Đồ án ĐTCS - Thiết kế bộ băm xung một chiều

Đồ án ĐTCS

Thiết kế bộ băm xung một chiều




Lã ngọc Sơn

Lớp TĐH T2 - K41

1


Chương I - Giới thiệu về động cơ điện một chiều
kích từ song song

I.1) Cấu tạo:


Máy điện một chiều cấu tạo gồm hai thành phần chính: gồm phần tĩnh và phần
quay.
1) Phần cảm (stator):
Phần cảm là phần tạo ra từ trường tĩnh của động cơ gồm có các phần sau đây:
- Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường, nó gồm có lõi sắt cực từ và dây
quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ
+ Lõi sắt kích từ được làm bằ
ng lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon ghép
lại và tán chặt.
+ Dây quấn kích từ: được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây
đều được bọc cách điện kỹ thành một khối và và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên

các cực từ.
- Cực từ phụ: được đặt giữa các cực chính và dùng để cải thiện đổi chiều, lõi
thép thường làm bằng thép khố
i và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn giống như
cực từ chính.
- Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy.
- Chổi than : là các thanh Cacbon được tiếp xúc với cổ góp để đưa dòng điện
từ nguồn một chiều vào rôto . Chổi than được đặt ở trung tính hình học của động cơ.
2) Phần ứng (rotor):
Phần ứng là phần cho dòng đ
iện một chiều chạy trong nó, tương tác giữa dòng điện I
và từ thông Φ sinh ra mômen quay. Nó gồm ba phần chính:
- Lõi thép : là các lá thép kĩ thuật điện (Fe - Si) mỏng ghép lại với nhau, trên có
xẻ rãnh để đặt các bối dây.
- Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua, nó
được cấu tạo gồm các dây đồng tròn được ghép thành các phần tử (bối dây), các bối
dây được ghép theo kiểu dây quấn xế
p đơn hay dây quấn phức tạp tuỳ yêu cầu
mômen lớn hay nhỏ.
- Cổ ghóp : gồm các phiến góp được cách điện với nhau, các phiến góp được nối
với các đầu mút của các bối dây để đưa dòng điện vào phần ứng.
Ngoài ra còn có các bộ phận khác gồm cánh quạt dùng để làm ngội máy, trục
máy...
Tùy theo phương pháp kích từ người ta chia động cơ một chiều thành các
dạng kích từ nối tiếp, kích từ
song song, kích từ hỗn hợp, kích từ độc lập.
Đồ án ĐTCS

Thiết kế bộ băm xung một chiều

Lã ngọc Sơn

Lớp TĐH T2 - K41

2

Hình I- Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
(a), kích từ song song(b), kích từ hỗn hợp(c), và kích từ độc lập(d).

Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì
mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là
động cơ kích từ song song.
I.2) Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ
song song:

1) Định nghĩa:
Phương trình đặc tính cơ
là đồ thị miêu tả mối quan hệ giữa


mô men điện từ M
đt
và tốc độ góc ω của động cơ.
2) Đặc tính cơ:
Từ phương trình cân bằng điện áp :
⎩
⎨

⎧
Φ=
−=
ω
..
.E
0
0
KE
RIU
u

⇒
2
.
.
..
.
. Φ
−
Φ
=
Φ
−
Φ
=
K
RM
K
U

K
RI
K
U
uu
ω

Độ cứng đặc tính cơ:

u
R
K
2
).( Φ
=
Δ
ΔΜ
=
ω
β

β càng lớn đặc tính cơ càng cứng
Đồ thị:


Φ
=
.
0
k

U
ω
: tốc độ không tải lí tưởng.
TN
M
n
M
C
M
C1
n
0
n
yc
n
1

Đồ án ĐTCS

Thiết kế bộ băm xung một chiều




Lã ngọc Sơn

Lớp TĐH T2 - K41

3
M

mm
=
u
R
KU Φ..
: Mômen mở máy.

I.3) Mở máy và hãm động cơ điện một chiều:

1) Mở máy:
Từ phương trình điện áp phần ứng :
U=E
u
+R
u
.I
u
u
R
u
u
EU
I
−
=⇒

Khi mở máy n=0 ⇒ E
u
=
Φ..

