Thiết kế bộ băm xung ỏp một chiều có đảo chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Một trong những ứng dụng của đtcs trong sản xuất công nghiệp làđiều 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

Lời nói đầu

Ngày nay, Khoa học _ Kĩ thuật đóng một vai trò quan trọng và không thể thiếutrong quá trình phát triển kinh tế, cnh – hđh đất nước Trong những thành tựu khoahọc – kỹ thuật phục vụ công cuộc phát triển đất nước thành công, phải kể đến cảnhững đóng góp của nghành tự động hoá trong cả đời sống, cũng như 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 điệnđiều 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 làđiều 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

Đồ án gồm các phần chính sau:

Phần A: Cơ sở lý thuyết.

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

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

Chương III: Các mạch băm xung 1 chiều.

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

Phần B: Tính toán thiết kế.

Chương V: Thiết kế mạch lực.

Chương VI: Thiết kế mạch điều khiển

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

Chương 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 được sự phê bình, góp ý của các thầy

cô giáo và các bạn để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Tự Động Hoá

xncn, đặc biệt là Ths Phạm Khánh Hưng đã tạo điều kiện và tận tình giúp đỡ chúng

em hoàn thành quyển đồ án môn học này

Đề bài

Thiết kế bộ băm xung ỏp một chiều có đảo chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điệnmột chiều kích từ độc lập với các thụng số:

Phươngán

Điện áp ắcquy nguồn(V)

Dòng điện địnhmức (A)

Phạm vi điềuchỉnh tốc độ

Mục lục

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

II Động cơ điện 1 chiều kích từ nam châm vĩnh cửu 8

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

2 Đặc tính làm việc của động cơ điện kích từ độc lập 9

4 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ kích từ độc lập 12

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

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

7) Khâu tạo điện áp đóng mở van 35

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

A – cơ sở lý thuyết

Chương I

Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều

Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện 1 chiều vẫn được 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 trínhất định như trong công nghiệp giao thông vận tải, và ở các thiết bị cần điều khiểntốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn,đầu máy điện ) Một động cơ điện một chiều có giá thành đắt hơn các động cơkhông đồng bộ hay các động cơ xoay chiều khác 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 máyđiện một chiều vẫn 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 ưu điểm lớn nhất củađộng cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải Nếu như bản thânđộng cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chiphí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện mộtchiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạchđiều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng 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 cơđiện một chiều vào khoảng 10000kw, điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000V.Hiện nay, hướng 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 trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấnkích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ

thuật điện hay thép cacbon ghép lại Trong máy điện nhỏ, có thể dùng thépkhối Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng có bọc cách điện.

- Cực từ phụ: được đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thépcủa cực từ phụ thường được làm bằng thép khối Dây quấn của cực từ phụgiống như 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 Thường dùng bằng những lá thép kỹ thuậtđiện có phủ cách điện mỏng 2 mặt ghép lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáygây nên

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

- Cổ góp: còn được gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòngđiện 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 trường một dây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trường

sẽ tác dụng một từ lực vào dòng điện (vào dây dẫn) và làm cho dây dẫn chuyểnđộng Chiều của từ lực được 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 dưới tác dụng của từ trường này trong dây quấn sẽsinh ra momen điện từ trên trục máy kéo roto quay Vì vậy, chiều quay của máytrùng với chiều quay của momen điện từ Theo quy tắc bàn tay trái, momen điện

từ do lực điện từ tác dụng lên các thanh dẫn có chiều từ phải sang trái và lực điện

từ có giá trị f = B.l.i

3 Phân loại các động cơ điện 1 chiều.

Tuỳ theo cách kích thích từ của động cơ, mà người 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 được cấp điện từ một nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho roto

Thường là các động cơ có công suất lớn để điều chỉnh dòng điện kích từ đượcthuận lợi và kinh tế hơn Iư = I

- Động cơ một chiều kích từ song song: cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng đượccấp điện bởi cùng một nguồn điện I = Iư + 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 = Iư =It Động cơ loại này được sử dụng rất nhiều chủ yếutrong nghành kéo tải bằng điện

- Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp: từ thông được tạo ra do tác dụng đồngthời của 2 cuộn kích từ: một cuộn song song và một cuộn nối tiếp I = Iu +It.Mỗi loại động cơ trên sẽ tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều khiển

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

4 Các đại lượng định mức.

Chế độ làm việc định mức được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãnmáy và gọi là những lượng định mức Trên nhãn máy thường ghi những đại lượngsau:

Công suất định mức Pđm (kW hay W): là công suất cơ đưa ra ở đầu trục máy.Điện áp định mức Uđm (V)

Dòng điện định mức Iđm (A)

Tốc độ định mức nđm (vg/phút)

Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương 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 thường đượcthay 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 thước nhỏ gọn, giá thành rẻ và làm việc hiệu quả hơn những máy điện cócuộn dây kích thích bình thường khác

Mạch từ của động cơ 1 chiều và kích

thước của nam châm vĩnh cửu phụ thuộc

vào loại vật liệu sử dụng để làm nam

châm vĩnh cửu Vật liệu để làm nam châm

vĩnh cửu trong máy điện 1 chiều gồm có

alnicos, ferit, và các vật liệu quý hiếm

như samarium – coban và neođim – sắt –

Bo Nam châm vĩnh cửu làm bằng ferit được sử dụng nhiều trong máy điện 1chiều giá rẻ Còn đối với máy điện một chiều yêu cầu chất lượng, hiệu suất caothì sử dụng vật liệu quý hiếm.

Trong nhiều năm qua, máy điện PMDC được ứng dụng rộng rãi và luôn đượccải tiến phát triển liên tục Ngày nay đã có những loại máy PMDC có thể dichuyển dễ dàng và không cần phải sử dụng đến ổ cắm điện vì nó có thể đượccung cấp năng lượng từ những loại pin Điểm thuận lợi là những loại pin này códung lượng lớn, lâu hết năng lượng và có thể xạc nhiều lần

PMDC có thể đáp ứng được 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

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

- Bơm động học thủy lực

- Cần trục và thang máy động lực

- Các phương tiện nâng, nhấc

- Các hệ thống chạy bằng năng lượng mặt trời

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

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,

Vì động cơ điện PMDC được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên ta có thểcoi đây thuộc loại động cơ kích từ độc lập và trong đề tài này ta chỉ xét các đặcđiểm của 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 trường của cuộn cảmnên trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức điện động cảm ứng (hay còn gọi là sứcphản điện động) có chiều ngược với chiều của điện áp đặt vào phần ứng động cơ.Phương trình điện áp ở mạch rôto sẽ là:

Σ+

=E I RU

Trong đó:

U – điện áp lưới, V

E – sức điện động của động cơ, V

Iư – dòng điện phần ứng của động cơ, A

Σ

R – điện trở toàn bộ mạch phần ứng, Ω.Σ

R = Rư + Rp

RP – điện trở phụ trong mạch phần ứng, Ω

Rư – điện trở mạch phần ứng, Ω

cp cb

rr

rư - điện trở cuộn dây phần ứng, Ω

rct - điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp, Ω

ω - tốc độ góc của roto, rad/s

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

a2

N.pk

π

=

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 trường tác dụng vào dây quấn phần ứng khi có dòng điện, roto quaydưới tác dụng của momen quay

Ik

M = φ

E

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

M)k(

Rk

U

2

φ

−φ

Rk

U

2

φ

−φ

=

ω Σ có dạng một hàm bậc nhấty=B + Ax, nên đường biểu diễn trên hình vẽ H.2 là một đường thẳng với độ dốc

âm Đường đặc tính cắt trục hoành 0ω tại điểm

có tung độ

φ

=ω

k

U

o Tốc độ ωo là tốc độ ứngvới 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 ωo được gọi là tốc độ không

tải lý tưởng

Khi toàn bộ các thông số điện của động

cơ là định mức như thiết kế và không mắc thêm

điện trở phụ vào mạch động cơ thì R Σ =R và

phương trình đặc tính cơ sẽ là:

M)k(

Rk

U

2 dm dm

dm

φ

−φ

=ω

đường đặc tính cơ lúc này gọi là đường

đặc tính cơ tự nhiên biểu diễn trên hình

vẽ

Điểm A trên hình vẽ gọi là điểm làm

việc định mức Người ta đưa thêm đại

k

U

φ

=ω

đm c

ĐK

S

o s á n h T ạ

o x u n

g ră n

g c ư a T ạ

o d a

o đ ộ n g

Các

h l

y q10

A – cơ sở lý thuyết

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

Phương trình đặc tính cơ còn được viết dưới dạng:

ω

∆

−ω

=

Với độ sụt dốc tỷ lệ với mô men tải:

M)k(

dm dm

R

Uk

4 Các phương 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 φ.

Muốn thay đổi từ thông động cơ, ta tiến hành thay đổi dòng kích từ của động

cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ Phương pháp này cho phép tăngđiện 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

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

- Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng 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 được tốc độ về phía tăng theo phương 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, phương pháp này chỉ sửdụng với tải không quá lớn so với định mức

o U

ĐK

S

o s á n h T ạ

o x u n

g ră n

g c ư a T ạ

o d a

o đ ộ n g

Các

h l

y quang

- Phương 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 điềuchỉnh thấp.

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 phương trình đặc tính cơtrở thành:

Mk

)RR(n

=

Khi tăng điện trở mạch phần ứng, đặc tính

cơ dốc hơn nhưng vẫn giữ nguyên tốc độ

không tải lý tưởng Trên hình vẽ bên, ta có

các đường đặc tính cơ ứng với các trị số

khác nhau của Rf, trong đó ứng với Rf = 0 là

= càng nhỏ Phương pháp này thường cho D≈5÷1

- Về nguyên tắc, phương pháp này cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi đều điện trởnhưng vì dòng điện rôto lớn nên việc chuyển đổi điện trở sẽ khó khăn vàthường sử dụng chuyển đổi theo từng cấp điện trở

Thực tế ngày nay người ta không dùng phương pháp này Vì phương pháp nàychỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dưới tốc độ định mức, và luônkèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơđiện Vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng ở động cơ điện có công suất nhỏ vàthực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục

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

n

Rf1 Rf2 Rf3

M(Iư) Mđm(Iđm )

0

M(Iư) 0

Phương pháp này chỉ áp dụng được 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: đường 1 – ứng với Uđm,

đường 2, 3 ứng với Uđm > U2 > U3 và đường 4

– ứng với U4 > Uđm

Vì không cho phép vượt quá điện áp định

mức nên phương pháp này chỉ cho phép điều

chỉnh giảm tốc độ, việc điều chỉnh tốc độ trên tốc độ định mức không được ápdụng hoặc được thực hiện trong một phạm vi rất hẹp Đặc điểm của phương phápnày là lúc điều chỉnh tốc độ, momen không đổi vì φ và Iư đều không đổi Điện ápphần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ

Chú ý: + Phương 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 tưởng tuỳ 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 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

bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mô men khởi động

+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

Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có các ưu điểm như sau:

- Hiệu suất điều chỉnh cao (phương 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 độngđộng cơ

- Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điều chỉnhxác định là như nhau nên sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) của đặc tính cơ thấpnhất không được vượt quá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh Phương phápnày có thể điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh

Tuy vậy phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏi phải cómột bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp ra, xong nó là không đáng kể so với vaitrò và ưu đIểm của nó Vậy nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi

5 Các chế độ làm việc của động cơ.

a Các góc phần tư làm việc.

