đồ án Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc không đối xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu với các số liệu cho trước

Một trong nhữngứng dụng của đtcs trong sản xuất công nghiệp là điều khiển tốc độđộng cơ một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu bằng bộ băm xung mộtchiều có đảo chiều theo nguyên tắc không đ

LỜI NÓI ĐẦU

gày nay, Khoa học _ Kĩ thuật đóng một vai trò quan trọng và khôngthể thiếu trong quá trình phát triển kinh tế, CNH – HĐH đất nước.Trong những thành tựu khoa học – kỹ thuật phục vụ công cuộc pháttriển đất nước thành công, phải kể đến cả những đóng góp của nghành

tự động hoá trong cả đời sống, cũng như trong sản xuất công nghiệp

mà Điện tử công suất góp phần giải quyết những bài toán kĩ thuật phứctạp trong lĩnh vực tự động hóa Việc ứng dụng điện tử công suất vàotruyền động điện điều khiển tốc độ động cơ trong các xí nghiệp côngnghiệp hiện đại ngày càng nhiều và không thể thiếu Một trong nhữngứng dụng của đtcs trong sản xuất công nghiệp là điều khiển tốc độđộng cơ một chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu) bằng bộ băm xung mộtchiều có đảo chiều theo nguyên tắc không đối xứng

N

Đồ án gồm các phần chính sau:

Phần A: Cơ sở lý thuyết.

Chương I: Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều.

Chương II: Động cơ điện một chiều kích từ Nam châm vĩnh cửu Chương III: Các mạch băm xung 1 chiều.

Chương IV: Mạch điều khiển cho bộ băm xung một chiều có

đảo chiều

Phần B: Tính toán thiết kế.

Chương V: Thiết kế mạch lực.

Chương VI: Thiết kế mạch điều khiển

Chương VII: Thiết kế nguồn cấp cho mạch điều khiển.

Chương VIII: Mô phỏng hệ thống trên máy tính.

Mặc dù chúng em đã rất nỗ lực và cố gắng làm việc với tinh thầnhọc hỏi cộng với quyết tâm cao nhất, song do trình độ còn có hạn nênchúng em không thể tránh khỏi nhiều sai sót, chúng em kính mongnhận được sự phê bình, góp ý của các thầy cô giáo và các bạn để đồ áncủa chúng em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn

Tự Động Hoá XNCN, đặc biệt là thầy giáo PHẠM QUỐC HẢI đã tạo điềukiện và tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành quyển đồ án môn họcnày

Sinh viên thực hiện

Lê Thị Thùy Linh

1

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Đề bài

Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc khôngđối xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ namchâm vĩnh cửu với các số liệu cho trước như sau:

Phươn

g án

Điện áplưới điện(VAC)

Dòng điệnđịnh mức (A)

Điện áp phầnứng (V)

Phạm vi điềuchỉnh tốc độ

Sinh viên thực hiện: Lê Thị Thùy Linh

Giáo viên hướng dẫn: Thầy PHẠM QUỐC HẢI

Nhóm đồ án ĐTCS 8 – Lớp TĐH1 – K48

2

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 – Điện tử công suất _ Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng

Minh _ NXB Khoa Học và Kỹ Thuật HN

2 - Điện tử công suất (tập 1, tập 2) _ Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế

Công, Trần Văn Thịnh _ NXB Khoa Học và Kỹ Thuật HN

3 – Máy điện _Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn

Sáu _ NXB Khoa Học và Kỹ Thuật HN

4 – Bộ Khuếch đại xử lý và IC tuyến tính _ William D Stanley _ NXB

Khoa Học và Kỹ Thuật HN

5 – Phân tích và giải mạch điện tử công suất _ Phạm Quốc Hải,

Dương văn Nghi _ NXB Khoa Học và Kỹ Thuật HN

6 - Điện tử công suất _ Nguyễn Bính _ NXB giáo dục 2000

7 – Truyền Động điện _ Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền _ NXB

http://IGBT-scaledriver.comwww.st.com

www.kitsrus.comhttp://www.ee.ttu.eduhttp://homepages.which.net

3

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

MỤC LỤC

Chương I: giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều 6

2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều 7

II Động cơ điện 1 chiều kích từ nam châm vĩnh cửu 8

1 Giới thiệu động cơ một chiều kích từ bằng nam châm

III Bộ biến đổi xung áp 1 chiều có điện áp ra lớn hơn hoặc

Chương III: Mạch điều khiển cho mạch băm xung 1 chiều 30

1) Khâu tạo dao động và khâu tạo điện áp tam giác 31

Chương IV: thiết kế mạch lực 37

III Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu một chiều cấp điện cho

Chương VI: thiết kế nguồn cấp cho mạch điều khiển 50

Chương VIII: Mô phỏng hệ thống trên máy tính 54

5

A – CƠ SỞ LÝ THUYẾT

A – CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương I

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU

Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện 1 chiều vẫn được coi là mộtloại máy quan trọng, không thể thiếu Nó có thể dùng làm động cơ điện,máy phát điện hay dùng trong những điều kiện làm việc khác Động cơđiện một chiều giữ một vị trí nhất định như trong công nghiệp giaothông vận tải, và ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trongphạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máyđiện ) Một động cơ điện một chiều có giá thành đắt hơn các động cơkhông đồng bộ hay các động cơ xoay chiều khác do sử dụng nhiều kimloại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn nhưng do những

ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn đóng vai trò không thểthiếu trong nền sản xuất hiện đại

Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơđiện hay máy phát điện tuỳ 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 cơ không đồng bộ khôngthể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bịbiến đổi đi kèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện mộtchiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúcmạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượngcao

Động cơ điện một chiều có công suất nhỏ khoảng 75%  85%,động cơ điện có công suất trung bình và lớn khoảng 85%  94% Côngsuất lớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 10000kw, điện ápvào khoảng vài trăm cho đến 1000V Hiện nay, hướng phát triển là cảitiến tính năng của vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chếtạo những máy có công suất lớn hơn Với trình độ hiểu biết còn hạn chế,quyển đồ án môn học này chỉ đề cập tới vấn đề thiết kế bộ băm xungmột chiều để điều chỉnh tốc độ có đảo chiều của động cơ một chiều kích

từ bằng nam châm vĩnh cửu theo nguyên tắc không đối xứng

I Vài nét tổng quan về máy điện 1 chiều.

1.Cấu tạo của máy điện một chiều.

Kết cấu của máy điện một chiều có thể phân tích thành 2 phần chính

là phần tĩnh và phần quay

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 vàdây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằngnhững lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon ghép lại Trong máyđiện nhỏ, có thể dùng thép khối Dây quấn kích từ được quấn bằngdây đồng có bọc cách điện.

- Cực từ phụ: được đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện đổichiều Lõi thép của cực từ phụ thường được làm bằng thép khối.Dây quấn của cực từ phụ giống như 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…

b Phần động (roto): gồm có những bộ phận sau:

- Lõi sắt phần ứng: dùng để dẫn từ Thường dùng bằng những láthép kỹ thuật điện có phủ cách điện mỏng 2 mặt ghép lại để giảmtổn hao do dòng điện xoáy gây nên

- Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạyqua Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cáchđiện Trong máy điện nhỏ, dây quấn phần ứng có tiết diện tròncòn trong máy điện cỡ trung bình và lớn, dây quấn phần ứng cótiết diện hình chữ nhật

- Cổ góp: còn được gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổichiều dòng điện xoay chiều thành một chiều

- Các bộ phận khác gồm có: cánh quạt, trục máy…

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

Động cơ điện một chiều hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điệntừ: Khi đặt vào trong từ trường một dây dẫn và cho dòng điện chạyqua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một từ lực vào dòng điện (vàodây dẫn) và làm cho dây dẫn chuyển động Chiều của từ lực đượcxác định theo quy tắc bàn tay trái

Khi cho dòng điện kích thích vào cuộn dây kích thích ở Stato,trong khe hở không khí sẽ sinh ra từ thông Còn khi cho dòng điệnphần ứng đi vào cuộn dây phần ứng đặt trong roto, thì dưới tác dụngcủa từ trường này trong dây quấn sẽ sinh ra momen điện từ trêntrục máy kéo roto quay Vì vậy, chiều quay của máy trùng với chiềuquay của momen điện từ Theo quy tắc bàn tay trái, momen điện từ

do lực điện từ tác dụng lên các thanh dẫn có chiều từ phải sang trái

và lực điện từ có giá trị f = B.l.i

3.Phân loại các động cơ điện 1 chiều.

để điều chỉnh dòng điện kích từ được thuận lợi và kinh tế hơn Iư =I

- Động cơ một chiều kích từ song song: cuộn kích từ và cuộn dâyphần ứng được cấp điện bởi cùng một nguồn điện I = Iư + It

- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp: cuộn kích từ mắc nối tiếp vớicuộn dây phần ứng Cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, sốvòng ít, chế tạo dễ dàng nên ta có I = Iư =It Động cơ loại này được

sử dụng rất nhiều chủ yếu trong nghành kéo tải bằng điện

- Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp: từ thông được tạo ra do tácdụng đồng thời của 2 cuộn kích từ: một cuộn song song và mộtcuộn nối tiếp I = Iu +It

Mỗi loại động cơ trên sẽ tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹthuật điều khiển và ứng dụng tương đối khác nhau phụ thuộc vàonhiều yếu tố

4.Các đại lượng định mức.

Chế độ làm việc định mức được đặc trưng bằng những đại lượng ghitrên nhãn máy và gọi là những lượng định mức Trên nhãn máythường ghi những đại lượng sau:

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

Điện áp định mức Uđm (V)

Dòng điện định mức Iđm (A)

Tốc độ định mức nđm (vg/phút)

Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích từ, dòng điện kích từ

và các số liệu về điều kiện sử dụng…

II Động cơ điện 1 chiều kích từ nam châm vĩnh cửu.

1 Giới thiệu động cơ một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (PMDC).

Khi cuộn dây kích thích trong Stato của máy điện một chiều bìnhthường được thay thế bằng các nam châm vĩnh cửu thì máy điện đótrở thành máy điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu Nhờcấu tạo này mà động cơ PMDC có kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ

và làm việc hiệu quả hơn những máy điện có cuộn dây kích thích

bình thường khác Mạch từ của động cơ 1 chiều và kích thước củanam châm vĩnh cửu phụ thuộc vào loại vật liệu sử dụng để làm namchâm vĩnh cửu Vật liệu để làm nam châm vĩnh cửu trong máy điện

1 chiều gồm có alnicos, ferit, và các vật liệu quý hiếm như samarium– coban và neođim – sắt – Bo Nam châm vĩnh cửu làm bằng feritđược sử dụng nhiều trong máy điện 1 chiều giá rẻ Còn đối với máyđiện một chiều yêu cầu chất lượng, hiệu suất cao thì sử dụng vậtliệu quý hiếm

Trong nhiều năm qua, máy điện PMDC được ứng dụng rộng rãi vàluôn được cải tiến phát triển liên tục Ngày nay đã có những loại máyPMDC có thể di chuyển dễ dàng và không cần phải sử dụng đến ổcắm điện vì nó có thể được cung cấp năng lượng từ những loại pin.Điểm thuận lợi là những loại pin này có dung lượng lớn, lâu hết nănglượng và có thể xạc nhiều lần

PMDC có thể đáp ứng được những yêu cầu sau:

- Hoạt động đơn giản

- Có thể dự đoán chính xác đặc tính làm việc của động cơ

- Mômen quay và mômen khởi động lớn và có thể giảm tốc độnhanh chóng

Nhu cầu ứng dụng của động cơ PMDC ngày càng phát triển và cácsản phẩm thường sử dụng động cơ PMDC là:

- Bơm động học thủy lực

- Cần trục và thang máy động lực

- Các phương tiện nâng, nhấc

H1 Cấu tạo đơn giản của động cơ PMDC

A – CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- Các hệ thống chạy bằng năng lượng mặt trời

- Và bất kỳ các thiết bị nào có thể hoạt động bằng pin…

Động cơ PMDC phù hợp với các thiết bị dùng động cơ bánh răng

do chúng có thể sinh ra momen quay lớn ở tốc độ thấp Động cơPMDC đặc biệt phù hợp với việc điều chỉnh tốc độ và các thiết bịđiều khiển tự động (với các thiết bị này, động cơ PMDC sẽ làm việc ítnhất là 5000 v/p)

Vì động cơ điện PMDC được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên

ta có thể coi đây thuộc loại động cơ kích từ độc lập và trong đề tàinày ta chỉ xét các đặc điểm của động cơ kích từ độc lập

2 Đặc tính làm việc của động cơ điện kích từ độc lập.

Khi động cơ làm việc, roto mang cuộn ứng quay trong từ trường củacuộn cảm nên trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức điện động cảmứng (hay còn gọi là sức phản điện động) có chiều ngược với chiềucủa điện áp đặt vào phần ứng động cơ Phương trình điện áp ở mạchrôto sẽ là:

U=E+ I­ R­Σ

Trong đó:

U – điện áp lưới, V

E – sức điện động của động cơ, V

Iư – dòng điện phần ứng của động cơ,A

rư - điện trở cuộn dây phần ứng, Ω

rct - điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp,

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 đôi 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 tác dụng của momen quay

R k

đường thẳng với độ dốc âm Đường đặc tính cắt trục hoành 0 ω tại

điểm có tung độ ωo= U

kφ Tốc độ ω o làtốc độ ứng với MC = 0, nghĩa là khi không

có lực cản nào cả Đó là tốc độ lớn nhất của

động cơ mà không thể đạt ở chế độ động

cơ vì không bao giờ xảy ra MC = 0 (do lực

masat luôn tồn tại khi động cơ quay) Tốc

độ ω o được gọi là tốc độ không tải lý

tưởng

Khi toàn bộ các thông số điện của

động cơ là định mức như thiết kế và không

mắc thêm điện trở phụ vào mạch động cơ thì R­Σ= R­ và phương

cứng ( β càng lớn) tức là mômen biến đổi nhiều nhưng tốc độ biến

đổi ít và ngược lại Đặc tính càng ít dốc càng mềm tức là mômen biến đổi ít nhưng tốc độ biến đổi nhiều thay đổi.

