Đồ án ĐTCS - Thiết kế bộ băm xung một chiều

Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Lã ngọc Sơn Lớp TĐH T2 - K41 1 Chương I - Giới thiệu về động cơ điện một chiều kích từ song song I.1) Cấu tạo: Máy điện một chiều cấu tạo gồm hai thành phần chính: gồm phần tĩnh và phần quay. 1) Phần cảm (stator): Phần cảm là phần tạo ra từ trường tĩnh của động cơ gồm có các phần sau đây: - Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường, nó gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ + Lõi sắt kích từ được làm bằ ng lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon ghép lại và tán chặt. + Dây quấn kích từ: được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối và và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. - Cực từ phụ: được đặt giữa các cực chính và dùng để cải thiện đổi chiều, lõi thép thường làm bằng thép khố i và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn giống như cực từ chính. - Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy. - Chổi than : là các thanh Cacbon được tiếp xúc với cổ góp để đưa dòng điện từ nguồn một chiều vào rôto . Chổi than được đặt ở trung tính hình học của động cơ. 2) Phần ứng (rotor): Phần ứng là phần cho dòng đ iện một chiều chạy trong nó, tương tác giữa dòng điện I và từ thông Φ sinh ra mômen quay. Nó gồm ba phần chính: - Lõi thép : là các lá thép kĩ thuật điện (Fe - Si) mỏng ghép lại với nhau, trên có xẻ rãnh để đặt các bối dây. - Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua, nó được cấu tạo gồm các dây đồng tròn được ghép thành các phần tử (bối dây), các bối dây được ghép theo kiểu dây quấn xế p đơn hay dây quấn phức tạp tuỳ yêu cầu mômen lớn hay nhỏ. - Cổ ghóp : gồm các phiến góp được cách điện với nhau, các phiến góp được nối với các đầu mút của các bối dây để đưa dòng điện vào phần ứng. Ngoài ra còn có các bộ phận khác gồm cánh quạt dùng để làm ngội máy, trục máy . Tùy theo phương pháp kích từ người ta chia động cơ một chiều thành các dạng kích từ nối tiếp, kích từ song song, kích từ hỗn hợp, kích từ độc lập. Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Lã ngọc Sơn Lớp TĐH T2 - K41 2 Hình I- Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (a), kích từ song song(b), kích từ hỗn hợp(c), và kích từ độc lập(d). Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ song song. I.2) Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song song: 1) Định nghĩa: Phương trình đặc tính cơ là đồ thị miêu tả mối quan hệ giữa mô men điện từ M đt và tốc độ góc ω của động cơ. 2) Đặc tính cơ: Từ phương trình cân bằng điện áp : ⎩ ⎨ ⎧ Φ= −= ω .E 0 0 KE RIU u ⇒ 2 . . . . Φ − Φ = Φ − Φ = K RM K U K RI K U uu ω Độ cứng đặc tính cơ: u R K 2 ).( Φ = Δ ΔΜ = ω β β càng lớn đặc tính cơ càng cứng Đồ thị: Φ = . 0 k U ω : tốc độ không tải lí tưởng. TN M n M C M C1 n 0 n yc n 1 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Lã ngọc Sơn Lớp TĐH T2 - K41 3 M mm = u R KU Φ : Mômen mở máy. I.3) Mở máy và hãm động cơ điện một chiều: 1) Mở máy: Từ phương trình điện áp phần ứng : U=E u +R u .I u u R u u EU I − =⇒ Khi mở máy n=0 ⇒ E u = Φ 60 . n a Np =0 Dòng điện phần ứng lúc mở máy là: I umở = u R U vì R u nhỏ I umở lớn khoảng (20 ÷ 30) I đm làm hỏng chổi than và cổ góp. Để dảm dòng điện mở máy ta dùng