Thiet ke bo bam xung 1 chieu co dao chieu

Việc ứng dụng điện tử công suất vào truyền động điện điều khiển tốc độ động cơ trong các xí nghiệp công nghiệp hiện đại ngày càng nhiều và không thể thiếu.. Một trong những ứng dụng của

Lời nói đầu

gày nay, Khoa học _ Kĩ thuật đóng một vai trò quan trọng và không thể thiếutrong quá trình phát triển kinh tế, cnh – hđh đất nớc Trong những thành tựukhoa học – kỹ thuật phục vụ công cuộc phát triển đất nớc thành công, phải kể đến cảnhững đóng góp của nghành tự động hoá trong cả đời sống, cũng nh trong sản xuấtcông 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 vào truyền động điện

điều khiển tốc độ động cơ trong các xí nghiệp công nghiệp hiện đại ngày càng nhiều

và không thể thiếu Một trong những ứng dụng của đtcs trong sản xuất công nghiệp là

điều khiển tốc độ động cơ một chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu) bằng bộ băm xungmột chiều có đảo chiều theo nguyên tắc không đối xứng

N

Đồ án gồm các phần chính sau:

Phần A: Cơ sở lý thuyết.

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

Chơng II: Động cơ điện một chiều kích từ Nam châm vĩnh cửu.

Chơng III: Các mạch băm xung 1 chiều.

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

Phần B: Tính toán thiết kế.

Chơng V: Thiết kế mạch lực.

Chơng VI: Thiết kế mạch điều khiển

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

Chơng VIII: Mô phỏng hệ thống trên máy tính.

Mặc dù chúng em đã rất nỗ lực và cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi cộngvới quyết tâm cao nhất, song do trình độ còn có hạn nên chúng em không thể tránhkhỏi nhiều sai sót, chúng em kính mong nhận đợc sự phê bình, góp ý của các thầy côgiáo và các bạn để đồ án của chúng em đợc hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Tự Động Hoáxncn, đặc biệt là thầy giáo phạm quốc hải đã tạo điều kiện và tận tình giúp đỡchúng em hoàn thành quyển đồ án môn học này

Sinh viên thực hiện

Lê Thị Thùy Linh

Đề bài

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 liệucho trớc nh sau:

Điện áp phầnứng (V)

Phạm vi điềuchỉnh tốc độ

2 220 18 48 15:1

Sinh viên thực hiện: Lê Thị Thùy Linh

Giáo viên hớng dẫn: Thầy Phạm quốc hải

Nhóm đồ án ĐTCS 8 – Lớp TĐH1 – K48

Tài liệu tham khảo

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

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

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

Kỹ Thuật HN

8 – Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất _ Trần Văn Thịnh _ NXB giáo

dục

9 – Bài giảng điện tử công suất _ Trần trọng Minh _ NXB giáo dục 2000

10 – các trang Web

http://Alldatasheet.comhttp://INF.com

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

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

Mục lục

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

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

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

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

VI Bộ băm xung 1 chiều có đảo chiều 25

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

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

III Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu một chiều cấp điện cho động cơ điện

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

A – cơ sở lý thuyết

Chơng I

Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều

Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện 1 chiều vẫn đợc coi là một loại máyquan trọng, không thể thiếu Nó có thể dùng làm động cơ điện, máy phát điện haydùng trong những điều kiện làm việc khác Động cơ điện một chiều giữ một vị trí nhất

định nh trong công nghiệp giao thông vận tải, và ở các thiết bị cần điều khiển tốc độquay liên tục trong phạm vi rộng (nh trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy

điện ) Một động cơ điện một chiều có giá thành đắt hơn các động cơ không đồng bộhay các động cơ xoay chiều khác do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảoquản cổ góp phức tạp hơn nhng do những u điểm của nó mà máy điện một chiềuvẫn đóng vai trò không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại

Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máyphát điện tuỳ theo những điều kiện làm việc khác nhau Song u điểm lớn nhất của

động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải Nếu nh bản thân

động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng đợc hoặc nếu đáp ứng đợc thì phải chi phícác thiết bị biến đổi đi kèm (nh bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiềukhông những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điềukhiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lợng cao

