đồ án điện tử công suất

Trang 1

Khoa điện - điện tử

Trờng đại học s phạm kỹ thuật hng yên

Khoa Điện - Điện Tử

Giáo viên hớng dẫn: Đỗ Quang Huy

Sinh viên thực hiện:

Lớp: ĐK4H

Hng Yên, 2007

Trờng đhsp kỹ thuật hng yên cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam

Khoa điện –điện tửđiện tử Độc lập- Tự do- Hạnh phúc

Trang 2

Sinh viên thực hiện :

1/ Tên đề tài:

“ Thiết kế và tính toán mạch điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều

kích từ độc lập”

2/ Nội dung cần hoàn thành:

1- Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một số phần tử bán dẫncông suất

2- Nghiên cứu nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.

3- Thiết kế, tính toán đợc mạch lực và mạch điều khiển sử dụng các van bán

dẫn điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập có thông số cụ thể chotrớc

4- Một quyển thuyết minh đi kèm

3- Thời gian thực hiện:

- Ngày giao đề:

- Ngày hoàn thành:

Giáo viên hớng dẫn

Đỗ Quang Huy

Nhận xét đánh giá của giáo viên hớng dẫn

Giáo viên hớng dẫn: Đỗ Quang Huy

2

Trang 3

Ngày tháng năm2007

Lời nói đầuVới sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn, các thiết bịbiến đổi điện năng dùng các linh kiện bán dẫn công suất đã đợc sử dụng nhiều trongcông nghiệp và đời sống nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao của xã hội Vì thếmôn học Điện Tử Công Suất là một trong những môn khoa học đặc biệt trong các trờng

kỹ thuật để ngời học có điều kiện học tập nghiên cứu ra những ứng dụng phục vụ chothực tiễn Tuy nhiên những ứng dụng đó vẫn cha đợc khai thác triệt để trong hệ thống

điều khiển, đo lờng và điều chỉnh…

Trong quá trình học tập tại trờng Đại Học S Phạm Kỹ Thuật Hng Yên

đợc sự chỉ đạo của nhà trờng, của khoa Điện - Điện Tử và đặc biệt là thầy Đỗquang huy đã hớng dẫn chúng em làm đề tài Thiết kế và tính toán mạch điều“

khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập” Và trong cuốn thuyết minh

này nhóm chúng em đã trình bày đợc những vấn đề cơ bản mà đề tài đã yêu cầu Tuynhiên với thời gian và kiến thức còn hạn chế nên nội dung còn có những thiếu sót.Chúng em rất mong nhận đợc những ý kiến đóng góp của các thầy, các cô và toàn thểcác bạn để đề tài của chúng em đợc hoàn thiện hơn

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn!

Trang 4

Mục lục

Chơng 1 Giới thiệu về van bán dẫn

A Giới thiệu đặc điểm vật liệu bán dẫn

1 Chất bán dẫn nguyên chất

II Transistor công suất

2.1 Cấu tạo và ký hiệu

2.2 Nguyên lý hoạt động

2.3 ứng dụng của Transistor công suất

2.4 Transistor Mos công suất

III.Tiristor

3.1 Cấu tạo của Tiristor

3.2 Nguyên lý hoạt động

3.3.ứng dụng của Tiristor

Chơng 2: Tổng quan về động cơ điện một chiều

I Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều

1.Động cơ điện kích thích độc lập hoặc song song

2.Động cơ điện kích thích nối tiếp

3 Động cơ điện kích thích hỗn hợp:

II Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ

1 Đặt vấn đề

2 Hai phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

2.1 Thay đổi điện áp đặt vào phần ứng :

3 Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ:

Chơng 3 Tính toán và thiết kế mạch điều khiển tốc độ động

7

99

Trang 5

cơ điện một chiều dùng điện tử công suất

Phần I : Nguyên lý hoạt động của mạchchỉnh lu cầu ba pha

Phần II: Thiết kế mạch điều khiển

1 Chọn phơng pháp phát xung:

2.Thiết kế mạch điều khiển

2.1 Khối đồng bộ hoá và phát sóng răng ca (khối I)

2.2 Khối so sánh :

2.3 Khối tạo xung

2.3.1.Tạo xung chùm điều khiển

2.3.2.Khâu khuếch đại và biến áp xung

Phần III : Tính toán các thông số của mạch động lực và mạch điều

Tính toán dây quấn

Kết cấu dây dẫn sơ cấp

Kết cấu dây quấn thứ cấp

Tính kích thớc mạch từ

Tính khối lợng của sắt và đồng

Tính các thông số của máy biến áp

III.4 thiết kế cuộn kháng lọc

1.Xác định góc mở cực tiểu và cực đại

2 Xác định các thành phần sóng hài

3 Xác định điện cảm cuộn kháng lọc

4 Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc

III.5 Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực

1.Sơ đồ mạch động lực khi có các thiết bị bảo vệ

2 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn

3 Bảo vệ quá dòng điện cho van

4 Bảo vệ quá điện áp cho van

III.6 Tính toán các thông số của mạch điều khiển

1.Tính biến áp xung

2 Tính tầng khuếch đại cuối cùng

3 Chọn cổng AND

2834

44

444546

56

63

67

Trang 6

4 Chọn tụ C3 và R9

5.Tính chọn bộ tạo xung chùm

6 Tính chọn tầng so sánh

7 Tính chọn khâu đồng pha

8 Tạo nguồn nuôi

9 Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha

Chơng 1

giới thiệu về van bán dẫn

A Giới thiệu đặc điểm vật liệu bán dẫn

1 Chất bán dẫn nguyên chất

Khái niệm: là chất mà khi tăng nhiệt độ thì chất bán dẫn dẫn điện tốt Chất bándẫn nguyên chấtgồm hai loại: Germani (Ge) và Silic (Si) thuộc nhóm IV trong bảng hệthống tuần hoàn

