THIẾT KẾ BỘ NGUỒN BĂM XUNG áp MỘT CHIỀU ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU CÓ đảo CHIỀU

-Xét phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều: -Ta thấy rằng việc điều chỉnh động cơ điện một chiều có thể thực hiện được bằng cách thay đổi các đại lượng: R ư, Φ, U ư -Thực t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2 THIẾT KẾ BỘ NGUỒN BĂM XUNG ÁP MỘT CHIỀU ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU

Công suất định

mức (kW)

Điện áp định mức (V)

Dải điều chỉnh tốc độ

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG I 4

ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 4

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 4

1.1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều 4

1.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 4

1.2 CÁC PHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 5

Chương II 8

PHƯƠNG ÁN CHỌN MẠCH LỰC 8

2.1 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ: 8

2.2 LỰA CHỌN SƠ ĐỒ MẠCH LỰC: 9

2.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH LỰC : 11

2.3.1 Chỉnh lưu cầu 1 pha 11

2.3.2 Điều khiển không đối xứng 11

2.3.3 Tính toán các thông số trong mạch 13

2.4 TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH LỰC: 14

2.4.1 Tính chọn động cơ: 14

2.4.2 Tính chọn van: 14

2.4.3 Tính chọn máy biến áp lực 15

2.4.4 Tính toán bảo vệ cho van 17

2.4.5 Tham số bộ lọc 18

CHƯƠNG III 20

PHƯƠNG ÁN CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 20

3.1 YÊU CẦU CHUNG VỀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 20

3.2 NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN 20

3.2.1 Khâu tạo dao động và khâu tạo điện áp tam giác 21

3.2.2 Khâu so sánh 25

3.2.3 Khâu tạo trễ 26

3.2.4 Khâu cách ly quang, khâu tạo điện áp đóng mở 27

3.2.5 Chọn IC khuếch đại 29

MỞ ĐẦU

Điều khiển là một lĩnh vực quan trọng trong đời sống xã hội Bất kì ở vị

trí nào, bất cứ làm một công việc gì mỗi chúng ta đều tiếp cận với điều khiển

Nó là khâu quan trọng quyết định sự thành bại trong mọi hoạt động của chúng ta

Mặc dù động cơ điện có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp , nhưng luôn đi kèm với nó là những yêu cầu về điện áp, dòng điện Chính vì vậy cần một phương pháp nhằm đáp ứng được những yêu cầu trên

Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu những ứng dụng các linh kiện bán dẫn làm việc ở chế độ chuyển mạch vào quá trình biến đổi điện năng Hiện nay các thiết bị điện tử công suất chiếm hơn 30% trong số các thiết bị của một xí nghiệp hiện đại Nhờ chủ trương mở cửa ngày càng có thêm nhiều xí nghiệp mới, dây truyền sản xuất mới, đòi hỏi cán bộ kĩ thuật và kĩ sư điện những kiến thức điện tử công suất về vi mạch và

vi xử lý

Đồ án gồm 4 phần:

Chương I: Động cơ điện một chiều

Chương II: Phương án chọn mạch lực

Chương III: Phương án chọn mạch phát xung điều khiển

Chương IV:Mô phỏng trên phần mềm TINA

Nội dung đồ án chắc chắn còn rất nhiều vấn đề cần bổ sung hoàn thiện Em rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô trong bộ môn để đồ án của em được hoàn chỉnh

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Danh Huy đã tận tình hướng dẫn để em hoàn thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG I ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều chia thành 2 phần chính:

 Cơ cấu chổi than

1.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

-Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng có dòng điện I ư Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực F đt tác dụng làm cho rotor quay

-Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau, do có phiến gópđổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quaykhông đổi

1.2 CÁC PHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Điều chỉnh tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động điện tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của các máy sản xuất

-Xét phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều:

-Ta thấy rằng việc điều chỉnh động cơ điện một chiều có thể thực hiện

được bằng cách thay đổi các đại lượng: R ư, Φ, U ư

-Thực tế có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều:

Phương pháp 1: Thay đổi điện trở phần ứng

Đây là phương pháp kinh điển dùng để điều khiển tốc độ động cơ trong nhiều năm

Nguyên lý điều khiển:

-Trong phương pháp này người ta giữ U = Uđm; Φ = Φđm và nối thêm điện

trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng

-Độ cứng của đường đặc tính cơ:

Hình 1.3 Đồ thị đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ-Đặc điểm của phương pháp:

 Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn

 Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức ( chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm).

 Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục

 Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn

 Chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản

Phương pháp 2: Thay đổi từ thông Φ

Nguyên lý điều khiển

-Giả thiết U= Uđm; Rư = const Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòng điện kích từ

Hình 1.4 Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông-Đặc điểm của phương pháp;

khiển với công suất không đổi

-Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển:

 Sai số tốc độ lớn: đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự

 nhiên

 Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy Có thể điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D = 3 :1

 Tính liên tục: vì công suất của cuộn dây kích từ bé, dòng điện kích từ nhỏ

 nên ta có thể điều khiển liên tục với Φ ≈ 1

 Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi lien

 tục và kinh tế ( vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ =(1 – 10)%Iđm của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp)

→ Đây là phương pháp gần như là duy nhất đối với động cơ điện một chiều khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển

Phương pháp 3: Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp

Nguyên lý làm việc:

Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn

(máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển…)

Hình 1.5 Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp-Ở phương pháp này: U = var; Φđm = const; Rf = 0

-Đặc điểm của phương pháp:

 Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng thấp

 Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh

 Độ cứng đặc tính cơ cao và được giữ không đổi trong toàn dải điều chỉnh

 Chỉ thay đổi tốc độ về phía giảm

 Rất dễ tự động hóa khi dùng chỉnh lưu có điều khiển

 Phương pháp này điều khiển với mômen không đổi vì Φ và Iư đều không

đổi

-Đánh giá chi tiêu điều khiển:

 Sai số tốc độ lớn ( sai số tốc độ bằng sai số tốc độ của đặc tính cơ tự nhiên)

 Tính liên tục: điện áp của động cơ được điều khiển bằng bộ biến đổi Các

 bộ biến đổi hiện nay đều có công suất bé nên có thể điều chỉnh liên tục

 Dải điều chỉnh có thể đạt được D = 10:1

Đây là phương pháp duy nhất có thể điều chỉnh liên tục tốc độ động cơ trong vùng tốc

⇒

độ thấp hơn tốc độ định mức đối với động cơ một chiều

Qua việc xét ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ta thấy phương pháp điều chỉnh

⇒

điện áp phần ứng là triệt để và có nhiều ưu điểm hơn cả nên ta chọn phương pháp này để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều

Chương II PHƯƠNG ÁN CHỌN MẠCH LỰC

2.1 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ:

-Theo đề bài thì động cơ làm việc với kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên từ thông của nó

không thay đổi và do đó ta không thể điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông được

-Cũng từ đề bài, công suất của động cơ chỉ là 2,2 kW Công suất này nhỏ do đó ta khôngdùng phương pháp thêm điện trở phụ vào vì như vậy sẽ khiến hiệu suất kém đi

- Với phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng ta thấy ngay các

ưu điểm của nó so với hai phương pháp trên là:

 Hiê ̣u suất điều chỉnh cao (phương trình điều khiển là tuyến tính, triê ̣t để) hơn,tổn hao công suất điêù khiển nhỏ

 Viê ̣c thay đổi điê ̣n áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mômen ngắn mạchgiảm, dòng ngắn mạch giảm Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi đô ̣ng đô ̣ng cơ

 Đô ̣ sụt tốc tuyê ̣t đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với mô ̣t mômen điều chỉnh xác định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục

-Cũng từ đề bài, điện áp Uđm = 110V nên ta chọn sơ đồ hình cầu

=> Vì vậy ta chọn sơ đồ loại chỉnh lưu cầu 1 pha

-Mạch băm xung áp cần nguồn là nguồn một chiều Do không có nguồn Ácquy nênnên ta phải lấy điện áp từ lưới điện xoay chiều Do đó để có được nguồn một chiềucho mạch băm xung áp ta sẽ phải dùng một mạch chỉnh lưu Và ở đây ta dùng mạchchỉnh lưu không điều khiển (các van là diode) Để chất lượng điện áp sau bộ chỉnhlưu tốt hay nói cách khác giảm được hệ số đập mạch của điện áp sau chỉnh lưu ta cần

có thêm bộ lọc ở sau khâu chỉnh lưu

Sơ đồ khối của hệ thống như sau:

2.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH LỰC :

2.3.1 Chỉnh lưu cầu 1 pha

Trong khoảng thời gian từ 0 – π van D16 và D17 dẫn, điện áp trên tải UAB bằng điện áp U2 ở nửa chu kỳ đầu Dòng điện có chiều từ A sang B

Trong khoảng thời giản từ π - 2π van D15 và D18 dẫn, điện áp trên tải UAB bằng – U2 Dòng điện vẫn có chiều từ A sang B