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% Công suất lớn nhất của động cơ

điện một chiều vào khoảng 10000kw, điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000V.Hiện nay, hớng phát triển là cải tiến tính năng của vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tếcủa động cơ và chế tạo những máy có công suất lớn hơn Với trình độ hiểu biết cònhạn chế, quyển đồ án môn học này chỉ đề cập tới vấn đề thiết kế bộ băm xung mộtchiều để điều chỉnh tốc độ có đảo chiều của động cơ một chiều kích từ bằng namchâm 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 trờng 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 điệnhay thép cacbon ghép lại Trong máy điện nhỏ, có thể dùng thép khối Dâyquấn kích từ đợc quấn bằng dây đồng có bọc cách điện

- Cực từ phụ: đợc đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thépcủa cực từ phụ thờng đợc làm bằng thép khối Dây quấn của cực từ phụ giống

nh 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 Thờng dùng bằng những lá thép kỹ thuật điện

có phủ cách điện mỏng 2 mặt ghép lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gâynên

- Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua Dây quấnphần ứng thờng làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ, dâyquấn phần ứng có tiết diện tròn còn trong máy điện cỡ trung bình và lớn, dâyquấn phần ứng có tiết diện hình chữ nhật.

- Cổ góp: còn đợc gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều 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 điện từ: Khi đặtvào trong từ trờng một dây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trờng sẽtác dụng một từ lực vào dòng điện (vào dây dẫn) và làm cho dây dẫn chuyển

động Chiều của từ lực đợc xác định theo quy tắc bàn tay trái

Khi cho dòng điện kích thích vào cuộn dây kích thích ở Stato, trong khe hởkhông khí sẽ sinh ra từ thông Còn khi cho dòng điện phần ứng đi vào cuộn dâyphần ứng đặt trong roto, thì dới tác dụng của từ trờng này trong dây quấn sẽ sinh

ra momen điện từ trên trục máy kéo roto quay Vì vậy, chiều quay của máy trùngvới chiều quay của momen điện từ Theo quy tắc bàn tay trái, momen điện từ dolực điện từ tác dụng lên các thanh dẫn có chiều từ phải sang trái và lực điện từ cógiá trị f = B.l.i

3 Phân loại các động cơ điện 1 chiều.

Tuỳ theo cách kích thích từ của động cơ, mà ngời ta phân các loại động cơ điệnmột chiều theo các loại sau:

- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: là loại động cơ 1 chiều có cuộn kích từ

đợc cấp điện từ một nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho roto ờng là các động cơ có công suất lớn để điều chỉnh dòng điện kích từ đ ợc thuậnlợi và kinh tế hơn I = I

Th Động cơ một chiều kích từ song song: cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng đợccấp điện bởi cùng một nguồn điện I = I + It

- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp: cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dâyphần ứng Cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễdàng nên ta có I = I =It Động cơ loại này đợc sử dụng rất nhiều chủ yếu trongnghành kéo tải bằng điện

- Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp: từ thông đợc tạo ra do tác dụng đồng thờicủa 2 cuộn kích từ: một cuộn song song và một cuộn nối tiếp I = Iu +It

Mỗi loại động cơ trên sẽ tơng ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều khiển

và ứng dụng tơng đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố

Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phơng 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 bình thờng đợcthay thế bằng các nam châm vĩnh cửu thì máy điện đó trở thành máy điện mộtchiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu Nhờ cấu tạo này mà động cơ PMDC cókích thớc nhỏ gọn, giá thành rẻ và làm việc hiệu quả hơn những máy điện có cuộndây kích thích bình thờng khác Mạch từ của động cơ 1 chiều và kích thớc củanam châm vĩnh cửu phụ thuộc vào loại vật liệu sử dụng để làm nam châm vĩnhcửu Vật liệu để làm nam châm vĩnh cửu