Khi có năng lợng đặt vào thì các điện t ở mối liên kết sẽ bứt ra khỏi mối liên kết

đó tạo ra hạt điện tử tự do chuyển động hỗn loạn trong mạng tinh thể Khi có nguồn

điện trờng vào làm các hạt điện tử chuyển động theo chiều điện trờng làm xuất hiệndòng điện có chiều ngợc với dòng chuyển dời lcủa các hạt điện tử

Trang 7

ra loại P Dòng điện I do hai thành phần không tơng nhau tạo nên lỗ trống gọi là đa số.Các hạt điện tử là thiểu số (np<<PP)

có 5 điện tử thì 4 điện tử của Silic tham gia liên kết với 5 điện tử của nguyên tố kia làmxuất hiện 1 điện tử tự do Trong cấu trúc tinh thể các điện tử tự do làm tăng tính dẫn

điện Do điện tử có điện tích âm nên chất này đợc gọi là chất bán dẫn loại N (Negative)

có nghĩa là âm

Nếu thêm vào Silic một nguyên tố thuộc nhóm III thì xuất hiện một lỗ trốngtrong cấu trúc tinh thể Lỗ trống này có thể nhận một điện tử tạo nên điện tích dơng vàlàm tăng tính dẫn điện Chất này gọi là chất bán dẫn loại P (Positive) có nghĩa là dơng

ở giữa hai lớp bán dẫn là mặt ghép PN, tại đây xảy ra hiện tợng khuếch tán các lỗtrống của bán dẫn loại P tràn sang N và các điện tử của bán dẫn loại N chạy sang P.Kết quả tại mặt tiếp giáp phía P nghèo đi về điện tích dơng và giàu lên về điện tích âmcòn bán dẫn loại N thì ngợc lại

Trong vùng chuyển tiếp (- ) hình thành một điện tờng nội tại Ký hiệu là Ei

và có chiều từ N sang P hay còn gọi là barie điện thế (khoảng từ 0,6V đến 0,7 V đốivới vật liệu là Silic) Điện trờng này ngăn cản sự sự di chuyển của các điện tích đa số

và làm dễ dàng cho sự di chuyển của các điện tích tiểu số (điện tử của vùng P và lỗtrống của vùng N) Sự di chuyển của các điện tích thiểu số hình thành nên dòng điệnngợc hay dòng điện rò

d

N P

Trang 8

Hình 2 a- Sự phân cực thuận Diode, b- Sự phân cực ngợc Diode

Khi đặt Diode công suất dới điện áp nguồn U có cực tính nh hình vẽ, chiều của

điện trờng ngoài ngợc chiều với điện trờng nội Ei Thông thờng U > Ei thì có dòng

điện chạy trong mạch, tạo nên điện áp rơi trên Diode khoảng 0,7 V khi dòng điện là

định mức Với sự phân cực thuận hạ thấp barie điện thế Ta nói mặt ghép PN đợc phâncực thuận

Khi đổi chiều cực tính điệm áp đặt vào Diode, điện trờng ngoài sẽ tác động cùngchiều với điện trờng nội tại Ei Điện trờng tổng hợp cản trở sự di chuyển của các điệntích đa số Các điện tử của vùng N di chuyển thẳng về cực dơng nguồn U làm cho điệnthế vùng N vốn đã cao lại càng cao hơn so với vùng P Vì thế vùng chuyển tiếp lại càngrộng ra, không có dòng điện chạy qua mặt ghép PN Ta nói mặt ghép PN bị phân cựcngợc Nếu tiếp tục tăng U, các điện tích đợc gia tốc gây nên sự va chạm dây chuyềnlàm barie điện thế bị đáng thủng

Đặc tính Volt – Ampe của Diode công suất đợc biểu diễn gần đúng bằng biểuthức sau:

T = 273 + t0 nhiệt độ tuyệt đối (0K)

t0 : Nhiệt độ của môi trờng (0C)

U : Điện áp đặt trên Diode (V)

Hình3 Đặc tính Volt – Ampe (V - A) của Diode

Đặc tính V – A của Diode gồm có hai nhánh: 1 Nhánh thuận

Trang 9

Khi Diode đợc phân cực thuận dới điện áp U thì barie điện thế Ei giảm xuốnggần bằng không Tăng U, lúc đầu dòng I tăng từ từ cho đến khi U lớn hơn khoảng 0,1

V thì I tăng một cách nhanh chóng, đờng đặc tính có dạng hàm mũ

Tơng tự, khi phân cực ngợc cho Diode, tăng U dòng điện ngợc cũng tăng từ từ.Khi U lớn hơn khoảng 0,1 V dòng điện ngợc dừng lại ở giá trị vài chục mA và đợc kýhiệu là IS Dòng IS là do sự di chuyển của các điện tích thiểu số tạo nên Nếu tiếp tụctăng U thì các điện tích thiểu số di chuyển càng dễ dàng hơn, tốc độ di chuyển tỉ lệthuận với điện trờng tổng hợp, động năng của chúng tăng lên Khi U  Uz thì sự vachạm giữa các điện tích thiểu số di chuyển với tốc độ cao sẽ bẻ gãy đợc các liên kếtnguyên tử Silic trong vùng chuyển tiếp và xuất hiện những điện tử tự do mới Rồinhững điện tích tự do mới này chịu sự tăng tốc của điện trờng tổng hợp lại tiếp tục bắnphá các nguyên tử Silic Kết quả tạo một phản ứng dây truyền làm cho dòng điện ng ợctăng lên ào ạt và sẽ phá hỏng Diode Do đó, để bảo vệ Diode ngời ta chỉ cho chúnghoạt động với giá trị điện áp: U = (0,7 0,8)U2