Trạng thái hãm và trạng thái động cơ

được phân bố trên đặc tính cơ ở góc phần

tư tương ứng với chiều mômen và tốc độ

Công suất cơ Pcơ = Mđ.ω

Công suất điện của động cơ:

Pđ = Pcơ + ∆PTrong đó: ∆P là tổn hao công suất

b các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

- Khởi động

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

M)k(

Rk

U

2

φ

−φ

với động cơ có công suất càng lớn thì Rư thường có giá trị càng nhỏ và dòng Inm

càng lớn Điều này làm xấu chế độ chuyển mạch trong động cơ, đốt nóng mạnhđộng cơ và gây sụt áp lưới điện Tình trạng này càng xấu hơn nếu hệ TĐĐthường phải mở máy, đảo chiều, hãm điện thường xuyên như máy trục, máycán đảo chiều, thang máy lên xuống…Vậy để đảm bảo an toàn cho động cơ vàcác cơ cấu truyền động cũng như tránh ảnh hưởng xấu tới lưới điện, phải hạnchế dòng điện khi mở máy, không cho vượt quá giá trị: Imm = (1,5 ÷2,5).Iđm

Phương pháp điều khiển giảm điện áp phần ứng không chỉ giúp khốngchế dòng ngắn mạch ở chế độ khởi động còn hạn chế được điện áp khởi động

- Chế độ hãm:

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

+ Hãm tái sinh:

MC

I: Động cơ

Pc = Mdự >

0

Pc = Mdự < 0

ự

M

Xảy ra khi tốc độ quay của động cơ 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 mômen hãm đã đổi chiều xác định theobiểu thức:

0R

kk

R

EU

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 vìđộng cơ sinh năng lượng hữu ích

+ Hãm ngược.

Xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộphận chuyển động hoặc do thế năng quay ngược chiều với mô men điện từ củađộng cơ, mômen của động cơ khi đó chống lại sự chuyển động của cơ cấu sảnxuất

Hãm ngược khi đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng (tăng tải): Đặc tính

hãm ngược sđđ tác dụng cùng chiều với điện áp lưới, động cơ làm việc nhưmột máy phát nối tiếp với lưới điện, biến điện năng nhận từ lưới điện và cơnăng thành nhiệt đốt nóng điện trở tổng mạch phần ứng, vì vậy tổn thất lớn

Đảo chiều điện áp phần ứng: Dòng điện Ih ngược chiều với chiều làmviệc của động cơ và có thể khá lớn

f

EUI

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

lưới điện một chiều và đóng vào một điện trở hãm:

hd h

kR

R

EI

+

φω

=+

−

=

0I

từ ra khỏi lưới điện khi động cơ quay để đóng vào một điện trở hãm Trong quátrình 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 như đặc tính không tải của máy phátđiện tự kích thích là phi tuyến so với phương pháp hãm ngược Hãm động năng

có hiệu quả kém hơn khi chúng có cùng tốc độ và mômen cản, tuy nhiên hãmđộng năng ưu việt hơn về mặt năng lượng đặc biệt hãm động năng tự kích vìkhông tiêu thụ năng lượng từ lưới và

đặc biệt có thể sử dụng được kể cả khi

mất điện

- Đảo chiều quay động cơ

Chiều từ lực tác dụng vào dòngđiện được xác định theo quy tắc bàn

tay trái Khi đảo chiều từ thông hay

đảo chiều dòng điện thì từ lực có chiều

ngược lại

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

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

+ Hoặc đảo chiều dòng điện phần ứng

Đường đặc tính cơ của động cơ khi quay thuận và quay ngược là đốixứng nhau qua gốc tọa độ (hình vẽ)

Phương pháp đảo chiều từ thông thực hiện nhẹ nhàng vì mạch từ thông

có công 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 phương pháp này

ít dùng Ngoài ra, dùng phương pháp đảo chiều từ thông thì khi từ thông qua trị

số 0 có thể làm tốc độ tăng quá, không tốt

Đặc tính của phụ tải cũng là vấn đề cần phải quan tâm khi điều khiểnđộng cơ điện một chiều ở đây ta sẽ chỉ xét trường 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 được chọn làphù hợp giải pháp mà người ta thường dùng hiện nay là băm xung áp điềukhiển bằng bộ băm xung áp một chiều mà ta sẽ đề cập ở vấn đề tiếp theo

Chương 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, người ta thường dùngcác khoá điện tử công suất vì chúng có đặc tính tương ứng với khoá lý tưởng, tức làkhi khoá dẫn điện (đóng) điện trở của nó không đáng kể; còn khi khoá bị ngắt (mở ra)điện trở của nó lớn vô cùng (điện áp trên tải sẽ bằng không)

Nguyên lý cơ bản của bộ biến đổi xung áp 1 chiều được mô tả như sau:

Trong khoảng thời gian 0÷t1, khoá K đóng lại, điện áp trên tải UR sẽ có giá trịbằng 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:

1U

0 R

Trong đó:

λ - thời gian khoá K đóng

γ - hệ số điều chỉnh.

