Thiết kế bộ bung xăm một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song

Thiết kế bộ bung xăm một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song

Lời nói đầu

Trong thực tế ngày nay, chúng ta có rất nhiều các loại động cơ như đông cơ điện đồng bộ,động cơ không đồng bộ, động cơ điện một chiều…, trong đó động cơ điện một chiều có những ưi điểm riêng và rất nhiều các ứng dụng trong thực tế;

Động cơ điện một chiều đã ra đời từ rất lâu và cùng với sự phát triển của trình độ khoa học kỹ thuật, những ưu điểm của chúng ngày càng được tận dụng một cách triệt để, tinh vi và sáng tạo Để động cơ điện một chiều hoạt động đúng thao yều cầu công nghệ, ta cần rất nhiều yếu tố như công nghệ chế tạo, người vận hành … trong đó , bộ điều chỉnh điện áp một chiều ( băm xung một chiều – BXMC) có vai trò đặc biệt quan trong, bộ BXMC càng tối ưu càng dễ vận hành, tăng chất lượng làm việc và tăng tuổi thọ của động cơ Ngày nay , sử dụng động cơ điện một chiều luôn luôn gắn liện với , không thể thiếu một yếu tố rất quan trọng đó là bộ điều chỉnh BXMC Vậy thiết kế bộ BMXC như thế nào ?

Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, chúng em được giao đồ án môn học điện tử công suất với đề tài : Thiết kế bộ băm xung môt chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song

Với sự cố gắng của bản thân nói riêng và của nhóm nói chung cùng sự hướng dẫn của các thầy

cô giáo trong bộ môn và đặc biệt là Thầy giáo TRẦN NGỌC SƠN đã trực tiếp hướng dẫn giúp

đỡ chúng em hoàn thành đồ án này, Đồ án được bao gồm ba phần chính :

1 Chương I : Tổng Quan Động Cơ Một Chiều và Các Phương Pháp Điều Chỉnh Tốc Độ

2 Chương II : Tính Chọn Mạch Lực

3 Chương III : Tính Chọn Mach Điều Khiển

Nội dung đồ án chắc chắn còn rất nhiều vấn đề cần bổ xung hoàn thiện Em rất mong đươc

sự đóng góp ý kiến của các thầy cô trong bộ môn để đồ án của em được hoàn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm SVTH:

Chương I – Tổng quan động cơ một chiều và các phương pháp điều

chỉnh tốc độ

I.1) Cấu tạo máy điện một chiều

Máy điện một chiều cấu tạo gồm hai thành phần chính: gồm phần tĩnh và phần quay.

1) Phần cảm (stator):

Phần cảm là phần tạo ra từ trường tĩnh của động cơ gồm có các phần sau đây:

- Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường, nó gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt

+ Lõi sắt kích từ được làm bằng lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon ghép lại và tán chặt + 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 và và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ

- Cực từ phụ: được đặt giữa các cực chính và dùng để cải thiện đổi chiều, lõi thép thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn giống như cực từ chính

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

- Chổi than : là các thanh Cacbon được tiếp xúc với cổ góp để đưa dòng điện từ nguồn một chiều vào rôto Chổi than được đặt ở trung tính hình học của động cơ

2) Phần ứng (rotor):

Phần ứng là phần cho dòng điện một chiều chạy trong nó, tương tác giữa dòng điện I và từ thông  sinh ra mômen quay Nó gồm ba phần chính:

- Lõi thép : là các lá thép kĩ thuật điện (Fe - Si) mỏng ghép lại với nhau, trên có xẻ rãnh để đặt các bối dây

- Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua, nó được cấu tạo gồm các dây đồng tròn được ghép thành các phần tử (bối dây), các bối dây được ghép theo kiểu dây quấn xếp đơn hay dây quấn phức tạp tuỳ yêu cầu mômen lớn hay nhỏ

- Cổ ghóp : gồm các phiến góp được cách điện với nhau, các phiến góp được nối với các đầu mút của các bối dây để đưa dòng điện vào phần ứng

Ngoài ra còn có các bộ phận khác gồm cánh quạt dùng để làm nguội máy, trục máy

Tùy theo phương pháp kích từ người ta chia động cơ một chiều thành các dạng kích từ nối tiếp, kích từ song song, kích từ hỗn hợp, kích từ độc lập

Hình I- Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (a), kích từ song song(b),

kích từ hỗn hợp(c), và kích từ độc lập(d)

Khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc nay động cơ được gọi là động cơ kích từ song song

I.2) Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song song:

1) Định nghĩa: Phương trình đặc tính cơ là đồ thị miêu tả mối quan hệ giữa

mô men điện từ Mđt và tốc độ góc  của động cơ

2) Đặc tính cơ:

Từ phương trình cân bằng điện áp : 













E

0

0

K E

R I

.     



