Điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng bộ biến đổi xung áp

Đề cương sơ bộ Đề bài: Điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng bộ biến đổi xung áp

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘĐề bài : Điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng bộ biến đổi xung ápLời nói đầuChương 1 : Tổng quan về động cơ một chiều1.1. Cấu tạo và đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập1.2. Các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều kích từ độc lập* Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng* Phương pháp điều chỉnh từ thông kích từChương 2 : Tổng quan về bộ biến đổi xung áp 2.1. Cấu trúc và phân loại bộ biến đổi xung áp* Bộ biến đổi xung áp nối tiếp ( xung áp giảm áp )* Bộ biến đổi xung áp song song ( xung áp tăng áp )* Bộ biến đổi xung áp tăng-giảm áp* Lựa chọn bộ biến đổi2.2. Phương pháp điều khiển bộ biến đổi xung áp* Phương pháp thay đổi độ rộng xung* Phương pháp thay đổi tần số băm xung* Lựa chọn phương pháp điều khiểnChương 3 : Thiết kế mạch điều khiển3.1. Sơ đồ mạch động lực3.2. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển* Khâu tạo điện áp tam giác* Khâu so sánh tạo xung điều khiển van* Khâu tạo xung chùm* Khâu khuếch đại xung chùm * Biến áp xung3.3. Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển Chương 4 : Mô phỏng mạch điều khiểnKết luậnTài liệu tham khảoGV hướng dẫn SV thực hiện Lời nói đầuCùng 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 hoạtcủa con người. Nó luôn đi trước một bước làm tiền đề nhưng cũng là mũi nhọnquyết định sự thành công của cả một hệ thống sản xuất công nghiệp. Không mộtquốc 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 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 haymáy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhấtcủa động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bảnthân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thìphải 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 suấtlớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 100000kw điện áp vào khoảngvài 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 trongphạm 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 Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU1.1. Cấu tạo và đặc tính cơ của động cơ một chiềuĐộng cơ một chiều bao gồm 2 phần phần cảm (phần tĩnh) và phần ứng (phần quay).* Phần cảm (stator) Phần cảm gọi là stator, gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy và các cực từ chính có dây quấn kích từ (hình 1.1), dòng điện chạy trong dây quấn kích từ sao cho các cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân phiên nhau. Cực từ chính gắn với vỏ máy nhờ các bulông. Ngoài ra máy điện một chiều còn có nắp máy, cực từ phụ và cơ cấu chổi than. Hình 1.1 Cực từ chính * Phần ứng (rotor)Rôto gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp và trục máy.Hình 1.2 Lá thép rôto Hình 1.3 Dây quấn phần ứng máy điện 1 chiều 1. Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dày 0,5 mm, phủ sơn cách điện ghép lại. Các lá thép được dập các lỗ thông gió và rãnh để đặt dây quấn phần ứng (hình 1.2).2. Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong các rãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín. Phần tử của dây quấn là một bối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp của vành góp (hình 1.3a). hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ khác tên (hình 1.3b).3. Cổ góp (vành góp) hay còn gọi là vành đổi chiều gồm nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn được ghép thành một khối hình trụ, cách điện với nhau và cách điện với trục máy.Các bộ phận khác như trục máy, quạt làm mát máy…1.2- Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiềuTrên hình 1.4 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng điện. Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mômen tác dụng lên rôto, làm quay rôto. Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình 1.4a). Hình 1.4 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiềuKhi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau (hình 1.4b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhất định, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi.Chế độ làm việc định mức của máy điện nói chung và của động cơ điện một chiều nói riêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo quy định. Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy gọi là những đại lượng định mức.1. Công suất định mức Pđm (kW hay W).2. Điện áp định mức Uđm (V).3. Dòng điện định mức Iđm (A).4. Tốc độ định mức nđm (vòng/ph). Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dòng điện kích từ…Chú ý: Công suất định mức chỉ công suất đưa ra của máy điện. Đối với máy phát điện đó là công suất đưa ra ở đầu cực máy phát, còn đối với động cơ đó là công suất đưa ra trên đầu trục động cơ.1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều kích từ độc lậpVề phương diện điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng.Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều nói chung và động cơ một chiều kích từ độc lập nói riêng :• Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ.• Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ.Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ. Trong công nghiệp thường sử dụng bốn loại bộ biến đổi chính: • Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điện khuếch đại (KĐM)• Bộ biến đổi điện từ: Khuếch đại từ (KĐT)• Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: Chỉnh lưu tiristo (CLT)• Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristo hoặc tranzito (BBĐXA)Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như:• Hệ truyền động máy phát-động cơ (F-Đ)• Hệ truyền động máy điện khuếch đại - động cơ (MĐKĐ-Đ)• Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ (KĐT-Đ)• Hệ truyền động chỉnh lưu tiristor-động cơ (T-Đ)• Hệ truyền động xung áp-động cơ (XA-Đ)Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có loại điều khiển theo mạch kín (ta có hệ truyền động điều chỉnh tự động) và loại điều khiển theo mạch hở (hệ truyền động điều khiển hở). Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện có cấu trúc phức tạp, nhưng có chất lượng điều chỉnh cao và dải điều chỉnh rộng hơn so với hệ truyền động hở. Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều còn được phân loại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay. Đồng thời tuỳ thuộc vào các phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc ở một góc phần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư.• Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng:Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển vv . Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Uđk. §BB§L kU®kRbRu®IEuEb(Udk) UHình II-1. Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập.Vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không.ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau: Eb - Eư = Iư.Rb + RưđIưudmudbdmbIKRRKEΦ+−Φ=ω (II-2-1) βωωMUdk−= )(0 Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để.Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ thông cũng được giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mô men khởi động. Khi mô men tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là: βωωdmM−=max0max(II-2-2) βωωdmM−=min0min Để thoả mãn khả khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mô men ngắn mạch là: Mnmmin = Mcmax = KM.MdmTrong đó KM là hệ số quá tải về mô men. Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết: )1(1)(minmin−=−=MdmdmnmKMMMββω11.)1(max0max0−−=−−=MdmdmMdmKMMKMDβωββω (II-2-3) Wo maxWmaxWminWo minW®k1W®k1Mnm minM®m0M,IWHình II-2. Xác định phạm vi điều chỉnh Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị ω0max, Mđm, KM là xác định, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng ? Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng cac thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ. Do đó có thể tính sơ bộ được: 10/max≤dmoMβω [...]... chn l 0.5k * Khõu so sỏnh to xung iu khin van Gii thớch nguyờn lý hot ng: Vi 2 giỏ tr Uk ta em so sỏnh vi giỏ tr Uta to ra 4 xung a n b trn xung phớa sau Hai xung Um1 v Ukhúa1 ng b vi nhau, xung ny mc cao thỡ xung kia mc thp Tr hn mt khong l hai xung Um2 v Ukhúa2 cng ng b vi nhau Khuch thut toỏn c s dng l loi cú thi gian tỏc ng nhanh to iu kin cho xung ra cú sn lờn, sn xung dc Ta dựng loi LM7131A/NS... trn xung Mch trn xung dựng cỏc cng logic AND, cú 4 tớn hiu cn trn xung nờn mch cn 4 cng AND, ta dựng 1 IC 7408 do hóng Texas Instrument sn xut cú tớch hp 4 cng AND trong mt IC * Khõu khuch i xung chựm Nguyờn tc: cỏch ly gia mch lc v mch iu khin ta dựng bin ỏp xung Tuy nhiờn do tớnh cht vi phõn ca bin ỏp xung nờn khụng cho phộp truyn cỏc xung rng vi miligiõy Chớnh vỡ tớnh cht ny m ta phi truyn xung. .. quỏ giỏ tr IC1max * Bin ỏp xung Mỏy bin ỏp xung thc hin cỏc nhim v: - Cỏch li mch lc v mch iu khin - Phi hp tr khỏng - Nhõn thnh nhiu xung (BAX nhiu cun th cp) cho van cn m ng thi Mch iu khin gm cú 4 bin ỏp xung, trong ú 2 cỏi to xung m cho cỏc van, 2 cỏi to xung khúa cho cỏc van * Khõu chun húa tớn hiu iu khin: Khõu ny t sau bin ỏp xung, cú nhim v bin i cỏc tớn hiu t bin ỏp xung thnh cỏc tớn hiu in... rng(0 < 1) * Phng phỏp thay i tn s bm xung Ni dung ca phng phỏp ny l thay i T, cũn t1 = const Khi ú: Ud = t1.U = t1 f U T Ngoi ra cú th phi hp c hai phng phỏp trờn Thc t phng phỏp bin i rng xung c dựng ph bin hn vỡ n gin hn, khụng cn thit b bin tn i kốm õy ta chn cỏch thay i rng xung, phg phỏp ny gi l PWM (Pulse Width Modulation).Theo phng phỏp ny tõn s bm xung s l hng s.Vic iu khin trng thỏi úng... dng xung chựm bin ỏp xung hot ng bỡnh thng n gin mch dng thi bo m h s khuch i dũng cn thit tng khuch i ta dựng l kiu Dalinton S mch nh hỡnh v trờn m bo in ỏp bờn cun s cp ca BAX l 15(V) ta chn ngun nuụi cú giỏ tr Vcc = 20 (V) (Vỡ cũn phi tớnh n st ỏp trờn in tr) Khi cú tớn hiu xung i vo thỡ búng T2 s m ng thi lm m luụn T1 Lỳc ny xut hin dũng in chy t ngun nuụi qua R20, qua cun s cp v T1 ri i xung. .. khin cng n gin, gn nh 2.2 Phng phỏp iu khin b bin i xung ỏp in th trung bỡnh u ra s c iu khin theo mc mong mun mc dự in th u vo cú th l hng s (c qui, pin) hoc bin thiờn (u ra ca chnh lu), ti cú th thay i.Vi mt giỏ tr in th vo cho trc, in th trung bỡnh u ra cú th iu khin theo hai cỏch: - Thay i rng xung - Thay i tn s bm xung * Phng phỏp thay i rng xung Ni dung ca phng phỏp ny l thay i t1, gi nguyờn... ũi hi cụng sut iu chnh cao v ũi hi phi cú ngun ỏp iu chnh c xong nú l khụng ỏng k so vi vai trũ v u Im ca nú Vy nờn phng phỏp ny c s dng rng rói Chng 2 : TNG QUAN V B BIN I XUNG P 2.1 Cu trỳc v phõn loi b bin i xung ỏp * B bin i xung ỏp gim ỏp S nguyờn lý : Nguyờn lý hot ng : Phn t iu chnh quy c l khúa S ( van bỏn dn iu khin c ) c im ca s ny l khúa S, cun cm v ti mc ni tip Ti cú tớnh cht cm khỏng... U = 1,55 (V) Nhit lm vic cc i cho phộp :Tmax=1800C 3.2 S cu trỳc mch iu khin * Yờu cu chung ca mch iu khin Mch iu khin iu khin bm xung ỏp mt chiu cn c xõy dng theo cỏc nguyờn tc v yờu cu sau: - To c xung m IGBT cú biờn in ỏp l +15V, rng theo yờu cu iu khin - To c xung khúa IGBT cú biờn in ỏp l -5V, rng theo yờu cu - To c 2 kờnh iu khin 2 nhúm van IGBT theo lut iu khin i xng - Cú kh nng chng nhiu... l khõu phỏt xung ng b v khõu to xung rng ca (dng tam giỏc) Khõu ny s quyt nh luụn tn s iu khin cỏc IGBT S d ta chn in ỏp ta dng ny l vỡ cú 2 u im sau: ằ m bo an ton cho vic úng m cỏc van bỏn dn Vi 2 in ỏp iu khin lch nhau c 0.2V a vo 2 mch so sỏnh tng ng 2 kờnh iu khin 2 nhúm IGBT ta cú th tin tng rng trong ton b quỏ trỡnh hot ng, nhúm van ny khúa chc chn thỡ nhúm van cũn li mi c phỏt xung m Gii phỏp... ú trong L xut hin sut in ng t cm cú cựng cc tớnh vi U Do ú tng in ỏp: ud =U + eL Vy ta cú b bin i tng ỏp c tớnh ca b bin i l tiờu th nng lng t ngun U ch liờn tc v nng lng truyn ra ti di dng xung nhn * B bin i xung ỏp tng-gim ỏp S nguyờn lý: Ti l ng c mmt chiu c thay bi mch tng ng R-L-E L1 ch úng vai trũ tớch lu nng lng C úng vai trũ lc Nguyờn lý hot ng : + S úng, trờn L1 cú U, dũng chy t +U S L1 . loại bộ biến đổi xung áp* Bộ biến đổi xung áp nối tiếp ( xung áp giảm áp )* Bộ biến đổi xung áp song song ( xung áp tăng áp )* Bộ biến đổi xung áp tăng-giảm. SƠ BỘĐề bài : Điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng bộ biến đổi xung ápLời nói đầuChương 1 : Tổng quan về động cơ một chiều1 .1. Cấu tạo và đặc tính cơ