2.3.2 Điều khiển không đối xứng

Phương pháp điều khiển

Trong phương pháp này các van được chia thành 2 nhóm Q1 , Q2 và Q3 ,Q4 Tuy nhiên chúng hoạt động ở bất cứ chiều dòng tải nào Van cùng nhóm được điều khiển như nhau ( cùng mở hoặc cùng khóa), nhưng hai nhóm lại được điều khiển trái trạng thái, điều khiển

mở nhóm này thì điều khiển khóa nhóm kia và ngược lại

Trong khoảng (0-t0): Q1 , Q2 mở còn Q3 Q4 khóa nên Ut = E

Trong khoảng (t0- T): Q3 Q4 mở còn Q1 Q2 khóa nên Ut = - E

Trong khoảng (t – t0) Tr1 ,Tr2 mở còn Tr3 , Tr4 khóa nên dòng điện nguồn E qua Tr1 – tải –

Tr2 rồi về nguồn (hình a) , nên ta có Ut = E

Vào thời điểm t0, hai van Tr1 , Tr1 bị khóa, Tr3 Tr4 được điều khiển mở, song do dòng điện vẫn phải chạy theo chiều cũ ( do tải có điện cảm) nên dòng điện không thể đi ngược qua

Tr3 Tr4 mà buộc phải chạy qua các diot đấu song song với chúng (hình b)

Trong giai đoạn t = (t0 – T) năng lượng tích lũy ở điện cảm được trả về nguồn E

Trạng thái dòng điện

2.3.3 Tính toán các thông số trong mạch

Trong khoảng (0-t0) i1 = I01 +( I01 +I02) a 1b 1−1 1−a 1 e−t

Thyristor có thể được thực hiện điều khiển giá trị tín hiệu ra bằng góc điều khiển α

-Để Thyristor làm việc tin cậy và đảm bảo an toàn thì các Thyristor được chọn sao cho nó

có thể làm việc ở trạng thái làm việc nặng nề nhất

-Thyristor được chọn theo hai điều kiện chủ yếu sau:

-Ung max = 1,3Udm = 110*1,3=143 V

 Ung D = Ung IGBT = ki * Ung max = 2.5*143 = 358 V

- Iđm = 20 A

 Iđm D = Iđm IGBT = kv * Iđm = 2*20 = 40 A

Chọn diot có thông số trong bảng

Ký hiệu Itb(A) Ihd (A) Udm(V) Uv(V) Rd(10 −5Ω)

Itb: giá trị trung bình cho phép của dòng điện chảy qua diot trong điều kiện chuẩn

Ihd: giá trị hiệu dụng của dòng điện cho phép chảy qua diot trong điều kiện chuẩn

Udm: giá trị cực đại cho phép của điện áp đặt lên diot

Máy biến áp có tổ đấu dây Y/Y với:

Công suất tính toán của máy biến áp nguồn

Sba = 1,23 Pd (tham số phụ thuộc vào loại sơ đồ)

3) Điện áp pha thứ cấp của MBA

Điện áp tổng quát Ud khi có tải bao gồm:

Ud = Udm +2ΔUv +ΔUluoi +ΣΔUR +ΣΔUY (1.1)Trong đó :

 Udm =110V - điện áp 1 chiều tải định mức

 ΔUv - sụt áp trung bình trên van bán dẫn (vì sơ đồ là chỉnh lưu cầu có 2 van nên sụt áp này tăng gấp đôi )

 ΔUluoi - sụt áp nguồn xoay chiều dưới trị số định mức vì lưới điện không ổn định (thường <= 20% Udm )

 ΣΔUR - tổng sụt áp do thành phần 1 chiều dòng tải gây ra trên điện trở, gồm: Sụt áp do điện trở dây quấn gây raΔUrba

Rba = er mU 22

Sba

Trong đó:

m – số pha máy biến áp

Sba – tổng công suất máy biến áp

er – hệ số phụ thuộc giá trị Sba Vậy ta có công thức

ΔUrba =Id Rba = Id er mU 22

Sba

Sụt áp dây dẫn phía lưới xoay chiều ΔUrdd = 0 (tính toán thực tế thường bỏ qua sụt

áp này)

Sụt áp dây dẫn phía một chiều ΔUr

 ΔUY – sụt áp do hiện tượng chuyển mạch gây ra

ΔUY =Ky Xa Id

Trong đó Xa là tổng toàn bộ các điện cảm phía xoay chiều, gồm:

Điện cảm lưới điện: Xal = mU 12

ex phụ thuộc vào giá trị Sba

Điện cảm bản thân dây nối:

Xdn = ωLdn 2πf L*Ldn

Gây ra sụt áp trên dây nối ΔUxdn , ở đây L* - điện cảm dây nối trên một đơn vịdài, Ldn – chiều dài dây nối

Thay các biểu thức tính các sụt áp trên vào (1.1) ta rút ra biểu thức

Ud =U dm+2 ΔU v+ ΔU rba+ ΔU rdd+ΔU xdd 1−(a+b+c Pd +ΔU 1)

a = mKy2 ex ; b = 2m er ; c = mKy2

Trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp I2 = 1,11.Id = 22,2(A)

Dòng điện cuộn sơ cấp I1 = 1,11.Id / kba = 31,34 (A)

2.4.4 Tính toán bảo vệ cho van

Các van bán dẫn trong quá trình đóng cắt được bảo vệ bằng cách mắc R-C song song với các IGBT Khi có sự chuyển mạch, các điện tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn, sự biên thiên nhanh chóng của dòng điện tạo ra suất điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp Khi đó mắc R-C song song với van bán dẫn tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên van bán dẫn không bị quá điện áp

R1 C1

Trong đó: Ksb là hệ số san bằng của bộ lọc

Chọn giá trị L thỏa mãn biểu thức

L > Lmin = mdm f 1(mdm 2 Rd 2 −1) (H)

Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha nên ta có mdm = 2, cos α = 1 nên ta tra được giá trị k*

dm (hệ số đập mạch tương đối) = 0,6

3.1 YÊU CẦU CHUNG VỀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

-Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển đó là phải thay đổi được độ rộng xung

-Cho phép động cơ làm việc với các chế độ đã tính toán như chế độ khởi động,

hãm tái sinh, đảo chiều quay

-Có độ đối xứng điều khiển tốt, tức là góc điều khiển với mọi van không vượt

quá 1o đến 3o điện

-Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt: không được gây ra các nhiễu vô tuyến

-Độ tác động của mạch điều khiển nhanh

-Thực hiện các yêu cầu bảo vệ các van nếu cần như ngắt các xung điều khiển khi có sự cố, thông báo các hiện tượng không bình thường của lưới và bản thân mạch điều khiển

- Có độ tin cậy cao

3.2 NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN

-Nguyên tắc chung của mạch điều khiển là so sánh một điện áp một chiều

Uđk thay đổi được với một điện áp tam giác có tần số cao số cao Điểm cân bằng giữa Utg

và Uđk sẽ là điểm phát xung điều khiển để mở các van bán dẫn

Sơ đồ cấu trúc của mạch điện điều khiển:

Phát xung

chủ đạo Tạo điện áprăng cưa So sánh tạo xung Khuếch đại công suất

-Khâu tạo điện áp răng cưa theo tần số của khâu phát xung chủ đạo, đồn thời đảm bảo phạm vi điều chỉnh tối đa của tham số γ.

-Khâu so sánh tạo xung: so sánh điện áp răng cưa Urc với điện áp điểu khiển Uđk, điểm cân băng giữa chúng chính là điểm t0 Do đó khi điện áp điều khiển thay đổi sẽ làm thay đổi t0

và đo đó thay đổi tham số điều chỉnh Điện áp ra của khâu này có dạng xung tương ứng với giai đoạn dân van lực Tr dẫn

-Khâu khuếch đại công suất nhằm tăng công suất xung tạo ra ở khâu so sánh, đông thời phải thực hiện với việc ghép nối với van lực theo tính chất điều khiển van lực

-Khâu tạo điện áp điều khiển theo luật công nghệ

3.2.1 Khâu tạo dao động và khâu tạo điện áp tam giác

Điều chỉnh

tự động

Hạn chế

γmin ,γmax

đảo, OP2 là một khâu tích phân Chúng tạo thành 1 mạch phát xung chữ nhật và

xung tam giác chuẩn

-Bằng việc nối mạch Trigger Smith nối tiếp với mạch tích phân có phản hồi sẽ tạo nên dao động: xung chữ nhật ở đầu ra mạch Trigger Smith và xung tam giác ở đầu ra OP2

a) Xét OP1 có dạng :

Đây là Trigger Smith đầu vào không đảo với tín hiệu vào của OP1 là Urc

Điểm lật trạng thái được xác định như sau:

UrcưUp

R 1 =UpưUfx R 2

=> Up = R 1+R 2 R 2 Urc + R 1+R 2 R 1 Ufx