trong máy điện 1 chiều gồm có alnicos,

ferit, và các vật liệu quý hiếm nh

samarium – coban và neođim – sắt –

Bo Nam châm vĩnh cửu làm bằng ferit

đ-ợc sử dụng nhiều trong máy điện 1 chiều

giá rẻ Còn đối với máy điện một chiều

yêu cầu chất lợng, hiệu suất cao thì sử

dụng vật liệu quý hiếm

Trong nhiều năm qua, máy điện PMDC

đợc ứng dụng rộng rãi và luôn đợc cải tiến

phát triển liên tục Ngày nay đã có những

loại máy PMDC có thể di chuyển dễ dàng

và không cần phải sử dụng đến ổ cắm

điện vì nó có thể đợc cung cấp năng lợng từ những loại pin Điểm thuận lợi lànhững loại pin này có dung lợng lớn, lâu hết năng lợng và có thể xạc nhiều lần PMDC có thể đáp ứng đợc 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 độ nhanh chóng

- Đặc tính điều chỉnh tốc độ rõ ràng

- Kích thớc nhỏ gọn

- Tiết kiệm năng lợng vì nó cần ít năng lợng cung cấp cho mạch kích từ, thờng là

điện áp thấp lấy từ pin

Các động cơ PMDC đợc dùng thay thế cho nhiều động cơ xoay chiều ở nhữngnơi có yêu cầu cao về điều khiển và đợc sử dụng nhiều trong các hệ thống khôngdây PMDC đợc dùng nhiều trog các thiết bị hoạt động bằng pin nh xe lăn đến cácthiết bị vận chuyển hay để mở cửa, thiết bị hàn, hệ thống phát tia X, thiết bịbơm…Các động cơ PMDC là giải pháp tốt nhất trong việc điều chỉnh truyền độngcác thiết bị truyền năng lợng có kích thớc nhỏ gọn, dải điều chỉnh tốc độ lớn, cókhả năng thích ứng với những biến động của nguồn điện cung cấp

Nhu cầu ứng dụng của động cơ PMDC ngày càng phát triển và các sản phẩmthờng sử dụng động cơ PMDC là:

- Bơm động học thủy lực

- Cần trục và thang máy động lực

- Các phơng tiện nâng, nhấc

- Các hệ thống chạy bằng năng lợng mặt trời

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

H1 Cấu tạo đơn giản của động cơ PMDC

Động cơ PMDC phù hợp với các thiết bị dùng động cơ bánh răng do chúng cóthể sinh ra momen quay lớn ở tốc độ thấp Động cơ PMDC đặc biệt phù hợp vớiviệc điều chỉnh tốc độ và các thiết bị điều khiển tự động (với các thiết bị này,

động cơ PMDC sẽ làm việc ít nhất là 5000 v/p)

Vì động cơ điện PMDC đợc kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên ta có thể coi

đây thuộc loại động cơ kích từ độc lập và trong đề tài này ta chỉ xét các đặc điểmcủa 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 trờng của cuộn cảm nêntrong cuộn ứng lại xuất hiện một sức điện động cảm ứng (hay còn gọi là sức phản

điện động) có chiều ngợc với chiều của điện áp đặt vào phần ứng động cơ Phơngtrình điện áp ở mạch rôto sẽ là:





 E I R U

ct r r r

r

R    

r - điện trở cuộn dây phần ứng, .rct - điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp, rcb - điện trở cuộn bù, 

rcP - điện trở cuộn phụ, Sức điện động phần ứng là tỉ lệ với tốc độ quay của roto: E k 

Trong đó:

 - từ thông qua một cực từ, Wb

 - tốc độ góc của roto, rad/s

k – hệ số phụ thuộc vào kết cấu của động cơ:

a 2

N p k





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 trờng tác dụng vào dây quấn phần ứng khi có dòng điện, roto quay

d-ới tác dụng của momen quay

I k

M  

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

M ) k (

R k

Phơng trình đờng đặc tính cơ M

)k(

Rk

Đờng đặc tính cắt trục hoành 0 tại điểm có

tung độ





 k

U

o Tốc độ o là tốc 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 o đợc gọi là tốc độ không tải

R k

U

2 dm dm

đờng đặc tính cơ lúc này gọi là đờng

đặc tính cơ tự nhiên biểu diễn trên hình

vẽ

Điểm A trên hình vẽ gọi là điểm làm

việc định mức Ngời ta đa thêm đại

tức là mômen biến đổi nhiều nhng tốc

độ biến đổi ít và ngợc lại Đặc tính càng ít dốc

càng mềm tức là mômen biến đổi ít nhng tốc độ

biến đổi nhiều thay đổi

nm dm dm

dm

R

U k

đm c

Mđm



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

Tạ o U

ĐK

So sá nh Tạ

o xu

ng ră

ng

c a Tạ

o da

o

độ ng

C

ác

h

ly quang

để hạn chế dòng điện mở máy và khi động cơ đang chạy bị dừng lại, cần phảinhanh chóng cắt điện.

