Đồ án ĐTCS - Thiết kế bộ băm xung một chiều

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

Chương I - Giới thiệu về động cơ điện một chiều

kích từ song song

I.1) Cấu tạo:

quay

1) Phần cảm (stator):

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

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

+ Lõi sắt kích từ được làm bằng lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon ghép lại và tán chặt

+ Dây quấn kích từ: được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối và và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ

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

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

- Chổi than : là các thanh Cacbon được tiếp xúc với cổ góp để đưa dòng điện

từ nguồn một chiều vào rôto Chổi than được đặt ở trung tính hình học của động cơ

2) Phần ứng (rotor):

Phần ứng là phần cho dòng điện một chiều chạy trong nó, tương tác giữa dòng điện I

và từ thông Φ sinh ra mômen quay Nó gồm ba phần chính:

- Lõi thép : là các lá thép kĩ thuật điện (Fe - Si) mỏng ghép lại với nhau, trên có

xẻ rãnh để đặt các bối dây

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

Hình I- Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (a), kích từ song song(b), kích từ hỗn hợp(c), và kích từ độc lập(d)

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

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

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

.E

0

0

K E

R I

U u

.

U K

R I K

=Δ

N p

này giảm dần đến 0, máy làm việc đúng điện áp định mức

+ Giảm điện áp đặt vào phần ứng:

Phương pháp là phương pháp thường dùng hơn cả nó dòi hỏi có một nguồn điện

có thể điều chỉnh được điện áp như nguồn chỉnh lưu, hệ máy phát động cơ hay bộ băm xung một chiều Phương pháp này dùng kết hợp với việc điều chỉnh tốc độ động

cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng rất tiện lợi

2) Các trạng thái hãm động cơ:

Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mô men quay ngược chiều tốc độ quay Trong tất cả các trạng thái hãm động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát Tùy theo cách biến đổi năng lượng cơ trong khi hãm người ta chia làm 3 trạng thái hãm:

a) Hãm tái sinh:

Năng lượng động cơ trả vể nguồn xẩy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng Khi hãm tái sinh Eu>Uu, động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới , so với chế độ động cơ dòng điện và mô men hãm đã

đổi chiều Đường đặc tính cơ trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần tư thứ II và thứ IV của mặt phẳng toạ độ.Trong trạng thái hãm tái sinh dòng điện hãm đổi chiều

và công suất đưa trả về lưới điện có giá trị P = (E –U) I

b) Hãm ngược:

Năng lượng của nguồn và động cơ bị tiêu tán dưới dạng nhiệt Xẩy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động do mômen thế năng quay ngược chiều với mômen điện từ của động cơ Mômen sinh ra bởi động cơ chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản suất có hai trường hợp hãm ngược :

+ Đưa điện trở vào mạch phần ứng

+ Đảo chiều điện áp phần ứng

c) Hãm động năng:

Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học của động cơ đã tích luỹ được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt

Như vậy ta thấy hãm tái sinh là phương pháp hãm tiết kiệm được năng lượng nhất, và điều này là rất cần thiết, nhất là đối với các động cơ chạy bằng acqui Vì

vậy, trong khi thiết kế bộ băm điện áp, ta cố gắng điều khiển động cơ hãm tái sinh

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

Động cơ điện một chiều có đặc điểm là:

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

- Nhược điểm: sử dụng nguồn điện một chiều

Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn như hiện nay máy điện một chiều dã trở thành một cơ cấu không thể thiếu trong truyền động điện

Từ phương trình về vận tốc:

2

Φ− Φ = Φ− Φ

=

K

R M K

U K

R I K

ω

Ta có các phương pháp để điều chỉnh tốc độ động

cơ điện một chiều như sau :

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

TN ( U )

n0 n

n

Lã ngọc Sơn Lớp TĐH T2 - K41

Đặc điểm :

- Đặc tính cơ là các đường song song với đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, do đó

độ cứng của đặc tính cơ không thay đổi

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

- Có thể thay đổi U băng các van bán dẫn

2) Thay đổi điện trở phần ứng R u:

Đặc điểm :

đặc tính cơ của động cơ giảm đi có nghĩa là với một sự thay đổi rất nhỏ của tải sẽ

chỉnh tốc độ băng Ru ít được sử dụng

động cơ Phương pháp này chỉ sử dụng để giảm dòng mở máy khi khởi động động

Đặc điểm :

