Thiết kế thiết bị biển đổi xung áp mắc nối tiếp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều không đảo chiều quay

thiết kế thiết bị biển đổi xung áp mắc nối tiếp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều không đảo chiều quay. trong đề tài mình có sử dụng PID và bộ giới hạn điều khiểnCHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI XUNG ÁPCHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN MẠCH BẢO VỆCHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂNHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG MATLAB SIMULINK

Trang 1

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1 Trang 1

LỜI NÓI ĐẦU

Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng dụng của các linh kiện bán dẫn công suất làm việc ở chế độ chuyển mạch và quá trình biến đổi điện năng

Ngày nay, không riêng gì ở các nước phát triển, ngay cả ở nước ta các thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và cả trong lĩnh vực sinh hoạt Các xí nghiệp, nhà máy như: ximăng, thủy điện, giấy, đường, dệt, sợi, đóng tàu… đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu của công nghiệp điện

tử nói chung và điện tử công suất nói riêng Đó là những minh chứng cho sự phát triển của ngành công nghiệp này

Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, ngày càng có nhiều xí nghiệp mới, dây chuyền mới sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện những kiến thức về điện tử công suất Cũng với lý do đó, chúng em được làm

đồ án môn học điện tử công suất

Nhiệm vụ: ” Thiết kế thiết bị biển đổi xung áp mắc nối tiếp điều khiển tốc

độ động cơ điện một chiều không đảo chiều quay ”

Mặc dù đã dành nhiều cố gắng xong không tránh khỏi những sai sót nhất định, em mong được sự góp ý của thầy, cô Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn

Thầy cô trong khoa, đặc biệt thầy PGS.TS ĐOÀN QUANG VINH đã giúp em

hoàn thành đồ án môn học này

Đà Nẵng, ngày 04 tháng 11 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Đình Tiến

Trang 2

MỤC LỤC

Lời nói đầu 1

MỤC LỤC 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP 4

1.1 Tổng quan về thiết bị biến đổi xung áp 4

1.1.1 Khái quát bộ băm xung một chiều 4

1.1.2 Cấu trúc và phân loại bộ biến đổi xung áp 5

1.1.3 Phương pháp điều khiển bộ biến đổi xung áp 8

1.2 Tổng quan về động cơ điện một chiều 10

1.2.1 Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều 10

1.2.2 Ưu và nhược điểm của động cơ điện một chiều 10

1.2.3 Cấu tạo động cơ điện một chiều kích từ độc lập 10

1.2.4 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 11

1.3 Hệ truyền động xung áp – động cơ 13

1.3.1 Khái quát hệ truyền xung áp – động cơ 13

1.3.2 Sơ đồ nguyên lý 14

1.3.3 Nguyên lý hoạt động 15

1.3.4 Đặc tính điều chỉnh của bộ xung áp – động cơ 17

CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC 19

2.1 Sơ đồ nguyên lý của mạch động lực 19

2.2 Tính chọn các phần tử mạch động lực 20

2.2.1 Tính chọn Van IGBT 20

2.2.2 Tính chọn Diode công suất D 21

2.2.3 Tính chọn bộ chỉnh lưu 22

2.2.4 Tính chọn máy biến áp chỉnh lưu 22

2.2.5 Tính chọn phần tử trong khối lọc đầu vào 30

2.2.6 Tính chọn phần tử trong khối lọc đầu ra 35

CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN MẠCH BẢO VỆ 41

3.1 Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ 41

3.2 Bảo vệ các phần tử trong mạch chỉnh lưu 42

Trang 3

3.2.1 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các Diode chỉnh lưu 42

3.2.2 Bảo vệ quá dòng điện cho các Diode chỉnh lưu 42

3.2.3 Bảo vệ quá điện áp cho các Diode chỉnh lưu 43

3.3 Bảo vệ van bán dẫn IGBT 44

3.2.1 Bảo vệ quá nhiệt độ cho van IGBT 44

3.2.2 Thiết kế mạch đệm kiểu RCD cho van IGBT 44

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 46

4.1 Cấu trúc mạch điều khiển động cơ điện một chiều 46

4.2 Tính toán mạch điều khiển 46

4.2.1 Khâu phát xung chủ đạo và tạo điện áp răng cưa 46

4.2.2 Khâu tạo điện áp điều khiển 47

4.2.3 Khâu tự động điều chỉnh 49

4.2.4 Khâu hạn chế tham số điều chỉnh γ 50

4.2.5 Khâu so sánh tạo xung 50

4.2.6 Khâu cách ly và khếch đại 51

4.2.7 Mạch chuyển đổi điện áp về phản hồi 53

4.2.7 Thiết kế nguồn nuôi cho mạch điều khiển 54

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG MATLAB - SIMULINK 56

5.1 Sơ đồ mạch mô phỏng hệ thống 56

5.2 đồ thị dạng sóng điện áp và dòng điện 56

KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

Trang 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP

1.1 Tổng quan về thiết bị biến đổi xung áp

1.1.1 Khái quát bộ băm xung một chiều

Băm xung một chiều là thiết bị dùng để thay đổi điện áp một chiều ra tải từ một nguồn điện áp một chiều cố định Băm xung một chiều được ứng dụng để điều chỉnh tốc