4 Các phơng 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 .

Muốn thay đổi từ thông động cơ, ta tiến hành thay đổi dòng kích từ của độngcơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ Phơng 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 dốchơn và có tốc độ không tải lớn hơn

Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có đặc điểm:

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

độ động cơ càng lớn

- Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông

- Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh: D 3:1

- Chỉ thay đổi đợc tốc độ về phía tăng theo phơng 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 từ thông giảm Còn với tảilớn, tốc độ có thể tăng hoặc giảm tuỳ theo tải Thực tế, phơng pháp này chỉ sửdụng với tải không quá lớn so với định mức

- Phơng pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từvới dòng kích từ là (  1 10 )% dòng định mức của phần ứng Tổn hao điều chỉnhthấp

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

Nếu nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng thì phơng trình đặc tính cơ trởthành:

M k

) R R ( n

M(I ) Mđm(Iđm) 0

đm (I

đm )

M(I ) 0

n n

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

 càng nhỏ Phơng pháp này thờng cho D51

- Về nguyên tắc, phơng pháp này cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi đều điện trởnhng vì dòng điện rôto lớn nên việc chuyển đổi điện trở sẽ khó khăn và thờng

sử dụng chuyển đổi theo từng cấp điện trở

Thực tế ngày nay ngời ta không dùng phơng pháp này Vì phơng pháp này chỉcho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dới tốc độ định mức, và luôn kèmtheo tổn hao năng lợng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ điện Vìvậy phơng pháp này chỉ áp dụng ở động cơ điện có công suất nhỏ và thực tế thờngdùng ở động cơ điện trong cần trục

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

Phơng pháp này chỉ áp dụng đợc 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: đờng 1 – ứng với Uđm, đờng

2, 3 ứng với Uđm > U2 > U3 và đờng 4 – ứng

với U4 > Uđm

Vì không cho phép vợt quá điện áp định mức

nên phơng pháp này chỉ cho phép điều chỉnh

giảm tốc độ, việc điều chỉnh tốc độ trên tốc độ

định mức không đợc áp dụng hoặc đợc thực

hiện trong một phạm vi rất hẹp Đặc điểm của phơng pháp này là lúc điều chỉnhtốc độ, momen không đổi vì  và I đều không đổi Điện áp phần ứng càng giảm,tốc độ động cơ càng nhỏ

Chú ý: + Phơng 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 tởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệ thống do đó cóthể nói phơng pháp này điều khiển là triệt để

+ Giải điều chỉnh tốc độ của hệ tthống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tính ứngvới điện áp định mức và từ thông định mức Tốc độ nhỏ nhất của dải điều khiển bịgiới 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 vi điều chỉnh

D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng

Phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có các u điểm nh sau:

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

- Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mômen ngắnmạch giảm, dòng ngán mạch giảm Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động

động cơ

- Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điều chỉnhxác định là nh nhau nên sai số tốc độ tơng đối (sai số tĩnh) của đặc tính cơ thấp

nhất không đợc vợt quá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh Phơng pháp này

có thể điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh

Tuy vậy phơng pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏi phải có một

bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp ra, xong nó là không đáng kể so với vai trò

và u đIểm của nó Vậy nên phơng pháp này đợc sử dụng rộng rãi

b các chế độ làm việc của động cơ điện

một chiều kích từ độc lập.