K

R M K

U K

R I K



Độ cứng đặc tính cơ:

u R

K ) 2

( 













 càng lớn đặc tính cơ càng cứng Đồ thị:





.

0

k

U



: tốc độ không tải lí tưởng Mmm= R u

K

: Mômen mở máy

TN

M n

M

C M C1

n 0 n yc n 1

I.3) Mở máy và hãm động cơ điện một chiều:

1) Mở máy:

Từ phương trình điện áp phần ứng :

U=Eu+Ru.Iu Ru

u u

E U

I  



Khi mở máy n=0  Eu= 60 . .

.

n a

N p

=0.Dòng điện phần ứng lúc mở máy là: Iumở = R u

U

vì Ru nhỏ Iumở lớn khoảng (20  30) Iđm làm hỏng chổi than và cổ góp Để giảm dòng điện mở máy ta dùng các biện pháp sau:

+ Dùng biến trở mở máy R mở:

Mắc biến trở này vào mạch phần ứng lúc có biến trở này :

Iưmở =U/(Rư+Rmở ) Lúc đầu để Rmở max, trong quá trình mở này tốc độ tăng lên Eư tăng lên và điện trở này giảm dần đến 0, máy làm việc đúng điện áp định mức

+ Giảm điện áp đặt vào phần ứng:

Phương pháp là phương pháp thường dùng hơn cả nó dòi hỏi có một nguồn điện có thể điều chỉnh được điện áp như nguồn chỉnh lưu, hệ máy phát động cơ hay bộ băm xung một chiều Phương pháp này dùng kết hợp với việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng rất tiện lợi

2) Các trạng thái hãm động cơ:

Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mô men quay ngược chiều tốc độ quay Trong tất cả các trạng thái hãm động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát Tùy theo cách biến đổi năng lượng

cơ trong khi hãm người ta chia làm 3 trạng thái hãm:

a) Hãm tái sinh: Năng lượng động cơ trả vể nguồn xẩy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ

không tải lý tưởng Khi hãm tái sinh Eu>Uu, động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới , so với chế độ động cơ dòng điện và mô men hãm đã đổi chiều Đường đặc tính cơ trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần tư thứ II và thứ IV của mặt phẳng toạ độ.Trong trạng thái hãm tái sinh dòng điện hãm đổi chiều và công suất đưa trả về lưới điện có giá trị P = (E –U) I

b) Hãm ngược: Năng lượng của nguồn và động cơ bị tiêu tán dưới dạng nhiệt Xẩy ra khi phần ứng

dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động do mômen thế năng quay ngược chiều với mômen điện từ của động cơ Mômen sinh ra bởi động cơ chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản suất có hai trường hợp hãm ngược : Đưa điện trở vào mạch phần ứng và đảo chiều điện áp phần ứng

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

cơ đã tích luỹ được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt

I.4) Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song:

Động cơ điện một chiều có đặc điểm là:

- Ưu điểm : điều chỉnh tốc độ dễ dàng, nhiều kênh điều khiển

- Nhược điểm: sử dụng nguồn điện một chiều

Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn như hiện nay máy điện một chiều đã trở thành một

cơ cấu không thể thiếu trong truyền động điện

Từ phương trình về vận tốc:

2

.    



K

R M K

U K

R I K



Ta có các phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều như sau :

1) Thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp:

Đặc điểm :

- Đặc tính cơ là các đường song song với đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, do đó độ cứng của đặc tính cơ không thay đổi

- Do U chỉ có thể giảm do đó chỉ có thể điều chỉnh giảm tốc độ của động cơ

- Có thể thay đổi U băng các van bán dẫn

2) Thay đổi điện trở phần ứng R u :

U 1 U 2 U 3

TN( U

dm )

n

0

n cb n

1

n

2

n

3

M n

M C

U

dm > U

1 > U

2 > U 3

n cb > n 1 > n 2 > n 3

Đặc điểm :

- Khi thêm Ruf vào phần ứng động cơ thì độ cứng của đặc tính cơ giảm hay đặc tính cơ của động cơ giảm đi có nghĩa là với một sự thay đổi rất nhỏ của tải sẽ dẫn đến một sự thay đổi rất lớn của  nên không ổn định do đó trên thực tế điều chỉnh tốc độ băng Ru ít được sử dụng

- Ngoài ra khi thêm Ru vào phần ứng cũng có nghĩa là tăng tổn hao làm nóng động cơ Phương pháp này chỉ sử dụng để giảm dòng mở máy khi khởi động động cơ

3) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông:

Đặc điểm :- Vì từ thông trong lõi thép rất dễ bão hoà nên người ta thường chỉ điều chỉnh giảm từ thông trong động cơ

- Khi từ thông dm giảm đến i thì có một Mik nào đó, khi Mc< Mik việc giảm  sẽ làm tăng tốc độ động cơ, khi Mc >Mik việc giảm  sẽ làm tốc độ động cơ

Trên thực tế điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là rất khó thực hiện vì quan hệ ()

là phi tuyến

I.5) Lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ:

TN

R f1

R f2

R f3

C

n 3

n 2

n 1

n cb n 0 n

M, I

0 < R f1 < R f2 < R f3

n cb > n 1 > n 2 > n 3

1 

2 

ñm

0 M

C M

2 M

1 M n

n cb

n 1 n 2

n

M



ñm > 

1 > 

2

n

cb < n

1 < n

2

Từ các phân tích trên, ta thấy trong các phương pháp điều chỉnh tốc độ trên thì phương pháp điều chỉnh tốc độ nhờ thay đổi điện áp phần ứng là khả thi và tin cậy nhất, bởi vì dễ điều chỉnh và có đặc tính cơ cứng Với sự phát triển của kĩ thuật bán dẫn ngày nay thì phương pháp điều chỉnh này hoàn toàn dễ dàng thực hiện được và đem lại hiệu quả cao Trong khuôn khổ đồ

án này, ta sẽ thiết kế bộ băm xung một chiều không đảo chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

CHƯƠNG II - TÍNH CHỌN MẠCH LỰC

II.1) Giới thiệu chung về bộ băm xung một chiều:

1) Nguyên lý:

Bộ băm điện áp một chiều cho phép từ nguồn điện một chiều Us tạo ra điện áp tải Ura cũng là

điện áp một chiều nhưng có thể điều chỉnh được Ura là một dãy xung vuông (lý tưởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2 Điện áp ra bằng giá trị trung bình của điện áp xung: Ura = γ Us (γ=t1/T) Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi này là dùng quy luật đóng mở các van bán dẫn công suất một cách có chu kỳ để điều chỉnh hệ số γ đảm bảo thay đổi được giá trị điện áp trung bình trên tải

2) Các phương pháp điều chỉnh điện áp ra:

BBĐ một chiều

U

ra

U

ra

t t

2

T

a) 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:

S

S

T

U

t

U  1. 

trong đó: T

t1





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)

b) Phương pháp xung - tần:

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

S S

tai U t f U

T

t

U 1 1





Vậy Ura=US khi 1

1

t

f 

và Ura=0 khi f=0

Ngoài ra có thể phối hợp cả 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.

II.2) Chọn Mạch Lực

Do yêu cầu của đồ án là thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song

II.2.1) Nguyên lí hoạt động

Nếu Ut > EĐ, ( U = E.γ) năng lượng từ nguồn luôn được cấp cho động cơ Động cơ sẽ luôn làm

việc ở góc phần tư thứ nhất

Trong khoảng từ 0 ÷ t1 dòng điện sẽ đi từ nguồn qua Tr và qua động cơ : iTr = it = i1

Trong khoảng từ t1 ÷ t2 dòng điện sẽ đi từ nguồn qua diot D và: iD = it

Giá trị trị trung bình điện áp trên tải : Utb  Us ( 1)

T

t





Giản đồ điện áp như sau :

II.3)Tính toán mạch lực:

Sơ đồ nguyên lý mạch lực dùng MOSFET IRFP460

II.3.2) Chọn van lực.

Để đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của van V1, V2 trên sơ đồ thì các thiết bị bán dẫn công suất sau có thể đáp ứng được: GTO, BJT, MOSFET, IGBT

Đối với bộ băm xung một chiều dùng cho động cơ có điện áp định mức 220V dòng điện 1A thì

sử dụng van MOSFET làm khóa đóng cắt là hợp lí

- Để chọn van MOSFET, ta cần tính toán IC MAX (dòng trung bình lớn nhất qua van) và điện áp ngược lớn nhất UCES của van IRFP460

- Vì van MOSFET đều có một diode nối ngược chiều nên nó không phải chịu điện áp ngược Các giá trị dòng áp lớn nhất sẽ đạt được khi mạch hoạt động ở các chế độ khắc nghiệt nhất đối với từng van

- Ta có dòng điện lớn nhất qua van là dòng định mức qua tải:

Imax = Itải =1 (A)

- Vậy Ichọn = ki.Imax = 4.1 =4 (A) ,ở đây ta chọn ki = 4 (với điều kiện làm mát tự nhiên)

