Đề tài Ứng dụng Điện tử công suất trong truyền động điện - Điều khiển tốc độ động cơ điện

Mục lục Đề bài 1 Lời nói đầu 2 Chương I GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU I.1 Đặt vấn đề I.2 Tổng quan về động cơ điện một chiều. I.2.1 Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều I.2.2 Động cơ điện kích thích độc lập I.3 Các vấn đề khác khi điều khiển động cơ điện một chiều. I.3.1 Các góc phần tư làm việc I.3.2 Các chế độ làm việc của ĐCĐ 1 chiều kích từ độc lập I.3.3 Vấn dề phụ tải 4 Chương II MẠCH BĂM XUNG II.1 Giới thiệu về băm xung một chiều (BXDC) II.1.1 Phương pháp thay đổi độ rộng xung II.1.2 Phương pháp thay đổi tần số xung II.1.3 Nhận xét II.2 Các sơ đồ băm xung II.2.1 Sơ đồ giảm áp (Step-down (Buck)) II.2.2 Biến đổi tăng áp (step-up (boost)) II.2.3 Sơ đồ băm đảo cưc (Step-down/up (buck-boost)) II.2.4 Bộ đảo dòng II.2.5 Bộ đảo áp II.2.6 Bộ Chopper lớp E 1. Sơ đồ nguyên lý 2. Các phương pháp điều khiển II.3 Kết luận II.3.1 Chọn mạch lực II.3.2 Chọn phương pháp điều khiển II.3.3 Chọn van bán dẫn 16 Chương III THIẾT KẾ MẠCH LỰC III.1. Tính toán chọn van III.1.1 Chọn Diode cụng suất III.1.2 Chọn các van bán dẫn 39 Chương IV THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN IV.1. Yêu cầu chung của mạch điều khiển IV.2. Nguyên lý của mạch điều khiển 50 Chương V MÔ PHỎNG TRÊN MÁY TÍNH 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 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 Sinh viªn thùc hiÖn: NguyÔn §øc HuyÒn Nhãm ®å ¸n §TCS 5 – Líp T§H2 K48 Lêi nãi ®Çu 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 D­¬ng V¨n 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. Ch­¬ng I Giíi thiÖu vÒ ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu I.1 §Æt vÊn ®Ò Cïng víi sù ph¸t triÓn ngµy cµng m¹nh mÏ cña c¸c ngµnh c«ng nghiÖp c¶ vÒ chiÒu réng lÉn chiÒu s©u,®iÖn vµ c¸c m¸y ®iÖn ®ãng mét vai trß rÊt quan träng , kh«ng thÓ thiÕu ®­îc trong phÇn lín c¸c ngµnh c«ng nghiÖp vµ ®êi sèng sinh ho¹t cña con ng­êi. Nã lu«n ®i tr­íc mét b­íc lµm tiÒn ®Ò nh­ng còng lµ mòi nhän quyÕt ®Þnh sù thµnh c«ng cña c¶ mét hÖ thèng s¶n xuÊt c«ng nghiÖp. Kh«ng mét quèc gia nµo, mét nÒn s¶n xuÊt nµo kh«ng sö dông ®iÖn vµ m¸y ®iÖn. Do tÝnh ­u viÖt cña hÖ thèng ®iÖn xoay chiÒu: dÔ s¶n xuÊt, dÔ truyÒn t¶i..., c¶ m¸y ph¸t vµ ®éng c¬ ®iÖn xoay chiÒu ®Òu cã cÊu t¹o ®¬n gi¶n vµ c«ng suÊt lín, dÔ vËn hµnh... mµ m¸y ®iÖn (®éng c¬ ®iÖn) xoay chiÒu ngµy cµng ®­îc sö dông réng