độ động cơ điện một chiều, tạo nguồn điện áp dài rộng…

Cấu trúc thực tế thường gặp của BXMC gồm các khâu chủ yếu sau:

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc của băm xung một chiều

E – Nguồn một chiều, có thể là acquy hoặc bộ chỉnh lưu

LĐV – Bộ lọc đầu vào, là các phần tử L, C hoặc LC nhằm ngăn các ảnh hưởng tần

số cao của băm xung đối với nguồn

MV – Mạch hình thành từ các van bán dẫn, chủ yếu là van điều khiển hoàn toàn LĐR – Bộ lọc đầu ra có nhiệm vụ san phẳng dòng điện hay điện áp ra tải, tương tự như lọc một chiều trong chỉnh lưu

Để đóng cắt điện áp nguồn người ta thường dùng các khoá điện tử công suất vì chúng có đặc 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 trở của nó vô cùng lớn (điện áp trên tải mạng sẽ bằng không)

* Ưu điểm cơ bản của các bộ biến đổi xung áp 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 môi trường, vì yếu tố điều chỉnh là thời gian đóng khoá S mà không phải giá trị điện trở của các phần tử điều chỉnh thường gặp trong các bộ điều chỉnh liên tục kinh điển

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

+ 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 điều chỉnh của bộ biến đổi khi làm việc trong hệ thống kín

+ Tần số đóng cắt lớn sẽ tạo ta nhiễu cho nguồn cũng như các thiết bị điều khiển Tuy nhiên bộ biến đổi xung áp vẫn được ứng dụng rộng rãi, nhất là khi các yếu tố về

độ tin cậy, dễ điều chỉnh, độ ổn định cũng như kích thước là những tiêu chí được đặt lên hàng đầu

Trang 5

1.1.2 Cấu trúc và phân loại bộ biến đổi xung áp

1.1.2.1 Bộ biến đổi xung áp giảm áp

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị dạng sóng của xung áp giảm áp

Đặc điểm: Sơ đồ bộ biến đổi xung áp giảm áp có khóa S và tải mắc nối tiếp với

nhau Tải có tính chất cảm hoặc dung kháng, thường là tải cảm kháng (RL) hay tải có sức điện động như động cơ điện một chiều (dạng RưLưEư) Diode D mắc ngược với Uz

để thoát dòng tải khi ngắt khóa S Nguồn một chiều có thể lấy từ acquy, pin điện hoặc

từ nguồn áp xoay chiều qua bộ chỉnh lưu không điều khiển và mạch lọc Công tắc S có chức năng điều khiển đóng và ngắt được dòng điện đi qua nó; do đó, công tắc S phải là linh kịên tự chuyển mạch như transito (BJT, MOSFET, IGBT) , GTO hoặc ở dạng kết hợp thyristo và bộ chuyển mạch

Nguyên lý hoạt động:

Phần tử điều chỉnh quy ước là khóa S ( van bán dẫn điều khiển được )

+ Trong khoảng từ 0 đến T1 khi van dẫn điện, năng lượng của nguồn sẽ được cung cấp cho phụ tải, nếu con van là lý tưởng thì Uz= E; vì dòng điện từ nguồn is cấp cho tải Z phải đi qua điện cảm Lư (điện cảm Lư của động cơ) sẽ được nạp năng lượng cho giai đoạn van S dẫn

+ Trong khoảng thời gian còn lại của chu kỳ T, từ T1 đến hết chu kỳ điều khiển, van

S khóa, điện cảm Lư phóng năng lượng tích lũy từ giai đoạn trước Dòng điện qua L vẫn chảy theo chiều cũ và qua van đệm D, lúc này Uz = - UD ≈ 0

Như vậy, Uz ≤E Ta có bộ biến đổi hạ áp Dòng is, it, ut được biểu diễn như hình vẽ Tùy theo dạng tải và tham số điều chỉnh mà chế độ dòng tải có thể liên tục hay gián đoạn như trong thiết bị chỉnh lưu Nhưng người ta thường mong muốn dòng liên tục vì vậy trong quá trình tính toán phải làm sao cho dòng điện qua tải được liên tục đáp ứng được yêu cầu thực tế

Trang 6

1.1.2.2 Bộ biến đổi xung áp tăng áp

là Eư <E và nguồn E có khả năng tiếp nhận năng lượng do tải trả về Tải một chiều phải chứa nguồn dự trữ năng lượng (sức điện động Eư) và cảm kháng Công tắc S thuộc dạng tự chuyển mạch được như trường hợp bộ giảm áp Diode D cho phép dòng điện đi theo chiều ngược lại

+ Trong khoảng (0 ÷ T1) Trạng thái S đóng Dòng điện khép kín qua mạch

(RưLưEư,S) Phương trình mô tả trạng thái S đóng :

𝑢𝑧=0 ; 𝑢𝑧 = - R.𝑖𝑧 - L𝑑𝑖𝑧

𝑑𝑡 + Eư ;

𝑖𝑧(𝑡0) = 𝑖𝑧(0) = 𝑖0 – với giả thiết thời điểm đầu chu kỳ khảo sát 𝑡0=0

Dòng điện qua tải 𝑖𝑧 tăng theo dạng hàm mũ Hệ thức biểu diễn dòng điện tải có dạng:

𝑖𝑧(t) = (𝐸ư

𝑅 - 𝑖0) (1- 𝑒−𝑡𝜏) + 𝑖0Tại thời điểm cuối khoảng đang xét ,ta có t= 𝑇1 và 𝑖𝑧(𝑇1) = 𝑖𝑧 ; 𝜏= 𝐿

Trang 7

nên dòng tải tiếp tục dẫn điện theo chiều cũ và khép kín qua diode 𝐷 và nguồn E

Phương trình mô tả trạng thái mạch (E,𝐷,RưLưEư):

𝑢𝑧 = E ; 𝑢𝑧 = - R.𝑖𝑧 - L𝑑𝑖𝑧

𝑑𝑡 + Eư ; Tại thời điểm khoảng đầu đang xét ,dòng điện tải có giá trị 𝑖𝑧(𝑇1) = 𝑖1

Nghiệm dòng điện tải giảm theo hàm mũ cho bỡi hệ thức :

𝑖𝑧(𝑡) = (𝐸ư−𝐸

𝑅 - 𝑖0) (1- 𝑒−𝑡−𝑇1𝜏 ) + 𝑖1Cuộn kháng giải phóng một phần năng lượng dự trữ Sức điện động Eư ở chế độ phát năng lượng Cả 2 năng lượng này đều được đưa về nguồn E một phần , phần còn lại tiêu hao trên điện trở tải

+ Điện áp tải thay đổi theo dạng xung giữa 2 vị trí +E và 0

Bằng cách thay đổi tỷ số 𝛾 giữa T1 : thời gian đóng S và T= T1 + T2 : chu kỳ đóng ngắt

S, ta điều khiển công suất phát từ nguồn Eư cũng như công suất trả về nguồn E Có thể xác định độ lớn của chúng thông qua trị trung bình điện áp và dòng điện tải

1.1.2.3 Bộ biến đổi xung áp tăng-giảm áp

Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị dạng sóng của xung áp tăng giảm áp

Trang 8

Đặc điểm: L1 chỉ đóng vai trò tích lũy năng lượng C đóng vai trò lọc

+ Trong khoảng (0 ÷ T1) khi van S dẫn, cuộn dây được trực tiếp nạp năng lượng từ nguồn E bằng dòng is với quy luật tương tự băm xung kiểu song song Giai đoạn này diode D khóa và tải chỉ nhận năng lượng từ tụ điện C vì vậy ở đây cũng cần tụ C mắc song song với tải điện áp diode D phải chịu là:

UD = E + UC = E + Utải+ Trong khoảng (T1÷ T) thì van S khóa, cắt nguồn E ra khỏi mạch, để duy trì điện theo chiều cũ của mình sức điện động tự cảm của cuộn kháng L sẽ đủ lớn để diode D dẫn Năng lượng tích lũy trong điện cảm sẽ được phóng qua tải, tụ điện C cũng được nạp năng lượng trong giai đoạn này Van S phải chịu điện áp là:

R0 là điện trở trong của nguồn E

1.1.3 Phương pháp điều khiển bộ biến đổi xung áp

Điện thế trung bình đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn mặc dù điện áp đầu vào có thể là một hằng số (ắc quy, pin ) hoặc biến thiên ( đầu ra của chỉnh lưu) , tải

có thể thay đổi Với một giá trị điện thế vào cho trước, điện thế trung bình đầu ra có thể diều chỉnh theo hai cách là Thay đổi độ rộng xung và Thay đổi tần số băm xung

Hình 1.5 Đồ thị dạng sóng của băm xung một chiều

Trang 9

1.1.3.1 Phương pháp thay đổi độ rộng xung

Nội dung của phương pháp này là thay đổi T1 giữ nguyên T Giá trị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:

sơ đồ cấu trúc như sau:

Hình 1.6 Sơ đồ khối cấu trúc của phương pháp thay đổi độ rộng xung

 Khung phát xung chủ đạo nhằm tạo dao động với tần số cố định nhằm đảm bảo điều kiện băm xung với tần số không đổi

 Khâu tạo điện áp răng cưa theo tần số của khâu phát xung chủ đạo, đồng thời đảm bảo phạm vi điều chỉnh tối đa của tham số 

 Khâu so sánh tạo xung: so sánh điện áp răng cưa Urc với điện áp điều khiển Udk, điểm cân bằng giữa chúng chính là điểm to Do đó khi điện áp điều khiển thay đổi

sẽ làm thay đổi to và do đó thay đổi tham số điều chỉnh  Điện áp ra của khâu này

có dạng xung tương ứng với giai đoạn van lực Tr dẫn

 Khâu khuếch đại công suất nhằm tăng công suất xung tạo ra ở khâu so sánh, đồng thời phải thực hiện việc ghép nối với van lực theo tính chất điều khiển của van lực

 Khâu tạo điện áp điều khiển theo luật công nghệ

1.1.3.2 Điều khiển theo phương pháp xung- tần

Phương pháp này ngược với kiểu PWM, cần phải thay đổi được tần số băm xung trong khi khoảng dẩn của van lực S được giữ không đổi Vì thế cấu trúc điều khiển khác gồm các khâu sau đây :

