THIẾT KẾ BỘ BĂM XUNG MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc đối xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu) Ứng dụng Điện tử công suất trong truyền động điện – điều khiển tốc độ động cơ điện là 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 nhật 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 đã cố gắng mô tả cụ thể, tỉ mỉ và tính toán cụ thể các thông số của các sơ đồ mạch.

Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc đối xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

(kích từ nam châm vĩnh cửu)

Đề bài: Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc đối xứng)

để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu) với số liệu cho trước:

Lời nói đầu

Ứng dụng Điện tử công suất trong truyền động điện – điều khiển tốc độ động

cơ điện là 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 nhật 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 đã cố gắng mô tả cụ thể, tỉ mỉ và tính toán

cụ thể các thông 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

Phương

án

Điện áp lưới (VAC)

Dòng điện định mức

Điện áp phần ứng

Phạm vi điều chỉnh tốc độ

4 127 V 6 A 400 V 25:1

2

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 lai 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

Trong quá trình làm đồ án chúng em đã nhận được sự giúp đỡ và chỉ bảo rất tận tình của thầy giáo Dương Văn Nghi Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy và

hi vọng thầy sẽ giúp đỡ chúng em nhiều hơn nữa trong việc học tập của chúng em

Nhóm sinh viên thực hiện

Chương I Giới thiệu về động cơ điện một chiều

I.1 Đặt vấn đề

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 một 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 một 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: dễ sản xuất, dễ truyền tải , cả máy phát và động cơ điện 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 và phổ biến Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định như trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần 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 tạp hơn nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn 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 máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải Nếu như bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu 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 suất trung bình và lớn khoảng 85% ÷ 94% Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 100000kw điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000v Hướng phát triển là cải tiến tính nâng vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những máy công suất lớn hơn đó là cả một vấn đề rộng lớn và phức tạp vì vậy với vốn kiến thức còn hạn hẹp của mình trong phạm vi đề tài này em không thể đề cập nhiều vấn đề lớn mà chỉ đề cập tới 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 điện 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

I.2 Tổng quan về động cơ điện một chiều

I.2.1) Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều

Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ Theo đó ứng với mỗi cách

ta có các loại động cơ điện loại:

- Kích thích độc lập: khi nguồn một chiều có công suất ko đủ lớn, mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên :I = Iư

- Kích thích song song: khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp

ko đổi, mạch kích từ được mắc song song với mạch phần ứng nên I = Iu +It

- Kích thích nối tiếp: cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng cuộn kích từ

có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng nên ta có I = Iư =It

- Kích thích hỗn hợp ta có: I = Iu +It

Với mỗi loại động cơ trên thì sẽ tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều khiển và ứng dụng là tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố.Trong

4

đề tài này ta chỉ xét đên động cơ điện một chiều kích từ độc lập và biện pháp hữu hiệu nhất để điều khiển loại động cơ này

I.2.2 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

+Phương trình đặc tính cơ: là phương trình biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ (n) và mômen (M) của động cơ có dạng chung

M K

R R K

U u u f

)

+

− Φ

=

ω

Thông qua phương trình này, ta có thể thấy được sự phụ thuộc của tốc độ động cơ vào mômen động cơ và các thông số khác (mômen, 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 Uư = const, It = 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 mômen ngắn mạch còn giao điểm với trục tung ứng với tốc độ không tải của động

cơ

Người ta đưa thêm đại lượng

ω

β

Δ

Δ

= M để đánh giá độ cứng Đặc tính càng dốc càng

cứng (β càng lớn) tức là mômen biến đổi nhiều nhưng tốc độ biến đổi ít và ngược lại Đặc tính càng ít dốc càng mềm tức là mômen biến đổi ít nhưng tốc độ biến đổi

nhiều thay đổi

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 mômen (hoặc dòng điện) của động cơ

+Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ: nếu động cơ vận hành ở chế độ định mức (điện

áp, tần số, từ thông định mức và không nối thêm các điện kháng, điện trở vào động cơ) Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có các điểm làm việc định mức có giá trị Mđm,

