Trong thực tế ngày nay, chúng ta có rất nhiều các loại động cơ như động cơ điện đồng bộ, không đồng bộ, động cơ điện một chiều..., trong đó động cơ điện một chiều có những ưu điểm riêng và rất nhiều các ứng dụng trong thực tế.
Trang 1
Mục lục Chương I - Giới thiệu động cơ điện một chiều kích từ song song ……… 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 7
I.5) Lựa chọn phương án mạch lực………….……… 9
Chương II - Các phương án tổng thể…….……… 10
II.1) Giới thiệu chung về bộ băm xung một chiều………….… 10
II.2) Bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều cả dòng điện và điện áp……… 11
1) Điều khiển đối xứng……….……….12
2) Điều khiển không đối xứng ……….……….… … 16
II.3) Giới thiệu một số loại van dùng trong mạch băm xung… 21
Chương III - Tính toán mạch lực……… 27
Chương IV - Sơ đồ nguyên lí mạch thiết kế……… 28
III.1) Khâu tạo dao động……… 28
III.2) Khâu tạo điên áp răng cưa……… 31
III.3) Khâu so sánh……… 32
III.4) Khâu chọn van……… 33
III.5) Khâu tạo trễ……… 34
III.6) Khâu khuếch đại xung….…….………….……… 35
III.7) Khối phản hồi……… 36
III.8) Khối tạo điện áp nguồn ……… 37
Chương V - Tính toán mạch điều khiển……….……… 37
Bảng trị số toàn bộ các phần tử và linh kiện được sử dụng………… 40
KÕt luËn 41
Tài liệu tham khảo……… 43
Trang 2
Lời nói đầu
Trong thực tế ngày nay, chúng ta có rất nhiều các loại động cơ như động
cơ điện đồng bộ, không đồng bộ, động cơ điện một chiều , trong đó động cơ điện một chiều có những ưu 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 để, tinh vi và sáng tạo Để động cơ điện một chiều hoạt động đúng theo yêu cầu công nghệ, ta cần rất nhiều yếu tố như công nghệ chế tạo, người vận hành trong đó, bộ điều chỉnh điện áp một chiều (băm xung áp một chiều - BXMC) có vai trò đặc biệt quan trọng, bộ BXMC càng tối ưu thì càng dễ vận hành, tăng chất lượng làm việc và tăng tuổi thọ của động cơ Ngày nay, sử dụng động cơ điện một chiều luôn luôn gắn liền với, không thể thiếu một yếu tố rất quan trọng đó là bộ điều chỉnh BXMC Vậy thiết kế bộ BXMC 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 một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song lấy nguồn cung cấp từ acqui
Với sự cố gắng của bản thân nói riêng và của nhóm nói chung cùng với 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 gồm ba phần chính sau:
1 Giới thiệu sơ lược về động cơ điện một chiều kích từ song song
2 Thiết kế và tính toán mạch lực
3 Thiết kế và tính toán mạch điều khiển
Do lần đầu làm đồ án điện tử công suất chưa có kinh nghiệm nên em không tránh khỏi những sai sót, mong các thầy giúp đỡ, hướng dẫn , chỉ bảo để kiến thức của em về bản đồ án được hoàn thiện hơn Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn !
Hà nội, ngày 23 tháng 11 năm 2004
Sinh viên : Lã ngọc Sơn
Trang 3
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 dâyquấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ
+ Lõi sắt kích từ được làm bằng lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon ghéplại và tán chặt
+ Dây quấn kích từ: được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dâyđều được bọc cách điện kỹ thành một khối và và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trêncác 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 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, nóđược 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 ngội 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
Trang 41) Định nghĩa: Phương trình đặc tính cơ là đồ thị miêu tả mối quan hệ giữa
E
0
0
K E
R I
U K
R I K
Trang 5N p
=0Dòng điện phần ứng lúc mở máy là: Iumở = R u
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 bộbăm 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 độquay Trong tất cả các trạng thái hãm động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát Tùytheo cách biến đổi năng lượng cơ trong khi hãm người ta chia làm 3 trạng thái hãm:a) Hãm tái sinh:
Trang 6
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 vàthứ 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 khiphần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động domômen thế năng quay ngược chiều với mômen điện từ của động cơ Mômen sinh rabởi động cơ chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản suất có hai trường hợp hãmngược :
+ Đưa điện trở vào mạch phần ứng
+ 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 củađộng cơ đã tích luỹ được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêután 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 dã trởthành một cơ cấu không thể thiếu trong truyền động điện
Từ phương trình về vận tốc:
2
K
R M K
U K
R I K
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:
TN ( U
dm )
n 0 n cb n n
Trang 7
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 :
đặc tính cơ của động cơ giảm đi có nghĩa là với một sự thay đổi rất nhỏ của tải sẽdẫn đến một sự thay đổi rất lớn của nên không ổn định do đó trên thực tế điềuchỉnh tốc độ băng Ru ít được sử dụng
động cơ Phương pháp này chỉ sử dụng để giảm dòng mở máy khi khởi động độngcơ
3) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông:
TN
R f1
R f2 R
Trang 8
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
- Khi từ thông dm giảm đến i thì có một Mik nào đó, khi Mc< Mik việc giảm
sẽ làm tăng tốc độ động cơ, khi Mc >Mik việc giảm sẽ làm tốc độ động cơ
Trên thực tế điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là rất khó thực hiện vìquan hệ () 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, ngoµi ra nã cßn có thể thực hiện chức năng mở lại máy (reset) và hãm tái sinh động cơ
CHƯƠNG II - TÍNH CHỌN MẠCH LỰC
II.1) Giới thiệu chung về bộ băm xung một chiều:
1) Nguyên lý:
Trang 9
0
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: Ura = γ Us (γ=t1/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 cóchu 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:
Có 3 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 trungbình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:
BB§
BB§
BB§
mét chiÒu
U
ra
Ura
tt
1 t2T
Utb
Trang 10là hệ số lấp đầy, cũn gọi là tỉ số chu kỳ.
Như vậy theo phương phỏp này thỡ dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 < 1).
b) Phương phỏp xung - tần:
Nội dung của phương phỏp này là thay đổi T, cũn t1=const Khi đú:
S S
c) Phương phỏp xung - thời gian:
Vừa thay đổi độ rộng xung vừa thay đổi tần số theo nguyờn tắc giữ I min
Trong thực tế, phương phỏp biến đổi độ rộng xung được dựng phổ biến hơn vỡ đơn
giản hơn, khụng cần thiết bị biến tần đi kốm.
II.2) Sơ đồ bộ băm xung ỏp một chiều cú đảo chiều cả dũng điện và điện ỏp:
Do yờu cầu của đồ ỏn là thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kớch từ song song, Thoả món cỏc yờu cầu trờn ta chỉ cú thể chọn mạch lực là bộ băm xung áp một chiều với Sơ đồ nguyờn lý nh sau :
Trong đú :V1,V2 là cỏc van điều khiển hoàn toàn
D1,D2, là cỏc diot
Sơ đồ trờn cho phộp điều chỉnh tốc độ quay của động cơ, đặc tớnh làm việc của động cơ cú thể ở góc phần t thứ nhất và gúc phần tư thứ 2
Trang 12
b) Các biểu thức tÝnh to¸n:
- Tìm biểu thức của dòng tải :
d Ri E U dt
di
Giải phương trình vi phân, ta có:
at at
S
R
E U t
S S S
S
T
t S
t S
T d d
U U
U U T
T U TU T
dt U dt
U T dt u T U
) 1 2 ( ) 1 (
) 1 ( )]
( [
1
] ) ( [
1 1
2
2
0 0
>0,5 Ud>0Động cơ quay ngược
<0,5 Ud<0Động cơ quay thuận
- Giá trị trung bình của dòng qua diod D1 và D2:
)1.(
)1.(
2
)1.(
)1.(
1
)1
).(
1(
1 2)
(1
1
1 1
1 1 0
1 1
U
R
E R
U A
B A B
aT R
U dt t i T
I
S S
S S
t D
- Giá trị trung bình dòng qua van:
)1.(
2
1
)1
)(
1(
1 2
1
1 1
E U A
B A B
aT R
U R
E U
T
Trang 13
S d
U
E R
U
2) Điều khiển
a) Nguyên lý làm việc của mạch trên như sau:
=UN Id tăng dần đến thời điểm t= t1 Id =0 V1 bắt đầu dẫn Id tiếp tục tăng dần đạt đến
Id =Imax tại thời điểm t=t2
+ t = t2 =.T phát xung điều khiển V2 , khoá van V1 do Id >0 tải điện cảm
van V2 dẫn id chảy theo chiều ngược lại và tăng dần đến thời điểm t=t4 I=Imin khoávan V2, phát xung điều khiển V1 dòng id tiếp tuc chảy theo chiều cũ qua D1,D2 trảnăng lượng về nguồn…
Trang 14
b) Cỏc biểu thức tính toán:
E A
B R
1
1
T T
di
L
1 1
1 1
E U
).(
1.(
1
1 1
1 1
A T
B A B
U R
)1.(
.)1(1
)1
).(
1(
1
1 1
S
R
E U R
E A
B A B
d U dt U T
Nh vậy, để điều khiển tốc độ động cơ, ta chỉ cần điều khiển ε để điều chỉnh điện ỏp
ra tải.cú những ưu điểm sau:
+ Điện ỏp ra tải chỉ cú 1 dấu ở chiều xỏc định
+ Cho phộp giảm độ đập mạch dũng điện
+ Mặt khỏc nú cũng cho phộp làm việc ở cỏc chế độ sau:
US < E Động cơ phỏt năng lượng
II.3) Giới thiệu một số loại van dựng trong mạch băm xung:
1) Trasistor cụng suất:
Trang 15Transistor công suất có cấu trúc và ký hiệu như sau:
Trong quá trình van dẫn hoặc khoá công suất tiêu tán pc=UCE.IC=0.
