạt động chính của sinh viên trong

quá trình thực hiện Tiểu luận, Bài tập lớn, Đồ án/Dự án để hình thành tri thức,

kỹ năng đáp ứng mục tiêu chuẩn đầu ra nào của học phần)

- Hoạt động/Nội dung 1: Chương 1: Tổng quan về hệ TĐ Đ T-Đ

Mục tiêu/chuẩn đầu ra:: Vận dụng được các kiến thức về thiết kế mạch lực, mạchđiều khiển bộ biến đổi công suất, hệ truyền động điện ứng dụng trong các công nghệsản suất

- Hoạt động/Nội dung 2: Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển ( dùng TCA 785),mạch lực.

Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Thiết kế, tính chọn được thiết bị cho mạch lực và mạch điềukhiển

- Hoạt động Nội dung 3 Tính chọn thiết bị

Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Thiết kế, tính chọn được thiết bị cho mạch lực và mạch điềukhiển

3 Sản phẩm nghiên cứu (xác định cụ thể sản phẩm của chủ đề nghiên cứu cần

đạt được, ví dụ: Bản thuyết minh, bài thu hoạch, mô hình, sơ đồ, bản vẽ kỹ thuật, trang website, bài báo khoa học, )

Bản báo cáo thuyết minh đồ án môn học.

KẾ HOẠCH THỰC HIỆN TIỂU LUẬN, BÀI TẬP

LỚN, ĐỒ ÁN/DỰ ÁN ( BM2)

Tên lớp: EE6017 KHOÁ 16

Họ và tên sinh viên: Nhóm 7

Tên chủ đề: Tính toán thiết kế hệ truyền động điện chỉnh lưu động cơ một chiều

Tuần Người thực hiện Nội dung công việc Phương pháp thực

BÁO CÁO HỌC TẬP CÁ NHÓM 7

Tên lớp: EE6017 KHOÁ 16

Họ và tên sinh viên: Nhóm 7

Tên chủ đề: Tính toán thiết kế hệ truyền động điện chỉnh lưu động cơ một chiều

Kiến nghị với GVHD (nêu

khó khăn, hỗ trợ từ GV nếu cần)

PHẦN THUYẾT MINHLới nói đầu

Chương 1: Tổng quan về động cơ điện 1 chiều và hệ truyền động

Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển, mạch chỉnh lưu

Chương 3: Tính chọn thiết bị

Chương 4: Tổng hợp bộ điều khiển

2 Hoạt động của sinh viên

Sau khi học xong học phần này, sinh viên có khả năng đáp ứng chuẩn đầu ra:

- Vận dụng được các kiến thức về thiết kế mạch lực, mạch điều khiển bộ biếnđổi công suất, hệ truyền động điện ứng dụng trong các công nghệ sản suất

- Thiết kế, tính chọn được thiết bị cho mạch lực và mạch điều khiển

3 Sản phẩm nghiên cứu

- Bản mềm báo cáo đồ án dạng file word và file pdf, gửi vào email: , tiêu đềthư ghi rõ

- Bản báo cáo đồ án đóng bìa mềm (xanh lá cây- không bóng kính), hai mặt

(giấy thường)- Đánh máy.

III Nhiệm vụ học tập

1 Hoàn thành Tiểu luận, Bài tập lớn, Đồ án/Dự án theo đúng thời gian quy định

2 Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề được giao trước giảng viên vànhững sinh viên khác

IV Học liệu thực hiện Tiểu luận, Bài tập lớn, Đồ án/Dự án

[1] Trần Văn Thịnh, “Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất”, Nhà xuất bản

Giáo dục, 2008

- Sách, tài liệu tham khảo: Ghi rõ những sách, tạp chí và tư liệu thông tin liên

quan đến học phần (Tài liệu kê theo thứ tự ưu tiên sử dụng, kê tối thiểu 3 tài

liệu).

[1] Quách Đức Cường, Nguyễn Đăng Toàn, Tổng hợp hệ thống điện cơ, NXB

Khoa học kỹ thuật, 2019

[2] Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi,

“Điều chỉnh tự động truyền động điện”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật,2005

[3] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, “Điện tử công suất”, Nhà

xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2005

2 Phương tiện, nguyên liệu thực hiện Tiểu luận, Bài tập lớn, Đồ án/Dự án (nếu có):

KẾ HOẠCH THỰC HIỆN TIỂU LUẬN, BÀI TẬP LỚN, ĐỒ

ÁN/DỰ ÁN

thực hiện

động điện

Nghiên cứu tài liệu, vận dụng kiến thức thực hiện; trao đổi

và thảo luận nhóm.

