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

Đồ án điện tử công suất 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 LỈNH NGUYỄN HUY HOÀNG SVTH: Nguyễn Huy Hoàng 1 Đồ án điện tử công suất MỤC LỤC Trang Mục lục 2 Lời mở đầu 4 Chương I Tổng quan về điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều 5 I II III Giới thiệu về động cơ điện một chiều 5 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều 6 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều 7 + Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ tông 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 11 Lựa chọn phương án điều khiển tốc độ Chương II Phân tích hệ truyền động Bộ băm điện áp một chiều Động cơ điện một chiều I Chọn động cơ II Tổng quan về bộ băm áp một chiều + Bộ băm áp nối tiếp + Bộ băm áp song song + Bộ băm hỗn hợp III Thiết kế bộ băm áp một chiều + Chọn bộ băm kiểu nối tiếp + Quá trình diễn biến dòng áp trong mạch + Tính chọn các phần tử trong mạch băm Chương III Tính toán mạch động lực và chọn thiết bị bảo vệ I Tính toán mạch động lực + Thông số động cơ + Phương trình đặc tính của động cơ điện một chiều + Tính chọn linh kiện động lực SVTH: Nguyễn Huy Hoàng 12 12 12 12 16 19 20 20 21 22 25 25 25 25 26 2 Đồ án điện tử công suất II Chọn thiết bị bảo vệ 29 + Bảo vệ quá nhiệt cho các thyristor 29 + Bảo vệ quá dòng cho các thyristor 31 + Bảo vệ quá áp cho các thyristor 32 Chương IV Tính chọn mạch điều khiển 35 I Nguyên lí điều khiển II Sơ đồ mạch điều khiển III Lựa chọn mạch điều khiển + Khâu tạo tần số + Khâu so sánh + Khâu khuếch đại xung IV Tính chọn mạch điều khiển 35 36 37 37 38 39 40 + Khâu tạo tần số 40 + Khâu so sánh 41 + Tạo điện áp điều khiển 41 + Khâu khuếch đại công suất 42 + Tạo nguồn nuôi 50 Kết luận 57 Tài liệu tham khảo 58 LỜI NÓI ĐẦU Công nghiệp điện tử là ngành nghiên cứu, chế tạo ra các van bán dẫn; các bộ biến đổi và ứng dụng của nó Từ khi ra đời cho đến nay, ngành không ngừng phát triển cả về qui mô lẫn chất lượng Các van bán dẫn ngày càng có tốc độ đóng 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 bán SVTH: Nguyễn Huy Hoàng 3 Đồ án điện tử công suất dẫn cực nhỏ như vi mạch, vi mạch đa chức năng, vi xử lí là những phần tử thiết yếu 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 lĩnh vực 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 cần thiết Bên cạnh giờ học trên lớp thì nhóm em cũng được giao nhiệm vụ nghiên cứu đề tài “Thiết kế bộ băm áp một chiều cho phần ứng động cơ điện một chiều kích từ độc lập” Chúng em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Văn Minh Trí đã hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài Vì còn thiếu kinh nghiệm, cho nên trong quá trình thực hiện không tránh khỏi thiếu sót, chúng em rất mong nhận được sự chỉ dẫn và góp ý từ quý thầy cô 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 SVTH: Nguyễn Huy Hoàng 4 Đồ án điện tử công suất 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 làm động cơ điện, máy phát điện hay dùng trong những điều kiện làm việc khác nhau tùy theo mục đích sử dụng Động cơ điện một chiều có mặt trong các lĩnh vực như trong công nghiệp giao thông vận tải, và ở các thiết bị cần điều khiển ở tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán ép, máy công cụ lớn, đầu máy điện,…) Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ hay máy phát 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 một chiều 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 Nhược điểm của động cơ một chiều có giá thành đắt hơn các động cơ xoay chiều khác do sử dụng nhiều kim 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 điện một chiều có công suất trung bình và lớn khoảng85%÷94% Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 1000KW, điện áp vào khoảng vài trăm đến 1000V Động cơ điện một chiều ngày càng được cải tiến các tính năng với chất lượng tốt hơn, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những máy có công suất lớn hơn SVTH: Nguyễn Huy Hoàng 5 Đồ án điện tử công suất 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 cuộn cảm 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 ứng động cơ Phương trình điện áp ở mạch roto sẽ là: Trong đó : • U là điện áp lưới (V) • E là sức điện động của động cơ (V) • là dòng điện phần ứng của động cơ (A) • là điện trở toàn bộ mạch phần ứng (Ω) • là điện trở mạch phần ứng (Ω) • là điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω) Với:   là điện trở cuộn phần ứng (Ω) là điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp (Ω)  là điện trở cuộn bù (Ω)  là điện trở cuộn phụ (Ω) SVTH: Nguyễn Huy Hoàng 6 Đồ án điện tử công suất Sức điện động phần ứng là tỉ lệ với tốc độ quay của roto: Trong đó: • • • là từ thông qua một cực từ (Wb) là tốc độ góc của roto (rad/s) k là hệ số phụ thuộc vào kết cấu của động cơ: 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 quay dưới tác dụng của momen quay Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập III Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều 1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ tông Hình 1.2Sự thay đổi của từ thông làm thay đổi tốc độ động cơ n (vòng/phút) n0’’’ n0’’ θδ’’’ θδ’’ θδ’ θδđm n0’ n0đm SVTH: Nguyễn Huy Hoàng Mđm(Iđm) M(Iư) 7 Đồ án điện tử công suất 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 phép tăng điện trở vào mạch kích từ nghĩa là có thể giảm dòng điện kích từ (I kt ≤ Iktdm) do đó chỉ có thể thay đổi về phía giảm từ thông Khi giảm từ thông, các đặc tính dốc 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 càng tăng, 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 2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ R f trên mạch phần ứng Nếu nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng thì phươn trình đặc tính cơ trở thành: Khi tăng điện trở mạch phần ứng, đặc tính cơ dốc hơn nhưng vẫn giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng Trên hình 1.3, ta có các đường đặc tính cơ ứng với các trị số khác nhau của Rf0 =0 là đặc tính cơ tự nhiên n (vòng/phút) n0 Rf0 Rf1 Rf2 SVTH: Nguyễn Huy Hoàng Mđm(Iđm) Rf3 M(Iư) 8 Đồ án điện tử công suất 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 điều chỉnh D cang nhỏ Phương pháp này thường cho D ≈ 5÷1 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 n (vòng/phút) 4 1 (Uđm) Uđm 2 3 Mđm(Iđm) M(Iư) Phương pháp này chỉ áp dụng được đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập 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) SVTH: Nguyễn Huy Hoàng 9 Đồ án điện tử công suất Trên hình 1.4: đường 1 ứng với Uđm đường 2, 3 ứng với Uđm> U2 > U3 và đường 4 ứng với U4 > Uđm.Vì không cho phép vượt quá điện áp định mức nên phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh giảm tốc độ, việc điều chỉnh tốc độ định 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 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 U đk của hệ thống đó − Dải điều chỉnh tốc độ của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tính ứng với điện áp Uđm và đm − Với một cơ cấu máy cụ thể có ω 0max, KM, Mđm xác định vì vậy phạm vi điều 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 ứng động cơ điện một chiều kích từ độc lập ” thì nhóm em lựa chọn phương pháp điều 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 SVTH: Nguyễn Huy Hoàng 10 Đồ án điện tử công suất Ω Chọn giá trị điện trở R10 = 62 Ω Ω Chọn giá trị điện trở R11 = 3,9 kΩ Tính chọn R6 và C2 có nhiệm vụ hạn chế dòng vào bazơ của Tr1 : Ω Chọn giá trị điện trở R6 = 12 kΩ μF = 5 nF Chọn giá trị của tụ điện C2 = 4,7 nF Tính chọn R9 và C3 có nhiệm vụ hạn chế dòng vào bazơ của Tr3 : Ω Chọn giá trị điện trở R9 = 200 kΩ μF = 0.6 nF Chọn giá trị của tụ điện C2 = 1 nF Để đồng bộ giữa xung kích mở và khóa các thyristor thì bộ khuêch đại đảo hệsố bằng 1 ⇒ R7 = R8 tương tự với cách tính ở khâu so sánh R7 = R8= 15 kΩ SVTH: Nguyễn Huy Hoàng 44 Đồ án điện tử công suất Điện trở hạn chế dòng cho Hình 4.7 sơ đồ khâu khuếch đại hoàn chỉnh 5 Tạo nguồn nuôi Ta cần tạo ra nguồn điện áp để cấp cho biến áp xung, nuôi IC, tạo điện áp điều khiển n1 n2 SVTH: Nguyễn Huy Hoàng 45 Đồ án điện tử công suất u1 u2 u1’ u2’ Khối tạo nguồn Khối tạo xung kích IGBT Khối tạo điện áp +12V Sơ đồ nguyên lí tạo nguồn nuôi a Khối tạo nguồn a.1 Nguyên lí: Từ nguồn một chiều E cho trước, ta dùng bộ nghịch lưu áp 1 pha, sử dụng 2 khóa bán dẫn IGBT và máy biến áp có điểm giữa, để tạo điện áp xoay chiều dạng xung ở 2 cuộn thứ cấp máy biến áp Điện áp này được chỉnh lưu khi qua cầu diode và được ổn áp qua 2 IC 7812 và 7912 ta được điện áp ra mong muốn SVTH: Nguyễn Huy Hoàng 46 Đồ án điện tử công suất Thông số của IC ổn áp: Điện áp đầu vào: Điện áp đầu ra: Dòng điện ra: = 0 ÷ 1 A Tụ điện a.2 Tính toán: + Chọn loại máy biến áp 1 pha, 1 trụ, trên trụ có 2 cuộn sơ và 2 cuộn thứ + Công suất Công suất tiêu thụ ở 4 IC TL084 sử dụng làm khuếch đại thuật toán: + Công suất BAX cấp cho cực điều khiển tiristo: + Công suất dùng để tạo + Tổng công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi: SVTH: Nguyễn Huy Hoàng 47 Đồ án điện tử công suất + Tổng công suất có kể đến tổn hao trong máy biến áp: S= 1.23*= 1.23*3.654 = 4.45 VA + Điện áp thứ cấp máy biến áp: ( Với Chọn + Dòng điện thứ cấp máy biến áp: + Điện áp sơ cấp máy biến áp: + Dòng điện sơ cấp: Ta có: 2  + Điện trở + Tiết diện trụ của máy biến áp được tính: Trong đó: Chuẩn hóa thông số : Kích thước mạch từ lá thép dày SVTH: Nguyễn Huy Hoàng 48 Đồ án điện tử công suất Số lượng lá thép: 26 lá; a = 12 mm; b = 10 mm; h = 30 mm, c = 12mm, H = 42mm, L = 60 mm Hệ số ép chặt a H h h b c L Kích thước mạch từ máy biến áp +Chọn mật độ từ cảm B = 1 T ở trong trụ, ta có số vòng dây sơ cấp: +Chọn mật độ dòng điện +Tiết diện dây quấn sơ cấp: +Đường kính dây quấn sơ cấp: Chọn Đường kính có kể cách điện +Số vòng dây quấn thứ cấp: SVTH: Nguyễn Huy Hoàng 49 Đồ án điện tử công suất +Tiết diện dây quấn thứ cấp: +Đường kính dây quấn thứ cấp: Chuẩn hóa đường kính: +Tính chọn diode + Dòng điện hiệu dụng qua diode : + Điện áp ngược lớn nhất mà diode phải chịu: + Ta có:  Chọn diode 8 diode loại KII208A có các thông số sau: Dòng điện định mức : Điện áp ngược cực đại của diode : + Tính chọn IGBT: + Dòng điện qua IGBT : + Điện áp thuận lớn nhất mà IGBT phải chịu: + Ta có:  Chọn 2 IGBT loại FB6R06VL4 có các thông số như sau: Điện áp thuận max : SVTH: Nguyễn Huy Hoàng 50 Đồ án điện tử công suất Dòng qua b Khối tạo xung kích IGBT: Chu kì của xung kích: Chọn ; Xung ra được cho qua một cổng đệm 4050 và một cổng đảo 4049 rồi sau đó kích cho 2 IGBT, vậy đảm bảo được 2 IGBT được đóng mở luân phiên cùng chu kì c Khối tạo điện áp 12V: Ta có   Chọn KẾT LUẬN SVTH: Nguyễn Huy Hoàng 51 Đồ án điện tử công suất Sau một thời gian tìm hiểu dưới sự hướng dẫn tận tình của TS Nguyễn Văn Minh Trí, chúng em đã hoàn thành đề tài “Thiết kế bộ băm áp một chiều cho phần ứng động cơ điện một chiều kích từ độc lập” Trong suốt quá trình thực hiện, nhóm đã hiểu thêm và vận dụng được những kiến thức học trên lớp Bên cạnh đó nhóm còn có cơ hội phát triển các kĩ năng như : làm việc nhóm, làm bản vẽ, mô phỏng SVTH: Nguyễn Huy Hoàng 52 Đồ án điện tử công suất TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền Truyền động điện, NXB Khoa học và kĩ thuật, 1996 2 Nguyễn Bính Điện tử công suất, NXB khoa học và kĩ thuật, 1996 3 Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh Điện tử công suất, Lý thuyết-thiết kế-ứng dụng, NXB khoa học và kĩ thuật, 2005 SVTH: Nguyễn Huy Hoàng 53 ... phương án điều khiển tốc độ Chương II Phân tích hệ truyền động Bộ băm điện áp chiều Động điện chiều I Chọn động II Tổng quan băm áp chiều + Bộ băm áp nối tiếp + Bộ băm áp song song + Bộ băm hỗn... TRUYỀN ĐỘNG BỘ BĂM ÁP MỘT CHIỀU - ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU I Chọn động có số liệu ban đầu sau: Động điện chiều kiểu ∏H có: • Điện áp phần ứng : Uư.đm=220V • Cơng suất động cơ: Pđm=6.6KW • Dịng điện. .. pháp áp dụng động điện chiều kích từ độc lập động điện kích thích song song làm việc chế độ kích từ độc lập Khi thay đổi U ta có họ đặc tính độ dốc (hình 1.4) SVTH: Nguyễn Huy Hồng Đồ án điện tử