r·i vµ phæ biÕn. Tuy nhiªn ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu vÉn gi÷ mét vÞ trÝ nhÊt ®Þnh nh­ trong c«ng nghiÖp giao th«ng vËn t¶i, vµ nãi chung ë c¸c thiÕt bÞ cÇn ®iÒu khiÓn tèc ®é quay liªn tôc trong ph¹m vi réng (nh­ trong m¸y c¸n thÐp, m¸y c«ng cô lín, ®Çu m¸y ®iÖn...). MÆc dï so víi ®éng c¬ kh«ng ®ång bé ®Ó chÕ t¹o ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu cïng cì th× gi¸ thµnh ®¾t h¬n do sö dông nhiÒu kim lo¹i mµu h¬n, chÕ t¹o b¶o qu¶n cæ gãp phøc t¹p h¬n ... nh­ng do nh÷ng ­u ®iÓm cña nã mµ m¸y ®iÖn mét chiÒu vÉn kh«ng thÓ thiÕu trong nÒn s¶n xuÊt hiÖn ®¹i. ¦u ®iÓm cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu lµ cã thÓ dïng lµm ®éng c¬ ®iÖn hay m¸y ph¸t ®iÖn trong nh÷ng ®iÒu kiÖn lµm viÖc kh¸c nhau. Song ­u ®iÓm lín nhÊt cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu lµ ®iÒu chØnh tèc ®é vµ kh¶ n¨ng qu¸ t¶i. NÕu nh­ b¶n th©n ®éng c¬ kh«ng ®ång bé kh«ng thÓ ®¸p øng ®­îc hoÆc nÕu ®¸p øng ®­îc th× ph¶i chi phÝ c¸c thiÕt bÞ biÕn ®æi ®i kÌm (nh­ bé biÕn tÇn....) rÊt ®¾t tiÒn th× ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kh«ng nh÷ng cã thÓ ®iÒu chØnh réng vµ chÝnh x¸c mµ cÊu tróc m¹ch lùc, m¹ch ®iÒu khiÓn ®¬n gi¶n h¬n ®ång thêi l¹i ®¹t chÊt l­îng cao. Ngµy nay hiÖu suÊt cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu c«ng suÊt nhá kho¶ng 75% ¸ 85%, ë ®éng c¬ ®iÖn c«ng suÊt trung b×nh vµ lín kho¶ng 85% ¸ 94% .C«ng suÊt lín nhÊt cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu vµo kho¶ng 100000kw ®iÖn ¸p vµo kho¶ng vµi tr¨m cho ®Õn 1000v. H­íng ph¸t triÓn lµ c¶i tiÕn tÝnh n©ng vËt liÖu, n©ng cao chØ tiªu kinh tÕ cña ®éng c¬ vµ chÕ t¹o nh÷ng m¸y c«ng suÊt lín h¬n ®ã lµ c¶ mét vÊn ®Ò réng lín vµ phøc t¹p v× vËy víi vèn kiÕn thøc cßn h¹n hÑp cña m×nh trong ph¹m vi ®Ò tµi nµy em kh«ng thÓ ®Ò cËp nhiÒu vÊn ®Ò lín mµ chØ ®Ò cËp tíi vÊn ®Ò thiÕt kÕ bé b¨m xung mét chiÒu ®Ó ®iÒu chØnh tèc ®é cã ®¶o chiÒu cña ®éng c¬ mét chiÒu kÝch tõ ®éc lËp theo nguyªn t¾c ®èi xøng . §©y lµ mét trong nh÷ng ph­¬ng ph¸p ®­îc dïng phæ biÕn nhÊt hiÖn nay ®Ó ®iÒu chØnh ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kÝch tõ ®éc lËp víi yªu cÇu ®¶o chiÒu quay ®éng c¬ theo ph­¬ng ph¸p ®èi xøng .