Đồ án Thiết kế bộ băm xung áp một chiều

I.Vài nét tổng quan về máy điện một chiều.1.Cấu tạo của máy điện một chiều. Kết cấu của mấy điện một chiều có 2 phần chính là phần tĩnh và phần động.a.Phần tĩnh (stato): Là bộ phận đứng yên của máy. Gồm các bộ phận chính sau:Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bẵng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon ghép lại. Trong máy điện nhỏ, có thể dùng thép khối. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng có bọc cách điện.

Đè tài: Thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều điều chỉnh tốc độ động cơ một

chiều kích từ độc lập với số liệu như sau:

Điện áp phầnứng (V)

Phạm vi điềuchỉnh tốc độ

Sinh viện thực hiện: Lê Văn Hậu

Nguyễn Thị Thanh Hoa

Giáo viên hướng dẫn: Chu Đức Toàn

Lớp: Đ5CNTD

LỜI NÓI ĐẦU

Ứng dụng Điện tử công suất trong truyền động điện – điều khiển tốc độ động cơ làlĩnh vực quan trọng và ngày càng phát triển Các nhà sản xuất không ngừng cho ra đờicác sản phẩm và công nghệ mới về các phần tử bán dẫn công suất và các thiết bị điềukhiển đi kèm Do đó khi thực hiện đồ án chúng em đã cố gắng cập nhật những kiến thứcmới nhất, những công nghệ mới trong lĩnh vực điều khiển các phần tử bán dẫn công suất.Với yêu cầu thiết kế bộ băm xung áp một chiều để điều khiển động cơ một chiều có đảochiều kích từ độc lập, chúng em đã cố gắng tìm hiểu về các phương án công nghệ sao chobản thiết kế vừa đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, yêu cầu kinh tế Với hy vọng đồ án điện tửcông suất này là một bản thiết ké kĩ thuật có thể áp dụng được trong thực tế nên chúng

em đã cố gắng mô tả cụ thể, tỉ mỉ và tính toán cụ thể các thông số của sơ đồ mạch

Do trình độ hiểu biết của chúng em còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những saisót Chúng em mong nhận được sự phê bình, góp ý của các thầy cô để giúp chúng emhiểu rõ hơn các vấn đề trong đồ án cũng như những ứng dụng thực tế của nó để bản đò áncủa chúng em được hoàn thiện hơn

Trong quá tình làm đồ án chúng em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn của thầy

giáo Chu Đức Toàn Chúng em xin chân thành cảm ơn.

CHƯƠNG I: Giới thiệu về động cơ một chiều

Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện một chiều vẫn được coi là một loại máyquan trọng, không thể thiếu Nó có thể dùng làm động cơ điện, máy phát điện hay dùngtrong những điều kiện làm việc khác Động cơ điện một chiều giữ một vị trí nhất địnhnhư trong công nghiệp giao thông vận tải, ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liêntục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lướn, đầu máy điện ).Một động cơ điện một chiều có giá thành đắt hơn các động cơ không đồng bộ hay cácđộng cơ xoay chiều khác do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ gópphức tạp hơn nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn đóng vai tròkhông 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 máyphát điện tùy theo những điều kiện làm việc khác nhau Song ưu điểm lớn nhất của động

cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải Nếu như bản thân động cơkhông đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí cho cácthiết 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 trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơnđồng thời lại chất lượng cao

Động cơ điện một chiều có công suất nhỏ khoảng 75%  85%, động cơ điện cócông suất trung bình và lớn khoảng 85%  95% Công suất lớn nhất của động cơ điệnmột chiều vào khoảng 10000Kw, điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000V Hiện nay,hướng phát triển là cải tiến tính năng của vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ

và chế tạo những máy có công suất lớn hơn Với trình độ hiểu biết còn hạn chế, đồ án nàychỉ đề cập đến vấn đề thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều để điều chỉnh tốc