 Khâu tạo điện áp điều khiển với chức năng tương tự mạch trước

 Khâu biến đổi U/f nhằm tạo dao động xung với tần số tỷ lệ thuận với điện áp vào

là điện áp điều khiển

Trang 10

Hình 1.7 Sơ đồ khối cấu trúc của phương pháp thay đổi xung tần

 Khâu tạo khoảng dẩn không đổi cho van lực Tr, tức là to=const, với tần số do bộ biến đổi U/f quyết định

 Khâu khuếch đại công suất

1.2 Tổng quan về động cơ điện một chiều

1.2.1 Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều

Trong nền sản xuất hiện đại , động cơ điện một chiều giữ vai trò nhất định, quan trọng Đặc biệt là trong các nghành công nghiệp, giao thông vận tải, các thiết bị điều chỉnh tốc độ quay liên tục và có phạm vi rộng như máy cán thép, máy công cụ lớn,đầu máy điện Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ vào khoảng 75% - 85%,ở động cơ trung bình và lớn vào khoảng 10000 kW.Điện áp vào khoảng vài trăm đến ngàn Vôn Hướng phát triển hiện nay là cải tiến tính năng vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những máy công suất lớn

1.2.2 Ưu và nhược điểm của động cơ điện một chiều

+) Ưu điểm của động cơ điện một chiều

- Có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau

- Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ Điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng, liên tục mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản Đáp ứng được khả năng quá tải lớn

+) Nhược điểm của động cơ điện một chiều

- Giá thành đắt hơn các loại máy điện khác do sử dụng nhiều kim loại màu,chế tạo

và bảo quản khó khăn

- Có hệ thống cổ góp – chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ

1.2.3.Cấu tạo động cơ 1 chiều kích từ độc lập

Động cơ điện 1 chiều gồm có 2 phần: Phần tĩnh (stator) và phần động (rotor)

 Phần tĩnh (stator)

gồm các bộ phận chính sau:

Trang 11

+) Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ.Lõi sắt được làm từ thép kỹ thuật điện Dây quấn kích từ được làm bằng đồng cách điện

+) Cực từ phụ: Đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện, đổi chiều

+) Gông từ: Dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy

+) Các bộ phận khác: vỏ máy, cơ cấu chổi than

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

Ta có phương trình cân bằng điện áp của phần ứng

a: số đôi mạch nhánh song song phần ứng

Trang 12

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép:

ta có: 𝑀𝑡𝑡=𝑀đ𝑐=M

𝑀𝑡𝑡=K𝜙𝐼ưVậy ω=𝑈ư

𝐾𝜙 - 𝑅ư +𝑅𝑓(𝐾𝜙) 2𝑀 Giả sử 𝜙=const ta có đồ thị đặc tính cơ như hình 1.8

Ta thấy rằng việc điều chỉnh động cơ điện một chiều có thể thực hiện bằng cách thay đổi các đại lượng :𝑅ư, 𝜙, 𝑈ư.Thực tế có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều:

+ Phương pháp 1 :thay đổi điện trở phần ứng

Đây là phương pháp kinh điển được dùng trong nhiều năm

- Nguyên lý điều khiển: Người ta giữ U=𝑈đ𝑚; 𝜙 =𝜙đ𝑚 và nối tiếp thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng

- Ưu điểm: Thiết bị thay đổi đơn giản, thường dùng cho các động cơ có cần trục,thang máy, máy nâng,máy cán thép,máy xúc

- Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở càng lớn,đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độ khi điện trở phụ thay đổi càng kém Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn,tốc độ càng thấp thì tổn hao phụ càng cao Phương pháp này chỉ cho những tốc độ nhảy cấp tức là không điều khiển liên tục được và chỉ cho điêù chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức(chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm)

+ Phương pháp 2: thay đổi từ thông (𝜙)

- Nguyên lý điều khiển: Giả thuyết U= Udm, Rư=const Muốn thay đổi từ thông động

cơ ta thay đổi dòng điện kích từ Thay đổi dòng điện kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cho mạch kích từ

- Ưu điểm: Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy Có thể điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D=3:1 Vì công suất của cuộn điều khiển từ bé,dòng điện kích

từ nhỏ nên ta có thể điều khiển liên tục.Vận hành kinh tế do tổn hao điều chỉnh

thấp.Và có thể điều chỉnh tốc độ lứn hơn tốc độ điều khiển

- Nhược điểm: Sai số tốc độ lớn:đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên

+ Phương pháp 3: Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện một chiều nhưng chỉ có phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp

Uư đặt lên phần ứng của động cơ là tốt nhất và hay được sử dụng nhất và nó thu được đặt tính cơ có độ cứng không thay đổi,chiều điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không bị tổn hao

Trang 13

1.3 Hệ truyền động xung áp – động cơ

1.3.1 Khái quát hệ truyền xung áp – động cơ

Đối với các máy điện một chiều, khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnh điện áp trên mạch phần ứng thì dòng điện và momen sẽ không thay đổi Để tránh những biến động lớn về gia tốc và lưc động trong hệ hiện chính nên phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng thường áp dụng cho động cơ 1 chiều kích

từ độc lập

Hình 1.9 Sơ đồ chung và mạch điện tương đương của bộ biến đổi xung áp

Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ 1 chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều , các bộ vân điều khiển hoặc khuếch đại từ… Các thiết bị nguồn điện áp này có chức năng biến năng lượng xung chiều thành một chiều có sức điện động

