THIẾT KẾ BỘ BĂM XUNG ÁP MỘT CHIỀU NỐI TIẾP CẤP CHO PHẦN ỨNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

Chương 1: Tổng quan về bộ băm xung áp và động cơ 1 chiều kích từ độc lập41.1.Giới thiệu chung về động cơ một chiều kích từ độc lập41.1.1.Cấu tạo:41.1.2.Xây dựng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:51.1.3.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ:81.2.Giới thiệu chung về băm xung áp một chiều111.2.1.Khái niệm chung111.2.2.Nguyên lý chung của băm xung một chiều111.2.3.Các phương pháp điều khiển121.2.4.Giới thiệu về van bán dẫn13Chương 2: Tính toán thiết kế mạch lực172.1.Thiết kế mạch lực172.2. Tính chọn các phần tử trong mạch172.2.1.Tính toán một số phần tử dựa trên thông số động cơ172.2.2.Tính chọn điện cảm182.2.3.Tính chọn van192.2.4. Tính chọn mạch bảo vệ20Chương 3: Tính toán thiết kế mạch điều khiển213.1. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp PWM213.2. Khâu phát xung chủ đạo và tạo điện áp răng cưa223.2.1. Phân tích223.2.2. Tính chọn233.3. Khâu so sánh233.4. Khâu khuếch đại và cách ly quang243.5. Khâu tạo điện áp điều khiển25Chương 4: Mô phỏng274.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng PSIM274.2. Mô phỏng sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển28Chương 5: Kết luận và phương hướng phát triển345.1. Nội dung đã tìm hiểu.345.2. Những hạn chế chưa làm được345.3. Phương hướng phát triển:34

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA - - ĐỒ ÁN MƠN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ BĂM XUNG ÁP MỘT CHIỀU NỐI TIẾP CẤP CHO PHẦN ỨNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Điệp Sinh viên thực Lớp MSV : Hoàng Trọng Hiếu : D13TDH&DKTBCN1 : 1781410332 Hà Nội, tháng năm 2021 LỜI NÓI ĐẦU Ngày với việc phát triển mạnh mẽ ứng dụng khoa học kỹ thuật công nghiệp, đặc biệt cơng nghiệp điện tử thiết bị điện tử có cơng suất lớn chế tạo ngày nhiều Và đặc biệt ứng dụng vào ngành kinh tế quốc dân đời sống hàng ngày phát triển mạnh mẽ Tuy nhiên để đáp ứng nhu cầu ngày nhiều phức tạp công nghiệp ngành điện tử cơng suất ln phải nghiên cứu để tìm giải pháp tối ưu Đặc biệt với chủ trương cơng nghiệp hóa – đại hóa Nhà nước, nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vào sản xuất Do đồi hỏi phải có thiết bị phương pháp điều khiển an tồn, xác Đó nhiệm vụ ngành điện tử công suất cần phải giải Để giải vấn đề nhà nước ta cần phải có đội ngũ thiết kế đơng đảo tài Sinh viên ngành Tự Động Hóa tương lại khơng xa đứng đội ngũ này, mà cần phải tự trang bị cho có trình độ tầm hiểu biết sâu rộng Chính đồ án môn học điện tử công suất yêu cầu cấp thiết cho sinh viên Tự Động Hóa Nó kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp sinh viên điều kiện sinh viện ngành Tự Động Hóa tự tìm hiểu nghiên cứu kiến thức điện tử công suất Mặc dù vậy, với sinh viên ngồi ghế nhà trường kinh nghiệm thực tế cịn chưa có nhiều, cần phải có hướng dẫn giúp đỡ thầy cô giáo Cho em gửi lời cảm ơn tới cô Nguyễn Thị Điệp tận tình dẫn, giúp em hồn thành tốt đồ án mơn học Đồ án hồn thành khơng giúp em có thêm nhiều kiến thức mơn học mà cịn giúp em tiếp xúc với phương pháp làm việc chủ động hơn, linh hoạt Quá trình làm đồ án thời gian thực bổ ích cho thân em nhiều mặt MỤC LỤC Chương 1: Tổng quan băm xung áp động chiều kích từ độc lập 1.1 Giới thiệu chung động chiều kích từ độc lập .4 1.1.1 Cấu tạo: .4 1.1.2 Xây dựng đặc tính động điện chiều kích từ độc lập: 1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ: .8 1.2 Giới thiệu chung băm xung áp chiều .11 1.2.1 Khái niệm chung .11 1.2.2 Nguyên lý chung băm xung chiều 11 1.2.3 Các phương pháp điều khiển 12 1.2.4 Giới thiệu van bán dẫn .13 Chương 2: Tính toán thiết kế mạch lực 17 2.1 Thiết kế mạch lực 17 2.2 Tính chọn phần tử mạch .17 2.2.1 Tính tốn số phần tử dựa thông số động 17 2.2.2 Tính chọn điện cảm 18 2.2.3 Tính chọn van 19 2.2.4 Tính chọn mạch bảo vệ 20 Chương 3: Tính tốn thiết kế mạch điều khiển 21 3.1 Cấu trúc điều khiển theo phương pháp PWM 21 3.2 Khâu phát xung chủ đạo tạo điện áp cưa .22 3.2.1 Phân tích .22 3.2.2 Tính chọn 23 3.3 Khâu so sánh 23 3.4 Khâu khuếch đại cách ly quang .24 3.5 Khâu tạo điện áp điều khiển 25 Chương 4: Mô .27 4.1 Giới thiệu phần mềm mô PSIM 27 4.2 Mô sơ đồ mạch lực mạch điều khiển 28 Chương 5: Kết luận phương hướng phát triển .34 5.1 Nội dung tìm hiểu 34 5.2 Những hạn chế chưa làm .34 5.3 Phương hướng phát triển: .34 Chương 1: Tổng quan băm xung áp động chiều kích từ độc lập 1.1 Giới thiệu chung động chiều kích từ độc lập Hình 1.1 Cấu tạo động chiều Động điện chiều gồm có phần: phần tĩnh (stator) phần động (rotor) 1.1.1 Cấu tạo: A Phần tĩnh (Stator): a Cực từ chính: Cực từ phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây qn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện Cực từ gắn chặt vào vỏ nhờ bulơng Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện b Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt cực từ dùng để cải thiện đổi chiều c Gông từ: Dùng để làm mạch từ nối liền cực từ đồng thời làm vỏ máy d Các phận khác: - Nắp máy - Cơ cấu chổi than B Phần ứng (Armature): a Lõi sắt phần ứng: Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ, thông thường dùng thép kỹ thuẩ điện dày 0.5mm phủ cách điện hai đầu ép chặt lại Trên thép có dập hình dạng rãnh để sau ép lại đặt dây quấn vào b Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng phần sinh sức điện động có dịng điện chạy qua Thường làm đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện trịn, máy điện vừa lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây quấn cách điện với rãnh lõi thép c Cổ góp: Cổ góp hay cịn gọi vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dịng điện xoay chiều thành chiều Cổ góp có nhiều phiến đồng hình nhạn cách điện với lớp mica dày 0.4 đến 1.2mm hợp thành hình trụ trịn Đi vành góp có cao lên để hàn đầu dây phần tử dây quấn vào phiến góp dễ dàng 1.1.2 Xây dựng đặc tính động điện chiều kích từ độc lập: Động chiều kích từ độc lập có cấu tạo phần riêng biệt: phần cảm bố trí phần tĩnh có cuộn dây kích từ sinh từ thơng, phần ứng phần quay nối với điện áp lưới qua vành góp chổi than Tác động từ thơng dịng điện phần ứng tạo nên mơ men quay động Khi động quay dẫn phần ứng cắt qua từ thông tạo nên sức điện động Sơ đồ nguyên lý động điện kích từ độc lập trình bày hình 1.1 đây: Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý Giả thiết mạch từ động chưa bão hịa, khe hở khơng khí đồng đều, phần ứng bù đủ, thông số động khơng đổi Ta lập sơ đồ thay động điện chiều kích từ độc lập hình 1.2 Hình 1.3 Sơ đồ thay Từ sơ đồ thay ta có phương trình cân điện áp: Uư = Eư + (Rư + Rf).Iư (1-1) Trong đó: Uư – điện áp phần ứng (V) Eư – sức điện động phần ứng (V) Rư – điện trở mạch phần ứng (Ω) Rf – điện trở phụ mạch phần ứng (Ω) Iư – dòng điện mạch phần ứng (A) Với Rư = rư + rcf + rb + rct rư – điện trở cuộn dây phần ứng rcf – điện trở cuộn cực từ phụ rb – điện trở cuộn bù rct – điện trở tiếp xúc chổi điện phiến góp Sức điện động Eư phần ứng động xác định theo biểu thức: Eư =Kɸ (1-2) Trong đó: pN K = 2 a - hệ số cấu tạo động p – số đơi cực từ N – số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng, mặt cực từ α – số đôi mạch nhánh song song cuộn dây phần ứng ɸ - từ thơng kích từ cực từ (Wb)  - tốc độ góc (rad/s) Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vịng/phút) thì: E�  K e n  2 n n  60 9.55 (1-3) Từ (1-1) (1-2) ta có: U� R� Rf  I� K K  (1-4) Biểu thức (1-3) phương trình đặc tính điện động Mặt khác mô men điện từ Mdt động xác định biểu thức: Mdt  K I � Suy I� (1-5) Mdt K Thay giá trị Iư vào biểu thức (1-4) ta được:  U� R� Rf  Mdt K (K )2 (1-6) Nếu bỏ qua tổn thất mơ men trục động mô men điện từ, ta ký hiệu M, nghĩa Mđt = Mcơ = M:  U� R� Rf  M K (K )2 (1-7) Đây phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Giả thiết phần ứng bù đủ, từ thơng ɸ = const, phương trình đặc tính (1-7) tuyến tính Dạng đặc tính động biểu diễn hình đường thẳng: Hình 1.4 Đặc tính – điện Hình 1.5 Đặc tính Theo đồ thị trên, Iư = M = ta có:  U�  0 K (1-8) 0 gọi tốc độ không tải lý tưởng động cơ, =0 ta có: I� Và U  I nm R� Rf M  K I nm  Mnm (1-9) (1-10) Inm, Mnm gọi dòng điện ngắn mạch mô men mở máy Mặt khác, phương trình đặc tính (1-4), (1-7) viết dạng:   U� RI   0 Vc K K (1-11) U� RM   0 Vc K (K )2 (1-12) Trong đó: R  R� Rf Vc  Vc , 0  U� K R R I� M K (K )2 gọi độ sụt tốc độ ứng với giá trị mô men tải M Khi Rf = 0, ɸ = ɸđm Uư = Uưđm ta có đặc tính tự nhiên 1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ: A Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng Giả thiết ɸ = ɸđm, điện trở phụ Rf = Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Uđm ta có: Tốc độ khơng tải: 0  U K  dm Khi U giảm ω giảm theo ( K  dm )2    const Ru Độ cứng đặc tính cơ: Như thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động ta họ đặc tính song song với đặc tính tự nhiên Hình 1.6 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập giảm điện áp đặt vào phần ứng Đặc điểm: - Điện áp phần ứng giảm, tốc độ động nhỏ Điều chỉnh trơn toàn dải điều chỉnh Độ cứng đặc tính giữ khơng đổi toàn giải điều chỉnh Độ sụt tốc tuyệt đối toàn giải điều chỉnh ứng với mô men Độ sụt tốc tương đối lớn đặc tính thấp khơng vượt q sai số cho phép cho tồn giải điều chỉnh - Dải điều chỉnh phương pháp D ~ 10:1 - Chỉ điều chỉnh tốc độ phía giảm (vì thay đổi với Uư≤Uđm) - Phương pháp điều chỉnh cần nguồn để thay đổi trơn điện áp B Phương pháp điều chỉnh từ thông - Giả thiết: U = Uđm, điện trở phụ Rf = Muốn thay đổi từ thong ta thay đổi dòng điện kích từ I kt động đoạn tuyến tính đặc tính từ hóa Tốc độ khơng tải lý tưởng: Độ cứng đặc tính cơ:   0  U K  dm ( K  dm ) Ru Khi từ thơng giảm, độ cứng đặc tính mềm hơn: Hình 1.7 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập giảm từ thơng Đặc điểm: - - Từ thơng cảng giảm tốc độ khơng tải lý tưởng đặc tính tăng, tốc độ động lớn Độ cứng đặc tính giảm giảm từ thơng Có thể điều chỉnh thay đổi dải điều chỉnh Chỉ điều chỉnh thay đổi tốc độ phía tăng Do độ dốc đặc tính tăng lên giảm từ thơng nên đặc tính cắt với tải khơng lớn (M1) tốc độ tăng từ thông giảm Thực tế, phương pháp sử dụng tải không lớn so với định mức 10 - Khâu khuếch đại công suất nhằm tăng công suất xung tạo khâu so sánh, đồng thời phải thực việc ghép nối với van lực theo tính chất điều khiển van lực 3.2 Khâu phát xung chủ đạo tạo điện áp cưa 3.2.1 Phân tích Khâu tạo cưa cho phép tạo đầu khuếch đại thuật toán OA2 điện áp cưa có hình tam giác cân, đầu OA1 dao động điện áp xung chữ nhật Dưới khâu phát xung khâu tạo điện áp cưa Hình 3.5 Khâu phát xung tạo điện áp cưa với đồ thị OA1 mạch lật kiểu trigo Schmitt, đầu có trạng thái tối đa tương ứng giá trị cực đại +U m –Um Nếu dùng cụm hai diode ổn áp đấu nối tiếp Dz1, Dz2 U m=(UDz + 0.7)V; khơng dùng thơng thường Um=Ubh OA Cụm diode ổn áp có tác dụng chống bão hịa sâu cho OA để phản ứng nhanh giảm thời gian trễ lật trạng thái Sự biến thiên đầu OA2 thông qua điện trở R tác động đến cửa (+) OA1, điện đến không làm trigo lật sang trạng thái đổi dấu điện áp đầu Lập tức tích phân đảo chiều biến thiên mạch bắt đầu mộ quy trình ngược với giai đoạn trước … Phân tích cho thấy mức ngưỡng để tích phân đảo hướng có giá trị gọi điện áp ngưỡng bằng: R U ng  � U m R2 (3-1) Có thể biến xung tam giác hai cực tính thành cực tính sử dụng thêm mạch dịch điện áp cụm điện trở treo R R5 Lúc điện áp hai đầu Ura1 Ura2 dịch giá trị là: 24 U  U rc / R4  E / R5 1/ R4  1/ R5 (3-2) Do điện áp Ura khơng tử số biểu thức không, điều có nghĩa giá trị U rc phải trái dấu nguồn E Mặt khác điện áp cưa có giá trị biên độ U m, nên có điều kiện để cưa tam giác trở thành cực tính: U m E R U  0�  m R4 R5 R5 E (3-3) Và điều kiện để chọn điện trở R4 R5 3.2.2 Tính chọn Với tần số 400Hz chu kỳ làm việc băm xung là: T 1   2.5 �103 ( s) f 400 15V sử dụng cụm diode ổn áp đấu nối Chọn điện áp nguồn E  � tiếp với đầu, với Uoa=12V, ta có điện áp cực đại U m= Uoa+UDz =12+0.7=12.7V Do biến thiên điện áp ta rút ra: Um U T 12.7 �  2U ng � C �R1  m �T  �2.5 �103  0.793 �103 C �R1 4U ng �10 0.793 �103 R1   36.04 �103   36.04k  9 22 � 10 Chọn tụ C1=22nF suy ra:  Chọn biến trở 40kΩ vào vị trí R1 để hiệu chỉnh tần số băm xung Từ biểu thức (3-1) ta có: R3 U ng 10    0.787 � R3  0.787 R2 R2 U m 12.7 , tức R2=10kΩ R3=7.87kΩ Tuy nhiên ta chọn R2=10kΩ R3 biến trở 10kΩ để chỉnh xuống giá trị cần thiết nhằm đảm bảo biên độ xung tam tam giác 10V Từ biểu thức (3-3) ta có : R4 U m 12.7    0.846 � R4  0.846 R5 R5 E 15 , chọn R5=20kΩ R4=16.92kΩ  Chọn R4 biến trở 20kΩ để hiệu chỉnh mạch 25 Danh sách link kiện chọn cho khâu STT Tên linh kiện Tụ điện Biến trở Điện trở Số lượng Thông số C1=22nF R1=40kΩ, R3=10kΩ, R4=20kΩ R2=10kΩ, R5=20kΩ 3.3 Khâu so sánh So sánh kiểu hai cửa hai điện áp so sánh đưa tới hai cực khác OA Dưới khâu so sánh Hình 3.6 Khâu so sánh đồ thị Điện áp tuân theo quy luật: U  K o u  K o (u   u  ) Trong đó:  Ko: hệ số khuếch đại OA  U+ : điện áp vào cửa (+)  U- : điện áp vào cửa (-) Tùy thuộc vào điện áp cưa điều khiển đưa vào cửa mà điện áp xuất sườn xung âm dương thời điểm cân chúng Nếu điện áp điều khiển đưa vào cửa (+), điện áp cưa đưa vào cửa (-) điện áp tải U  K o (u   u  )  K o (udk  urc ) Do Uđk>Ut Ura= +Uss cịn UđkUt Ura= +Uss cịn Uđk