Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc đối xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu)

Chia sẻ: Vo Kiem | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:70

Thêm vào BST

Báo xấu

1.394
lượt xem 631
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ứng dụng Điện tử công suất trong truyền động điện – điều khiển tốc độ động cơ điện là lĩnh vực quan trọng và ngày càng phát triển. Các nhà sản xuất không ngừng cho ra đời các sản phẩm và công nghệ mới về các phần tử bán dẫn công suất và các thiết bị điều khiển đi kèm. Do đó khi thực hiện đồ án chúng em đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới nhất, những công nghệ mới trong lĩnh vực điều khiển các phần tử bán dẫn công suất. Với yêu cầu thiết kế mạch băm xung một chiều để...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc đối xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu)

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc đối xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu)
Đề bài: Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc đối xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu) với số liệu cho trước: Phương Điện áp Dòng điện định Điện áp phần Phạm vi điều án lưới (VAC) mức ứng chỉnh tốc độ 1 110 20 120 10:1 2 220 8 220 15:1 3 380 15 100 20:1 4 127 V 6A 400 V 25:1 5 300 10 600 15:1 Lời nói đầu Ứng dụng Điện tử công suất trong truyền động điện – điều khiển tốc độ động cơ điện là lĩnh vực quan trọng và ngày càng phát triển. Các nhà sản xuất không ngừng cho ra đời các sản phẩm và công nghệ mới về các phần tử bán dẫn công suất và các thiết bị điều khiển đi kèm. Do đó khi thực hiện đồ án chúng em đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới nhất, những công nghệ mới trong lĩnh vực điều khiển các phần tử bán dẫn công suất. Với yêu cầu thiết kế mạch băm xung một chiều để điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập có yêu cầu đảo chiều quay theo nguyên tắc đối xứng , chúng em đã cố gắng tìm hiểu kĩ về các phương án công nghệ sao cho bản thiết kế vừa đảm bảo yêu cầu kĩ thuật, yêu cầu kinh tế . Với hy vọng đồ án điện tử công suất này là một bản thiết kế kĩ thuật có thể áp dụng được trong thực tế nên chúng em đã cố gắng mô tả cụ thể, tỉ mỉ và tính toán cụ thể các thông số của các sơ đồ mạch. Mặc dù chúng em đã rất nỗ lực và cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi và quyết tâm cao nhất tuy nhiên đây là lần đầu tiên chúng em làm đồ án, và đặc biệt do trình độ hiểu biết của chúng em còn nhiều hạn chế nên chúng em không thể
tránh khỏi những sai sót, chúng em mong nhận được sự phê bình góp ý của các thầy để giúp chúng em hiểu rõ hơn các vấn đề trong đồ án cũng như những ứng dụng thực tế của nó để bản đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn .Và chúng em hi vọng trong một tương lai không xa, chúng em có thể áp dụng những kiến thức và hiểu biết thu được từ chính đồ án đầu tiên trong cuộc đời sinh viên của chúng em vào thực tế cũng như sẽ phát triển hơn nó trong các đồ án sau này. Trong quá trình làm đồ án chúng em đã nhận được sự giúp đỡ và chỉ bảo rất tận tình của thầy giáo Dương Văn Nghi .Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy và hi vọng thầy sẽ giúp đỡ chúng em nhiều hơn nữa trong việc học tập của chúng em sau này. Nhóm sinh viên thực hiện. Chương I Giới thiệu về động cơ điện một chiều I.1 Đặt vấn đề Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp cả về chiều rộng lẫn chiều sâu,điện và các máy điện đóng một vai trò rất quan trọng , không thể thiếu được trong phần lớn các ngành công nghiệp và đời sống sinh hoạt của con người. Nó luôn đi trước một bước làm tiền đề nhưng 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 nào không sử dụng điện và máy điện. Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: dễ sản xuất, dễ truyền tải..., cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành... mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định như trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện...). Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện 2