T – chu kỳ đóng cắt của khoá K

Nhận xét: nguồn E có thể không đổi nhưng có thể thay đổi được Ut nhờ thay đổi γ.

Có 3 phương pháp điều chỉnh điện áp trên tải:

1 Giữ chu kỳ đóng cắt không đổi T = const; thay đổi thời gianđóng khoá K: t1 (hay λ) Phương pháp này gọi là phương pháp điều chỉnh độ rộngxung PWM (pulse width modulation) Đây là phương pháp thông dụng nhất hiệnnay và được ứng dụng rộng rãi nhất

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

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

2 Giữ nguyên thời gian đóng khóa K: t1 = const; thay đổi tần sốđóng cắt T Phương pháp này gọi là phương pháp băm xung kiểu điều chỉnh f(phương pháp xung tần); phương pháp này ít dùng

3 Thay đổi cả tần số đóng cắt và thời gian đóng khoá K thay đổithường theo quy luật: dòng điện có cường độ đập mạch ít nhất Phương pháp nàygọi là phương pháp băm xung theo kiểu thời gian Phương pháp này ít được sửdụng nhất trong cả 3 phương pháp

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

tải Nó có những ưu 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 như ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường, vì yếu

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

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

- Kích thước gọn, nhẹ

Nhược điểm cơ bản của các bộ biến đổi xung áp là:

- Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính của bộ biến đổi khi làm việctrong hệ thống kín

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

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

Đối với các bộ biến đổi công suất trung bình (hàng chục kW) và nhỏ (vài kW),người ta thường dùng các khoá điện tử là các bóng bán dẫn lưỡng cực IGBT Trongtrường hợp công suất lớn (vài trăm kW trở lên) người 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 người 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 cóđiện 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 người 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 như 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 lưu

Bộ lọc đầu vào thường dùng mạch LC hoặc chỉ dùng điện cảm tụ C có thể được thay thế bằng các phần tử tích trữ năng lượng như ăcquy

Khoá điện tử (KĐT) ngày nay được dùng chủ yếu là các van bán dẫn điềukhiển hoàn toàn

Bộ lọc đầu ra (LO) có tác dụng san phẳng dòng điện ở đầu ra của bộ biến đổi.Các bộ biến đổi xung áp một chiều được nêu ra ở đây chỉ sử dụng van điềukhiển hoàn toàn GTO, IGBT, BT

I Bộ biến đổi xung áp nối tiếp.

Sơ đồ nguyên lý như sau:

Phần tử điều chỉnh quy ước 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 ngược với Ud để thoát dòng tải khi khoá S ngắt

+ S đóng ⇒ U được đặt vào đầu của bộ lọc Lý tưởng thì ud = U (nếu bỏ qua sụt

áp trên các van trong bộ biến đổi)

+ S mở ⇒ hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng id do năng lượng tíchluỹ trong cuộn L và Ltải, dòng i chạy qua D, do đó ud = 0

E

Đi

Như vậy, Ud ≤ U Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.

Đặc tính truyền đạt:

d I

U W U

= = α

II Bộ biến đổi xung áp song song.

Sơ đồ như sau:

Đặc điểm: L nối tiếp với tải, khoá S mắc

song song với tải Cuộn cảm Lkhông tham

gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ

C đóng vai trò này

+ S đóng:

Dòng điện từ +U qua L → S → – U Khi

đó D tắt vì trên tụ có UC (đã được tích điện trước đó)

+ S ngắt: dòng điện chạy từ +U qua L → D → Tải Vì từ thông trong L khônggiảm tức thời về không do đó trong L xuất hiện suất điện động tự cảm eL

Đặc tính truyền đạt:

d I

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

tích luỹ năng lượng C đóng

vai trò lọc

Hoạt động.

