Xung áp một chiều điều khiển động cơ 220 VDC

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mạch xung áp điều khiển tốc độ động cơ một chiều Uđm=220V , Pđm=200W, Iđm= 1 A, n=2000 vòngphút IC NE 555 và IC LM324 tạo xung ,băm xung PWM tùy chỉnh độ rộng xung thông qua biến trở và đưa xung vào kích mở FET.FET được kích mở bằng xung PWM làm thay đổi điện áp trung bình đặt vào động cơ làm thay đổi vận tốc của động cơ.

Mục lục

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 3

1.1 Lời nói đầu 3

1.2 Kế hoạch thực hiện đồ án 4

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 5

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU 6

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động động cơ điện 1 chiều 6

2.1.1 Cấu tạo 6

2.1.2 Nguyên lý làm việc 8

2.2 Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều 8

2.3 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập 9

2.3.1 Phương trình đặc tính cơ 9

2.3.2 Ảnh hưởng của các thông số tới tốc độ động cơ 10

2.4 Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐCĐ một chiều kích từ độc lập 11

2.4.1 Khái niệm chung 11

2.4.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng 12

2.4.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông 13

2.4.4 Thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng 14

2.5 Kết luận 16

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU BỘ BĂM XUNG ĐIỆN ÁP 1 CHIỀU 17

3.1 Đặt vấn đề 17

3.2 Nguyên lí chung của bộ biến đổi xung áp 1 chiều 17

3.2.1 Phương pháp thay đổi độ rộng xung 19

3.2.2 Phương pháp thay đổi tần số xung 19

3.2.3 Kết luận 19

3.3 Các dạng băm xung cơ bản 20

3.3.1 Xung áp đảo dòng lớp B 20

3.3.2 Xung áp đảo áp lớp B 21

3.3.3 Xung áp song song 21

3.3.4 Xung áp nối tiếp 23

3.4.1 Giới thiệu về phương pháp PWM 25

3.4.2 Nguyên lý của phương pháp PWM 27

3.4.3 Các cách để tạo ra được PWM để điều khiển 28

3.4.4 Một vài ứng dụng nổi bật của PWM 30

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH 33

4.1 Sơ đồ khối 33

4.2 Mạch lực 33

4.2.1 Sơ đồ nguyên lý 33

4.2.2 Tính chọn thiết bị 34

4.3 Mạch điều khiển 36

4.3.1 Khâu tạo dao động và tạo điện áp răng cưa 36

4.3.2 Khâu so sánh điện áp 38

4.4 Khối nguồn 39

4.5 Nguyên lý hoat động của toàn mạch 40

CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO MẠCH 41

5.1 Sơ đồ toàn mạch 41

5.2 Sơ đồ Board mạch 42

5.3 Phương hướng phát triển của đề tài 42

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Lời nói đầu

Điện tử công suất và truyền động điện là một môn học hay và lý thú, cuốn hútđược nhiều sinh viên theo đuổi Chúng em muốn được tiếp cận và hiểu sâuhơn nữa bộ môn điện tử công suất và truyền động điện.Vì vậy, đồ án môn họcchế tạo sản phẩm là điều kiện tốt giúp chúng em kiểm chứng được lý thuyết

đã được học.Trong đồ án điện tử công suất lần này, chúng em đã được nhận

đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mạch xung áp điều khiển tốc độ động

cơ một chiều Uđm=220V , Pđm=200W, Iđm= 1 A, n=2000 vòng/phút ” Sau thời

gian nghiên cứu, chúng em đã chế tạo thành công bộ điều khiển điện áp đápứng được cơ bản yêu cầu của đề tài

Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, chúng em đã gặp một số vướng mắc về

lý thuyết và khó khăn trong việc thi công sản phẩm Tuy nhiên, chúng em đã

nhận được sự giải đáp và hướng dẫn kịp thời của cô giáo "Nguyễn Phương Thảo", sự góp ý kiến của các bạn sinh viên trong lớp Được như vậy chúng

em xin chân thành cảm ơn và mong muốn nhận được nhiều hơn nữa sự giúp

đỡ, chỉ bảo của thầy cô giáo và bạn trong các đồ án sau này

Do kiến thức hạn chế nên trong quá trình thực hiện đồ án chúng em không thểtránh khỏi sai sót, mong quý thầy cô trong hội đồng bảo vệ bỏ qua và cónhững đóng góp ý kiến để chúng em có thể hoàn thiện đồ án của mình tốt hơnnữa

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

- Đưa ra ý tưởng thục hiện.

