Thiết kế cung cấp điện cho động cơ một chiều

Đồ án Điện tử công suất Nguyễn Đăng Anh - TĐH1 - K45


1
Trờng đại học bách khoa h nội
Khoa điện
Bộ môn tự động hoá











đề ti :
thiết kế cung cấp điện cho
động cơ điện một chiều





Sinh viên : Nguyễn Đăng Anh.
Lớp : Tự động hoá 1- K45
Giáo viên hớng dẫn :
phạm quốc hải

1-2004
Đồ án Điện tử công suất Nguyễn Đăng Anh - TĐH1 - K45


2

Nhiệm vụ thiết kế:
Thiết kế nguồn cung cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập thoả
mãn các yêu cầu sau đây: Mạch phải đảm bảo tốc độ trơn.ổn định tốc độ (có hồi
tiếp âm tốc độ).Có khâu bảo vệ quá tải v mất kích từ.
Thông số của động cơ điện cần thiết kế:
Uđm=110V
Iđm=75A
Ukt=110v
Ikt=9A

Mục lục:


1.Giới thiệu chung.3
2.Các phơng án tổng thể..14
3.Thuyết minh nguyên lý .16
4.Tính toán mạch lực20

5.Tính toán mạch điều khiển....33
6.Kết luận.42
7.Ti liệu tham khảo.43
Đồ án Điện tử công suất Nguyễn Đăng Anh - TĐH1 - K45


3


Phần 1: giới thiệu chung về động cơ điện một chiều kích từ
độc lập

I,
Cấu tạo vnguyên lí hoạt dộng:
A, Cấu tạo : gồm hai phần , phần cảm v phần ứng
*
phần cảm:
(stator)l phần tạo ra từ trờng tĩnh của động cơ gồm có gông từ
v các cộn đây :
. Gông từ : gồm các lá thép kĩ thuật điện đợc ghép lại trên có đây quấn
kích từ
.Dây quấn:l các dây đòng hay hợp kim của nhôm hình tròn hay hình chữ
nhật đợc cách điện với nhau v đợc quấn treen gông từ
*
phần ứng:
(rôtor) l phần cho dòng điện một chiều chạy trong nó .tơng
tác giữa dòng điện I v từg thông sinh ra mô men quay.
Gồm 3 phần chính:
.lõi thép:l các lá thép kĩ thuật điện (F
e

-S
i
) mỏng ghép lại với nhau trên có xẻ
rãnh để đặt các bối dây .
. Dây quấn:l dây đồng tròn đợc ghép thnh các phần tử ( bối dây ).các bối dây
đợc ghép theo kiểu dây quấn xếp đơn hay dây quấn phức tạp tuỳ yêu cầu mô men
lớn hay nhỏ.
.Cổ góp ,trổi than:
+cổ góp :gồm các phiến góp đợc cách điện với nhau,các
phiến góp dợc nối với các đầu mút của các bối dâyđể đa dòng điện vo phần ứng
+trổi than:l các thanh cac bon đợc tiếp xúc với cổ góp để
đa dòng điện từ nguồn tĩnh vo rô to .trổi than đợc đặt ở trung tính hình học của
động cơ.
+ngoi ra còn có các cực từ phụ ,hệ thống lm mát ,vỏ
vv...
B, Nguyên lí hoạt động:
Tơng tác giữa dòng điện I của phần ứng v từ thông của phần cảm động cơ
sinh ra mô men quay :
.I
M= K


.

lm quay rô tor.
(chiều quay xác định theo quy tắc bn tay phải)
II,Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều(kích từ độc lập)
A,phơng trình đặc tính cơ:
*Đ/N:l đồ thị miêu tả mối quan hệ giữa M
đt

v tốc độ góc

của động cơ.
*từ phơng trình cân bằng điện áp:



=
=

..
.
0
0
KE
RIUE
u
Đồ án Điện tử công suất Nguyễn Đăng Anh - TĐH1 - K45


4
2
.
.
..
.
.