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

- Khi từ thông Φdm giảm đến Φi thì có một Mik nào đó, khi Mc< Mik việc giảm

Φ sẽ làm tăng tốc độ động cơ, khi Mc >Mik việc giảm Φ sẽ làm tốc độ động cơ Trên thực tế điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là rất khó thực hiện vì quan hệ Φ(ω) là phi tuyến

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

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

và đem lại hiệu quả cao Trong khuôn khổ đồ án này, ta sẽ thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, ngoµi ra nã cßn có thể thực hiện chức năng mở lại máy (reset) và hãm tái sinh động cơ

CHƯƠNG II - TÍNH CHỌN MẠCH LỰC

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

1) Nguyên lý:

tải Ura cũng là điện áp một chiều nhưng có thể điều chỉnh được

0

Ura là một dãy xung vuông (lý tưởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2 Điện áp ra

bằng giá trị trung bình của điện áp xung: Ura = γ Us (γ=t1/T) Nguyên lý cơ bản của

các bộ biến đổi này là dùng quy luật đóng mở các van bán dẫn công suất một cách có chu kỳ để điều chỉnh hệ số γ đảm bảo thay đổi được giá trị điện áp trung bình trên

tải

2) Các phương pháp điều chỉnh điện áp ra:

Có 3 phương pháp điều chỉnh điện áp ra:

a) Phương pháp thay đổi độ rộng xung:

Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T ⇒ Giá trị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:

BBĐ

BBĐ BBĐ một chiề

Ura

t

t1 t2 T

Utb

S S

T

U t

là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ

Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 < ε ≤ 1)

b) Phương pháp xung - tần:

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

S S

c) Phương pháp xung - thời gian:

Vừa thay đổi độ rộng xung vừa thay đổi tần số theo nguyên tắc giữ ΔI min

Trong thực tế, phương pháp biến đổi độ rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn

giản hơn, không cần thiết bị biến tần đi kèm

II.2) Sơ đồ bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều cả dòng điện và điện áp:

Do yêu cầu của đồ án là thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song, Thoả mãn các yêu cầu trên ta chỉ có thể

chọn mạch lực là bộ băm xung áp một chiều với Sơ đồ nguyên lý như sau :

Trong đó :V1,V2 là các van điều khiển hoàn toàn

D1,D2, là các diot

Sơ đồ trên cho phép điều chỉnh tốc độ quay của động cơ, đặc tính làm việc của động cơ có thể ở góc phần tư thứ nhất và góc phần tư thứ 2

b) Các biểu thức tính toán:

- Tìm biểu thức của dòng tải :

+ Khi (D1, D2) và (V1, V2) dẫn: Trong giai đoạn này điện áp trên tải là UT=US, do

S

R

E U t

i ( )= − (1− − )+ min −

- Giá trị trung bình của điện áp trên tải:

S S

S S S

S

T

t S t

S T

d d

U U

U U T

T U TU T

dt U dt

U T dt u T U

)12()1(

)1()]

([

1

])([

11

2

2

0 0

−

=+

=

εε

ε

εε

εε

Vậy nếu ta thay đổi được ε ta sẽ điều chỉnh được Ud

ε>0,5→ Ud>0⇒Động cơ quay ngược

ε<0,5→ Ud<0⇒Động cơ quay thuận

- Giá trị trung bình của dòng qua diod D1 và D2:

) 1 (

) 1 (

.

2

) 1 (

) 1 (

1

) 1

).(

1 (

1 2 ).

( 1

1

1 1

1 1 0

1

1

εε

ε

εε

U

R

E R

U A

B A B

aT R

U dt t i T I

S S

S S

t D

- Giá trị trung bình dòng qua van:

) 1 (

2

1

) 1

)(

1 (

1 2

1

1 1

E U A

B A B

aT R

U R

E

U

S d

U

E R

U

I = ε − −

2) Điều khiển

a) Nguyên lý làm việc của mạch trên như sau:

=UN Id tăng dần đến thời điểm t= t1 Id =0 V1 bắt đầu dẫn Id tiếp tục tăng dần đạt đến