Ngày….tháng… năm…

XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN

(Ký, ghi rõ họ tên)

Kiến nghị với GVHD

về hệ truyền độngT-Đ cũng như cấutrúc và ưu, nhượcđiểm của hệ

điều khiển, mạch chỉnhlưu

MỤC LỤC

Chương 1: Tổng quan về động cơ điện 1 chiều và hệ truyền động 1

1.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều 1

1.1.1 Khái niệm 1

1.1.2 Phân loại động cơ 1

1.1.2.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập 1

1.1.2.2 Động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu 1

1.1.2.3 Kết luận chọn loại động cơ 2

1.1.3 Cấu tạo động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu 2

1.1.4 Nguyên lí hoạt động 2

1.1.5 Đặc tính cơ của động cơ 3

1.1.5.1 Đặc tính cơ điện 3

1.1.5.2 Đặc tính cơ tự nhiên 5

1.1.5.3 Đặc tính cơ nhân tạo 5

1.2 Lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ 5

1.2.1 Thay đổi điện trở mạch phần ứng 5

1.2.2 Thay đổi điện áp phần ứng 6

1.2.3 Kết luận 7

1.3 Lựa chọn hệ truyền động 8

1.3.1 Khái niệm hệ truyền động 8

1.3.2 Cấu trúc chung hệ truyền động 8

1.3.3 Các loại hệ truyền động 9

1.3.3.1 Hệ truyền động máy phát – động cơ điện 9

1.3.3.2 Hệ chỉnh lưu điều khiển – động cơ điện 1 chiều không đảo chiều 11

1.3.3.3 Hệ chỉnh lưu điều khiển – động cơ điện 1 chiều có đảo chiều 12

1.3.3.4 Hệ điều chỉnh xung điện áp động cơ 13

1.3.4 Kết luận 14

Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển, mạch chỉnh lưu14

2.1 Giới thiệu mạch động lực 14

2.1.1 Sơ đồ khối mạch động lực 14

2.2 Chọn mạch chỉnh lưu điện áp 1 pha 15

2.2.1 Chỉnh lưu cầu 1 pha 15

2.2.1.1 Chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển 15

2.2.1.2 Chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn 17

2.2.1.3 Chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển hoàn toàn 19

2.2.2 Chỉnh lưu tia 1 pha 20

2.2.2.1 Chỉnh lưu tia 1 pha không điều khiển 20

2.2.2.2 Chỉnh lưu tia 1 pha điều khiển hoàn toàn 22

2.2.3 Chọn van cho mạch chỉnh lưu 23

2.2.3.1 MOSFET 23

b) Cấu tạo 24

d) Ưu, nhược điểm 25

2.2.3.2 IGBT 26

b) Cấu tạo 26

d) Ưu, nhược điểm 27

2.2.3.3 GTO 28

c) Ưu, nhược điểm 28

2.2.3.4 Thyristor 29

d) Ưu, nhược điểm 31

2.2.3.5 So sánh chọn loại van 32

2.2.4 Kết luận chọn mạch chỉnh lưu 32

2.3 Mạch điều khiển 32

2.3.1 Sơ đồ nguyên lí 32

2.3.2 Yếu cầu mạch điều khiển 33

2.3.3 Nhiệm vụ mạch điều khiển 33

2.3.4 Nguyên tắc điều khiển 34

2.3.4.1 Nguyên tắc điều khiển tuyến tính thẳng đứng 34

2.3.4.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đúng arccos 35

2.3.4.3 Kết luận chọn phương pháp điều khiển 36

2.3.5 Nguyên tắc hoạt động từng khâu trong mạch điều khiển 36

2.3.5.1 Khâu đồng pha 36

2.3.5.2 Khâu so sánh 37

2.3.5.3 Khâu tạo xung chùm 38

2.3.5.4 Khâu khuếch đại 40

2.3.6 Phương pháp dùng IC thiết kế mạch điều khiển 41

2.3.7 Tổng quan về TCA 785 41

2.3.7.1 Đặc chưng và nhiệm vụ 41

2.3.7.2 Hình ảnh, ký hiệu 42

2.3.7.3 Chức năng các chân 42

2.3.7.4 Dạng tín hiệu 43

2.3.7.5 Sơ đồ cấu tạo 44

2.3.7.6 Các thông số của TCA 785 44

2.3.7.7 Nguyên lí làm việc của TCA 785 45

2.3.8 Xây dựng mạch điều khiển 46

2.3.8.1 Khâu khuếch đại xung điều khiển 46