60
.
n
a
Np
=0
Dòng điện phần ứng lúc mở máy là: I
umở
=
u
R
U

vì R
u
nhỏ I
umở

lớn khoảng (20 ÷ 30) I
đm
làm hỏng chổi than và cổ góp. Để dảm dòng
điện mở máy ta dùng các biện pháp sau:
+ Dùng biến trở mở máy R
mở
:
Mắc biến trở này vào mạch phần ứng lúc có biến trở này :
I
ưmở
=U/(R
ư

+R
mở
)
Lúc đầu để R
mở
max, trong quá trình mở này tốc độ tăng lên Eư tăng lên và điện trở
này giảm dần đến 0, máy làm việc đúng điện áp định mức.
+ Giảm điện áp đặt vào phần ứng:
Phương pháp là phương pháp thường dùng hơn cả nó dòi hỏi có một nguồn điện
có thể điều chỉnh được điện áp như nguồn chỉnh lưu, hệ máy phát động cơ hay b
ộ
băm xung một chiều. Phương pháp này dùng kết hợp với việc điều chỉnh tốc độ động
cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng rất tiện lợi.
2) Các trạng thái hãm động cơ:
Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mô men quay ngược chiều tốc độ quay
.Trong tất cả các trạng thái hãm động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát. Tùy theo
cách biến đổi nă
ng lượng cơ trong khi hãm người ta chia làm 3 trạng thái hãm:
a) Hãm tái sinh:
Đồ án ĐTCS

Thiết kế bộ băm xung một chiều




Lã ngọc Sơn

Lớp TĐH T2 - K41

4
Năng lượng động cơ trả vể nguồn xẩy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn
tốc độ không tải lý tưởng . Khi hãm tái sinh E
u
>U
u
, động cơ làm việc như một máy
phát điện song song với lưới , so với chế độ động cơ dòng điện và mô men hãm đã
đổi chiều . Đường đặc tính cơ trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần tư thứ II và
thứ IV của mặt phẳng toạ độ.Trong trạng thái hãm tái sinh dòng điện hãm đổi chiều
và công suất đưa trả về lưới điện có giá trị P = (E –U) .I
b) Hãm ngược:
Nă
ng lượng của nguồn và động cơ bị tiêu tán dưới dạng nhiệt. Xẩy ra khi
phần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động do
mômen thế năng quay ngược chiều với mômen điện từ của động cơ. Mômen sinh ra
bởi động cơ chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản suất có hai trường hợp hãm
ng
ược :
+ Đưa điện trở vào mạch phần ứng.
+ Đảo chiều điện áp phần ứng.
c) Hãm động năng:
Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học của
động cơ đã tích luỹ được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêu
tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt.
Như vậy ta thấy hãm tái sinh là phương pháp hãm tiế
t kiệm được năng lượng
nhất, và điều này là rất cần thiết, nhất là đối với các động cơ chạy bằng acqui. Vì
vậy, trong khi thiết kế bộ băm điện áp, ta cố gắng điều khiển động cơ hãm tái sinh.
I.4) Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song:

Động cơ điện một chiều có đặc điểm là:
- Ưu điểm : điều chỉnh tốc độ dễ dàng, nhiều kênh điều khiển.
- Nhược điểm: sử dụng nguồn điện một chiều.
Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn như hiện nay máy điện một chiều dã trở
thành một c
ơ cấu không thể thiếu trong truyền động điện.
Từ phương trình về vận tốc:

2
.
.
..
.
.
Φ
−
Φ
=
Φ
−
Φ
=
K
RM
K
U
K
RI

K
U
uu
ω
. Ta có các phương pháp để điều chỉnh tốc độ động
cơ điện một chiều như sau :

1) Thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp:

U
1
U
2

U
3
TN ( U
dm
)
n
0
n
cb
n
1

n
2
n
3

n
U
dm
> U
1
> U
2
> U
3

n
cb
> n
1
> n
2
> n
3

Đồ án ĐTCS

Thiết kế bộ băm xung một chiều




Lã ngọc Sơn

Lớp TĐH T2 - K41

5





Đặc điểm :
- Đặc tính cơ là các đường song song với đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, do đó
độ cứng của đặc tính cơ không thay đổi.
- Do U chỉ có thể giảm do đó chỉ có thể điều chỉnh giảm tốc độ của động cơ.
- Có thể thay đổi U băng các van bán dẫn.
2) Thay đổi điện trở phần ứng R
u
:







Đặc điểm :
- Khi thêm R
uf
vào phần ứng động cơ thì độ cứng của đặc tính cơ giảm hay
đặc tính cơ của động cơ giảm đi có nghĩa là với một sự thay đổi rất nhỏ của tải sẽ
dẫn đến một sự thay đổi rất lớn của ω nên không ổn định do đó trên thực tế điều
chỉnh tốc độ băng R
u