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 những ưu điểm của nó mà máy 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 điện 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 không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi 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 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 điện công suất trung bình và lớn khoảng 85% ÷ 94% .Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 100000kw điện áp vào khoảng vài trăm cho 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 hơn 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 thể đề cập nhiều vấn đề lớn mà chỉ đề cập tới vấn đề thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ có đảo chiều của động cơ một chiều kích từ độc lập theo nguyên tắc đối xứng . Đây là một trong những phương pháp được dùng phổ biến nhất hiện nay để điều chỉnh động cơ điện một chiều kích từ độc lập với yêu cầu đảo chiều quay động cơ theo phương pháp đối xứng .Đây là một phương pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao và được sử dụng rộng rãi bởi những tính năng và đặc điểm nổi bật của nó mà chúng em sẽ phân tích và đề cập sau này. I.2 Tổng quan về động cơ điện một chiều. I.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 thích từ các động cơ. Theo đó ứng với mỗi cách ta có các loại động cơ điện loại: - Kích thích độc lập: khi nguồn một chiều có công suất ko đủ lớn, mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên :I = Iư. - Kích thích song song: khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp ko đổi, mạch kích từ được mắc song song với mạch phần ứng nên I = Iu +It - Kích thích nối tiếp: cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng nên ta có I = Iư =It. - Kích thích hỗn hợp ta có: I = Iu +It Với mỗi loại động cơ trên thì sẽ tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều khiển và ứng dụng là tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố.Trong 3
đề tài này ta chỉ xét đên động cơ điện một chiều kích từ độc lập và biện pháp hữu hiệu nhất để điều khiển loại động cơ này. I.2.2 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập +Phương trình đặc tính cơ: là phương trình biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ (n) và mômen (M) của động cơ có dạng chung U Ru + R f ω= u − .M KΦ ( KΦ ) 2 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 (mômen, từ thông...), từ đó đưa ra phương án để điều chỉnh động cơ (tốc độ) với phương án tối ưu nhất. Với những điều kiện Uư = const, It = const thì từ thông của động cơ hầu như không đổi, vì vậy quan hệ trên là tuyến tính và đường đặc tính cơ của động cơ là đường thẳng. Thường dạng của đặc tính là đường thẳng mà giao điểm với trục tung ứng với mômen ngắn mạch còn giao điểm với trục tung ứng với tốc độ không tải của động cơ ΔM Người ta đưa thêm đại lượng β = để đánh giá độ cứng. Đặc tính càng dốc càng Δω cứng ( β càng lớn) tức là 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 biến đổi nhiều thay đổi. ω ω ω 0 Mt Mnm M Để hiểu được nguyên lý và lựa chọn phương pháp điều chỉnh tối ưu, trước hết ta đi xét đặc tính của động cơ điện. Đó là quan hệ giữa tốc độ quay với mômen (hoặc dòng điện) của động cơ. +Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ: nếu động cơ vận hành ở chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông định mức và không nối thêm các điện kháng, điện trở vào động cơ). Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có các điểm làm việc định mức có giá trị Mđm, ωđm. 4
+Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số nguồn hoạc nối thêm các đIện trở, điện kháng. Để so sánh các đặc tính cơ với nhau, người ta đưa ra khái niệm độ cứng của đặc tính cơ: β=ΔΜ/Δω (tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc). a) Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Sơ đồ kích từ độc lập được thể hiện như dưới đây: Khi nguồn 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 với nhau: gọi là động cơ điện kích từ độc lập. Phương trình đặc tính cơ xuất phát: U u = E u + ( 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 của chổi điện. +Rf: điện trở phụ trong mạch phần ứng. +Iư: dòng điện mạch phần ứng. +Eư được xác định theo biểu thức sau: pN Eu = ⋅ Φ ⋅ω 2π a + 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. 5
+ω: tốc độ góc. pN K= 2πa Trong đó K là hệ số cấu tạo của động cơ. E u = K e Φn ω = 2πn / 60 = n / 9,55 Vì vậy pN Eu = Φn 60a K Ke = = 0,105K 9,55 Suy ra U u Ru + R f Φ= − Iu KΦ KΦ Biểu thức (*) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ. Mặt khác mômen điện từ của động cơ được xác định M dt = K .Φ.I u Suy ra I u = M dt / KΦ Thay vào (*) ta được U Ru + R f ω= u − M dt KΦ ( KΦ) 2 Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mômen điện từ bằng M. Ta có U Ru + R f ω= u − M KΦ ( KΦ ) 2 Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Đồ thị hình vẽ: ω ω ω 6 0 Mt Mnm M
Nhận xét : + Iư=0 hoặc M=O ta có Uu ω= = ω0 Ru + R f Đây là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ U +ω = 0 thì I u = : Dòng điện ngắn mạch. Ru + R f M = K .Φ.I nm = M nm : Mômen ngắn mạch. Uu RI ω= − = ω 0 − Δω K Φ KΦ U Ru + R f ω= u − M = ω 0 − Δω KΦ ( KΦ ) 2 R = Ru + R f Uu ω0 = KΦ R R Δω = Iu = M KΦ (KΦ )2 Từ đó có thể tốc độ đông cơ điện một chiều phụ thuộc vào các đại lượng là: Uư, R, I. Như vậy thông qua các đại lượng biến thiên này mà ta có thể điều khiển được tốc độ động cơ điện một chiều. b) Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều là một trong các nội dung chính của truyền động điện nhằm đáp ứng các yêu cầu công nghệ nào đó của các máy sản xuất.Điều chỉnh tốc độ là dùng phương pháp thuần tuý điện tác động lên bản thân hệ thống truyền động điện để thay đổi tốc độ quay của động cơ điện. Tốc độ quay của động cơ điện thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải ,của nguồn hay chế độ làm việc như mở máy ,hãm máy ...và do đó gây ra các sai số so với tốc độ ,kĩ thuật mong muốn ....Trong các hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào 7
một số chỉ tiêu kinh tế ,k thuật cơ bản ,các chỉ tiêu n được tí khi thiế kế và u kĩ ơ c này ính ết điều chỉnh độn cơ điện ng Trong th tế có 3 phương ph điều ch hực háp hỉnh tốc độ động cơ điện một c ộ chiều + Điều chỉnh điện áp cho phần ứng động cơ. đ o g +ĐĐiều chỉnh bằng cách thay đổi từ thông phần ứng hay thay đổi điện á phần h i áp ứng cấp cho mạch kích từ m ừ. + Điều chỉnh bằng thay đ điện trở phụ trên mạch phầ ứng. b đổi ần b.1) Nguyên lý điều chỉn điện áp phần ứn ý nh p ng Chỉ áp dụng được với động cơ điện m chiều k d một kích thích đ lập hoặc song độc làm việc ở chế độ kích th độc lâ Loại nà cần có th bị ngu như: m phát ế hích âp. ày hiết uồn máy điện một chiều kích từ độ lập, các bộ chỉnh l điều kh có chứ năng biến năng u ộc lưu hiển ức lượn điện xo chiều t ng oay thành một chiều có sđđ Eb đi chỉnh n tín hi điều iều nhờ iệu khiển Uđk. n Ta c phương trình có E b − E u = I u ( R b + R ud ) Eb R + R ud ω = − b R ud K dm I u K Φ dm K Φ ® Km M ω = ω 0 (U dk ) − β Vì từ thông củ động cơ được giữ không đổi nên đặc t ừ ủa ơ i tính cơ cũn không đ Tốc ng đổi. độ k không tải lí tưởng tuỳ thuộc gi trị Uđk c hệ thốn Đồ thị tuyến tính do đó ỳ iá của ng. ị h mới nói phươn pháp này là triệt để Để xác đ ng y ể. định dải điều chỉnh tố độ. ốc Chú ý: + Phhương pháp này có từ thông khô đổi nên đặc tính cơ có độ c p ừ ông cứng không đổi g + Tố độ khôn tải lý tưở tuỳ thu vào giá trị điện á Uđk của hệ thống d đó có ốc ng ởng uộc á áp do thể n phương pháp này điều khiển là triệt để nói g y n ể. + Gi điều chỉnh tốc độ của hệ tth iải hống bị chặ bởi đặc tính cơ bả là đặc tính ứng ặn c ản với đ điện áp địn mức và từ thông đ nh định mức. Tốc độ nh nhất của dải điều k hỏ a khiển bị giới hạn bởi yê cầu về s số tốc đ và mô m khởi độ êu sai độ men ộng. 8
+Với một cơ cấu máy cụ thể có ω 0 max , K M , M dm xác định vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng M dm ω max = ω 0 max − β M dm ω min = ω 0 min − β M nm min = M c max = K M M dm Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có môn men ngắn mạch là M nm min = M c max = K M .M dm (KM: là hế số mômen quá tải). Họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nên ta có 1 M dm ω min = ( M nm min − M dm ) = ( K M − 1) β β M dm ω 0 max β ω 0 max − −1 β M dm D= = (K M − 1) M dm / β KM −1 Với ω 0 max , K M , M dm xác định ở mỗi máy. D phụ thuộc tuyến tính vào β. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện một chiều bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở mạch phần ứng gấp khoảng 2 lần điện trở phần ứng động cơ do đó có thể tính sơ bộ được: ω 0 max β / M dm ≤ 10 . Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ không vượt quá 10, Vậy với yêu cầu của để bài ta sẽ điều chỉnh dải điện áp ra trong dải điều chỉnh đã cho. Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp này rất thích hợp trong những trường hợp Mt=const trong toàn dải điều chỉnh. b.2) Điều chỉnh từ thông động cơ Điều chỉnh từ thông kích thích động cơ điện một chiều chính là điều khiển mômen điện từ của động cơ điện M = K .Φ.I u . Do mạch kích từ của động cơ điện một chiều là phi tuyến vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là phi tuyến. 9
Từ sơ đồ trên ta được ek dΦ iu = + ωk rb + rk dt rk: điện trở dây quấn phần ứng. rb : điện trở nguồn đIện áp kích thích. ω k : số vòng dây cuộn kích từ. Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng bằng Uđm do đó các đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều khiển là từ thông chính là đặc tính có điện áp phần ứng định mức, từ thông định mức và 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 dẫn đến tăng vận tốc góc thì điều kiện chuyển mạch của cổ góp bị xấu đi mặt khác vẫn phải bảo đảm I cho phép. Kết quả là mômen cho phép trong động cơ giảm rất nhanh kể cả khi giữ nguyên I thì momen cơ cũng giảm đi rất nhanh. b.3) Thay đổi điện trở phụ Rf Từ phương trình đặc tính (*) U u Ru + R f Φ= − Iu KΦ KΦ (*) Thực tế ngày nay người ta không dùng phương pháp này . Vì phương pháp này chỉ 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 của 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. c) Kết luận Phương pháp điều chỉnh tốc độ 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 10
hạn chế bởi các điều kiện cơ khí: đó chính là điều kiện chuyển mạch của cổ góp điện. Cụ thể phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có các ưu điểm hơn như sau 1 - Hiệu suất điều chỉnh cao (phương trình điều khiển là tuyến tính, triệt để) hơn khi ta ding phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng nên tổn hao công suất điêù khiển nhỏ. 2 - Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mômen ngắn mạch giảm, dòng ngán mạch giảm. Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động động cơ. 3 - Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một 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 cao và đòi hỏi phải có nguồn áp điều chỉnh được xong nó là không đáng kể so với vai trò và ưu đIểm của nó. Vậy nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi. 1.3 Các vấn đề khác khi điều động cơ điện một chiều. 1.3.1 Các góc phần tư làm việc II:Hãm II: Động cơ Mc Mc Pc=Mdω0 M II:Động cơ II: Hãm Mc Mc Pc=Mdω>0 Pc=Mdω
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 đặ tính cơ của động cơ điện một chiều U Ru + R f Φ= u − Iu KΦ KΦ (*) U dm Khi khởi động nên I nm = .ở động cơ công suất trung bình và lớn thì Rư thường R có giá trị nhỏ nên dòng điện khởi động ban đầu (dòng ngắn mạch) tương đối lớn I nm = 2 ÷ 2,5I dm Với giá trị dòng 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 (Khi hãm máy cũng xảy ra hiện tượng tương tự). Vậy quá trình điều khiển tốc độ động cơ cũng phải gắn với chế độ khởi động. Phải đảm bảo điều kiện tối thiểu I nm = 2 ÷ 2,5 I dm Dễ đi đến một nhận xét là lựa chọn phương pháp điều khiển giảm áp phần ứng là phù hợp hơn cả vì khi khống chế dòng ngắn mạch o chế độ khởi động còn hạn chế được điện áp khởi đông. Do điều khiển là làm giảm áp. b) Chế độ hãm. Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngược chiều tốc độ quay, Động cơ điện một chiều có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược, và hãm động năng. b.1) 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 điện song song với lưới. So với chế độ động cơ, dòng điện và mômen hãm đã đổi chiều xác định theo biểu thức U u − E u KΦ ω 0 − K Φ ω Ih = = ω 0 . Vì sơ đồ đấu dây của mạch động cơ không đổi nên phương trình đặc tính cơ tương tự nhưng mômen có giá trị âm. Đường đặc tính cơ nằm trong góc phần tư thứ hai và thứ tư (hình 2-14 ttđ) Trong hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất được đưa trả về lưới điện có giá trị P = (E-U) I. Đây là phương pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh năng lượng hữu ích. Ví dụ: cơ cấu nâng hạ cần trục. Khi nâng tải động cơ được đấu vào nguồn theo cực tính thuận và làm việc trên đặc tính cư làm trong góc phần tư thứ nhất. 12
Khi muốn hạ tải phải đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Lúc này nếu mômen do trọng tải gây ra lớn hơn mômen ma sát trong các bộ phận chuyển động của động cơ xh trạng thái hãm tái sinh. Tốc độ hạ cần trục tăng dần tới ω od > ω 0 b.2) Hãm ngược Xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động hoặc do thée năng quay ngượcchiều với mô men điện từ của động cơ, mômen của động cơ khi đó chóng lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất. b.2.1) Hãm ngược khi đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng (tăng tải) Đặc tính hãm ngược sđđ 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 điện và cơ năng thành nhiệt đốt nóng điện trở tổng mạch phần ứng, vì vậy tổn thất lớn. b.2.2) Đảo chiều điện áp phần ứng Dòng điện Ih ngược chiều với chiều làm việc của đọng cơ và có thể khá lớn − U u − Eu Ih = Ru + R f Nên rất nguy hiểm phải có biện pháp hạn chế dòng trong phạm vi cho phép: I nm = 2 ÷ 2,5 I dm c) Hãm động năng Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học của động cơ được tích luỹ được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêu tán dưới dạng nhiệt c.1) Hãm động năng tụ kích từ độc lập Khi ta cắt phần ứng động cơ khỏi lưới điện một chiều và đóng vào một điện trở hãm − Eu KΦω hd I hd = = Ru + Rh Ru + Rh M h = KΦI hd < 0 Chứng tỏ Ihdvà Mhd ngược chiều với tốc độ ban đầu. Năng lượng chủ yếu được tạo ra do động năng tiêu tốn chỉ nằm trong mạch kích từ. c.2) Hãm động năng tự kích Nhược điểm là nếu mất điện thì không thực hiện hãm được do cuộn dây kích từ vẫn phải nối với nguồn.muốn khắc phục người ta sử dụng phường pháp hãm động năng tự kích từ. Nó xảy ra khi ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích từ ra khỏi lưới điện khi đông cơ quay để đóng vào một điện trở hãm. Trong quá trình hãm tốc độ giảm dần, dòng kích từ giảm dần và do đó từ thông giảm dần và là hàm tốc độ vì vậy đặc tính cơ như đặc tính không tải của máy phát điện tự kích thích và phi tuyến.so với phương pháp hãm ngược. Hãm động năng có hiệu quả kém hơn khi chúng có cùng tốc độ và mômen cản, tuy nhiên hãm động năng ưu việt hơn về mặt 13