2.3.8.2 Khâu truyền hàm điều khiển 47

2.3.9 Phân tích hoạt động của mạch điều khiển 48

2.4 Sơ đồ hoàn chỉnh hệ truyền động 50

Chương 3: Tính chọn thiết bị 50 3.1 Các thông số yêu cầu 50

3.2 Tính chọn các thiết bị cơ bản mạch động lực 51

3.2.1 Tính chọn Thyristor 51

3.2.1.1 Điện áp ngược của van 51

3.2.1.2 Dòng điện làm việc của van 52

3.2.2 Tính toán máy biến áp chỉnh lưu 53

3.3 Tính chọn các thiết bị mạch bảo vệ 59

3.3.1 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn 59

3.3.2 Bảo vệ quá dòng điện cho các van bán dẫn 60

3.3.3 Bảo vệ quá điện áp cho các van bán dẫn 61

3.3.4 Tính toán cuộn kháng lọc 62

3.3.5 Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ 63

3.4 Tính chọn thông số các phần tử mạch điều khiển 63

3.4.1 Tính chọn các phần tử trong khâu khuếch đại xung 63

3.4.2 Tính chọn các phần tử bên ngoài TCA 780 65

3.4.3 Tính chọn nguồn nuôi 65

3.4.4 Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha 66

3.4.4.1 Tính chọn Diot cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi 67

Chương 4: Tổng hợp bộ điều khiển 68 4.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển 68

4.2 Tính toán thông số động cơ một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu 68 4.3 Tính chọn thiết bị đo dòng điện, điện áp và tốc độ 69

4.3.1 Thiết bị đo dòng điện và mạch đo lường dòng điện 69

4.3.2 Thiết bị đo điện áp và mạch đo lường điện áp 71

4.3.3 Thiết bị đo tốc độ và mạch đo lường tốc độ 73

4.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện và tốc độ 75

4.4.1 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện 75

4.4.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ 77

4.5 Mô phỏng và đánh giá kết quả bằng phần mềm MATLAB/SIMULINK 79

Chương 1: Tổng quan về động cơ điện 1 chiều và hệ

truyền động 1.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều

1.1.1 Khái niệm

Động cơ điện một chiều (ĐCĐMC) là một thành phần không thể thiếu trong nhiềuứng dụng công nghiệp và đời sống hàng ngày Được sử dụng rộng rãi từ các thiết bị giadụng như quạt điện, máy xay sinh tố, đến các bộ phận khởi động của ô tô và xe máy,ĐCĐMC có vai trò quan trọng trong việc chuyển hóa năng lượng điện thành năng lượng

cơ học

Với khả năng điều chỉnh tốc độ linh hoạt và dải điều chỉnh rộng, ĐCĐMC trởthành lựa chọn ưu tiên cho các ứng dụng cần sự chính xác cao trong điều khiển tốc độ vàmô-men xoắn Trong công nghiệp, chúng được áp dụng trong các máy công cụ, máy cắtkim loại, và hệ thống truyền động của giao thông vận tải, cũng như trong các thiết bị cầutrục, máy ép, máy nghiền, và máy cán

Mặc dù có những nhược điểm như cần nguồn điện một chiều, bảo quản cổ gópphức tạp, và giá thành cao, ĐCĐMC vẫn được ưa chuộng nhờ vào cấu trúc mạch lực vàmạch điều khiển đơn giản, cùng khả năng quá tải về mô-men tốt Những ưu điểm nàygiúp ĐCĐMC phù hợp với các ngành công nghiệp yêu cầu mô-men mở máy lớn và điềuchỉnh tốc độ chính xác như ngành cán thép và hầm mỏ

ĐCĐMC là một phần quan trọng của cuộc cách mạng công nghiệp hiện đại, vớivai trò không thể thay thế trong việc phát triển và sản xuất công nghiệp, cũng như trongviệc nâng cao chất lượng cuộc sống hàng ngày

