điều khiển động cơ 1 chiều

Đây là một trong những phương pháp được dùng phổ biến nhất hiện nay để điều chỉnh động cơ một chiều kích từ độc lập với yêu cầu đảo chiều quay động cơ theo phương pháp đối xứng.. Các phư

Họ và tên: Nguyễn Nhân Hùng

Lớp : 54KTĐ

Mã SV : 1251121047

1.Nhiệm vụ: Thiết kế bộ biến đổi DC-DC tần số cao dùng để điều chỉnh tốc động

cơ điện một chiều

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

I Đặt vấn đề chung

II Tổng quan về động cơ điện một chiều

III Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

IV Điều chỉnh từ thông động cơ

V Các vấn đề khác khi điều chỉnh động cơ 1 chiều

VI Vấn đề phụ tải

VII Phân tích phương án tổng thể

CHƯƠNG 2: MẠCH CHỈNH LƯU

I Giới thiệu về băm xung một chiều

II Phương pháp thay đổi độ rộng xung

III Các sơ đồ băm xung

IV Kết luận

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH LỰC

I. Tính toán các thông số cơ bản của động cơ điện một chiều PMĐC

II. Chọn diode công suất

III. Tính toán chọn van IGBT

IV. Tính toán chỉnh lưu:

V. Thiết kế lựa chọn máy biến áp chỉnh lưu

VI. Tính toán chọn Diode

VII. Tính kích thước mạch từ

VIII. Tính chọn lọc C

CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

I. Nguyên lý mạch điều khiển:

II. Tính toán và thiết kế các khâu điều khiển

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

LỜI MỞ ĐẦU

Ứng dụng điện tử công suất vào trong truyền động điện- điều khiển tốc độ động cơ điện là một lĩnh vực quan trọng và ngày càng phát triển Các nhà sản xuất không ngừng cho ra đời các sản phẩm và công nghệ mới về các phần tử bán dẫn công suất

và các thiết bị điều khiển đi kèm Do đó khi thực hiện đồ án chúng em đã cố gắng cập nhập những kiến thức mới nhất, những công nghệ mới trong lĩnh vực điều khiển các phần tử bán dẫn công suất Với yêu cầu thiết kế mạch băm xung một chiều để điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập có yêu cầu đảo chiều quay theo nguyên tắc đối xứng, chúng em đã cố gắng tìm hiểu kĩ về các phương án công nghệ sao cho bản thiết kế vừa đảm bảo yêu cầu kĩ thuật, yêu cầu kinh tế Với

hy vọng đồ án điện tử công suất này là một bản thiết kế kĩ thuật có thể áp dụng được trong thực tế nên chúng em cố gắng mô tả cụ thể, tỉ mỉ và tính toán cụ thể cácthông số của các sơ đồ mạch

Mặc dù chúng em đã rất nỗ lực và cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi và quyết tâm cao nhất tuy nhiên đây là lần đầu tiên chúng em làm đồ án, và đặc biệt do trình

độ hiểu biết của chúng em còn nhiều hạn chế nên chúng em không thể tránh khỏi những sai sót, chúng em mong nhận được sự phê bình góp ý của các thầy để giúp chúng em hiểu rõ hơn các vấn đề trong đồ án cũng như những ứng dụng thực tế của

nó để bản đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn Và chúng em hi vọng trong một tương lại không xa, chúng em có thể áp dụng những kiến thức và hiểu biết thu được từ chính đồ án đầu tiên trong cuộc đời sinh viên của chúng em vào thực tế cũng như sẽ phát triển hơn nó trong các đồ án sau này

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp cả về chiều rộng lẫn chiều sâu, điện và các máy điện đóng vai trò rất quan trọng, không thể thiếu được trong phần lớn các ngành công nghiệp và đời sống sinh hoạt của con người Nó luôn đi trước một bước làm tiền đề nhưng cũng là mũi nhọn quyết định

sự thành công của cả hệ thống sản xuất công nghiệp Không một quốc gia nào, một nền sản xuất nào không sử dụng điện và máy điện

Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều : sản xuất dễ, dễ truyền tải , cả máy phát và động cơ xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận

hành mà máy điện( động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi vàphổ biến Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định như trong cong nghiệp giao thông vận tải, và nói chung các thiết bị điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng( như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ) mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản

cổ góp phức tạo hơn nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn khong thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại

Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ hay máy phát điệntrong những điều kiện làm việc khác nhau Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điệnmột chiều là điều khiển tốc độ và khả năng quá tải Nếu như bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi 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 hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao

Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ khoảng 75% 85% ở động cơ điện công suât trung bình và lớn khoảng 85%-94% Công suất lớn nhất củađộng cơ điện một chiều khoảng 100000kW và điện áp vào khoảng 1000V Hướng phát triển là cải tiến tính nâng vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chếtạo những máy công suất lơn hơn đó là cả một vấn đề rộng lớn mà chỉ đề cập đến vấn đề thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ có đảo chiều của động

cơ một chiều kích từ độc lập theo nguyên tắc đối xứng Đây là một trong những phương pháp được dùng phổ biến nhất hiện nay để điều chỉnh động cơ một chiều kích từ độc lập với yêu cầu đảo chiều quay động cơ theo phương pháp đối xứng Đây là một phương pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao và được sử dụng rộng rãi

bởi những tính năng và đặc điểm nổi bật của nó mà chúng em sẽ phân tích và đề cập sau này.

II Tổng quan về động cơ điện một chiều

1 Định nghĩa của động cơ điện một chiều.

Động cơ một chiều dùng dòng điện một chiều để biến đổi điện năng thành cơ năng hay cơ năng thành điện năng( khi hãm)

2 Nguyên lý của động cơ điện một chiều.

Động cơ điện một chiều là thiết bị điện quay, làm việc theo nguyên lý điện từ, khi đặt vào trong từ trường một dây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ sinh ra một lực từ tác dụng vào dây dẫn làm dây dẫn chuyển động động

cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng

3 Phân loại các loại động cơ điện một chiều.

Ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ Theo đó ứng với mỗi cách ta có các loại động cơ điện sau

+Kích thích độc lập: phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ.+Kích từ song song: cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng

+Kích từ nối tiếp: cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp với phần ứng

+Kích từ hỗn hợp: gồm hai cuộn dây kích từ, một cuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng

4 cấu tạo của động cơ điện một chiều.

Động cơ điện một chiều có hai phần chính là phần động và phần tĩnh

 Phần tĩnh hay stato là bộ phận sinh ra từ trường nó gồm có:

+Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ( nếu động cơ được kích từ bằng nam châm điện), mạch từ được làm bằng sắt từ( thép đúc, thép đặc) dây quấn kích

từ được làm bằng dây điện từ, các cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau

+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 bằng những lá thép kỹ thuật điện haythép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulong Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối, tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếpvới nhau

+) Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính Lõi thép của cực từ phụ thường được làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulong

+) Gông từ dùng làm mạch từ nối tiếp các cực từ, đồng thời làm vỏ máy

 Phần quay hay roto: bao gồm những bộ phận sau Phần quay hay roto: bao gồm những bộ phận sau

+) Lõi thép phần ứng dùng để dẫn từ, thường được dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5 m Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện.+)Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày

từ 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn

Với mỗi loại động cơ trên thì sẽ tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kĩ thuật điềukhiển và ứng dụng là tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố Trong đề tàinày ta chỉ xét đến dộng cơ điện một chiều kích từ độc lập và biện pháp hữu hiệu nhất để điều khiển loại động cơ này

III Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

1 Phương trình đặc tính cơ:

- là phương trính biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ ( n) và momen( M) của động cơ

có dạng

= - MThông qua phương trình này, ta có thể thấy được sự phụ thuộc của tốc độ động cơ

và các thông số khác ( momen, từ thông…), từ đó đưa ra phương án để điều chỉnh động cơ( tốc độ) với phương án tối ưu nhất

Với những điều kiện = const, = const thì từ thông của động cơ hầu như không đổi

vì vậy quan hệ trên là tuyến tính và đường đặc tính cơ của động cơ là đường thẳng.Thường dạng của đặc tính là đường thẳng mà giao điểm với trục tung ứng với momen ngắn mạch còn giao điểm vớ trục tung ứng với tốc độ không tải của động cơ

Người ta đưa thêm đại lượng β = để đánh giá tốc độ cứng Đặc tính càng dốc càng cứng( β càng lớn) tức là momen biến đổi nhiều nhưng tốc độ biến đổi ít và ngược lại Đặc tính càng ít dốc càng mềm tức là momen biến đổi ít nhưng tốc độ biến đổi nhiều thay đổi

Để hiểu được nguyên lý và lựa chọn phương pháp điều chỉnh tối ưu, trước hết ta đi xét đặc tính của động cơ điện Đó là quan hệ giữa tốc độ quay với momen(hoặc dòng điện) của động cơ.

 Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ: nếu động cơ vận hành ở chế độ địnhmức( điện cơ) Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có các điểm làm việc định mức

có giá trị ,

 Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham

số nguồn hoặc nối thêm các điện trở, điện kháng

Để so sánh các đặc tính cơ với nhau, người ta đưa ra khái niệm đặc tính cơ: β = ( tốc độ biến thiên momen so với vận tốc)

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

 Sơ đồ kích thích từ độc lập được thể hiện như dưới đây:

Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạc điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau: gọi là động cơ điện độc lập.

 Phương trình đặc tính cơ xuất phát:

= Trong đó:+ : điện áp phần ứng

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

+ a : số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

+ : từ thông kích từ dưới một cực từ

+ : tốc độ góc

K = Trong đó: +K: hệ số cấu tạo của động cơ

=

Vì vậy

= 0.105KSuy ra (*)

Biểu thức (*) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

Mặc khác momen điện từ của động cơ được xác định

Suy ra

Thay vào (*) ta được:

Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và thép thì momen cơ trên trục động cơ bằng momen điện từ bằng M

Từ đó có thể thấy tốc độ động cơ điện một chiều phụ thuộc vào các đại lượng: , R,

I Như vậy thông qua các đại lượng biến thiên này mà ta có thể điều khiển được tốc

độ động cơ điện một chiều

3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều là một trong các nội dung chính của truyền động điện nhằm đáp ứng các yêu cầu công nghệ nào đó của các máy sản xuất Điều chỉnh tốc độ là dùng phương pháp thuần túy điện tác động lên bản thân

hệ thống truyền động điện để thay đổi tốc độ quay của động cơ điện Tốc độ 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, hãm máy… Trong các hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêu kinh tế, kĩ thuật cơ bản, các chỉ 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 cấp cho mạch kích từ

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

 Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng

Chỉ áp dụng được với động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc song song làm việc ở chế độ kích thích độc lập Loại này cần có thiết bị như: máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bô chỉnh lưu điều khiển có chức năng biến năng lượng

điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển

Ta có phương trình

Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên đặc tính cơ cũng không đổi Tốc

độ không tải lý tưởng ùy thuộc vào giá trị của hệ thống Đồ thị tuyến tính do đó mới nói phương pháp này là triệt để Để xác định dải điều khiển tốc độ

 Chú ý :

+ Phương pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng không đổi+ Tốc độ không tải lý tưởng tùy thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệ thống do đó có thể nói phương pháp này điều khiển là triệt để

+ Giải điều chỉnh tốc độ của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc 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 momen khởi động

+ Với một cơ cấu máy cụ thể có 0max , KM , Mdm xác định vì vậy phạm vi điều chỉnh

D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng

Mnmmin = Mcmax = KMMdm

Để thỏa mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có momen ngắn mạch là Mnmmin = Mcmax= KMMdm( KM: là hệ số momen quá tải) Đặc tính cơ là các đườnng song song nên ta có

D =

Với , KM , Mdm xác định ở mỗi máy D phụ thuộc tuyến tính vào β Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở mạch phần ứng gấp khoảng 2 lần điện trở phần ứng động cơ do đó có thể tính sơ bộđược :

Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ không vượt quá 10 Vậy với yêu cầu của đề bài ta

sẽ điều chỉnh dải điện áp ra trong dải điều chỉnh đã cho Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp này rất thích hợp trong những trương hợp Mt= const trong toàn dải điều chỉnh

IV Điều chỉnh từ thông động cơ

Điều chỉnh từ thông kích thích động cơ điện một chiều chính là điều khiển momen điện từ của động cơ điện M = K Do mạch kích từ của động cơ điện một chiều là phi tuyến vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là phi tuyến