các biện pháp sau: + Dùng biến trở mở máy R mở : Mắc biến trở này vào mạch phần ứng lúc có biến trở này : I ưmở =U/(R ư +R mở ) Lúc đầu để R mở max, trong quá trình mở này tốc độ tăng lên Eư tăng lên và điện trở này giảm dần đến 0, máy làm việc đúng điện áp định mức. + Giảm điện áp đặt vào phần ứng: Phương pháp là phương pháp thường dùng hơn cả nó dòi hỏi có một nguồn điện có thể điều chỉnh được điện áp như nguồn chỉnh lưu, hệ máy phát động cơ hay b ộ băm xung một chiều. Phương pháp này dùng kết hợp với việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng rất tiện lợi. 2) Các trạng thái hãm động cơ: Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mô men quay ngược chiều tốc độ quay .Trong tất cả các trạng thái hãm động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát. Tùy theo cách biến đổi nă ng lượng cơ trong khi hãm người ta chia làm 3 trạng thái hãm: a) Hãm tái sinh: Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Lã ngọc Sơn Lớp TĐH T2 - K41 4 Năng lượng động cơ trả vể nguồn xẩy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng . Khi hãm tái sinh E u >U u , động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới , so với chế độ động cơ dòng điện và mô men hãm đã đổi chiều . Đường đặc tính cơ trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần tư thứ II và thứ IV của mặt phẳng toạ độ.Trong trạng thái hãm tái sinh dòng điện hãm đổi chiều và công suất đưa trả về lưới điện có giá trị P = (E –U) .I b) Hãm ngược: Nă ng lượng của nguồn và động cơ bị tiêu tán dưới dạng nhiệt. Xẩy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động do mômen thế năng quay ngược chiều với mômen điện từ của động cơ. Mômen sinh ra bởi động cơ chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản suất có hai trường hợp hãm ng ược : + Đưa điện trở vào mạch phần ứng. + Đảo chiều điện áp phần ứng. c) Hãm động năng: Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học của động cơ đã tích luỹ được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt. Như vậy ta thấy hãm tái sinh là phương pháp hãm tiế t kiệm được năng lượng nhất, và điều này là rất cần thiết, nhất là đối với các động cơ chạy bằng acqui. Vì vậy, trong khi thiết kế bộ băm điện áp, ta cố gắng điều khiển động cơ hãm tái sinh. I.4) Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song: Động cơ điện một chiều có đặc điểm là: - Ưu điểm : điều chỉnh tốc độ dễ dàng, nhiều kênh điều khiển. - Nhược điểm: sử dụng nguồn điện một chiều. Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn như hiện nay máy điện một chiều dã trở thành một c ơ cấu không thể thiếu trong truyền động điện. Từ phương trình về vận tốc: 2 . . . . Φ − Φ = Φ − Φ = K RM K U K RI K U uu ω . Ta có các phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều như sau : 1) Thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp: U 1 U 2 U 3 TN ( U dm ) n 0 n cb n 1 n 2 n 3 n U dm > U 1 > U 2 > U 3 n cb > n 1 > n 2 > n 3 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Lã ngọc Sơn Lớp TĐH T2 - K41 5 Đặc điểm : - Đặc tính cơ là các đường song song với đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, do đó độ cứng của đặc tính cơ không thay đổi. - Do U chỉ có thể giảm do đó chỉ có thể điều chỉnh giảm tốc độ của động cơ. - Có thể thay