Phương trình đặc tính cơ còn được viết dưới dạng:

và khi động cơ đang chạy bị dừng lại, cần phải nhanh chóng cắtđiện

4 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ kích từ độc lập.

(Bằng cách điều chỉnh các thông số điện)

a Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông φ .

Muốn thay đổi từ thông động cơ, ta tiến hành thay đổi dòng kích

từ của động cơ qua một điện trở 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 ( Ikt≤ Iktdm ) Do đó chỉ có thể thay đổi

về phía giảm từ thông Khi giảm từ thông, các đặc tính dốc hơn và cótốc độ không tải lớn hơn

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông cóđặc điểm:

Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện một

chiều kích từ độc lập

M n m Mđm

- Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơcàng 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: D≈3 :1

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

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

sẽ cắt nhau và do vậy, với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từthông giảm Còn với tải lớn, tốc độ có thể tăng hoặc giảm tuỳ theotải Thực tế, phương pháp này chỉ sử dụng với tải không quá lớn sovới định mức

- Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ởmạch kích từ với dòng kích từ là ( 1÷10) % dòng định mức của

Khi tăng điện trở mạch phần ứng,

đặc tính cơ dốc hơn nhưng vẫn giữ

nguyên tốc độ không tải lý tưởng

Trên hình vẽ bên, ta có các đường

M(Iư)Mđm(Iđm)0

Thực tế ngày nay người ta không dùng phương pháp này Vìphương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùngdưới tốc độ định mức, và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trênđiện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ điện Vì vậy phươngpháp này chỉ áp dụng ở động cơ điện có công suất nhỏ và thực tếthường dùng ở động cơ điện trong cần trục.

c Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi

điện áp.

Phương pháp này chỉ áp dụng được đối

với động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

hoặc động cơ điện kích thích song song

làm việc ở chế độ kích thích độc lập Khi

thay đổi U ta có một họ đặc tính cơ có

cùng một độ dốc (hình vẽ )

Trên hình vẽ: đường 1 – ứng với Uđm,

đường 2, 3 ứng với Uđm > U2 > U3 và

đường 4 – ứng với U4 > Uđm

Vì không cho phép vượt quá điện áp định

mức nên phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh giảm tốc độ, việcđiều chỉnh tốc độ trên tốc độ định mức không được áp dụng hoặcđược thực hiện trong một phạm vi rất hẹp Đặc điểm của phươngpháp này là lúc điều chỉnh tốc độ, momen không đổi vì φ và Iư đều

không đổi Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ

Chú ý: + Phương pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ

có độ cứng không đổi trong toàn dải điều chỉnh

+ Tốc độ không tải lý tưởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệthống do đó có thể nói phương pháp này điều khiển là triệt để

+ Giải điều chỉnh tốc độ của hệ tthống bị chặn bởi đặc tính cơ bản làđặc tính ứng với điện áp định mức và từ thông định mức Tốc độ nhỏ

nhất của dải điều khiển bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và

mô men khởi động

+Với một cơ cấu máy cụ thể có 0max,K , M M dm xác định vì vậy phạm viđiều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng

Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có các ưu điểm như sau:

- Hiệu suất điều chỉnh cao (phương trình điều khiển là tuyến tính,triệt để) nên tổn hao công suất điêù khiển nhỏ

- Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đếnmômen ngắn mạch giảm, dòng ngán mạch giảm Điều này rất có ýnghĩa trong lúc khởi động động cơ

- Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với mộtmômen điều chỉnh xác định là như nhau nên sai số tốc độ tương đối(sai số tĩnh) của đặc tính cơ thấp nhất không được vượt quá sai sốcho phép cho toàn dải điều chỉnh Phương pháp này có thể điềuchỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh

Tuy vậy phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòihỏi phải có một bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp ra, xong nó làkhông đáng kể so với vai trò và ưu đIểm của nó Vậy nên phươngpháp này được sử dụng rộng rãi

5 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 tương ứng với

chiều mômen và tốc độ như hình

Công suất cơ Pcơ = Mđ ω

Công suất điện của động cơ:

Pđ = Pcơ + Δ PTrong đó: Δ P là tổn hao công suất

b các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

- Khởi động

Xuất phát từ phương trình đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều:

MC

I: Động cơ II: Hãm

III: Động cơ IV: Hãm

cơ và các cơ cấu truyền động cũng như tránh ảnh hưởng xấu tớilưới điện, phải hạn chế dòng điện khi mở máy, không cho vượt quágiá trị: Imm = (1,5 ¿ 2,5).Iđm

Phương pháp điều khiển giảm điện áp phần ứng không chỉgiúp khống chế dòng ngắn mạch ở chế độ khởi động còn hạn chếđược điện áp khởi động

- Chế độ hãm:

Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngượcchiều tốc độ quay Động cơ điện 1 chiều có 3 trạng thái hãm: hãmtái sinh, hãm ngược và hãm động năng

+ Hãm tái sinh:

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 điệnsong song với lưới So với chế độ động cơ, dòng điện và mômenhãm đã đổi chiều xác định theo biểu thức:

I h=U ­−E ­

k φω o−k φω

R <0

Mh= K Φ Ih Trị số hãm sẽ lớn dần cho đến khi cân bằng với

mômen phụ tải thì hệ thống làm việc ổn định với tốc độ ω0d> ω0 .

