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

Đề bàiThiết kế bộ băm xung ỏp một chiều có đảo chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập với các thụng số: Phơng án Điện áp ắcquy nguồn V Dòng điện địnhmức A... M

Đề bài

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 với các thụng số:

Phơng

án

Điện áp ắcquy nguồn (V)

Dòng điện địnhmức (A)

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 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

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 hỏicộng với quyết tâm cao nhất, song do trình độ còn có hạn nên chúng em khôngthể tránh khỏi nhiều sai sót, chúng em kính mong nhận đợc sự phê bình, góp ýcủa các thầy cô giáo 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

Hoá xncn, đặc biệt là Ths Phạm Khỏnh Hưng đã tạo điều kiện và tận tình

giúp đỡ chúng em hoàn thành quyển đồ án môn học này

Sinh viên thực hiện Vũ Tuấn Anh

Trần Bỏ Đạt Phạm Triệu Thuấn Nguyễn Minh Tuấn

Mục lục

Tài liệu tham khảo

Chơng I: giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều 5

2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều 6

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

Chơng III: Mạch điều khiển cho mạch băm xung 1 chiều 36

II Nguyên tắc chung của mạch điều khiển 36

1) Khâu tạo dao động và khâu tạo điện áp tam giác 37

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

I Khâu tạo dao động và khâu tạo răng ca 52

Chơng VI: thiết kế nguồn cấp cho mạch điều khiển 61

I Tính toán tham số cho mạch nguồn nuôi 61Chơng VIII: Mô phỏng hệ thống trên máy tính 65

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 trínhất định nh trong công nghiệp giao thông vận tải, và ở các thiết bị cần điềukhiển tốc độ quay 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 bộ hay các động cơ xoay chiều khác do sử dụng nhiều kimloại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn nhng do những u điểm của

nó mà máy điện một chiều vẫn đóng vai trò không thể thiếu trong nền sản xuấthiện đại

Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện haymáy phát điện tuỳ theo những điều kiện làm việc khác nhau Song u điểm lớnnhất 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 đợcthì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (nh bộ biến tần ) rất đắt tiền thì

động cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấutrúc mạch lực, mạch điều khiển 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 caochỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những máy có công suất lớn hơn Vớitrình độ hiểu biết còn hạn chế, quyển đồ án môn học này chỉ đề cập tới vấn đềthiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ có đảo chiều của động cơmột chiều kích từ bằng nam châm 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 phầntĩnh và phần quay

a Phần tĩnh (stato): Là bộ phận đứng yên của máy gồm các bộ phận chínhsau:

- Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trờng 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 kỹthuật điện hay thép cacbon ghép lại Trong máy điện nhỏ, có thể dùng thépkhối Dây quấn 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 Lõithép của cực từ phụ thờng đợc làm bằng thép khối Dây quấn của cực từphụ 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 điệnxoáy gây nên

- Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua Dâyquấn phần ứng thờng 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 trungbình và lớn, dây quấn phần ứng có tiết diện hình chữ nhật

- Cổ góp: còn đợc gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiềudòng 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

đặt vào trong từ trờng một dây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từtrờng sẽ tác dụng một từ lực vào dòng điện (vào dây dẫn) và làm cho dây dẫnchuyển 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 cuộndây phần 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 củamáy trùng 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 phảisang 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 ngời ta phân các loại động cơ

điện một chiều theo các loại sau:

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

cho roto Thờng là các động cơ có công suất lớn để điều chỉnh dòng điệnkích từ đợc thuận lợi và kinh tế hơn I = I

- Động cơ một chiều kích từ song song: cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng

đợc cấp 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 yếutrong nghành kéo tải bằng điện

- Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp: từ thông đợc 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 tơng ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điềukhiển và ứng dụng tơng đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố

4 Các đại lợng định mức.

Chế độ làm việc định mức đợc đặc trng bằng những đại lợng ghi trên nhãnmáy và gọi là những lợng định mức Trên nhãn máy thờng ghi những đại lợngsau:

Công suất định mức Pđm (kW hay W): là công suất cơ đa ra ở đầu trụcmáy

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

đ-ợc thay thế bằng các nam châm vĩnh cửu thì máy điện đó trở thành máy điệnmột chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu Nhờ cấu tạo này mà động cơPMDC có kích thớc nhỏ gọn, giá thành rẻ và làm việc hiệu quả hơn nhữngmáy điện có cuộn dây kích thích

bình thờng khác Mạch từ của

động cơ 1 chiều và kích thớc 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 nh samarium – coban và neođim – sắt – Bo Namchâm vĩnh cửu làm bằng ferit đợc 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 sửdụng vật liệu quý hiếm

Trong nhiều năm qua, máy điện PMDC đợc ứng dụng rộng rãi và luôn đợccải 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 đ ợccung cấp năng lợng từ những loại pin Điểm thuận lợi là những 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 nhanhchóng

nh xe lăn đến các thiết bị vận chuyển hay để mở cửa, thiết bị hàn, hệ thốngphát tia X, thiết bị bơm…Các động cơ PMDC là giải pháp tốt nhất trong việc

điều chỉnh truyền động các thiết bị truyền năng lợng có kích thớc nhỏ gọn,dải điều chỉnh tốc độ lớn, có khả năng thích ứng với những biến động củanguồn điện cung cấp

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

Vì động cơ điện PMDC đợc 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

đặc điểm 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 trờng của cuộncảm nên trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức điện động cảm ứng (hay còngọi là sức phản điện động) có chiều ngợc với chiều của điện áp đặt vào phầnứng động cơ Phơng trình điện áp ở mạch rôto sẽ là:





 E I R U

ct 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, rotoquay dới tác dụng của momen quay

E

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

M)k(

Rk

R k

nhất y=B + Ax, nên đờng biểu diễn trên hình vẽ H.2 là một đờng thẳng với độ

dốc âm Đờng đặc tính cắt trục hoành 0

 tại điểm có tung độ





 k

xảy ra MC = 0 (do lực masat luôn tồn tại

khi động cơ quay) Tốc độ o đợc gọi

Rk

U

2 dm dm

đờng đặc tính cơ lúc này gọi là

đờng đặc tính cơ tự nhiên biểu

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 ngC

á c

h

ly q u a n g

R

U k

nm R

U

Dòng điện Inmthờng = (10 20)Iđm Nó có thể gây cháy hỏng động cơ nếuhiện tợng tồn tại kéo dài Do đó, khi mở máy phải thêm điện trở phụ Rp vàomạch rôto để hạn chế dòng điện mở máy và khi động cơ đang chạy bị dừnglại, cần phải nhanh 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

động cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ Phơng pháp này chophép tăng điện trở vào mạch kích từ nghĩa là có thể giảm dòng điện kích từ (

ktdm

kt I

I  ) Do đó chỉ có thể thay đổi về phía giảm từ thông Khi giảm từthông, các đặc tính dốc hơn 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 cắtnhau và do vậy, với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từ thông giảm.Còn với tải lớn, tốc độ có thể tăng hoặc giảm tuỳ theo tải Thực tế, phơngpháp này chỉ sử dụng 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

từ với dòng kích từ là (  1 10 )% dòng định mức của phần ứng Tổn hao

điều chỉnh thấp

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

4123(Uđm)

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

Mk

)RR(n

- Phơng pháp này chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm (do chỉ có thểtăng thêm điện trở)

- Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứn nên tổn haocông suất dới dạng nhiệt trên điện trở khi điều chỉnh khá lớn

- 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 điệntrở nhng vì dòng điện rôto lớn nên việc chuyển đổi điện trở sẽ khó khăn vàthờng sử dụng chuyển đổi theo từng cấp điện trở

Thực tế ngày nay ngời ta không dùng phơng pháp này Vì phơng pháp nàychỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dới tốc độ định mức, và luônkèm theo tổn hao năng lợng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của độngcơ điện Vì vậy phơng pháp này chỉ áp dụng ở động cơ điện có công suất nhỏ

và thực tế thờng dùng 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

Rf2Rf3

M(I )Mđm(Iđm)0

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 chophép điều chỉnh giảm tốc độ, việc điều chỉnh tốc độ trên tốc độ định mứckhông đợc áp dụng hoặc đợc thực hiện trong một phạm vi rất hẹp Đặc điểmcủa phơng pháp này là lúc điều chỉnh tốc 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 có thể 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 tínhứng với điện áp định mức và từ thông định mức Tốc độ nhỏ nhất của dải điềukhiển bị giới 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 điềuchỉnh 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)nên tổn hao công suất điêù khiển nhỏ

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

- Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điềuchỉnh xác định là nh nhau nên sai số tốc độ tơng đối (sai số tĩnh) của đặc tínhcơ thấp nhất không đợc vợt quá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh Ph-

ơng 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 cómột bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp ra, xong nó là không đáng kể sovới vai trò và u đIểm của nó Vậy nên phơng pháp này đợc sử dụng rộng rãi

- II; IV: trạng thái hãm ( ngợc chiều với M).

