Đồ án Thiết kế bộ băm xung một chiều ppsx

Lời nói đầu Trong thực tế ngày nay, chúng ta có rất nhiều các loại động cơ như đông cơ điện đồng bộ,động cơ không đồng bộ, động cơ điện một chiều…, trong đó động cơ điện một chiều có nhữ

một chiều

Mục lục

Chương I Khái Quát Công Nghệ……….…… 3

I.1) Cấu tạo………3

I.2) Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song song ……….4

I.3) Mở máy và hãm động cơ điện một chiều……… 5

I.4) Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song 6

I.5) Lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ……….8

Chương II Tính Chọn Mạch Lực………….……… 9

II.1) Giới thiệu chung về bộ băm xung một chiều………….… 9

II.2) Chọn Mạch Lực……….10

II.2.1) Nguyên lí hoạt động……… 10

II.2.2)Công thức tính toán………11

II.3) Tính toán mạch lực ……….… 13

Chương III – Tính chọn mạch điều khiển ……… 14

III.1) Chọn các khâu trọng mạch điềukhiển………14

III.1.1) Mạch tạo điện áp răng cưa……… 14

III.1.2) Mạch so sánh……… 16

III.1.3) Mạch chia, mạch tạo trễ và mạch khuếch đạị xung…….17

III.1.4) Mạch phản hồi ……… 18

III.1.5) Sơ đồ mạch điều khiển.………….……… 19

III.2) Tính chọn thiết bị ……… 20

III.2.1)Mạch tạo điện áp răng cưa………20

III.2.2)Mạch so sánh……….21

III.2.3) Mạch chia, mạch tạo trễ và mạch khuếch đại xung…22 III.2.4)Mạch phản hồi………22

Bảng trị số toàn bộ các phần tử và linh kiện được sử dụng………… 23

Tài liệu tham khảo……… 24

Lời nói đầu

Trong thực tế ngày nay, chúng ta có rất nhiều các loại động cơ như đông cơ điện đồng bộ,động cơ không đồng bộ, động cơ điện một chiều…, trong đó động cơ điện một chiều có những ưi điểm riêng và rất nhiều các ứng dụng trong thực tế;

Động cơ điện một chiều đã ra đời từ rất lâu và cùng với sự phát triển của trình độ khoa học kỹ thuật, những ưu điểm của chúng ngày càng được tận dụng một cách triệt đẻ, tinh vi và sang tạo Để động cơ điện một chiều hoạt động đúng thao yều cầu công nghệ, ta cần rất nhiệu yếu tố như công nghệ chế tạo, người vận hành … trong đó , bộ điều chỉnh điện áp một chiều ( băm xung một chiều – BXMC)

có vai trò đặc biệt quan trong, bộ BXMC càng tối ưu càng dễ vận hànhm, tăng chất lượng làm việc và tăng tuổi thọ của động cơ Ngày nay , sử dụng động cơ điện một chiều luôn luôn gắn liện với , không thể thiếu một yếu tố rất quan trọng đó là bộ điều chỉnh BXMC Vậy thiết kế bộ BMXC như thế nào ?

Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, chúng em được giao đồ án môn học điện

tử công suất với đề tài : Thiết kế bộ băm xung môtj chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song lấy nguồn nặp từ acqui

Với sự cố gắng của bản thân nói riêng và của nhóm nói chung cùng sự hướng dẫn của các thầy cô giáo trong bộ môn và đặc biệt là TS Võ Minh Chính đã trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này, Đồ án được bao gồm ba phần chính :

1 Chương I : Khái Quát Công Nghệ

2 Chương II : Tính Chọn Mạch Lực

3 Chương III : Tính Chọn Mach Điều Khiển

Do lần đầu làm đồ án chưa có kinh nghiệm nên em không tránh khỏi những sai sót, mong các thầy cô giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo để kiến thức của em vể bản

đồ án được hoàn thiện hơn Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn !

Hà nội, ngày 25 tháng 12 năm 2009

Chương I – Khái Quát Công Nghệ

I.1) Cấu tạo máy điện một chiều

Máy điện một chiều cấu tạo gồm hai thành phần chính: gồm phần tĩnh và phần 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 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 nay 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

mô men điện từ Mđt và tốc độ góc ω của động cơ

.E

0

0

K E

R I

U K

R I K

I.3) Mở máy và hãm động cơ điện một chiều:

1) Mở máy:

Từ phương trình điện áp phần ứng :

U=Eu+Ru.Iu Ru

u u

E U

N p

=0.Dòng điện phần ứng lúc mở máy là: Iumở = R u

+ 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 và 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 đã trở thành một cơ cấu không thể thiếu trong truyền động điện

Từ phương trình về vận tốc:

2

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:

M C

U dm > U 1 > U 2 > U 3

n cb > n 1 > n 2 > n 3

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 :

- Khi thêm Ruf vào phần ứng động cơ thì độ cứng của đặc tính cơ giảm hay đặc tính cơ của động cơ giảm đi có nghĩa là với một sự thay đổi rất nhỏ của tải sẽ dẫn đến một sự thay đổi rất lớn của ω nên không ổn định do đó trên thực tế điều chỉnh tốc độ băng Ru ít được sử dụng

- Ngoài ra khi thêm Ru vào phần ứng cũng có nghĩa là tăng tổn hao làm nóng động cơ Phương pháp này chỉ sử dụng để giảm dòng mở máy khi khởi động động cơ

3) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông:

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

M, I

0 < R f1 < R f2 < R f3

n cb > n 1 > n 2 > n 3

- 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, ngoài ra nữa còn có thể thực hiện chức năng mở lại máy (reset) và hãm tái sinh động cơ

2) Các 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:

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)

BBĐ một chiều

Ura

t

t1 t2T

b) Phương pháp xung - tần:

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

S S

Trong đó :V1,V2 là các van điều khiển hoàn toàn D1,D2, là các diot

Sơ đồ này cho phép động cơ làm việc ở góc phần tư thứ nhất ( chế độ động cơ) và góc phần tư thứ hai ( chế độ hãm)

II.2.1) Nguyên lí hoạt động

Các van V1, V2 được đóng mở ngược pha với nhau trong chu kỳ T Van V1 dẫn điện trong khoảng 0 ÷ t1 (V2 khoá), K2 dẫn điện trong khoảng t1 ÷ t2 (V1 khoá) Van V1 và V2 được điều khiển bởi các tín hiệu điều khiển Ug1 và Ug2

Trong quá trình làm việc có thể có ba trạng thái sau :

Trạng thái 1: Nếu UR > EĐ, ( U = E.γ) năng lượng từ nguồn luôn được cấp cho động

cơ Động cơ sẽ luôn làm việc ở góc phần tư thứ nhất (hình e).

Trong khoảng từ 0 ÷ t1 dòng điện sẽ đi từ nguồn qua V1 và qua động cơ : iV1

= it = i1

Trong khoảng từ t1 ÷ t3 dòng điện sẽ đi từ nguồn qua diot D2 và: iD2 = it

Trạng thái 2 : Nếu UR < EĐ, dòng năng lượng sẽ đi từ động cơ trở về nguồn qua diot

D1 và động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh (hình f).

Trong khoảng từ 0 ÷ t1 dòng điện sẽ đi từ động cơ về nguồn qua D1 và qua :

iD1 = it = i1, động cơ hãm tái sinh

Trong khoảng từ t1 ÷ t3 khi V2 mở, dòng tải khép mạch qua V2 và: iV2 = it, động cơ thực hiện hãm động năng

Trạng thái 3 : Nếu UR ≈ EĐ , ở trạng thái này dòng tải có thể đảo dấu (Hình g).

Trong khoảng từ 0 ÷ to tương ứng với trạng thái UR < EĐ động cơ làm việc như máy phát tra năng lượng về nguồn qua D1 và: iD1 = it = i1

Trong khoảng từ to ÷ t1 tương ứng với trạng thái UR > EĐ, nguồn sẽ cấp năng lượng cho động cơ thông qua V1: iK1 = it

Trong khoảng từ t1 ÷ t2, V2 mở (V1 khoá) dòng tải vẫn giữ nguyên theo chiều cũ (trong mạch có điện cảm L) nên dòng tải khép mạch qua diot D2 và iD2 = it

và sẽ giảm về 0 tại thời điểm t2 (năng lượng tích trữ trong cuộn cảm L lúc này giảm

- Giá trị dòng trung bình qua van V1 : I K1=γI t

- Giá trị dòng trung bình qua diot D1: I D1=γI t

- Giá trị dòng trung bình qua van V2: I K2 =(1−γ)I t

- Giá trị dòng trung bình qua diot D2: I D2 =(1−γ)I t

- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các van: Ung = US

- Ta có dòng điện lớn nhất qua van là dòng định mức qua tải:

Imax = Itải = 40 (A)

