Tổng quan về điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, xu thế công nghiệp hóa – hiện đại hóa đã mang lại rất nhiều thay đổi cho đất nước. Đặc biệt là trong ngành điện có nhiều tiêm năng lớn trong lĩnh vực của cuộc sống. Ngành điện mang lại nhiều lợi ích cho con người như tăng năng suất lao động, giảm công nhân đặc biệt là trong môi trường lao động độc hại. Trong phần lớn các nhà máy xí nghiệp, phân xưởng đều có sự góp mặt của ngành điện. Trong các dây truyền sản suất, máy móc sử dụng truyền động điện bằng xung áp một chiều rất nhiều bởi vì sử dụng hệ thống này có độ an toàn cao. Đồ án đề cập đến nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển hệ truyền động điện DC có một mạch vòng điều chỉnh tốc độ với bộ biến đổi là mạch xung áp không đảo chiều. Nội dung đồ án được chia làm 4 chương: Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động xung áp động cơ một chiều. Chương 2: Tính toán mạch lực và mạch điều khiển cho bộ xung áp. Chương 3: Tổng hợp và mô phỏng hệ điều chỉnh. Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển cho hệ thống. Đồ án này được thực hiện với sự giúp đỡ của thầy Nguyễn Đăng Toàn cùng các thầy cô trong bộ môn. Trong quá trình làm chắc chắn không thể chánh được một số thiếu sót nên em rất mong các thầy cô đóng góp ý kiến bổ xung để đồ án được hoàn thiện hơn. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1.1. Đặc tính cơ của động cơ một chiều. 1.1.1. Khái niệm đặc tính cơ Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và momen của động cơ. ta có đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, nếu động cơ vận hành chế độ định mức. 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 vào động cơ. Để đánh giá về đặc tính cơ và so sánh nó người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ β. 1.1.2. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập Sơ đồ nguyên lý hình 1.2 Khi ω = 0 Ta có và Inm, Mnm : dòng và momen ngắn mạch 1.2. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều. Có hai phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều. a. Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng của động cơ b. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ 1.2.1. Điều chỉnh điện áp phần ứng. Điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển…. Cácthiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành mộtchiều. Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệthống như sau: Để xác định dải điều chỉnh tốc độ. Ta thấy tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ cơ bản. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về momen khởi động. Khi momen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của hệ thống là: Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của điều chỉnh phải có momen ngắn mạch. Mnmmin = Mcmax = KM.Mđm Đồ thị đặc tính cơ là đường thẳng song song như hình 1.6. Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thông kích từ được giữ nguyên, Mômen cho phép động cơ được tính: 1.2.2. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ. Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh momen điện từ của động cơ . Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là phi tuyến. Trong đó: rk - điện trở dây quấn kích thích rb- điện trở nguông điện áp kích thích ωk-số vòng dây cả dây quấn kích thích. Ở chế độ xác lập ta có: Thường khi điều chỉnh thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trị định mức , do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc tính có điện áp phần ứng định mức từ thông dịnh múc và được gọi là đặc tính cơ bản (đôi khi chính là đặc tính 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.Để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết quả là momen trên trục động cơ giảm rất nhanh ngay cả khi giữ nguyên dòng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính cơ cũng giảm nhanh khi giảm từ thông kích thích. 1.3. Các hệ truyền động điện động cơ một chiều. 1.3.1. Hệ truyền động F – Đ. Hệ thống máy phát động cơ F - Đ là một hệ truyền động điện mà bộ biến đổi điện là máy phát điện một chiều kích từ độc lập, máy phát này thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha điều khiển quay máy phát được xác định bởi hai đặc tính: Đặc tính từ hoá. Đặc tính tải. Trong tính toán có thể tuyến tính hoá các đặc tính này Trong đó: KF là hệ số kết cấu của máy phát C là hệ số góc của đặc tính từ hoá Sơ đồ của hệ F – Đ Nếu đặt R = RưF + RưĐ Ta có thể viết được phương trình của đặc tính của hệ F – Đ Từ các biểu thức ta thấy, khi điều chỉnh dòng điện kích thích của máy phát thì điều chỉnh tốc độ không tải của hệ thống. * Chế độ làm việc. Trong hệ không có phần tử phi tuyến nào nên hệ có những đặc tính động rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển các trạng thái làm việc. Với sơ đồ H1.7 động cơ chấp hành Đ có thể làm việc ở chế độ điềuchỉnh cả hai chiều, kích thích máy phát và kích thích động cơ. Đảo chiều quay bằng cách đảo chiều dòng kích thích máy phát. * Đặc điểm của hệ F – Đ. Ưu điểm nổi bật của hệ F - Đ là sự chuyển đổi trạng thái rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn. Nó thường được dùng ở các máy khai thác công nghiệp mỏ. Nhược điểm quan trọng của hệ F-Đ là dùng nhiều máy điện quay. Gây ra tiếng ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất gấp ba lần công suất động cơ chấp hành. Ngoài ra do các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hoá có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ. 1.3.2. Hệ truyền động T – Đ. 1.3.2.1. Khái quát chung. Hệ truyền động T - Đ: + Nguyên lý chung. + Sơ đồ thay thế. + Đặc tính cơ. + Đảo chiều. Do chỉnh lưu Tiristo dẫn dòng theo một chiều và chỉ điều khiển khi mở, còn khóa theo điện áp lưới dẫn đến truyền động van thực hiện đảo chiều khó khăn và phức tạp hơn truyền động F – Đ. Có hai nguyên tắc cơ bản để xây dựng hệ truyền động T – Đ đảo chiều. Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ động cơ. 1.3.2.2. Sơ đồ và nguyên lý làm việc. Giả thiếtsao cho thì dòng chỉ có thể chạy từ BĐ1 sang động cơ mà không thể chạy từ BĐ1 sang BĐ2 được. Để đạt được trạng thái này cần có góc điều khiển phải thoả mãn điều khiển. α2≥π-α1 Nếu tính đến góc chuyển mạch µ và góc khoá δ thì giá trị lớn nhất của góc điều khiển của bộ biến đổi đang ở chế độ nghịch lưu là: αmax =π - (µmax +δ) Nếu chọn thì: α1 +α2 =π Ta có phương phát điều khiển chung đối xứng, dòng điện trung bình chảy vòng qua hai bộ biến đổi là. 1.3.2.3. Đặc điểm. Ưu điểm nổi bật của hệ T - Đ là độ tác động nhanh cao không gây ồn và dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất lớn. Điều đó rất thuận tiện trong việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lượng. Nhược điểm của hệ thống T-Đ là các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp ra có biên độ đập mạnh cao, gây tổn thất phụ trong máy điện, còn làm xấu điện áp nguồn và lưới xoay chiều. 1.4. Nguyên tắc điều chỉnh động cơ bằng xung áp một chiều. Điều chỉnh xung áp mạch đơn. 1.4.1.1. Sơ đồ nguyên lý. Trên hình 2.1: Điện áp và dòng điện của động cơ UĐ, i chỉ có giá trị dương. Khi khoá S thông ta có. UĐ = UN i = iN Khi khoá S ngắt iN = 0 UĐ = 0 Do tác dụng duy trì dòng điện của điện cảm L ta có. i = iDo Các giá trị trung bình của điện áp và dòng điện phần ứng là UĐ, I và do đó sức điện động E của động cơ khi đóng và ngắt liên tục khoá S, sẽ được xác định khi biết luật đóng ngắt khoá và các thông số của mạch. Nếu đóng ngắt khoá S với tần số không đổi thì hoạt động của mạch tương tự như của chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ. Trên hình 2.2 mô tả qúa trình dòng điện và điện áp trong chế độ dòngđiện liên tục. Phương trình điện áp khi S thông. UĐ = E +∆UL +∆UR Tại thời điểm t = 0+ khoá S bắt đầu thông. UĐ = UN , i = Imin Nếu coi Sđđ E không đổi trong một chu kỳ đóng ngắt của khoá S thì nghiệm của phương trình (2.2) là: Tư = L/R hằng số thời gian Tại thời điểm t = tđ khoá S bắt đầu ngắt. Lúc này UĐ = 0; dòng điện động cơ khép mạch qua D0, nhận được phương trình sau:. Trong đó t’= t - tđ Tại: t=0+ i=Imax nghiệm của (2.5) là: Tại t’ = T- tđ tức là tại t = T, i = Imin. Từ (2.6) ta có: Kết hợp (2.4) và (2.7) ta có: Nếu S thông liên tục tại tđ = T thì dòng điện trong mạch phần ứng sẽ không đổi và bằng. Nếu thời gian thông của khoá S giảm đến một giá trị tới hạn nào đó tđ=tđgh thì dòng điện Imin = 0 và hệ thống sẽ làm việc ở trạng thái biên giới chuyển từchế độ dòng điện liên tục sang chế độ dòng điện gián đoạn. Với các điều kiện biên của chế độ này từ (2.7) ta có. Ta có thể rút gọn như sau: Trong đó: Tại trạng thái biên liên tục và trong vùng dòng điện gián đoạn do Imin=0 nên từ (2.8) và (2.9) ta có: Từ (2.6) và (2.1) ta có: Dòng điện này xẽ bằng không tại thời điểm t = tx hoặc t’ = tx - tđ thay các điều kiện vào (2.11) ta có: Trạng thái biên giới là trạng thái tx = T như vậy với mỗi thông số của mạch và các giá trị UN, E tương ứng ta có thể tìm được tđgh. 1.4.1.2. Đặc tính cơ. Để xây dựng đặc tính cơ cần tìm giá trị trung bình của điện áp và dòng điện của động cơ. Trong chế độ dòng điện liên tục vì tx = T nên Giống như trong hệ U - Đ, trong hệ thống ĐX - Đ khi tx < T thì xảy ra chế độ dòng điện gián đoạn, trong chế độ này do mômen điện từ gián đoạn mà đặc tính cơ trở nên rất mềm. Để xác định đặc biên giới giữa vùng dòng điện gián đoạn và vùng dòng liên tục. Dòng điện ở chế độ biên liên tục là: Vì chế độ biên liên tục thuộc vùng dòng điện liên tục tức là phương trình đặc tính (2.17) vẫn thoả mãn. Thay (2.17) vào (2.18) ta có: Sử dụng (2.17) và (2.19) xác định được biên giới liên tục, chính là đường có dạng nửa elíp vẽ bằng nét đứt ở hình H2.5 giá trị cực tiểu của Iblt là: tại và tại Các giá trị khác của Iblt phụ thuộc vào ρ và δ và UN và đạt giá trị cực đại. Tại giá trị tới hạn của ρ: 1.4.2. Điều chỉnh xung áp mạch kép 1.4.2.1. Sơ đồ nguyên lý Để hệ truyền động có thể làm việc ở chế độ hãm tái sinh, có thể dung sơ đồ điều chỉnh trên. Trong đó dòng điện phần ứng có thể đảo dấu, xong Sđđ động cơ chỉ có chiều dương. Khi khoá S1 và van D1 vận hành dòng điện phần ứng luôn dương. Công suất điện từ của động cơ là: Pđt = I. E < 0 Máy điện làm việc ở chế độ động cơ, quá trình dòng điện và điện áp được mô tả như ở phần mạch đơn. Để đảo chiều dòng điện ta đưa khoá S2 và van D2 vào vận hành còn khoá S1 bị ngắt. Nếu E > 0 thì sẽ có dòng điện chạy ngược lại chiều ban đầudo trong mạch chỉ có một nguồn duy nhất cấp là Sđđ E. Công suất điện từ của động cơ là: Pđt = I. E > 0 Công suất điện từ được tích vào điện cảm L. Khi S2 ngắt trên điện cảm L sinh ra Sđđ này trở lên lớn hơn điện áp nguồn UN làm van D2 dẫn dòng ngược về nguồn và trả lại nguồn phần năng lượng đã tích lũy trong điện cảm L trước đó. Nếu các tín hiệu điều khiển các khoá như hình (2.7) sao cho giá trị trung bình của dòng điện phần ứng là dương thì máy điện làm việc ở chế độ động cơ ở góc phần tư thứ nhất của mặt phẳng toạ độ [ω, I]. Một đặc điểm của bộ băng xung loại như trên là do dòng điện phần ứng có phần âm nên giá trị trung bình của nó có thể nhỏ bỏ kỳ, thậm chí bằng không và truyền động không có chế độ dòng điện gián đoạn. Dòng điện phần ứng của ĐX - Đ loại B bao gồm 4 đoạn ứng với góc dẫn của 4 phần tử bán dẫn đó là: S1, D1 và S2, D2. 1.4.2.2. Phương trình đồ thị dòng điện và điện áp Từ các phương trình (2.1) và (2.4) với các điều kiện đầu tương ứng có thể tìm lại được các giá trị Imax, Imin giống như các biểu thức (2.6) và (2.7). Nếu như Imax> 0 và Imin 0 và ở góc phần tư thứ II nếu dòng trung bình I < 0 khi điều chỉnh ρ sao cho Imax< 0 và do đó dòng điện phần ứng của động cơ I < 0 thì hệ thống làm việc ở góc thứ III khoá S1 và van D1 không dẫn dòng. Quá trình đó được mô tả ở hình dưới như sau: 1.4.2.3. Đặc tính cơ. Hình 2.8 Đặc tính cơ của động cơ trong hệ thống này là các đường thẳng lien tục, chạy song song nhau từ góc thứ I sang góc thứ II của mặt phẳng [ω, I]. 1.4.3. Điều khiển đối xứng. 1.4.3.1. Sơ đồ nguyên lý. Trong phương pháp điều chỉnh này các cặp van lẻ và chẵn thay nhau đóng cắt. Điện áp ra tải có 2 dấu +E và -E do đó giá trị trung bình của nó là: 1.4.3.2. Đồ thị dòng điện và điện áp Giá trị cực đại của dòng : Giá trị trung bình qua diốt: Dòng qua tải: 1.4.3.3. Đặc tính của động cơ. Trong đó: 1.4.4. Điều khiển không đối xứng. Trong sơ đồ này với mỗi chiều dòng điện, chỉ có một cặp van mắc thẳng hàng, làm việc đóng cắt ngược pha nhau, còn 2 van kia sẽ có 1 van khoá hoàn toàn và 1 van luôn luôn sẵn sàng mở. Các biểu thức tính toán tương tự như mạch không đảo chiều. Đồ thị dòng và điện áp. CHƯƠNGII: THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC VÀMẠCH ĐIẾU KHIỂN CHO MẠCH BĂM XUNG MỘT CHIỀU 2.1. Mạch động lực. Theo yêu cầu của đồ án, ta sử dụng mạch băm xung một chiều dùng một van IGBT. Hình 2.1: Sơ đồ băm xung nối tiếp Phần tử điều chỉnh quy ước là khóa S (van bán dẫn điều khiển). Đặc điểm của sơ đồ này là khóa S, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp. Tải có tính chất cảm kháng hoặc dung kháng. Bộ lọc LC, diode mắc ngược với để thoát dòng tải khi khóa K ngắt. + S đóng U được đặt vào đầu của bộ lọc. Giả thiết các van lý tưởng (bỏ qua sụt áp trên các van trong bộ biến đổi) khi đó . + S mở hở mạch nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng do năng lượng tích lũy trong cuộn L và , dòng chạy qua D, khi đó mặc dù nhưng Như vậy . Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp. Đặc tính truyền đạt : Nhắc lại yêu cầu: Thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu với các số liệu cho trước như sau: Pđm=1,5Kw; Uưđm = 110V; Iđm = 17,4A; nđm=1500 vòng/phút; JĐC= 0,085 kg.m2; Rư = 0,584(Ω); Lư = 0,054(H). 2.1.1. Tính chọn diode công suất. diode công suất được lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản: dòng tải, sơ đồ đã chọn, điều kiện tản nhiệt, điện áp làm việc. Các thông số cơ bản của van điôt được tính toán như sau: khi bỏ qua sự sụt áp trên các van Điện áp ngược đặt lên điôt: Ungmax = kdtU.U Trong đó: Ungmax - điện áp ngược đặt lên điốt. kdtU - hệ số dự trữ điện áp = , chọn kdtU = 2. U - điện áp 1 chiều cung cấp cho bộ biến đổi. Như đã phân tích trong phần lý thuyết về sự hoạt động của bộ băm xung 1chiều không có đảo chiều, phương pháp điều khiển không đối xứng,khi S1, S2 dẫn điện áp ngược đặt lên điốt (D4) là U. Do đó: Ungmax = kdtU .U= 2.110= 220V. Chọn chế độ làm việc của van là có cánh tản nhiệt với đủ diện tích tản nhiệt và có quạt thông gió, cho phép van làm việc đến 60% Iđmv. Dòng trung bình đi qua điốt là ID = (1 - γ).It Do đó giá trị dòng định mức của động cơ là Iđm = 17,4 A cũng chính bằng giá trị dòng điện lớn nhất qua điôt. Khi đó dòng điện làm việc qua van cần chọn là: Ta chọn điốt loại HER3004N có các thông số sau: Trong đó: Imax - dòng điện chỉnh lưu cực đại : 30 A. Un - điện áp ngược cực đại của điốt : 300 V. Ipik - đỉnh xung dòng điện : 400 A. ∆U- tổn hao điện áp ở trạng thái mở của điốt : 1,0 Ith - dòng điện thử cực đại : 15A. Ir - dòng điện rò ở nhiệt độ 25°C : 10 µA. Tcp - nhiệt độ cho phép : 175ºC Chọn van IGBT. Như đã phân tích ở trên, ta chọn van đóng cắt trong mạch biến đổi là các van IGBT vì nhiều ưu điểm của IGBT so với các van đóng cắt khác. Dòng trung bình qua van IGBT là: Is=γ.It với giá trị định mức qua động cơ =17,4 A thì dòng lớn nhất qua van cần biết là: Tính toán tương tự như phần tính điốt, điện áp ngược cực đại đặt lên van IGBT cũng có giá trị bằng: Ungmax =kdtu.U = 2.110 = 220V. Từ đó ta chọn được các van IGBT để lắp vào mạch lực của bộ biến đổi có các thông số như sau: Loại Ic (A) (V) P (W) Uce Bão hòa (V) R (K/W) FS30R06XL4 30 600 119 1,95 1,05 2.1.3. Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu một chiều cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Thông số động cơ : Điện áp định mức phần ứng động cơ Uđm = 110 (V) Dòng điện định mức phần ứng động cơ Iđm = 17,4 (A) Tính toán máy biến áp chỉnh lưu . - Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ đấu dây ∆/Y làm mát bằng không khí tự nhiên. Máy biến áp công suất nhỏ, chỉ cỡ chục KVA trở lại, sụt áp trên điện trở lớn khoảng 4%, sụt áp trên cuộn kháng ít hơn khoảng 2%. Điện áp sụt trên 1 tiristo khoảng 1,6V - Tính các thông số cơ bản : + Tính công suất biểu kiến của máy biến áp : S = Ks. Pd = 1,05. Ud. Id = 1,05. 110.17,4 =2009,7(VA) + Điện áp pha sơ cấp máy biến áp : Up = 380 (V) + Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp có phương trình cân bằng điện áp khi có tải như sau: Trong đó : Cosmin = 10° là góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới. 2.∆UV = 1,6.2 = 3,2 (V) là sụt áp trên 2 tiristo mắc nối tiếp. ∆Udn ≈ 0 là sụt áp trên dây nối ∆Uba = ∆Ur + ∆UX là sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp . Chọn sơ bộ: ∆Uba = 6%.Ud = 6% .110 = 6,6 (V) Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có : Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp : Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp: Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp: Hiệu suất thiết bị chính lưu . + Công suất biểu kiến của máy biến áp là : S2= 3.U2.I2= 3.52.14,21 = 2216,76 (VA) S1= 3.U1.I1= 3.380.1,94 = 2211,6 (VA) Tính chọn Điôt: Tính chọn dựa vào các yếu tố cơ bản dòng tải, điều kiện toả nhiệt, điện áp làm việc. Các thông số cơ bản của van được tính như sau : - Điện áp ngược lớn nhất mà điốt phải chịu : Trong đó : và Điện áp ngược của van cần chọn : Trong đó: KdtU là hệ số dự trữ điện áp , chọn KdtU =2. - Dòng làm việc của van được tĩnh theo dòng hiệu dụng : (Do trong sơ đồ cầu 3 pha, hệ số dòng hiệu dụng: ) Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ diện tích toả nhiệt; Không có quạt đối lưu không khí, với điều kiện đó dòng định mức của van cần chọn: Iđm = Kl.Ilv = 3,2.10,05 = 32,16 (A) Ki - là hệ số dự trữ dòng điện và chọn Ki=3,2 từ các thông số Unv ,Iđmv ta chọn 1 Điôt loại CR30D24R có các thông số sau: Trong đó: Imax - dòng điện chỉnh lưu cực đại : 40 A. Un - điện áp ngược cực đại của điốt : 1200 V. Ipik - đỉnh xung dòng điện : 800 A. ∆U- tổn hao điện áp ở trạng thái mở của điốt : 1,4 V. Ith - dòng điện thử cực đại : 120 A. Tcp - nhiệt độ cho phép : 150ºC 2.2. 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 dạng tam giác có tần số cao. Điểm cân bằng giữa Utg và Uđk sẽ là thời điểm phát xung điều khiển mở các van bán dẫn. Thay đổi UĐK sẽ thay đổi được độ rộng xung điều khiển trong khi vẫn giữ tần số điều khiển không đổi. Quá trình biến đổi từ khâu tạo dao động đến điện áp ra khỏi bộ so sánh được thể hiện bằng hình vẽ bên. Tính toán mạch điều khiển. Sơ đồ chung: FXCD Tạo xung răng cưa So sánh Cách ly quang Khuếch đại tín hiệu IGBT 2.2.1.1. Khâu tạo dao động và khâu tạo răng cưa. Trong mạch điều khiển, ta sử dụng 4 IC khuếch đại thuật toán, chọn loại TL084 do hãng Texas Instruments chế tạo, các IC này có khuếch đại thuật toán. Khuếch đại thuật toán đã chọn là loại TL084.Với điện áp cung cấp là ±12V. Chu kỳ dao động: Chọn tần số băm xung f = 400 Hz Ta có:. Suy ra: Điện áp ra của khâu tạo dao động và tạo răng cưa có dạng răng cưa và có điện ápđỉnh bằng điện áp bão hoà của IC. Với nguồn cấp cho OA là 12 V thì điện áp bão hoà của IC khoảng (80% -90%).12V ≈10V. Ta tính chọn R1, R2, R, C để điện ápra max của điện áp răng cưa là 10V. Khi đó ta có: Chọn R1 = 33 kΩ thì R2 = 1,2.R1 = 1,2.33 = 39,6 kΩ, lấy giá trị chuẩn là 39 kΩ. Chọn C=0,1µF. Suy ra R=7,5 KΩ. 2.2.1.2. Khâu so sánh. Điện áp răng cưa có giá trị max = 10V sau khi được tạo thàn từ khâu tạo dao động và răng cưa được đưa vào khâu so sánh và được so sánh với điện áp Uđk để tạo thành điện áp USS1. Điện áp điều khiển đưa vào khâu so sánh là điện áp một chiều có thể điều chỉnh giá trị trong khoảng -10V đến +10V. 2.2.1.3. Khâu cách ly. Chọn bộ ghép quang loại 4N35 có các thông số: Dòng vào chạy qua Diode cực đại 60 mA. Dòng ra cực đại trên collector Tranzito quang: 150 mA, Điện áp Tranzito 30V Điện áp cách ly 3350V Trong đó dòng điện chạy qua Diode quang có trị số trong khoảng (5 -20mA), chọn 10mA Chọn Đế tranzitor Q1 thông bão hoà cần IB> s., mà Ic đã chọn =10 mA (ở trên) Do đó Vậy Điện trở R14.iđược chọn sao cho => Chọn R14 i = 100 kΩ Chọn R16i = R17i = R18i có giá trị 100(Ω) Tầng Dariington chọn loại QM50HA-H Tranzito đệm cho QM50HA-Hchọn loại DI63 có thông số Ic = 6A; UCE = 100V. 2.2.1.4. Khâu tạo điện áp đóng mở IGBT Ta sử dụng Tranzito C828 có β=300 làm việc như một khóa điện tử và đóng mở theo chu kỳ của xung đưa vào qua khâu cách ly. Để Tranzito làm việc ở chế độ mở thông bão hòa cần IB>Ic/β. Khi Tranzito mở thông bão hòa Chọn R20.i= R21.i = 50 Ω => Ic =30/100 = 0,3(A) => IB>0,3/100 = 1 (mA) Vậy Chọn R19 =3,3 kΩ. Tương tự có R19i = 3,3 (kΩ) 2.2.1.5. Khâu phản hồi tốc độ. Tín hiệu phản hồi lấy từ máy phát tốc so sánh với Ud (với giá trị từ 0 đến 10V) được đưa vào bộ PID so sánh với tín hiệu đặt từ đó tạo ra Uđk. Sau đó Uđk được đưa vào khâu so sánh để so sánh với điện áp răng cưa để tạo ra điện áp so sánh USS1 Tín hiệu USS1 được tạo ra và được điều chính từ khâu so sánh. Tín hiệu USS1 được tạo ra từ khâu so sánh và sẽ được điều chỉnh thông qua việc điều chỉnh Uđk đã được tính toán từ trước. Điều chỉnh Uđk sẽ thay đổi được giá trị của Uss1 và để điều khiển chế độ làm việc của van IGBT theo quy luật. Việc điều chỉnh Uss1 và bằng Uđk còn có nghĩa là điều chỉnh giá trị γ. Điện áp đặt lên phần ứng của động cơ tỉ lệ với γ, nên điều chỉnh γ có thế điều chỉnh được giá trị điện áp đặt lên phần ứng của động cơ. Khi đó sẽ điều chỉnh được tốc độ của động cơ. Theo phần lý thuyết Ta có: Ud = γU mà γ có giá trị từ 0 đến 1. Khi γ = 1, điện áp đặt lên động cơ có giá trị lớn nhất, ta có Ud = U = Uđm = 110V tương ứng với tốc độ lớn nhất ωmax. Khi đó, tốc độ ωmin sẽ tương ứng với điện áp đặt lên phần ứng động cơ là nhỏ nhất. Và như vậy dải điều chỉnh của γ là γ = 0,067 đến 1. + Ta có: =>t0max=T = 2,5 ms (giá trị tạo thành ở khâu tạo dao động). Mà khi Uđk > URC thì tín hiệu Uss tạo thành có giá trị max, hình thành giá trị thời gian t0 cho động cơ quay thuận. Như vậy khi tomax = T tức là Uđk có giá trị lớn nhất = giá trị đỉnh trên của xung răng cưa = + 12V. Vậy Uđkmax = 12V cho điện áp phần ứng lớn nhất do đó tốc độ của động cơ lớn nhất. +Ta có => tomin = 0,067. 2,5 = 0,1675 ms Do đó khi đó tốc độ động cơ nhỏ nhất. Như vậy bằng cách thay đổi Udk trong khoảng 0,8(V) đến 12(V) ta sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ. 2.2.2. Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển. Bằng việc nối mạch Trigger Smith nối tiếp với mạch tích phân có phản hồi sẽ tạo nên dao động: xung chữ nhật ở đầu ra mạch Trigger Smith và xung tam giác ở đầu ra OA2. Dạng UR của điện áp dao động hình chữ nhật và điện áp răng cưa. UR được đưa vào khâu so sánh để so sánh 2 tín hiệu UR với Uđk đểquyết định thời điểm mở van IGBT. Cho Uđk và UR tới 2 cực khác nhau của OA.Tuỳ thuộc vào điện áp răng cưa và điều khiển đưa vào cửa nào của OA mà điện áp ra xuất hiện sườn xung âm hoặc dương ở thời điểm cân bằng giá trị giữa chúng, ở đây ta đưa UR vào đầu âm còn Uđk vào đầu dương, điều chỉnh Uđk, sẽ điều chỉnh được Uss1 tức là điều chỉnh được độ rộng xung. Từ đó sẽ điều chỉnh được điện áp ra tải. Do các OA dùng nguồn nuôi hai cực tính nên sẽ xuất hiện các xung âm. Vì vậy ta phải chặn các xung âm từ đầu ra bộ so sánh bằng các Điot. Để đảm bảo cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực ta sử dụng khâu cách ly quang. Tuy nhiên do dòng điện tải mà nó chỉ chịu được vài chục mA nên không thể gánh trực tiếp mở van lực, vì vậy trong mạch điều khiển, nó phải ở trước tầng khuếch đại cuối. Tầng khuếch đại này có tác dụng khuếch đại tín hiệu lên để đưa vào khâu tạo điện áp mở van IGBT.Vì IGBT là phần tử điều khiển bằng điện áp nên yêu cầu cần phải tạo ra điện áp để điều khiển việc đóng mở của van. Tín hiệu phản hồi lấy từ máy phát tốc. Giả sử vì một lý do nào đó tốc độ động cơ giảm. Tín hiệu phản hồi được đưa vào PID so sánh với Uđ tạo ra một tín hiệu sai lệch qua bộ PID.Uđk tăng dẫn đến độ rộng xung tăng , tốc độ động cơ tăng lên, ổn định tốc độ động cơ. CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP VÀ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU CHỈNH 3.1. Tính toán động cơ. Các thông số mà đề bài đã cho: Pđm= 1,5Kw; Uưđm = 110V; Iđm = 17,4A; nđm=1500 vòng/phút; JĐC= 0,085 kg.m2 Rư = 0,584(Ω); Lư = 0,054(H). Tốc độ của rô to: vòng/phút => rad/s Từ thông định mức: (Wb) (s) () (H) 3.2. Thiết kế mạch vòng điều chỉnh tốc độ bỏ qua sức điện động E. Vì động cơ còn bị ảnh hưởng bởi yếu tố thay đổi của tải trọng nên trong trường hợp này chúng ta sẽ tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng để có thể đạt được yêu cầu vô sai cấp cao. Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ: Trong đó: : Hàm truyền bộ điều chỉnh tốc độ. : Hàm truyền khâu phản hồi tốc độ. : Với là hệ số phản hồi của máy phát tốc. là hằng số thời gian của máy phát tốc. Ta có sơ đồ rút gọn như sau: Sơ đồ cấu trúc 1 mạch vòng tốc độ điều chỉnh động cơ một chiều kích từ độc lập Sơ đồ thu gọn: Hàm truyền đạt của đối tượng điều chỉnh: Đặt: Ts = Tđk++ Tv0 Hằng số thời gian cơ học: Như vậy sơ đồ sẽ có dạng như sau: Hàm truyền hệ kín: Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng: Trong đó: ; ; Với các số liệu: Hằng số thời gian cơ học: Hằng số thời gian phần ứng: Hằng số thời gian bộ lọc của máy phát tốc: Hằng số thời gian chuyển mạch chỉnh lưu: Hằng số thời gian mạch điều khiển chỉnh lưu: Hệ số khuếch đại: Hệ số tỉ lệ của máy phát tốc: Thay các giá trị vào biểu thức ở trên ta được hàm điều chỉnh như sau: Đối tượng điều chỉnh: Ta có sơ đồ cấu trúc như sau: Bộ PID: Hàm truyền đạt: Trong đó: là hệ số tỉ lệ (P) là hệ số tích phân (I) là hệ số vi phân (D) là tín hiệu đặt U1 là tín hiệu đo lường (phản hồi) U2 là tín hiệu đầu ra Sơ đồ cấu trúc mô phỏng trong Matlab: Kết quả mô phỏng trước khi điều chỉnh: Kết quả mô phỏng sau khi điều chỉnh: CHƯƠNG IV: MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ NGUỒN CẤP CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN Ta cần tạo ra nguồn điện áp ± 12V để cấp cho các khâu trong hệ thống, nuôi IC, các bộ biến đổi, tốc độ điện áp đặt tốc độ. Dùng mạch chính lưu cầu 3 pha dùng điốt. Chọn kiểu máy biến áp 3 pha, 3 trụ, trên mỗi trụ có 3 cuộn dây: một cuộn sơ cấp và 2 cuộn thứ cấp. Và ta cần điện áp ±15 (V) để cấp cho các cách ly quang, các nguồn điện áp đóng mở IGBT. Ta dùng mạch chỉnh lưu cầu 3 pha dùng điôt. Chọn kiểu máy biến áp 3 pha ,3 trụ, trên mỗi trụ có 3 cuộn dây: một cuộn sơ cấp và 2 cuộn thứ cấp . 4.1. Tính toán tham số cho mạch nguồn nuôi. 4.1.1. Cuộn thứ cấp thứ nhất Ta chọn mạch chỉnh lưu cầu 3 pha dùng điốt, điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi: ta chọn Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7812 và 7912. có các thông số chung như sau: điện áp đầu vào: Uv = 7 đến 35 V điện áp đầu ra: Ura = 12 V với IC 7812; Ura = - 12V với IC 7912. Dòng điện đầu ra: Ira = 0 đến 1 A. Tụ điện Cl, C3 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao. Chọn C1 =C2 = C3 = C4 = 470 µF ; U = 35 V. 4.1.2. Cuộn thứ cấp thứ hai. Ta cần tạo ra nguồn điện áp ± 15 (V) để cấp cho các cách ly quang, các nguồn điện áp đóng mở IGBT... Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7815 và 7915. Điện áp đầu ra của các IC này chọn 15V. Điện áp đầu vào chọn 20V. Điện áp thứcấp của các cuộn a1, b1, c1 là : ta chọn U2=9V Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp LM7815 và LM7915. Các thông số chung của vi mạch này: Điện áp đầu vào : Uv = (V). Điện áp đầu ra : Ura= 15(V) với IC 7815. Ura= -15(V) với IC 7915 Dòng điện đầu ra: Ira = (A). Tụ điện C5, C7 dùng để lọc thành phần sóng dài bậc cao. Chọn C5 = C6 = C7 = C8 = 470 (µF) 4.1.3. Tính toán máy biến áp nguồn nuôi. 1. Ta thiết kế máy biến áp dùng cho tạo nguồn nuôi, chọn kiểu máy biếnáp 3 pha, 3 trụ, trên mỗi trụ có 3 cuộn dây, một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp. 2. Điện áp lấy ra ở thứ cấp máy biến áp làm điện áp đồng pha lấy ra thứ cấp làm nguồn nuôi: U2= 2U2đpha = UN = 9 V. 3. Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha: 4. Công suất nguồn nuôi thứ cấp cho cách ly quang: P2 = 4.U2.I2d= 4.9.1.10-3 = 0,036 (W) 5. Công suất tiêu thụ ở 4 IC TL 084 sử dụng làm khuếch thuật toán và 1 bộ GD75188, 1 phần tử họ CMOS 74Cxx và 1 bộ CD4081; 1 bộGD4093B P1 = 8. PIC= 8. 0,68 = 5,12 (W) 6. Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi. PN= P1+P2 = 0,036 + 5,12 = 5,15 (W) . 7. Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy: S = 1,05. PN= 1,05. 5,15 =5,4 (VA). 8. Dòng điện thứ cấp máy biến áp: I2 = S/ 6.U2 = 5,4/ (6.9) = 0,1 (A) 9. Dòng điện sơ cấp máy biến áp : I1= S/(3.U2) = 5,4/(3. 380) = 0,0047 (A) 10. Tiết diện trụ của máy biến áp được tính theo công thức kinh nghiệm: Trong đó: kQ = 6- hệ số phụ thuộc phương thức làm mát. m = 3 - số trụ của biến áp . f = 5 - tần số điện áp lưới. 11. Chọn mật độ từ cảm B =1T ở trong trụ ta có số vòng dây sơ cấp : (vòng) 12. Chọn mật độ dòng điện J1= J2= 2,75 (A/mm2) Tiết diện dây quấn sơ cấp: đường kính dây quấn sơ cấp : Chọn d1= 0,1 mm để đảm bảo độ bền cơ. Đường kính có kể cách điện: d1cd= 0,12 (min). Số vòng dây quấn thứ cấp : W2 =W3 = W1. U2/U1= 356 ( vòng) 4.1.4. Tính chọn điôt cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi: + Dòng điện hiệu dụng qua điôt: + Điện áp ngược lớn nhất mà điôt phải chịu : + Chọn điôt có dòng định mức: Chọn điôt có điện áp ngược lớn nhất: Un=ku.UNmax =2.22 = 44(V) Chọn điôt loại KII208A có các thông số: + dòng điện định mức: Idm = 1,5 (A) + điện áp ngược cực đại của điôt: UN= 100 (v). 4.2. Mạch điều khiển. KẾT LUẬN Sau một thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài với sự chỉ đạo của thầy cô giáo trong bộ môn tự động hóa và đo lường điều khiển và đặc biệt là thầy Nguyễn Đăng Toàn, cùng với sự nỗ lực hết mình của bản thân đến đây chúng em đã hoàn thành đầy đủ các công việc mà đề tài yêu cầu. Trong quá trình làm đề tài chúng đã tích lũy được một số kiến thức có thể nâng cao cho trình độ của mình một cách chắc chắn hơn. Tuy nhiên với thời gian có hạn nên trong đề bài tập lớn này vẫn còn nhiều điểm hạn chế nhất định. Trong suốt thời gian làm bài tập lớn, mặc dù đã cố gắng hết mình song vẫn không tránh khỏi sai sót. Chúng em rất mong nhận được sự góp ý xây dựng của các thầy cô để đồ án của em được hoàn thiện hơn. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đăng Toàn cùng các thầy cô trong khoa đã giúp đỡ em hoàn thành bài tập lớn này. TÀI LIỆU THAM KHẢO Điều chỉnh tự động truyền động điện. Tác giả: Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghị NXB KHKT Hà Nội. Matlab&Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động Tác giả: Nguyễn Phùng Quang NXB KHKT Hà Nội. Sách Truyền động điện Thiết kế thiết bị điện tử công suất Biên soạn: Trần Văn Thịnh Và tham khảo một số bài viết trên Internet.