Đồ án điện tử công suất thiết kế bộ băm điện áp mộtchiều điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều 7 + Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ tôngϕ 8 + Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf 9 + Điều chỉnh tốc độ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ĐỀ TÀI THIẾT BỘ BĂM ÁP ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU CHO PHẦN ỨNG ĐỘNG

CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP.

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : NGUYỄN VĂN MINH TRÍ

SINH VIÊN THỰC HIỆN : NGUYỄN QUYẾT THẮNG

TRẦN XUÂN LỈNHNGUYỄN HUY HOÀNG

MỤC LỤC

Trang

Chương I Tổng quan về điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều 5

II Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều 6

III Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều 7

+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ tôngϕ 8

+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf 9

+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp 10

IV Lựa chọn phương án điều khiển tốc độ 11

Chương II Phân tích hệ truyền động Bộ băm điện áp một chiều Động cơ điện một chiều 12

Chương III Tính toán mạch động lực và chọn thiết bị bảo vệ 25

+ Phương trình đặc tính của động cơ điện một chiều 25

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghiệp điện tử là ngành nghiên cứu, chế tạo ra các van bán dẫn; các bộbiến đổi và ứng dụng của nó Từ khi ra đời cho đến nay, ngành không ngừngphát triển cả về qui mô lẫn chất lượng Các van bán dẫn ngày càng có tốc độđóng cắt nhanh hơn, công suất lớn hơn (Điện tử công suất) như: diode, thyristor,transistor, IGBT chịu được điện áp cao và dòng lớn; và cả những thiết bị bándẫn cực nhỏ như vi mạch, vi mạch đa chức năng, vi xử lí là những phần tử thiếtyếu trong mạch điều khiển thiết bị bán dẫn công suất nói trên

Ngày nay, không riêng gì ở các nước phát triển, ngay cả ở nước ta, các thiết

bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các nhành công nghiệp và cả trong lĩnhvực sinh hoạt Các xí nghiệp, nhà máy xi măng, thủy điện, giấy, đường, dệt, sợi,đóng tàu đang sử ngày càng nhiều những thành tựu của công nghiệp điện tử,

đó là những minh chứng cho sự phát triển của ngành công nghiệp hiện nay.Chính vì thế, việc học và nghiên cứu về Điện tử công suất là thực sự cầnthiết Bên cạnh giờ học trên lớp thì nhóm em cũng được giao nhiệm vụ nghiêncứu đề tài “Thiết kế bộ băm áp một chiều cho phần ứng động cơ điện một chiềukích từ độc lập”

Chúng em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Văn Minh Trí đã hướng dẫnchúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Vì còn thiếu kinh nghiệm, cho nên trong quá trình thực hiện không tránhkhỏi thiếu sót, chúng em rất mong nhận được sự chỉ dẫn và góp ý từ quý thầycô

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN

MỘT CHIỀU

I Giới thiệu về động cơ một chiều

Hiện nay trong các ngành công nghiệp hiện đại, máy điện một chiều được xem

là một loại máy quan trọng, không thể thiếu trong sản xuất Nó có thể dùng làmđộng cơ điện, máy phát điện hay dùng trong những điều kiện làm việc khácnhau tùy theo mục đích sử dụng Động cơ điện một chiều có mặt trong các lĩnhvực như trong công nghiệp giao thông vận tải, và ở các thiết bị cần điều khiển ởtốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán ép, máy công cụlớn, đầu máy điện,…)

Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ hay máyphát tùy ý theo 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, đông cơ điện mộtchiều có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điềukhiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao Nhược điểm của động cơmột chiều có giá thành đắt hơn các động cơ xoay chiều khác do sử dụng nhiềukim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn

Động cơ điện một chiều có công suất nhỏ khoảng 75%÷85% Động cơ điệnmột chiều có công suất trung bình và lớn khoảng85%÷94% Công suất lớn nhấtcủa động cơ điện một chiều vào khoảng 1000KW, điện áp vào khoảng vài trămđến 1000V Động cơ điện một chiều ngày càng được cải tiến các tính năng vớichất lượng tốt hơn, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những máy

có công suất lớn hơn

Hình 1.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

II Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Khi động cơ làm việc, roto mang cuộn ứng quay trong từ trường của cuộncảm nên trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức điện động cảm ứng (hay còn gọi

là sức phản điện động) có chiều ngược với chiều của điện áp đặt vào phần ứngđộng cơ Phương trình điện áp ở mạch roto sẽ là:

U =E+I ư R Σưư

Trong đó :

 U là điện áp lưới (V)

 E là sức điện động của động cơ (V)

 I ư là dòng điện phần ứng của động cơ (A)

 RΣưư là điện trở toàn bộ mạch phần ứng (Ω).)