Khi Diode hoạt động dòng điện chạy qua Diode làm cho Diode phát nóng, chủyếu tại vùng chuyển tiếp Đối với Diode loại Silic, nhiệt độ mặt ghép cho phép là 2000

C Vợt quá nhiệt độ này Diode có thể bị phá hỏng Do đó, để làm mát Diode ta sử dụngquạt gió, cánh tản nhiệt hay cho nớc hoặc dầu biến thế chảy qua cánh tản nhiệt với tốc

độ lớn hay nhỏ tùy theo dòng điện

Các thông số kỹ thuật cơ bản để chọn Diode là:

- Dòng điện định mức Iđm (A)

- Điện áp ngợc cực đại Ungmax (V)

- Điện áp rơi trên Diode U (V)

1.3 ứng dụng

ứng dụng chủ yếu của Diode công suất là chỉnh lu dòng điện xoay chiều thànhdòng điện một chiều cung cấp cho tải

Các bộ chỉnh lu của Diode đợc chia thành hai nhóm chính:

- Chỉnh lu bán kỳ hay còn gọi là chỉnh lu nửa sóng

- Chỉnh lu toàn kỳ hay còn gọi là chỉnh lu toàn sóng

II transistor công suất

2.1 Cấu tạo và ký hiệu

Transistor là linh kiện bán dẫn gồm 3 lớp: PNP hay NPN

9

Hình4 Transistor PNP

( b )

C B E

( a )

E B

C

N P P

N

C B E

( b )

Trang 10

Lớp bán dẫn N của cực C sẽ xác định điện áp đánh thủng của tiếp giáp B – C

và của C – E Transistor công suất còn gọi là Bipolar Transistor và dòng điện trongcấu trúc bán dẫn bao gồm cả hai loại điện tích âm và dơng

Trong chế độ tuyến tính hay còn gọi là chế độ khuếch đại Transistor là phần tửkhuếch đại dòng điện với dòng Colector (dòng tải) bằng  lần dòng Bazơ (dòng điềukhiển)

IC =  IB

 = 10  100 hệ số khuếch đại dòng điện

Transistor công suất có cấu trúc và ký hiệu nh sau:

Hình.6 - Cấu trúc và ký hiệu của Transistor công suất

Emite

r

C

C E

C





P

Trang 11

Hình7- Sơ đồ phân cực Transistor

Điện thế UEE phân cực thuận mối nối B – E (PN) là nguyên nhân làm cho vùngphát (E) phóng điện tử vào vùng P (cực E) Hầu hết các điện tử (Electron) sau khi quavùng B rồi qua tiếp mối nối thứ hai phía bên phải hớng tới vùng N (cực thu), khoảng1% điện tử đợc giữ lại ở vùng B Các lỗ trống vùng nền di chuyển vào vùng phát

Mối nối BE ở chế độ phân cực thuận nh một Diode, có điện kháng nhỏ và điện

áp rơi trên nó nhỏ thì mối nối BC đợc phân cực ngợc bởi điện áp UCC Bản chất mối nối

BC giống nh một Diode phân cực ngợc và điện kháng mối nối BC rất lớn Dòng điện

đo đợc trong vùng phát gọi là dòng phát IE Dòng điện đo đợc trong mạch cực C gọi làdòng cực thu IC, nó gồm hai thành phần:

- Thành phần thứ nhất (thành phần chính) là tỉ lệ của hạt Electron ở cực phát tớicực thu Tỉ lệ này phụ thuộc duy nhất vào cấu trúc của Transistor và là hằng số đợc tínhtrớc đối với từng Transistor riêng biệt Hằng số đã đợc định nghĩa là  Vậy thànhphần chính của dòng IC là  IE.Thông thờng  = 0,9  0,999

- Thành phần thứ hai là dòng qua mối nối BC ở chế độ phân cực ngợc lại khi IE

= 0 Dòng này gọi là dòng ICBO và có giá trị rất nhỏ

- Với dòng qua cực thu IC =  IE + ICBO

Các thông số của Transistor công suất:

IC: Dòng Colector mà Transistor chịu đợc

UCEsat: Điện áp UCE khi Transistor dẫn bão hòa

UCEO: Điện áp UCE khi mạch Bazơ để hở, IB = 0

UCEX: Điện áp UCE khi Bazơ bị khóa bởi điện áp âm, IB < 0

Ton: Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị điện áp nguồn U giảm xuống

UCEsat  0

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 nh bên trong Transistor và đợc tính bằng công thức: P =

UBE IB + UCE IC

Khi Transistor ở trong trạng thái mở: IB = 0, IC = 0 nên P = 0

Khi Transistor ở trong trạng thái đóng: UCE = UCEsat

Trong thực tế Transistor công suất thờng đợc cho làm việc ở chế độ khóa: IB = 0,

IC = 0, Transistor đợc coi nh hở mạch Nhng với dòng điện gốc ở trạng thái có giá trịbão hòa, thì Transistor trở về trạng thái đóng hoàn toàn Transistor là một linh kiện phụthuộc nên cần phối hợp dòng điện gốc và dòng điện góp trạng thái bão hòa để duy trìkhả năng điều khiển và để tránh điện tích ở cực gốc quá lớn, dòng điện gốc ban đầuphải cao để chuyển sang trạng thái dẫn nhanh chóng ở chế độ khóa dòng điện gốcphải giảm cùng quy luật nh dòng điện góp để tránh hiện tọng chọc thủng thứ cấp

Trang 12

Hình8.- Trạng thái dẫn và trạng thái bị khóa a- Trạng thái đóng mạch hay ngắn mạch I B lớn, I C do tải giới hạn

b- Trạng thái hở mạch I B = 0

Các tổn hao chuyển mạch của Transistor có thể lớn Trong lúc chuyển mạch,

điện áp trên các cực và dòng điện của Transistor cũng lớn Tích của dòng điện và điện