§©y lµ mét ph­¬ng ph¸p mang l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ cao vµ ®­îc sö dông réng r·i bëi nh÷ng tÝnh n¨ng vµ ®Æc ®iÓm næi bËt cña nã mµ chóng em sÏ ph©n tÝch vµ ®Ò cËp sau nµy. I.2 Tæng quan vÒ ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu. I.2.1) Giíi thiÖu mét sè lo¹i ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu Khi xem xÐt ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu còng nh­ m¸y ph¸t ®iÖn mét chiÒu ng­êi ta ph©n lo¹i theo c¸ch kÝch thÝch tõ c¸c ®éng c¬. Theo ®ã øng víi mçi c¸ch ta cã c¸c lo¹i ®éng c¬ ®iÖn lo¹i: - KÝch thÝch ®éc lËp: khi nguån mét chiÒu cã c«ng suÊt ko ®ñ lín, m¹ch ®iÖn phÇn øng vµ m¹ch kÝch tõ m¾c vµo hai nguån mét chiÒu ®éc lËp nhau nªn :I = I­. - KÝch thÝch song song: khi nguån mét chiÒu cã c«ng suÊt v« cïng lín vµ ®iÖn ¸p ko ®æi, m¹ch kÝch tõ ®­îc m¾c song song víi m¹ch phÇn øng nªn I = Iu +It - KÝch thÝch nèi tiÕp: cuén kÝch tõ m¾c nèi tiÕp víi cuén d©y phÇn øng cuén kÝch tõ cã tiÕt diÖn lín, ®iÖn trë nhá, sè vßng Ýt, chÕ t¹o dÔ dµng nªn ta cã I = I­ =It. - KÝch thÝch hçn hîp ta cã: I = Iu +It Víi mçi lo¹i ®éng c¬ trªn th× sÏ t­¬ng øng víi c¸c ®Æc tÝnh, ®Æc ®iÓm kü thuËt ®iÒu khiÓn vµ øng dông lµ t­¬ng ®èi kh¸c nhau phô thuéc vµo nhiÒu yÕu tè.Trong ®Ò tµi nµy ta chØ xÐt ®ªn ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kÝch tõ ®éc lËp vµ biÖn ph¸p h÷u hiÖu nhÊt ®Ó ®iÒu khiÓn lo¹i ®éng c¬ nµy. I.2.2 §éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kÝch tõ ®éc lËp +Ph­¬ng tr×nh ®Æc tÝnh c¬: lµ ph­¬ng tr×nh biÓu thÞ mèi quan hÖ gi÷a tèc ®é (n) vµ m«men (M) cña ®éng c¬ cã d¹ng chung Th«ng qua ph­¬ng tr×nh nµy, ta cã thÓ thÊy ®­îc sù phô thuéc cña tèc ®é ®éng c¬ vµo m«men ®éng c¬ vµ c¸c th«ng sè kh¸c (m«men, tõ th«ng...), tõ ®ã ®­a ra ph­¬ng ¸n ®Ó ®iÒu chØnh ®éng c¬ (tèc ®é) víi ph­¬ng ¸n tèi ­u nhÊt. Víi nh÷ng ®iÒu kiÖn U­ = const, It = const th× tõ th«ng cña ®éng c¬ hÇu nh­ kh«ng ®æi, v× vËy quan hÖ trªn lµ tuyÕn tÝnh vµ ®­êng ®Æc tÝnh c¬ cña ®éng c¬ lµ ®­êng th¼ng. Th­êng d¹ng cña ®Æc tÝnh lµ ®­êng th¼ng mµ giao ®iÓm víi trôc tung øng víi m«men ng¾n m¹ch cßn giao ®iÓm víi trôc tung øng víi tèc ®é kh«ng t¶i cña ®éng c¬ Ng­êi ta ®­a thªm ®¹i l­îng ®Ó ®¸nh gi¸ ®é cøng. §Æc tÝnh cµng dèc cµng cøng ( cµng lín) tøc lµ m«men biÕn ®æi nhiÒu nh­ng tèc ®é biÕn ®æi Ýt vµ ng­îc l¹i. §Æc tÝnh cµng Ýt dèc cµng mÒm tøc lµ m«men biÕn ®æi Ýt nh­ng tèc ®é biÕn ®æi nhiÒu thay ®æi. ω ωo M Mnm Mt ωt 0 §Ó hiÓu ®­îc nguyªn lý vµ lùa chän ph­¬ng ph¸p ®iÒu chØnh tèi ­u, tr­íc hÕt ta ®i xÐt ®Æc tÝnh cña ®éng c¬ ®iÖn. §ã lµ quan hÖ gi÷a tèc ®é quay víi m«men (hoÆc dßng ®iÖn) cña ®éng c¬. +§Æc tÝnh c¬ tù nhiªn cña ®éng c¬: nÕu ®éng c¬ vËn hµnh ë chÕ ®é ®Þnh møc (®iÖn ¸p, tÇn