Đề bài: Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều doc

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đề tài: Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều , Tháng năm Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Đề bài: Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc đối xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu) với số liệu cho trước: Chương I Giới thiệu về động cơ điện một chiều I.1 Đặt vấn đề Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp cả về chiều rộng lẫn chiều sâu,điện và các máy điện đóng một vai trò rất quan trọng , không thể thiếu được trong phần lớn các ngành công nghiệp và đời sống sinh hoạt của con người. Nó luôn đi trước một bước làm tiền đề nhưng cũng là mũi nhọn quyết định s ự thành công của cả một hệ thống sản xuất công nghiệp. Không một quốc gia nào, một nền sản xuất nào không sử dụng điện và máy điện. Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: dễ sản xuất, dễ truyền tải , cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định như trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ). Mặc dù so v ới động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn 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 máy điện một chiều vẫn 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 máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất Phương án Điện áp lưới (VAC) Dòng điện định mức Điện áp phần ứng Phạm vi điều chỉnh tốc độ 1 110 20 120 10:1 2 220 8 220 15:1 3 380 15 100 20:1 4 127 V 6 A 400 V 25:1 5 300 10 600 15:1 Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m 2 của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện mộ t chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao. Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ khoảng 75% ÷ 85%, ở động cơ điện công suất trung bình và lớn khoảng 85% ÷ 94% .Công suất lớn nhất c ủa động cơ điện một chiều vào khoảng 100000kw điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000v. Hướng phát triển là cải tiến tính nâng vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những máy công suất lớn hơn đó là cả một vấn đề rộng lớn và phức tạp vì vậy với vốn kiến thức còn hạn hẹp của mình trong phạm vi đề tài này em không thể đề cập nhiều vấn đề lớn mà chỉ đề cập tới vấn đề thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ có đảo chiều của động cơ một chiều kích từ độc lập theo nguyên tắc đối xứng . Đây là một trong những phương pháp được dùng phổ biến nhất hiện nay để đ iều chỉnh động cơ điện một chiều kích từ độc lập với yêu cầu đảo chiều quay động cơ theo phương pháp đối xứng .Đây là một phương pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao và được sử dụng rộng rãi bởi những tính năng và đặc điểm nổi bật của nó mà chúng em sẽ phân tích và đề cập sau này. I.2 Tổng quan về động cơ điện một chiều. I.2.1) Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ. Theo đó ứng với mỗi cách ta có các loại động cơ điện loại: - Kích thích độc lập: khi nguồn một chiều có công suấ t ko đủ lớn, mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên :I = I ư . - Kích thích song song: khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp ko đổi, mạch kích từ được mắc song song với mạch phần ứng nên I = I u +I t - Kích thích nối tiếp: cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng nên ta có I = I ư =I t . - Kích thích hỗn hợp ta có: I = I u +I t Với mỗi loại động cơ trên thì sẽ tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều khiển và ứng dụng là tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố.Trong đề tài này ta chỉ xét đên động cơ điện một chiều kích từ độc lập và biện pháp hữu hiệu nhất để điều khiển loại động c ơ này. I.2.2 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập +Phương trình đặc tính cơ: là phương trình biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ (n) và mômen (M) của động cơ có dạng chung Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m 3 M K RR K U fu u . )( 2 Φ + − Φ = ω Thông qua phương trình này, ta có thể thấy được sự phụ thuộc của tốc độ động cơ vào mômen động cơ và các thông số khác (mômen, từ thông ), từ đó đưa ra phương án để điều chỉnh động cơ (tốc độ) với phương án tối ưu nhất. Với những điều kiện U ư = const, I t = const thì từ thông của động cơ hầu như không đổi, vì vậy quan hệ trên là tuyến tính và đường đặc tính cơ của động cơ là đường thẳng. Thường dạng của đặc tính là đường thẳng mà giao điểm với trục tung ứng với mômen ngắn mạch còn giao điểm với trục tung ứng với tốc độ không tải của động cơ Người ta đưa thêm đại lượ ng ω β Δ Δ = M để đánh giá độ cứng. Đặc tính càng dốc càng cứng ( β càng lớn) tức là mômen biến đổi nhiều nhưng tốc độ biến đổi 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. Để hiểu được nguyên lý và lựa chọn phương pháp điều chỉnh tối ưu, trước hết ta đi xét đặc tính của động cơ điện. Đó là quan hệ giữa tốc độ quay với mômen (hoặc dòng điện) của động cơ. +Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ: nếu động cơ vận hành ở chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông định mức và không nối thêm các điện kháng, điện trở vào động cơ). Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có các đi ểm làm việc định mức có giá trị M đm , ω đm . +Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số nguồn hoạc nối thêm các đIện trở, điện kháng. Để so sánh các đặc tính cơ với nhau, người ta đưa ra khái niệm độ cứng của đặc tính cơ: β=ΔΜ/Δω (tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc). ω ω M Mnm M t ω 0 Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m 4 a) Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Sơ đồ kích từ độc lập được thể hiện như dưới đây: Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau: gọi là động cơ điệ n kích từ độc lập. Phương trình đặc tính cơ xuất phát: ufuuu IRREU )( + += +U ư : điện áp phần ứng. +E ư : sức điện động phần ứng. +R ư : điện trở mạch phần ứng : R ư =r ư +r cf +r b +r ct +r ư : điện trở cuộn dây phần ứng. +r cf : điện trở cuộn cực từ phụ. +r i : điện trở cuộn bù. +r ct : điện trở tiếp xúc của chổi điện. +R f : điện trở phụ trong mạch phần ứng. +I ư : dòng điện mạch phần ứng. +E ư được xác định theo biểu thức sau: ω π ⋅Φ⋅= a pN Eu 2 + p: số đôi cực từ chính. + N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng. + A: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng. + Φ : từ thông kích từ dưới một cực từ. +ω: tốc độ góc. a pN K π 2 = Trong đó K là hệ số cấu tạo của động cơ. Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m 5 nKE eu Φ = 55,9/60/2 nn == π ω Vì vậy n a pN E u Φ= 60 K K K e 105,0 55,9 == Suy ra u fu u I K RR K U Φ + − Φ =Φ Biểu thức (*) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ. Mặt khác mômen điện từ của động cơ được xác định udt IKM Φ = Suy ra Φ= KMI dtu / Thay vào (*) ta được dt fu u M K RR K U 2 )( Φ + − Φ = ω Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mômen điện từ bằng M. Ta có M K RR K U fu u 2 )( Φ + − Φ = ω Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Đồ thị hình vẽ: Nhận xét : + I ư =0 hoặc M=O ta có ω ω M Mnm M t ω 0 Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m 6 0 ωω = + = fu u RR U Đây là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ +ω = 0 thì fu u RR U I + = : Dòng điện ngắn mạch. nmnm MIKM =Φ= : Mômen ngắn mạch. ωωω Δ−= Φ − Φ = 0 K RI K U u ωωω Δ−= Φ + − Φ = 0 2 )( M K RR K U fu u M K R I K R K U RRR u u fu 2 0 )( Φ = Φ =Δ Φ = += ω ω Từ đó có thể tốc độ đông cơ điện một chiều phụ thuộc vào các đại lượng là: U ư , R, I. Như vậy thông qua các đại lượng biến thiên này mà ta có thể điều khiển được tốc độ động cơ điện một chiều. b) Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều là một trong các nội dung chính của truyền động điện nhằm đáp ứng các yêu cầu công nghệ nào đó của các máy sản xuất.