ít được sử dụng.
- Ngoài ra khi thêm R
u
vào phần ứng cũng có nghĩa là tăng tổn hao làm nóng
động cơ. Phương pháp này chỉ sử dụng để giảm dòng mở máy khi khởi động động
cơ.
3) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông:


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

Φ1
Φ
2

Φ
ủm

0 M

C
M
2
M
1
M
n
n
cb

n
1
n
M
φ
ủm
> φ
1
> φ
2

n
cb
< n
1
< n
2

Đồ án ĐTCS

Thiết kế bộ băm xung một chiều




Lã ngọc Sơn

Lớp TĐH T2 - K41

6



Đặc điểm :
- Vì từ thông trong lõi thép rất dễ bão hoà nên người ta thường chỉ điều chỉnh
giảm từ thông trong động cơ.
- Khi từ thông Φ
dm
giảm đến Φ
i
thì có một M
ik
nào đó, khi M
c
< M
ik
việc giảm
Φ sẽ làm tăng tốc độ động cơ, khi M
c
>M

ik
việc giảm Φ sẽ làm tốc độ động cơ.
Trên thực tế điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là rất khó thực hiện vì
quan hệ Φ(ω) là phi tuyến.
I.5) Lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ:

Từ các phân tích trên, ta thấy trong các phương pháp điều chỉnh tốc độ trên
thì phương pháp điều chỉnh tốc độ nhờ thay đổi điện áp phần ứng là khả thi và tin
cậy nhất, bởi vì dễ điều chỉnh và có đặc tính cơ cứng. Với sự phát triển của kĩ thuật
bán dẫn ngày nay thì phương pháp điều chỉnh này hoàn toàn dễ dàng thực hiện được
và đem lạ
i hiệu quả cao. Trong khuôn khổ đồ án này, ta sẽ thiết kế bộ băm xung một
chiều có đảo chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, ngoµi ra nã cßn có thể thực
hiện chức năng mở lại máy (reset) và hãm tái sinh động cơ.



CHƯƠNG II - TÍNH CHỌN MẠCH LỰC

II.1) Giới thiệu chung về bộ băm xung một chiều:

1) Nguyên lý:
Bộ băm điện áp một chiều cho phép từ nguồn điện một chiều U
s
tạo ra điện áp
tải U
ra
cũng là điện áp một chiều nhưng có thể điều chỉnh được.

Đồ án ĐTCS

Thiết kế bộ băm xung một chiều




Lã ngọc Sơn

Lớp TĐH T2 - K41

7



0

Ura là một dãy xung vuông (lý tưởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2. Điện áp ra
bằng giá trị trung bình của điện áp xung: U
ra
= γ .U
s
(γ=t
1
/T). Nguyên lý cơ bản của
các bộ biến đổi này là dùng quy luật đóng mở các van bán dẫn công suất một cách có
chu kỳ để điều chỉnh hệ số γ đảm bảo thay đổi được giá trị điện áp trung bình trên
tải.
2) Các phương pháp điều chỉnh điện áp ra:
Có 3 phương pháp điều chỉnh điện áp ra:
a) Phương pháp thay đổi độ rộng xung:

Nội dung của phươ
ng pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T ⇒ Giá trị trung
bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:
BBĐ
BBĐ
BBĐ
một
chiề
U
S
U
ra
U
ra
t

t
1
t
2
T

U
tb
Đồ án ĐTCS

Thiết kế bộ băm xung một chiều

Lã ngọc Sơn

Lớp TĐH T2 - K41

8
S
S
tai
U
T
Ut
U .
.
1
ε
==

trong đó:
T
t
1
=
ε
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).
b) Phương pháp xung - tần:
Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1=const. Khi đó:
SStai
UftU

T
t
U ...
1
1
==

Vậy U
ra
=U
S
khi
1
1
t
f =
và U
ra=0
khi f=0.
c) Phương pháp xung - thời gian:
Vừa thay đổi độ rộng xung vừa thay đổi tần số theo nguyên tắc giữ ΔI min
Trong 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.2) Sơ đồ bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều cả dòng điện và
điện áp:

Do yêu cầu của đồ án là thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ
động cơ điện một chiều kích từ song song, Thoả mãn các yêu cầu trên ta chỉ có thể
chọn mạch lực là bộ băm xung áp một chiều với Sơ đồ nguyên lý như sau :

Trong đó :V1,V2 là các van điều khiển hoàn toàn.
D1,D2, là các diot.
Sơ đồ trên cho phép điều chỉnh tố
c độ quay của động cơ, đặc tính làm việc của
động cơ có thể ở góc phần tư thứ nhất và góc phần tư thứ 2.




