Thiết kế bộ băm xung một chiều

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.

Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung 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 Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 1 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều 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 Sinh Viên Đào Thị Hiện Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 2 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều 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 mômen lớn hay nhỏ. - Cổ ghóp : gồm các phiến góp được cách điện với nhau, các phiến góp được nối với các đầu mút của các bối dây để đưa dòng điện vào phần ứng. Ngoài ra còn có các bộ phận khác gồm cánh quạt dùng để làm nguội máy, trục máy . Tùy theo phương pháp kích từ người ta chia động cơ một chiều thành các dạng kích từ nối tiếp, kích từ song song, kích từ hỗn hợp, kích từ độc lập. Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 3 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều 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 M đt và tốc độ góc ω của động cơ. 2) Đặc tính cơ: Từ phương trình cân bằng điện áp :    Φ= −= ω .E 0 0 KE RIU u ⇒ 2 . . . . Φ − Φ = Φ − Φ = K RM K U K RI K U uu ω Độ cứng đặc tính cơ: u R K 2 ).( Φ = ∆ ∆Μ = ω β β càng lớn đặc tính cơ càng cứng . Đồ thị: Φ = . 0 k U ω : tốc độ không tải lí tưởng. M mm = u R KU Φ : Mômen mở máy. Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 4 TN M n M C M C1 n 0 n yc n 1 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều I.3) Mở máy và hãm động cơ điện một chiều: 1) Mở máy: Từ phương trình điện áp phần ứng : U=E u +R u .I u u R u u EU I − =⇒ Khi mở máy n=0 ⇒ E u = Φ 60 . n a Np =0.Dòng điện phần ứng lúc mở máy là: I umở = u R U vì R u nhỏ I umở lớn khoảng (20 ÷ 30) Iđm làm hỏng chổi than và cổ góp. Để giảm dòng điện mở máy ta dùng các biện pháp sau: + Dùng biến trở mở máy R mở : Mắc biến trở này vào mạch phần ứng lúc có biến trở này : Iưmở =U/(Rư+Rmở ) Lúc đầu để R mở max, trong quá trình mở này tốc độ tăng lên Eư tăng lên và điện trở này giảm dần đến 0, máy làm việc đúng điện áp định mức. + 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 E u >U u , 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 Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 5 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều 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 . . . . Φ − Φ = Φ − Φ = K RM K U K RI K U uu 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: Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 6 U 1 U 2 U 3 TN( U dm ) n 0 n cb n 1 n 2 n 3 M n M C U dm > U 1 > U 2 > U 3 n cb > n 1 > n 2 > n 3 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều 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 R uf 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 R u ít được sử dụng. - Ngoài ra khi thêm R u 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. Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 TN R f1 R f2 R f3 0 M C n 3 n 2 n 1 n cb n 0 n M, I 0 < R f1 < R f2 < R f3 n cb > n 1 > n 2 > n 3 7 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều - Khi từ thông Φ dm giảm đến Φ i thì có một M ik nào đó, khi M c < M ik việc giảm Φ sẽ làm tăng tốc độ động cơ, khi M c >M ik 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. Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 8 Φ1 Φ 2 Φ ñm 0 M C M 2 M 1 M n n cb n 1 n 2 n M φ ñm > φ 1 > φ 2 n cb < n 1 < n 2 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều CHƯƠNG II - TÍNH CHỌN MẠCH LỰC II.1) Giới thiệu chung về bộ băm xung một chiều: 1) Nguyên lý: Bộ băm điện áp một chiều cho phép từ nguồn điện một chiều U s tạo ra điện áp tải U ra cũng là điện áp một chiều nhưng có thể điều chỉnh được. Ura là một dãy xung vuông (lý tưởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2. Điện áp ra bằng giá trị trung bình của điện áp xung: U ra = γ .U s (γ=t 1 /T). Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi này là dùng quy luật đóng mở các van bán dẫn công suất một cách có chu kỳ để điều chỉnh hệ số γ đảm bảo thay đổi được giá trị điện áp trung bình trên tải. 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: S S tai U T Ut U . . 1 ε == trong đó: T t 1 = ε 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) Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 BBĐ một chiều U S U ra U ra t t 1 t 2 T 9 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều b) Phương pháp xung - tần: Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t 1 =const. Khi đó: SStai UftU T t U . 1 1 == Vậy U ra =U S khi 1 1 t f = và U ra=0 khi f=0. Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phương pháp trên. Thực tế phương pháp biến đổi độ rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bị biến tần đi kèm. II.2) Chọn Mạch Lực Do yêu cầu của đồ án là thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song, Thoả mãn các yêu cầu trên ta có thể chọn mạch lực là bộ biến đổi xung áp hai nhịp . Sơ đồ hình vẽ: 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 : Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 10 Us V2 D2 Đ/c D1 + - V1 L U R i K2 i K1 i D1 i t i D2 E Đ [...]... Đào Thị Hiện 11 Đồ thị điện áp và dòng điện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều II.3)Tính toán mạch lực: II.3.1) Chọn van V1,V2 Để đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của van V1, V2 trên sơ đồ thì các thiết bị bán dẫn công suất sau có thể đáp ứng được: GTO, BJT, MOSFET, IGBT Đối với bộ băm xung một chiều dùng cho động cơ có điện áp định mức 12V dòng điện 40A thì sử dụng van IGBT... ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển So Sánh tạo xung Tạo điện áp răng cưa Mạch chia, mạch tạo trễ, mạch khuếch đại xung Van động lực Tải Uđk Ucđ Uph Phản hồi 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... 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 như hình vẽ Đào Thị Hiện 13 Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều 8 R1 4 Ucc 7 R R2 6 OA1 T1 R R S T Q1 OA2 2 R4 R3 Q R0 3 T3 T2 C2 U3 C1 R U rc IC 555 1 Đồ thị điện áp xung : U3 Urc T1 t1 t2 T2 t3 t T t Đồ thị điện áp xung Nguyên lý : Giả sử tại thời điểm t =... Động Hóa- K 12 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều 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... Ura Nguyên lý : Điện áp đầu ra của khâu tạo xung sẽ được đưa vào đầu vào đảo của KĐTT và điện áp điều khiển sẽ được đưa vào đầu vào không đảo của KĐTT Nếu U RC>Uđk thì điện áp Ura = +E, nếu URC T...Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều 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... 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, U = U (1 − e c1 cc Đào Thị Hiện 14 − t ( R1+R 2 ) C ) Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Tại t =t1, U C1 ≥ 2U CC làm OA1 thay đổi trạng thái, Triger thay đổi trạng thái 3 => Q1 = 0, Q = Ucc => T1 mở, tụ C1 phóng điện qua T1 và R2 Trong giai đoạn này vì Q1 = U3 = 0 => T2... = R3 = 15KΩ III.2.2) Mạch so sánh : Chọn R5 , R6 có giá trị là 10KΩ Chọn khuếch đại thuật toán OA1+ là loại TL084M, có các thông số sau: Đào Thị Hiện 19 Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Loại TL084M Ucc /V ±15V Icc/mA 2,5 UICR/V -12÷15V IIB/pA 200 RV/Ω 1012 Chọn Diốt ổn áp Dz loại KC156A có thông số : Loại UZ (V) Pmax (mW) KC156A 5,6 300 -3 3 Chọn Rhc : Rhc = 15/55.10 . m t chi u luôn luôn gắn liện với , không thể thi u m t y u t r t quan trọng đó là b đi u chỉnh BXMC. Vậy thi t k b BMXC như thế nào ? Xu t ph t từ. II - T NH CHỌN M CH LỰC II.1) Giới thi u chung về b b m xung m t chi u: 1) Nguyên lý: B b m điện áp m t chi u cho phép t nguồn điện m t chi u U s t o