Điều chỉnh tốc độ là dùng phương pháp thuần tuý điện tác động lên bản thân hệ thống truyền động điện để thay đổi tốc độ quay của động cơ điện. Tốc độ quay của động cơ điện thường bị thay đổi do sự biến thiên c ủa tải ,của nguồn hay chế độ làm việc như mở máy ,hãm máy và do đó gây ra các sai số so với tốc độ ,kĩ thuật mong muốn Trong các hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêu kinh tế ,kĩ thuật cơ bản ,các chỉ tiêu này được tính khi thiết kế và điều chỉnh động cơ điện Trong thực tế có 3 phương pháp đ iều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều + Điều chỉnh điện áp cho phần ứng động cơ. + Điều chỉnh bằng cách thay đổi từ thông phần ứng hay thay đổi điện áp phần ứng cấp cho mạch kích từ. Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m + Đ b.1) làm điện lượ n khiể n Ta c Vì t ừ độ k mới Chú + P h + T ố thể n + G i với đ giới +V ớ D p h iều chỉnh b N g u y ên l ý Chỉ áp d việc ở ch ế một chiề u n g điện x o n Uđk. c ó phương ωω ω K E E E b = Φ = − 0 ừ thông c ủ k hông tải l nói phươ n ý: h ương phá p ố c độ khô n n ói phươn g i ải điều ch đ iện áp đị n hạn bởi y ê ớ i một cơ c h ụ thuộc t u b ằng thay đ ý điều chỉ n d ụng được ế độ kích t h u kích từ đ ộ o ay chiều t t r ình M U K R E RI dk b dm b uu − − Φ = )( ( 0 ủ a động c ơ í tưởng tu ỳ n g pháp nà y p này có t ừ n g tải lý tư ở g pháp nà y ỉnh tốc độ n h mức và ê u cầu về s c ấu máy c ụ u yến tính v đ ổi điện tr n h điện á p với động h ích độc l â ộ c lập, các t hành một β M R K R R Km ud b udb Φ + + ® ) ơ được giữ ỳ thuộc g i y là triệt đ ể ừ thông kh ô ở ng tuỳ th u y điều khiể n của hệ tt h từ thông đ s ai số tốc đ ụ thể có ω v ào giá trị đ ở phụ trên p phần ứ n cơ điện m â p. Loại n à bộ chỉnh l chiều có IK udmud không đổ i i á trị U đk c ể . Để xác đ ô ng đổi nê u ộc vào gi á n là triệt đ ể h ống bị ch ặ đ ịnh mức. đ ộ và mô m M M K ,, max0 ω đ ộ cứng mạch ph ầ ng m ột chiều k à y cần có t h l ưu điều k h sđđ E b đ i i nên đặc t c ủa hệ thố n đ ịnh dải đi n đặc tính á trị điện á ể . ặ n bởi đặ c Tốc độ n h m en khởi đ ộ dm M xác địn h ầ n ứng. k ích thích đ h iết bị ng u h iển có ch ứ i ều chỉnh n t ính cơ cũ n n g. Đồ th ị ều chỉnh t ố cơ có độ c á p U đk của c tính cơ b ả h ỏ nhất củ a ộ ng. h vì vậy p h đ ộc lập ho u ồn như: m ứ c năng bi n hờ tín h i n g không đ ị tuyến tín h ố c độ. c ứng khôn g hệ thống d ả n là đặc t a dải điều k h ạm vi đi ề 7 ặc song m áy phát ến năng i ệu điều đ ổi. Tốc h do đó g đổi d o đó có ính ứng k hiển bị ề u chỉnh Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m 8 β ωω β ωω dm dm M M −= −= min0min max0max dmMcnm MKMM == maxmin Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có môn men ngắn mạch là dmMcnm MKMM . maxmin = = (K M : là hế số mômen quá tải). Họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nên ta có 1 1 /)1( )1( 1 )( max0 max0 minmin − − = − − = −=−= M dm dmM dm M dm dmnm K M MK M D K M MM βω β β ω ββ ω Với dmM MK ,, max0 ω xác định ở mỗi máy. D phụ thuộc tuyến tính vào β. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện một chiều bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở mạch phần ứng gấp khoảng 2 lần điện trở phần ứng động cơ do đó có thể tính sơ bộ được: 10/ max0 ≤ dm M β ω . Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ không vượt quá 10, Vậy với yêu cầu của để bài ta sẽ điều chỉnh dải điện áp ra trong dải điều chỉnh đã cho. Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp này rất thích hợp trong những trường hợp M t =const trong toàn dải điều chỉnh. b.2) Điều chỉnh từ thông động cơ Điều chỉnh từ thông kích thích động cơ điện một chiều chính là điều khiển mômen điện từ của động cơ điện u IKM Φ = . Do mạch kích từ của động cơ điện một chiều là phi tuyến vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là phi tuyến. Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m 9 Từ sơ đồ trên ta được dt d rr e i k kb k u Φ + + = ω r k : điện trở dây quấn phần ứng. r b : điện trở nguồn đIện áp kích thích. k ω : số vòng dây cuộn kích từ. Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng bằng U đm do đó các đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều khiển là từ thông chính là đặc tính có điện áp phần ứng định mức, từ thông định mức và gọi là đặc tính cơ bản (đôi khi là đặc tính cơ tự nhiên). Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp đi ện. Khi giảm từ thông dẫn đến tăng vận tốc góc thì điều kiện chuyển mạch của cổ góp bị xấu đi mặt khác vẫn phải bảo đảm I cho phép. Kết quả là mômen cho phép trong động cơ giảm rất nhanh kể cả khi giữ nguyên I thì momen cơ cũng giảm đi rất nhanh. b.3) Thay đổi điện trở phụ Rf Từ phương trình đặc tính (*) u fu u I K RR K U Φ + − Φ =Φ (*) Thực tế ngày nay người ta không dùng phương pháp này . Vì phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dưới tốc độ định mức, và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ điện. Vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng ở động cơ điện có công suất nhỏ và thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục. c) Kết luận Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m [...]... là băm xung áp điều khiển dó ra bằng bộ băm xung áp một chiều mà ta sẽ đề cập ở vấn đề tiếp theo 13 d o m C lic c u -tr a c k o d o w w w o w C lic k to bu y N O W ! PD ! XC er O W F- w m h a n g e Vi e w PD XC er F- c u -tr a c k c h a n g e Vi e w N y bu to k w c Chương II BĂM XUNG MỘT CHIỀU (BXDC) II.1 Giới thiệu về băm xung một chiều (BXDC): BXDC có chức năng biến đổi điện áp một chiều, nó có ưu... điện trung bì là: Id = ình 2.2.6 Bộ Cho opper lớp E p Đây là bộ băm xung một chiề có đảo c ộ ều chiều 1 Sơ đồ nguy lý ơ yên ở đây ta sử dụn van bán dẫn IGBT Bộ BXM dùng v điều kh hoàn t y ng n T MC van hiển toàn IGBT có khả năng thực h điều c n hiện chỉnh điện áp và đảo chiều dòn điện tải ng Tron các hệ tr ng ruyền động tự động c yêu cầu đảo chiều động cơ d đó bộ b đổi g có u u do biến này t thường hay... nó có ưu điểm là có thể thay đỏi điện áp trong một phạm vi rộng mà hiệu suất của bộ biến đổi cao vì tổn thất của bộ biến đổi chủ yếu trên các phần tử đóng cắt rất nhỏ So với các phương pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều như phương pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát một chiều, bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lưu có điều khiển thì... Mạch băm xung đặc biệt thích hợp với các động cơ một chiều công suất nhỏ Điện thế trung bình đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn mặc dù điện thế đầu vào có thể là hằng số (ắc qui, pin) hoặc biến thiên (đầu ra của chỉnh lưu), tải có thể thay đổi.Với một giá trị điện thế vào cho trước, điện thế trung bình đầu ra có thể điều khiển theo hai cách: - Thay đổi độ rộng xung - Thay đổi tần số băm xung. .. ta có IS=γIt -Điện áp ra tải có giá trị trung bình là Ut=(2γ-1)U +Ta thấy nếu γ=0.5 thì Ut=0 +Nếu γ>0.5 thì Ut >0 +Nếu γ< 0.5 thì Ut . V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Đề bài: Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc đối xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu) với số. Chương II BĂM XUNG MỘT CHIỀU (BXDC) II.1 Giới thiệu về băm xung một chiều (BXDC): BXDC có chức năng biến đổi điện áp một chiều, nó có ưu điểm là có thể thay đỏi điện áp trong một phạm vi. một vấn đề rộng lớn và phức tạp vì vậy với vốn kiến thức còn hạn hẹp của mình trong phạm vi đề tài này em không thể đề cập nhiều vấn đề lớn mà chỉ đề cập tới vấn đề thiết kế bộ băm xung một