Eư điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk sao cho phù hợp với yêu cầu

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

Hình 1.10 Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng

Khi thay đổi điện áp đặt lên phần ứng của động cơ thì tốc độ không tải lý tưởng sẽ thay đổi nhưng độ cứng của đường đặc tính không thay đổi như vậy : Khi ta thay đổi điện áp thì độ cứng của đường đặc tính cơ không thay đổi

Trang 14

Họ đặc tính cơ là những đường thẳng song song với đường đặc tính cơ tự nhiên Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng thực chất là giảm áp

và chọn ra những tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản n Đồng thời điều chỉnh nhảy cáp hay kiểm tra phụ thuộc vào bộ nguồn cơ điện áp thay đổi một cách liên tục và ngược lại Theo lý thuyết thì phạm vi điều chỉnh D= ∞ Nhưng trong thực tế động cơ điện một chiều kích từ độc lập nếu không có biện pháp đặc biệt thì chỉ làm việc ở phạm vi cho phép: Umincp = Uđm

10 Nghĩa là phạm vi điều chỉnh D = nmin 𝑛 = 101 Nếu điện áp phần ứng U <Umincp thì dự phản ứng phần ứng sẽ làm cho tốc độ động cơ không ổn định

Nhận xét:

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động

cơ sẽ giữ nguyên độ cứng của đường đặc tính cơ nên được dùng nhiều trong máy cắt kim loại và cho những tốc độ nhỏ hơn ncb

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

là như nhau nên dải điều chỉnh đều trơn và liên tục

1.3.2 Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị dạng sóng của bộ biến đổi xung áp

Trang 15

1.3.3 Nguyên lý hoạt động

Phân tích :

Việc phân tích thực hiện với giả thiết dòng điện qua tải liên tục.Do cấu tạo mạch chỉ chứa công tắc S với 2 trạng thái hoạt động là đóng và ngắt dòng điện nên ta phân tích mạch theo 2 trạng thái cơ bản này

+ Trong khoảng thời gian (0 ÷ T1) Trạng thái đóng S, thời gian đóng là T1, dòng điện dẫn từ nguồn E khép kín qua mạch gồm (E,S,RưLưEư).Phương trình biểu diễn trạng thái hoạt động của tải:

𝑖𝑧(𝑡)=𝐸−𝐸ư

𝑅 (1- 𝑒−𝑡𝜏)+𝑖0.𝑒−𝜏𝑡 (1.2) với 𝜏=𝐿

𝑅 là hằng số thời gian mạch tải

Tại cuối khoảng dẫn T1, ta có 𝑖𝑧𝑀𝐴𝑋=𝑖𝑧(𝑇1)=𝑖1

→ Quá trình dòng điện tải có dạng tăng theo hàm mũ

+ Trong khoảng thời gian (0 ÷ T1) Trạng thái ngắt S, khoảng thời gian ngắt là 𝑇2.Do bị kích ngắt nên dòng qua S triệt tiêu Mạch tải có chứa L nên dòng qua nó không thể bị thay đổi đột ngột được Do tính liên tục của dòng điện qua tải chứa L, dòng tải 𝑖𝑡 tiếp tục

đi theo chiều cũ và khép kín qua diode không 𝐷 thuận chiều đang dẫn của nó.Phương trình mô tả trạng thái mạch (𝐷, RưLưEư):

𝑖𝑧(t) = −𝐸ư

𝑅 (1-𝑒−𝑡−𝑇1𝜏 )+𝑖1.𝑒−𝑡−𝑇1𝜏 (1.4)

→ Dòng điện có giá trị giảm theo hàm mũ

Tại cuối khoảng thời gian 𝑇2, công tắc S lại được kích đóng S dẫn điện làm điện áp nguồn U tác dụng lên diode không 𝐷 như điện áp ngược nên ngắt dòng qua nó.Trạng thái S đóng được phân tích như hình trên

Trang 16

Giá trị trung bình của điện áp trên tải nhận được là

Uz= 1𝑇∫ 𝑢𝑧𝑑𝑡0𝑇1 =𝑇1𝑇 𝐸 = 𝛾𝐸

Trong đó: - T1 là thời gian cho van S dẫn

- 𝛾 là tham số điều chỉnh

- T là chu kì đóng cắt của van

Dòng điện trung bình qua tải: Iz = 𝑈𝑧 –𝐸ư

𝑅

trong đó: a1=𝑒−𝑇𝜏 b1=𝑒−𝑇1𝜏

𝜏=L/Rt là hằng số thời gian của mạch tải

Độ dao động dòng điện tải: ∆𝑖𝑧 = Izmax - Izmin = 𝑈

𝑅𝑡

(1−𝑏1−1)(1−𝑎1𝑏1) 1−𝑎1

Biểu thức này cho thấy độ đập mạch dòng không phụ thuộc vào tải là RL hay

RưLưEư khi tải có suất điện động Eư ảnh hưởng đến giá trị tức thời của dòng diện làm giảm trị số một lượng bằng Eư/Rư so với trường hợp tải RL Có thể coi gần đúng hệ số đập mạch theo biểu thức:

Kdm= ∆I

2Iz

(1−𝑏1−1)(1−𝑎1𝑏1) 1−𝑎1

Khảo sát cho thấy giá trị đập mạch dòng điện này phụ thuộc vào 𝛾 và đạt cực đại khi