Đồ án ĐTCS

Thiết kế bộ băm xung một chiều




Lã ngọc Sơn

Lớp TĐH T2 - K41

9

U
S
i
dk1
i
dk2
u
d
U
S
u
S1
,i
S1
i
S

u
D1
, i
D1
Biểu đồ dạng súng dũng, ỏp trờn cỏc phần tử
Đồ án ĐTCS

Thiết kế bộ băm xung một chiều




Lã ngọc Sơn

Lớp TĐH T2 - K41

10
b) Các biểu thức tính toán:
- Tìm biểu thức của dòng tải :
+ Khi (D1, D2) và (V1, V2) dẫn: Trong giai đoạn này điện áp trên tải là U
T
=U
S
, do
đó phương trình mạch tải sẽ là:
Sd
d
UERi
dt
di

L =++

Giải phương trình vi phân, ta có:
atat
S
d
eIe
R
EU
ti
−−
+−
−
= .)1.()(
min

- Giá trị trung bình của điện áp trên tải:
SS
SSSS
T
t
S
t
S
T
dd
UU
UUTTUTU
T
dtUdtU

T
dtu
T
U
)12()1(
)1()]([
1
])([
11
2
2
00
−=+−=
−−=−−=
−+==
∫∫∫
εεε
εεεε

Trong đó:
T
t
2
=
ε
là tỷ số chu kỳ.
Vậy nếu ta thay đổi được ε ta sẽ điều chỉnh được U
d
.
Cụ thể: ε=0,5→ U

d
=0⇒ Động cơ không được đặt điện áp.
ε>0,5→ U
d
>0⇒Động cơ quay ngược.
ε<0,5→ U
d
<0⇒Động cơ quay thuận.

- Giá trị trung bình của dòng qua diod D1 và D2:
)1.()1.(.
.2
)1.()1.(
1
)1).(1(
.
1
.
.2
).(
1
1
11
1
1
0
1
1
εεε
εε

−
−
−−≈
−+−−
−
−−
==
−
∫
R
EU
R
U
R
E
R
U
A
BAB
aTR
U
dtti
T
I
SS
SS
t
D

- Giá trị trung bình dòng qua van:

)1.(.
.2
.
1
)1)(1(
.
1
.
.2
.
1
11
1
1
εεεε
−−
−
≈
−
−−
−
−
=
−
R
U
R
EU
A
BAB

aTR
U
R
EU
I
SSSS
T

Đồ án ĐTCS

Thiết kế bộ băm xung một chiều




Lã ngọc Sơn

Lớp TĐH T2 - K41

11
- Giá trị trung bình dòng tải:
)12.(
S
S
d
U
E
R
U
I −−=

ε

2) Điều khiển
a) Nguyên lý làm việc của mạch trên như sau:
+ Ở thời điểm t
0
=0 phát xung điều khiển V1 do Id=Imin<0 D1 vẫn dẫn u
d

=U
N
I
d
tăng dần đến thời điểm t= t
1
I
d
=0 V1 bắt đầu dẫn I
d
tiếp tục tăng dần đạt đến
I
d
=I
max
tại thời điểm t=t2.
+ t = t
2
=ε.T phát xung điều khiển V2 , khoá van V1 do I
d
>0 tải điện cảm

dòng i
d
tiếp tục chảy theo chiều cũ qua ,D2 u
d
=U
N
;V2 chưa dẫn, dòng dòng id>0
giảm dần làm xuất hiện suất điện động tự cảm trên cuộn dây L đến t=t3 id=0 U
V2
>0
van V2 dẫn id chảy theo chiều ngược lại và tăng dần đến thời điểm t=t4 I=Imin khoá
van V2, phát xung điều khiển V1 dòng id tiếp tuc chảy theo chiều cũ qua D1,D2 trả
năng lượng về nguồn…











u
dk1
u
dk2
t
0

t
1
t
2
t
3
t
4
= T
i
d

I
max



I
min
u
d
U
N
I
d
U
d
D
1
D

4
V
1
V
4
D
2
V
4
V
2
D
4


Đồ án ĐTCS

Thiết kế bộ băm xung một chiều




Lã ngọc Sơn

Lớp TĐH T2 - K41

12

b) Các biểu thức tính toán:
- Dòng lớn nhất và nhỏ nhất qua tải:

R
E
A
B
R
U
I
ó
−
−
−
=⇒
−
1
1
1
max
1
1
.

