Thiết Kế Và Chế Tạo Bộ Điều Khiển AC-DC Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ DC

Ngày nay, điện tử công suất đã và đang đóng 1 vai trò rất quan trọng trong quá trình công nghiệp hoá đất nước. Sự ứng dụng của điện tử công suất trong các hệ thống truyền động điện là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn và việc dễ dàng tự động hoá cho các quá trình sản xuất. Các hệ thống truyền động điều khiển bởi điện tử công suất đem lại hiệu suất cao. Kích thước, diện tích lắp đặt giảm đi rất nhiều so với các hệ truyền động thông thường như: khuếch đại từ, máy phát - động cơ ... Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung môn học Điện tử công suất và truyền động điện chúng em đã được giao thực hiện đề tài: “Thiết kế và chế tạo bộ điều khiển AC-DC điều chỉnh tốc độ động cơ DC” Với sự hướng dẫn của Thầy: Đỗ Công Thắng, chúng em đã tiến hành nghiên cứu và thiết kế đề tài. Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế có hạn nên không thể tránh khỏi sai sót, kính mong thầy cô đóng góp ý kiến để đề tài hoàn thiện hơn

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, điện tử công suất đã và đang đóng 1 vai trò rất quan trọng trong quá trình công nghiệp hoá đất nước Sự ứng dụng của điện tử công suất trong các hệ thống truyền động điện là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn và việc dễ dàng tự động hoá cho các quá trình sản xuất Các hệ thống truyền động điều khiển bởi điện tử công suất đem lại hiệu suất cao Kích thước, diện tích lắp đặt giảm đi rất nhiều so với các hệ truyền động thông thường như: khuếch đại từ, máy phát - động cơ

Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung môn học Điện tử công suất và truyền động điện chúng em đã được giao thực hiện đề tài:

“Thiết kế và chế tạo bộ điều khiển AC-DC điều chỉnh tốc độ động cơ DC”

Với sự hướng dẫn của Thầy: Đỗ Công Thắng, chúng em đã tiến hành nghiên

cứu và thiết kế đề tài

Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế có hạn nên không thể tránh khỏi sai sót, kính mong thầy cô đóng góp ý kiến để đề tài hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 3

1.1Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều 3

1.2Cấu tạo động cơ điện một chiều 3

1.3Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều: 5

1.4Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập 6

1.5 Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐCĐ một chiều kích từ độc lập 8

1.6Đảo chiều quay động cơ điện một chiều 15

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN VÀ PHÂN TÍCH MẠCH LỰC 17

CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỀU KHIỂN 23

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CHỌN THIẾT BỊ , THIẾT KẾ MẠCH 30

4.1Mục đích và ý nghĩa 30

4.2Tính chọn mạch động lực: 31

4.3Tính toán mạch điều khiển: 35

4.4Chọn và tính toán mạch nguồn .38

4.5Thiết kế mạch 40

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều

Như ta đã biết máy phát điện một chiều có thể dùng làm máy phát điện hoặc động cơ điện Động cơ điện một chiều là thiết bị quay biến đổi điện năng thành cơ năng Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Động cơ điện một chiều được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và giao thông vận tải Động cơ điện một chiều gồm những loại sau đây:

- Động cơ điện một chiều kích từ song song

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần : Phần tĩnh (stator) và phần động (rôtor)

Hình 1.2.1: Động cơ điện một chiều

Gồm các phần chính sau:

- Cực từ chính: Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực

từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng

những lá thép kỹ thuật điện Cực từ được gắn chặt vào vỏ nhờ các bulông Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện.

- Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều

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

c Cổ góp:

Cổ góp hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn Đuôi vành góp có cao hơn lên một ít để để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng

d Các bộ phận khác:

- Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy

- Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục máy thường làm bằng thép Cacbon tốt

1.2.2 Phần quay (rotor):

Gồm các bộ phận sau:

a Lõi sắt phần ứng:

Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ thông thường dùng những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm phủ cách điện ở hai đầu rồi ép chặt lại Trên lá thép có dập hình dạng rãnh

để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào

b Dây quấn phần ứng:

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua Thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện tròn, trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây quấn được cách điện với rãnh của lõi thép

c Cổ góp:

Cổ góp hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn Đuôi vành góp có cao hơn lên một ít để để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng

d Các bộ phận khác:

- Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy

- Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục máy thường làm bằng thép Cacbon tốt

1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều:

A

B

Hình 1.3.1:Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều

Khi cho điện áp 1 chiều U đặt vào 2 chổi than A và B trong dây quấn phần ứng

có dòng điện Iư các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực điện

từ Fđt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay được nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau do có phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng không đổi đảm bảo động cơ

+

-I F

F a

có chiều quay không đổi Khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động Eư chiều của s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tay phải.

Ở động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư

Theo yêu cầu của đề bài ta xét hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều kích

rừ độc lập Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có dòng điện kích từ không phụ thuộc vào dòng điện phần ứng nghĩa là từ thông của động cơ không phụ thuộc vào phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ

Hình 1.3.2 : Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc l

1.4 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập

Đặc tính cơ là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen (M) của động cơ

Ứng với chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông ) động cơ vận hành ở chế độ định mức với đặc tính cơ tự nhiên (Mđm , wđm)

Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các thông số nguồn hay nối thêm điện trở phụ, điện kháng vào động cơ

Để đánh giá, so sánh các đặc tính cơ người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính

cơβ được tính như sau

β lớn (đặc tính cơ cứng) tốc độ thay đổi ít khi M thay đổi

β nhỏ (đặc tính cơ mềm) tốc độ giảm nhiều khi M tăng, đặc tính cơ tuyệt đối cứng

1.4.1 Phương trình đặc tính cơ.

Trường hợp Rf= 0:

U= E + Iư.Rư (1)Trong đó: E= Ke Φ.n (2)

Ke =

a

n p

60

: hệ số sức điện động của động cơ

a: số mạch nhánh song song của cuộn dây

U

φ

φ − (3)

Hoặc: n= u

e

u e

K

R K

R K

U

e

u e

.

2

) (

trong đó: ω0 : tốc độ không tải lý tưởng

∆ ω: độ sụt tốc độ

1.4.2 Ảnh hưởng của các thông số tới tốc độ động cơ

Từ phương trình đặc tính cơ: ω= M

K

R R K

2

).(

dm

R R

cơ ở phía dưới tốc độ cơ bản

b Trường hợp thay đổi U< Uđm

c Ảnh hưởng của từ thông:

d. Muốn thay đổi Φ ta thay đổi dòng kích từ Ikt khi đó tốc độ không tải ω Kφ

1.5 Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐCĐ một chiều kích từ độc lập

1.5.1 Khái niệm chung

a Định nghĩa:

Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông

số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông… Từ

đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu

Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:

Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp

từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản suất

Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện Phương pháp này làm giảm tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh Vì vậy, ta khảo sát sự điều chỉnh tốc

độ theo phương pháp thứ hai

Ngoài ra cần phân biệt điều chỉnh tốc độ với sự tự động thay đổi tốc độ khi phụ tải thay đổi của động cơ điện

Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn

so với các loại động cơ khác Không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng

mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn, đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dãy điều chỉnh tốc độ rộng

b Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ:

Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn cứ vào các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền động điện:

- Hướng điều chỉnh tốc độ:

Hướng điều chỉnh tốc độ là ta có thể điều chỉnh để có được tốc độ lớn hơn hay bé hơn so với tốc độ cơ bản là tốc độ làm việc của động cơ điện trên đường đặc tính cơ tự nhiên

- Phạm vi điều chỉnh tốc độ (dãy điều chỉnh):

Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất nmax và tốc độ bé nhất

nmin mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức: D = nmax/nmin.Trong đó:

 nmax: Được giới hạn bởi độ bền cơ học

 nmin: Được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ, thông thường người

nhất là phương pháp mà giữ nguyên hoặc nâng cao độ cứng của đường đặc tính cơ Hay nói cách khác β càng lớn thì càng tốt.

- Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ:

Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ Độ liên tục khi điều chỉnh tốc độ γ được đánh giá bằng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau:

Trong đó: ni: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ i

ni + 1: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ ( i + 1 )

Với ni và ni + 1 đều lấy tại một giá trị moment nào đó

γ tiến càng gần 1 càng tốt, phương pháp điều chỉnh tốc độ càng liên tục Lúc này hai cấp tốc độ bằng nhau, không có nhảy cấp hay còn gọi là điều chỉnh tốc độ vô cấp

γ ≠ 1 : Hệ thống điều chỉnh có cấp

- Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ:

Hệ thống truyền động điện có chất lượng cao là một hệ thống có hiệu suất làm việc của động cơ η là cao nhất khi tổn hao năng lượng ∆Pphụ ở mức thấp nhất

- Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ:

Hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền động điện có tính kinh tế cao nhất là một hệ thống điều chỉnh phải thỏa mãn tối đa các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống Đồng thời hệ thống phải có giá thành thấp nhất, chi phí bảo quản vận hành thấp nhất, sử dụng thiết

bị phổ thông nhất và các thiết bị máy móc có thể lắp ráp lẫn cho nhau

1.5.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng:

Đối với các máy điện một chiều, khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnh điện

áp trên mạch phần ứng thì dòng điện, moment sẽ không thay đổi Để tránh những biến động lớn về gia tốc và lực động trong hệ điều chỉnh nên phương pháp điều chỉnh tốc

độ bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng thường được áp dụng cho động cơ một chiều kích từ độc lập

Để điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta dùng các bộ nguồn điều áp như: máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ… Các bộ biến đổi trên dùng để biến dòng xoay chiều của lưới điện thành dòng một chiều và điều chỉnh giá trị sức điện động của nó cho phù hợp theo yêu cầu.

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

Ta có tốc độ không tải lý tưởng:

n0 =

đm E

đm

K

U

Φ

Độ cứng của đường đặc tính cơ:

Khi thay đổi điện áp đặt lên phần ứng của động cơ thì tốc độ không tải lý tưởng

sẽ thay đổi nhưng độ cứng của đường đặc tính cơ thì không thay đổi

Như vậy: Khi ta thay đổi điện áp thì độ cứng của đường đặc tính cơ không thay đổi Họ đặc tính cơ là những đường thẳng song song với đường đặc tính cơ tự nhiên:

Hình 1.5.2.1: Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ

M K

K

R R K

U n

M E

f u E

2Φ

+

−Φ

=

f u

M E

R R

K K dn

1.5.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông:

Hình 1.5.3.1: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh moment điện từ của động cơ M = KMΦIư và sức điện động quay của động cơ

Eư = KEΦn Thông thường, khi thay đổi từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên giá trị định mức

Đối với các máy điện nhỏ và đôi khi cả các máy điện công suất trung bình, người

ta thường sử dụng các biến trở đặt trong mạch kích từ để thay đổi từ thông do tổn hao công suất nhỏ Đối với các máy điện công suất lớn thì dùng các bộ biến đổi đặc biệt như: máy phát, khuếch đại máy điện, khuếch đại từ, bộ biến đổi van…

Thực chất của phương pháp này là giảm từ thông Nếu tăng từ thông thì dòng điện kích từ Ikt sẽ tăng dần đến khi hư cuộn dây kích từ Do đó, để điều chỉnh tốc độ chỉ có thể giảm dòng kích từ tức là giảm nhỏ từ thông so với định mức Ta thấy lúc này tốc độ tăng lên khi từ thông giảm: n = K E Φ

U

Mặt khác ta có: Moment ngắn mạch Mn = KMΦIn nên khi Φgiảm sẽ làm cho Mn

giảm theo

Độ cứng của đường đặc tính cơ:

Khi Φ giảm thì độ cứng β cũng giảm, đặc tính cơ sẽ dốc hơn Nên ta có họ đường đặc tính cơ khi thay đổi từ thông như sau:

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều chỉnh được tốc độ vô cấp và cho ra những tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản.

