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:
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
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
Phương
án
Điện áp
lưới (VAC)
Dòng điện định
mức
Điện áp phần
ứng
Phạm vi điều
chỉnh tốc độ
1 110 20 120 10:1
2 220 8 220 15:1
3 380 15 100 20:1
4 127 V 6 A 400 V 25:1
5 300 10 600 15:1
2
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
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
3
M
K
RR
K
Ufu
u.
)( 2
Φ
+
−
Φ
=
ω
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
Người ta đưa thêm đại lượng
ω
β
Δ
Δ
=M để đánh giá độ cứng. Đặc tính càng dốc càng
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.
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.
+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).
ω
ω
M
Mnm
M
t
ω
0
4
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:
ufuuu IRREU )(
+
+=
+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:
ω
π
⋅Φ⋅= a
pN
Eu 2
+ 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.
+ω: tốc độ góc.
a
pN
K
π
2
=
Trong đó K là hệ số cấu tạo của động cơ.
5
nKE eu Φ
=
55,9/60/2 nn ==
π
ω
Vì vậy
n
a
pN
EuΦ= 60
K
K
Ke105,0
55,9 ==
Suy ra
u
fu
uI
K
RR
K
U
Φ
−
Φ
=Φ
Biểu thức (*) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặt khác mômen điện từ của động cơ được xác định udt IKM ..Φ
=
Suy ra
Φ= KMI dtu /
Thay vào (*) ta được
dt
fu
uM
K
RR
K
U
2
)( Φ
+
−
Φ
=
ω
Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mômen
điện từ bằng M.
Ta có
M
K
RR
K
Ufu
u
2
)( Φ
+
−
Φ
=
ω
Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ
độc lập. Đồ thị hình vẽ:
Nhận xét :
+ Iư=0 hoặc M=O ta có
ω
ω
M
Mnm
M
t
ω
0