Trong đó:
TaaT
eBaA
ε
==
−
11
;
.

- Giá trị dòng trung bình qua tải:
dd
d
UERi
dt
di
L =++

∫∫∫∫
=++⇒
T
d
TT
d
T
d
dtU
T
Edt
T
dtRi
Tdt
di
L
T
0000
1111

ód
UERI

ε
=++⇒ 0

R
EU
I
ó
d
−
=⇒
ε

- Dòng trung bình qua van: I
T
=
)1(
)1).(1.(
.
1
11
1
1
AT
BABU
R
L
S
−
−−
−

dT
II
ε
≈⇒

- Dòng trung bình qua diod:
)1.()1.(
.
)1(
1
)1).(1(
.
.
.
1
11
1
1
εε
ε
ε
−=−
−
≈−−
−
−−
=
−
d

SS
D
I
R
EU
R
E
A
BAB
TR
L
R
U
I

- Giá trị trung bình của điện áp trên tải:
∫
==
T
óód
UdtU
T
U
ε
ε
0
1

Như vậy, để điều khiển tốc độ động cơ, ta chỉ cần điều khiển ε để điều chỉnh điện áp
ra tải.có những ưu điểm sau:

+ Điện áp ra tải chỉ có 1 dấu ở chiều xác định.
+ Cho phép giảm độ đập mạch dòng điện
+ Mặt khác nó cũng cho phép làm việc ở các chế độ sau:
ε
U
S
> E → Động cơ nhận năng lượng.
εU
S
< E → Động cơ phát năng lượng.
II.3) Giới thiệu một số loại van dùng trong mạch băm xung:
Đồ án ĐTCS

Thiết kế bộ băm xung một chiều




Lã ngọc Sơn

Lớp TĐH T2 - K41

13
1) Trasistor công suất:
Transistor công suất có cấu trúc và ký hiệu như sau:

- Nguyên lí hoạt động:
Tranzitor hoạt động như một phần tử chuyển mạch ta quan tâm đến 2
trạng thái dấn dòng và.trạng thái khoá
+ Trạng thái dẫn: U
BE
>0
Điều kiện để đưa van vào vùng dẫn bão hoà I
B
≥I
C
/β
Thực tế I
B
=s.I
C
/β
+ Trạng thái khóa: U
BE
≤0, i
c
≈0.
Trong quá trình van dẫn hoặc khoá công suất tiêu tán p
c
=U
CE
.I

C
=0.
Để chuyển trạng thái phải đi qua vùng khuyếch đại I
C
≠0, U
CE
≠0 ,tổn thất trên
van chủ yếu là khi van chuyển trạng thái và tỉ lệ thuận với tần số hoạt động
của van.Khi làm việc với tần số f>5 kHz hoặc V
CEO
≥60V, I
C
>5A phải có mạch
trợ giúp để tránh cho van bị quá nhiệt gây hỏng van.
- Các thông số của transistor công suất:
+ IC: Dòng colectơ mà transistor chịu được.
+ UCEsat: Điện áp UCE khi transistor dẫn bão hòa.
+ UCEO: Điện áp UCE khi mạch badơ để hở, IB = 0 .
+ UCEX: Điện áp UCE khi badơ bị khóa bởi điện áp âm, IB < 0.
+ t
on
: Thời gian cần thiết để U
CE
từ giá trị điện áp nguồn U giảm
xuống 0V.

+ t
f
: Thời gian cần thiết để iC từ giá trị IC giảm xuống 0.
+ t

S
: Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị UCESat tăng đến giá trị
điện áp nguồn U.
+ P : Công suất tiêu tán bên trong transistor. Công suất tiêu tán bên
trong transistor được tính theo công thức: P = U
BE
.I
B
+ U
CE
.I
C
.
+ Khi transistor ở trạng thái mở: I
B
= 0, I
C
= 0 nên P = 0.
+ Khi transistor ở trạng thái đóng: U
CE
= UCESat.


( a )
E
I
C

B
U

BE

I
E

C
I
B

U
CE