- Khởi động

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

M ) k (

R k

I     tơng đối lớn Đối với độngcơ có công suất càng lớn thì R thờng có giá trị càng nhỏ và dòng Inm càng lớn

Điều này làm xấu chế độ chuyển mạch trong động cơ, đốt nóng mạnh động cơ

và gây sụt áp lới điện Tình trạng này càng xấu hơn nếu hệ TĐĐ thờng phải mởmáy, đảo chiều, hãm điện thờng xuyên nh máy trục, máy cán đảo chiều, thangmáy lên xuống…Vậy để đảm bảo an toàn cho động cơ và các cơ cấu truyền

động cũng nh tránh ảnh hởng xấu tới lới điện, phải hạn chế dòng điện khi mởmáy, không cho vợt quá giá trị: Imm = (1,5 2,5).Iđm

Phơng pháp điều khiển giảm điện áp phần ứng không chỉ giúp khống chếdòng ngắn mạch ở chế độ khởi động còn hạn chế đợc điện áp khởi động

- Chế độ hãm:

Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngợc chiều tốc độquay Động cơ điện 1 chiều có 3 trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngợc vàhãm động năng

+ Hãm tái sinh:

Xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tởng Khi

đó U > E Động cơ làm việc nh một máy phát điện song song với lới So vớichế độ động cơ, dòng điện và mômen hãm đã đổi chiều xác định theo biểuthức:

MC

I: Động cơII: Hãm

III: Động cơ IV: Hãm

MC

0 R

k k

R

E U

động cơ không đổi nên phơng trình đặc tính cơ tơng tự nhng mômen có giá trị

âm Đờng đặc tính cơ nằm trong góc phần t thứ hai và thứ t (hình vẽ trên)

Trong hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất đợc đa trả vềlới điện có giá trị P = (E - U).I Đây là phơng pháp hãm kinh tế nhất vì động cơsinh năng lợng hữu ích

Hãm ng ợc khi đ a điện trở phụ vào mạch phần ứng (tăng tải): Đặc tính

hãm ngợc sđđ tác dụng cùng chiều với điện áp lới, động cơ làm việc nh mộtmáy phát nối tiếp với lới điện, biến điện năng nhận từ lới điện và cơ năng thànhnhiệt đốt nóng điện trở tổng mạch phần ứng, vì vậy tổn thất lớn

Đảo chiều điện áp phần ứng: Dòng điện Ih ngợc chiều với chiều làm việccủa động cơ và có thể khá lớn

f h

R R

E U I

Hãm động năng tự kích từ độc lập: Khi ta cắt phần ứng động cơ khỏi lới

điện một chiều và đóng vào một điện trở hãm:

h

hd h

ht

R R

k R R

E I

Mh   hd

Chứng tỏ Ihdvà Mhd ngợc chiều với tốc độ ban đầu Năng lợng chủ yếu

đ-ợc tạo ra do động năng tiêu tốn chỉ nằm trong mạch kích từ

Nhợc điểm là nếu mất điện thì không thực hiện hãm đợc do cuộn dâykích từ vẫn phải nối với nguồn Muốn khắc phục ngời ta sử dụng phơng pháphãm động năng tự kích từ Nó xảy ra khi ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích từ rakhỏi lới 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 hãm tốc độ vì vậy đặc tính cơ

cũng nh đặc tính không tải của máy

phát điện tự kích thích là phi tuyến so

năng có hiệu quả kém hơn khi chúng có cùng tốc độ và mômen cản, tuy nhiênhãm động năng u việt hơn về mặt năng lợng đặc biệt hãm động năng tự kích vìkhông tiêu thụ năng lợng từ lới và đặc biệt có thể sử dụng đợc kể cả khi mất

điện

- Đảo chiều quay động cơ

Chiều từ lực tác dụng vào dòng điện đợc xác định theo quy tắc bàn taytrái Khi đảo chiều từ thông hay đảo chiều dòng điện thì từ lực có chiều ngợclại

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

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

+ Hoặc đảo chiều dòng điện phần ứng

Đờng đặc tính cơ của động cơ khi quay thuận và quay ngợc là đối xứngnhau qua gốc tọa độ (hình vẽ)

Phơng pháp đảo chiều từ thông thực hiện nhẹ nhàng vì mạch từ thông cócông suất nhỏ hơn mạch phần ứng Tuy vậy, vì cuộn kích từ có số vòng dâylớn, hệ số tự cảm lớn, do đó thời gian đảo chiều tăng lên nên phơng pháp này ítdùng Ngoài ra, dùng phơng pháp đảo chiều từ thông thì khi từ thông qua trị số

