Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều

Đề bài: Thiết kế băm xung mộ t chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc đố i xứng) để điều ch ỉnh tốc độ động chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu) với số liệu cho trước: Phương án Đ lư 11 22 38 30 Chương I Giới thiệu động điện chiều I.1 Đặt vấn đề Cùng với phát triển ngày mạnh mẽ ngành công nghiệp v ề chiều rộng lẫn chiều sâu,đi ện máy điện đóng vai trị r ất quan trọng , thiếu phần lớn ngành công nghiệp đời sống sinh hoạt ng ườ i Nó ln trước bước làm tiề n đề mũi nhọn định thành công hệ thố ng sản xuất công nghiệp Không quốc gia nào, sản xuất không sử dụng điện máy điện Do tính ưu việt hệ thống ện xoay chiều: dễ sản xuất, dễ truyền t ải , máy phát độ ng điện xoay chiều có cấu tạo đơn giản cơng suất lớn, dễ vận hành mà máy điện ( động điện) xoay chiều ngày sử d ụng rộng rãi phổ biến Tuy nhiên động ện chiều giữ vị trí định cơng nghiệp giao thơng vận tải, nói chung thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục ph ạm vi rộng (như máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ) Mặc dù so với động không đồng để ch ế tạo động điện mộ t chi ều cỡ giá thành đắt sử dụng nhiều kim lo ại màu hơn, chế tạo bảo qu ản cổ góp phức tạp nh ững ưu đ iểm mà máy điện chiều thiếu sản xuất đại Ưu điểm động điện chi ều dùng làm động điện hay máy phát điện điều kiện làm việc khác Song ưu điểm lớn động điện chiều điều chỉnh tốc độ khả tải Nếu thân động không đồ ng đáp ứng đ áp ứng phí thiết bị biến đổi kèm (như biến tần ) đắt tiền động điện chiều khơng điều chỉnh r ộng xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lượng cao Ngày hiệu suất động điện chiều công suất nhỏ khoảng 75% ÷ 85%, động ện cơng suất trung bình lớn khoảng 85% ÷ 94% Cơng suất lớn động điện chiều vào khoảng 100000kw điện áp vào khoảng vài trăm 1000v Hướng phát triển cải tiến tính nâng vật liệu, nâng cao tiêu kinh tế động chế tạo máy cơng suất lớn c ả vấn đề r ộng lớn phức tạp v ậy với vốn ki ến thức cịn hạn hẹp phạm vi đề tài em không th ể đề cập nhiều vấn đề lớn mà đề cập tới vấn đề thiết kế bă m xung chiều để điều chỉnh tốc độ có đảo chiều động chiều kích từ độ c lập theo nguyên tắc đối xứng Đây phương pháp dùng phổ biến hi ện để điều chỉnh động điện chiều kích từ độc lập với yêu cầu đảo chiều quay động theo phương pháp đối xứng Đây phương pháp mang lại hiệu qu ả kinh tế cao s dụng rộ ng rãi tính đặc điểm bật mà chúng em phân tích đề cập sau I.2 Tổng quan động điện chiều I.2.1) Giới thiệu số loại động điện chiều Khi xem xét động điện chi ều máy phát ện chiều ngườ i ta phân loại theo cách kích thích từ động Theo ứng với cách ta có loại động điện loại: - Kích thích độc l ập: nguồn chiều có cơng suất ko đủ lớn, mạch ện phần ứng mạch kích từ mắc vào hai nguồn chiều độc lập nên :I = Iư - Kích thích song song: nguồn chiều có cơng suất vơ lớn điện áp ko đổi, mạch kích từ mắc song song với mạch phần ứng nên I = Iu +It - Kích thích nối tiếp: cuộn kích từ mắ c n ối ti ếp với cuộn dây phần ứng cu ộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vịng ít, chế tạo dễ dàng nên ta có I = Iư =It - Kích thích hỗn hợp ta có: I = Iu +It Với loại động tương ứng v ới đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều khiển ứng d ụng tươ ng đối khác phụ thuộ c vào nhiều yếu tố.Trong đề tài ta xét đên độ ng điện chiều kích từ độc lập biện pháp hữu hiệu để điều khiển loại động I.2.2 Động điện chiều kích từ độc lập +Phương trình đặc tính cơ: phương trình biểu thị mối quan hệ tốc độ (n) mơmen (M) động có dạng chung ω = U u − Ru + R f M KΦ (KΦ) Thơng qua phương trình này, ta thấy ph ụ thuộc t ốc độ động vào mômen động thơng số khác (mơmen, t thơng ), từ đưa phương án để điều chỉnh động (tốc độ) với phương án tối ưu Với nh ững điều kiện Uư = const, It = const từ thơng củ a động khơng đổi, quan hệ tuyến tính đường đặc tính động đường thẳng Thường dạng đặc tính đường thẳng mà giao ểm với trục tung ứng với mơmen ngắn mạch cịn giao điểm với trục tung ứng với tốc độ không tải động Người ta đưa thêm đại lượng β = Δ M Δ ω để đánh giá độ cứng Đặc tính dốc cứng ( β lớn) tức mômen biến đổi nhiều tốc độ biến đổi ngược lại Đặc tính dốc mềm tức mơmen biến đổi tốc độ biến đổi nhiều thay đổi ω ω ω Mt Mnm M Để hiểu đượ c nguyên lý lựa chọ n phương pháp đ iều nh tối ưu, trước hết ta xét đặc tính củ a động điện Đó quan hệ tốc độ quay với mơmen (hoặc dịng điện) động +Đặc tính tự nhiên độ ng cơ: độ ng vận hành chế độ đị nh mức (điện áp, t ần số , từ thông định mức không nối thêm điện kháng, ện trở vào động cơ) Trên đặc tính tự nhiên ta có điểm làm việc định mức có giá trị Mđm, ωđm +Đặc tính nhân tạo động đặc tính ta thay đổi tham số nguồn hoạc nối thêm đIện trở, điện kháng Để so sánh đặc tính với nhau, người ta đưa khái niệm độ cứng đặc tính cơ: β=ΔΜ/Δω (tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc) Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Sơ đồ kích từ độc lập thể đây: a) Khi nguồn chiều có cơng suất khơng đủ lớn mạch ện phần ứng mạ ch kích từ mắc vào hai nguồn chiều độc lập với nhau: gọi động điện kích từ độc lập Phương trình đặc tính xuất phát: U u = Eu + (Ru + R f )I u +Uư: điện áp phần ứng +Eư: sức điện động phần ứng +Rư: điện trở mạch phần ứng : Rư=rư +rcf +rb +rct +rư: điện trở cuộn dây phần ứng +rcf: điện trở cuộn cực từ phụ +ri: điện trở cuộn bù +rct: điện trở tiếp xúc chổi điện +Rf: điện trở phụ mạch phần ứng +Iư: dòng điện mạch phần ứng +Eư xác định theo biểu thức sau: pN Eu = πa ⋅ Φ ⋅ ω p: số đôi cực từ N: số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng A: số đôi mạch nhánh song song cuộn dây phần ứng + + + +Φ : từ thơng kích từ cực từ +ω: tốc độ góc pN K = πa Trong K hệ số cấu tạo động Eu = Ke Φn ω = 2πn / 60 = n / 9,55 Vì = pN Φn 60 a K = 0,105K = 9,55 E u K e Suy Ru + R f U u − Iu KΦKΦ Biểu thức (*) phương trình đặc tính điện động Mặt khác mômen điện từ động xác định M dt = K.Φ.Iu Suy Iu = M dt / KΦ Thay vào (*) ta Ru + R f U ω= u − M dt Φ = KΦ (KΦ) Nếu bỏ qua tổn thất thép mơmen trục động mơmen điện từ M Ta có U Ru + R f ω = u − M KΦ (KΦ) Đây phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Đồ thị hình vẽ: ω ω ω Nhận xét : Mt Mnm M + Iư=0 M=O ta có ω= Đây tốc độ khơn +ω=0 Iu = Mơmen ngắn mạch M = K.