=



=
K
RM
K
U
K
RI
K
U
uu


*Độ cứng đặc tính cơ :
u
R
K
2
).(
=


=

cng lớn đặc tính cơ cng cứng
*đồ thị :

TN
M
n
M
C
M
C1
n
0
n
y
c





=
.
0
k
U

:tốc độ không tải lí tởng.
u
R

KU ..
M
mm
= :mô men mở máy.
B, đặc tính điều chỉnh của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
động cơ điện một chiều có:
*Nhợc điểm: sử dụng nguồn một chiều
*Ưu điểm:điều chỉnh tốc độ dễ dng nhiều kênh điều khiển
với công nghệ bán dẫn phát triển nh hiện nay máy điện mọ chiều trở thnh một
cơ cấu không thể thiếu trong truyền động.
B
1
,thay đổi tốc đọ động cơ bằng thay đổi điện áp :
U
1
U
TN ( U
ủm
)
n
0
n
cb
n
1
n
2
n
3
M

n
M
C
U
ủm
> U
1
> U
2
> U
3
n
cb
> n
1
> n
2
> n
3







Đặcđiểm: * Đặc tính cơ l những đờng song song với đặc tính cơ tự nhiên. của
động cơ ,độ cứng đặc tính cơ không thay đổi.
*do U chỉ có thể giảm do đó chỉ có thể điều chỉnh giảm tốc độ động cơ
*cóthể thay đổi Ubằng các van bán dẫn : tisitor

B
2
,thay đổi R
u
:
Đồ án Điện tử công suất Nguyễn Đăng Anh - TĐH1 - K45

5







Đặc điểm: khi thêm R
uf
vo phần ứng động cơ thì độ cứng của đặc tính cơ
giảm(
u
R
K
2
).(
=


=

) do đó trên thực tế điều chỉnh tốc độ bằng R
u
ít đợc sử
dụng vì khi tăng R
u
có thể giảm đợc

song đặc tính cơ của dộng cơ giảm đi
có nghĩa l với một sự thay đổi rất nhỏ của tải sẽ dẫn đến một sự thay đổi rất lớn
của

do đó không ổn định. Ngoi ra do thêm R
f
vo phần ứng cũng có nghĩa l
tăng tổn hao trong máy ngời ta hầu nh không sử dụng . Tuy nhiên R
f
dợc
dùng để giảm dòng mở máy khi khởi động
B
3
, Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông:






hhhhh

hình3:thay đổi tôc độ bằng cách thay đổi từ thông

Đặc điểm: *vì từ thông trong lõi thép rấtdễ bão ho thờng chỉ điều chỉnh giảm
từ thông trong động cơ
*Khi từ thông
dm

i

thì có một M
ik
no đó khi M
c
< M
ik
việc giảm
lm tăng tốc độ động cơ.

khi M
c
> M
ik
việc giảm

sẽ lm giảm tốc độ động cơ .
TRên thực tế điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông l rất khó thực hiện vì
quan hệ giữa
)(


l phi tuyến .
*

Từ phân tích trên ta thấy :
phơng án điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
bằng phơng pháp thay đổi U l khả khi nhất . hơn nữa với công nghệ bán dẫn phts
triển nh hiện nay thì việc thay đổi U trở nên dễ dng .

TN
R
f1
R
f2
R
f3
0
M
C
n
3
n
2
n
1
n
cb
n
0
n
M, I
0 < R
f1
< R

f2
< R
f3
n
cb
> n
1
> n
2
> n
3
n
1

2

0 M
C
M
2
M
1
M
n

n
c
n
1
M

ủm
>
1
>
2
n
cb
< n
1
< n
2
Đồ án Điện tử công suất Nguyễn Đăng Anh - TĐH1 - K45


6
Phần 2
: phân tích tổng thể về nguồn cung cấp cho động cơ
nêu u nhợc điểm của từng phơng án để chọn một phơng
án phù hợp cho mạch lực v mạch điều khiển
H
ệ thống truyền động ngồm 3 khâu :

*Mạch lực.
*Mạch điều khiển
*Mạch hồi tiếp âm tốc độ
A, Mạch lực:
A
1
,-với phần mạch kích từ : cần ổn định do đó U

kt
= conts ta chọn mạch chỉnh
lu một pha hình cầu.