0 có thể 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 khi điều khiển

động cơ điện một chiều ở đây ta sẽ chỉ xét trờng hợp phụ tải có mômen làhằng số trong toàn dải điều chỉnh và đặc tính phụ tải là tuyến tính

Qua phân tích trên đây, việc điều khiển điện áp phần ứng đợc chọn là phùhợp giải pháp mà ngời ta thờng dùng hiện nay là băm xung áp điều khiển bằng

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

Chơng 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 mộtnguồn điện áp một chiều cố định.Để đóng cắt điện áp nguồn, ngời ta thờng dùng cáckhoá điện tử công suất vì chúng có đặc tính tơng ứng với khoá lý tởng, tức là khi khoádẫn 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 đợc mô tả nh sau:

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 K mở ra và UR = 0

Giá trị trung bình của điện áp trên tải sẽ là:

1 U

0 R

Trong đó:

 - thời gian khoá K đóng

 - hệ số điều chỉnh

T – chu kỳ đóng cắt của khoá K

Nhận xét: nguồn E có thể không đổi nhng có thể thay đổi đợc Ut nhờ thay đổi 

Có 3 phơng pháp điều chỉnh điện áp trên tải:

1 Giữ chu kỳ đóng cắt không đổi T = const; thay đổi thời gian

đóng khoá K: t1 (hay ) Phơng pháp này gọi là phơng pháp điều chỉnh độ rộngxung PWM (pulse width modulation) Đây là phơng pháp thông dụng nhất hiện nay

và đợc ứng dụng rộng rãi nhất

u điểm: làm việc với tần số không đổi (do chu kỳ không đổi) nên tham số của

hệ thống cũng ít thay đổi Khi  không thay đổi thì điện áp cũng không thay đổi

2 Giữ nguyên thời gian đóng khóa K: t1 = const; thay đổi tần số

đóng cắt T Phơng pháp này gọi là phơng pháp băm xung kiểu điều chỉnh f (phơngpháp xung tần); phơng pháp này ít dùng

3 Thay đổi cả tần số đóng cắt và thời gian đóng khoá K thay đổithờng theo quy luật: dòng điện có cờng độ đập mạch ít nhất Phơng pháp này gọi làphơng pháp băm xung theo kiểu thời gian Phơng pháp này ít đợc sử dụng nhấttrong cả 3 phơng pháp

R

Nh vậy, bộ biến đổi xung áp có khả năng điều chỉnh và ổn định điện áp ra trên phụ

tải Nó có những u 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 nh ít chịu ảnh hởng của nhiệt độ môi trờng, vì yếu tố

điều chỉnh là thời gian đóng khoá K mà không phải giá trị điện trở của cácphần tử điều chỉnh thờng gặp trong các bộ điều chỉnh liên tục

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

- Kích thớc gọn, nhẹ

Nhợc 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 khi làm việctrong hệ thống kín

- Tần số đóng cắt lớn sẽ tạo ra nhiều cho nguồn cũng nh các thiết bị điều khiển.Tuy nhiên, bộ biến đổi xung áp vẫn đợc ứng dụng rộng rãi, nhất là khi các yếu tố

về độ tin cậy, dễ điều chỉnh, độ ổn định cũng nh kích thớc là những tiêu chí đợc đặtlên hàng đầu

Đối với các bộ biến đổi công suất trung bình (hàng chục kW) và nhỏ (vài kW),

ng-ời ta thờng dùng các khoá điện tử là các bóng bán dẫn lỡng cực IGBT Trong trờnghợp công suất lớn (vài trăm kW trở lên) ngời 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 ngời ta chia các bộ biến đổi xung ápthành nối tiếp hay song song

Cũng có thể phân biệt bộ biến đổi tuỳ thuộc vào điện áp ra: bộ biến đổi xung áp có

điện áp ra nhỏ hơn điện áp vào; bộ biến đổi xung áp có điện áp ra lớn hơn điện ápvào

Tuỳ thuộc vào dấu điện áp mà ngời ta chia ra: bộ biến đổi xung áp không đảochiều 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 nh 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 lu

Bộ lọc đầu vào thờng dùng mạch LC hoặc chỉ dùng điện cảm tụ C có thể đợc thay thế bằng các phần tử tích trữ năng lợng nh ăcquy

Khoá điện tử (KĐT) ngày nay đợc dùng chủ yếu là các van bán dẫn điều khiểnhoàn toàn

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

E

Đi

Các bộ biến đổi xung áp một chiều đợc nêu ra ở đây chỉ sử dụng van điều khiểnhoàn toàn GTO, IGBT, BT.