áp cùng với thời gian chuyển mạch tạo nên tổn hao năng lợng trong một lần chuyểnmạch Công suất tổn hao chính xác do chuyển mạch là hàm số của các thông số củamạch phụ tải và dạng biến thiên của dòng điện gốc

Đặc tính tĩnh của Transistor: UCE = f (IC)

Để cho khi Transistor đóng, điện áp sụt bên trong có giá trị nhỏ, ngời ta phảicho nó làm việc ở chế độ bão hòa, tức là IB phải đủ lớn để IC cho điện áp sụt UCE nhỏnhất ở chế độ bão hòa, điện áp sụt trong Transistor công suất bằng 0,5 đến 1V trongkhi đó Thyristor là khoảng 1,5V

2.3 ứng dụng của Transistor công suất

Transistor công suất dùng để đóng cắt dòng điện một chiều có dòng điện lớn.Tuy nhiên trong thực tế Transistor công suất thờng cho làm việc ở chế độ khóa IB = 0,

IC = 0: Transistor coi nh hở mạch

2.4 Transistor Mos công suất

Transistor trờng FET (Field Efect Transistor) đợc chế tạo theo công nghệ Mos(Metal Oxid Semiconductor), thờng sử dụng nh những chuyển mạch điện tử có côngsuất lớn Khác với Transistor lỡng cực đợc điều khiển bằng dòng điện, Transistor Mos

đợc điều khiển bằng điện áp Transistor Mos gồm các cực chính: Cực máng (Drain),nguồn (Source), và cửa (Gate) Dòng điện máng – nguồn đợc điều khiển bằng điện ápcửa – nguồn

12

Hình9 - Đặc tính tĩnh của Transistor: UCE = f (IC)

Vùng tuyến tính Vùng gần bão hòa

Vùng bão hòa

U CE

= 6V

= 9V

= 7,5VDòng

điện

máng

Điện trở hằng số

Điện áp máng –

nguồn

Trang 13

Hình10 - Transistor Mos công suất a- Họ đặc tính ra b- Ký hiệu thông thờng kênh N

Transistor Mos là loại dụng cụ chuyển mạch nhanh Với điện áp 100V tổn haodẫn ở chúng lớn hơn Transistor lỡng cực và Thyristor, nhng tổn hao chuyển mạch nhỏhơn nhiều Hệ số nhiệt điện trở của Transistor Mos là dơng Dòng điện và điện áp chophép của Transistor Mos nhỏ hơn của Transistor lỡng cực và Thyristor

III.Tiristor

3.1 Cấu tạo của Tiristor

Thyristor là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn PNPN liên tiếp tạo nên anốt, katôt vàcực điều khiển

Hình11 a là cấu tạo, b là ký hiệu

Thyristor gồm một đĩa Silic từ đơn thể loại N, trên lớp đệm loại bán dẫn P cócực điều khiển bằng dây nhôm, các lớp chuyển tiếp đợc tạo nên bằng kỹ thuật bay hơicủa Gali

3.2 Nguyên lý hoạt động

Đặt thyristor dới một điện áp một chiều , anốt nối vào cực dơng, catốt nối vàocực âm của nguồn điện áp, J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngợc Gần nh toàn bộ điện

áp nguồn đặt trên mặt ghép J2 Điện trờng nội tại Ei của J2 có chiều từ N1 hớng về P2

Điện trờng ngoài tác động cùng chiều với Ei vùng chuyển tiếp cũng là vùng cách điện

P

1

N 1 P

Trang 14

càng mở rộng ra không có dòng điện chạy qua thyristor mặc dù nó bị đặt dới điện ápthuận

Hình12 Đặc tính volt-ampe của tiristor

+) Mở thyristor

Cho một xung điện áp dơng Us tác động vào cực G (dơng so với K), Các điện tử

từ N2 sang P2 Đến đây một số ít điện tử chảy vào cực G và hình thành dòng điềukhiển Is chạy theo mạch G- J3- K-G còn phần lớn điện tử chịu sức hút của điện tr ờngtổng hợp của mặt ghép J2 lao vào vùng chuyển tiếp này, tăng tốc, động năng lớn bẻgãy các liên kết nguyên tử silíc tạo nên các nguyên tử tự do mới Số nguyên tử mới đợcgiải phóng tham gia bắn phá trong vùng kế tiếp Kết quả là phản ứng dây truyền xuấthiện nhiều điện tử chạy vào N1 qua P1 và đến cực dơng của nguồn điện ngoài gây nênhiện tợng dẫn ào ạt, J2 trở thành mặt ghép dẫn điện, bắt đầu từ một điểm ở xung quanhcực G rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép

Thyristor khi + UAK> 1V hoặc IG> IGst thì thyristor sẽ mở Trong đó IGst là dòng

điều khiển đợc tra ở sổ tay tra cứu

+) Khoá thyristor có 2 cách :

- Làm giảm dòng điện làm việc I xuống dới giá trị dòng duy trì IH

- Đặt một điện áp ngợc lên thyristor, khi đó UAK < 0, J1 và J3 bị phân cực

ng-ợc, J2 phân cực thuận, điện tử đảo chiều hành trình tạo nên dòng điện ngợc chảy từcatốt về anốt, về cực âm của nguồn điện ngoài

+) Xét sự biến thiên của dòng điện i(t) khi thyristor khoá

Trang 15

Từ t0 đến t1 dòng điện lớn, sau đó J1, J3 trở nên cách điện Do hiện tợng khuếchtán một ít điện tử giữa hai mặt J1 và J3 ít dần cho đến hết, đồng thời J2 khôi phục tínhchất của mặt ghép điều khiển

3.3.ứng dụng của Tiristor

Thyristor đợc sử dụng trongcác bộ nguồn đặc biệt trong mạch chỉnh lu, bộ băm

và bộ biến tần trực tiếp hoặc các bộ biến tần có khâu trung gian một chiều

- ứng dụng của thyristor trong mạch điều khiển động cơ

- Chuyển mạch tĩnh

- Khống chế pha

- Nạp ăcquy

chơng 2: tổng quan về động cơ điện một chiều

I Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều.