U2








Ng
uồn xoay chiều U
d
=380(v) .yêu cầu U
kt
= 110(v) do đó dùng máy biến áp một
pha có đầu sơ cấp đấu vo U
d
của lới vì :
nh vậy MBA sẽ gọn nhẹ hơn MBA 3 fa
*ở mạch kích từ do L
kt
rất lớn nên điện áp kích từ không
yêu cầu có dộ phẳng cao
B
1
, Với mạch phần ứng :

*chọn van
:để thay đổi U
d
ta có thể dùng chỉnh lu bán điều khiển tisistor hay chỉnh
lu diều khiển tranzitor trờng
+,tranzitor trờng:
Ưu điểm: điều khiển nhanh ,tần số lớn ,dòng điều khiển bé (điều khiển
bằng áp)
Nhợc điểm: dòng cho phép của tranzitor bé.
+,Tisirtor:
Ưu ,nhợc điểm : điều khiển chậm hơn bị hạn chế về tần số .dòng điều
khiển tơng đối lớn song dòng cho phép của nó khá lớn.
T4 T1
T3
L
T2

R



0
0
1
1
2
2
3
3
4

Đồ án Điện tử công suất Nguyễn Đăng Anh - TĐH1 - K45


7
Với bi toán : i
đm
=220 (A)tần số không lớn f =50(hz) ta chọn tisitor l hợp lí
nhất
*Chọn sơ đồ đấuvan:
Một số mạch chỉnh lu bán điều khiển điển hình:










Ud
Id
UT1
t1 t2 t3 t4
I1
I2
I3
Ud
t

Id
t1 t2 t3 t4
I1
I2
I3
t
t
t
t
t
tt
t
b.
0
t
c.
T1
B
T2
C
T3
A
R
L
Chỉnh lu hình tia 3fa.

§å ¸n §iÖn tö c«ng suÊt NguyÔn §¨ng Anh - T§H1 - K45

8

A
*

T1
B

D1
D2
D3

T1
T2
T3
L
R
ABCA
X1
X2
X3
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7
Ud
Uf
T1
T2
T3
D1
D2
D3
0
*
R L
*
T2
C
T3
T4
A*
T5
B*
T6

C*
t
ABCA* B*C*
chØnh l−u 6fa h×nh

tia:
§å ¸n §iÖn tö c«ng suÊt NguyÔn §¨ng Anh - T§H1 - K45


9

R
T1
T3
T5
L
T6
T4
T2
Ud
Uf
ABCA
ABCA
X1
X2
X3
X4
X5
X6
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7

Ud
Uf
I1
I3
I5
I2
I4
I6
0
UT1

Đồ án Điện tử công suất Nguyễn Đăng Anh - TĐH1 - K45


10
P
hân tích:
*Mạch 1: có số van điều khiển ít , mạch điều khiển không quá phức tạp hơn nữa
trung tính của động cơ đợc nối với trung tính của mba do đó an ton cho thiết bị .
*Mạch 2: Điện áp ra tơng đối bằng (m=6) có thể dùng trực tiếp ngay cho động cơ
điện một động cơ điện một.tuy nhiên bố trí theo mạch ny sẽ rất tốn kém vì :MBA
của mạch 2 l một sơ cấp v hai thứ cấp do đó kồng kềnh tốn kém .hơn nữa mạch
có 6 van số van tăng cũng có nghĩa l lôgic .
điê
ù khiển tăng do đó không khả thi
Mạch 3: điện áp ra tơng đối bằng độ nhấp nhô ít có trị số tơng đối lớn MBA
đơn giản hơn do do tỉ số biến đổi không cần lớn.
Nhợc điểm :số van điều khiển lớn do đó lôgíc điều khiển phức tạp

*Mạch 4: Ưuđiểm mạch điều khiển đơn giản ( số van điều khiển ít)
.không có giai đoạn trùng dẫn.do có những giai đoạn tisistor v điode thẳng hng
dẫn dòng
năng lợng từ tải không trả về lớithực hiện đợc tiết kiệm năng lợng ,mặt
khác lm tăng Cos cho máy ( =
2