+ S đóng, trên L1 có U, dòng

chạy từ +U → S → L1 → -U

Năng lượng tích luỹ trong cuộn cảm L1; đi-ôt D tắt; Ud =UC, tụ C phóng điện quatải.

+ S ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra sức điện động ngược chiều với trường hợp đónglàm D thông và năng lượng từ trường nạp vào C, tụ C tích điện; ud sẽ ngược chiềuvới 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 kích 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≤ ≤ γT,

động cơ được nối nguồn

qua S , điện áp đặt lên1

b Tính toán các thông số trên sơ đồ.

Trong khoảng S (1 D ) dẫn, điện áp đặt lên động cơ là U, ta có: 1

− τ

b Nguyên tắc điều khiển.

Chu kỡ đóng cắt của mỗi van là T, S1 và S2 được kích dẫn lệch pha mộtkhoảng thời gian T/2, mỗi van S1, S2 được kích với góc dẫn ó

thời dẫn,do đó động cơ được nối ngắn

mạch qua các diot D1 hoặc D2,điện áp

dặt lên động cơ là 0,dũng điện qua động cơ giảm từ Imax xuống Imin, ta cú phươngtrỡnh Ri Ldi E 0

Điện áp đặt lên động cơ là U Dũng qua động cơ tăng từ Imin tới Imax.

Phương trỡnh dũng qua động cơ: Ri Ldi E U

− τ

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

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

R

γ− −

= γ = γ

0

Dũng trung bỡnh qua cỏc diot:I2 (1 )Id (1 )(2 1)U E

Dũng trung bỡnh qua cỏc van S1, S2 là: I1= γId

Dũng trung bỡnh qua cỏc diot D1, D2là: I2 = − γ(1 )Id

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các 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 hoàn toàn 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 đổi này thường hay dùng để cấp nguồn cho động cơmột 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 lượng phảnkháng về nguồn và thực hiện quá trình hãm tái sinh Các phương pháp điều khiểnlà: Điều khiển độc lập, điều khiển đối xứng, điều khiển không đối xứng

a 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 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 Phương pháp điều khiển đối xứng.

Điều khiển đối xứng là kiểu điều khiển các van theo cặp Theo phương phápđiều khiển này các cặp van S1 và S2; S3 và S4 lập thành hai cặp van mà trongmỗi cặp thỡ hai van được điều khiển đóng cắt đồng thời Tín hiệu điều khiểnđược tạo ra bằng cách so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa (thường làdạng xung tam giỏc):

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

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

Chế độ hoạt động:

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

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

có tính cảm kháng nên dũng điện phần ứng khép mạch qua D3 và D4 về nguồn,

S3 và S4 bị đạt điện áp ngược bởi hai diode D3 và D4 nờn khoỏ, dũng id giảm từ

Imax về 0

+ Trong khoảng 3: S3 và S4 được kích dẫn, điện áp đặt lên 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 kích tắt, S1 và S2 được kích dẫn, nhưng dotrước đó dũng id chạy theo chiều ngược lại nên dũng id tiềp tục chảy theo chiều

cũ, khộp mạch qua cỏc diode D1 và D2 về nguồn; S1 và S2 bị đặt điện áp ngượcbởi hai diode D1 và D2 phân cực thuận nên khoá, do đó id giảm theo chiềungược lại từ Imin về 0

Tớnh toỏn cỏc thụng số của mạch:

+ Trong khoảng 0 t≤ ≤ γT, S1 và S2 dẫn hoặc khi D1 và D2 dẫn thỡ điện ápđặt lên động cơ là U, ta có phương trỡnh: did

U E Ri= + +L

với sơ kiện đầu i(0) I= min

− τ

Điện áp trung bỡnh trờn động cơ

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

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

-Giá trị dòng trung bình qua tải là )

U

E12(R

=

1 1

1 1

R

E)1(R

Ua

1

)ba1)(

b1(TR

U.2dt)(iT

1I

U

E R

U R

E U R

U

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

1 (

2 γ −γ − + − γ = − γ γ − − = − γ

≈

- Dòng trung bình qua van: Tương tự ta có IS = óIt

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

+Nếu ó = 0.5 thì Ut = 0

+Nếu ó > 0.5 thì Ut >0

+Nếu ó < 0.5 thì Ut <0

Như vậy bằng cách thay đổi giá trị ó mà ta thay đổi được giá trị điện áp ratải và cả dấu của nó Do đó sẽ đảo chiều quay của động cơ

c Phương pháp điều khiển không đối xứng.