Theo lý thuyết thì từ thông có thể giảm gần bằng 0, nghĩa là tốc độ tăng đến vô cùng Nhưng trên thực tế động cơ chỉ làm việc với tốc độ lớn nhất:

Bởi vì ứng với mỗi động cơ ta có một tốc độ lớn nhất cho phép Khi điều chỉnh tốc độ tùy thuộc vào điều kiện cơ khí, điều kiện cổ góp động cơ không thể đổi chiều dòng điện và chịu được hồ quang điện Do đó, động cơ không được làm việc quá tốc

độ cho phép

Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể

điều chỉnh tốc độ vô cấp và cho những tốc độ lớn hơn ncb Phương pháp này được dùng

để điều chỉnh tốc độ cho các máy mài vạn năng hoặc là máy bào giường Do quá trình điều chỉnh tốc độ được thực hiện trên mạch kích từ nên tổn thất năng lượng ít, mang

tính kinh tế

1.5.4 Thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng:

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng có thể được dùng cho tất cả động cơ điện một chiều Trong phương pháp này điện trở phụ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng của động cơ theo sơ đồ nguyên lý như sau:

Hình 1.5.4.1: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở

phụ trên mạch phần ứng.

Ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

Khi thay đổi giá trị điện trở phụ Rf ta nhận thấy tốc độ không tải lý tưởng: và độ cứng của đường đặc tính cơ:

Sẽ thay đổi khi giá trị Rf thay đổi Khi Rf càng lớn, β càng nhỏ nghĩa là đường đặc tính cơ càng dốc Ứng với giá trị Rf = 0 ta có độ cứng của đường đặc tính cơ tự nhiên được tính theo công thức sau:

Ta nhận thấy βTN có giá trị lớn nhất nên đường đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có đóng điện trở phụ trên mạch phần ứng

Nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng được giải thích như sau:Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với tốc độ n1 ta đóng thêm Rf vào mạch phần ứng Khi đó dòng điện phần ứng Iư đột ngột giảm xuống, còn tốc độ động cơ do quán tính nên chưa kịp biến đổi Dòng Iư giảm làm cho moment động cơ giảm theo và tốc độ giảm xuống, sau đó làm việc xác lập tại tốc độ n2 với n2

> n1

M K

K

R R

K

U n

M E

f u

+

− Φ

=

u

dm M E TN

const K

U n

dm E

dm

= Φ

=

0

f u

dm M E

R R

K K

Phương pháp điều chỉnh tốc độ này chỉ có thể điều chỉnh tốc độ n < ncb Trên thực tế không thể dùng biến trở để điều chỉnh nên phương pháp này sẽ cho những tốc

D =

1

)32

Khi giá trị Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm Đồng thời dòng điện ngắn mạch In và moment ngắn mạch Mn cũng giảm Do đó, phương pháp này được dùng để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản Và tuyệt đối không được dùng cho các động cơ của máy cắt kim loại

Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên

mạch phần ứng chỉ cho những tốc độ nhảy cấp và nhỏ hơn ncb

Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cho cần

trục, thang máy, máy nâng, máy xúc, máy cán thép

Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở phụ đóng vào càng

lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độ khi phụ tải thay đổi càng kém Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp thì tổn hao phụ càng tăng

1.6 Đảo chiều quay động cơ điện một chiều

Chiều quay của động cơ điện một chiều phụ thuộc vào chiều của mô men, để thay đổi chiều của mô men ta có thể dùng hai phương pháp sau:

- Đổi chiều quay bằng cách đổi chiều dòng điện trong phần ứng

- Đổi chiều quay bằng cách đổi chiều từ thông, cụ thể là chiều dòng kích từ.Đổi chiều quay của động cơ điện lúc đang quay về nguyên tắc cũng có thể thực hiện được bằng cả hai phương pháp trên, tuy nhiên trên thực tế chỉ được dùng phương