1.1.2 Phân loại động cơ

1.1.2.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Động cơ một chiều kích từ độc lập là một loại động cơ điện được sử dụng đểchuyển đổi điện năng thành cơ năng hoặc ngược lại (khi hãm) Đặc điểm nổi bật củađộng cơ này là khi có nguồn điện 1 chiều với công suất không đủ lớn, mạch điện củaphần ứng và mạch điện kích từ sẽ độc lập với nhau

1.1.2.2 Động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

Động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu là một loại động cơ điệnđược sử dụng để chuyển đổi điện năng thành cơ năng hoặc ngược lại (khi hãm) Đặcđiểm nổi bật của động cơ này là khi có nguồn điện 1 chiều với công suất không đủ lớn,mạch điện của phần ứng và mạch điện kích từ sẽ độc lập với nhau

1.1.2.3 Kết luận chọn loại động cơ

Qua tìm hiểu hai loại động cơ điện một chiều trên, thì động cơ điện một chiềumang lại hiệu suất, hiệu quả phù hợp cho bài toán Vì vậy, chúng em lựa chọn động cơmột chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

1.1.3 Cấu tạo động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

Động cơ một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu là một loại động cơ điện sửdụng nguồn điện áp DC (dòng điện một chiều) để biến đổi thành năng lượng cơ học.Động cơ này có cấu tạo và nguyên lý hoạt động khác biệt so với động cơ một chiều thôngthường

Cấu tạo động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm điện

- Stator (Phần đứng yên): Chứa ít nhất một cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châmđiện Stator không quay và tạo ra trường từ tĩnh

- Rotor (Phần quay): Là phần quay được làm từ các cuộn dây quấn tạo thành namchâm điện Rotor nối với nguồn điện áp và quay theo trường từ tĩnh của stator

- Chổi than (Brushes): Là phần tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp

- Cổ góp (Commutator): Bộ phận tiếp xúc và chia nhỏ nguồn điện cho các cuộn dâytrên rotor Mỗi điểm tiếp xúc tương ứng với một cuộn dây trên rotor

1.1.4 Nguyên lí hoạt động

Động cơ điện một chiều là một máy điện biến đổi năng lượng điện của dòng mộtchiều thành cơ năng Trong quá trình biến đổi đó, một phần năng lượng của dòng xoaychiều bị tiêu tán do các tổn thất trong mạch phần ứng và mạch kích từ, phần còn lại nănglượng được biến thành cơ năng trên trục động cơ

Khi có dòng điện một chiều chạy vào dây quấn kích thích và dây quấn phần ứng

sẽ sinh ra từ trường ở phần tĩnh Từ trường này có tác dụng tương hổ lên dòng điện trêndây quấn phần ứng tạo ra momen tác dụng lên roto là cho roto quay Nhờ có vành đổichiều nên dòng điện xoay chiều được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều đưa vào dâyquấn phần ứng Điều này làm cho lực từ tác dụng lên thanh dây dẫn quấn phần ứngkhông bị đổi chiều và làm động cơ quay theo một hướng

Công suất ứng với momen điện từ đưa ra đối với động cơ gọi là công suất điện từ

Hình 1.1 Sơ đồ đấu dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập

 Phương trình cân bằng điện áp:

Hình 1.3 Hình dạng đặc tính cơ-điện

1.1.5.2 Đặc tính cơ tự nhiên

Đặc tính cơ tự nhiên: Là đặc tính cơ có các tham số định mức và không sử dụngthêm các thiết bị phụ trợ khác Mỗi động cơ chỉ có một đặc tính cơ tư nhiện

 Phương trình đặc tính cơ- điện tự nhiên:

 Phương trình đặc tính cơ tự nhiên:

1.1.5.3 Đặc tính cơ nhân tạo

Đặc tính cơ nhân tạo là đặc tính cơ có một trong các tham số khác định mức hoặc cóđiện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ Mỗi động cơ có thể có nhiều đặc tính cơ nhântạo

 Phương trình đặc tính cơ nhân tạo:

ω = KΦ Uu − Ru+ Rf

( KΦ)2 M

1.2 tuLựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ

1.2.1 Thay đổi điện trở mạch phần ứng

Hình 1.4 Đặc tính điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi Rf

Đặc điểm điều chỉnh:

 Tốc độ không tải lí tưởng không đổi

 Chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía giảm

 Khi Rf tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng mềm => Độ ổnđịnh tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn

 Tổn hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở phụ

Nếu ta tăng Rf đến một giá trị nào đó thì sẽ làm M ≤ Mc như thế động cơ sẽ khôngquay được và động cơ làm việc ở chế độ ngắn mạch (ɷ = 0) Từ lúc này, ta có thể thay đổi

Rf thì tốc độ vẫn bằng 0, nghĩa là không điều chỉnh tốc độ động cơ được nữa Do đóphương pháp này điều chỉnh này là phương pháp điều chỉnh không triệt để

Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cần trục,

thang máy, máy nâng, máy xúc

Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp thì giá trị điện trở đóng vào càng lớn,

đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm dẫn đến sự ổn định tốc độ khi phụ tải thay đổi kém.Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp thì tổn hao phụ càng cao

 Phương pháp này thay đổi Rf chỉ phù hợp khi khời động động cơ

1.2.2 Thay đổi điện áp phần ứng

có bộ nguồn một chiều thay đổi được điện áp ra, thường dùng các bộ biến đổi

Hình 1.5 Đặc tính điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi Uư

Đặc điểm điều chỉnh:

 Tốc độ động cơ tăng/giảm theo chiều tăng/giảm của điện áp phần ứng

 Thay đổi được cả tốc độ không tải lí tưởng , và dòng điện ngắn mạch

 Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh

 Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ về phía giảm vì chỉ có thể thay đổi với Uư≤ U

đm

Ưu điểm: Phương pháp này điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

động cơ sẽ giữ nguyên độ cứng đường đặc tính nên được dùng nhiều trong các máy cắtgọt kim loại Đảm bảo kinh tế, tổn hao năng lượng thấp, phạm vi điều chỉnh rộng Nếukết hợp với phương pháp điều chỉnh từ thông thì ta có thể điều chỉnh tốc độ lớn hơn vànhỏ hơn định mức

Nhược điểm: Phương pháp này cần một bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp 1.2.3 Kết luận

Qua phân tích 2 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều trên, thìphương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng là tốt hơn cả

và triệt để nhất Vì vậy, chúng em lựa chọn phương pháp thay đổi điện áp phần ứng đểđiều khiển tốc độ động cơ một chiều

1.3 Lựa chọn hệ truyền động

1.3.1 Khái niệm hệ truyền động

Hệ truyền động điện là một tổ hợp các thiết bị điện, điện tử…Phục vụ cho choviệc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấu công tác trên các máy sảnsuất, cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi nănglượng đó theo yêu cầu công nghệ

1.3.2 Cấu trúc chung hệ truyền động

Hình 1.6: Cấu trúc chung của hệ truyền động điện

Trong đó:

Cấu trúc của hệ truyền động điện gồm 2 phần chính:

 Phần lực (mạch lực): từ lưới điện hoặc nguồn điện cung cấp điện năng đến bộ

biến đổi (BBĐ) và động cơ điện (ĐC) truyền động cho phụ tải (MSX).

 Phần điều khiển (mạch điều khiển) gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh

tham số và công nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ công

nghệ và người vận hành.

1.3.3 Các loại hệ truyền động

1.3.3.1 Hệ truyền động máy phát – động cơ điện

Hệ thống máy phát - động cơ (F-Đ) là hệ truyền động điện mà BBĐ điện là máy phát điệnmột chiều kích từ độc lập Máy phát này thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ 3 phaquay và coi tốc độ quay của máy phát là không đổi

Hệ truyền động F-Đ đơn giản.

 Trong sơ đồ:

- Đ: Là động cơ điện một chiều kéo cơ cấu sản xuất, cần phải điều chỉnh tốc độ

- F: Là máy phát điện một chiều, đóng vai trò là BBĐ, cấp điện cho động cơ Đ

- ĐTr: Động cơ KĐB 3 pha kéo máy phát F, có thể thay thế bằng một nguồn nănglượng khác

- K: Máy phát tự kích, để cấp nguồn điện cho các cuộn kích từ C KF và C KĐ

 Điện áp ra của bộ biến đổi cấp cho động cơ Đ:

u F=uĐ=E F−I RưF=Kϕ ωĐTr −I RưF

Khi ta thay đổi giá trị của biến trở R KF thì sẽ làm cho dòng điện qua cuộn kích từ