RΣưư=Rư+Rf

 Rư là điện trở mạch phần ứng (Ω).)

 Rplà điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω).)

 ω là tốc độ góc của roto (rad/s).

 k là hệ số phụ thuộc vào kết cấu của động cơ: kϕω = p N

2 πaa

Với :

 p là số đôi cực từ chính

 N là số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng

 a là số mạch nhánh song song của cuộn ứng

Nhờ lực từ trường tác dụng vào dây quấn ứng khi có dòng điện, roto quaydưới tác dụng của momen quay

n0’

n0đm

Mđm(Iđm)

III Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều

Hình 1.2Sự thay đổi của từ thông làm thay đổi tốc độ động cơ

Muốn thay đổi từ thông động cơ, ta tiến hành thay đổi dòng kích từ của động

cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ Phương pháp này cho phéptăng điện trở vào mạch kích từ nghĩa là có thể giảm dòng điện kích từ (Ikt ≤ Iktdm)

do đó chỉ có thể thay đổi về phía giảm từ thông Khi giảm từ thông, các đặc tínhdốc hơn và có tốc độ không tải lơn hơn

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có đặc điểm :

 Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ càngtăng, tốc độ đông cơ càng lớn

 Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông

 Chỉ có thể thay đổi được tốc độ về phía tăng theo phương pháp này

 Với tải không lớn thì tốc độ tăng khi từ thông giảm còn với tải lớn tốc độ

có thể tăng hoặc giảm tùy theo tải

 Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chinh D ≈ 3÷1

 Tiết kiệm chi phí vì tổn hao điều chỉnh thấp

Hình 1.3 Sự thay đổi của điện trở phụ Rf làm thay đổi tốc độ động cơ

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf có đặc điểm :

 Điện trở mạch phần ứng càng tăng độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính

cơ càng mền và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn

 Phương pháp này chỉ cho phép thay đổi độ về phía giảm

 Tổn hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở khi điều chỉnh khá lớn

 Dải điều chỉnh phụ thuộc trị số moomen tải tải càng nhỏ thì dải điềuchỉnh D cang nhỏ Phương pháp này thường cho D ≈ 5÷1

n (vòng/phút)

M(Iư)

4

23

1 (Uđm)

Mđm(Iđm)

Uđm

3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.

Hình 1.4 Sự thay đổi của điện áp làm thay đổi tốc độ động cơ

Phương pháp này chỉ áp dụng được đối với động cơ điện một chiều kích từ độclập hoặc động cơ điện kích thích song song làm việc ở chế độ kích từ độc lập.Khi thay đổi U ta có một họ đặc tính cơ cùng một độ dốc (hình 1.4)

Trên hình 1.4: đường 1 ứng với Uđm đường 2, 3 ứng với Uđm> U2 > U3 vàđường 4 ứng với U4 > Uđm.Vì không cho phép vượt quá điện áp định mức nênphương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh giảm tốc độ, việc điều chỉnh tốc độđịnh mức không áp dụng hoặc được thực hiện trong một phạm vi rất hẹp

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp có đặc điểm :

 Lúc điều chỉnh tốc độ mômen không đổi vì ϕ và Iư đều không đổi

 Có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng không đổi

 Tốc độ không tải lý tưởng tùy thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệ thống

đó

 Dải điều chỉnh tốc độ của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tínhứng với điện áp Uđm và ϕđm

 Với một cơ cấu máy cụ thể có ω0max, KM, Mđm xác định vì vậy phạm viđiều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng.

IV Lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ

Theo đề bài của độ án là: “ Thiết kế bộ băm điện áp một chiều cho phần ứngđộng cơ điện một chiều kích từ độc lập ” thì nhóm em lựa chọn phương phápđiều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Bởi vì ưu điểm của phương pháp này so với hai phương pháp trên là:

 Hiệu suất điều chỉnh cao (phương trình điều khiển là tuyến tính, triệt để)

hơn, tổn hao công suất điêù khiển nhỏ.

 Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mômen

ngắn mạch giảm, dòng ngắn mạch giảm Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động động cơ.

 Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điều

chỉnh xác định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục

Tuy vậy phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏi phải cónguồn áp điều chỉnh được xong nó là không đáng kể so với vai trò và ưu điểmcủa nó Vậy nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi

CHƯƠNG II : PHÂN TÍCH HỆ TRUYỀN ĐỘNG BỘ BĂM ÁP MỘT

CHIỀU - ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

I Chọn động cơ có các số liệu ban đầu sau:

Động cơ điện một chiều kiểu ∏H có:

 Điện áp phần ứng : Uư.đm=220V

 Công suất động cơ: Pđm=6.6KW

 Dòng điện phần ứng : Iư.đm=35A

 Tốc độ động cơ : nđm=2200 vg/ph

 Phạm vi điều chỉnh tốc độ dưới 1:2

 Nguốn một chiều E=240V

II Tổng quan về bộ băm áp một chiều :

Bộ băm xung một chiều hay còn gọi bộ biến đổi DC-DC(công tắc tơ tĩnh ) làthiết bị dùng để thay đổi điện áp một chiều ra tải từ một nguồn điện áp mộtchiều cố định Nhằm mục đích tạo ra điện áp một chiều biến đổi được để điềuchỉnh tốc độ động cơ Nhờ đóng hay mở sớm góc α để tạo điện áp trung bìnhlớn hay nhỏ mà động cơ thay đổi tốc độ nhanh hay chậm

Các bộ băm áp một chiều có thể thực hiện theo sơ đồ mạch nối tiếp (phần tửđóng cắt nối tiếp với tải ) hoặc theo sơ đồ mạch song song (phần tử đóng cắtđược mắc song song với tải ) Ta có hai bộ biến đổi sau:

1 Bộ băm áp một chiều kiểu nối tiếp:

a) Nguyên lý tổng quát

Sơ đồ nguyên lý băm áp một chiều nối tiếp được giới thiệu trên hình 2.1a Theo

đó phần tử chuyển mạch tạo các xung điện áp mắc nối tiếp với tải Điện áp mộtchiều được điều khiển bằng cách điều khiển thời gian K trong chu kì đóng cắt.Trong khoảng 0 ÷ t1 (hình 2.1b) khóa K đóng điện áp tải bằng điện áp nguồn( Ud = U1 ), trong khoảng t1 ÷ t2 khóa K mở điện áp tải bằng 0

t t2

t1 Tck

Zd

Hình 2.1 Băm áp một chiều nối tiếp

a)Sơ đồ nguyên lý ; b) Đường cong điện áp Trị số trung bình điện áp tải được tính:

Ud: Điện áp tải một chiều

U1 : Điện áp nguồn cấp một chiều

t1 : Khoảng thời gian đóng khóa K

TCK : Chu kì đóng cắt khóa K

γ : Độ rộng xung điện áp

Từ biểu thức trên thấy rằng, muốn điều khiển điện áp tải Ud cần điều khiển

độ xung điện áp γ Độ rộng xung điện áp này có thể được điều chỉnh bằng mộttrong hai thông số: điều chỉnh thời gian đóng khóa K (t1) giữ chu kì đóng cắt Tck

không đổi hoặc điều chỉnh chu kì đóng cắt (Tck ) giữ thời gian đóng khóa K (t1)không đổi Tuy nhiên, việc thay đổi chu kì đóng cắt khóa K làm cho chất lượngđiều khiển của phương pháp này xấu, người ta ít dùng

Trong đó :

 U :Nguồn một chiều không đổi

 Công tắc S mắc nối tiếp tải RLEư

 Do: Diode hoàn năng lượng

d) Nguyên lý làm việc

Ban đầu ta giả thiết nguồn và tải là lý tưởng ta có:

 Khóa S cho dòng điện khép kín chạy qua mạch LREư

 Năng lượng một phần tích lũy trong L , phần lớn nạp cho nguồn Eư, phầncòn lại tiêu tốn trên R

R : hằng số thời gian điện từ của mạch

 Dòng điện trên tải tăng theo hàm mũ về giá trị

U E R



 Nhịp D o (t 1 <t<T): (S mở )

 Khóa S khóa , Do mở dòng khép kín qua mạch RLEư và Do

 Năng lượng được tích lũy trong L giải phóng , một phần nạp cho Eư phầncòn lại tiêu tốn trên R

Dưới dạng toán tử Laplace: p.id(p)- id(0)+(R/L).id=

E L

t Udt



=

.U E R

2 Bộ băm áp một chiều mắc song song

Trong những trường hợp tải có một nguồn năng lượng nào đó (ví dụ động cơđiện làm việc ở chế độ máy phát), việc xả năng lượng của tải là cần thiết Nhằmtrả năng lượng từnguồn điện áp thấp(Eư) sang nguồn điện áp cao hơn (nguồnđiện 1 chiều U)

a) Sơ đồ mạch

id

uc

c) Nguyên lý làm việc

Tải là một máy điện một chiều (R+L+E) Sơ đồ bộ băm song song cho phépthực hiện hãm tái sinh Trong chế độ hãm tái sinh máy điện làm việc như mộtmáy phát trả năng lượng về nguồn

L là điện cảm phần ứng giả thiết đủ lớn để giữ cho id=Id =const trong quá trìnhchuyển mạch

 Trong khoảng t1÷T khóa S khóa lại đồng thời mở Do dẫn iN=id,U=Ud,iS=0

 Phương trình mạch tải có dạng : E-R.id-Ldid/dt=U

 Giá trị trung bình của điện áp tải một chiều:

E-R.iz-Ldiz/dt =U Giá trị trung bình của dòng điện tải

Id = EưU d

R

thể không chế dòng điện bang cách tác dụng vào tỷ số chu kỳγQua cácbiểu thức trên ta thấy muốn điều chỉnh dòng dòng điện tải càn điều chỉnh

độ rộng xung (γ) đóng khóa

3 Bộ biến đổi điện áp một chiều mắc nối tiếp và song song kết hợp

Hình 2.6 Sơ đồ mạch điện băm áp mắc nối tiếp và song song kết hợp

 Sơ đồ phối hợp nối tiếp và song song được sử dụng trong trường hợp tảilàm việc ở 2 trường hợp nạp năng lượng và trả năng lượng về nguồn

 Hai van S1 và S2 được điều khiển độc lập :

 Điều khiển S1 khi nhận năng lượng từ nguồn

 Điều khiển S2 khi trả năng lượng về nguồn

S1

S2

III Thiết kế bộ băm áp một chiều

1 Chọn bộ băm kiểu nối tiếp

Hình 3.1 Sơ đồ mạch điện của bộ băm nối tiếp

Nguyên lý cơ bản của hình 3.1:

 Trạng thái ban đầu Tp và Ta đều bị khóa , tụ C được nạp điện , bản cựcdương ở bên trên Cho xung kích mở Tp Thyristor này mở cho dòngchạy qua Dòng điện từ nguồn U chảy qua tải và trở về nguồn Đồngthời tụ C phóng điện theo mạch C-Tp-D1-L1-C và được nạp ngượclại Điện áp trên tải Ud=U

 Bây giờ ta cho xung kích mở Ta , thyristor này mở đặt điện áp giữa 2 bản

tụ điện C lên Tp khiến Tp bị khóa lại =>Ud=0

Khi ta thay đổi γ (tỷ số chu kỳ xung) thì có thể điều chỉnh được Utb ra tải

Có hai phương pháp thay đổi điện áp ra tải :

Thay đổi t1 và giữ nguyên T => Giá trị trung bình điện áp khi thay đổi

T là hệ số lấp đầy hay tỉ số chu kỳ

 Có dải điều chỉnh điện áp ra 0<γ≤1

t

 Trên thực tế phương pháp biến đổi độ rộng xung phổ biến hơn vì đơngiản không cần thiết bị biến tần đi kèm

Trong đồ án này ta sử dụng phương pháp điều khiển thay đổi độ rộng xung

2 Quá trình diễn biến dòng áp trong mạch

a) Quá trình khi H đóng

Ban đầu Tp và Ta đều ở trạng thái khóa

 Khi t=0 cấp xung mồi cho Tp xuất hiện hai dòng điện :

Dòng điện nguồn is chảy theo mạch U-Tp-tải-U → Ud=U





∫

 id=

.

U T L





+A Cáchxác định A:

 Khi t=0, thì id=Idmin => A=Idmin Nên :id=

.

U T L





+Idmin

Xác định giá trị lớn nhất của dòng điện : (Idmax)

 Khi t=t1= γγT thì id=Idmax : Idmax=

.

U T L

=> Điện áp ngược cực đại đặt lên Ta và Tp(Ungmax) và Dòng điện trung bình lớnnhất qua thyristor (Itbmax)

Trong đó:

 tq: thời gian khóa cho từng thyristor

 t0:Thời gian bảo vệ mà thyristor bị ngắt cần để khôi phục khả năngkhóa

 Để tính toán tụ C cần dựa vào điều kiện ngắt Tp :

tq(Tp) đạt giá trị nhỏ nhất khi Id (dòng xả và nạp tụ trong khoản t4→t5) đạt giá trịlớn nhất

( ).4

q Ta C

CHƯƠNG III : TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ CHỌN THIẾT BỊ

(V)

du/dt(V/s)

Tcm(µs)

T◦cp(ºC)

Trong đó:

 Ung.max: Điện áp ngược lớn nhất đặt lên Thyristor

 Id: Dòng trung bình lớn nhất qua thyristor

 Ipik :Dòng điện đỉnh qua thyristor

 Igmax: Dòng kích lớn nhất đặt vào cực cổng thyristor

 Ugmax: Áp lớn nhất đặt lên GK của thyris tor

 Ihmax: Dòng dự trữ hay ngưỡng kích mở thyristor

 Ir: Dòng rò

 ∆Umax: Rơi áp thuận qua thyristor khi dẫn bão hòa

 du/dt: đạo hàm điện áp

 tcm: thời gian chuyển mạch (mở và khóa)

 Tºcp : Nhiệt độ làm việc cực đại tại lớp tiếp giáp

b) Tính chọn Thyritor T a

Chọn tần số băm áp là 200Hz  chu kì băm T=5 (ms)

Dòng trung bình lớn nhất qua Ta:

Tcm(µs)

T◦cp(ºC)

e) Tính chọn diode xả năng lượng D 0 :

Dòng trung bình qua Do:

 Chọn Diode CR40-080 với các thông số như sau:

Imax(A) Un(V) Ipik(A) ∆U(V) Ith (A) Ir(A) Tºcp(ºC)

Trong đó:

 Imax: Dòng trung bình qua diode cực đại

 Un: Áp ngược đặt lên diode cực đại

 Ipik: Dòng điện đỉnh đặt lên diode

 ∆U: Sụt áp thuận khi diode dẫn bão hòa

Tần γsố γdao γ ộng γđộng ω=√LC1 = 1

rad

s )

Itpmax: khả năng chịu dòng cực đại của Tp, thường chọn từ(1.5÷2)*Idtb

Áp ngược cực đại đặt lên D1:

Udng.max=240(V)

Ta có: { I D 1∗K i=0.54∗1.5=0.81( A )

U dng max∗K u=240∗1.5=360(V )

 Chọn diode KY 719với các thông số như sau:

Imax(A) Un(V) Ipik(A) ∆U(V) Ith (A) Ir(A) Tºcp(ºC)

II Chọn thiết bị bảo vệ

1 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các Thyristor

Khi làm việc với dòng việc với dòng điện chạy qua, trên van có sụt áp, do đó

có tổn hao công suất ∆P, tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng thyristor Mặt khác Thyristor chỉ cho phép làm việc dưới nhiệt độ Tcp, nếu quá nhiệt độ cho phép thì các Thyristor sẽ hỏng Để Thyristor làm việc an toàn , không bị chọc dủng do nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lí