đổi U băng các van bán dẫn. 2) Thay đổi điện trở phần ứng R u : Đặc điểm : - Khi thêm R uf vào phần ứng động cơ thì độ cứng của đặc tính cơ giảm hay đặc tính cơ của động cơ giảm đi có nghĩa là với một sự thay đổi rất nhỏ của tải sẽ dẫn đến một sự thay đổi rất lớn của ω nên không ổn định do đó trên thực tế điều chỉnh tốc độ băng R u ít được sử dụng. - Ngoài ra khi thêm R u vào phần ứng cũng có nghĩa là tăng tổn hao làm nóng động cơ. Phương pháp này chỉ sử dụng để giảm dòng mở máy khi khởi động động cơ. 3) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông: TN R f1 R f2 R f3 0 M C n 3 n 2 n 1 n cb n 0 n M, I 0 < R f1 < R f2 < R f3 n cb > n 1 > n 2 > n 3 Φ1 Φ 2 Φ ủm 0 M C M 2 M 1 M n n cb n 1 n M φ ủm > φ 1 > φ 2 n cb < n 1 < n 2 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Lã ngọc Sơn Lớp TĐH T2 - K41 6 Đặc điểm : - Vì từ thông trong lõi thép rất dễ bão hoà nên người ta thường chỉ điều chỉnh giảm từ thông trong động cơ. - Khi từ thông Φ dm giảm đến Φ i thì có một M ik nào đó, khi M c < M ik việc giảm Φ sẽ làm tăng tốc độ động cơ, khi M c >M ik việc giảm Φ sẽ làm tốc độ động cơ. Trên thực tế điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là rất khó thực hiện vì quan hệ Φ(ω) là phi tuyến. I.5) Lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ: Từ các phân tích trên, ta thấy trong các phương pháp điều chỉnh tốc độ trên thì phương pháp điều chỉnh tốc độ nhờ thay đổi điện áp phần ứng là khả thi và tin cậy nhất, bởi vì dễ điều chỉnh và có đặc tính cơ cứng. Với sự phát triển của kĩ thuật bán dẫn ngày nay thì phương pháp điều chỉnh này hoàn toàn dễ dàng thực hiện được và đem lạ i hiệu quả cao. Trong khuôn khổ đồ án này, ta sẽ thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, ngoµi ra nã cßn có thể thực hiện chức năng mở lại máy (reset) và hãm tái sinh động cơ. CHƯƠNG II - TÍNH CHỌN MẠCH LỰC II.1) Giới thiệu chung về bộ băm xung một chiều: 1) Nguyên lý: Bộ băm điện áp một chiều cho phép từ nguồn điện một chiều U s tạo ra điện áp tải U ra cũng là điện áp một chiều nhưng có thể điều chỉnh được. Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Lã ngọc Sơn Lớp TĐH T2 - K41 7 0 Ura là một dãy xung vuông (lý tưởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2. Điện áp ra bằng giá trị trung bình của điện áp xung: U ra = γ .U s (γ=t 1 /T). Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi này là dùng quy luật đóng mở các van bán dẫn công suất một cách có chu kỳ để điều chỉnh hệ số γ đảm bảo thay đổi được giá trị điện áp trung bình trên tải. 2) Các phương pháp điều chỉnh điện áp ra: Có 3 phương pháp điều chỉnh điện áp ra: a) Phương pháp thay đổi độ rộng xung: Nội dung của phươ ng pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T ⇒ Giá trị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là: BBĐ BBĐ BBĐ một chiề U S U ra U ra t t 1 t 2 T U tb Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Lã ngọc Sơn Lớp TĐH T2 - K41 8 S S tai U T Ut U . . 1 ε == trong đó: T t 1 = ε 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 < ε ≤ 1). b) Phương pháp xung - tần: Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1=const. Khi đó: SStai UftU T t U . 