I Bộ biến đổi xung áp nối tiếp.

Sơ đồ nguyên lý nh sau:

Phần tử điều chỉnh quy ớc 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 ngợc với Ud để thoát dòng

tải khi khoá S ngắt

+ S đóng  U đợc đặt vào đầu của bộ lọc Lý tởng thì ud = U (nếu bỏ qua sụt áptrên các van trong bộ biến đổi)

+ S mở  hở mạch giữa nguồn và tải, nhng vẫn có dòng id do năng lợng tích luỹtrong cuộn L và Ltải, dòng i chạy qua D, do đó ud = 0

Nh vậy, Ud  U Tơng 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 nh 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

Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lợng từ nguồn U ở chế độ liên tục vànăng lợng truyền ra tải dới 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

Năng lợng 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 ngợc chiều với trờng hợp đóng làm

D thông và năng lợng từ trờng nạp vào C, tụ C tích điện; ud sẽ ngợc chiều với U.Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với U Giá trị tuyệt đối |Ud| có thể lớn hơn haynhỏ hơn U nguồn

IV Bộ Chopper lớp C (Bộ đảo dũng).

Tải là phần ứng động cơ một chiều kớch từ độc lập đó được thay bởi mạchtương đương R-L-E

a. Nguyên lý hoạt động.

 Chế độ động cơ:

Trong khoảng 0 t T,

động cơ được nối nguồn

qua S , điện ỏp đặt lờn1

Giải bằng phương phỏp toỏn tử Laplace:

UΔI(1)I (1 )

Dũng trung bỡnh qua S (2 D ) là:2 I2   (1 )Id

V Bộ đảo ỏp.

a Sơ đồ nguyên lý.

b Nguyên tắc điều khiển.

Chu kỡ đúng cắt của mỗi van là T, S1 và S2 được kớch dẫn lệch pha mộtkhoảng thời gian T/2, mỗi van S1, S2 được kớch với gúc dẫn γ

c Nguyên lý hoạt động.

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

2   thỡ S1 và S2 cựng dẫn, điện ỏp đặt lờn phần ứng động cơ là U, dũng điện qua động

cơ tăng từ Imintới Imax ta cú phương trỡnh: Ri Ldi E U

dt

Trong các khoảng T( 0,5) t T

2

và   T t Tthì S1 và S2 không 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,dòng điện qua

động cơ giảm từ Imax xuống Imin, ta có

§iện áp đặt lên động cơ là U Dòng qua động cơ tăng từ Imin tới Imax

Phương trình dòng qua động cơ: Ri Ldi E U

  , dựa vào hai phương trình trên ta có:

Điện ỏp ngược lớn nhất đặt lờn cỏc phần tử là V

Dũng trung bỡnh qua cỏc van S1, S2: I1 Id (2 1)U E

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

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

Điện ỏp ngược lớn nhất đặt lờn cỏc van là: Ung.max U

VI Bộ băm xung 1 chiều có đảo chiều

ở đây ta sử dụng van bán dẫn IGBT Bộ BXMC dùng van điều khiển hoàntoàn IGBT có khả năng thực hiện điều chỉnh điện áp và đảo chiều dòng điện tải.Trong các hệ truyền động tự động có yêu cầu đảo chiều động cơ, do đó bộ biến đổinày thờng 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 lợng phản kháng về

nguồn và thực hiện quá trình hãm tái

sinh Các phơng pháp điều khiển là:

Điều khiển độc lập, điều khiển đối

xứng, điều khiển không đối xứng

a Phơng 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 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 Phơng pháp điều khiển đối xứng.