Từ sơ đồ trên ta được

Iư =

Trong đó: + rk: điện trở dây quấn phần ứng

+ rb: điện trở nguồn điện áp kích thích

+ : số vòng dây cuộn kích từ

Thường thì khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng bằng Uđm do đó các đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều khiển là từ thông chính là đặc tính cơ bản( đôi khi

là đặc tính cơ tự nhiên)

Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện Khi giảm từ thông dẫn đến tăng vận tốc góc thì điều kiện chuyển mạch của cổ góp bị xấu đi mặt khác vẫn phải đảm bải I cho phép Kết quả là

momen cho phép trong động cơ giảm rất nhanh kể cả khigiữ nguyên I thì momen

cơ cũng giảm đi rất nhanh

1 Thay đổi điện trở phụ R f.

Từ phương trình đặc tính (*)

Thực tế ngày nay người ta không dùng phương pháp này Vì phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc đô quay trong vùng dưới tốc độ định mức, và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ và làm giảm hiệu suất của động cơ điện

Vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng ở động cơ điện có công suất nhỏ và thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục

2 Kết luận

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng các thay đổi từ thông có nhiều hạn chế so với phương pháp điều chỉnh phần ứng,phương pháp thay đổi từ thông bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí : đó chính là điều kiện chuyển mạch của cổ góp điện Cụ thể phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có các ưu điểm hơn như sau:

 Hiệu suất điều chỉnh cao( phương trình điều khiển là tuyến tính, triệt để) hơn khi ta dùng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng 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 điều khiển động cơ

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

Tuy vậy phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏi phải có nguồn điện áp điều chỉnh được xong nó là không đáng kể so với vai trò và ưu điểm của nó Vậy nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi

V Các vấn đề khác khi điều chỉnh động cơ một chiều

1.Các góc phần tư làm việc

Trạng thái hãm và trạng thái động cơ được phân bố trên đặc tính cơ của góc phần

tư tương ứng với chiều momen và tốc độ như hình vẽ

 I,III : trạng thái động cơ( cùng chiều với M)

 II, IV: trạng thái hãm( ngược chiều với M)

Công suất cơ Pcơ = Mđ

Công suất điện của động cơ : Pđ = Pcơ +

2 Các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

 Khởi động

Xuất pháp từ phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều:

Khi khởi động nên Inm = ở động cơ công suất trung bình và lớn thì Rư thường có

Inm= 2 2.5Idm

Với giá trị dòng lớn , sẽ không cho phép về mặt chuyển mạch và phát song của động cơ cũng như sụt áp trên lưới điện Tác hại này còn nghiêm trọng hơn đối với những hệ thống cần khởi động( khi hãm máy cũng xảy ra hiện tượng tương tự).Vậy quá trình điều khiển tốc độ động cơ cũng phải gắn với chế độ khởi động Phải đảm bảo điều kiện tối thiểu:

Inm= 2 2.5Idm

Dễ đi đến một nhận xét là lực chọn phương pháp điều khiển giảm áp phần ứng là phù hợp hơn cả vì khi khống chế dòng ngắm mạch ở chế độ khởi động còn hạn chế được điện áp khởi động Do điều khiển là giảm áp

 Chế độ hãm

Hãm là trạng thái àm động cơ sinh ra momen quay ngược chiều tốc độ quay Động

cơ điện một chiều có 3 trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược, hãm động năng.+Hãm tái sinh

Xảy ra khi tốc độ quay lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng Khi đó Uư Eư Động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới So với chế độ động cơ, dòng điện và momen hãm đã đổi chiều xác định theo biểu thức:

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 lượng hữu ích

Ví dụ: Cơ cấu nâng hạ cần trục Khi nâng tải động cơ được đấu vào nguồn theo

cực tính thuận và làm việc trên đặc tính cơ làm trong góc phần tư thứ nhất Khi muốn hạ tải phải đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ Lúc này nếu momen

do trọng tải gây ra lớn hơn momen ma sát trong các bộ phận chuyển động của động cơ trạng thái hãm tái sinh Tốc độ hạ cần trục tăng dần tới

+Hãm ngược

Xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích lũy trong các bộ phận

chuyển động hoặc do thế năng quay ngược chiều với momen điện từ của động cơ, momen 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 sưc điện động tác dụng cùng chiều với điện áp lưới Động cơ làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện, biến điện năng nhận từ lưới điện

và cơ năng thành nhiệt đốt nóng điện trở tổng mạch phần ứng, vì vậy tổn thất lớn

• Đảo chiều điện áp phấn ứng

Dòng điện Ih ngược chiều với chiều làm việc của động cơ và có thể khá lớn

Ih=

Nếu rất nguy hiểm phải có biện pháp hạn chế dòng trong phạm vi cho phép : Inm= 2 2.5Idm