Vì sơ đồ đấu dây của mạch động cơ không đổi nên phương trìnhđặc tính cơ tương tự nhưng mômen có giá trị âm Đường đặc tính

cơ nằm trong góc phần tư thứ hai và thứ tư (hình vẽ trên)

Trong hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suấtđược đưa trả về lưới điện có giá trị P = (E - U).I Đây là phươngpháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh năng lượng hữu ích

+ Hãm ngược.

Xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹtrong các bộ phận chuyển động hoặc do thế năng quay ngượcchiều với mô men điện từ của động cơ, mômen của động cơ khi đóchống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất.

tải): Đặc tính hãm ngược sđđ tác dụng cùng chiều với điện áp lưới,

động cơ làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện, biếnđiện năng nhận từ lưới điện và cơ năng thành nhiệt đốt nóng điệntrở tổng mạch phần ứng, vì vậy tổn thất lớn

Đảo chiều điện áp phần ứng: Dòng điện Ih ngược chiều vớichiều làm việc của động cơ và có thể khá lớn

Nhược điểm là nếu mất điện thì không thực hiện hãm được

do cuộn dây kích từ vẫn phải nối với nguồn Muốn khắc phục người

ta sử dụng phương pháp hãm động năng tự kích 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 độgiảm dần, dòng kích từ giảm dần và do đó từ thông giảm dần và làhãm tốc độ vì vậy đặc tính cơ cũng như đặc tính không tải củamáy phát điện tự kích thích là phi tuyến so với phương pháp hãmngược Hãm động năng có hiệu quả kém hơn khi chúng có cùngtốc độ và mômen cản, tuy nhiên hãm động năng ưu việt hơn vềmặt năng lượng đặc biệt hãm

Đ

M0

A – CƠ SỞ LÝ THUYẾT

động năng tự kích vì không tiêu thụ năng lượng từ lưới và đặc biệt

có thể sử dụng được kể cả khi mất điện

- Đảo chiều quay động cơ

Chiều từ lực tác dụng vào dòng điện được xác định theo quytắc bàn tay trái Khi đảo chiều từ thông hay đảo chiều dòng điệnthì từ lực có chiều ngược lại

Vậy muốn đảo chiều quay của động cơ điện một chiều có thểthực hiện 1 trong 2 cách sau:

+ Hoặc đảo chiều từ thông (qua việc đảo chiều dòng kíchtừ)

+ Hoặc đảo chiều dòng điện phần ứng

Đường đặc tính cơ của động cơ khi quay thuận và quayngược là đối xứng nhau qua gốc tọa độ (hình vẽ)

Phương pháp đảo chiều từ thông thực hiện nhẹ nhàng vìmạch từ thông có công suất nhỏ hơn mạch phần ứng Tuy vậy, vìcuộn kích từ có số vòng dây lớn, hệ số tự cảm lớn, do đó thời gianđảo chiều tăng lên nên phương pháp này ít dùng Ngoài ra, dùngphương pháp đảo chiều từ thông thì khi từ thông qua trị số 0 cóthể làm tốc độ tăng quá, không tốt

c Vấn dề phụ tải.

Đặc tính của phụ tải cũng là vấn đề cần phải quan tâm khiđiều khiển động cơ điện một chiều Ở đây ta sẽ chỉ xét trường hợpphụ tải có mômen là hằng số trong toàn dải điều chỉnh và đặc tínhphụ tải là tuyến tính

Qua phân tích trên đây, việc điều khiển điện áp phần ứngđược chọn là phù hợp giải pháp mà người ta thường dùng hiệnnay là băm xung áp điều khiển bằng bộ băm xung áp một chiều

mà ta sẽ đề cập ở vấn đề tiếp theo

Đ

M0

Chương II

MẠCH BĂM XUNG MỘT CHIỀU

(còn gọi là mạch điều áp một chiều)

Điều áp một chiều là thiết bị nhằm điều chỉnh điện áp một chiều

ra tải từ một nguồn điện áp một chiều cố định.Để đóng cắt điện ápnguồn, người ta thường dùng các khoá điện tử công suất vì chúng cóđặc tính tương ứng với khoá lý tưởng, tức là khi khoá dẫn điện (đóng)điện trở của nó không đáng kể; còn khi khoá bị ngắt (mở ra) điện trởcủa nó lớn vô cùng (điện áp trên tải sẽ bằng không)