Công suất cơ Pcơ = Mđ.

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 phơng trình đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều:

M)k(

Rk

I     tơng đối lớn Đốivới động cơ 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, đốtnóng mạnh động cơ và gây sụt áp lới điện Tình trạng này càng xấu hơnnếu hệ TĐĐ thờng phải mở máy, đảo chiều, hãm điện thờng xuyên nh máytrục, máy cán đảo chiều, thang máy lên xuống…Vậy để đảm bảo an toàncho động cơ và các cơ cấu truyền động cũng nh tránh ảnh hởng xấu tới lới

điện, phải hạn chế dòng điện khi mở máy, không cho vợt quá giá trị: Imm =(1,5 2,5).Iđm

Phơng pháp điều khiển giảm điện áp phần ứng không chỉ giúpkhống chế dòng ngắn mạch ở chế độ khởi động còn hạn chế đợc điện ápkhởi động

- Chế độ hãm:

Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngợc chiều tốc

độ quay Động cơ điện 1 chiều có 3 trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ng

-ợc và hãm động năng

+ Hãm tái sinh:

Xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý ởng Khi đó U > E Động cơ làm việc nh một máy phát điện song song vớilới So với chế độ động cơ, dòng điện và mômen hãm đã đổi chiều xác

t-định theo biểu thức:

0R

kk

R

EU

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 đatrả về lới điện có giá trị P = (E - U).I Đây là phơng pháp hãm kinh tế nhấtvì động cơ sinh năng lợng hữu ích

+ Hãm ngợc.

Xảy ra khi phần ứng dới tác dụng của động năng tích luỹ trong các

bộ phận chuyển động hoặc do thế năng quay ngợc chiều với mô men điện

từ của động cơ, mômen của động cơ khi đó chống lại sự chuyển động củacơ cấu sản xuất

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 một máy phát nối tiếp với lới điện, biến điện năng nhận từ lới điện vàcơ năng thành nhiệt đốt nóng điện trở tổng mạch phần ứng, vì vậy tổn thấtlớn

Đảo chiều điện áp phần ứng: Dòng điện Ih ngợc chiều với chiềulàm việc của động cơ và có thể khá lớn

f h

R R

E U I

ht

RR

kRR

EI

Mh  hd

Chứng tỏ Ihdvà Mhd ngợc chiều với tốc độ ban đầu Năng lợng chủyếu đợc 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 dây kích

từ vẫn phải nối với nguồn Muốn khắc phục ngời ta sử dụng phơng pháp hãm

động năng tự kích từ Nó xảy ra khi ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích từ ra khỏi lới

điện khi động cơ quay để đóng vào một điện trở hãm Trong quá trình hãm tốc độgiảm dần, dòng kích từ giảm dần và do đó từ thông giảm dần và là hãm tốc độ vìvậy đặc tính cơ cũng nh đặc tính không tải của máy phát điện tự kích thích là phituyến so với phơng pháp hãm ngợc Hãm động năng có hiệu quả kém hơn khichúng có cùng tốc độ và mômen cản, tuy nhiên hãm động năng u việt hơn về mặt

năng lợng đặc biệt hãm động năng tự kích vì không 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 tay trái Khi đảo chiều từ thông

hay đảo chiều dòng điện thì từ lực

+ 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 đốixứng nhau qua gốc tọa độ (hình vẽ)

Phơng pháp đảo chiều từ thông thực hiện nhẹ nhàng vì mạch từthông có công suất nhỏ hơn mạch phần ứng Tuy vậy, vì cuộn kích từ có sốvòng dây lớn, hệ số tự cảm lớn, do đó thời gian đảo chiều tăng lên nên ph-

ơng pháp này ít dùng Ngoài ra, dùng phơng pháp đảo chiều từ thông thìkhi 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 làphù hợp giải pháp mà ngời ta thờng 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