1 1 == Vậy U ra =U S khi 1 1 t f = và U ra=0 khi f=0. c) Phương pháp xung - thời gian: Vừa thay đổi độ rộng xung vừa thay đổi tần số theo nguyên tắc giữ ΔI min Trong thực tế, phương pháp biến đổi độ rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bị biến tần đi kèm. II.2) Sơ đồ bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều cả dòng điện và điện áp: Do yêu cầu của đồ án là thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song, Thoả mãn các yêu cầu trên ta chỉ có thể chọn mạch lực là bộ băm xung áp một chiều với Sơ đồ nguyên lý như sau : Trong đó :V1,V2 là các van điều khiển hoàn toàn. D1,D2, là các diot. Sơ đồ trên cho phép điều chỉnh tố c độ quay của động cơ, đặc tính làm việc của động cơ có thể ở góc phần tư thứ nhất và góc phần tư thứ 2. Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Lã ngọc Sơn Lớp TĐH T2 - K41 9 U S i dk1 i dk2 u d U S u S1 ,i S1 i S u D1 , i D1 Biểu đồ dạng súng dũng, ỏp trờn cỏc phần tử Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Lã ngọc Sơn Lớp TĐH T2 - K41 10 b) Các biểu thức tính toán: - Tìm biểu thức của dòng tải : + Khi (D1, D2) và (V1, V2) dẫn: Trong giai đoạn này điện áp trên tải là U T =U S , do đó phương trình mạch tải sẽ là: Sd d UERi dt di L =++ Giải phương trình vi phân, ta có: atat S d eIe R EU ti −− +− − = .)1.()( min - Giá trị trung bình của điện áp trên tải: SS SSSS T t S t S T dd UU UUTTUTU T dtUdtU T dtu T U )12()1( )1()]([ 1 ])([ 11 2 2 00 −=+−= −−=−−= −+== ∫∫∫ εεε εεεε Trong đó: T t 2 = ε là tỷ số chu kỳ. Vậy nếu ta thay đổi được ε ta sẽ điều chỉnh được U d . Cụ thể: ε=0,5→ U d =0⇒ Động cơ không được đặt điện áp. ε>0,5→ U d >0⇒Động cơ quay ngược. ε<0,5→ U d <0⇒Động cơ quay thuận. - Giá trị trung bình của dòng qua diod D1 và D2: )1.()1.(. .2 )1.()1.( 1 )1).(1( . 1 . .2 ).( 1 1 11 1 1 0 1 1 εεε εε − − −−≈ −+−− − −− == − ∫ R EU R U R E R U A BAB aTR U dtti T I SS SS t D - Giá trị trung bình dòng qua van: )1.(. .2 . 1 )1)(1( . 1 . .2 . 1 11 1 1 εεεε −− − ≈ − −− − − = − R U R EU A BAB aTR U R EU I SSSS T [...]... T2 - K41 19 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều a) Mạch đa hài xung đối xứng (hình a) và mạch đa hài đối xứng (hình b): Chu kỳ của xung ra là: 2 R1 + với bộ dao động đa hài đối xứng: T = 2.R3.C.ln(1+ R 2 ) + với bộ dao động đa hài không đối xứng: 2 R1 2 R1 T = T1+T2 = R3.C.ln(1+ R 2 )+ R4.C.ln(1+ R 2 ) 2 R1 T = (R3+R4).C.ln(1+ R 2 ) Lã ngọc Sơn Lớp TĐH T2 - K41 20 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung. .. được điều khiển bằng điện áp Transistor Mos gồm các cực chính: cực máng (drain), nguồn (source) và cửa (gate) Dòng điện máng - nguồn được điều khiển bằng điện áp cửa - nguồn Lã ngọc Sơn Lớp TĐH T2 - K41 14 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Điện trở Dòng hằng điện số máng • = 9V = 7,5V Máng = 6V = 4,5V Cửa • • = 3V • Nguồn Điện áp máng – nguồn (a) (b) H×nh a) Họ đặc tính ra H×nh b) Ký hiệu thông... hình c, đây là sơ đồ tạo điện áp răng cưa tuyến tính hai nửa chu kỳ có độ ổn định và độ tin cậy cao ở khâu này ta chọn sơ đồ c III.3) Khâu so sánh: Để xác định thời điểm mở Thyristor ta cần so sánh 2 tín hiệu là Uđk và Utựa Việc so sánh 2 tín hiệu này thường được thực hiện bằng khuếch đại thuật toán Lã ngọc Sơn Lớp TĐH T2 - K41 23 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều a) So sánh 1 cửa: thời điểm... động cơ và bộ trừ dùng khuếch đại