ωđm

ω ω

M Mnm

Mt ω

0

+Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số nguồn hoạc nối thêm các đIện trở, điện kháng

Để so sánh các đặc tính cơ với nhau, người ta đưa ra khái niệm độ cứng của đặc tính cơ: β=ΔΜ/Δω (tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc)

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

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

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

Phương trình đặc tính cơ xuất phát:

u f u u

U = + ( + )

+Uư: điện áp phần ứng

+Eư: sức điện động phần ứng

+Rư: điện trở mạch phần ứng : Rư=rư +rcf +rb +rct

+rư: điện trở cuộn dây phần ứng

+rcf: điện trở cuộn cực từ phụ

+ri: điện trở cuộn bù

+rct: điện trở tiếp xúc của chổi điện

+Rf: điện trở phụ trong mạch phần ứng

+Iư: dòng điện mạch phần ứng

+Eư được xác định theo biểu thức sau:

ω

=

a

pN Eu

2 + p: số đôi cực từ chính

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

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

+Φ: từ thông kích từ dưới một cực từ

6

+ω: tốc độ góc

pN K

π

2

= Trong đó K là hệ số cấu tạo của động cơ

Eu = KeΦ n

ω = 2 π n / 60 = n / 9 , 55

Vì vậy

n

a

pN

Eu = Φ

60

K

K

K e 0,105

55 ,

=

Suy ra

f u

K

R R K

U

Φ

+

− Φ

=

Φ

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

Mặt khác mômen điện từ của động cơ được xác định M dt =K Φ I u

Suy ra

I u =M dt /KΦ

Thay vào (*) ta được

dt

f u

K

R R K

U

2

)

+

− Φ

=

ω

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

Ta có

M K

R R K

U u u f

2 ) ( Φ

+

− Φ

=

ω

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Đồ thị hình vẽ:

ω ω

M Mnm

Mt ω

0

Nhận xét :

+ Iư=0 hoặc M=O ta có

0

ω

+

=

f u

u

R R U

Đây là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ

+ω = 0 thì

f u u

R R

U I

+

= : Dòng điện ngắn mạch

nm

nm M

I

K

M = Φ = : Mômen ngắn mạch

ω ω

Φ

− Φ

K

RI K

U u

ω ω

Φ

+

− Φ

) (K M

R R K

U u u f

M K

R I

K R

K U

R R

R

u

u

f u

2

0

)

= Φ

= Δ

Φ

=

+

=

ω

ω

Từ đó có thể tốc độ đông cơ điện một chiều phụ thuộc vào các đại lượng là: Uư, 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

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

Điều chỉnh 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 tuý 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 và do đó gây ra các sai số so với tốc độ ,kĩ thuật mong muốn Trong các hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào

một

điều

+ Đ

+ Đ

ứng

+ Đ

b.1)

làm

điện

lượn

khiển

Ta c

Vì từ

độ k

mới

Chú

+ Ph

+ Tố

thể n

+ Gi

với đ

giới

số chỉ tiêu

chỉnh độn

Trong th

iều chỉnh đ

Điều chỉnh

cấp cho m

iều chỉnh b

Nguyên lý

Chỉ áp d

việc ở chế

một chiều

ng điện xo

n Uđk

có phương

ω

ω

ω

K E

E

E b

=

Φ

=

−

0

ừ thông củ

không tải l

nói phươn

ý:

hương pháp

ốc độ khôn

nói phương

iải điều ch

điện áp địn

hạn bởi yê

u kinh tế ,k

ng cơ điện hực tế có 3 điện áp cho bằng cách mạch kích từ bằng thay đ

ý điều chỉn

dụng được

ế độ kích th

u kích từ độ oay chiều t

trình

M U

K

R E

R I

dk

b dm

b

u u

−

− Φ

=

) (

(

0

ủa động cơ

í tưởng tuỳ

ng pháp này

p này có từ

ng tải lý tưở

g pháp này ỉnh tốc độ

nh mức và

êu cầu về s

kĩ thuật cơ

phương ph

o phần ứng

h thay đổi

ừ

đổi điện tr

nh điện áp

với động hích độc lâ

ộc lập, các thành một

β

M

R K

R R

Km

ud b

ud b

Φ + +

®

)