C KF thay đổi, do đó từ thông kích từ φF của máy phát thay đổi (giảm), dẫn đến điện áp uFthay đổi, do đó tốc độ động cơ Đ thay đổi: ω <ω cb Như vậy, bằng cách điều chỉnh biến trở

R KF, ta điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ Đ trong khi giữ từ thông không đổi:

φ =φ dm

Khi thay đổi giá trị của biến trở R KĐ ta có thể thay đổi từ thông kích từ động cơ Đ.Khi φ Đ giảm thì tốc độ động cơ Đ tăng: ω <ω cb Trong khi điều chỉnh từ thông φ Đ, ta giữđiện áp phần ứng động cơ không đổi: U ưĐ=U đm

 Nhược điểm quan trọng nhất của hệ F-Đ là dùng nhiều máy điện quay, trong

đó ít nhất là 2 máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhấtgấp 3 lần công suất động cơ chấp hành, dẫn đến giá thành tăng, hiệu suấtthấp

 Ngoài ra, do các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hóa có trễ nên khóđiều chỉnh sâu tốc độ

Khi dòng kích từ I CKF = 0 thì U F =U ư ≠ 0, do đó tồn tại giá trị tốc độ ω ≠ 0

Vì vậy để giảm nhanh tốc độ động cơ về 0 ta phải thực hiện hãm động năng

1.3.3.2 Hệ chỉnh lưu điều khiển – động cơ điện 1 chiều không đảo chiều

nguon xoay chieu 220V

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý hệ T-Đ không đảo chiều.

Các chế độ làm việc của hệ T-Đ không đảo chiều.

- Hãm ngược: được thực hiện bởi momen cản Năng lượng được tiêu haotrên điện trở dây quấn

- Hãm động năng: E d =0→α= π

2

Trên mặt phẳng ĐTC thì đường hãm động năng là đường đi qua gốc tọa độ với hệ T-Đkhông đảo chiều thì đặc tính điều chỉnh thuộc góc phần tư thứ 1 và thứ 4

1.3.3.3 Hệ chỉnh lưu điều khiển – động cơ điện 1 chiều có đảo chiều

Các sơ đồ hệ truyền động T-Đ có đảo chiều thường gặp

Có thể đảo chiều động cơ bằng hai cách: Đảo chiều điện áp phần ứng hoặc đảo chiều từ thông kích từ.

Trong các sơ đồ đảo chiều trên, cuộn kháng cân bằng CB dùng để chặn dòng điện cân bằng chảy qua hai bộ chỉnh lưu khi đảo chiều.

1.3.3.4 Hệ điều chỉnh xung điện áp động cơ

Từ thông động cơ được giữ không đổi Điện áp phần ứng được cấp từ một bộ biến đổi Khi thay đổi điện áp cấp cho cuộn dây phần ứng, ta có các họ đặc tính cơ ứng với các tốc

độ không tải khác nhau, song song và có cùng độ cứng.

Điện áp U chỉ có thể thay đổi về phía giảm ( U <U đm ) nên phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh giảm tốc độ.

Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng.

Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm A trên đặc tính cơ 1 ứng với điện áp U1 trên phần ứng.

Khi giảm điện áp từ U1 xuống U2, động cơ thay đổi điểm làm việc từ điểm A có tốc

độ lớn ωA trên đường 1 xuống điểm D có tốc độ nhỏ hơn (ωD<ωA) trên đường 2 (ứng với điện áp U2).

Quá trình thay đổi tốc độ khi điều chỉnh điện áp

Trong khi giảm tốc độ theo cách giảm điện áp phần ứng, nếu giảm mạnh điện áp, nghĩa là chuyển nhanh từ tốc độ cao xuống tốc độ thấp thì cùng với quá trình giảm tốc

có thể xảy ra quá trình hãm tái sinh Chẳng hạn, động cơ đang làm việc tại điểm A với tốc độ lớn ω A trên đặc tính cơ 1 ứng với điện áp U1 Ta giảm mạnh điện áp phần ứng từ

U1 xuống U3 Lúc này động cơ chuyển điểm làm việc từ điểm A trên đường 1 sang điểm

E trên đường 3 (chuyển ngang với ω A =ω E ) Vì ω E lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng ω03của đặc tính cơ 3 nên động cơ sẽ làm việc ở trạng thái hãm tái sinh trên đoạn EC của đặc tính 3.