năng lượng đặc biệt hãm động năng tự kích vì không tiêu thụ năng lượng từ lưới. Sử dụng được kể cả khi mất điện. 1.3.3 Vấn dề 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 phương pháp phù hợp và tính toán khác nhau.có thể phân ra thành 3 loại cơ bản theo sự thay đổi của mômen cản theo tốc độ. Khi tốc độ động cơ thay đổi, mômen phụ tải có thể là + Không đổi: thang máy... (1) + Tăng: như trong quạt gió, bơm... + Giảm: các cơ cấu máy cuốn dây, cuốn giấy, truyền động quay trục chính máy cắt gọt kim loại... 1 4 2 3 Ta thường mong muốn đặc tính này là tuyến tính (4) vì vấn đề thiết kế sẽ phức tạp lên rất nhiều khi sự thay đổi lại là phi tuyến đặc biệt là khi tải biến đổi. Nên ở đây ta sẽ chỉ xét trường hợp phụ tải có mômen là hằng số trong toàn dải điều chỉnh. Qua 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 băm xung áp điều khiển dó ra bằng bộ băm xung áp một chiều mà ta sẽ đề cập ở vấn đề tiếp theo. 14
Chương II BĂM XUNG MỘT CHIỀU (BXDC) II.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 đỏi điện áp trong một phạm vi rộng mà hiệu suất của bộ biến đổi cao vì 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 bình đầu ra có thể điều khiển theo hai cách: - Thay đổi độ rộng xung. - Thay đổi tần số băm xung. U Con t t1 t2 T II.1.1 Phương pháp thay đổi độ rộng xung 15
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: t1.U Ud = = γ.U T Trong đó đặt: t1 γ= T 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). II.1.2 Phương pháp thay đổi tần số xung Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1 = const. Khi đó: t1 Ud = .U = t1.f.U T 1 Vậy Ud = U . f1 = T 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. II.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 400Hz đến 200kHz.Khi uControl > ust thì cho tín hiệu điều khiển mở van, ngược lại khóa van. 16
t on t off Ura on off II.2 Các sơ đồ băm x đ xung: Sơ đồ ngu uyên lý như sau: ư Phần tử điều chỉnh q ước là khoá S (v bỏn dẫn điều khiể quy à van n ển). Đặc điểm của sơ đồ này là kh S, cuộn cảm và t mắc nố tiếp. Tải có tính m ồ hoá n tải ối ch cảm kh hất háng hoặc dung khán Bộ lọc L & C. Đ ng. c Đi-ôt mắc ngược vớ Ud để ới th dòng tải khi khoá K ngắt. hoát á + S đóng ⇒ U được đặt vào đ của bộ lọc. Lý tư c đầu ộ ưởng thì ud = U (nếu bỏ qua u sụ áp trên các van tron bộ biến đổi). ụt c ng n + S mở ⇒ hở mạch giữa ngu và tải, nhưng vẫn có dòng id do năng lượng h uồn g tíc luỹ tron cuộn L v Ltải, dòn chạy qua D, do đó ud=0. ch ng và ng a ó Như vậy, Ud ≤ U. T Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp. Đặc tính truyền đạt: t 17
Ud WI = =α U Sơ đồ như sau: Đặc điểm: L 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 +U qua L → S → -U. Khi đó D tắt vì trên tụ có UC (đã được tích điện trước đó). + S ngắt, dòng điện chạy từ +U qua L → D → Tải. Vì từ thông trong L không dΦ giảm tức thời về không do đó trong L xuất hiện suất điện động tự cảm eL = w , dt có cùng cực tính U. Do đó tổng điện áp: ud =U + eL. Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp. Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U ở chế độ liên tục và năng lượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn. Đặc tính truyền đạt: Ud 1 WI = = U 1− ε a. Sơ đồ mắc như sau: 18
Tải là động cơ mmột chiều được thay bởi mạch tương đương R-L-E. L1 chỉ đóng vai trò tích luỹ năng lượng. C đóng vai trò lọc b. Hoạt động + S đóng, trên L1 có U, dòng chạy từ +U → S → L1 → -U. Năng lượng tích luỹ trong cuộn cảm L1; đi-ôt D tắt; Ud =UC, tụ C phóng điện qua tải. + S ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra sức điện động ngược chiều với trường hợp đóng ⇒ D thông ⇒ năng lượng từ trường nạp và C, tụ C tích điện; ud sẽ ngược chiều với U. Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với U. Giá trị tuyệt đối |Ud| có thể lớn hơn hay nhỏ hơn U nguồn II.2.4 Bộ Chopper lớp C (Bộ đảo dòng) a) Sơ đồ nguyên lý 19