Φ.Inm = M nm : U RI ω = K Φu − K U ω= R f u Φ = ω0 − Δω − R + u KΦ (KΦ)2 M =ω0 −Δω R=Ru +Rf ω0 = Δω= Từ tốc độ đơng điện chiều phụ thuộc vào đại lượng là: Uư, R, Như thông qua đại lượng biến thiên mà ta điều khiển tốc độ động điện chiều I b) Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều Điều chỉnh tốc độ động ện chiều nội dung truyền động điện nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ đ ó máy sản xuất.Điều chỉnh tốc độ dùng phương pháp tuý điện tác động lên thân hệ thống truyền động điện để thay đổi tốc độ quay củ a động đ iện Tốc độ quay động điện thường bị thay đổi biến thiên tải ,của nguồn hay chế độ làm việc mở máy ,hãm máy gây sai số so với tố c độ ,kĩ thuật mong muốn Trong hệ thống truyền động điện thường vào số tiêu kinh tế ,kĩ thuật ,các tiêu tính thiết kế điều chỉnh động điện Trong thực tế có phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều + Điều chỉnh điện áp cho phần ứng động + Điều chỉnh cách thay đổi từ thông phần ứng hay thay đổi điện áp phần ứng cấp cho mạch kích từ Điều chỉnh thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng b.1) Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng Chỉ áp dụng với động điện m ột chiều kích thích độc lập song làm việc chế độ kích thích độc lâp Loại cần có thiết bị nguồn như: máy phát điện chiều kích từ độc lập, chỉnh lưu điều khiển có chức biến lượng điện xoay chiều thành chiều có sđđ Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk + Ta có phương trình Eb − Eu = I u ( Rb + Rud ) ω= ω = ω (U dk ) − M β Vì từ thơng động giữ khơng đổi nên đặc tính khơng đổi Tốc độ khơng tải lí tưởng tuỳ thuộc giá trị Uđk hệ thống Đồ thị tuyến tính nói phương pháp triệt để Để xác định dải điều chỉnh tốc độ Chú ý: + Phương pháp có từ thơng khơng đổi nên đặc tính có độ cứng không đổi + Tốc độ không tải lý tưởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp Uđk hệ thống nói phương pháp điều khiển triệt để + Giải điều chỉnh tốc độ hệ tthống bị chặn đặc tính đặc tính ứng với điện áp định mức từ thông định mức Tốc độ nhỏ dải điều khiển bị giới hạn yêu cầu sai số tốc độ mô men khởi động +Với cấu máy cụ thể có ω0 max , K M , M dm xác định phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng ω =ω max ω − max =ω − = M M nm = K M c max M dm Để thoả mãn khả q tải đặc tính thấp củ a dải điều chỉnh phải có mơn men ngắn mạch M nm = M c max = K M M dm (KM: hế số mômen tải) Họ đặc tính đường thẳng song song nên ta có ω = (M ω − max D =(K M −1)M dm Với ω0 max , K M , M dm xác định máy D phụ thuộc tuyến tính vào β Khi điều nh ện áp phần ứng động điện chiều thiết bị nguồ n đ iều nh điện trở mạch phần ứng gấp khoảng lần điện trở phần ứng động tính sơ được: ω max β / M dm ≤ 10 Do phạm vi đ iều chỉnh t ốc độ không vượt 10, Vậy với yêu cầu để ta điều chỉnh dải điện áp dải điều chỉnh cho Điều chỉnh tốc độ phương pháp thích hợp trường hợp Mt=const toàn dải điều chỉnh b.2) Điều chỉnh từ thông động Điều chỉnh từ thơng kích thích động điện chiều điều khiển mômen điện từ động điện M = K.