𝛾 = 0,5

Chế độ dòng tải gián đoạn :

Hình 1.12 Đồ thị dạng sóng dòng gián đoạn

Khi Eư=0, dòng điện tải luôn liên

tục.Khi Eư > 0, dòng điện tải có thể liên

tục hoặc gián đoạn Khoảng thời gian

dòng điện tải gián đoạn phụ thuộc vào

các giá trị của tham số điều khiển (T1,T2)

và tham số tải (RưLưEư)

Ở chế độ dòng gián đoạn khoảng thời

gian dòng gián đoạn (𝑖𝑧=0) xuất hiện

trong thời gian ngắt van S Trong thời

gian đóng S,dòng điện tải luôn được mô

tả bởi phương trình (1.1) và (1.2) bắt đầu

từ giá trị iz(0)=i0=0 Trong giai đoạn đầu

của thời gian ngắt van S (T1<t<t2) dòng

điện tải liên tục giảm và trạng thái được

mô tả như hình (1.3) và (1.4)

Trang 17

Nghiệm dòng điện tải theo hệ thức (1.4) giảm và đạt giá trị 0 tại thời điểm 𝑡2 thỏa mãn điều kiện :

𝑖𝑧(𝑡2)=−𝐸ư

𝑅 (1 - 𝑒−𝑡2−𝑇1𝜏 ) + 𝑖1.𝑒− 𝑡2−𝑇1𝜏 = 0 ; 𝑇1 < 𝑡2 < T (1.5) Giải phương trình (1.5), ta xác định được giá trị 𝑡2 :

t2= τ.ln[ EưE (eT1 τ – 1) + 1] (1.6) Giai đoạn dòng tải gián đoạn ( t2 < t < T ) : điện áp trên tải bằng Eư

Trị trung bình điện áp trên tải : dễ dàng dẫn giải điện áp trung bình trên tải theo hệ thức (1.7):

Với chế độ dòng điện qua tải liên tục, ta có:

- Điện áp trên tải có dạng xung thay đổi giữa 2 giá trị 0 và +U ;

Công suất mạch tải nhận được: P=Uz.Iz = 𝛾2.E.Is

Bộ giảm áp dùng làm nguồn điện áp cho truyền động điện động cơ 1 chiều ,làm bộ phận nguồn cho bộ biến tần áp, bộ biến tần dòng điện

1.3.4 Đặc tính điều chỉnh của bộ xung áp – động cơ

Ta có công thức

Trang 18

Khi thay đổi 𝛾 ta được họ đường thẳng song song có độ cứng 𝛽 = const và tốc độ không tải lí tưởng 𝜔o thay đổi theo 𝛾 Nếu nguồn vô cùng lớn thì ta có thể bỏ qua Rbđ, khi đó độ cứng của đặc tính cơ của hệ có độ cứng là:

Hình 1.13 Đặc tính cơ của hệ truyền XA-ĐC Tốc độ không tải lí tưởng 𝜔o phụ thuộc vào 𝛾 chỉ là giá trị giả định Nó có thể tồn tại nếu như dòng trong hệ là liên tục kể cả khi giá trị dòng tiến đến 0 Vì vậy hai biểu thức trên chỉ đúng với trạng thái dòng liên tục Khi dòng điện đủ nhỏ thì hệ sẽ chuyển trang thái từ dòng liên tục sang trạng thái dòng gián đoạn Khi đó các phương trình đặc tính điều chỉnh nói trên không còn đúng nữa mà lúc này đặc tính của hệ là những đường cong rất dốc

Nhận xét:

+) Tất cả đặc tính điều chỉnh của hệ XA – ĐC khi dòng điện gián đoạn đều có

chung một giá trị không tải lí tưởng, chỉ ngoại trừ trường hợp 𝛾 = 0

+) Bộ nguồn xung áp cần ít van dẫn nên vốn đầu tư ít, hệ đơn giản chắc chắn

+) Độ cứng của đặc tính cơ lớn

+) Điện áp dạng xung nên gây ra tổn thất phụ khá lớn trong động cơ Khi làm

việc ở trạng thái dòng điện gián đoạn thì đặc tính làm việc kém ổn định và tổn

thất năng lượng nhiều

Trang 19

CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC 2.1 Sơ đồ nguyên lý của mạch động lực

Hình 2.1 Sơ đồ khối mạch động lực

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực Trong đó:

1 BAL: Khối biến áp lực dùng máy biến áp 3 pha đấu ∆/Y có tác dụng chuyển điện áp của lưới điện xoay chiều sang điện áp thích hợp với tải, cách ly điện áp lưới, trong một số trường hợp còn dùng để biến đổi số pha của nguồn lưới

2 CL: Khối chỉnh lưu Ta chọn khối chỉnh lưu cầu 3 pha

 Chức năng: biến đổi dòng điện xoay chiểu thành dòng điện một chiều

 Ưu điểm: - cho phép đấu thẳng vào lưới điện ba pha

- Độ đập mạch rất nhỏ (5,7%)

- Công suất máy biến áp xấp xỉ bằng công suất tải, đồng thời gây méo lưới điện ít hơn loại chỉnh lưu khác