sè, tõ th«ng ®Þnh møc vµ kh«ng nèi thªm c¸c ®iÖn kh¸ng, ®iÖn trë vµo ®éng c¬). Trªn ®Æc tÝnh c¬ tù nhiªn ta cã c¸c ®iÓm lµm viÖc ®Þnh møc cã gi¸ trÞ M®m, w®m. +§Æc tÝnh c¬ nh©n t¹o cña ®éng c¬ lµ ®Æc tÝnh khi ta thay ®æi c¸c tham sè nguån ho¹c nèi thªm c¸c ®IÖn trë, ®iÖn kh¸ng. §Ó so s¸nh c¸c ®Æc tÝnh c¬ víi nhau, ng­êi ta ®­a ra kh¸i niÖm ®é cøng cña ®Æc tÝnh c¬: b=DM/Dw (tèc ®é biÕn thiªn m«men so víi vËn tèc). a) §Æc tÝnh c¬ cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kÝch tõ ®éc lËp S¬ ®å kÝch tõ ®éc lËp ®­îc thÓ hiÖn nh­ d­íi ®©y: Khi nguån mét chiÒu cã c«ng suÊt kh«ng ®ñ lín th× m¹ch ®iÖn phÇn øng vµ m¹ch kÝch tõ m¾c vµo hai nguån mét chiÒu ®éc lËp víi nhau: gäi lµ ®éng c¬ ®iÖn kÝch tõ ®éc lËp. Ph­¬ng tr×nh ®Æc tÝnh c¬ xuÊt ph¸t: +U­: ®iÖn ¸p phÇn øng. +E­: søc ®iÖn ®éng phÇn øng. +R­: ®iÖn trë m¹ch phÇn øng : R­=r­ +rcf +rb +rct +r­: ®iÖn trë cuén d©y phÇn øng. +rcf: ®iÖn trë cuén cùc tõ phô. +ri: ®iÖn trë cuén bï. +rct: ®iÖn trë tiÕp xóc cña chæi ®iÖn. +Rf: ®iÖn trë phô trong m¹ch phÇn øng. +I­: dßng ®iÖn m¹ch phÇn øng. +E­ ®­îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc sau: + p: sè ®«i cùc tõ chÝnh. + N: sè thanh dÉn t¸c dông cña cuén d©y phÇn øng. + A: sè ®«i m¹ch nh¸nh song song cña cuén d©y phÇn øng. +: tõ th«ng kÝch tõ d­íi mét cùc tõ. +w: tèc ®é gãc. Trong ®ã K lµ hÖ sè cÊu t¹o cña ®éng c¬. V× vËy Suy ra BiÓu thøc (*) lµ ph­¬ng tr×nh ®Æc tÝnh c¬ ®iÖn cña ®éng c¬. MÆt kh¸c m«men ®iÖn tõ cña ®éng c¬ ®­îc x¸c ®Þnh Suy ra Thay vµo (*) ta ®­îc NÕu bá qua c¸c tæn thÊt c¬ vµ thÐp th× m«men c¬ trªn trôc ®éng c¬ b»ng m«men ®iÖn tõ b»ng M. Ta cã §©y lµ ph­¬ng tr×nh ®Æc tÝnh c¬ cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kÝch tõ ®éc lËp. §å thÞ h×nh vÏ: ω ωo M Mnm Mt ωt 0 NhËn xÐt : + I­=0 hoÆc M=O ta cã §©y lµ tèc ®é kh«ng t¶i lý t­ëng cña ®éng c¬ +w = 0 th× : Dßng ®iÖn ng¾n m¹ch. : M«men ng¾n m¹ch. Tõ ®ã cã thÓ tèc ®é ®«ng c¬ ®iÖn mét chiÒu phô thuéc vµo c¸c ®¹i l­îng lµ: U­, R, I. Nh­ vËy th«ng qua c¸c ®¹i l­îng biÕn thiªn nµy mµ ta cã thÓ ®iÒu khiÓn ®­îc tèc ®é ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu. b) C¸c ph­¬ng ph¸p ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu §iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu lµ mét trong c¸c néi dung chÝnh cña truyÒn ®éng ®iÖn nh»m ®¸p øng c¸c yªu cÇu c«ng nghÖ nµo ®ã cña c¸c m¸y s¶n xuÊt.