1.3.4 Kết luận

- Ưu điểm: Hệ T-Đ là một trong những hệ truyền động điện có cấu trúc đơn giản cho phép sử

dụng nguồn trực tiếp từ lưới, điều khiển dễ dàng Vì vậy, hệ này cho phép mức độ tự động

hóa cao và hiệu suất năng lượng cao.

- Nhược điểm: Ở chế độ tải nhỏ, hệ T-Đ dễ xảy ra hiện tượng dòng tải gián đoạn Vì vậy,

trong chế độ này cần áp dụng các phương pháp điều chỉnh thích hợp như điều chỉnh thích

nghi( thích nghi với các chế độ khác nhau).

Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển, mạch chỉnh lưu 1.4 Giới thiệu mạch động lực

 Cách ly với điện áp lưới.

Khối van chỉnh lưu: Các van bán dẫn (Diode, Thyristor, )

Khối lọc: Giúp điện áp đầu ra mạch chỉnh lưu là điện áp một chiều bằng phẳng theoyêu cầu

1.5 Chọn mạch chỉnh lưu điện áp 1 pha

1.5.1 Chỉnh lưu cầu 1 pha

1.5.1.1 Chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển

a) Chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển với tải thuần trở

Hình 3 Sơ đồ CL cầu 1 pha không điều khiển tải thuần trở

S ba =S1=S2=U2I2= π

2√2U d ⋅ π

2√2I d

Trong đó :

Điện áp chỉnh lưu trung bình: Ud

• Dòng trung bình qua tải : Id

• Điện áp ngược lớn nhất trên van : Ung,max

• Dòng qua thứ cấp máy biến áp I2

• Dòng qua sơ cấp máy biến áp I1

Hình 2.10 Dạng dòng điện, điện áp của các phần tử trên sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha tải thuần trở

b) Chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển với tải trở cảm

Hình 3 Sơ đồ CL cầu 1 pha không điều khiển tải trở cảm

Ta có các công thức:

Hình 2.10 Dạng dòng điện, điện áp của các phần tử trên sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha tải trở cảm.

1.5.1.2 Chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn

a) Chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn với tải thuần trờ

Hình 3 Sơ đồ CL cầu 1 pha điều khiển toàn phần tải thuần trở

m

Π (1+cos α

2 )

Hình 2.11 Dạng dòng điện, điện áp của các phần tử trên sơ đồ chỉnh lưu cầu một

pha tiristo tải thuần trở

b) Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn với tải trở cảm

Hình 2.11 Dạng dòng điện, điện áp của các phần tử trên sơ đồ chỉnh lưu cầu một

pha tiristo tải trở cảm.

1.5.1.3 Chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển hoàn toàn

Hình 4 Sơ đồ CL cầu 1 pha bán điều khiển hoàn toàn

Sơ đồ cầu một pha có dạng không đối xứng, hay còn gọi là sơ đồ bán điều khiển, có haidạng như được biểu diễn trên hình và cả hai sơ đồ đều làm việc với tải tiêu biểu kiểu trở cảm

Hình 2.11 Dạng dòng điện, điện áp của các phần tử trên sơ đồ chỉnh lưu cầu một

pha bán điều khiển hoàn toàn tải trở cảm.

1.5.2 Chỉnh lưu tia 1 pha

1.5.2.1 Chỉnh lưu tia 1 pha không điều khiển

Sơ đồ chỉnh lưu tia 1 pha không điều khiển

a) Chỉnh lưu tia 1 pha không điều khiển với tải thuần trở

Hình 3.1 Chỉnh lưu tia 1 pha 2 nửa chu kì không điều khiển tải thuần trở

Hình 2.4 Dạng điện áp, dòng điện của các phần tử tải thuần trở.

b) Chỉnh lưu tia 1 pha không điều khiển với tải trở cảm

Hình 3.1 Chỉnh lưu tia 1 pha 2 nửa chu kì không điều khiển tải trở cảm.

Hình 2.4 Dạng điện áp, dòng điện của các phần tử tải trở cảm

1.5.2.2 Chỉnh lưu tia 1 pha điều khiển hoàn toàn

Hình 2.5 Chỉnh lưu hình tia hai nửa chu kỳ có điều khiển

a) Chỉnh lưu tia 1 pha điều khiển hoàn toàn với tải thuần trở

Hình 2.6: Dạng đường cong điện áp, dòng điện khi tải thuần trở.

b) Chỉnh lưu tia 1 pha điều khiển hoàn toàn với tải trở cảm (khi L đủ lớn)

Hình 2.6: Dạng đường cong điện áp, dòng điện khi tải trở cảm.