- Vậy Ichọn = ki.Imax = 4.40 = 160 (A) ,ở đây ta chọn ki = 4 (với điều kiện làm mát tự nhiên)

- Chọn IGBT là loại GA200SA60U so nhà sản xuất IR có thông số sau:

Loại U cemax /(v) I cmax /(A) U ce (sat) /

- Vậy chọn D1, D2 là loại B3-200do Đông Âu sản xuất:

Ký hiệu Ihd

(A) (A) Itb (V) Uo 10 Rđ -5 Ω Ungmax ( V ) oC/W RT (mA) I rò

CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển

III.1) Chọn Các Khâu Trong Mạh Điều Khiển :

III.1.1) Mạch tạo điện áp răng cưa:

Mạch này có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa răng cưa với tần số theo ý muốn của người thiết kế Mạch này gồm mạch phát xung dao động dùng IC555 và mạch tạo điện áp tựa răng cưa dùng BT

Mạch chia, mạch tạo trễ, mạch khuếch đại xung

Van động

Phản hồi

Uđk

R S T

3 2

Giả sử tại thời điểm t = 0, U3 = Ucc (điện áp đầu ra của vi mạch IC555), T2

RC

U

RC = Đồng thời tại thời điểm này, vì U3 = Ucc nên đầu ra Q của Triger RS có điện

áp 0 =>T1 khoá, tụ C1 được nạp điện qua R1 và R2, (1 ( 1 2 ) )

1

C R R t cc

T1

T2

Đồ thị điện áp xung

U ≥ làm OA1 thay đổi trạng thái, Triger thay đổi trạng thái

=> Q1 = 0, Q = Ucc => T1 mở, tụ C1 phóng điện qua T1 và R2 Trong giai đoạn này

vì Q1 = U3 = 0 => T2 khoá làm T3 dẫn, tụ C2 được phóng điện qua T3

U = làm OA2 chuyển trạng thái => Triger chuyển trạng thái

=> Q = 0, T1 tụ C1 được nạp điện Đồng thời trong thời gian này Q1 =U3 = Ucc => T2 mở, T3 khoá => tụ C2 lại được nạp điện, và quá trình trở lại trạng thái ban đầu

Đồ thị điện áp như hình vẽ trên

-E

Ura

Rhc

Dz

Đồ thị điện áp xung

Từ đồ thị điện áp ta thấy rằng nếu thay đổi Uđk thì độ rộng của xung ra cũng thay đổi theo, tức γ thay đổi

III.1.3) Mạch chia, mạch tạo trễ và mạch khuếch đại xung :

Mạch chia: có nhiệm vụ phân chia xung thành hai kênh ngược pha nhau Mạch tạo trễ: các van V1 và V2 được đóng mở ngược pha nhau để chống

ngắn mạch do van này chưa kịp khoá mà van kia đã có lệnh mở, nên ta phải thêm vào trước mỗi van một mạch tạo trễ Sơ đồ và nguyên lí hoạt động:

Thời gian trễ v o kho¶ngà

ttrÔ = 0,693R30.C3

Để mạch làm việc an toàn

ta phải có ttr > toff của van

thời gian này sẽ được tính

toán sau khi chọn van mạch

Đồ thị điện áp

Ura

γT T

Mạch khuếch đại: tạo ra xung có đủ công suất (đủ điện áp và dòng điện) đi

mở hoặc đóng van động lực và thêm nhiệm vụ cách ly mạch lực với mạch điều khiển

Vì điện áp của mạch lực là nguồn ác quy có điện áp 36V, điện áp thấp nên không cần thiết phải có mạch cách ly giữa nguồn điều khiển với nguồn lực Để đảm bảo chất lượng xung điều khiển , giảm kích thước mạch điều khiển ta chọn mạch chia, mạch tạo trễ và mạch khuếch đại xung sử dụng vi mạch NAND, AND, BT và Photo – Transistor Sơ đồ hình vẽ

R 20

+15V

StopStart

AND 2.2

NAND 2.2

C 3 Ura

III.1.4) Mạch phản hồi :

Mạch phản hồi có nhiệm vụ ổn định tốc độ của động cơ khi tải thay đổi

Ta thấy rằng tải thay đổi làm tốc độ của động cơ cũng thay đổi nếu như không có khâu phản hồi Do vậy, để ổn định tốc độ cho động cơ ta thiết kế mạch phản hồi âm tốc độ, dùng máy phát tốc nối cứng trục với động cơ