thuật toán Qua khâu phân áp ta có điện áp phản hồi Uph Qua bộ trừ ta có điện áp đầu ra e = Uđ - Uph Sau đó qua bộ cộng, điện áp đầu ra của bộ cộng chính là điện áp điều khiển: Uđk = Uđ + e Khi điện áp trên tải tăng → Uph giảm → e tăng → Uđk tăng → điện áp trên tải giảm đi Lã ngọc Sơn Lớp TĐH T2 - K41 27 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Vậy ta có sơ đồ tổng thể... En=±15 (V); Zra=60 Ω; Zvào=300 KΩ; du = 0,5 dt (V) D3 : D-1001 có các thông số : I = 1A ; Ung = 200(V) ; ΔU = 0,5(V) Lã ngọc Sơn Lớp TĐH T2 - K41 30 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều 3) Khâu so sánh: Thực chất là bộ so sánh đảo dùng IC thuật toán R3.1,R3.2 là các điện trở hạn chế dòng vào IC Chọn điện trở của chúng là 1kΩ IC thuật toán là μA741 4) Khâu chọn van: Trong khâu này ta sử dụng các... nhận năng lượng εUS < E → Động cơ phát năng lượng II.3) Giới thiệu một số loại van dùng trong mạch băm xung: Lã ngọc Sơn Lớp TĐH T2 - K41 12 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều 1) Trasistor công suất: Transistor công suất có cấu trúc và ký hiệu như sau: IC C B UCE IB UBE E IE (a) - Nguyên lí hoạt động: Tranzitor hoạt động như một phần tử chuyển mạch ta quan tâm đến 2 trạng thái dấn dòng và.trạng... thể thực hiện cả hai nhiệm vụ đó đối với các Lã ngọc Sơn Lớp TĐH T2 - K41 26 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều xung có độ rộng nhỏ Ở đây xung u3 có độ rộng thay đổi và khuyếch đại xung còn phải khuyếch đại tín hiệu liên tục để điều khiển van luôn đóng hoặc luôn mở, nên ta dùng tranzito BT để khuyếch đại xung , phần tử Opto-Isolator để cách li Mạch cụ thể như sau: 24V R6.1.3 IC6.1 OP4N25 u5.1... V2D4 Lớp TĐH T2 - K41 11 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều b) Các biểu thức tính toán: −1 U 1 − B1 E = ó − R 1 − A1 R ⇒ I max - Dòng lớn nhất và nhỏ nhất qua tải: − aT aεT Trong đó: A1 = a ; B1 = e L - Giá trị dòng trung bình qua tải: T T T did + Rid + E = U d dt T di 1 1 1 1 ⇒ ∫ L d + ∫ Rid dt + ∫ Edt = ∫ U d dt T 0 T 0 T 0 dt T 0 ⇒ 0 + RI d + E = εU ó ⇒ Id = εU ó − E R −1 - Dòng trung bình... Chu kì xung : Lã ngọc Sơn Lớp TĐH T2 - K41 21 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều dUc + Khi C1 nạp ta có phương trình : R1i + Uc = E , i = C dt ⇒ dUc dUc 1 1 + Uc = E Uc = E + ⇒ dt R1C R1C R1C dt Chuyển sang toán tử laplace : pUc(p) – Uc(0) + aUc(p) = aE/p dUc 1 + aUc = aE , ⇒ dt CR1 với Uc(0) = E/3 aE E + ⇒uc(p)= p ( p + a ) 3( p + a ) ⇒uc(p)=E(1-e-at)+E/3.e-at Thay t=T1⇒ uc(T1)= E/3 ⇒T1=0,693CR1... T2 - K41 24 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Khi u2>udk u3 = 0 u3 =10 (V) = Umax Khi u2< udk Như vậy khi điều chỉnh udk ta sẽ điều chỉnh được gúc γ tức điều chỉnh được độ rộng xung, từ đú ta có thể điều chỉnh được điện ỏp ra tải Ta có quan hệ giữa γ > α nên muốn có dải điều chỉnh rộng ta phải giảm α nghĩa là giảm độ rộng xung ở khâu tạo dao động (u1) III.4) Khâu chọn van: Qua khâu so sánh . thiết bị biến tần đi kèm. II.2) Sơ đồ bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều cả dòng điện và điện áp: Do yêu cầu của đồ án là thiết kế bộ băm xung một chiều. là điện áp một chiều nhưng có thể điều chỉnh được. Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Lã ngọc Sơn Lớp TĐH T2 - K41 7 0 Ura là một dãy xung vuông