độ động cơ một chiều kích từ độc lập theo nguyên tắc đối xứng

1 Cấu tạo của máy điện một chiều.

Kết cấu của mấy điện một chiều có 2 phần chính là phần tĩnh và phần động

a Phần tĩnh (stato): Là bộ phận đứng yên của máy Gồm các bộ phận

chính sau:

 Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích

từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bẵng những lá thép kỹ thuật điệnhay thép cacbon ghép lại Trong máy điện nhỏ, có thể dùng thép khối Dây quấnkích từ được quấn bằng dây đồng có bọc cách điện

 Cực từ phụ: được đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thépcủa cực từ phụ thường được làm bằng thép khối Dây quấn của cực từ phụ giốngnhư dây quấn của cực từ chính.

 Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy

 Các bộ phận khác: Nắp máy, cơ cấu chổi than

 Cổ góp: Còn được gọi là vành góp hay vành đổi chiều Dùng để đổi chiều dòngđiện xoay chiều thành một chiều

 Các bộ phận khác: Cánh quạt, trục máy

2. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều.

Hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ Khi đặt vào trong từ trường mộtdây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một lực vào dòngđiện (vào dây dẫn) và làm cho dây dẫn chuyển động Chiều của từ lực được xác định theoquy tắc bàn tay trái

Khi cho dòng điện kích thích vào cuộn dây kích thích ở Stato, trong khe hởkhông khí sẽ sinh ra từ thông Còn khi cho dòng điện phần ứng đi vào cuộn dây phần ứngđặt trong Roto, thì dưới tác dụng của từ trường này trong dây quấn sẽ sinh ra momen điện

từ trên trục máy kéo Roto quay Vì vậy, chiều quay của máy trùng với chiều quay củamomen điện từ Theo quy tắc bàn tay trái, momen điện từ do lực điện từ tác dụng lên cácthanh dẫn có chiều từ phải sang trái và lực điện từ có giá trị F = B.l.i

 Động cơ một chiều kích từ song song: cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng đượccấp điện bởi cùng một nguồn điện I = Iư + It.

 Động cơ một chiều kích từ nối tiếp: cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phầnứng Cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng nên ta

có I = Iư = It Động cơ loại này được sử dụng rất nhiều, chủ yếu trong ngành kéotải bằng điện.

 Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp: từ thông được tạo ra do tác dụng đồng thờicủa 2 cuộn kích từ: một cuộn song song và một cuộn nối tiếp I = Iư + It.

Mỗi loại động cơ trên sẽ tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều khiển vàứng dụng tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố

4. Các đại lượng định mức.

Chế độ làm việc định mức được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy

và gọi là những đại lượng định mức Gồm những đại lượng sau:

Công suất định mức Pđm (kW hay W): là công suất động cơ đưa ra ở đầu trục máy

 Phương trình đặc tính cơ: là phương trình biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ (n) vàmomen (M) của động cơ có dạng chung:

M K

R R K

)

+Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ: là đặc tính khi ta thay đổi các tham số nguồn hoặcnối thêm các điện trở, điện kháng

Để so sánh các đặc tính cơ với nhau, người ta đưa ra khái niệm độ cứng của đặc tínhcơ: / (tốc đọ biến thiên momen so với vận tốc)

1 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khích từ độc lập

Sơ đồ kích từ độc lập:

Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từmắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, gọi là động cơ điện kích từ độc lập.Phương trình đặc trưng cơ bản:

ω - tốc độ góc của roto (rad/s).

k- hệ số phụ thuộc vào kết cấu của động cơ: k= p.N

2πaa

với:

p- số đội cực từ chính

N- số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng

a - Số mạch nhánh song song của cuộn ứng

Nhờ lực từ trường tác dụng vào dây quấn phần ứng khi có dòng điện, roto quay dưới tácdụng của momen quay

M=kφI ­

Phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập:

2. Các phương 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 củatruyền động điện Nhằm đáp ứng các yêu cầu công nghệ nào đó của máy sản xuất.Điều chỉnh tốc độ là dùng phương pháp thuần túy điện tác động lên bản thân hệ thốngđiện để thay đổi tốc độ quay của động cơ điện Tốc đọi quay của động cơ điện thường

bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn hay chế độ làm việc như mở máy, hãmmáy và do đó gây ra các sai số so với tốc độ kỹ thuật mong muốn Trong các hệthống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêu kinh tế, kĩ thuật cơ bản, cácchỉ tiêu này được tính khi thiết kế và điều chỉnh động cơ điện

Trong thực tế có 3 phương 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 cấpcho mạch kích từ

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

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.