Id =Imax tại thời điểm t=t2

+ t = t2 =ε.T phát xung điều khiển V2 , khoá van V1 do Id >0 tải điện cảm dòng id tiếp tục chảy theo chiều cũ qua ,D2 ud =UN ;V2 chưa dẫn, dòng dòng id>0

van V2 dẫn id chảy theo chiều ngược lại và tăng dần đến thời điểm t=t4 I=Imin khoá van V2, phát xung điều khiển V1 dòng id tiếp tuc chảy theo chiều cũ qua D1,D2 trả năng lượng về nguồn…

b) Các biểu thức tính toán:

E A

B R

1

1

e B a

Edt T dt Ri T dt

di

L

11

11

).(

1 (

.

1

1 1

1 1

A T

B A B

U R

) 1 (

) 1 ( 1

) 1

).(

1 (

.

1

1 1

E A

B A B

ε

ε

0

1

Như vậy, để điều khiển tốc độ động cơ, ta chỉ cần điều khiển ε để điều chỉnh điện áp

ra tải.có những ưu điểm sau:

+ Điện áp ra tải chỉ có 1 dấu ở chiều xác định

+ Cho phép giảm độ đập mạch dòng điện

+ Mặt khác nó cũng cho phép làm việc ở các chế độ sau:

εUS> E → Động cơ nhận năng lượng

εUS < E → Động cơ phát năng lượng

II.3) Giới thiệu một số loại van dùng trong mạch băm xung:

1) Trasistor công suất:

Transistor công suất có cấu trúc và ký hiệu như sau:

Trong quá trình van dẫn hoặc khoá công suất tiêu tán pc=UCE.IC=0

Để chuyển trạng thái phải đi qua vùng khuyếch đại IC≠0, UCE≠0 ,tổn thất trên van chủ yếu là khi van chuyển trạng thái và tỉ lệ thuận với tần số hoạt động của van.Khi làm việc với tần số f>5 kHz hoặc VCEO≥60V, IC>5A phải có mạch trợ giúp để tránh cho van bị quá nhiệt gây hỏng van

- Các thông số của transistor công suất:

+ IC: Dòng colectơ mà transistor chịu được

+ UCEsat: Điện áp UCE khi transistor dẫn bão hòa

+ UCEO: Điện áp UCE khi mạch badơ để hở, IB = 0

+ UCEX: Điện áp UCE khi badơ bị khóa bởi điện áp âm, IB < 0

+ ton : Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị điện áp nguồn U giảm xuống 0V

+ tf : Thời gian cần thiết để iC từ giá trị IC giảm xuống 0

+ tS : Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị UCESat tăng đến giá trị điện áp nguồn U

+ P : Công suất tiêu tán bên trong transistor Công suất tiêu tán bên trong transistor được tính theo công thức: P = UBE.IB + UCE.IC

+ Khi transistor ở trạng thái mở: IB = 0, IC = 0 nên P = 0

+ Khi transistor ở trạng thái đóng: UCE = UCESat

( a )

E

ICB

UBE

IE

C

Trạng thái dẫn và trạng thái bị khóaa) Trạng thái đóng mạch hay ngắn mạch IB lớn, IC do tải giới hạn

b) Trạng thái hở mạch IB = 0

- Đặc tính tĩnh của transistor: UCE = f (IC)

- Ứng dụng của transistor công suất:

Transistor công suất dùng để đóng cắt dòng điện một chiều có cường độ lớn Tuy nhiên trong thực tế transistor công suất thường cho làm việc ở chế độ khóa IB = 0, IC = 0: transistor coi như hở mạch

2) Transistor Mos công suất:

Transistor trường FET (Field - Effect Transistor) được chế tạo theo công nghệ Mos (Metal - Oxid - Semiconductor), thường sử dụng như những chuyển mạch điện tử có công suất lớn Khác với transistor lưỡng cực được điều khiển bằng dòng điện, transistor Mos được điều khiển bằng điện áp Transistor Mos gồm các cực chính: cực máng (drain), nguồn (source) và cửa (gate) Dòng điện máng - nguồn được điều khiển bằng điện áp cửa - nguồn

éặc tớnh tĩnh của transistor: U CE = f ( I C ).