ơ được giữ

ỳ thuộc gi

y là triệt để

ừ thông khô ởng tuỳ thu

y điều khiển của hệ tth

từ thông đ sai số tốc đ

ơ bản ,các

háp điều ch

g động cơ

i từ thông

ở phụ trên

p phần ứn

cơ điện m

âp Loại nà

bộ chỉnh l chiều có

I

K dm u ud

không đổi

iá trị Uđk c

ể Để xác đ

ông đổi nê uộc vào giá

n là triệt để hống bị chặ định mức

độ và mô m

c chỉ tiêu n hỉnh tốc độ phần ứng

mạch phầ

ng

một chiều k

ày cần có th lưu điều kh sđđ Eb đi

i nên đặc t của hệ thốn định dải đi

n đặc tính

á trị điện á

ể

ặn bởi đặc Tốc độ nh men khởi độ

này được tí

ộ động cơ hay thay

ần ứng

kích thích đ hiết bị ngu hiển có chứ iều chỉnh n

tính cơ cũn

ng Đồ thị

ều chỉnh tố

cơ có độ c

áp Uđk của

c tính cơ bả

hỏ nhất của ộng

ính khi thiế điện một c đổi điện á

độc lập ho uồn như: m

ức năng bi nhờ tín hi

ng không đ

ị tuyến tính

ốc độ

cứng không

hệ thống d

ản là đặc t

a dải điều k

8

ết kế và chiều

áp phần

ặc song máy phát

ến năng iệu điều

đổi Tốc

h do đó

g đổi

do đó có ính ứng khiển bị

+Với một cơ cấu máy cụ thể có ω0max,K , M M dm xác định vì vậy phạm vi điều chỉnh

D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng

β ω

ω

β ω

ω

dm

dm

M

M

−

=

−

=

min

0

min

max

0

max

dm M c

M min = max =

Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có môn men ngắn mạch là M nmmin =M cmax =K M.M dm(KM: là hế số mômen quá tải) Họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nên ta có

1 /

) 1 (

) 1 (

1 ) (

max 0 max

0

min min

−

−

=

−

−

=

−

=

−

=

M

dm dm

M

dm

M

dm dm

nm

K

M M

K

M D

K

M M

M

β ω β β ω

β β

ω

Với ω0max,K , M M dm xác định ở mỗi máy D phụ thuộc tuyến tính vào β Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện 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 bộ được:

10 /

max

0 β M dm ≤

Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ không vượt quá 10, Vậy với yêu cầu của để 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 trường hợp

Mt=const trong toàn dải điều chỉnh

b.2) Điều chỉnh từ thông động cơ

Điều chỉnh từ thông kích thích động cơ điện một chiều chính là điều khiển mômen điện từ của động cơ điện M =K.Φ I u Do mạch kích từ của động cơ điện một chiều

là phi tuyến vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là phi tuyến

10

Từ sơ đồ trên ta được

dt

d r

r

e

k b

k u

Φ +

+

rk: điện trở dây quấn phần ứng

rb : điện trở nguồn đIện áp kích thích

k

ω : số vòng dây cuộn kích từ

Thường 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 có điện áp phần ứng định mức, từ thông định mức và gọi 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 bảo đảm I cho phép Kết quả là mômen cho phép trong động cơ giảm rất nhanh kể cả khi giữ nguyên I thì momen

cơ cũng giảm đi rất nhanh

b.3) Thay đổi điện trở phụ Rf

Từ phương trình đặc tính (*)

u

f u

K

R R K

U

Φ

+

− Φ

= Φ

(*) Thực tế ngày nay người ta không dùng phương pháp này Vì phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dưới tốc độ định mức, và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, 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

c) Kết luận

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có nhiều hạn chế

so với phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng phương pháp thay đổi từ thông bị