- Phân chia công việc

Cả nhóm

2 2 - Tìm hiểu động cơ điện 1 chiều và

sơ đồ mạch lực của mạch điều khiển

Huân

- Tìm kiếm linh kiện liên quan đến

đồ án

Huy

3 3+4 - Đưa ra cơ sở lí thuyết của đồ án

- Xây dựng sơ đồ khối

- Lựa chọn mạch lực, mạch điềukhiển

Cả nhóm

4 5+6 - Thiết kế sơ đồ nguyên lí

- Tính chọn thông số

Cả nhóm

5 7 - Ráp mạch, khảo sát trên panel

- Đo đạc, kiểm tra tín hiệu

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngày Tháng Năm CHỮ KÝ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU

Hình 2.1: động cơ điện 1 chiều

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động động cơ điện 1 chiều

+) Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ được kích

từ bằng nam châm điện), mạch từ được làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc).Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện

từ, các cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau

+) Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dâyquấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép

kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Trong động

cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ cácbulông Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗicuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối, tẩm sơn cách điện trướckhi đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ nàyđược nối tiếp với nhau

+) Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính Lõi thép của cực từphụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn màcấu tạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máynhờ những bulông

+) Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏmáy Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại,trong máy điện lớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏdùng gang làm vỏ máy

+) Các bộ phận khác:

Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn

và an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ và vừa nắpmáy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp này nắp máy thườnglàm bằng gang

Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi thanbao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp.Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổithan có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau khi

+) Phần sinh ra sức điện động gồm có: Mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ(lá thép kĩ thuật) xếp lại với nhau Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấnphần ứng

Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một qui luật nhấtđịnh Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối vớicác phiến đồng gọi là phiến góp, các phiến góp đó được ghép cách điện vớinhau và cách điện với trục gọi là cổ góp hay vành góp Tỳ trên cổ góp là cặptrổi than làm bằng than graphit và được ghép sát vào thành cổ góp nhờ lò xo.+) Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuậtđiện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao

do dòng điện xoáy gây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi éplại thì đặt dây quấn vào Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còndập những lỗ thông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗthông gió dọc trục Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chiathành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hởthông gió Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn vàlõi sắt Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếpvào trục Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto Dùng giárôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto

+) Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điệnđộng và có dòng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm bằng dâyđồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài Kw thườngdùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiếtdiện chữ nhật, dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép Đểtránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặthoặc đai chặt dây quấn Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakelit

+) Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhaubằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn Hai đầutrục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp và trụ tròncũng cách điện bằng mica Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầudây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng

2.1.2 Nguyên lý làm việc

từ trường giữa stator

và rotor cùng dấu, trở

lại pha 1

Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện Các thanhdẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay,chiều của lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái Khi phần ứng quayđược nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau Do có phiếu góp chiềudòng điện dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi Khi quay,các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động chiều của suấtđiện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều sđđngược chiều dòng điện Iư nên được gọi là sức phản điện động Khi đó ta cóphương trình:

2.2 Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều

- Phân loại động cơ điện một chiều Khi xem xét động cơ điện một chiều cũngnhư máy phát điện một chiều người ta phân loại theo cách kích thích từ cácđộng cơ Theo đó ta có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng:

+) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ đượccung cấp từ hai nguồn riêng rẽ

+) Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắcsong song với phần ứng

+) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nốitếp với phần ứng

+) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ, mộtcuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng

- Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều Do tính ưu việt của hệ thốngđiện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải , cả máy phát và động cơ điệnxoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành mà máyđiện (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 trong côngnghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độquay 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 cơđiện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu

+) Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện haymáy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau Song ưu điểm lớnnhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải Nếunhư bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đápứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần ) rấtđắt tiền thì động cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng vàchính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lạiđạt chất lượng cao

+) Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ góp chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trườngrung chấn, dễ cháy nổ

-2.3 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập

Đặc tính cơ là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen (M) của động cơ

Ứng với chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông ) động cơ vận hành ở chế

độ định mức với đặc tính cơ tự nhiên ( , )

Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các thông sốnguồn hay nối thêm điện trở phụ, điện kháng vào động cơ

Để đánh giá, so sánh các đặc tính cơ người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặctính cơ được tính như sau

- lớn (đặc tính cơ cứng) tốc độ thay đổi ít khi M thay đổi

- nhỏ (đặc tính cơ mềm) tốc độ giảm nhiều khi M tăng, đặc tính cơ tuyệt đốicứng

2.3.1 Phương trình đặc tính cơ

Trường hợp :

(1)

Trong đó: (2)

: hệ số sức điện động của động cơ

: số mạch nhánh song song của cuộn dây

: hệ số cấu tạo của động cơ

Mặt khác: M= M= K.Ф.(5) :là mômen điện từ của động cơ.

Suy ra: :là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập.Hoặc:

trong đó: 0 : tốc độ không tải lý tưởng

  : độ sụt tốc độ

2.3.2 Ảnh hưởng của các thông số tới tốc độ động cơ

Từ phương trình đặc tính cơ: ta nhận thấy muốn thay đổi tốc độ ta có thểthay đổi , Rf , U

a Trường hợp Rf thay đổi (Uư= Uđm= const; Ф= Фđm= const):

Độ cứng đặc tính cơ: giảm Nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảmđồng thời dòng ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm Cho nên người

ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng và điều chỉnh tốc độđộng cơ ở phía dưới tốc độ cơ bản

b Trường hợp thay đổi U< Uđm

Tốc độ không tải  K

U



0

giảm trong khi độ cứng đặc tính cơ

Khi thay đổi điện áp ta thu được 1 họ các đường đặc tính song song Phươngpháp này được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng khởiđộng

c Ảnh hưởng của từ thông:

Muốn thay đổi  ta thay đổi dòng kích từ Ikt khi đó tốc độ không tải tăng Độcứng đặc tính cơ: giảm

2.4 Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐCĐ một chiều kích từ độc lập

2.4.1 Khái niệm chung

Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:

Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyểntiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản suất

Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện Phương pháp này làm giảm tính phức

Ngoài ra cần phân biệt điều chỉnh tốc độ với sự tự động thay đổi tốc độ khiphụ tải thay đổi của động cơ điện.

Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việthơn so với các loại động cơ khác Không những nó có khả năng điều chỉnhtốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn,đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dãy điều chỉnh tốc độ rộng

b Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ:

Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn cứvào các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền độngđiện:

- Hướng điều chỉnh tốc độ:

Hướng điều chỉnh tốc độ là ta có thể điều chỉnh để có được tốc độ lớn hơnhay bé hơn so với tốc độ cơ bản là tốc độ làm việc của động cơ điện trênđường đặc tính cơ tự nhiên

- Phạm vi điều chỉnh tốc độ (dãy điều chỉnh):

Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất nmax và tốc độ bénhất nmin mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức:

D = nmax/nmin

Trong đó:

- nmax: Được giới hạn bởi độ bền cơ học

- nmin: Được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ, thông thườngngười ta chọn nmin làm đơn vị

Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào yêu cầu của từng

hệ thống, khả năng từng phương pháp điều chỉnh

- Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ:

Độ cứng: = M/n Khi càng lớn tức M càng lớn và n nhỏ nghĩa là độ ổn địnhtốc độ càng lớn khi phụ tải thay đổi nhiều Phương pháp điều chỉnh tốc độ tốtnhất là phương pháp mà giữ nguyên hoặc nâng cao độ cứng của đường đặctính cơ Hay nói cách khác càng lớn thì càng tốt

-Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ:

Hệ thống truyền động điện có chất lượng cao là một hệ thống có hiệu suất làmviệc của động cơ là cao nhất khi tổn hao năng lượng Pphụ ở mức thấp nhất.-Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ:

Hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền động điện có tính kinh tế cao nhất là một

hệ thống điều chỉnh phải thỏa mãn tối đa các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống.Đồng thời hệ thống phải có giá thành thấp nhất, chi phí bảo quản vận hànhthấp nhất, sử dụng thiết bị phổ thông nhất và các thiết bị máy móc có thể lắpráp lẫn cho nhau

2.4.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Đối với các máy điện một chiều, khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnhđiện áp trên mạch phần ứng thì dòng điện, moment sẽ không thay đổi Đểtránh những biến động lớn về gia tốc và lực động trong hệ điều chỉnh nênphương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phầnứng thường được áp dụng cho động cơ một chiều kích từ độc lập

Để điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta dùng các bộ nguồn điều

áp như: máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ…Các bộ biến đổi trên dùng để biến dòng xoay chiều của lưới điện thành dòngmột chiều và điều chỉnh giá trị sức điện động của nó cho phù hợp theo yêucầu

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

Ta có tốc độ không tải lý tưởng:

Độ cứng của đường đặc tính cơ:

Khi thay đổi điện áp đặt lên phần ứng của động cơ thì tốc độ không tải lýtưởng

sẽ thay đổi nhưng độ cứng của đường đặc tính cơ thì không thay đổi

Như vậy: Khi ta thay đổi điện áp thì độ cứng của đường đặc tính cơ khôngthay đổi Họ đặc tính cơ là những đường thẳng song song với đường đặc tính

cơ tự nhiên:

Hình 2.4.2: Họ đặc tính cơ

0(v/p)

(Nm)

2.4.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

Hình 2.4.3a Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnhmoment điện từ của động cơ M = KM Iư và sức điện động quay của động cơ

Eư = KE n Thông thường, khi thay đổi từ thông thì điện áp phần ứng đượcgiữ nguyên giá trị định mức

Đối với các máy điện nhỏ và đôi khi cả các máy điện công suất trung bình,người ta thường sử dụng các biến trở đặt trong mạch kích từ để thay đổi từthông do tổn hao công suất nhỏ Đối với các máy điện công suất lớn thì dùngcác bộ biến đổi đặc biệt như: máy phát, khuếch đại máy điện, khuếch đại từ,

bộ biến đổi van…

Thực chất của phương pháp này là giảm từ thông Nếu tăng từ thông thì dòngđiện kích từ Ikt sẽ tăng dần đến khi hư cuộn dây kích từ Do đó, để điều chỉnhtốc độ chỉ có thể giảm dòng kích từ tức là giảm nhỏ từ thông so với định mức

Ta thấy lúc này tốc độ tăng lên khi từ thông giảm: n = K E.

U

Mặt khác ta có: Moment ngắn mạch Mn = KM In nên khi  giảm sẽ làm cho

Mn giảm theo

Độ cứng của đường đặc tính cơ:

Khi  giảm thì độ cứng cũng giảm, đặc tính cơ sẽ dốc hơn Nên ta có họđường đặc tính cơ khi thay đổi từ thông như sau:

Hình 2.4.3b Độ cứng của đường đặc tính cơ

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều chỉnhđược tốc độ vô cấp và cho ra những tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản

Theo lý thuyết thì từ thông có thể giảm gần bằng 0, nghĩa là tốc độ tăng đến

vô cùng Nhưng trên thực tế động cơ chỉ làm việc với tốc độ lớn nhất:

nmax = 3.ncb tức phạm vi điều chỉnh:

Bởi vì ứng với mỗi động cơ ta có một tốc độ lớn nhất cho phép Khi điềuchỉnh tốc độ tùy thuộc vào điều kiện cơ khí, điều kiện cổ góp động cơ khôngthể đổi chiều dòng điện và chịu được hồ quang điện Do đó, động cơ khôngđược làm việc quá tốc độ cho phép

Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thểđiều chỉnh tốc độ vô cấp và cho những tốc độ lớn hơn ncb Phương pháp nàyđược dùng để điều chỉnh tốc độ cho các máy mài vạn năng hoặc là máy bàogiường Do quá trình điều chỉnh tốc độ được thực hiện trên mạch kích từ nêntổn thất năng lượng ít, mang tính kinh tế

2.4.4 Thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạchphần ứng có thể được dùng cho tất cả động cơ điện một chiều Trong phươngpháp này điện trở phụ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng của động cơ theo

sơ đồ nguyên lý như sau:

Ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:Khi thay đổi giá trị điện trở phụ Rf ta nhận thấy tốc độ không tải lý tưởng: và

độ cứng của đường đặc tính cơ:

Sẽ thay đổi khi giá trị Rf thay đổi Khi Rf càng lớn, càng nhỏ nghĩa là đườngđặc tính cơ càng dốc Ứng với giá trị Rf = 0 ta có độ cứng của đường đặc tính

cơ tự nhiên được tính theo công thức sau:

Ta nhận thấy có giá trị lớn nhất nên đường đặc tính cơ tự nhiên có độ cứnglớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có đóng điện trở phụ trên mạch phầnứng

Nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phầnứng được giải thích như sau:Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với tốc độ

n1 ta đóng thêm Rf vào mạch phần ứng Khi đó dòng điện phần ứng Iư đột ngộtgiảm xuống, còn tốc độ động cơ do quán tính nên chưa kịp biến đổi Dòng Iư

giảm làm cho moment động cơ giảm theo và tốc độ giảm xuống, sau đó làmviệc xác lập tại tốc độ n2 với n2 > n1Phương pháp điều chỉnh tốc độ này chỉ cóthể điều chỉnh tốc độ n < ncb Trên thực tế không thể dùng biến trở để điềuchỉnh nên phương pháp này sẽ cho những tốc độ nhảy cấp tức độ bằng phẳng

xa 1 tức n1 cách xa n2, n2 cách xa n3…

Khi giá trị càng tiến gần đến 0 thì phạm vi điều chỉnh:

Trong thực tế, Rf càng lớn thì tổn thất năng lượng phụ tăng Khi động cơ làmviệc ở tốc độ n = ncb/2 thì tổn thất này chiếm từ 40% đến 50% Cho nên, đểđảm bảo tính kinh tế cho hệ thống ta chỉ điều chỉnh sao cho phạm vi điềuchỉnh:

Khi giá trị Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm Đồng thời dòng điệnngắn mạch In và moment ngắn mạch Mn cũng giảm Do đó, phương pháp nàyđược dùng để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản Vàtuyệt đối không được dùng cho các động cơ của máy cắt kim loại

Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ

trên mạch phần ứng chỉ cho những tốc độ nhảy cấp và nhỏ hơn ncb

Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cho

cần trục, thang máy, máy nâng, máy xúc, máy cán thép

Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở phụ đóng vào

càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độ khiphụ tải thay đổi càng kém Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càngthấp thì tổn hao phụ càng tăng

2.5 Kết luận

Lựa chọn phương pháp Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phầnứng do phương pháp này đơn giản và mang tính kinh tế

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU BỘ BĂM XUNG ĐIỆN ÁP 1 CHIỀU 3.1 Đặt vấn đề

Các bộ biến đổi điện áp một chiều dùng để biến đổi điện áp hiệu dụng đặt lêntải Nguyên lý của bộ biến đổi này là dùng các phần tử van bán dẫn nối tải vớinguồn trong một khoảng thời gian t1 rồi lại cắt đi trong một khoảng thời gian

t0 theo một chu kỳ lặp lại T Bằng cách thay đổi độ rộng của t1 hay t0 trongkhoảng T ta thay đổi được giá trị điện áp trung bình ra trên tải Nguyên lý này

có ưu điểm là điều chỉnh điện áp ra trong một phạm vi rộng và vô cấp, hiệusuất cao vì tổn thất trên các phân tử điện tử công suất rất nhỏ

Phân loại: Có nhiều cách phân loại các bộ biến đổi xung áp môt chiều, tuỳthuộc vào cách mắc khoá điện từ song song hay nối tiếp mà người ta chia các

bộ biến đổi xung áp thành nối tiếp hay song song Cũng có thể phân biệt bộbiến đổi tuỳ thuộc vào điện áp ra, ví dụ như bộ biến đổi xung áp có bộ biếnđổi xung áp có điện áp ra nhỏ hơn điện áp vào, còn bộ biến đổi xung áp có bộbiến đổi xung áp có điện áp ra lớn hơn điện áp vào.Tuỳ thuộc vào dấu điện áp

mà người ta chia ra: bộ biến đổi xung áp không đảo chiềuhoặc bộ biến đổixung áp có đảo chiều

3.2 Nguyên lí chung của bộ biến đổi xung áp 1 chiều

Hình 3.2a Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung

BXDC có chức năng biến đổi điện áp một chiều, nó có ưu điểm là có thể thayđổi điện áp trong một phạm vi rộng mà hiệu suất của bộ biến đổi cao vỡ tổnthất của bộ biến đổi chủ yếu trên các phần tử đóng cắt rất nhỏ.

So với các phương pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độ động

cơ một chiều như phương pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát mộtchiều, bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lưu có điềukhiển thì phương pháp dùng mạch băm xung có nhiều ưu điểm đáng kể:điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm năng lượng, kinh tế và hiệuquả cao, đồng thời đảm bảo được trạng thái hãm tái sinh của động cơ Cùngvới sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi các linh kiện bán dẫn côngsuất lớn đã tạo nên các mạch băm xung có hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độ nhạycao, điều khiển trơn tru, chi phí bảo trì thấp, kích thước nhỏ Mạch băm xungđặc biệt thích hợp với các động cơ một chiều công suất nhỏ

Điện thế trung bình đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn mặc dùđiện thế đầu vào có thể là hằng số (ắc qui, pin) hoặc biến thiên (đầu ra củachỉnh lưu), tải có thể thay đổi.Với một giá trị điện thế vào cho trước, điện thếtrung bình đầu ra có thể điều khiển theo hai cách:

-Thay đổi độ rộng xung.

-Thay đổi tần số băm xung.

*Nguyên lý: Nguyên lý chung là biến đổi giá trị của điện áp một chiều ở các

mức khác nhau

3.2.1 Phương pháp thay đổi độ rộng xung

Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T Giá trị trung bìnhcủa điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:

1 d

t U

T

  

Trong đó đặt: 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 <   1)

3.2.2 Phương pháp thay đổi tần số xung

Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1 = const Khi đó:

Vậy Ud = U khi và Ud = 0 khi f = 0

Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phương pháp trên Thực tế phương pháp biếnđổi độ rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bịbiến tần đi kèm

3.2.3 Kết luận

Ở đây ta chọn cách thay đổi độ rộng xung, phươg pháp này gọi là PWM (Pulse Width Modulation), theo phương pháp này tân số băm xung sẽ là hằng

số Việc điều khiển trạng thái đóng mỏ của van dựa vào viêc so sánh một điện

áp điều khiển với một sóng tuần hoàn (thường là dạng tam giác (Sawtooth))

có biên độ đỉnh không đổi Nó sẽ thiết lập tần số đóng cắt cho van, tần số đóng cắt này là không đổi với dải tẩn từ 2 kHz đến 200 kHz Khi Ucontrol > Ust

thì cho tín hiệu điều khiển mở van, ngược lại khóa van

3.3 Các dạng băm xung cơ bản

Dựa vào cách mắc khoá xung, các bộ lọc và nguồn cấp mà có các dạng sơ đồ:

ngay cả khi S1 khoá Để đảo chiều dòng điện phần ứng động cơ (dòng id) tacho S2 và D2 vào vận hành còn S1 ngắt Khi đó ,do quán tính động cơ vẫnquay theo chiều cũ mặc dù bị ngắt ra khỏi nguồn  E > 0 Lúc này mạch tảichỉ có nguồn duy nhất E ngắn mạch qua S2 xuất hiện dòng điện chạy ngượclại chiều ban đầu Công suất điện từ của động cơ là: Pđt= Id.E > 0.

Công suất lúc này được tích luỹ trong cuộn cảm L Khi S2 ngắt, trên điện cảm

L sinh ra sức điện động tự cảm (UL) cùng chiều với E.Tổng hai sức điệnđộng này lớn hơn điện áp nguồn US làm D2 dẫn ngược dòng về nguồn và trảlại phần năng lượng đã tích luỹ trong cuộn cảm L

Để đảm bảo S2 dẫn dòng điện ngược ngay khi dòng thuận qua D1 tắt ta phátxung vào mở S2 đồng thời với việc phát xung khoá S1

D 4

D 3

S2

S3

Hình 3.3.2 Sơ đồ nguyên lý xung áp đảo áp lớp B

Hình 3.3.3a Sơ đồ nguyên lý xung áp song song

Đặc điểm của sơ đồ này là L mắc nối tiếp với tải, khoá K mắc song song vớitải Cuộn cảm L không tham gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ Cđóng vai trò này

+ k đóng: dòng điện từ +Uqua LS-U Khi đó D tắt vì trên tụ có Uc (đã đượctích điện từ trước đó)

+ k ngắt: dòng điện từ +Uqua L DTải-U Vì từ thông trong cuộn cảm Lkhông giảm tức thời về không do đó trong L xuất hiện suất điện động tự cảm

eL= , có cùng cực tính với U Do đó tổng điện áp: Ud = U+eL Như vậy ta có

bộ biến đổi tăng áp

Đặc tính của bộ biến đổi này là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U ở chế độ liêntục và năng lượng truyền tải dưới dạng xung nhọn

Đặc tính truyền đạt: WI =

U D