§iÒu chØnh tèc ®é lµ dïng ph­¬ng ph¸p thuÇn tuý ®iÖn t¸c ®éng lªn b¶n th©n hÖ thèng truyÒn ®éng ®iÖn ®Ó thay ®æi tèc ®é quay cña ®éng c¬ ®iÖn. Tèc ®é quay cña ®éng c¬ ®iÖn th­êng bÞ thay ®æi do sù biÕn thiªn cña t¶i ,cña nguån hay chÕ ®é lµm viÖc nh­ më m¸y ,h·m m¸y ...vµ do ®ã g©y ra c¸c sai sè so víi tèc ®é ,kÜ thuËt mong muèn ....Trong c¸c hÖ thèng truyÒn ®éng ®iÖn th­êng c¨n cø vµo mét sè chØ tiªu kinh tÕ ,kÜ thuËt c¬ b¶n ,c¸c chØ tiªu nµy ®­îc tÝnh khi thiÕt kÕ vµ ®iÒu chØnh ®éng c¬ ®iÖn Trong thùc tÕ cã 3 ph­¬ng ph¸p ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu + §iÒu chØnh ®iÖn ¸p cho phÇn øng ®éng c¬. + §iÒu chØnh b»ng c¸ch thay ®æi tõ th«ng phÇn øng hay thay ®æi ®iÖn ¸p phÇn øng cÊp cho m¹ch kÝch tõ. + §iÒu chØnh b»ng thay ®æi ®iÖn trë phô trªn m¹ch phÇn øng. b.1) Nguyªn lý ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p phÇn øng ChØ ¸p dông ®­îc víi ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kÝch thÝch ®éc lËp hoÆc song lµm viÖc ë chÕ ®é kÝch thÝch ®éc l©p. Lo¹i nµy cÇn cã thiÕt bÞ nguån nh­: m¸y ph¸t ®iÖn mét chiÒu kÝch tõ ®éc lËp, c¸c bé chØnh l­u ®iÒu khiÓn cã chøc n¨ng biÕn n¨ng l­îng ®iÖn xoay chiÒu thµnh mét chiÒu cã s®® Eb ®iÒu chØnh nhê tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn U®k. Ta cã ph­¬ng tr×nh V× tõ th«ng cña ®éng c¬ ®­îc gi÷ kh«ng ®æi nªn ®Æc tÝnh c¬ còng kh«ng ®æi. Tèc ®é kh«ng t¶i lÝ t­ëng tuú thuéc gi¸ trÞ U®k cña hÖ thèng. §å thÞ tuyÕn tÝnh do ®ã míi nãi ph­¬ng ph¸p nµy lµ triÖt ®Ó. §Ó x¸c ®Þnh d¶i ®iÒu chØnh tèc ®é. Chó ý: + Ph­¬ng ph¸p nµy cã tõ th«ng kh«ng ®æi nªn ®Æc tÝnh c¬ cã ®é cøng kh«ng ®æi + Tèc ®é kh«ng t¶i lý t­ëng tuú thuéc vµo gi¸ trÞ ®iÖn ¸p U®k cña hÖ thèng do ®ã cã thÓ nãi ph­¬ng ph¸p nµy ®iÒu khiÓn lµ triÖt ®Ó. + Gi¶i ®iÒu chØnh tèc ®é cña hÖ tthèng bÞ chÆn bëi ®Æc tÝnh c¬ b¶n lµ ®Æc tÝnh øng víi ®iÖn ¸p ®Þnh møc vµ tõ th«ng ®Þnh møc. Tèc ®é nhá nhÊt cña d¶i ®iÒu khiÓn bÞ giíi h¹n bëi yªu cÇu vÒ sai sè tèc ®é vµ m« men khëi ®éng. +Víi mét c¬ cÊu m¸y cô thÓ cã x¸c ®Þnh v× vËy ph¹m vi ®iÒu chØnh D phô thuéc tuyÕn tÝnh vµo gi¸ trÞ ®é cøng §Ó tho¶ m·n kh¶ n¨ng qu¸ t¶i th× ®Æc tÝnh thÊp nhÊt cña d¶i ®iÒu chØnh ph¶i cã m«n men ng¾n m¹ch lµ (KM: lµ hÕ sè m«men qu¸ t¶i). Hä ®Æc tÝnh c¬ lµ c¸c ®­êng th¼ng song song nªn ta cã Víi x¸c ®Þnh ë mçi m¸y. D phô thuéc tuyÕn tÝnh vµo b. Khi ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p phÇn øng ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu b»ng c¸c thiÕt bÞ nguån ®iÒu chØnh th× ®iÖn trë m¹ch phÇn øng gÊp kho¶ng 2 lÇn ®iÖn trë phÇn øng ®éng c¬ do ®ã