1.Động cơ điện kích thích độc lập hoặc song song

Trang 16

Phơng trình đặc tính cơ: Biểu thị quan hệ giữa tốc độ (n)và mômen (M)

M K

R R K

)

Với những điều kiện U=const, It=const thì từ thông của động cơ hầu nh không

đổi Vì vậy quan hệ trên là tuyến tính và đờng đặc tính cơ của động cơ là đờng thẳng

Do R rất nhỏ, nên khi tải thay đổi từ không

đến định mức thì tốc độ giảm rất ít cho nên

đặc tính cơ của động cơ điện kích thích songsong rất cứng Với đặc điểm nh vậy, động cơ

điện kích thích song song đợc dùng trongnhững trờng hợp tốc độ hầu nh không đổi khi

2.Động cơ điện kích thích nối tiếp.

ở động cơ điện kích thích nối tiếp, dòng điệnkích thích chính là dòng điện phần ứng : It= I-

=I Vậy trong phạm vi khá rộng có thể biểu thị:

R M

K Ce

U C n

e

u M

.

Nh vậy khi mạch từ cha bão hoà, đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kíchthích nối tiếp có dạng là đờng hypebol bậc hai

Ta thấy, ở động cơ một chiều kích thích nốitiếp, tốc độ quay n giảm rất nhanh khi M tăng

Và khi mất tải (M=0, I=0) thì n có trị số rấtlớn Vì vậy thờng chỉ cho phép động cơ làmviệc với tải tối thiều P2=(0,2  0,25)Pđm Từdạng đặc tính cơ ta cũng có nhận xét là đặctính cơ của động cơ kích thích nối tiếp rất

Trang 17

mềm  động cơ nối tiếp rất u việt trong những nơi cần mở máy nặng nề và cần tốc độthay đổi trong một vùng rộng

Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp đợc điềuchỉnh nh ở trờng hợp động cơ kích thích song song; dù rằng về nguyên tắc có thể ápdụng những phơng pháp điều chỉnh tốc độ dùng cho động cơ kích thích nối tiếp

Từ những tính chất của từng loại động cơ nh đã trình bày ở trên, so sánh với đặctính tải và những yêu cầu của truyền động trong lĩnh vực giao thông ta thấy rằng loại

động cơ kích thích nối tiếp và kích thích hỗn hợp kiều bù là đáp ứng đ ợc những yêucầu về truyền động Ta có thể nêu u điểm của hai loại động cơ này so với động cơ kíchthích độc lập hoặc song song đứng trên quan điểm xét sự phù hợp với đặc tính tải:

+ Đặc tính cơ mềm và độ cứng thay đổi theo phụ tải Điều này rất thích hợptrong giao thông có yêu cầu tốc độ thay đổi theo tải

+ Có khả năng quá tải lớn về mômen và khả năng khởi động tốt hơn Nhờ vậycho phép làm việc ở môi trờng kéo tải nặng nề

+ Vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng phần ứng I nên khả năngchịu tải của động cơ không chịu ảnh hởng của sụt áp lới điện nên rất thích hợp chonhững truyền động dùng trong ngành giao thông có đờng dây cung cấp điện đi kèmtheo tải

Thực tế trong lĩnh vực này động cơ kích thích nối tiếp đợc sử dụng Tuy nhiênngời ta cũng dùng cả động cơ kích thích hỗn hợp vì nó cho phép thực hiện hãm tái sinhnăng lợng mà vẫn đảm bảo tốt các yêu cầu truyền động

II Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ.

1 Đặt vấn đề :

Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông

số nguồn nh điện áp hay các thông số mạch nh điện trở phụ, thay đổi từ thông Từ đótạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu Cóhai phơng pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:

Trang 18

- 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: Phơng pháp này làm giảm tính phức tạpcủa cơ cấu và cải thiện đợc đặc tính điều chỉnh Vì vậy, ta khảo sát sự điều chỉnh tốc độtheo phơng pháp thứ hai

Ngoài ra cần phân biệt điều chỉnh tốc độ với sự tự động thay đổi tốc độ khi phụtải thay đổi của động cơ điện

Về phơng diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều u việt hơn sovới các loại động cơ khác Không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng màcấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn, đồng thời lại đạt chất lợng điềuchỉnh cao trong dãy điều chỉnh tốc độ rộng

Thực tế tồn tại hai phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều:

 Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ, tức là thay đổi U

 Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ, tức là thay đổi từ thông 

Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi  có thể thay đổi đợc liên tục

và giữ đợc hiệu suất của động cơ là không đổi vì sự điều chỉnh dựa trên việc tác dụnglên mạch kích thích có công suất nhỏ so với công suất động cơ Nhng do bình thờng

động cơ làm việc ở chế độ định mức, ứng với kích thích tối đa (=đm=max), nên chỉ

có thể điều chỉnh theo hớng giảm từ thông, tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc

độ và giới hạn điều chỉnh tốc độ bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và đảo chiều quaynên phơng pháp này không thích hợp trong trờng hợp động cơ kéo tải giao thông

Phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ chỉ cho phép điều chỉnh tốc

độ quay dới tốc độ định mức vì không thể nâng cao điện áp lên trên Uđm của động cơ.hơng pháp này cho phép điều chỉnh triệt để vì có những u điểm sau:

+ Hiệu suất điều chỉnh cao

+ Không có tổn hao trong máy điện khi điều chỉnh

+Việc thay đổi điện áp phần ứng, cụ thể là giảm U  mômen ngắn mạch Mnm

giảm, dòng ngắn mạch Inm 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 là nh nhau.+ Điều chỉnh trơn trong toàn bộ giải điều chỉnh

Tuy vậy, phơng pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao, và đòi hỏi phải cónguồn điện áp điều chỉnh đợc

Từ những phân tích trên ta thấy việc chọn phơng pháp điều chỉnh điện áp phầnứng là thích hợp cho động cơ kéo tải giao thông Mặc dù, dải điều chỉnh chỉ cho phépthấp hơn tốc độ định mức nh ta có thể mở rộng dải điều chỉnh nhờ kết hợp với cơ cấucơ khí nh đã đề cập ở trên

18

Trang 19

Cụ thể ta sẽ đi vào tìm hiểu hai phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ mộtchiều nh sau

2 Hai phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

2.1 Thay đổi điện áp đặt vào phần ứng :

a Sơ đồ khối :

BĐ : bộ biến đổi điện áp

UĐK : điện áp điều khiển Đ : động cơ điện một chiều kích từ độc lập

b Phơng trình đặc tính cơ :

c Họ đặc tính cơ :

d Nhận xét :

Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng

động cơ sẽ giữ nguyên độ cứng của đờng đặc tính cơ nên đợc dùng nhiều trong máy cắtkim loại và cho những tốc độ nhỏ hơn ncb Phơng pháp này chỉ thích hợp cho nhữngmáy có MC không đổi trong suốt quá trình điều chỉnh

- u điểm: Đây là phơng pháp điều chỉnh triệt để, vô cấp có nghĩa là có thể điềuchỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi ở không tải lý tởng

- Nhợc điểm: Chỉ đạt đợc những tốc thấp hơn tốc độ cơ bản

Cần phải có bộ nguồn có điện áp thay đổi đợc nên vốn đầu t cơbản và chi phí vận hành cao

M K

K

R R K

U n

dm M E

f u dm

n 1 n 2 n 3

CKT

Hình 3 Sơ đồ nguyên lý điều

chỉnh tốc độ ĐCĐMCKTĐL bằng thay đổi điện áp phần ứng

Hình 4 Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ.

Trang 20

Khi giảm từ thông thì sẽ đợc tốc độ cao hơn tốc độ định mức

Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều chỉnh tốc

độ vô cấp và cho những tốc độ lớn hơn ncb

Phơng pháp này đợc dùng để điều chỉnh tốc độ cho các máy có công suất không

đổi trong suốt quá trình điều chỉnh nh : máy mài vạn năng hoặc là máy bào giờng

Do quá trình điều chỉnh tốc độ đợc thực hiện trên mạch kích từ nên tổn thấtnăng lợng ít, mang tính kinh tế Thiết bị đơn giản

III Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá chất lợng hệ thống điều chỉnh tốc độ:

Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn cứ vàocác chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lợng của hệ thống truyền động điện:

1 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 bé nhất

nmin mà ngời ta có thể điều chỉnh đợc tại giá trị phụ tải là định mức:

D = nmax/nmin.Trong đó:

- nmax : Đợc giới hạn bởi độ bền cơ học

Hình 5 Sơ đồ nguyên lý

điều chỉnh tốc độ

ĐCĐMCKTĐL bằng thay đổi từ thông mạch kích từ.

M K

K

R R K

U n

M E

f u E

Trang 21

- nmin : Đợc giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ, thông thờng ngời tachọn nmin làm đơn vị

Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào yêu cầu của từng hệthống, khả năng từng phơng pháp điều chỉnh

3 Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ:

Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ Độ liên tục khi điềuchỉnh tốc độ  đợc đánh giá bằng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau:

 = ni+1/ni

Trong đó:

- ni : Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ i

- ni + 1: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ ( i + 1 )

Với ni và ni + 1 đều lấy tại một giá trị moment nào đó

 tiến càng gần 1 càng tốt, phơng pháp điều chỉnh tốc độ càng liên tục.Lúc này hai cấp tốc độ bằng nhau, không có nhảy cấp hay còn gọi là điều chỉnh tốc độvô cấp

  1 : Hệ thống điều chỉnh có cấp Lúc này hệ thống có thể làm việc ởmột số giá trị của tốc độ trong suốt dải điều chỉnh

Trang 22

chơng 3 tính toán và thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ

điện một chiều kích từ độc lập dùng điện tử công suất

Để điều khiển tốc độ động cơ điện, ta chọn chỉnh lu cầu ba pha, vì đây là sơ đồ

có chất lợng điện áp ra tốt nhất trong các sơ đồ chỉnh lu thờng gặp.Sơ đồ chỉnh lu cầu

ba pha điều khiển đối xứng đợc dùng nhiều trong các trờng hợp tải có yêu cầu về việchoàn trả năng lợng về lới

Phần I : Nguyên lý hoạt động của mạch

- Giả sử trớc thời điểm  t =

Trang 23

dần dần đợc phân cực thuận, tuy nhiên van T2 vẫn cha dẫn điện do cha có xung kích

mở, còn van T1 vẫn tiếp tục dẫn điện do sđđ tự cảm của cuộn cảm tải tạo ra Nh vậy

trong khoảng thời gian t = 3

+, phát xung điều khiển kích mở van T2 Van T2

lúc này sẽ dẫn điện Nh vậy trong khoảng  t = 3

điều khiển kích mở Còn van T2 vẫn tiếp tục dẫn điện, do sđđ tự cảm của cuộn cảm tảitạo ra