Nguyên lý cơ bản của bộ biến đổi xung áp 1 chiều được mô tả như

UR

tUR

A – CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trong khoảng thời gian 0÷t1 , khoá K đóng lại, điện áp trên tải

UR sẽ có giá trị bằng điện áp nguồn (UR = E); còn khoảng t1 ¿ T, khoá

T – chu kỳ đóng cắt của khoá K

Nhận xét: nguồn E có thể không đổi nhưng có thể thay đổi được Ut nhờthay đổi γ

Có 3 phương pháp điều chỉnh điện áp trên tải:

thời gian đóng khoá K: t1 (hay λ ) Phương pháp này gọi là phương

pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM (pulse width modulation) Đây làphương pháp thông dụng nhất hiện nay và được ứng dụng rộng rãinhất

Ưu điểm: làm việc với tần số không đổi (do chu kỳ không đổi) nêntham số của hệ thống cũng ít thay đổi Khi ω không thay đổi thìđiện áp cũng không thay đổi

2 Giữ nguyên thời gian đóng khóa K: t1 = const; thayđổi tần số đóng cắt T Phương pháp này gọi là phương pháp bămxung kiểu điều chỉnh f (phương pháp xung tần); phương pháp này ítdùng

3 Thay đổi cả tần số đóng cắt và thời gian đóng khoá K.thay đổi thường theo quy luật: dòng điện có cường độ đập mạch ítnhất Phương pháp này gọi là phương pháp băm xung theo kiểu thờigian Phương pháp này ít được sử dụng nhất trong cả 3 phương pháp.Như vậy, bộ biến đổi xung áp có khả năng điều chỉnh và ổn định điện áp

ra trên phụ tải Nó có những ưu điểm cơ bản sau:

- Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi không đáng

kể so với các bộ biến đổi liên tục

- Độ chính xác cao cũng như ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môitrường, vì yếu tố điều chỉnh là thời gian đóng khoá K mà không

phải giá trị điện trở của các phần tử điều chỉnh thường gặp trongcác bộ điều chỉnh liên tục.

- Chất lượng điện áp tốt hơn so với các bộ biến đổi liên tục

- Kích thước gọn, nhẹ

Nhược điểm cơ bản của các bộ biến đổi xung áp là:

- Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính của bộ biến đổi khilàm việc trong hệ thống kín

- Tần số đóng cắt lớn sẽ tạo ra nhiều cho nguồn cũng như các thiết

bị điều khiển

Tuy nhiên, bộ biến đổi xung áp vẫn được ứng dụng rộng rãi, nhất làkhi các yếu tố về độ tin cậy, dễ điều chỉnh, độ ổn định cũng như kíchthước là những tiêu chí được đặt lên hàng đầu

Đối với các bộ biến đổi công suất trung bình (hàng chục kW) và nhỏ(vài kW), người ta thường dùng các khoá điện tử là các bóng bán dẫnlưỡng cực IGBT Trong trường hợp công suất lớn (vài trăm kW trở lên)người ta sử dụng GTO hoặc tiristo

Có nhiều cách phân loại các bộ biến đổi xung áp một chiều , tuỳ

thuộc vào cách mắc khoá điện tử song song hay nối tiếp mà người tachia các bộ biến đổi xung áp thành nối tiếp hay song song

Cũng có thể phân biệt bộ biến đổi tuỳ thuộc vào điện áp ra: bộ biếnđổi xung áp có điện áp ra nhỏ hơn điện áp vào; bộ biến đổi xung áp cóđiện áp ra lớn hơn điện áp vào

Tuỳ thuộc vào dấu điện áp mà người ta chia ra: bộ biến đổi xung ápkhông đảo chiều hoặc bộ biến đổi điện áp có đảo chiều

Sơ đồ cấu trúc của bộ biến đổi xung áp một chiều.

Sơ đồ cấu trúc gồm các phần tử chủ yếu như nguồn N, bộ lọc đầu vào L, khoá điện tử (KĐT), bộ lọc đầu ra (LO) và phụ tải (PT) (cụ thể là động cơ một chiều)

Nguồn 1 chiều có thể là ăcquy hoặc bộ chỉnh lưu

E

Đ i

A – CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Bộ lọc đầu vào thường dùng mạch LC hoặc chỉ dùng điện cảm tụ

C có thể được thay thế bằng các phần tử tích trữ năng lượng như ăcquy

Khoá điện tử (KĐT) ngày nay được dùng chủ yếu là các van bándẫn điều khiển hoàn toàn

Bộ lọc đầu ra (LO) có tác dụng san phẳng dòng điện ở đầu ra của

Sơ đồ nguyên lý như sau:

Phần tử điều chỉnh quy ước là

khoá S Đặc điểm của sơ đồ này là

khoá S, cuộn cảm và tải mắc nối

tiếp

Tải có tính chất cảm kháng hoặc

dung kháng

Bộ lọc LC

Đi-ôt mắc ngược với Ud để thoát dòng tải khi khoá 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 mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng id donăng lượng tích luỹ trong cuộn L và Ltải, dòng i chạy qua D, do đó ud =0

Như vậy, Ud  U Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp

Đặc tính truyền đạt:

d I

U W U

 

II Bộ biến đổi xung áp song song.