 Hãm động năng

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

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

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

+Hãm động năng tự kích

Nhược điểm là nếu mất điện thì không thực hiệ 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 khỏi lưới điện khi động

cơ quay để đóng vào một điện trở hãm Trong quá trình hãm tốc độ giảm dần, dòng kích từ giảm dần và do đó từ thông giảm dần và là hàm tốc độ vì vậy đặc tính

cơ như đặc tính không tải của máy phát điện tự kích thích và 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 đặcbiệt hãm động năng tự kích vì không tiêu thụ năng lượng từ lưới Sử dụng được kể

cả khi mất điện

VI Vấn đề phụ tải

Đặc tính của phụ tải cũng là vẫn đề được quan tâm khi điều khiển động cơ điện mộtchiều Với các loại khác nhau ta sẽ chọn phương pháp phù hợp và tính toán khác nhau Có thể phân ra thành 3 loại cơ bản theo sự thay đổi của momen cản theo tốc

độ Khi tốc độ động cơ thay đổi, momen phụ tải có thể là:

a) Không đổi: thang máy…

b) Tăng: như trong quạt gió, bơm…

c) Giảm : các cơ cấu máy cuốn dây, cuốn giấy, truyền động quay trục chính máy cắt gọt kim loại…

Ta thường mong muốn đặc tính này là đặc tính tuyến tính vì vấn đề thiết kế sẽ phứctạp lên rất nhiều khi sự thay đổi lại là phi tuyến đặc biệt là khi tải biến đổi Nên ở đây ta chỉ xét phụ tải có momen là hằng số trong toàn dải điều chỉnh

Qua phân tích trên đây, việc điều khiển điện áp phần ứng là được chọn phù hợp

Giải pháp mà người ta thường dùng hiện nay là băm xung áp điều khiển nó ra bằng

bộ băm xung áp một chiều mà ta sẽ đề cập đến ở vấn đề tiếp theo

VII Phân tích phương án tổng thể

a) Các chỉ tiêu đánh giá.

 Hệ số đập mạch điện áp ra các bộc chỉnh lưu

Điện áp ra các bộ chỉnh lưu có hệ số đập mạch:

= Trong đó: : là hệ số đập mạch

b) Dùng một bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển và một bộ băm

xung 1 chiều có đảo chiều.

Đặc điểm:

+ Hệ số sử dụng máy biến áp là 1.35, nên công suất thiết kế, khối lượng máy biến

áp giảm đi nhiều

+ Điện áp ra bộ chỉnh lưu tia 3 pha không điều khiển có hệ số đập mạch là 0.25 khábằng phẳng nên giảm được kích thước, khối lượng bộ lọc trước khi cấp cho mạch băm áo một chiều

+ Mạch băm áp một chiều với tần số bă xung 200- 400 Hz đã có thể cho chất lượngđiện áp ra khá tốt

+ Ngoài ra bộ băm xung một chiều làm việc tin cậy, độ chính xác cao, dễ điều chỉnh

Qua phân tích trên ta thấy với yêu cầu thiết bị gọn nhẹ, chất lượng điện áp tốt thì chọn sơ đồ băm xung một chiều có đảo chiều là hợp lý

CHƯƠNG 2: MẠCH CHỈNH LƯU

I. Giới thiệu về băm xung một chiều.

Băm xung một chiều có chức năng biến đổi điện áp một chiều, nó có ưu điểm có thế thay đổi điện áp trong một phạm vi rộng mà hiệu suất của bộ biến đổi cao vì tổnthất của bộ biến đổi chủ yếu trên các phần tử đóng cắt rất nhỏ

So với các phương pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều như phương pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát một chiều, bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lưu có điều khiển thì phương pháp dùng mạch băm xung có nhiều ưu điểm đáng kể: điều chỉnh tốc độ

và điều chỉnh dễ dàng, tiết kiệm năng lượng, kinh tế và hiệu quả cao, đồng thời đảm bảo được trạng thái hãm tái sinh của động cơ Cùng với sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi các linh kiện bán dẫn công suất lớn đã tạo nên các mạch băm xung có hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độ nhạy cao, điều khiển trơn tru, chi phí bảo trì thấp, kích thích nhỏ Mạch băm xung đặc biệt thích hợp với các động cơ một chiều công suất nhỏ

Điện thế trung bình đầu ra được điều khiển theo mức mong muốn mặc dù điện thế đầu vào có thể là 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 điều khiển theo hai cách:

+Thay đổi độ rộng xung

+ Thay đổi tần số băm xung

II. 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

Ud = = Trong đó đặt là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ.

Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 < 1)

a) Phương pháp thay đổi tần số xung.

Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1=const Khi đó:

Ud = Vậy Ud = U.f1 = Ngoài ra có thể phối hợp hai phương pháp trên Thực tế phương pháp biến đổi độ rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bị biến tần đi kèm

b) Nhận xét:

Ở đây ta thay đổi độ rộng xung, phương pháp này gọi là PWM( Pulse Width

Modulation) Theo phương pháp này tần số băm xung sẽ là hằng số Việc điềukhiểntrạng thái đóng mở của van dựa vào việc so sánh một điện áp điều khiển với một sóng tuần hoàn( thường là dạng tam giác(Sawtooth)) có biên độ đỉnh không đổi Nó

sẽ thiết lập tần số đóng cắt cho van, tần số đóng cắt này là không đổi với dải tần từ 400Hz đến 200kHz Khi ucontrol> ust thì cho tín hiệu điều khiển mở van, ngược lại khóa van

III. Các sơ đồ băm xung

a) Sơ đồ giảm áp.

 Sơ đồ nguyên lý như sau:

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

 Đặc điểm của sơ đồ này là khóa S, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp Tải

có tính chất cảm kháng hoặc dung kháng Bộ lọc L & C Đi-ốt mắc ngược với Ud để thoát dòng tải khi khóa K ngắt

b) Biến đổi tăng áp

 Sơ đồ như sau:

 Đặc điểm: L nối tiếp với tải, khóa S mắc song song với tải Cuộn cảm

L không tham gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trò này

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

Đặc tính truyền đạt:

W1 =

c) Sơ đồ băm đảo cực

 Sơ đồ mắc như sau:

Tải là động cơ một chiều được thay bởi mạch tương đương R-L-E L1 chỉ đóng vai trò tích luyc năng lượng C đóng vai trò lọc

Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với U Giá trị tuyệt đối có thể lớn hơn hay nhỏ hơn U nguồn.

 Tính toán các thông số trên sơ đồ.

Trong khoảng S1(D1) dẫn, điện áp đặt lên động cơ là U, ta có: Ri + L.Giải bằng phương pháp toán tử Laplace:

 Nguyên tắc điều khiển:

Chu kỳ đóng cắt của mỗi van là T, S1 và S2 được kích dẫn lệch pha một khoảng thờigian T/2, mỗi van S1, S2 được kích với góc dẫn

 Nguyên lý hoạt động:

+Chế độ động cơ( 0,5 < 1)

Trong khoảng 0< t< T(- 0.5) và <t< thì S1 và S2 cũng dẫn, điện áp đặt lên phần ứng động cơ là U, dòng điện qua động cơ tăng từ Imin tới Imax ta có phương trình : Ri + L+ E = U

Trong các khoảng T(

Và thì S1 và S2 không đồng thời dẫn, do đó động cơ được nối ngắn mạch qua các ddiot D1 hoặc D2, điện áp đặt lên động cơ là 0, dòng điện qua động cơ giảm từ Imax xuống Imin ta có phương trình:

Ri + L + E = 0

Các thông số của mạch:

• Biểu thức dòng tải trong khoảng 0< t < T(- 0,5): điện áp đặt lên động

cơ là U Dòng điện qua động cơ tăng từ Imin tới Imax

• Phương trình dòng qua động cơ : Ri + L + E = U

• Giải phương trình bằng phương pháp toán tử Laplace ta có:

i(t) = ( 1 - ) + Imin

Trong khoảng T(- 0,5) < t<: dòng id ngắn mạch qua S1 và D2 điện áp đặt lên động

cơ là 0, id giảm từ Imax về Imin

• Phương trình dòng qua động cơ:

• Độ nhấp nhô dòng điện:

• Điện áp trung bình đặt trên động cơ:

• Dòng điện trung bình: =

• Điện áp ngược lớn nhất đặt lên phần tử là V

• Dòng điện trung bình qua các van S1, S2:

I1 =

• Dòng trung bình qua các điot:

I2 = Id = + Chế độ hãm tái sinh( 0<

(1-Trong khoảng 0 < t < động cơ được ngắn mạch qua S1 và D2 dòng điện qua động

cơ tăng từ Imin tới Imax, điện áp đặt lên động cơ là 0, ta có phương trình:

Ri + + E ( đối với sơ đồ này thì khi làm việc ở chế độ hãm tái sinh phải đảo chiều quay của động cơ) Giải phương trình trong khoảng xét ta được: i(t) = ) + (1)

Trong khoảng , động cơ trả năng lượng về nguồn qua diot D1 và D2 dòng qua động cơ giảm từ Imax xuống Imin, ta có phương trình : Ri +L = E - U Giải phương trình trong khoảng xét ta được :

• Dòng trung bình qua cái diot D1 và D2 là : I1 = (1-)Id

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

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 nhu cầu đảo chiều quay

Các van IGBT làm nhiệm vụ khóa không tiếp điểm Các diot D1, D2, D3, D4 dùng

để trả năng lượng phản kháng về nguồn và thực hiện quá trình hãm tái sinh

Có các phương pháp điều khiển khác nhau như: Điều khiển độc lập, điều khiển không đối xứng và điều khiển đối xứng

+ Phương pháp điều khiển độc lập.

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

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

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

 Phương pháp điều khiển không đối xứng

Giả sử động cơ quay theo chiều thuận( động cơ sẽ làm việc ở góc phần tư thứ nhất

và thứ hai) tương ứng với cặp van S1 và S2 làm việc, S3 luôn bị khóa, S4 được đóng

mở ngược pha so với S1

Bộ băm xung có ba trạng thái làm việc:

+ Trạng thái 1: E > Et : động cơ làm việc ở góc phần tư thứ nhất Năng lượng cấp cho động cơ được cấp từ nguồn thông qua các van S1 và S2 dẫn trong khoảng từ 0 t1 Trong khoảng t1 T: năng lượng tích lũy trong điện cảm sẽ duy trì cho dòng điện theo chiều cũ và khép mạch qua S2 và D4

+ Trạng thái 2: E< Et : động cơ làm việc ở góc phần tư thứ 2( chế độ hãm) Trong khoảng 0 t1 động cơ trả năng lượng về nguồn thông qua diot D1 và D2( IĐ1= IĐ2 = It).Trong khoảng t1 T : S4 dẫn, dòng tải khép mạch qua D2, S4 ( IĐ2 = IS4 = I1)

+ Trạng thái 3 : E = Et : động cơ làm việc ở chế độ động cơ Năng lượng từ nguồn qua S1, S2 cấp cho động cơ Trong khoảng t1 t2: S1 khóa, S4 mở Năng lượng tích lũy trong điện cảm sẽ cấp cho động cơ và duy trì dòng điện qua Đ2 và Đ4

Trong khoảng t2: khi năng lượng tích lũy trong điện cảm hết, suất điện động động

cơ sẽ đảo chiều dòng điện và dòng tải sẽ khép mạch qua S4, Đ2

Để động cơ làm việc theo chiều ngược lại, luật điều khiển các van sẽ thay đổi theo chiều ngược lại

 Các biểu thức tính toán:

+Giá trị dòng trung bình qua tải

Ta có : L.+ Rit + E = U

+ Giá trị trung bình điện áp qua tải Ut = U

Vậy để điều khiển động cơ ta chỉ việc điều khiển để điều chỉnh điện áp ra tải

 Phương pháp điều khiển đối xứng

+Cách 1: Điện áp ra đơn cực tính

Nguyên tắc điều khiển:

Chu kỳ đóng cắt của các van dẫn là 2T; S1 dẫn trong khoảng 0 < t< 2T, S2 dẫn trongkhoảng 2T<t<2T, S3 dẫn trong khoảng T<t<(1+)T, S4 dẫn trong khoảng

(1+T<t<2T

 Chế độ làm việc ở góc phần tư thứ nhất(0,5<<1)