Đây là phương pháp thông dụng nhất vì chất lượng điện áp ra tốt hơn Giả sửđộng cơ quay theo chiều thuận, tương ứng với các cặp van S1, S2 làm việc; vanS3 luôn khoá, còn van S4 sẽ được đóng mở ngược pha với S1 (hình vẽ a, b, c, d)

Et sđđ của động cơ Điện áp ra tải có dạng Ut = γ U (hình vẽ e) Bộ BXMC có 3

trạng thái làm việc:

∗Trạng thái 1: (đồ thị dòng điện là hình vẽ f) γ U > Et: Động cơ làm việc ở gócphần tư thứ nhất Năng lượng cấp cho động cơ được cấp từ nguồn thông qua cácvan S1, S2 dẫn trong khoảng 0÷t1

+Trong khoảng t1 ÷T: Năng lượng tích trữ trong điện cảm sẽ duy trì cho dòng điện

theo chiều cũ và khép mạch qua S2, Đ4

∗Trạng thái 2: γ U < Et: (đồ thị g) Chế độ làm việc ở góc phần tư thứ 2 ( hãm)+Trong khoảng 0÷t1: Động cơ trả năng lượng về nguồn thông qua các Điôt Đ1,

+Trong khoảng t1 ÷T: Dòng tải sẽ khép mạch qua S4 (S4 dẫn) và Đ2 (IĐ2 = IĐ4 = It)

∗Trạng thái 3: γ U = Et: (đồ thị h)

+Trong khoảng 0÷t0: Do Et > γ U nên động cơ sẽ hãm trả năng lượng về nguồn

qua Đ1 và Đ2 (iĐ1 = iĐ2 = it);

+Trong khoảng t0 ÷t1 : γ U > Et : Động cơ chuyển sang làm việc ở chế độ động

cơ Năng lượng từ nguồn qua S1, S2 cấp cho động cơ (iS1 = iS2 = it)

+Trong khoảng t1 ÷t2: S1 khóa, S4 mở Năng lượng tích luỹ trong điện cảm sẽ cấp

cho động cơ và duy trì dòng điện qua Đ2, Đ4 (iĐ2 = iĐ4 = it)

+Trong khoảng t2 ÷T: Khi năng lượng dự trữ trong điện cảm hết, sức điện động

của động cơ sẽ đảo chiều dòng điện và dòng tải khép mạch qua S4, Đ2 (it =iĐ2 =iS4).Quá trình này tạo ra sự tích luỹ năng lượng trong điện cảm và khi S4 bị khóa thìđiện áp trên tải > E và quá trình lại lặp lại như ban đầu

Mặc dù dòng điện tải đổi chiều, nhưng do có sự tham gia của S4 và Đ4 vào quátrình làm việc nên trong khoảng t1÷T, điện áp trên tải luôn bằng không Do đódạng điện áp trên tải sẽ không bị biến dạng và thành phần sóng điều hoà bậc caotrong điện áp phụ tải sẽ là nhỏ nhất

Muốn động cơ làm việc theo chiều ngược lại, luật điều khiển các van sẽ đượcthay đổi ngược lại.Trong trường hợp này, van S3 và S2 dẫn ngược nhau, van S4

luôn dẫn, van S1 luôn khoá

T

1dt.ET

1dti

RT

1dt

di.L.T

0 t T

o

T 0 t T

0 t t

T

)b.a1)(

b1(U.R

LI

1

1 1

1 1

1

R

Ea

1

)b1)(

ba1.(

L.U

+Giá trị trung bình điện áp ra tải Ut =γ U

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

VII Kết luận: