Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển tốc độ DC

Mục lục LỜI NÓI ĐẦU Trong giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại hoá nền kinh tế đất nước, ngày càng có nhiều thiết bị bán dẫn công suất hiện đại được sử dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực sản xuất, phục vụ đời sống con người. Đặc biệt trong lĩnh vực điều chỉnh tự động sử dụng van bán dẫn. Trong các lĩnh vực điều chỉnh tự động nói chung cũng như trong lĩnh vực giao thông nói riêng việc đòi hỏi cần có các bộ điều chỉnh nhằm tiết kiệm năng lượng ngày càng được đòi hỏi và thay thế . Bên cạnh đó trong lĩnh vực giao thông việc sử dụng các động cơ xăng, diezen ngày càng có xu hướng giảm vì các nhược điểm như: Tiêu hao nhiều năng lượng, ô nhiễm môi trường ... Đồng thời với các thành tựu của khoa học kỹ thuật thì việc chế tạo các động cơ điện ngày càng được hoàn thiện . Song song với sự phát triển đó là sự đòi hỏi phải có bộ điều khiển các loại động cơ đó với chất lượng tốt nhất, thoả mãn các yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật nhằm sử dụng và thay thế các động cơ cũ. Bộ băm xung áp một chiều sử dụng van bán dẫn trong tương lai đáp ứng được nhu cầu cần thiết về bộ điều khiển điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. Do đó là một đề tài hay nên trong sau khi học xong môn Điện tử công suất và truyền động điện, chúng em đã được Th.s Lê Thị Minh Tâm– giảng viên khoa Điện – Điện tử trường ĐHSPKT Hưng Yên, giao cho chúng em đề tài “Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển tốc độ DC’’ Chúng em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1. Đặt vấn đề Cùng với sự tiến bộ của văn minh nhân loại, chúng ta đã chứng kiến thấy sự phát triển rầm rộ kể cả về quy mô lẫn trình độ của nền sản xuất hiện đại. Trong sự phát triển đó ta cũng có thể chỉ ra rằng điện năng và máy tiêu thụ điện năng đóng vai trò không thể thiếu được nếu không muốn nói là chủ chốt. Nó đi trước làm tiền đề và cũng là mũi nhọn quyết định sự thành công của cả một hệ thống sản xuất công nghiệp. Không một quốc gia nào, một nền sản xuất công nghiệp nào không sử dụng điện và máy điện. Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải...,cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản, dễ vận hành ... mà máy điện xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện vẫn giữ một vị trí quan trọng trong các ngành sản xuất công nghiệp nặng như trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung là các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng, có công xuất lớn (như trong máy cán thép, đầu máy điện, máy công cụ lớn....). Mặc dù so với động cơ xoay chiều 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 ưu điểm của nó mà động cơ 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 hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản thân động cơ điện xoay không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp được thì cũng phải tốn chi phí cho các thiết bị 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 còn 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 công suất trung bình và lớn là khoảng 85%÷94%. Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 100MW, điện áp vào khoảng vài trăn 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 đó là cả một vấn đề rộng lớn và phức tạp vì vậy với vốn kiến thức còn hạn hẹp của mình trong phạm vi đề tài này em không đề cập nhiều vấn đề lớn mà chỉ đề cập tới vấn đề thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ có đảo chiều của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Phương pháp được chọn ở đây là bộ băm xung, có thể đây chưa là phương pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất nhưng nó được sử dụng rộng rãi bởi những tính năng và đặc điểm mà ta sẽ phân tích và đề cập sau này. 1.2. Các phương pháp điều khiển động cơ một chiều 1.2.1. Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người ta phân loại theo cách kích từ của động cơ. Theo đó ta có các loại động cơ điện : Kích từ độc lập: Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn, mạch điện phần ứng và phần kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên: I=Iư Kích từ song song: Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi, mạch kích từ được mắc song song với mạch điện phần ứng nên: I= Iư + Ikt Kích từ nối tiếp: Cuộn kích từ được mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng, cuộn kích từ có tiết diện lớn hơn, điện trở nhỏ hơn, số vòng ít chế tạo dễ dàng, ta có: I=Iư = Ikt Kích từ hỗn hợp: ta có I = Iư +Ikt Với mỗi loại động cơ trên tương ứng có các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật, điều khiển và ứng dụng là tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều nhân tố, ở đề tài này ta chỉ xét đến động cơ điện một chiều kích từ độc lập và biện pháp hữu hiệu để điều khiển loại động cơ này. 1.2.2. Động cơ điện kích từ độc lập * Phương trình đặc tính cơ: là phương trình biểu thị mối quan hệ giữ tốc độ (ω) và mômen (M) của động cơ có dạng chung: ω=UưKΦ-Rư+Rf(KΦ)2M Thông qua phương trình này, ta có thể thấy được sự phụ thuộc của tốc độ động cơ vào mômen động cơ và các thông số khác ( từ thông, điện trở phụ...), từ đó đưa ra phương án tối ưu để điều chỉnh tốc độ động cơ. Với những điều kiện Uư = const, Ikt= const thì từ thông của động cơ gần như không đổi, vì vậy quan hệ trên là tuyến tính và đường đặc tính cơ của cộng cơ là thẳng. Thường dạng của đường đặc tính cơ mà là đường thẳng thì giao điểm với trục hoành ứng với điểm mômen ngắn mạch, còn giao điểm với trục tung ứng với điểm tốc độ không tải lý tưởng của động cơ. ω ωo M Mnm Mđm ωđm 0 Người ta đưa ra đại lượng β=∆M∆ω để đánh giá độ cứng của đường đặc tính cơ. Đặc tính càng dốc càng cứng (β càng lớn) tức mômen biến đổi nhiều nhưng tốc độ biến đổi ít và ngược lại. Đặc tính càng ít dốc càng mềm tức là mômen biến đổi ít nhưng tốc độ thay đổi nhiều. ω ωo I Inm Iđm ωđm 0 Để hiểu được nguyên lý và lựa chọn phương pháp điều chỉnh tối ưu, trước hết ta đi xét đặc tính cơ cua động cơ điện. Đó là mối quan hệ giữa tốc độ quay với mômen (hoặc dòng điện ) của động cơ. Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, nếu động vận hành ở chế độ định mức (điện áp, dòng điện, từ thông định mức, và không nối thêm các điện trở, điẹn kháng vào động cơ ). Trên đường đặc tính cơ tự nhiên ta có điểm làm việc định mức có giá trị (Mđm;ωđm) hoặc (Iđm;ωđm). Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số nguồn hoặc nối thêm các điện trở, điện kháng. Để so sánh các đặc tính cơ với nhau người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ β=∆M∆ω (tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc ). Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Sơ đồ kích từ độc lập: Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập. Dựa vào sơ đồ trên có thể viết được cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau: Uư = Eư + ( Rư + Rf )Iư Trong đó: Uư: điện áp phần ứng (V) Eư: sức điện động phần ứng (V) Rư: điện trở phần ứng (Ω) Rf: điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω) Iư: dòng điện phần ứng (A) Với Rư = rư + rct + ri + rcf ; rư : điện trở cuộn dây phần ứng rct : điện trở tiếp xúc của chổi than ri : điện trở cuộn bù rcf : điện trở cuộn cực từ phụ Sức điện động Eư được xác định bằng biểu thức: Eư = PN2πaΦω = KΦω Trong đó: P: số đôi cực từ chính N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng Φ: từ thông kích từ dưới một cực từ (Wb) ω: tốc độ góc (rad/s) K = PN2πa : hệ số cấu tạo của động cơ Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (v/p) thì : Eư = KeΦn ; và ω = 2πn/60 = n9,55 Vì vậy : Eư = PN60aΦn Ke=K9,55=0,105K Suy ra: ω=UưKΦ-Rư +RfKΦIư (*) Biểu thức (*) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện. Mặt khác mômen điện từ của động cơ được xác định bởi : Mđt=KΦIư Suy ra: Iư=MđtKΦ Thay vào (*) ta được: ω=UưKΦ-Rư+Rf(KΦ)2Mđt Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất về thép thì mômen trên trục động cơ (M) bằng mômen điện từ : Mđt=Mcơ=M. Ta có: ω=UưKΦ-Rư+Rf(KΦ)2M (**) Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Đường đặc tính cơ có dạng: ω ωo M Mnm Mđm ωđm 0 ω ωo I Inm Iđm ωđm 0 Từ các đồ thị trên ta có nhận xét: Khi Iư=0 hoặc M=0 thì: ω=UưKΦ=ω0 : Tốc độ không tải lý tưởng Còn khi ω=0 ta có: Iư=UưRư+Rf=Inm : Dòng điện ngắn mạch Và: M=KΦInm=Mnm : Mômen ngắn mạch Mặt khác từ phương trình đặc tính cơ (*)và (**) ta cũng có thể viết được: ω=UưKΦ-RIKΦ=ω0-∆ω ; ω=UưKΦ-RM(KΦ)2=ω0-∆ω Trong đó: R=Rư+Rf ; ω0=UưKΦ ; ∆ω=RKΦIư=R(KΦ)2M :Gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M. Từ đó có thể thấy tốc độ động cơ điện một chiều phụ thuộc vào các đại lượng là Uư , R, I. Như vậy thông qua các đại lượng này thay đổi ta có thể điều chỉnh tốc độ của động cơđiện một chiều. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. Điều chỉnh tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động điện nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ nào đó của các máy sản xuất. Điều chỉnh tốc độ là dùng phương pháp thuần túy điện tác động lên bản thân hệ thống truyền động điện để thay đổi tốc độ quay của động cơ điện. Tốc độ làm việc của động cơ điện thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn hay chế độ làm việc mở máy hay hãm máy... và do đó gây ra sai số với tốc độ kỹ thuật như mong muốn. Trong các hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cơ bản các chỉ tiêu này cũng được tính đến khi thiết kế hoặc điều chỉnh động cơ điện .Thực tế có ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều: + Điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ. + Điều chỉnh bằng cách thay đổi từ thông phần ứng hay thay đổi điện áp phần ứng cấp cho mạch kích từ. + Điều chỉnh bằng thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng. Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng Chỉ áp dụng được với động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc song song làm việc ở chế độ kích thích độc lập.loại này cần có thiết bị nguồn như: máy phát điện một chiều cho bộ kích từ,các bộ chỉnh lưu điều khiển 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 . Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập Ta có phương trình : Eb – Eu = Iu(Rb+Rud) ω=EbKΦđm-Rb+RudKΦđmIư ω=ω0(Uđk)-M|β| Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ thống. Đồ thị là tuyến tính, do đó phương pháp này là triệt để xác định dải điều chỉnh tốc độ: Phương pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng không đổi. Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp này điều khiển là triệt để. Dải điều chỉnh tốc độ của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp định mức và từ thông định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều khiển bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi động. Khi mômen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là: ωmax= ω0max- Mđm|β| ωmin= ω0min- Mđm|β| Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là: Mnmmin= Mcmax= KM.Mđm Trong đó KM là hệ số quá tải về mômen.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: ωmin= Mnmmin-Mđm1|β|= Mđm|β|KM-1 D = ω0max- Mđm|β|KM-1Mđm|β|= ω0max|β|Mđm-1KM-1 Với ω0max, Mđm, KM xác định ở mỗi máy, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng β. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ điện một chiều bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng 2 lần điện trở phần ứng động cơ. Do đó có thể tính sơ bộ được: ω0max|β| Mđm≤ 10 Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ động cơ không vượt quá 10 khi tải có đặc tính mômen không đổi. Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ Điều chỉnh từ thông động cơ điện một chiều kích từ độc lập chính là điều khiển mômen điện từ của động cơ M= KФIư và sức điện động quay của động cơ Eư= KФW . Do mạch kích từ của động cơ điện một chiều là phi tuyến vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là phi tuyến . Từ sơ đồ trên ta được : ik= ekrb+rk+ωkdФdt Với rk – Điện trở dây quấn kích thích (phần ứng), rb – Điện trở của nguồn điện áp kích thích, ωk – Số vòng dây cuộn kích từ. Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng bằng Uđm do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc tính cơ có điện áp phần ứng định mức, từ thông định mức và được gọi là đặc tính cơ bản(đôi khi là đặc tính cơ tự nhiên). Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện. Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi, vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết quả là mômen cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh. Kể cả khi giữ nguyên dòng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính cơ cũng giảm rất nhanh khi giảm từ thông kích thích: PΦ= KФ2RƯ Thay đổi điện trở phụ Rf Từ phương trình đặc tính cơ (*) ω=UưKΦ-Rư +RfKΦIư Thực tế loại này ngày nay người ta không dùng (chỉ đề cập qua). Vì phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dưới tốc độ định mức, và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất động cơ điện. Vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng ở động cơ điện có công suất nhỏ và thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục. Kết luận Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông có nhiều hạn chế so với phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng. Phương pháp thay đổi từ thông bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí: đó chính là điều kiện chuyển mạch của cổ góp điện. Cụ thể phương pháp thay đổi điện áp phần ứng có các ưu điểm hơn như sau: Hiệu suất điều chỉnh cao (phương trình điều khiển là tuyến tính, triệt để ), có công suất tổn hao nhỏ. Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mômen ngắn mạch giảm, dòng ngắn mạch 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 mỗi mômen điều chỉnh xác định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục. Tuy vậy phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh caovaf phải có nguồn áp điều chỉnh được, xong nó không đáng kể so với những ưu điểm của nó. Vậy nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi. 1.3. Các vấn đề khác khi điều khiển động cơ điện một chiều. 1.3.1. Các góc phần tư làm việc. Trạng thái hãm và trạng thái động cơ được phân bố trên đặc tính cơ ở các góc phần tư tương ứng với chiều mômen và tốc độ như hình vẽ. I, III: trạng thái động cơ (ω cùng chiều với mômen M ) II, IV: trạng thái hãm (ω ngược chiều với mômen M) II: h·m I: ®éng c¬ IV: h·m III: ®éng c¬ Pc=Mdω<0 Pc=Mdω>0 Pc=Mdω>0 Pc=Mdω<0 ω M Mc Mc Mc 0 Mc 4 Theo đó : Công suất cơ Pcơ = Mđ.ω Công suất điện của động cơ Pđ = Pcơ+∆P (∆P: tổn hao công suất) 1.3.2. Các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. a. Khởi động Xuất phát từ phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều ω=UưKΦ-Rư +RfKΦIư (*) Với đặc tính tự nhiên (Rf = 0) khi khởi động ta thấy dòng điện khởi động ban đầu là: Inm=UđmRư Ở động cơ công suất trung bình và lớn có, Rư thường có giá trị khá nhỏ nên dòng điện khởi động ban đầu (dòng ngắn mạch) tương đối lớn: Inm =(2÷2,5)Iđm. Với giá trị dòng khởi động lớn sẽ không cho phép về mặt chuyển mạch và phát nóng của động cơ cũng như sụt áp trên lưới điện. Tác hại này còn nghiêm trọng hơn đối với những hệ thống cần khởi động hãm máy nhiều lần trong quá trình làm việc. Để hạn chế dòng điện khởi động ta có thể giảm áp nguồn đặt vào phần ứng động cơ điện hoặc nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng. Trong đề tài này chúng em được yêu cầu thực hiện biện pháp giảm điện áp nguồn đặt vào phần ứng động cơ. Dễ dàng nhận thấy biện pháp này là phù hợp hơn vì khi khống chế dòng ngắn mạch ở chế độ khởi động còn hạn chế được cả điện áp khởi động (do điều khiển là làm giảm áp). b. Chế độ hãm Hãm là trạng thái mà mômen động cơ sinh ra quay ngược chiều tốc độ quay. Động cơ điện một chiều có ba trạng thái hãm: Hãm tái sinh, hãm ngược, hãm động năng. Động cơ làm việc ở chế độ máy phát. Hãm tái sinh Xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng. Khi đó Uư <Eư động cơ làm việc như một máy phát song song với lưới.So với chế độ động cơ, dòng điện và mômen hãm đã đổi chiều và được xác định theo biểu thức: Ih= Uư-Eư R =KФω0- KФωR <0 Mh= KФIh<0 Trị số hãm sẽ lớn dần lên cho đến khi cân bằng với mômen phụ tải thì hệ thống làm việc ổn định với tốc độ ωođ < ω0. Vì sơ đồ đấu dây của động cơ không đổi nên phương trình đặc tính cơ của động cơ tương tự như mômen có giá trị âm. Đường đặc tính cơ nằm trong góc phần tư thứ 2 và thứ 4. Hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều công suất được đưa trả về lưới điện có giá trị P = (E-U)I. Đây là là phương pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh năng lượng hữu ích. Hãm ngược Xảy ra khi phần ứng động cơ dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động hoặc do thế năng quay ngược chiều với mômen điện từ của động cơ, mômen của động cơ khi đó chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất. Hãm ngược khi đưa điện trở phụ vào mạch điện phần ứng(tăng tải): Đặc tính hãm ngược sức điện động tác dụng cùng chiều với điện áp lưới. Động cơ làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện biến điện năng nhận từ lưới và cơ năng trên trục thành nhiệt đốt nóng tổng trở mạch phần ứng, vì vậy tổn thất năng lượng lớn. Hãm ngược bằng đảo chiều điện áp phần ứng: Dòng điện Ih ngược chiều với chiều làm việc của động cơ và có giá trị có thể là khá lớn. Do đó điện trở đưa vào phải phải có giá trị đủ lớn để hạn chế dòng diện hãm ban đầu Ihđ trong phạm vi cho phép: Ihđ ≤ (2÷ 2,5)Iđm , và phương trình đặc tính cơ có dạng: Ih=-UưKФ-Rư+Rf(KФ)2 Hãm động năng Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mang năng lượng cơ học của động cơ được tích luỹ trong quá trình làm việctruowcs đó biến thành điện năng tiêu tán dưới dạng nhiệt. Hãm động năng kích từ độc lập: Khi ta cắt phần ứng động cơ ra khỏi lưới điện một chiều và đóng vào một điện trở hãm, còn mạch kích từ vẫn giữ nguyên. Tại thời điểm ban đầu tốc độ động cơ có giá trị ωhđ nên: Ehđ=KФωhđ ; Và dòng điện hãm: Ihđ=-EưRư+Rh=-KФωhđRư+Rh Mômen hãm đầu: Mh=KФIhđ<0 Chứng tỏ Ihđ và Mhđ ngược chiều với tốc độ ban đầu . Khi hãm động năng Uư = 0 nên ta có phương trình đặc tính : ω=-Rư+RfKФIư=-Rư+Rh(KФ)2M Năng lượng chủ yếu tạo ra do động năng của động cơ tích luỹ được nên công suất tiêu tốn chỉ nằm trong mạch kích từ. Hãm động năng tự kích: Hãm động năng kích từ độc lập có nhược điểm là nếu mất điện thì không thực hiện hãm được do cuộn dây kích từ vẫn phải nối với nguồn. Để khắc phục nhược điểm này người ta thường sử dụng phương pháp hãm động năng tự kích từ. Hãm động năng tự kích từ xảy ra khi động cơ đang quay, ta cắt cả phần ứng và cuộn kích từ ra khỏi lưới điện để đóng vào một điện trở hãm. Khi đó: Iư=Ih+Ikt Iư=-ERư+RktRhRkt+Rh=-KФωRư+RktRhRkt+Rh Và phương trình đặc tính cơ: ω=-Rư+RktRhRkt+RhKФIư=-Rư+RktRhRkt+Rh(KФ)2M Trong quá trình hãm tốc độ động cơ giảm dần, dòng kích từ giảm dần và do đó từ thông Ф giảm dần và là hàm số của tốc độ. Vì vậy đặc tính cơ như có dạng như đường đặc tính không tải lý tưởng của máy phát diện tự kích từvà phi tuyến. So với phương pháp hãm ngược thì hãm động năng có hiệu quả kém hơn nhưng khi chúng có cùng tốc độ và cùng mômen cản Mc. Tuy nhiên hãm động năng ưu việt hơn về mặt năng lượng đặc biệt là hãm động năng tự kích vì không tiêu thụ năng lượng từ lưới nên phương pháp này có khả năng hãm khi có sự cố mất điện lưới. 1.3.3.Vấn đề phụ tải Đặc tính của phụ tải cũng là vấn đề cần phải quan tâm khi điều khiển động cơ điện một chiều. Với các loại khác nhau ta sẽ chọn các phương pháp phù hợp và tính toán khác nhau. Có thể phân ra 3 loại cơ bản theo sự thay đổi của mômen cản với tốc độ.Khi tốc độ động cơ thay đổi mômen phụ tải có thể là: + Không đổi : Thang máy ….(1) + Tăng: Quạt gió, bơm….(2) + Giảm: Các cơ cấu máy cuốn dây, cuốn giấy, truyền động quay trục chính máy cắt gọt kim loại…(3) 1 2 3 Mc 4 Ta thường mong muốn đặc tính này là tuyến tính (M) vì vấn đề sẽ trở lên rất phức tạp khi sự thay đổi lại là phi tuyến đặc biệt là khi tải thay đổi . Nên ở đây ta chỉ xét trường hợp phụ tải có mômen là hằng số trong toàn dải điều chỉnh. Qua sự phân tích trên đây, việc điều khiển điện áp phần ứng được chọn là phù hợp. Giải pháp mà người ta thường dùng hiện nay là bộ băm xung áp.Chính là điều khiển động cơ bằng bộ băm xung áp một chiều mà ta sẽ đề cập ở vấn đề tiếp theo CHƯƠNG II:MỘT SỐ MẠCH BĂM XUNG MỘT CHIỀU (BXDC) ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 2.1. Giới thiệu về băm xung một chiều (BXDC) BXDC có chức năng biến đổi điện áp một chiều, nó có ưu điểm là có thể thay đổi điện áp trong một phạm vi rộng mà hiệu suất của bộ biến đổi cao và tổn thất của bộ biến đổi chủ yếu trên các phần tử đóng cắt rất nhỏ. So với các phương pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều như phương pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát một chiều, bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lưu có điều khiển... thì phương pháp dùng mạch băm xung có nhiều ưu điểm đáng kể: điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm năng lượng, kinh tế và hiệu quả cao, đồng thời đảm bảo được trạng thái hãm tái sinh của động cơ. Cùng với sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi các linh kiện bán dẫn công suất lớn đã tạo nên các mạch băm xung có hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độ nhạy cao, điều khiển trơn tru, chi phí bảo trì thấp, kích thước nhỏ. Mạch băm xung đặc biệt thích hợp với các động cơ một chiều công suất nhỏ. Điện thế trung bình đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn mặc dù điện thế đầu vào có thể là hằng số (ắc qui, pin) hoặc biến thiên (đầu ra của chỉnh lưu), tải có thể thay đổi.Với một giá trị điện thế vào cho trước, điện thế trung bỡnh đầu ra có thể điều khiển theo hai cách: - Thay đổi độ rộng xung. - Thay đổi tần số băm xung. BB§ mét chiÒu US Ura t t1 t2 T 2.1.1. Phương pháp thay đổi độ rộng xung Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T. Giá trị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là: Trong đó đặt: 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 < e £ 1). 2.1.2. Phương pháp thay đổi tần số xung Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1 = const. Khi đó: Vậy Ud = U khi và Ud = 0 khi f = 0. Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phương pháp trên. 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. 2.1.3. Nhận xét Ở đây ta chọn cách thay đổi độ rộng xung, phươg pháp này gọi là PWM (Pulse Width Modulation), theo phương pháp này tân số băm xung sẽ là hằng số. Việc điều khiển trạng thái đóng mỏ của van dựa vào viêc so sánh một điện áp điều khiển với một sóng tuần hoàn (thường là dạng tam giác (Sawtooth)) có biên độ đỉnh không đổi. Nó sẽ thiết lập tần số đóng cắt cho van, tần số đóng cắt này là không đổi với dải tẩn từ 2kHz đến 200kHz. Khi thì cho tín hiệu điều khiển mở van, ngược lại khóa van off on Ura 2.2. Các dạng băm xung cơ bản Dựa vào cách mắc khoá xung, các bộ lọc và nguồn cung cấp mà có các dạng sơ đồ sau: 2.2.1. Xung áp nối tiếp Sơ đồ nguyên lý: Phần tử điều chỉnh quy ước là khoá S (van bán dẫn điều khiển). Đặc điểm của sơ đồ này là khoá S,cuộn cảm và tải mắc nối tiếp. Tải có tính chất cảm hoặc dung kháng. Bộ lọc L-C, Diode D mắc ngược Ud có tác dụng thoát để thoát dòng tải khi khoá K ngắt. + S đóng: U được đặt vào đầu của bộ lọc. Lý tưởng thì Ud=U (nếu bỏ qua sụt áp trên các van) + S mở: Hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng điện id do năng lượng tích luỹ trong cuộn cảm L và Ltải , dòng chạy qua D do đó Ud= 0. Như vậy, Ud ≤ U. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp. Đặc tính truyền đạt: WI = UdU 2.2.2. Xung áp song song Sơ đồ nguyên lý: Đặc điểm của sơ đồ này là L mắc nối tiếp với tải, khoá S mắc song song với tải. Cuộn cảm L không tham gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trò này. + S đóng: dòng điện từ +Uqua L→S→-U. Khi đó D tắt vì trên tụ có Uc (đã được tích điện từ trước đó). + S ngắt: dòng điện từ +Uqua L →D→Tải→-U. Vì từ thông trong cuộn cảm L không giảm tức thời về không do đó trong L xuất hiện suất điện động tự cảm eL= ωdФdt , có cùng cực tính với U. Do đó tổng điện áp: Ud = U+eL. Như vậy ta có bộ biến đổi tăng áp. Đặc tính của bộ biến đổi này là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U ở chế độ liên tục và năng lượng truyền tải dưới dạng xung nhọn. Đặc tính truyền đạt: WI = UdU=α 2.2.3. Xung áp đảo dòng lớp B Sơ đồ nguyên lý: Tải là phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập đã được thay bởi mạch tương đương R-L-E. Nguyên lý hoạt động : Chế độ động cơ: Trong khoảng 0 ≤ t ≤ γTđộng cơ được nối nguồn qua t1, điện áp đặt lên động cơ là U. Trong khoảng γT≤ t ≤T , ngắt, động cơ được nối ngắn mạch qua , điện áp đặt lên động cơ là 0. Chế độ hãm tái sinh: Trong khoảng , ngắt, động cơ được nối nguồn qua , điện áp đặt lên động cơ là U. Trong khoảng , dẫn, động cơ được nối ngắn mạch qua , điện áp đặt lên động cơ là 0. Khi S1 mở dòng điện từ nguồn chảy qua S1 qua tải và trở về âm nguồn .Khi S1 khoá dòng tải được ngắn mạch qua điod D1 đảm bảo dòng tải là liên tục ngay cả khi S1 khoá . Để đảo chiều dòng điện phần ứng động cơ (dòng id) ta cho S2 và D2 vào vận hành còn S1 ngắt. Khi đó ,do quán tính động cơ vẫn quay theo chiều cũ mặc dù bị ngắt ra khỏi nguồn ® E > 0. Lúc này mạch tải chỉ có nguồn duy nhất E ngắn mạch qua S2 ® xuất hiện dòng điện chạy ngược lại chiều ban đầu .Công suất điện từ của động cơ là:Pđt= Id.E > 0. Công suất lúc này được tích luỹ trong cuộn cảm L. Khi S2 ngắt, trên điện cảm L sinh ra sức điện động tự cảm (DUL) cùng chiều với E.Tổng hai sức điện động này lớn hơn điện áp nguồn US làm D2 dẫn ngược dòng về nguồn và trả lại phần năng lượng đã tích luỹ trong cuộn cảm L. Để đảm bảo S2 dẫn dòng điện ngược ngay khi dòng thuận qua D1 tắt ta phát xung vào mở S2 đồng thời với việc phát xung khoá S1. 2.2.4. Xung áp đảo áp lớp B · · · · L1 · R E id · · · · D1 D4 S1 S4 ud US · C · · · D2 D3 S2 S3 · S1,S2,S3,S4 là cá van điều khiển hoàn toàn. Trong sơ đồ này cho phép điều chỉnh và đảo chiều quay của động cơ một cách linh hoạt, đặc tính làm việc cả ở 4 góc phần tư. Tuy nhiên, điều khiển các van sẽ rất phức tạp, ở đây ta chỉ nêu ra sơ đồ chứ không nghiên cứu sâu. CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.1. Yêu cầu chung của mạch điều khiển Các yêu cầu chung với mạch điều khiển là: - Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển. - Yêu cầu về độ lớn xung điều khiển. - Yêu cầu về độ dốc sườn trước của xung (càng cao thì việc mở càng tốt thông thường ). - Phát xung điều khiển đến các van lực theo đúng pha và với góc điều khiển ỏ cần thiết. - Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển αmin đến αmax tương ứng với phạm vi thay đổi điện áp ra tải của mạch lực. - Cho phép động cơ làm việc với các chế độ đã tính toán như chế độ khởi động, hãm tái sinh, đảo chiều quay... - Có độ đối xứng điều khiển tốt, tức là góc điều khiển với mọi van không vượt quá 10 đến 30 điện. - Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt: không được gây ra các nhiễu vô tuyến. - Độ tác động của mạch điều khiển nhanh. - Thực hiện các yêu cầu bảo vệ các van nếu cần như ngắt các xung điều khiển khi có sự cố, thông báo các hiện tượng không bình thường của lưới và bản thân mạch điều khiển. - Yêu cầu về độ tin cậy. 3.2. Nguyên lý chung của mạch điều khiển Nguyên tắc chung của mạch điều khiển là so sánh một điện áp một chiều UĐK thay đổi được với một điện áp răng cưa U có tần số dao động cao. Khi điện áp răng cưa lớn hơn điện áp UĐK thì bộ so sánh tạo ra một xung vuông kéo dài đến khi điện áp răng cưa nhỏ hơn UĐK. Bằng cách thay đổi UĐK, có thể thay đổi độ rộng xung điều khiển trong khi vẫn giữ tần số điều khiển không đổi UĐK Sơ đồ khối của mạch điều khiển So sánh Mạch tạo xung răng cưa Mạch nguồn Van động lực Mạch tạo dao động UĐK Sơ đồ mạch 3.2.1 Sơ đồ nguồn nuôi Sơ đồ mạch nguồn chọn động cơ có thông số p=12w và U=24V hiệu suất η=85% vậy ta có dòng định mức của động cơ sẽ là: p=u*i*η i=p/u*η =15/(0,85*24)=0.74 A Dòng khởi động của động cơ từ (1,5÷2)Iđm do vậy dòng khởi động của động cơ là: Ikd=1,5*Iđm = 1,5*0.74=1.11 A Vậy ta chọn máy biến áp có thông số như sau :có điện áp từ 0 đến 30v và có dòng điện lớn hơn dòng điện khởi động của động cơ : IBA > 1.1 A vậy ta chọn máy biến áp có dòng điện là 3A. Ta sử dụng chỉnh lưu cầu một pha dùng diode ta có: UD=2√ 2U2/η≈ 0,9U2=0,9*30=27V Vậy điện áp khi qua chỉnh lưu là:27v Chọn ic ổn áp 7824 tạo ra điện áp chuẩn+ 24v để cung cấp cho mạch và ic 7812 tạo ra điện áp +12v để cung cấp cho các ic khác. Thông số của 2 vi mạch này như sau: Điện áp đầu vào từ 24v đến 35v Điện áp đầu ra =24v với ic 7824 và =12v với ic 7812 Dòng điện qua ic 7824 là 1A Tụ C1, C2, C3 để lọc các thành phần sóng hài bậc cao Chọn C1=1000uf, C2=1000uf,tụ C3=470uf, và hai tụ lọc nhiễu C104 dùng để lọc bỏ nhiễu. 3.2.2. Khối tạo dao động và tạo xung răng cưa Khối này tạo ra dao động dạng xung vuông với tần số băm theo yêu cầu của mạch điều khiển: tạo được xung vuông với tần số 2,5kHz ÷ 5kHz ta sử dụng vi mạch tạo dao động Timer555 với các thông số cho như trên: Vcc VR R2 C 6,2 Sơ đồ thay thế của vi mạch như sau: :Trạng thái (mức logic)dầu ra tại thời điểm t,là đầu ra đảo của FF trong vi mạch Nguyên lý hoạt động: Khi =1 thì Transistor dẫn bão hoà ,tụ dẫn điện qua Transistor nên điện áp trên tụ Uc giảm . Khi tụ Uc giảm tới Uc= thì =0.U t1 t2 T t t Biểu đồ dạng sóng của Timer555 ở chế độ đa hài phiếm định Khi Uc tăng tới Uc= thì =1 Transistor lại dẫn bão hoà. Khoảng thời gian t1 phụ thuộc vào tnạp,với tnạp=(R1+R2)C Khoảng thời gian t2 phụ thuộc vào tphóng , với tphóng=R1C Qua tính toán ta được t1=(R1+R2)*C*ln2 t2= R1*C*ln2 Chọn C=1mF; R1=100kW ÞR2 = 100kW; ta sẽ được tần số dao động của Timer là f khoảng 22Hz. Lấy xung răng cưa từ chân 2 của ne555 3.2.3. Khâu so sánh Ta sử dụng vi mạch LM 324 với sơ đồ như sau: Mạch so sánh là mạch báo hiệu sự bằng nhau giữa điện áp cần so sánh Uv và điện áp chuẩn Uref . Đầu ra của mạch so sánh là mức logic cao hoặc thấp (điện áp ra dạng xung vuông có độ lớn phụ thuộc vào điện áp bão hoà của vi mạch so sánh và có độ rỗng xung phụ thuộc vào điện áp chuẩn), Nguyên lý hoạt động: Uv + - +Vcc -Vcc Ur Uref +Ubh Uv Ur +Ubh -Ubh Uref - Khi Uv>Uref thì Ur=UbhVcc(là ở mức cao) - Khi Uv<Uref thì Ur=-Ubh-Vcc(là ở mức thấp) 3.2.4. Khâu điều khiển đóng mở IRF540 Khi mạch điều khiển đã hoạt động, cấp nguồn cho mạch lực. Khi cấp nguồn +24v vào động cơ và về đến cực D của IRF540 và về âm nguồn. Xung điều khiển được đưa tới cực G của IRF540 làm cho IRF540 dẫn, động cơ quay. SƠ ĐỒ BOARD TỔNG KẾT Trong thời gian làm đề tài “Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển tốc độ động cơ điện DC.” được sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy hướng dẫn và các thầy cô trong khoa Điện- Điện tử, cùng với sự nỗ lực của cả nhóm chúng em đã hoàn thành được đề tài. Chúng em đã cố gắng vận dụng những kiến thức đã học để giải quyết được những vấn đề mà đề tài yêu cầu. Sau khi làm xong đề tài chúng em có thêm hiểu biết về các phần mềm mô phỏng và vẽ mạch, đặc biệt là cách sử dụng máy Ossilocop. Tuy nhiên, do thời gian còn có hạn nên đề tài của em không tránh khỏi nhiều thiếu sót. Chúng em rất mong được sự góp ý của thầy cô và các bạn để đề tài của chúng em ngày càng được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hưng yên, ngày … tháng …năm …. TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Bính – Điện tử công suất – NXB Khoa Học Kỹ Thuật Võ Quang Lạp, Trần Xuân Minh – Kỹ thuật biến đổi – Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên. Lê Văn Doanh – Điện tử công suất Lý thuyết, thiết kế và ứng dụng – NXB Khoa Học Kỹ Thuật. Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi – Phân tích và giải mạch Điện tử công suất NXB Khoa học Kỹ Thuật. Nguyễn Bính, Dương Văn Nghi – Giáo trình kỹ thuật biến đổi công suất lơn- Đại Học Bách Khoa Hà Nội 1982. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn Nguyễn Thị Hiền – Truyền động điện của nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2004.