Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc đối xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều
Mục lục Đề bài 1 Lời nói đầu 2 Chương I Giới thiệu về động cơ điện một chiều I.1 Đặt vấn đề I.2 Tổng quan về động cơ điện một chiều. I.2.1 Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều I.2.2 Động cơ điện kích thích độc lập I.3 Các vấn đề khác khi điều khiển động cơ điện một chiều. I.3.1 Các góc phần tư làm việc I.3.2 Các chế độ làm việc của ĐCĐ 1 chiều kích từ độc lập I.3.3 Vấn dề phụ tải 4 Chương II Mạch băm xung II.1 Gii thiu v bm xung mt chiu (BXDC) II.1.1 Phương pháp thay đổi độ rộng xung II.1.2 Phương pháp thay đổi tần số xung II.1.3 Nhn xét II.2 Các s bm xung II.2.1 S gim áp (Step-down (Buck)) II.2.2 Biến đổi tăng áp (step-up (boost)) II.2.3 S bm o cc (Step-down/up (buck-boost)) II.2.4 B o dòng II.2.5 B o áp II.2.6 B Chopper lp E 1. S nguyên lý 2. Các phng pháp iu khin II.3 Kt lun II.3.1 Chn mch lc II.3.2 Chn phng pháp iu khin II.3.3 Chn van bán dn 16 Chương III Thiết kế mạch lực III.1. Tính toán chn van III.1.1 Chn Diode cụng sut III.1.2 Chn các van bán dn 39 Chương IV Thiết kế mạch điều khiển IV.1. Yêu cầu chung của mạch điều khiển IV.2. Nguyên lý của mạch điều khiển 50 Chương V Mô phỏng trên máy tính 2 bi: Thit k b bm xung mt chiu cú o chiu (theo nguyờn tc i xng) iu chnh tc ng c mt chiu (kớch t nam chõm vnh cu) vi s liu cho trc: Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huyền Nhóm đồ án ĐTCS 5 Lớp TĐH2 K48 Lời nói đầu ng dng in t cụng sut trong truyn ng in iu khin tc ng c in l lnh vc quan trng v ngy cng phỏt trin. Cỏc nh sn xut khụng ngng cho ra i cỏc sn phm v cụng ngh mi v cỏc phn t bỏn dn cụng sut v cỏc thit b iu khin i kốm. Do ú khi thc hin ỏn chỳng em ó c gng cp nht nhng kin thc mi nht, nhng cụng ngh mi trong lnh vc iu khin cỏc phn t bỏn dn cụng sut. Vi yờu cu thit k mch bm xung mt chiu iu khin ng c in mt chiu kớch t c lp cú yờu cu o chiu quay theo nguyờn tc i xng , chỳng em ó c gng tỡm hiu k v cỏc phng ỏn cụng ngh sao cho bn thit k va m bo yờu cu k thut, yờu cu kinh t . Vi hy vng ỏn in t cụng sut ny l mt bn thit k k thut cú th ỏp dng c trong thc t nờn chỳng em ó c gng mụ t c th, t m v tớnh toỏn c th cỏc thụng s ca cỏc s mch. Mc dự chỳng em ó rt n lc v c gng lm vic vi tinh thn hc hi v quyt tõm cao nht tuy nhiờn õy l ln u tiờn chỳng em lm ỏn, v c bit do trỡnh hiu bit ca chỳng em cũn nhiu hn ch nờn chỳng em Phng ỏn in ỏp li (VAC) Dũng in nh mc in ỏp phn ng Phm vi iu chnh tc 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 3 khụng th trỏnh khi nhng sai sút, chỳng em mong nhn c s phờ bỡnh gúp ý ca cỏc thy giỳp chỳng em hiu rừ hn cỏc vn trong ỏn cng nh nhng ng dng thc t ca nú bn ỏn ca chỳng em c hon thin hn .V chỳng em hi vng trong mt tng lai khụng xa, chỳng em cú th ỏp dng nhng kin thc v hiu bit thu c t chớnh ỏn u tiờn trong cuc i sinh viờn ca chỳng em vo thc t cng nh s phỏt trin hn nú trong cỏc ỏn sau ny. Trong quỏ trỡnh lm ỏn chỳng em ó nhn c s giỳp v ch bo rt tn tỡnh ca thy giỏo Dương Văn Nghi .Chỳng em xin chõn thnh cm n thy v hi vng thy s giỳp chỳng em nhiu hn na trong vic hc tp ca chỳng em sau ny. Nhúm sinh viờn thc hin. 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 sự 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 với 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 4 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 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 một 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 của 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 điều 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 suất 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 cơ 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 5 M K RR K U fu u . )( 2 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 lượng M để đánh giá độ cứng. Đặc tính càng dốc càng cứng ( 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 điểm làm việc định mức có giá trị M đm , 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: / (tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc). 