Phương pháp này chỉ áp dụng được với động cơ điện một chiều kích từ độc lập

hoặc động cơ điện kích từ song song làm việc ở chế độ kích từ độc lập Khi thay đổi

độ, momen không thay đổi vì φ và Iư đều không đổi Điện áp phần ứng càng giảm tốc

độ càng nhỏ

Phương pháp này có những ưu điểm sau:

- Hiệu suất điều chỉnh cao (phương pháp điều khiển tuyến tính, triệt để) nên tổn hao

công suất điều khiển nhỏ

- Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến momen ngắn mạch

giảm, dòng ngắn mạch giảm Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động động cơ

- Đọ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một momen điều chỉnh xác

định là như nhau nên sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) của đặc tính cơ thấp nhấtkhông được vượt quá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh Phương pháp này cóthể điều chỉnh trơn trong tòa bộ dải điều chỉnh

Tuy vậy, phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏi phải có bộ nguồnthây đổi trơn điện áp ra, nhưng nó không đáng kể so với vai trò và ưu điểm của nó Vậynên phương pháp này được sử dụng rộng rãi

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông.

Muốn thay đổi từ thông động cơ, ta thay đổi dòng kích từ của động cơ qua một điệntrở mắc nối tiếp ở mạch kích từ Phương pháp này cho phép tăng điện trở vào mạch kích

từ nghĩa là có thể giảm dòng điện kích từ Do đó chỉ có thể thay đổi về phái giảm từthông Khi giảm từ thông, các đặc tính dốc hơn và tốc đọ không tải lớn hơn

Phương pháp này có đặc điểm sau:

- Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ càng tăng, tốc độ

động cơ càng lớn

- Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông.

- Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh.

- Chỉ thay đổi được tốc độ về phái tăng theo phương pháp này.

- Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các đặc tính sẽ cắt nhau Do

vậy, với tải không lớn thì tốc độ tăng khi từ thông giảm Còn với tải lớn, tốc độtăng hoặc giảm tùy theo tải Thực tế, phương pháp này chỉ sử dụng với tải khôngquá lớn so với định mức

- Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch lích từ với

dòng kích từ là (1÷10 ) % dòng định mức phần ứng Tổn hao điều chỉnh thấp

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng.

Nếu nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng thì phương trình đặc tính cơ trở thành: n=n o−(R ­+R f)

- Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng nên tổn hao công suất

dưới dạng nhiệt trên điện trở khi điều chỉnh khá lớn

- Dải điều chỉnh phụ thuộc trị số momen tải Tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh càng

nhỏ Phương pháp này thường cho D≈5÷1

Thực tế, ngày nay khoog dùng phương pháp này Vì phương pháp này chỉ cho phépđiều chỉnh tốc độ quay trong vùng dưới tốc độ định mức, và luôn kèm theo tổn haonăng lượng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ điện Và chỉ áp dụngcho động cơ có công suất nhỏ và thường dùng cho động cơ điện trong cần trục

3 Các chế độ làm việc của động cơ.

a) Các góc phần tư làm việc

Trạng thái hãm và trạng thái động cơ được phân bố trên đặc tính cơ ở góc phần tư tươngứng với chiều momen và tốc độ như hình vẽ trên

+I, III: Trạng thái động cơ ( ω cùng chiều với M)

+II, IV: Trạng thái hãm ( ω ngược chiều với M)