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 từmột nguồn điện áp một chiều cố định.Để đóng cắt điện áp nguồn, ngời ta thờngdùng các khoá điện tử công suất vì chúng có đặc tính tơng ứng với khoá lý tởng,tức là khi khoá dẫn điện (đóng) điện trở của nó không đáng kể; còn khi khoá bịngắt (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 đợc mô tả nh sau:

Trong khoảng thời gian 0  t1, khoá K đóng lại, điện áp trên tải UR sẽ cógiá 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:

R

1 U

0 RTrong 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 thờigian đóng khoá K: t1 (hay ) Phơng pháp này gọi là phơng pháp điều chỉnh

độ rộng xung PWM (pulse width modulation) Đây là phơng pháp thông dụngnhất 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 sốcủa hệ thống cũng ít thay đổi Khi  không thay đổi thì điện áp cũng khôngthay 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(phơng pháp xung tần); phơng pháp này ít dùng

3 Thay đổi cả tần số đóng cắt và thời gian đóng khoá K thay

đổi thờng theo quy luật: dòng điện có cờng độ đập mạch ít nhất Phơng phápnày gọi là phơng pháp băm xung theo kiểu thời gian Phơng pháp này ít đợc sửdụng nhất trong cả 3 phơng pháp

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 vớicác 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 củacác phần 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 làmviệc trong hệ thống kín

- Tần số đóng cắt lớn sẽ tạo ra nhiều cho nguồn cũng nh các thiết bị điềukhiển

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

đ-ợc đặt lên hàng đầu

Đối với các bộ biến đổi công suất trung bình (hàng chục kW) và nhỏ (vàikW), ngời ta thờng dùng các khoá điện tử là các bóng bán dẫn lỡng cực IGBT.Trong trờng hợp công suất lớn (vài trăm kW trở lên) ngời ta sử dụng GTO hoặctiristo

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 đổixung áp thành 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 áp vào

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

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 quasụt áp trên các van trong bộ biến đổi)

+ S mở  hở mạch giữa nguồn và tải, nhng vẫn có dòng id do năng lợng tíchluỹ trong 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

UWU

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

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 đợc tích điện trớc đó)

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

Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lợng từ nguồn U ở chế độ liên tục

và năng lợng truyền ra tải dới dạng xung nhọn

Đặc tính truyền đạt:

d I

U, dòng chạy từ +U  S  L1  -U 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 đónglàm D thông và năng lợng từ trờng nạp vào C, tụ C tích điện; ud sẽ ngợc chiềuvới U

Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với U Giá trị tuyệt đối |Ud| có thể lớn hơnhay nhỏ 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 mạch

tương đương R-L-E

a Nguyên lý hoạt

động.

 Chế độ động cơ:

Trong khoảng 0 t T, động cơ được nối nguồn qua S1, điện áp đặt lên

Dũng trung bỡnh qua S2(D2) là: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

2

T t T

   thỡ S1 và S2

không đồng thời dẫn,do đó động cơ được nối ngắn mạch qua các diot D1hoặc D2,điện áp dặt lên động cơ là 0,dòng điện qua động cơ giảm từ Imax

xuống Imin, ta có phương trình Ri L di E 0

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

Phương trình dòng qua động cơ: di

đặt lên động cơ là 0, id giảm từ Imax về Imin

Phương trình dòng qua động cơ: di

Điện áp trung bình đặt trên động cơ:

T

T 2

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

Dòng trung bình qua các van S1, S2: 1 d (2 1)U E

min

E i(t) (1 e ) I e

   , động cơ trả năng lượng về nguồn qua các diot D1

và D2, dòng qua động cơ giảm từ Imax xuống Imin,

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 khiểnhoàn 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 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,

+ 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 phươngphỏp điều khiển này cỏc cặp van S1 và S2; S3 và S4 lập thành hai cặp van

mà trong mỗi cặp thỡ hai van được điều khiển đúng cắt đồng thời Tớn hiệuđiều khiển được tạo ra bằng cỏch so sỏnh điện ỏp điều khiển với điện ỏp

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

- Nếu Udk < utua thì 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, dòng 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 dòng 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 nên khoá,dòng id giảm từ Imax về 0