Φ.Iu Do mạch kích từ động điện chiều phi tuyến hệ điều chỉnh từ thông phi tuyến Từ sơ đồ ta iu = rk: điện trở dây quấn phần ứng rb : điện trở nguồn đIện áp kích thích ω k : số vịng dây cuộn kích từ Th ường điều chỉnh từ thơng điện áp phần ứng U đm đặc tính thấp vùng điều khiển từ thơng đặc tính có đ iện áp phần ứng định mức, từ thông định mức gọi đặc tính (đơi đặc tính tự nhiên) Tốc độ lớn dải điều chỉnh từ thông bị hạn ch ế khả n ăng chuyển mạch cổ góp điện Khi giảm từ thơng dẫn đến tăng vận tốc góc điều kiện chuy ển mạch cổ góp bị xấu mặt khác phải bảo đảm I cho phép Kết mômen cho phép động giảm nhanh kể giữ nguyên I momen giảm nhanh b.3) Thay đổi điện trở phụ Rf Từ phương trình đặc tính (*) U Ru + R f Φ= u − I KΦ KΦ u (*) Thực tế ngày người ta không dùng phương pháp Vì phương pháp cho phép điều nh tốc độ quay vùng tốc độ định mức, kèm theo tổn hao lượng điện trở phụ, làm giảm hiệu suất động điện Vì phương pháp áp dụng động điện có cơng suất nhỏ thực tế thường dùng động điện cần trục c) Kết luận Dịng áp dùng tính tốn cho D7 là: Chọn D7 loại 2N3903 có thông số U ng max = 40(V ) Ta có IC2 = Điện trở R19 có nhiệm vụ hạn chế dòng vào T2 U v max ≤ R19 I ⇒ R19 ≤ 110 × 50 × 20 v max = 917(kΩ) 1.2× 0.1 Vậy chọn R19 = 900 (kΩ) Như ta tính xong khâu khuyếch đại xung trùm Ở đ ây ta không cần diode ch ống xung âm xung điều khiển củ a ta vào phận KĐX loại bỏ phần bị âm mạch so sánh tạo xung chùm Máy biến áp xung: BAX1 Máy biến áp xung thực nhiệm vụ: - Cách li mạch lực mạch điều khiển - Phối hợp trở kháng - Nhân thành nhiều xung (BAX nhiều cuộn thứ cấp) cho van cần mở đồng thời Mạ ch điều khiển gồm có biến áp xung, tạo xung mở cho van, tạo xung khóa cho van Biến áp xung dùng để mở van: Chọn vật liệu làm lõi sắt Do van ta làm việc tần số cao (cỡ kHz) nên ta chọn vật liệu lõi Ferit dạng xuyến, hình trụ Ở miền từ hóa lõi sắt phần 61 Tính tốn kích thước tổng k V= U ba I 2 ΔB.Δ Với: kba U =1 =UG =15(V) = IG = 1(mA) I2 t x = ΔB = 0.2 ΔH f xc = 30 Vậy ta chọn lõi thép Ferit miền từ hóa phần dạng trụ có tham số sau: Loại lõi sắt 905 Đường kính ngồi (mm) Đường kính (mm) Diện tích lõi từ: 0.101 (cm2) Diện tích cửa sổ: 0.034 (cm2) Điện áp dòng bên sơ cấp: U1 =U2 =15(V) I = t I = 1(mA) Số vòng cuộn sơ cấp thứ cấp: U W= W2 = W k ba = 185 = 185(vong) Biến áp xung dùng để khóa van: V= Với: k ba U I 62 kba = U2 =UG = 5(V) = IG = I2 t = x ΔB = 0.2 ΔH Vậy ta chọn lõi thép Ferit miền từ hóa phần dạng trụ có tham số sau: Loại lõi sắt 905 Đường kính ngồi (mm) Đường kính (mm) Diện tích lõi từ: 0.101 (cm2) Diện tích cửa sổ: 0.034 (cm2) Điện áp dòng bên sơ cấp: U1 =U2 = 5(V) I = I = 1(mA) Số vòng cuộn sơ cấp thứ cấp: U W= W2 = W kba = 185 = 185(vong) Khâu chuẩn hóa tín hiệu điều khiển: Khâu đặt sau biến áp xung, có nhiệm v ụ bi ến đổi tín hiệu từ biến áp xung thành tín hiệu điện áp phù hợp để đóng mở van Để đóng mở van, yêu cầu điện áp mở +15V điện áp khóa -5V Ta điều chế cách đảo dấu điện áp +5V thành -5V mạch đảo dấu nh trình bày trên, sau dùng mạch cộng tương ứng để cộng điện áp +15V với -5V tương ứng Sơ đồ mạch cộng sau: 63 Ta có: Ura= (U1 + U2) Chọn R51 = R55 = R53 = R54 = 1kΩ Khuếch thuật tốn chọn loại có tốc độ nhanh LM7131A/NS Tín hiệu điện áp từ sau khâu chuẩn hóa đưa vào cực