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: M Mnm Mt t 0 6 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 điện 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: 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. + : từ thông kích từ dưới một cực từ. +: tốc độ góc. a pN K 2 Trong đó K là hệ số cấu tạo của động cơ. nKE eu 55,9/60/2 nn Vì vậy n a pN E u 60 7 K K K e 105,0 55,9 Suy ra u fu u I K RR K U 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 Suy ra KMI dtu / Thay vào (*) ta được dt fu u M K RR K U 2 )( 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 )( 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 0 fu u RR U Đây là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ + = 0 thì fu u RR U I : Dòng điện ngắn mạch. nmnm MIKM : Mômen ngắn mạch. M Mnm Mt t 0 8 0 K RI K U u 0 2 )( M K RR K U fu u M K R I K R K U RRR u u fu 2 0 )( 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 của 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 điều 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. + Điều chỉnh bằng thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng. b.1) Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng Chỉ áp dụng được với động cơ điện một chiều kích thích độc lập hoặc song làm việc ở chế độ kích thích độc lâp. Loại này cần có thiết bị nguồn như: máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sđđ E b điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk. 9 Ta có phương trình M U IKR K RR K E RRIEE dk udmud Km udb dm b udbuub )( )( 0 Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên đặc tính cơ cũng không đổi. Tốc độ không tải lí tưởng tuỳ thuộc giá trị U đk của hệ thống. Đồ thị tuyến tính do đó mới nói phương pháp này là triệt để. Để xác định dải điều chỉnh tốc độ. Chú ý: + Phương pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng không đổi + Tốc độ không tải lý tưởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp U đk của hệ thống do đó có thể nói phương pháp này điều khiển là triệt để. + Giải điều chỉnh tốc độ của hệ tthống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tính ứng với điện áp định mức và từ thông định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều khiển bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mô men khởi động. +Với một cơ cấu máy cụ thể có dmM MK ,, max0 xác định vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng 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 10 Với dmM MK ,, max0 xác định ở mỗi máy. D phụ thuộc tuyến tính vào . 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 . 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 . Do mạch kích từ của động cơ điện một chiều là phi tuyến vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là phi tuyến. Từ sơ đồ trên ta được dt d rr e i k kb k u r k : điện trở dây quấn phần ứng. r b : điện trở nguồn đIện áp kích thích. k : 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 điện. 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 (*) [...]... Chopper lp E Đây là bộ băm xung một chiều có đảo chiều 1 S nguyờn lý ở đây ta sử dụng van bán dẫn IGBT Bộ BXMC dùng van điều khiển hoàn toàn IGBT có khả năng thực hiện điều chỉnh điện áp và đảo chiều dòng điện tải Trong các hệ truyền động tự động có yêu cầu đảo chiều động cơ do đó bộ biến đổi này thường hay dùng để cấp nguồn cho động cơ một chiều kích từ độc lập có nhu cầu đảo chiều quay Các van IGBT... ngắn mạch o chế độ khởi động còn hạn chế được điện áp khởi đông Do điều khiển là làm giảm áp b) Chế độ hãm Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngược chiều tốc độ quay, Động cơ điện một chiều có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược, và hãm động năng b.1) Hãm tái sinh Xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng Khi đó Uư > Eư Động cơ làm việc như một máy phát điện... Công suất điện của động cơ Pđ=Pcơ+ P ( P: tổn hao công suất) 1.3.2 Các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập a) Khởi động Xuất phát từ phương trình đặ tính cơ của động cơ điện một chiều Ru R f U u Iu K K (*) Khi khởi động nên I nm U dm ở động cơ công suất trung bình và lớn thì Rư R thường có giá trị nhỏ nên dòng điện khởi động ban đầu (dòng ngắn mạch) tương đối lớn I nm 2 ... khác khi điều động cơ điện một chiều 1.3.1 Các góc phần tư làm việc II:Hãm II: Động cơ Mc Pc=Md0 Mc Pc=Md>0 M II: Hãm Mc Pc=Md