)
Nhợc điểm:điện áp ra đập mạch lớn có nhiều sóng hi bậc cao gây nóng MBA v
động cơ do đó tổn hao tăng chỉ thích hợp với tải (đèn ,lò điện) không khả khi
Tuy nhiên công suất của động cơ l không lớn,áp nhỏ 110v ,mặt khác xu hớng
của công nghệ hiện đại l:giảm nặng nhọc cho mạch lực tăng độ phức tặp cho mạch
điều khiển chịu do đó ta chọn phơng án 1 l hợp lí nhất.
B,
mạch điều khiển:
Đối với mạch điều khiển tistor thờng gồm 4 khâu cơ bản
1, khâu so sánh: so sánh điện áp U
cm
(1 chiều) với điện áp tựa để phat xung điều
khiển
2, Khâu đồng bộ: tạo điện áp tựa đồng bộ.
3, Khâu khuyếch đại công suất: Kđ xung để kích thích MBA xung mở tisistor
4, Khâu tạo xung : tạo xung kích thích với tần số lớn để mở trắc tisistor


tạo x un g

Đồ án Điện tử công suất Nguyễn Đăng Anh - TĐH1 - K45

11


1,
Khâu đồng bộ:
phơng án 1:


phơng án2:
GHEP QUANG
C
R2R1
D
Ura
+E
c.
Uv



phơng án 3:

P
hân tích:
Phơng án1: sơ đồ đơn giản linh kiện dẽ thực hiện chất lợng điện áp tựa cao
Phơng án2: không dùng MBA ,sơ đồ đơn giản song chỉ tạo ra 1 răng ca hco
mỗi chu kì điện do đó không phù hợp với với chỉnh lu cầu.
Phơng án 3: sơ đồ không quá phức tạp ,phải dùng MBA có điểm giữa tuy
nhiên tạo ra hai răng ca cho mỗi chu kì điện do đó nó phù hợp với chỉnh lu cầu .
2,Khâu so sánh:

Các mạch so sánh thờng gặp
Phơng án1: Phơng án 2:






Phơng án3:
R1
Urc
R2
Udk
-E
R3
a.
Tr
Ura
A3
Ura
R1
Urc
R2
Udk
c.
A3
Ura
R2
Udk
R1

Urc
b.




Đồ án Điện tử công suất Nguyễn Đăng Anh - TĐH1 - K45


12
Phân tích:
Phơng án1: dùng tranitor , mạch lật trạng thái khi U
cm
=U
rc
tuy nhiên với ranitor
thực tế thờng không lí tởng do đó để lật trạng thái :
U = U
U
đ

rc d
Dấu cộng ứng với lúc mở
Dấu ứng với lúc đóng


Do đó xuất hiện một vùng điện áp nhỏ hng mv m tại đó trans zitor
không lm việc(góc mở
).
0=

Phơngán dùng IC thuật toán: với hệ số khuyếch đại vô cùng lớn chỉ cần tín hiệu
rất nhỏ cỡ

v đầu vo đầu ra cũng có điện áp nguồn nuôi
3,Khâu khuyếch đại công xuất:
R
Uv
Tr
BAX
+E
D
Tr1
b.
Phơng án 1:
Ưu điểm l đơn giản cách ly tốt
Nhợc l tính toán phức tạp

*T
1
thông thì T
2
cũng thông
*D diode đặt để tránh điện áp ngợc đặt lên T

quá lớn gây cháy T
1
.
Phơng án 2:dùng phần tử quang
Ưu điểm l tính toán đơn giản ,mở chắc chắn

Nhợc điểm l phải dùng nguồn nuôi phía cao áp




4,Khâu tạo xung: để giảm công suât tầng khuyếch đại
v tăng số lợng xung kích mở nhằm đảm bảo tisistor mở một cách trắc trắn
ngời ta hay phát xung chùm cho các tisistor
*các vi mạch tạo xung chùm phổ biến :
*vi mạch 555:
*vi mạch tạodao động:

Đồ án Điện tử công suất Nguyễn Đăng Anh - TĐH1 - K45


13

8
6
7
4
2
1
3
5
555
+U
R1
R2
C1 C2

Ura
a.
A
R1
R2
C
R3
b.












C
+E




*với vi mạch 555: tạo xung đồng bộ chất lợng tốt v cũng đơn giản
*sơ đồ thứ hai có thể tạo ra một sự đồng bộ về thiết bị song xung ra có cả nhũng
khoảng âm
*đơn giản nhất v tạo ra xung tơng đối chuẩn ta chọn phơng án 3

Đồ án Điện tử công suất Nguyễn Đăng Anh - TĐH1 - K45


14

phần III: thuyết minh chitiết sự hoạt động của ton bộ sơ
đồ nguyên lí mạch kèm theo đồ thị minh hoạ
I,Mạch Lực:
1, phần mạch kích từ:
Điện áp xoay chiều sau khi qua bộ chỉnh lu diode cho điện áp đặt ở hai đầu
cuộn kích từ : U
22
.9,0.
2.2
UU =

kt
=U
đkt
=
U
2
:giá trị hiệu dụng điện áp thứ cấp MBA
*U
d
(t) có dạng đập mạch song do L
kt
rất lớn ta coi nh i

d
= conts
*Các cặp diode D
1
D
2
v D
3
D
4
thay nhau dẫn dòng

II,Mạch phần ứng:
Đồ án Điện tử công suất Nguyễn Đăng Anh - TĐH1 - K45


15

NX: *điện áp xoay chiều sau khi qua bộ chỉnh lu bán
điều khiển cho ra điện áp một chiều
*điện áp nay tơng đối bằng v lớn song vẫn còn đạp mạch ta có thể lm giảm
độ đạp mạch ny bằng cuộn kháng san bằng.

CosU .17,1
2
U
d
=
*U

=f(

) do ta điều chỉnh trơn đợc góc mở

(cos

l hm liên tục) do đó ta có
thể điều chỉnh trơn đợc tốc độ.

+

=
3
*các thistor thay nhau dẫn dòng,mỗi van dẫn một góc












Đồ án Điện tử công suất Nguyễn Đăng Anh - TĐH1 - K45


16

III,phần mạch điều khiển:
1.Mạch ổn định tốc độ động cơ :ta dùng mạch hồi tiếp âm tốc độ:


*IC 5 tạo xung đồng hồ cho hệ thống
*IC6,IC7,IC8 tạo bộ đếm có thể tăng giảm 12 bit ứng với 4096 trạng thái
*IC9 bộ chuyển đổi DAC 12 bit ,chuyển đổi giá trị đếm hiện thời của bộ đếm sang
mức điện áp từ 0V đến 6V,có thể điều chỉnh bằng VR6
*VR3 tạo điện áp chuẩn điều khiển tốc độ động cơ
*FT v VR9 tạo điện áp tỷ lệ với tốc độ động cơ
*AMP2 lấy hiệu hai tín hiệu v khuếch đại sai lệch hai tín hiệu đặt v phản hồi
*COM11 v COM12 so sánh tín hiệu sai lệch từ AMP2 với áp chuẩn đợc điều
chỉnh bởi VR5 v VR4 nếu vợt quá ngỡng thì cho ra tín hiệu điều khiển bộ đếm
để thay đổi Uđk cho phù hợp
2.Khâu bảo vệ mất kích từ:
Yêu cầu : khi mất kích từ hoặc dòng kích từ quá nhỏ ta phải cắt động cơ ra khỏi
lới .
Thực hiện thiết kế:
Đồ án Điện tử công suất Nguyễn Đăng Anh - TĐH1 - K45


17

*Khi có dòng điện phần kích từ FT sẽ hoạt động do đó đầu ra trên R2 ở mức tích
cực cao do vậy T1 hoạt động, T1 hoạt động dẫn tới đầu vo (+) của bộ so sánh
COM 0 nhỏ hơn đầu vo (-) của nó lm cho đầu ra A ở mức thấp ,cho phép phát
xung mở cho các van.
*khi mất dòng điện phần kích từ hoặc dòng kích từ yếu thì đầu ra A sẽ ở mức tích
cực cao do đó cắt tín hiệu điều khiển tisistor,.
3.Khâu bảo vệ chống quá tải :

*Yêu cầu :khi quá tải tuỳ theo tình trạng quá tải lớn hay nhỏ m thời gian cắt
nhanh hay chậm : I
tc
t
k
ă

I
đm
=f(t
că
) = = k.f
c
quan hệ: dòng điện v thời gian theo đờng Hype bol