Điều khiển đối xứng là kiểu điều khiển các van theo cặp Theo phương phỏpđiều khiển này cỏc cặp van S1 và S2; S3 và S4 lập thành hai cặp van mà trongmỗi cặp thỡ hai van được điều khiển đúng cắt đồng thời Tớn hiệu điều khiểnđược tạo ra bằng cỏch so sỏnh điện ỏp điều khiển với điện ỏp tựa (thường làdạng xung tam giỏc):

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

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

Chế độ hoạt động:

+ Trong khoảng 1: S1 và S2 được kớch dẫn, S3 và S4 được kớch tắt, động cơđược nối với nguồn U, dũng qua phần ứng tăng đến giỏ trị Imax

+ Trong khoảng 2: S1và S2 được kớch tắt, S3 và S4 được kớch dẫn, nhưng do tải

cú tớnh cảm khỏng nờn dũng điện phần ứng khộp mạch qua D3 và D4 về nguồn,S3 và S4 bị đạt điện ỏp ngược bởi hai diode D3 và D4 nờn khoỏ, dũng id giảm từImax về 0

+ Trong khoảng 3: S3 và S4 được kớch dẫn, điện ỏp đặt lờn động cơ là –U, dũng

id tăng theo chiều ngược lại (giảm từ 0 về Imin theo chiểu dương)

+ Trong khoảng 4: S3 và S4 được kớch tắt, S1 và S2 được kớch dẫn, nhưng dotrước đú dũng id chạy theo chiều ngược lại nờn dũng id tiềp tục chảy theo chiều

cũ, khộp mạch qua cỏc diode D1 và D2 về nguồn; S1 và S2 bị đặt điện ỏp ngượcbởi hai diode D1 và D2 phõn cực thuận nờn khoỏ, do đú id giảm theo chiềungược 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 dẫn thì điện ápđặt lên động cơ là U, ta có phương trình: d

Điện áp trung bình trên động cơ

+ Trong khoảng 0<t<γT điện áp đặt lên động cơ là U; và trong khoảng γT<t<Tđiện áp đặt lên động cơ là –U nên điện áp trung bình đặt lên động cơ là:

-Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các Diode là UDng.max U

-Gi¸ trÞ dßng trung b×nh qua t¶i lµ )

U

E 1 2 ( R

1 1 1

1

R

E ) 1 ( R

U a

1

) b a 1 )(

b 1 ( T R

U 2 dt ) t ( i T

1 I

U

E R

U R

E U R

U

) 1 ( ) 1 2 ( ) 1 ( ) 1 ( )

1 ( 2

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

+Nếu γ = 0.5 thì Ut = 0

+Nếu γ > 0.5 thì Ut >0

+Nếu γ < 0.5 thì Ut <0

Nh vậy bằng cách thay đổi giá trị γ mà ta thay đổi đợc giá trị điện áp ra tải

và cả dấu của nó Do đó sẽ đảo chiều quay của động cơ

c Phơng pháp điều khiển không đối xứng.

Đây là phơng pháp thông dụng nhất vì chất lợng điện áp ra tốt hơn Giả sử

động cơ quay theo chiều thuận, tơng ứng với các cặp van S1, S2 làm việc; van S3luôn khoá, còn van S4 sẽ đợc đóng mở ngợc pha với S1 (hình vẽ a, b, c, d) Et sđđcủa động cơ Điện áp ra tải có dạng Ut = U (hình vẽ e) Bộ BXMC có 3 trạngthái làm việc:

Trạng thái 1: (đồ thị dòng điện là hình vẽ f) U > Et: Động cơ làm việc ở gócphần t thứ nhất Năng lợng cấp cho động cơ đợc cấp từ nguồn thông qua các vanS1, S2 dẫn trong khoảng 0t1

+Trong khoảng t1T: Năng lợng tích trữ trong điện cảm sẽ duy trì cho dòng điệntheo chiều cũ và khép mạch qua S2, Đ4

Trạng thái 2: U < Et: (đồ thị g) Chế độ làm việc ở góc phần t thứ 2 ( hãm)+Trong khoảng 0t1: Động cơ trả năng lợng về nguồn thông qua các Điôt Đ1, Đ2(IĐ1 = IĐ2 = It)