Để chuyển trạng thái phải đi qua vùng khuyếch đại IC≠0, UCE≠0 ,tổn thất trên van chủ yếu là khi van chuyển trạng thái và tỉ lệ thuận với tần số hoạt động của van.Khi làm việc với tần số f>5 kHz hoặc VCEO≥60V, IC>5A phải có mạch trợ giúp để tránh cho van bị quá nhiệt gây hỏng van
- Các thông số của transistor công suất:
+ IC: Dòng colectơ mà transistor chịu được.
+ UCEsat: Điện áp UCE khi transistor dẫn bão hòa.
+ UCEO: Điện áp UCE khi mạch badơ để hở, IB = 0
+ UCEX: Điện áp UCE khi badơ bị khóa bởi điện áp âm, IB < 0.
+ ton : Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị điện áp nguồn U giảm xuống 0V.
+ tf : Thời gian cần thiết để iC từ giá trị IC giảm xuống 0.
+ tS : Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị UCESat tăng đến giá trị điện áp nguồn U.
+ P : Công suất tiêu tán bên trong transistor Công suất tiêu tán bên trong transistor được tính theo công thức: P = UBE.IB + UCE.IC.
+ Khi transistor ở trạng thái mở: IB = 0, IC = 0 nên P = 0.
+ Khi transistor ở trạng thái đóng: UCE = UCESat.
( a ) E
I C B
Trang 16- Ứng dụng của transistor cơng suất:
Transistor cơng suất dùng để đĩng cắt dịng điện một chiều cĩ cường độ lớn Tuy nhiên trong thực tế transistor cơng suất thường cho làm việc ở chế độ khĩa IB = 0, IC = 0: transistor coi như hở mạch.
2) Transistor Mos cơng suất:
Transistor trường FET (Field - Effect Transistor) được chế tạo theo cơng nghệ Mos (Metal - Oxid - Semiconductor), thường sử dụng như những chuyển mạch điện tử cĩ cơng suất lớn Khác với transistor lưỡng cực được điều khiển bằng dịng điện, transistor Mos được điều khiển bằng điện áp Transistor Mos gồm các cực chính: cực máng (drain), nguồn (source) và cửa (gate) Dịng điện máng - nguồn được điều khiển bằng điện áp cửa - nguồn
c tính t nh c a transistor Đặc tính tĩnh của transistor ĩnh của transistor ủa transistor : UCE = f ( IC ).
Vùng tuyế n tính Vùng g n bão ần bão hịa
Vùng bão hịa
U CE
I C
điện
máng
Điện trở hằng số
Trang 17
H×nh a) Họ đặc tính ra H×nh b) Ký hiệu thông thường kênh n Transistor Mos là loại dụng cụ chuyển mạch nhanh Với điện áp 100V tổn hao dẫn ở chúng lớn hơn ở transistor lưỡng cực và tiristor, nhưng tổn hao chuyển mạch nhỏ hơn nhiều Hệ số nhiệt điện trở của transistor Mos là dương Dòng điện và điện áp cho phép của transistor Mos nhỏ hơn của transistor lưỡng cực và tiristor.
3) Tiristor:
a) Cấu tạo:
Tiristor là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn PNPN liên tiếp tạo nên anốt, katốt và cực điều khiển.
H×nh a) Cấu tạo của tiristor.
H×nh b) Ký hiệu của tiristor.