Sơ đồ như sau:

Đặc điểm: L nối tiếp với tải, khoá S

mắc song song với tải Cuộn cảm L

không tham gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vaitrò này.

+ S đóng:

Dòng điện từ +U qua L  S  – U Khi đó D tắt vì trên tụ có UC (đãđược tích điện trước đó)

+ S ngắt: dòng điện chạy từ +U qua L  D  Tải Vì từ thông trong

L không giảm tức thời về không do đó trong L xuất hiện suất điệnđộng tự cảm eL dt

d



, có cùng cực tính U Do đó tổng điện áp: ud =U+ eL Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp

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

Đặc tính truyền đạt:

d I

U 1 W

U 1

 

 

III Bộ biến đổi xung áp 1 chiều có điện áp ra lớn hơn hoặc nhỏ

hơn điện áp vào.

Tải là động cơ một

chiều được thay bởi mạch

tương đương RLE L1 đóng

vai trò tích luỹ năng

lượng C đóng vai trò lọc

Hoạt động.

+ S đóng, trên L1 có U,

dòng chạy từ +U  S  L1

 -U Năng lượng tích luỹ

trong cuộn cảm L1; đi-ôt D

tắt; Ud =UC, tụ C phóng điện qua tải

+ S ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra sức điện động ngược chiều với trườnghợp đóng làm D thông và năng lượng từ trường nạp vào C, tụ C tíchđiện; ud sẽ ngược chiều với U

Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với U Giá trị tuyệt đối |Ud| có thểlớn hơn hay nhỏ hơn U nguồn

IV Bộ Chopper lớp C (Bộ đảo dũng).

, động cơ được nối

nguồn qua S1, điện áp

Trong khoảng 0 t   T, S2ngắt, động cơ được nối nguồn qua D1,

điện áp đặt lên động cơ là U

Trong khoảng    T t T, S2dẫn, động cơ được nối ngắn mạch qua2

S , điện áp đặt lên động cơ là 0.

b Tính toán các thông số trên sơ đồ.

Trong khoảng S1(D1) dẫn, điện áp đặt lên động cơ là U, ta có:

max

Ei(t) (1 e ) I e

 

Điện áp trung bỡnh trờn động cơ:

T T

Dũng điện trung bỡnh:

d d

U ΔI(1)I (1 )

2fL

   

U ΔI(1)I

b Nguyên tắc điều khiển.

Chu kỡ đóng cắt của mỗi van là T, S1 và S2 được kích dẫn lệchpha một khoảng thời gian T/2, mỗi van S1, S2 được kích với gócdẫn ă

c Nguyên lý hoạt động.

Chế độ động cơ (0,5   1)Trong các khoảng 0 t T(    0,5) và

T

t T

2    thỡ S1 và S2 cựng dẫn, điện áp đặt lên phần ứng động cơ

là U, dũng điện qua động cơ tăng từ Imin tới I

2

  

và    T t TthỡS1 và S2 khụng đồng thời dẫn,do

đó động cơ được nối ngắn mạch

qua các diot D1 hoặc D2,điện áp

dặt lên động cơ là 0,dũng điện

Điện áp đặt lên động cơ là U Dũng qua động cơ tăng từ Imin tới Imax.

Phương trỡnh dũng qua động cơ:

T T( 0,5) t

2

  

: dũng id ngắn mạch qua S1 và D2 điện

áp đặt lên động cơ là 0, id giảm từ Imax về Imin

Phương trỡnh dũng qua động cơ:

U E (2 1)U E I

Dũng trung bỡnh qua cỏc van S1, S2: 1 d

min

Ei(t) (1 e ) I eR

(1)Trong khoảng

U ( E) E (1 2 )U I

Dũng trung bỡnh qua cỏc van S1, S2 là: I1Id

Dũng trung bỡnh qua cỏc diot D1, D2là: I2   (1 )Id

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các van là: Ung.max  U

VI Bộ băm xung 1 chiều có đảo chiều

A – CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Ở đây ta sử dụng van bán dẫn IGBT Bộ BXMC dùng van điềukhiển hoàn toàn IGBT có khả năng thực hiện điều chỉnh điện áp vàđảo chiều dòng điện tải Trong

các hệ truyền động tự động có

yêu cầu đảo chiều động cơ, do

đó bộ biến đổi này thường hay

dùng để cấp nguồn cho động

cơ một chiều kích từ độc lập có

yêu cầu đảo chiều quay Các

van IGBT làm nhiệm vụ khoá

không tiếp điểm Các Điôt Đ1,

Đ2, Đ3, Đ4 dùng để trả năng

lượng phản kháng về nguồn và

thực hiện quá trình hãm tái

sinh Các phương pháp điều khiển là: Điều khiển độc lập, điều khiểnđối xứng, điều khiển không đối xứng

a Phương pháp điều khiển độc lập.

Nếu ta muốn động cơ chạy theo chiều nào thì ta sẽ chỉ cho mộtcặp van chạy, cặp còn lại sẽ khoá

+ Muốn động cơ quay thuận cho S1, S2 dẫn, S3, S4 nghỉ

+ Muốn động cơ quay nghịch cho S1, S2 nghỉ, S3, S4 dẫn

b Phương pháp điều khiển đối xứng.

Điều khiển đối xứng là kiểu điều khiển các van theo cặp Theophương pháp điều khiển này các cặp van S1 và S2; S3 và S4 lậpthành hai cặp van mà trong mỗi cặp thỡ hai van được điều khiểnđóng cắt đồng thời Tín hiệu điều khiển được tạo ra bằng cách sosánh điện áp điều khiển với điện áp tựa (thường là dạng xung tamgiác):

- Nếu Udk > utua thỡ S1 và S2 được kích dẫn; S3 và S4 được kích tắt

- Nếu Udk < utua thỡ S1và S2 được kích tắt; S3 và S4 được kích dẫn

+ Trong khoảng 3: S3 và S4 được kích dẫn, điện áp đặt lên động cơ

là –U, dũng id tăng theo chiều ngược lại (giảm từ 0 về Imin theochiểu dương)

+ Trong khoảng 4: S3 và S4 được kích tắt, S1 và S2 được kích dẫn,nhưng do trước đó dũng id chạy theo chiều ngược lại nên dũng id

tiềp tục chảy theo chiều cũ, khép mạch qua các diode D1 và D2 vềnguồn; S1 và S2 bị đặt điện áp ngược bởi hai diode D1 và D2 phâncực thuận nên khoá, do đó id giảm theo chiều ngược lại từ Imin về 0

Tính toán các thông số của mạch:

+ Trong khoảng 0 t   T, S1 và S2 dẫn hoặc khi D1 và D2 dẫnthỡ điện áp đặt lên động cơ là U, ta có phương trỡnh:

d d

Ta có:

min

U E i(t) (1 e ) I e

 

.Trong khoảng    T T, S3 và S4 dẫn hoặc D3 và D4 dẫn, điện ápđặt lên động cơ là -U

Điện áp trung bỡnh trờn động cơ

+ Trong khoảng 0<t<ăT điện áp đặt lên động cơ là U; và trongkhoảng ăT<t<T điện áp đặt lên động cơ là –U nên điện áp trungbỡnh đặt lên động cơ là:

d

1

U T U (T T) ( U) (2 1)U T

         

A – CƠ SỞ LÝ THUYẾT

-Dũng điện trung bỡnh qua động cơ là:

d d

U E (2 1)U E I

U R

E U R

U

)1()12()1()1()

1( 2

- Dòng trung bình qua van: Tương tự ta có IS = ăIt

- Điện áp ra tải có giá trị trung bình là Ut=(2ă-1)U

c Phương pháp điều khiển không đối xứng.

Đây là phương pháp thông dụng nhất vì chất lượng điện áp ra tốthơn Giả sử động cơ quay theo chiều thuận, tương ứng với các cặpvan S1, S2 làm việc; van S3 luôn khoá, còn van S4 sẽ được đóng mởngược pha với S1 (hình vẽ a, b, c, d) Et sđđ của động cơ Điện áp ratải có dạng Ut = U (hình vẽ e) Bộ BXMC có 3 trạng thái làm việc:

Trạng thái 1: (đồ thị dòng điện là hình vẽ f) U > Et: Động cơ làmviệc ở góc phần tư thứ nhất Năng lượng cấp cho động cơ được cấp

từ nguồn thông qua các van S1, S2 dẫn trong khoảng 0t1

+Trong khoảng t1 T: Năng lượng tích trữ trong điện cảm sẽ duy trìcho dòng điện theo chiều cũ và khép mạch qua S2, Đ4

Trạng thái 2: U < Et: (đồ thị g) Chế độ làm việc ở góc phần tưthứ 2 ( hãm)

+Trong khoảng 0t1: Động cơ trả năng lượng về nguồn thông quacác Điôt Đ1, Đ2 (IĐ1 = IĐ2 = It)

+Trong khoảng t1 T: Dòng tải sẽ khép mạch qua S4 (S4 dẫn) và Đ2(IĐ2 = IĐ4 = It)