Vựng tuyến tớnh Vựng gần bóo hũa Vựng bóo hũa

U CE

IC

H×nh a) Họ đặc tính ra H×nh b) Ký hiệu thông thường kênh n.Transistor Mos là loại dụng cụ chuyển mạch nhanh Với điện áp 100V tổn hao dẫn ở chúng lớn hơn ở transistor lưỡng cực và tiristor, nhưng tổn hao chuyển mạch nhỏ hơn nhiều Hệ số nhiệt điện trở của transistor Mos là dương Dòng điện và điện áp cho phép của transistor Mos nhỏ hơn của transistor lưỡng cực và tiristor

3) Tiristor:

a) Cấu tạo:

Tiristor là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn PNPN liên tiếp tạo nên anốt, katốt và cực điều khiển

Hình a) Cấu tạo của tiristor

Hình b) Ký hiệu của tiristor

số

Điện áp máng – nguồn

P1N1

Do dòng điều khiển chỉ tác động trong thời gian ngắn nên công suất tiêu tán trên van là rất nhỏ

- Thyristor kho¸ dßng khi:

+ Làm giảm dòng điện làm việc I xuống dưới giá trị dòng duy trì IH ( Holding Current )

+ Đặt một điện áp ngược lên tiristor Khi đặt điện áp ngược lên tiristor:

UAK < 0, J1 và J3 bị phân cực ngược, J2 phân cực thuận, điện tử đảo chiều hành trình tạo nên dòng điện ngược chảy từ katốt về anốt, về cực âm của nguồn điện ngoài

Thời gian khóa toff: Thời gian từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược đến dòng điện ngược bằng ,toff kéo dài khoảng vài chục μs

Đặc tính volt-ampe của tiristor

- Ứng dụng:

băm và trong bộ biến tần trực tiếp hoặc các bộ biến tần có khâu trung gian một chiều

4) GTO - gate turn off thyristor:

Một Thyristor thông thường khi đã được kích mở cho dòng điện chảy qua vẫn tiếp tục ở trạng thái mở chừng nào dòng điện chảy qua nó hãy còn lớn hơn hay bằng dòng điện duy trì

Khóa Thyristor để khóa thì dòng điều khiển có trị số gần ngang dòng qua

GTO tuy nhiên thời gian tồn tại dòng này rất nhỏ nhưng nhìn chung việc khóa GTO

làm mạch phức tạp vì vậy không tiện sử dụng

Dưới đây là một bảng so sánh về các van bán dẫn trong các ứng dụng thực tế:

Very simple

Từ các phân tích và bảng so sánh trên, ta thấy với đối với bộ băm xung một

chiều dùng cho động cơ có điện áp định mức 12V dòng điện định mức 50A thì sử

dụng van IGBT làm khóa đóng cắt là hợp lí nhất Vậy ta có sơ đồ mạch lực như sau:

III.4) Tính chọn mạch lực:

a) Đặt vấn đề:

Để tính toán mạch lực, trước hết ta chọn chế độ làm mát cho van

-Chế độ làm việc của các van rất khắc nhiệt, rất nhạy cảm với nhiệt độ Nhiệt

độ của van tăng lên do công suất tổn hao trên van gây ra Khi nhiệt độ của van cao

hơn nhiệt độ môi trường xung quanh nhiệt lượng được truyền vào môi trường, nếu

nhiệt độ của van vượt quá giới hạn cho phép sẽ phá hủy van, vì vậy làm mát cho

van là một vấn đề rất quan trọng Thông thường van được gắn lên một cánh tản nhiệt

với thông số phù hợp Có các biện pháp làm mát thường gặp :

+ Làm mát tự nhiên : chỉ dựa vào sự đối lưu không khí xung quanh van, hiệu

suất làm việc của van thấp chỉ khoảng 25%

+ Làm mát bằng gió cưỡng bức : tạo luồng không khí với tốc độ lớn qua van

để đẩy nhanh qúa trình truyền nhiệt của van vào không khí, hiệu suất làm việc của

+ Làm mát bằng nước : van được gắn thêm tấm đồng rỗng cho nước chảy

qua Đây là biện pháp làm mát rất hiệu quả, hiệu suất làm việc của van đạt đến 80%,

tuy nhiên hệ thống làm mát phức tạp chỉ phù hợp với yêu cầu công suất lớn và có

nguồn nước tại vị trí lắp đặt thiết bị