Công suất cơ Pcơ = Mđ ω

Công suất điện của động cơ: Pđ= Pcơ + Δ P Trong đó: Δ P là tổn hao công suất

b) Các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Khi khởi động có I mm=I nm=U dm

R =(10÷20) I dm

tương đối lớn Đối với động cơ cócông suất càng lớn thì Rư thường có giá trị càng nhỏ và dòng Inm càng lớn Điều này làmxấu chế độ chuyển mạch trong động cơ, đốt nóng mạnh động cơ và gây sụt áp lưới điện.Tình trạng này càng xấu hơn nếu hệ TĐĐ thường phải mở máy, đảo chiều, hãm điệnthường xuyên như máy trục, máy cán đảo chiều, thang máy lên xuống Vậy để đảm bảo

an toàn cho động cơ và các cơ cấu truyền động cũng như tránh ảnh hưởng xấu tới lướiđiện, phải hạn chế dòng điện khi mở máy, không vượt quá giá trị: Imm = (1,5 ¿ 2,5)Iđm. Phương pháp điều khiển giảm điện áp phần ứng không chỉ giúp khống chế dòng ngắnmạch ở chế độ khởi động còn hạn chế được điện áp khởi động

- Chế độ hãm:

Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra momen quay ngược chiều tốc độ quay Động cơđiện một chiều có 3 trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược, hãm động năng

+Hãm tái sinh:

Xảy rs khi tốc đọ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý twuowngr Khi đó

Uư > Eư Động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới So với chế độđộng ơ, dòng điện và momen hãm đã đổi chiều xác định theo biểu thức:

M h=K Φ I h Trị số hãm sẽ lớn dần cho đến khi cân bằng với momen phụ tải thì

hệ thống làm việc ổn định với tốc độ ω 0d>ω0 Vì sơ đồ đấu dây của mạch động cơ

không đổi nên phương trình đặc tính cơ tương tự nhưng momen có giá trị âm Đường đặctính cơ nằm trong góc phần tư thứ hai và thứ tư

Trong hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất được đưa trả về lưới điện

có giá trị P = (E – U).I Đây là phương pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh năng lượnghữu ích

+Hãm ngược:

Xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích lũy trong các bộ phậnchuyển động hoặc do thế năng quay ngược chiều với momen điện từ của động cơ,moomen của động cơ khi đó chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất

 Hãm ngược khi đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng (tăng tải): Đặc tính hãm

ngược sđđ tác dụng cùng chiều với điện áp lưới, động cơ làm việc như một máyphát nối tiếp với lưới điện, biến điện năng nhận từ lưới điện và cơ năng thành nhiệtđốt nóng điện trở tổng mạch phần ứng, vì vậy tổn thất lớn

 Đảo chiều điện áp phần ứng: Dòng điện Ih ngược chiều với chiều làm việc củađộng cơ và có thể khá lớn:

Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mag năng lượng cơ học của động

cơ được tích lũy trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêu tán dướidạng nhiệt

 Hãm động năng tự kích từ độc lập: khi ta cắt phần ứng động cơ khỏi lưới điện một

chiều và đóng vào một điện trở hãm:

Chứng tỏ Ihd và Mhd ngược chiều với tốc độ ban đầu Năng lượng chủ yếu được tạo

ra do động năng tiêu tốn chỉ nằm trong mạch kích từ

Nhược điểm là nếu mất điện thì không thực hiện hãm được do cuộn dây kích từ vẫnphải nối với nguồn Muốn khắc phục người ta sử dụng phương pháp hãm động năng tựkích từ Nó xảy ra khi ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích từ ra khỏi lưới điện khi động cơquay để đóng vào một điện trở hãm Trong quá trình hãm tốc độ giảm dần, dòng kích từgiảm dần và do đó từ thông giảm dần Vì vậy đặc tính cơ cũng như đặc tính không tải củamáy phát điện tự kích thích là phi tuyến so với phương pháp hãm ngược Hãm động năng

có hiệu quả kém hơn khi chúng có cùng tốc độ và momen cản, tuy nhiên hãm động năng

