Thiết kế bộ nguồn băm xung một chiều cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập nguồn cấp một pha 220V/ 50Hz

Thiết kế bộ nguồn băm xung một chiều cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập nguồn cấp một pha 220V/ 50Hz

Đồ án môn học Thiết bị điều khiển Lời mở đầu Sự phát triển kinh tế của mỗi nớc phụ thuộc rất nhiều vào mức độ cơ giới hoá và tự động hoá các quá trình sản xuất. Để có thể đáp ứng đợc các yêu cầu của quá trình cơ giới hoá và tự động hoá các hệ truyền động điện đợc phát triển và có những thay đổi đáng kể. Đặc biệt do công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện, nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền động điện không những đáp ứng đợc độ tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần làm giảm kích thớc và hạ giá thành của hệ. Mỗi sinh viên cần phải biết đợc các bớc thiết kế một hệ điều khiển tự động nhằm vận dụng những kiến thức mình đã đợc học. Qua việc thiết kế, em đã hiểu rõ hơn về nguyên lý cấu tạo cũng nh nguyên lý hoạt động của các thiết bị điện-điện tử . Dới sự hớng dẫn nhiệt tình của thầy Nguyễn Thanh Sơn giảng viên bộ môn Thiết bị điện - điện tử, em đã hoàn thành đồ án của mình với đề tài: Thiết kế bộ nguồn băm xung một chiều cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập nguồn cấp một pha 220V/50Hz Tuy nhiên trong quá trình thiết kế với trình độ còn hạn chế, đồ án của em không tránh khỏi những sai sót, mong thầy nhận xét và góp ý cho em. Em xin chân thành cảm ơn thầy. 1 Đồ án môn học Thiết bị điều khiển Phần I Khái quát nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ bằng điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng. I. Khái niệm chung: * Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều đợc sử dụng rất rộng rãi, song máy điện một chiều vẫn tồn tại, đặc biệt là động cơ một chiều. Động cơ điện một chiều đợc dùng rất phổ biến trong công nghiệp, giao thông vận tải và nói chung ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong một phạm vi rộng (máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện .). * Động cơ điện một chiều đợc phân loại theo cách kích thích từ : + Động cơ điện kích thích độc lập. + Động cơ điện kích thích song song. + Động cơ điện kích thích hỗn hợp. Trên thực tế, đặc tính của động cơ điện kích thích độc lập và kích thích song song hầu nh giống nhau, nhng khi cần công suất lớn ngời ta thờng dùng động cơ kích thích độc lập để điều chỉnh dòng điện kích thích đợc thuận lợi và kinh tế hơn, mặc dù loại động cơ này đòi hỏi phải có thêm nguồn điện phụ bên ngoài. Ngoài ra, khác với ở trờng hợp máy phát kích thích nối tiếp , động cơ điện kích thích nối tiếp đợc dùng rất nhiều, chủ yếu trong ngành kéo tải bằng điện. *Nhợc điểm chủ yếu của máy điện một chiều là cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền và kém tin cậy, nguy hiểm trong môi trờng dễ nổ. Khi sử dụng động cơ một chiều, cần phải có nguồn điện một chiều kèm theo (bộ chỉnh lu hay máy phát điện một chiều). 