 Nhược điểm: sụt áp trên van gấp đôi và chi phí cao hơn so với sơ đồ hình tia

3 LĐV: Khối lọc đầu vào có tác dụng san bằng điện áp đầu ra ở khối chỉnh lưu

4 Van: Van bán dẫn dùng để đóng cắt dòng điện ta dùng IGBT bởi vì IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu dòng lớn của BJT Về mặt điều khiển, IGBT gần giống như MOSFET, nghĩa là được điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ

5 LĐR: Khối lọc đầu ra có tác dụng san bằng điện áp đầu ra, nâng cao chất lượng điện áp đặt lên tải

6 ĐC: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Trang 20

2.2 Tính chọn các phần tử mạch động lực

Nhắc lại yêu cầu: Thiết kế thiết bị biến đổi xung áp mắc nối tiếp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều không đảo chiều quay với các số liệu cho trước như sau: Công suất định mức động cơ: Pđm = 5.5 kW Điện áp định mức phần ứng: Uưđm = 220 V Dòng điện định mức phần ứng: Iưđm= 25.5 A Tốc độ định mức: nđm = 1200 v/ph Hệ số dự trữ điện áp: Ku = 1,5 ÷ 1,8 Hệ số dự trữ dòng: Ki= 1,1 ÷1,4

2.2.1 Tính chọn Van IGBT

Van động lưc được lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản: dòng tải, sơ đồ đã chọn, điều kiện tản nhiệt, điện áp làm việc

Ta có các thông số ban đầu của mạch động lực như sau:

Nguồn lưới xoay chiều 3 pha: 380V/220V

Tải là động cơ điện một chiều kích từ độc lập có:

Pđm = 5,5 kW; Uđm = 220V; Iđm = 25,5 A; nđm = 1200 vòng/phút;

Các thông số còn lại được tính:

98,05,25.220

10.5,5

220)

1.(

5,

Điện cảm mạch phần ứng động cơ, được tính theo công thức Umanxki-Linđvil:

I n p

U

dm dm

dm

172,010

.72,15,25.1200.100 2

60.22025

,0

2

60





Trong đó   0 , 25 là hệ số lấy cho động cơ có cuộn bù

Với yêu cầu đặt ra ta chọn tần số băm xung là f = 5 kHz suy ra 𝜌 = 100

Vậy dòng điện trung bình lớn nhất qua van IGBT là: IS = 25,5A

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van S là: US = 220 V

Từ đó ta chọn được van IGBT loại IRGP450UD2 để lắp vào mạch lực của bộ biến đổi

có thông số như sau:

- Điện áp khóa Collector - Emitter của IGBT: VCES= 500V

- Điện áp Gate – Emitter cực đại: VGES = ± 20V

- Dòng điện làm việc cực đại ( với Tc=250C) : ICmax = 59A

- Đỉnh xung dòng điện cực đại: Ipikmax = 120 A

- Điện áp xung điều khiển: VGEmax = 15 V

Trang 21

Hình 2.3 Cấu tạo và hình dạng của IGBT IRGP450UD2

- Điện áp ngưỡng điều khiển: VGE(th) = 5,5 V

- Công suất tiêu tán cực đại ( với Tc=250C): PD = 200W

- Phạm vi nhiệt độ cho phép: Tcp = - 550C ÷ +1500

C

- Điện áp đánh thủng: V(BR)CES = 500 V

- Điện áp rơi trên IGBT: VCE(sat) = 3,2 V

- Dòng điện rò: IGES = 100 nA

- Thời gian mở: ton = td(on) + tr = 33 + 26 = 59 ns

- Thời gian đóng: toff = td(off) + tf = 160 + 110= 270 ns

2.2.2 Tính chọn Diode công suất D

Thông số cơ bản của Diode công suất D được tính toán như sau:

dòng điện trung bình lớn nhất qua Diode D là: ID = 25,5A

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van S là: UD = 220 V

Ta chọn loại Diode NTE5990 có các thông số như sau:

- Dòng điện dẫn cực đại: Imax = 40 A

- Điện áp ngược cực đại của Diode: Un = 400 V

- Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 500 A

- Tổn hao điện áp ở trạng thái mở của Diode: ∆U = 1,2 V

- Dòng điện thử cực đại: Ith = 40 A

- Dòng điện rò ở nhiệt độ 250C: Ir = 100 𝜇A

- Nhiệt độ cho phép: Tcp = 140 0C

Trang 22

2.2.3 Tính chọn bộ chỉnh lưu

Sử dụng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha dùng 6 Diode công suất Tính chọn Diode dựa vào các yếu tố cơ bản của dòng tải, điện áp làm việc các thông số cơ bản của Diode được tính như sau:

 Điện áp ngược lớn nhất mà Diode phải chịu:

Unmax = Knv U2 = Knv VCE(sat)+UưđmKu = 𝜋3 (3,2 + 220) = 233,73 V

Trong đó: - U2 , VCE(sat) , Uưđm là điện áp nguồn xoay chiều, điện áp rơi trên van S, điện

áp định mức phần ứng động cơ

- Knv = √6, Ku = 3√6

𝜋 là hệ số điện áp ngược và hệ số điện áp tải

Điện áp ngược của Diode cần chọn:

Từ các thông số UnD , Iđm ta chọn 6 Diode loại BYY53/500 có các thông số như sau:

- Dòng điện dẫn cực đại: Imax = 25 A

- Điện áp ngược cực đại của Diode: Un = 500 V

- Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 425 A

- Tổn hao điện áp ở trạng thái mở của Diode: ∆U = 1,1 V

- Dòng điện thử cực đại: Ith = 25 A

- Dòng điện rò ở nhiệt độ 250C: Ir = 1,5 mA

- Nhiệt độ cho phép: Tcp = 200 0C

2.2.4 Tính chọn máy biến áp chỉnh lưu

Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ đấu dây ∆/Y làm mát bằng không khí tự nhiên Máy biến áp có công suất nhỏ, chỉ cỡ chục kVA trở lại, sụt áp trên điện trở tương đối lớn khoảng 4%, sụt áp trên cuộn kháng ít hơn khoảng 2% Điện áp sụt trên 1 Diode khoảng 1,1 V

 Tính các thông số cơ bản:

1 Điện áp pha sơ cấp MBA: U1=380(V)

Trang 23

2 Điện áp pha thứ cấp MBA:

Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:

BA dn

v d

U 0cos min   2     

Trong đó:

0 min  10

 là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện áp lưới;

) ( 1

cos

2,1301,1.22,223cos

2

0 min

V U

U U U

3

281,242

23

579,103

1

2 2

U

U I

Q Fe  Q BA

trong đó: k Q hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, ta chọn k Q= 6 ứng với phương thức làm mát bằng không khí

Trang 24

m là số trụ của máy biến áp, với Máy biến áp ba pha ta có m=3

f - tần số dòng điện xoay chiều, f=50 Hz

)(458,3950

.3

Chuẩn hóa đường kính trụ theo tiêu chuẩn: d=7 (cm)

9 Chọn loại thép: Để giảm tổn hao sắt trong mạch từ ta chọn lõi thép là các lá tôn silic dày 0,5mm

Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ BT=1(T)

10 Chọn tỷ số m = h/d=2,3(thông thường m=22,5)

h=2,3.d=2,3.7=16,1 (cm)

Chọn chiều cao trụ h=16 (cm)

 Tính toán dây quấn

11 Số vòng dây mỗi pha sơ cấp mba:

8,43310

.1.458,39.50.44,4

380

44

579,103

1 1

13 Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong mba:

Với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô, chọn J1=J2=2,75(A/mm2)

14 Tiết diện dây dẫn sơ cấp mba:

S1= 2,044( )

75,2

621,

1

mm J

I



Chọn dây dẫn hình chữ nhật, cách điện cấp B

Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: S1=2,05(mm2)

Kích thước dây có kể cách điện: S1cđ= a1xb1 = 1,0x2,44 mm

15 Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp

)/(41,62,05

14,

821,

Trang 25

Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: S2=3,33(mm2)

Kích thước dây có kể cách điện: S2cđ= a2xb2= 1,45x2,44 mm

17 Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp:

)/(253,633,3

821,

 Kết cấu dây quấn sơ cấp

Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục

18 Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp

c k b

h h

1

0 11

1.216

,0

244,0.55.1

11

c k

b W

Trang 26

28 Đường kính ngoài cuộn sơ cấp:

, 9 434

 Kết cấu dây quấn thứ cấp

32 Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp:

h1=h2= 14 , 126 (cm)

33 Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp:

W12= 0,95 54,9988

244,0

126,14

34 Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp:

146,255

244,0.55 2

, 13 118

2

Trang 27

43 Đường kính trung bình của các cuộn dây:

2

25 , 13 9 2

14  lá

- Bậc 2 : n2 = 2 36

5,0

9  lá

- Bậc 3 : n3 = 2 24

5,0

6

 lá

- Bậc 4 : n4 = 2 20

5,0

6  lá

Để đơn giản trong chế tạo gông từ, ta chọn gông có tiết diện hình chữ nhật có các kích thước sau:

Chiều dày của gông bằng chiều dày của trụ: bg = dt = 6,8 (cm)

Chiều cao của gông bằng chiều rộng tập lá thép thứ nhất của trụ: ag =7,7(cm)

Tiết diện của gông: Qg = ag bg = 7,7 6,8 =52,36(cm2)

50 Tiết diện hiệu quả của gông:

Qh q g = khq Qg = 0,95.52,36=49,742(cm2)

51 Số lá thép dùng trong một gông:

5,0

685

380

44

,

T Q W f U

(T)

Trang 28

53 Mật độ từ cảm trong gông:

753,052,36

41,135

959,

 Tính các thông số của máy biến áp

64 Điện trở trong cuộn sơ cấp máy biến áp ở 750C:

37,105,2

7,13102133,0

579,4702133,0

2 2

1

2 1 2

W

W R R

R BA

Trang 29

67 Sụt áp trên điện trở mba:

) ( 361 , 10 5 , 25 4063 , 0

2 2 2

10 3

.

r W X

2

10.314.10.3

465,066,001,0.126,14

16,6.118

0 314

207 , 0

mH H

2 2

V U

821,20.4063,0100

nr

76 Điện áp ngắn mạch phản kháng:

%16,4100.579,103

821,20.207,0100

nx

77 Điện áp ngắn mạch phần trăm:

% 17 , 9 16 , 4 17 ,

,0

579,103

Định dạng
Số trang	59
Dung lượng	2,73 MB