+ Trong khoảng 3: S3 và S4 được kích dẫn, điện áp đặt lên động cơ là –U,dòng 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

do trước đó dòng id chạy theo chiều ngược lại nên dòng id tiềp tục chảytheo chiều cũ, khép mạch qua các diode D1 và D2 về nguồn; S1 và S2 bị đặtđiện áp ngược bởi hai diode D1 và D2 phân cực thuận nên khoá, do đó idgiảm theo chiều ngược 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

áp đặt lên động cơ là U, ta có phương trình: d

Điện ỏp trung bỡnh trờn động cơ

+ Trong khoảng 0<t<γT điện ỏp đặt lờn động cơ là U; và trong khoảngγT<t<T điện ỏp đặt lờn động cơ là –U nờn điện ỏp trung bỡnh đặt lờn động

-Điện ỏp ngược lớn nhất đặt lờn cỏc Diode là UDng.max  U

-Giá trị dòng trung bình qua tải là )

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()12()1()1()

1( 2

- Dòng trung bình qua van: Tơng tự ta có IS = γIt

- 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; vanS3 luôn khoá, còn van S4 sẽ đợc đóng mở ngợc pha với S1 (hình vẽ a, b, c,d) Et sđđ của động cơ Điện áp ra tải có dạng Ut = U (hình vẽ e) Bộ BXMC

có 3 trạng thái làm việc:

Trạng thái 1: (đồ thị dòng điện là hình vẽ f) U > Et: Động cơ làm việc ởgóc phần t thứ nhất Năng lợng cấp cho động cơ đợc cấp từ nguồn thông quacác van S1, S2 dẫn trong khoảng 0t1

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

điện theo 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)

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

= It)

+Trong khoảng 0t0: Do Et > U nên động cơ sẽ hãm trả năng lợng vềnguồn qua Đ1 và Đ2 (iĐ1 = iĐ2 = it);

+Trong khoảng t0 t1 : U > Et : Động cơ chuyển sang làm việc ở chế độ

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

+Trong khoảng t1 t2: S1 khóa, S4 mở Năng lợng tích luỹ trong điện cảm sẽcấp cho động cơ và duy trì dòng điện qua Đ2, Đ4 (iĐ2 = iĐ4 = it)

+Trong khoảng t2 T: Khi năng lợng dự trữ trong điện cảm hết, sức điện độngcủa 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 lợng trong điện cảm và khi S4 bịkhóa thì điện áp trên tải > E và quá trình lại lặp lại nh ban đầu

Mặc dù dòng điện tải đổi chiều, nhng do có sự tham gia của S4 và Đ4 vàoquá trình làm việc nên trong khoảng t1T, điện áp trên tải luôn bằng không

Do đó dạng điện áp trên tải sẽ không bị biến dạng và thành phần sóng điềuhoà bậc cao trong điện áp phụ tải sẽ là nhỏ nhất

Muốn động cơ làm việc theo chiều ngợc lại, luật điều khiển các van sẽ

đ-ợc thay đổi ngđ-ợc lại.Trong trờng hợp này, van S3 và S2 dẫn ngợc nhau, van S4luôn dẫn, van S1 luôn khoá

T

1 dt E T

1 dt i R T

1 dt

di L T

0 t T

o

T 0 t T

0 t t

It  



+Dòng trung bình qua van

) a 1 (

T

) b a 1 )(

b 1 ( U R

L I

1

1 1 1

1 S

1

1 1 1

1

R

E a

1

) b 1 )(

b a 1 (

L U

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

Vậy để điều khiển động cơ ta chỉ cần điều khiển  để điều chỉnh điện áp ratải

Theo yêu cầu của đồ án: ta sử dụng bộ băm xung 1 chiều có đảo chiều vàphơng pháp điều khiển là điều khiển không đối xứng Ta chọn van bán dẫnIGBT dùng trong mạch băm xung 1 chiều có đảo chiều Vì:

- IGBT có thể kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năngchịu quá tải lớn của các tranzitor thờng, tần số băm điện áp cao cũng làmcho động cơ chạy êm hơn

- Công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ nên làm đơn giản đáng kể thiết kếcủa các bộ biến đổi và làm cho kích thớc hệ thống điều khiển nhỏ, hơn nữa

nó cũng làm tiết kiệm năng lợng điều khiển

- IGBT là phần tử đóng cắt dòng áp lớn, nó đang dần thay thế tranzitor BJT

và ngày càng trở nên thông dụng