- Đến thời điểm  t = 5

6



+, phát xung điều khiển kích mở van T3, lúc này

van T3 sẽ dẫn điện Trong khoảng  t = 5

6



thì ua = uc và uc có xu hớng dơng hơn ua, còn ua có

xu hớng âm hơn uc, nh vậy van T4 dần dần đợc đặt điện áp thuận, tuy nhiên van T4 vẫn

cha dẫn điện Nh vậy trong khoảng t = 7

Trang 24

cha dẫn điện, còn van T4 sẽ tiếp tục dẫn điện do sđđ tự cảm của cuộn cảm tải tạo ra

Nh vậy trong khoảng  t = 9

+ , phát xung điều khiển kích mở van T5 , lúc này

van T5 sẽ dẫn điện Trong khoảng  t = 9

+ , phát xung điều khiển kích mở van T1 , lúc

này van T1 sẽ dẫn điện Trong khoảng  t =11

6



thì ua = uc, và ua có xu hớng dơng hơn uc, nh vậyvan T6 dần đợc phân cực thuận, tuy nhiên van T6 vẫn cha dẫn điện do cha có xung điều

khiển, còn van T1 vẫn tiếp tục dẫn điện, nh vậy trong khoảng  t =13

+ , phát xung điều khiển kích mở van T6 , lúc

này van T6 sẽ dẫn điện Trong khoảng  t =13

- Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tơng tự

c Giản đồ dòng điện, điện áp.

24

Trang 25

Hình2 Giản đồ dòng điện, điện áp.

Trang 26

Itb =



2

6

Itải = Itải/3

- Điện áp thuận, điện áp ngợc trên van

uT(thuận) = uT(ngợc) = 6U2

Một vấn đề đặt ra là khi nối động cơ một chiều kích từ độc lập vào các bộ biến

đổi bán dẫn thì trong các điều kiện nhất định của tốc độ và mômen và của góc điềukhiển sẽ xảy ra hiện tợng dòng điện phần ứng bị gián đọan Khi này các đặc tính tĩnh

và động của động cơ sẽ khác biệt so với chế độ dòng điện liên tục

* Hiện tợng dòng điện gián đoạn:

Đối với tải một chiều, dòng điện gián đoạn làm xấu đi rất nhiều chế độ làm việcbình thờng cũng nh chế độ quá độ của tải Khi động cơ điện một chiều làm việc ở chế

độ gián đoạn, đặc tính cơ có đặc tính rất xấu

26



Vùng biên liên tục của I

Vùng I gián

đoạn

 = 0

I(M)

 = /2

 = 5/6



max

Trang 27

Để hạn chế dòng điện gián đoạn gây ra trong chuyển mạch, thì điện cảm củamạch phải đủ lớn, do đó ta mắc nối tiếp một cuộn kháng vào phần ứng của động cơ.

động cơ một chiều có gián đoạn dòng điện dài nhất khi động cơ làm việc ở tốc

độ cuối dải điều khiển (khi mà điện áp của bộ chỉnh lu là thấp nhất hay tại góc mở vanbán dẫn lớn nhất  max)

Phần II Thiết kế mạch điều khiển

Nh ta đã biết để cho các van của 2 BBĐ mở tại thời điểm mong muốn ta cầnphải có mạch điện phát ra các xung điều khiển đa đến mở các tiristo tại các thời điểmyêu cầu nh: biên độ, tần số, công suất và thời gian tồn tại để mở chắc chắn các van vớimọi tải mà sơ đồ gặp phải khi làm việc để làm đợc điều đó ta phải đi thiết kế mạch phátxung điều khiển

- Phơng pháp điều khiển theo Điốt 2 cực gốc: Mạch phát xung phơng pháp này

đơn giản nhng nó có nhợc điểm là chỉ phù hợp với hệ thống công suất nhỏ, đảo chiềukhó khăn Cho nên trong thực tế ngời ta ít dùng

- Phơng pháp điều khiển theo nguyên tắc pha đứng : phơng pháp này tuy cómạch phát xung phức tạp nhng đáp ứng đợc các yêu cầu chỉ tiêu chất lợng + Độ rộngxung đảm bảo yêu cầu làm việc

+ Tổng hợp tín hiệu dễ dàng

+ Góc mở  của tiristocó thể thay đổi đợc trong khoảng rộng

+ Độ dốc sờn trớc của xung đảm bảo có hệ số khuếch đại phù hợp,



Vùng biên liên tục của I

Vùng I gián

đoạn

Trang 28

làm việc tin cậy chính xác với độ nhạy cao

+ Có thể điều khiển đợc hệ có công suất lớn

Để đáp ứng đợc các yêu cầu công nghệ cũng nh các chỉ tiêu về chất lợng làmviệc cho nên chúng em chọn phơng pháp điều khiển theo pha đứng để phát xung điềukhiển

2.Thiết kế mạch điều khiển

a.Sơ đồ khối của mạch phát xung điều khiển:

Với hệ thống phát xung theo nguyên tắc pha đứng Ta thấy xung điềukhiển đầu ra của hệ thống này đặt nên mỗi tiristo trong sơ đồ xuất hiện lặp lại có tínhchu kỳ Thờng bằng chu kỳ nguồn cung cấp và góc điều khiển của các van trong sơ đồ

ở mỗi chế độ làm việc nhất định là giống nhau

Sơ đồ:

Hình3 Sơ đồ khối của mạch phát xung điều khiển

Hệ thống phát xung này gồm các khối chức năng sau:

+ Khối I : là khối đồng bộ hoá và phát sóng răng ca

+ UđkT : là điện áp điều khiển tiristo, là chuỗi các xung điều khiển lấy từ

đầu ra hệ thống điều khiển và đợc truyền đến cực điều khiển G và K của thyristor

b.Xây dựng mạch điều khiển chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng

28

ĐBH FSRC

Trang 29

Hình5 Giản đồ các đờng cong mạch điều khiển

Hoạt động của mạch điều khiển hình vẽ có thể giải thích theo giản đồ các đờngcong trên hình 5 nh sau:

điện áp vào tại điểm A (UA) có dạng hình sin, trùng pha với điện áp anod củatiristor T, qua khuếch đại thuật toán (KĐTT) A1 cho chuỗi xung chữ nhật đối xứng UB.Phần dơng của điện áp chữ nhật UB qua diod D1 tới A2 tích phân thành điện áp tựa Urc.Phần âm điện áp UB làm mở tranzitor Tr1, kết quả là A2 bị ngắn mạch (với Urc =0) trongvùng UB âm Trên đầu ra của A2 có chuỗi điện áp răng ca Urc gián đoạn

Trang 30

Điện áp Urc đợc so sánh với điện áp điều khiển Uđk tại đầu vào của A3 Tổng đại

số Urc + Uđk sẽ quyết định dấu điện áp đầu ra của KĐTT A3 Trong khoảng 0 t1 với

Uđk  Urc điện áp UD có điện áp âm Trong khoảng t1 t2 điện áp Uđk và Urc đổi ngợclại, làm cho UD lật lên dơng Các khoảng thời gian tiếp theo giải thích điện áp UD tơng

tự

Mạch đa hài tạo chùm xung A6 cho chuỗi xung tần số cao, với điện áp UE nh

trên hình (giản đồ) Dao động đa hài cần có tần số hàng chục kHz ở đây chỉ mô tả định

tính

Hai tín hiệu UD và UE cùng đợc đa tới khâi AND hai cổng vào Khi đồng thời cócả hai tín hiệu dơng UD, UE (trong các khoảng t1 t2, t4 t5) sẽ có xung ra UF Cácxung ra UF làm mở các tranzitor, kết quả là nhận đợc chuỗi xung nhọn Xđk trên biến ápxung, để đa tới mở tiristor T

Điện áp Ud sẽ xuất hiện trên tải từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên (tạicác thời điểm t1, t4 trong chuỗi xung điều khiển của mỗi chu kì điện áp nguồn cấp), chotới cuối nửa chu kì điện áp dơng anod

Sau khi đã có cái nhìn tổng quan về mạch điều khiển, tiếp theo ta sẽ đi phân tíchnguyên lý hoạt động cụ thể của từng khối

2.1 Khối đồng bộ hoá và phát sóng răng ca (khối I)

Trang 31

Hình6 Khối phát sóng răng ca

- Nguyên lý hoạt động :

+ Điện áp ra của máy biến áp đồng bộ tại điểm A (UA) có dạng hình sin trùngpha với điện áp anôt của tiristor T, qua bộ khuếch đại IC1 cho ra chuỗi xung hình chữnhật đối xứng (UB)

+ Từ t  0 điện áp UB bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dơng dẫn đến D1 mởnên mạch phát gốc Tr1 bị đặt điện áp ngợc, Tr1 khoá, tụ C1 đợc nạp điện bởi dòngkhông đổi Điện áp trên tụ tăng dần theo quy luật tuyến tính

+ Đến t  điện áp UB bắt đầu chuyển sang âm, D khoá, Tr1 mở nên tụ C1phóng điện nhanh qua Tr1 đến điện áp bằng 0 và giữ nguyên giá trị bằng không cho

đến t  2  Tại t  2  điện áp đồng bộ bằng không và bắt đầu chuyển sang dơng,

D lại mở bắt đầu một chu kỳ tiếp theo

+ Với giả thiết KĐTT là lý tởng thì hệ số khuếch đại là vô cùng lớn, vậy nếuKĐTT đang ở chế độ khuếch đại tuyến tính thì điện áp giữa 2 đầu vào đợc xem là bằng

0 Ta có Urc = - Uc1 + Uv1 = - Uc1 tức là điện áp răng ca đầu ra của sơ đồ bằng điện áptrên tụ C1

t



t



Trang 32

Hình7 Đồ thị dạng tín hiệu của khối phát sóng răng ca

2.2 Khối so sánh :

- Việc so sánh điện áp răng ca và điện áp điều khiển có thể thực hiệnbằng tranzitor hay vi mạch điện tử Việc ghép nối các tín hiệu có thể là nối tiếp haysong song miễn là đảm bảo tín hiệu răng ca và tín hiệu điều khiển có tác dụng ngợcchiều nhau

+ Phơng pháp so sánh nối tiếp có u điểm là chính xác nhng khi tín hiệu răng ca

có dạng xoay chiều thì việc so sánh gặp nhiều khó khăn Ngoài ra việc so sánh bằngtranzitor tuy đơn giản nhng không chính xác vì tranzitor không thể mở đợc khi (

+ Điện áp răng ca lấy từ đầu ra của mạch phát sóng răng ca

+ Điện áp điều khiển lấy là điện áp một chiều lấy trên biến trở R6

2.3 Khối tạo xung

2.3.1.Tạo xung chùm điều khiển

Để giảm công suất cho tầng khuếch đại, tăng số lợng xung kích mở (nhằm đảmbảo tiristor mở một cách chắc chắn khi tiristor chất lợng xấu) và đệm xung điều khiểncủa chỉnh lu cầu ba pha điêù khiển đối xứng, ngời ta hay phát xung chùm cho cáctiristor Nguyên tắc phát xung chùm là trớc khi vào tầng khuếch đại, ta đa chèn thêmmột cổng Và (AND) với tín hiệu vào nhận từ bộ so sánh và từ bộ phát xung chùm

Hình9 Sơ đồ phối hợp tạo xung hàm

Định dạng
Số trang	64
Dung lượng	1,96 MB