2 Đồ án môn học Thiết bị điều khiển * Về phơng diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều u điểm hơn so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời đạt chất lợng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ. Cho đến nay trong công nghiệp sử dụng bốn loại bộ biến đổi chính: + Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điện khuyếch đại. + Bộ biến đổi điện từ: khuyếch đại từ. + Bộ biến đổi chỉnh lu bán dẫn: chỉnh lu tiristor . + Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristor hoặc tranzitor . Tơng ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi có các hệ truyền động : + Hệ truyền động máy phát - động cơ. + Hệ truyền động máy khuyếch đại - động cơ. + Hệ truyền động khuyếch đại từ - động cơ. + Hệ truyền động chỉnh lu tiristor - động cơ. + Hệ truyền động xung áp - động cơ. II. Phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng: Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn nh máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lu điều khiển . Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lợng xoay chiều thành một chiều có sức điện động E b điều chỉnh đợc nhờ tín hiệu điều khiển U đk . Vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong R b và điện cảm L b khác không. 3 Đồ án môn học Thiết bị điều khiển BBĐ Đ U dk LK a) R b I R ud E b (U dk ) U E u b) Hình 1. Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập. ở chế độ xác lập có thể viết đợc phơng trình đặc tính của hệ thống nh sau: E b - E = I(R b +R đ ) dm b . K E - dm udb . K RR + I 0 (U đk ) - M Vì từ thông của động cơ đợc giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển U đk của hệ thống, do đó có thể nói phơng pháp điều chỉnh này là triệt để. Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ thông cũng đợc giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mômen khởi động. Khi mômen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là: max = 0max - M dm min = 0min - M dm Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là: 4 Đồ án môn học Thiết bị điều khiển M nmmin = M Cmax = K M .M đm trong đó K M là hệ số quá tải về mômen. Vì họ đặc tính cơ là các đờng thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết: min =(M nmmin -M đm ) M 1 dm = (K M -1) D = 1K 1 M /1)M(K M M dm 0max dm M dm 0max = M n m min M đm M,I 0 0max max 0min min đk1 đki Hình 2. Xác định phạm vi điều chỉnh. Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị 0max , M đm , K M là xác định, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng . Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ. Do đó có thể tính sơ bộ đợc: 0max /M đm 10. 5 Đồ án môn học Thiết bị điều khiển Vì thế với tải có đặc tính mômen không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ cũng không vợt quá 10. Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi các đặc tính cơ tĩnh của truyền động một chiều kích từ độc lập là tuyến tính. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng các đặc tính cơ trong toàn dải điều chỉnh là nh nhau, do đó độ sụt tốc tơng đối sẽ đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh hay nói cách khác, nếu tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vợt quá giá trị sai số cho phép, thì hệ truyền động sẽ làm việc với sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh. Sai số tơng đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là : s = 0min0min min0min = s = M 0min dm s cp Vì các giá trị M đm , 0min , s cp là xác định nên có thể tính đợc giá trị tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vợt quá giá trị cho phép. Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thông kích từ đợc giữ nguyên, do đó mômen tải cho phép của hệ sẽ là không đổi : M c.cp = KI đm = M đm Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen nằm trong hình chữ nhật bao bởi các đờng thẳng = đm , M =M đm và các trục toạ độ. Tổn hao năng lợng chính là tổn hao trong mạch phần ứng nếu bỏ qua các tổn hao không đổi trong hệ. E b = E + I(R b +R đ ) IE b = IE + I 2 (R b +R đ ) Nếu đặt R b +R đ = R thì hiệu suất biến đổi năng lợng của hệ sẽ là: 6 Đồ án môn học Thiết bị điều khiển ( ) 2 dm 2 u u u uu u K MR RI E I EI + = + = u = *** * RM + Khi làm việc ở chế độ xác lập ta có mômen do động cơ sinh ra đúng bằng mômen tải trên trục: M * =M * C và gần đúng coi đặc tính cơ của phụ tải là: M * C =( * ) x ( ) 1x * * * * u . R + = đm M đm u x=-1 x=0 0 1 0 1 Hình 3. Quan hệ giữa hiệu suất truyền động và tốc độ với các loại tải khác nhau Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng là rất thích hợp trong trờng hợp mômen tải là hằng số trong toàn dải điều chỉnh. Cũng thấy rằng không nên nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng vì nh vậy sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ. 7 Đồ án môn học Thiết bị điều khiển Phần II Tính toán mạch động lực I. chọn sơ đồ mạch động lực: Vì nguồn cấp một pha nên chọn sơ đồ thiết kế là cầu một pha không điều khiển 1 B A 4 D 2 3 D D D C 8 Đồ án môn học Thiết bị điều khiển Hình 4. Sơ đồ động lực cầu một pha không điều khiển. MĐK 4 D D 1 D 3 D 2 A B C ĐC Tr D Hình 5.Sơ đồ động lực cầu một pha không điều khiển với băm xung một chiều bằng Tranzitor. II. tính toán các thông số của mạch lực: A. Các thông số cơ bản còn lại của động cơ: + Dòng điện phần ứng động cơ: I đm = U P dm dm dm = 0,85.100 1500 = 17,6(A) + Điện trở mạch phần ứng động cơ đợc tính gần đúng: R=0,5(1- đm ) I U udm udm =0,5(1- 0,85) 17,6 100 = 0,42() + Điện cảm mạch phần ứng động cơ: L= In 2p 60 U dmdm dm = 0,25. 980.6,17 2.2 60.100 = 0,007(H) =7(mH) Trong đó: = 0,25- là hệ số lấy cho động cơ có cuộn bù. p =2- là số đôi cực của động cơ. B. Tính chọn Diod: 9 Đồ án môn học Thiết bị điều khiển + Điện áp ngợc lớn nhất mà Diod phải chịu: U nmax =K nv .U 2 =K nV K U u d = 9,0 100 2 = 157,13(V) Trong đó: K nv = 2 K u = 22 = 0,9 + Điện áp ngợc của Diod cần chọn: U nv =K dtu .U nmax =2.157,13 =314,26 (V) Trong đó: K dtu >1,6, chọn K dtu =2 + Dòng làm việc của van đợc tính theo dòng hiệu dụng: I lv =I hd =K hd .I d = 2 1 .17,6 = 12,4(A) Trong đó: K hd = 2 1 + Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt và đầy đủ diện tích toả nhiệt, không quạt đối lu không khí, với điều kiện đó dòng định mức cần chọn: I lv =25%I đmV I đmV = 25 100 .I lv = 25 100 .12,4 = 49,6(A) Với U nV = 314,26(V) và I đmV = 49,6(A) chọn bốn Diod loại 1N2137R có các thông số: + Điện áp ngợc cực đại của van: U nmax = 500(V) + Dòng điện định mức của van: I đm = 60(A) + Đỉnh xung dòng điện: I pikmax = 700(A) + Sụt áp lớn nhất của Tiritor ở trạng thái dẫn: U max = 1,4(V) + Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép: T max =175C + Dòng điện thử cực đại: I th = 60(A) 10 [...]... UCE=100(V) Thiết kế nguồn cấp cho mạch điều khiển: Mạch điều khiển có hai hệ thống nguồn cấp cách ly: Hệ thống nguồn nuôi thứ nhất là nguồn nuôi đối xứng 12(V) cấp cho mạch IC khuyếch đại thuật toán Hệ thống nguồn nuôi thứ hai là điện áp một chiều 15(V) cấp cho mạch điều khiển dòng bazo tranzitor động lực 7812 C1 C3 C2 C4 7912 ~220V C5 +12V -12V +15V Ta cần tạo ra nguồn điện áp 12(V)để cấp nuôi IC,... đủ công suất (đủ dòng điện và điện áp điều khiển), cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực khi nguồn động lực hàng chục vôn trở lên Hình dạng xung điều khiển phụ thuộc loại van động lực đợc sử dụng Van động lực là Tranzitor, xung điều khiển có dạng xung chữ nhật độ rộng của các xung này bằng độ rộng xung điện áp tải III Thiết kế sơ đồ nguyên lý: 1 Khâu tạo tần số: tạo điện áp tam giác bằng tích... dẫn trong điều áp một chiều có thể thực hiện nh sau: Tạo một điện áp tựa dạng điện áp răng ca (hay điện áp tam giác) với một tần số f xác định khá cao Dùng một điện áp một chiều (làm điện áp điều khiển) so sánh với điện áp tựa Tại thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển thì phát lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn Điện áp tựa Urc so sánh với điện áp điều khiển Uđk Tại các thời điểm 0, t1, t2 Urc =... dấu nh vậy cho ta điện áp ra nh hình vẽ Tần số của điện áp tựa đợc tính: f= 1 R 4.R 3 C 2 R1 (2.24) Bằng cách chọn các trị số của điện trở và tụ điện ta có đợc điện áp tựa có tần số nh mong muốn 2 Khâu so sánh: Khâu so sánh của điều áp một chiều sẽ xác định thời điểm mở và khoá van bán dẫn Đầu vào của khâu này gồm có hai tín hiệu, điện áp tựa (điện áp tam giác) và điện áp một chiều làm điện áp điều... sơ đồ khối mạch điều khiển: Tạo So tần số sánh Tạo xung khuếch Van động lực đại Sơ đồ khối mạch điều khiển điều áp một chiều Mạch điều khiển điều áp một chiều gồm 3 khâu cơ bản: 26 Đồ án môn học Thiết bị điều khiển Khâu tạo tần số có nhiệm vụ tao điện áp tựa răng ca Urc với tần số theo ý muốn ngời thiết kế Tần số của các bộ điều áp một chiều thờng chọn khá lớn (hàng chục kHz) Tần số này lớn hay bé là... tạo điện áp tam giác cũng có thể nhận đợc từ bộ tích phân xung vuông Xung vuông có thể tạo bằng nhiều cách khác nhau Tích phân xung này chính là quá trình nạp, xả tụ 27 Đồ án môn học Thiết bị điều khiển R2 U R1 V+ V- + _ A1 C R3 UA1 UA2 _ A + t A2 Bộ tạo sóng điện áp vuông và tam giác bằng KĐTT Đầu vào V+ có hai tín hiệu, một tín hiệu không đổi lấy từ đầu ra của A1, một tín hiệu biến thiên lấy từ đầu... Bảo vệ quá điện áp cho van: Bảo vệ quá điện áp đợc thực hiện bằng cách mắc R-C song song với Diod Khi có chuyển mạch, các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngợc trong khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngợc gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anod và catod của Diod 22 Đồ án môn học Thiết bị... C1 R1 D 1 2CC R1 2CC D 3 C1 B C1 D 2 2CC C Tr MĐK D 3CC 3CC ĐC Sơ đồ mạch động lực có đầy đủ các thiết bị bảo vệ 24 Đồ án môn học Thiết bị điều khiển Phần iii Thiết kế mạch điều khiển I thiết kế mạch điều khiển: Mạch điều khiển băm áp một chiều có nhiệm vụ xác định thời điểm mở và khoá van bán dẫn trong một chu kì chuyển mạch Điện áp tải khi điều khiển đợc tính UTải = .U1 Trong đó: = td t = d t d +... điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển Tại các thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển thì phát lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn Điện áp tựa dạng tam giác có hai sờn lên và xuống, lệnh mở van động lực ở giao điểm sờn lên, thì ở giao điểm sờn xuống sẽ phát lệnh khoá van và ngợc lại Khâu tạo xung, khuếch đại có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở van bán dẫn Một xung đợc coi là phù hợp để mở van là xung. .. A2 Điện áp chuẩn so sánh để quyết định đổi dấu điện áp ra của A1 là trung tính vào V- Giả sử đầu ra của A1 dơng UA1 > 0, khuếch đại A2 tích phân đảo dấu cho điện áp có sờn đi xuống của điện áp tựa Điện áp vào V+ lấy từ R1 và R2, hai điện áp này trái dấu nhau Điện áp vào qua R2 biến thiên theo đờng nạp tụ, còn điện áp vào qua R1 không đổi, tới khi nào UV+ = 0 đầu ra của A1 đổi dấu thành âm Chu kì điện