- Chọn MOSFET là loại IRFP460 so nh s n xu t IR có thông s sau:à sản xuất IR có thông số sau: ản xuất IR có thông số sau: ất IR có thông số sau: ố sau:

Loại U cemax /(v) I cmax /(A) U ce (sat) /(V) P dmax /(W)

CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN

III.1) Chọn Các Khâu Trong Mạch Điều Khiển :

III.1.1) Mạch phát xung chủ đạo:

Mạch này là mạch phát xung dao động dùng IC555

Mạch nguyên lý như hình vẽ :

Đồ thị điện áp xung :

Cấu tạo của IC 555:

Các khối và chức năng bên trong của IC 555 như sau:

-Bộ phân áp gồm có 3 điện trở 5k mắc nối tiếp với sai số cực nhỏ tạo thành Bộ phân áp này nối nguồn +Vcc xuống mass cho ra 2 điện thế chuẩn 1/3 Vcc và 2/3 Vcc

-OP-AMP (1) là mạch khuếch đại so sánh có ngõ so sánh V-(l) nhận điện áp chuần 2/3 Vcc, còn ngõ v+(l) thì nối ra ngoài chân 6 Tuỳ thuộc điện áp chân số 6 so với điện áp chuẩn 2/3 Vcc mà Op- Amp(l) có điện áp mức cao hay thấp đế làm tín hiệu R (Reset) điều khiển Fip-Flop(F/F) -OP-AMP (2) là mạch khuếch đại so sánh có ngõ V+(2) nhận điện áp chuấn 1/3 Vcc còn ngõ v (2) thì nối ra ngoài chân 2 Tuỳ thuộc điện áp chân 2 so với điện áp chuẩn 1/3 Vcc mà

Op-Amp(2) có điện áp mức cao hay thấp đế làm tín hiệu s (Sct) điều khiến Fip-Flop(F/F)

- Mạch Flip-Flop (F/F) là bộ phận chính của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555, là loại mạch lưỡng ổn kích một bcn Khi chân Set (S) có điện áp cao thì điện áp này kích đối trạng thái của F/

F là ngõ Q lên mức cao và ngõ QD xuống mức thấp Khi ngõ Set đang ở mức cao xuống thấp thì mạch F/F không đồi trạng thái Khi chân Reset (R) có điện áp cao thì điện áp này kích đổi trạng thái của F/F làm ngõ QD lên mức cao và ngõ Q xuống mức thấp Khi ngõ Reset đang ớ mức cao xuống mức thấp thì mạch F/F không đổi trạng thái

-Mạch Output là mạch khuếch đại ngõ ra để tăng độ khuếch đại dòng cấp cho tải Đây là mạch khuếch đại đảo, có ngõ vào là chân QD của F/F, nên khi QD ở mức cao thì ngõ ra chân 3 của IC

sẽ có điện áp thấp (=0V) và ngược lại, khi QD ở mức thấp thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp

cao (=Vcc)

-Transistor T, có chân E nối vào một điện áp chuẩn khoáng 1.4V, là loại Transistor PNP Khi cực

B nối ra ngoài bởi chân 4, có điện áp cao hơn 1,4V, thì T1 ngưng dẫn, nên T1 không ảnh hường đến hoạt động của mạch Khi chân 4 có điện trở trị số nhỏ thích hợp nối mass thì T1 dẫn bão hòa, đồng thời cũng làm mạch OUTPUT dẫn bão hòa, và ngõ ra xuống thấp Chân 4 được gọi là chân Reset có nghĩa là nó Reset IC 555 bất chấp tình trạng ở các ngõ vào khác Do đó, chân Rcsct dùng đế kết thúc xung ra sớm khi cần Nếu không dùng chức năng Reset thì nối chân 4 lên Vcc

để tránh mạch bị Reset do nhiễu

-Transistor T2 là Transistor có cực c đế hớ, nối ra chân 7 (Discharge = xả), là loại Transistor

NPN Do cực B được phân cực bởi mức điện áp ra Q của F/F, ncn khi Q ở mức cao thì T2 bão

hòa và cực c của T2 coi như nôi mass Lúc đó, ngõ ra chân 3 cũng ở mức thâp Khi Q ở mức thâp thì T2 ngưng dẫn, cực c của T2 bị hở, lúc đó, ngõ ra chân 3 có điện áp cao Theo nguycn lý trên, cực C cứa T2 ra chân 7 có thể làm ngõ ra phụ có mức điện áp giống mức điện áp của ngõ ra chân

3 Và transistor T2 được đặc biệt thiết kế trong mạch tích họp gốc chuẩn thời gian đố làm một nhiệm vụ khá quan trọng là chuyến mạch phóng điện