điều khiển IGBT Mô Mạch điều khiển: Động quay thuận: Lúc chưa tác động vào nút ấn A: u2_6 B: s1_1 C: u4c_10 A: u2_6 B: u9_2 C: u4d_12 64 Đồ thị điện áp sau kh 1.000ms 1.250ms A: u4c_10 B: u4c_8 C: u4d_12 D: u4d_11 1.000ms 1.250ms A: u4c_10 B: u4c_8 C: u4d_12 D: u4d_11 Hinh Tron xung khóa van Đồ thị điện áp sau biến áp xung: 1.000ms 1.250ms A: bax1_3 -2.500 V 17.50 V B: bax4_3 -2.500 V Hinh Đồ thị điện áp dùng để mở van (15V) 65 1.000ms 1.250ms A: bax2_3 -1.000 V 7.000 V B: bax3_3 -1.000 V Hinh Đồ thị điện áp dùng để khóa van (5V) Đồ thị điện áp sau khâu chuẩn hóa tín hiệu: 1.000ms 1.250ms A: u14_6 B: u13_6 Hinh Mở van +15V khóa van -5V Động quay ngược: Sau ấn nút đảo chiều động A: u2_6 B: s1_1 C: u4c_10 66 12.50 A: u2_6 B: s2_1 C: u4d_12 2.500 Đồ thị điện áp sau kh 1.000ms 1.250ms A: u4c_10 B: u4c_8 C: u4d_12 D: u4d_11 1.000ms 1.250ms A: u3_6 B: u4a_3 C: u4b_4 D: u4b_6 Hinh 11 Đồ thị điện áp sau trộn xung để khóa van Đồ thị điện áp sau biến áp xung: 1.000ms 1.250ms A: bax1_3 B: bax4_3 -2.500 V 17.50 V -2.500 V Hinh 12 Điện áp sau biến áp xung để mở van (15V) 67 1.000ms 1.250ms A: bax2_3 -1.000 V 7.000 V B: bax3_3 -1.000 V Hinh 13 Điện áp sau biến áp xung để khóa van (5V) Đồ thị điện áp sau khâu chuẩn hóa tín hiệu: 1.000ms 1.250ms A: u14_6 B: u13_6 Hinh 14 Mở van +15V khóa van -5V Tài liệu tham khảo 1.Phạm Qu ốc Hải,Dương Văn Nghi.Phân tích giải mạch điện tử công suất Nhà xuất Khoa học kĩ thuật Hà Nội ,1997 2.Phạm Quốc Hải,Trần Trọng Minh ,Võ Minh Chính.Điện tử cơng suất 68 Nhà xuất Khoa học kĩ thuật Hà Nội ,2004 3.Nguyễn Bính Điện tử cơng suất Nhà xuất Giáo dục ,2000 4.Nguyễn Văn Liễn ,Nguyễn Thị Hiền Truyền động điện Nhà xuất Khoa học kĩ thuật Hà Nội ,2000 5.Phạm Quốc Hải ,Dương V ăn Nghi,Nguyễn Văn Liễn,Nguyễn Thị Hiền Điều chỉnh tự động truyền động điện 6.Báo Tự động hoá Ngày nay- Số tháng 1&2 7.Lê Văn Doanh ,Trần Văn Thị nh Điện tử công suất –Lý thuyết ứng dụng Nhà xuất Khoa học kĩ thuật Hà Nội ,2005 8.Trần Trọng Minh Bài giảng điện tử công suất Nhà xuất Giáo dục ,2002 Nguyễn Phùng Quang Matlab Simulink cho kĩ sư điều khiển tự động Nhà xuất Khoa học kĩ thuật Hà Nội ,2004 10.Nhóm phát triển phần mềm tin học điện tử EDA Hướng dẫn sử dụng ORCAD 9.2 Nhà xuất trẻ 2000 11.Matlab.User’s guide Prentice Hall,1995 12.Bùi Đình Tiêu Cơ sở truyền động điện Nhà xuất Khoa học kĩ thuật Hà Nội 13.Lê Văn Doanh ,Cyril Lander Điện tử công suất điều khiển động điện Nhà xuất Khoa học kĩ thuật Hà Nội ,2004 Và trang Web : 14.Alldatasheet.com 15.INF.com 16.IGBT.com 17.IGBT-scaledriver.com 69 ... dùng băm xung áp điều khiển dó băm xung áp chiều mà ta đề cập vấn đề 13 Chương II BĂM XUNG MỘT CHIỀU (BXDC) II.1 Giới thiệu băm xung chiều (BXDC): BXDC có chức biến đổ i điện áp chiều, có ưu... = U 2.2.6 Bộ Chopper lớp E Đây b ăm xung chiều có đảo chiều Sơ đồ nguyên lý ta sử dụng van bán dẫn IGBT Bộ BXMC dùng van điều khiển hoàn toàn IGBT có khả thực điều chỉnh điện áp đảo chiều dòng... tới vấn đề thiết kế bă m xung chiều để điều chỉnh tốc độ có đảo chiều động chiều kích từ độ c lập theo nguyên tắc đối xứng Đây phương pháp dùng phổ biến hi ện để điều chỉnh động điện chiều kích