ưu việt hơn về mặt năng lượng Đặc biệt hãm động năng tự kích vì không tiêu thụ nănglượng từ lưới điện và có thể sử dụng được kể cả khi mất điện

- Đảo chiều quay động cơ:

Chiều lực từ tác dụng vào dòng điện

được xác định theo quy tắc bàn tay trái

Khi đảo chiều từ thông hay đảo chiều

dòng điện thì lực từ có chiều ngược lại

Vậy muốn đảo chiều quay của động cơ điện một chiều có thể thực hiện 1 trong 2 cáchsau:

+Đảo chiều từ thông (qua việc đảo chiều dòng kích từ)

+Đảo chiều dòng điện phần ứng

Đường đặc tính cơ của động cơ khi quay chậm và quay ngược là đối xứng nhau qua gốctọa độ

2 3 4

Phương pháp đảo chiều từ thông thực hiện nhẹ nhàng vì mạch từ thông có công suấtnhỏ hơn mạch phần ứng Tuy vậy, vì cuộn kích từ có số vòng dây lớn, hệ số tự cảm lớn,

do đó, thời gian đảo chiều tăng lên nên phương pháp này ít dùng Ngoài ra, dùng phươngpháp đảo chiều từ thông thì khi từ thông qua trị số 0 có thể làm tốc độ tăng quá, khôngtốt

c) Vấn đề phụ tải

Đặc tính của phụ tải cũng là vấn đề cần phải quan tâm khi điều khiển động cơ điệnmột chiều Với các loại khác nhau ta sẽ chọn phương pháp phù hợp và tính toán khácnhau Có thể phân ra làm 3 loại cơ bản theo sự thay đổi của momen cản và theo tốc độ.Khi tốc độ động cơ thay đổi, momen phụ tải có thể là:

+Không đổi: Thang máy (1)

+Tăng: như trong quạt gió, bơm

+Giảm: như các cơ cấu máy cuốn dây, truyền động quay trục chính, máy cắt gọt kimloại

Ta thường mong muốn đặc tính là tuyến tính (4) vì vấn đề thiết kế sẽ phức tạp lên rấtnhiều khi sự thay đổi là phi tuyến Nên ta chỉ xét trường hợp tải có momen là hằng sốtrong toàn dải điều chỉnh và đặc tính phụ tải là tuyến tính

Quan phân tích trên, việc điều khiển điện áp phần ứng được chọn là phù hợp, giảipháp mà người ra thường dùng hiện nay là băm xung áp điều khiển tốc độ động cơ mộtchiều mà ta sẽ đề cập trong vấn đề tiếp theo

Sơ đồ nguyên lý như sau: Phần tử điều chỉnh quy ước là khóa S.Đặc điểm của sơ đồ này là khóa S, cuộn

dây và tải mắc nối tiếp

Tải có tính chất cảm kháng hoặc dungkháng

Bộ lọc LC.

Đi-ôt mắc ngược với Ud để thoát dòng

tải khi khóa S ngắt

+S đóng => U được đặt vào đầu của bộ

lọc Lý tưởng thì ud = U (nếu bỏ qua sụt

áp trên các van trong bộ biến đổi)

+S mở => hở giữa nguồn và tải, nhưngvẫn có dòng do năng lương tích lũy trongcuộn L và Ltải

III Bộ biến đổi xung áp song song.

Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U ở chế độ liên tục và nănglượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn

Đặc tính truyền đạt:

d I

IV Bộ biến đổi xung áp một chiều có điện áp ra lớn hoặc nhỏ

hơn điện áp vào.

Tải là động cơ một chiều được thay bởi mạch tương đương RLE L1 đóng vai trò tích

lũy năng lượng C đóng vai trò lọc

Hoạt động:

Sơ đồ chung:

1 Khâu tạo dao động và khâu tạo xung tam giác.

Ta thường dùng khuếch đâị thuật toán để tạo ra xung chữ nhật và xung tam giác