1.5.3 Chọn van cho mạch chỉnh lưu

1.5.3.1 MOSFET

a) Khái niệm

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) là một loại transistor dựatrên hiệu ứng trường điện từ của bán dẫn MOSFET được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụngđiện tử để điều khiển và khuếch đại tín hiệu điện

b) Cấu tạo

MOSFET được chia thành hai loại chính là MOSFET kênh-N (n-channel MOSFET) vàMOSFET kênh-P (p-channel MOSFET), phụ thuộc vào dòng điện chảy qua kênh bán dẫn.Nhưng nhìn chung Mosfet được cấu tạo bởi các thành phần chính như sau:

 Cổng điều khiển (Gate-G): Là một tấm kim loại được đặt trên một lớp mỏng bán dẫnoxide (SiO2) Cổng điều khiển được sử dụng để điều khiển dòng điện quaMOSFET

 Kênh bán dẫn (Channel): Là một khu vực bán dẫn nằm giữa hai lớp bán dẫn Khi ápdụng điện áp vào cổng điều khiển, trường điện từ được tạo ra trong kênh bán dẫn,điều khiển độ dẫn của kênh và điều khiển dòng điện thông qua MOSFET

 Lớp bán dẫn (Source và Drain): MOSFET có hai lớp bán dẫn, gọi là Source vàDrain, được nối với hai đầu của kênh bán dẫn Dòng điện sẽ chảy từ Drain đếnSource khi MOSFET được kích hoạt bằng cổng điều khiển

 Cấu trúc bảo vệ: Cấu trúc bảo vệ được sử dụng để bảo vệ MOSFET khỏi sự tác độngcủa điện áp quá cao hoặc quá thấp, bao gồm các thành phần như đường nối, nguồncấp điện và các thành phần bảo vệ khác

c) Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của MOSFET dựa trên việc điều khiển độ dẫn của kênh bán dẫn giữahai lớp bán dẫn của MOSFET bằng cách tạo ra một trường điện trong kênh bán dẫn thông quacổng điều khiển Được phân chia thành các trường hợp như sau:

 Khi không có điện áp được áp dụng vào cổng điều khiển, MOSFET sẽ ở trạng tháingắt(OFF) và không cho phép dòng điện chảy qua kênh bán dẫn Trường điện khôngđược tạo ra trong kênh bán dẫn và độ dẫn của kênh bán dẫn rất thấp

 Khi một điện áp dương được áp dụng vào cổng điều khiển, một trường điện dươngđược tạo ra trong kênh bán dẫn, thu hút các điện tử từ Source và Drain và tạo ra một

 Điện áp được áp dụng vào cổng điều khiển sẽ kiểm soát độ dẫn của kênh bán dẫn,

do đó kiểm soát dòng điện thông qua MOSFET Điện áp càng lớn, trường điện tạo racàng lớn, kênh bán dẫn càng mở rộng và độ dẫn của nó càng cao Ngược lại, nếuđiện áp càng nhỏ, trường điện càng nhỏ, kênh bán dẫn càng thu hẹp và độ dẫn của nócàng thấp

d) Ưu, nhược điểm

Ưu điểm:

 Điện trở vào rất cao: MOSFET có điện trở vào rất cao, do đó tiêu thụ rất ít dòng điệnvào Điều này giúp giảm thiểu tình trạng tiêu thụ năng lượng và giảm nhiệt độ củaMOSFET

 Chịu áp cao: MOSFET có khả năng chịu áp cao hơn so với các loại transistor khác, chophép nó được sử dụng trong các mạch điện áp cao

 Tốc độ chuyển đổi nhanh: MOSFET có tốc độ chuyển đổi nhanh hơn so với các loạitransistor khác, giúp tăng tốc độ hoạt động của mạch điện

 Độ ổn định cao: MOSFET có độ ổn định cao hơn so với các loại transistor khác, do đó

nó được sử dụng trong các mạch cần độ chính xác cao

 Kích thước nhỏ: MOSFET có kích thước nhỏ hơn so với các loại transistor khác, giúpgiảm kích thước của mạch điện tử

 Thiết kế đơn giản: MOSFET có thiết kế đơn giản hơn so với các loại transistor khác, do