cã thÓ tÝnh s¬ bé ®­îc: . Do ®ã ph¹m vi ®iÒu chØnh tèc ®é kh«ng v­ît qu¸ 10, VËy víi yªu cÇu cña ®Ó bµi ta sÏ ®iÒu chØnh d¶i ®iÖn ¸p ra trong d¶i ®iÒu chØnh ®· cho. §iÒu chØnh tèc ®é b»ng ph­¬ng ph¸p nµy rÊt thÝch hîp trong nh÷ng tr­êng hîp Mt=const trong toµn d¶i ®iÒu chØnh. b.2) §iÒu chØnh tõ th«ng ®éng c¬ §iÒu chØnh tõ th«ng kÝch thÝch ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu chÝnh lµ ®iÒu khiÓn m«men ®iÖn tõ cña ®éng c¬ ®iÖn . Do m¹ch kÝch tõ cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu lµ phi tuyÕn v× vËy hÖ ®iÒu chØnh tõ th«ng còng lµ phi tuyÕn. Tõ s¬ ®å trªn ta ®­îc rk: ®iÖn trë d©y quÊn phÇn øng. rb : ®iÖn trë nguån ®IÖn ¸p kÝch thÝch. : sè vßng d©y cuén kÝch tõ. Th­êng khi ®iÒu chØnh tõ th«ng th× ®iÖn ¸p phÇn øng b»ng U®m do ®ã c¸c ®Æc tÝnh c¬ thÊp nhÊt trong vïng ®iÒu khiÓn lµ tõ th«ng chÝnh lµ ®Æc tÝnh cã ®iÖn ¸p phÇn øng ®Þnh møc, tõ th«ng ®Þnh møc vµ gäi lµ ®Æc tÝnh c¬ b¶n (®«i khi lµ ®Æc tÝnh c¬ tù nhiªn). Tèc ®é lín nhÊt cña d¶i ®iÒu chØnh tõ th«ng bÞ h¹n chÕ bëi kh¶ n¨ng chuyÓn m¹ch cña cæ gãp ®iÖn. Khi gi¶m tõ th«ng dÉn ®Õn t¨ng vËn tèc gãc th× ®iÒu kiÖn chuyÓn m¹ch cña cæ gãp bÞ xÊu ®i mÆt kh¸c vÉn ph¶i b¶o ®¶m I cho phÐp. KÕt qu¶ lµ m«men cho phÐp trong ®éng c¬ gi¶m rÊt nhanh kÓ c¶ khi gi÷ nguyªn I th× momen c¬ còng gi¶m ®i rÊt nhanh. b.3) Thay ®æi ®iÖn trë phô Rf Tõ ph­¬ng tr×nh ®Æc tÝnh (*) (*) Thùc tÕ ngµy nay ng­êi ta kh«ng dïng ph­¬ng ph¸p nµy . V× ph­¬ng ph¸p nµy chØ cho phÐp ®iÒu chØnh tèc ®é quay trong vïng d­íi tèc ®é ®Þnh møc, vµ lu«n kÌm theo tæn hao n¨ng l­îng trªn ®iÖn trë phô, lµm gi¶m hiÖu suÊt cña ®éng c¬ ®iÖn. V× vËy ph­¬ng ph¸p nµy chØ ¸p dông ë ®éng c¬ ®iÖn cã c«ng suÊt nhá vµ thùc tÕ th­êng dïng ë ®éng c¬ ®iÖn trong cÇn trôc. c) KÕt luËn Ph­¬ng ph¸p ®iÒu chØnh tèc ®é b»ng c¸ch thay ®æi tõ th«ng cã nhiÒu h¹n chÕ so víi ph­¬ng ph¸p ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p phÇn øng ph­¬ng ph¸p thay ®æi tõ th«ng bÞ h¹n chÕ bëi c¸c ®iÒu kiÖn c¬ khÝ: ®ã chÝnh lµ ®iÒu kiÖn chuyÓn m¹ch cña cæ gãp ®iÖn. Cô thÓ ph­¬ng ph¸p ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p phÇn øng cã c¸c ­u ®iÓm h¬n nh­ sau 1 - HiÖu suÊt ®iÒu chØnh cao (ph­¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn lµ tuyÕn tÝnh, triÖt ®Ó) h¬n khi ta ding ph­¬ng ph¸p ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p phÇn øng nªn tæn hao c«ng suÊt ®iªï khiÓn nhá. 2 - ViÖc thay ®æi ®iÖn ¸p phÇn øng cô thÓ lµ lµm gi¶m U dÉn ®Õn m«men ng¾n m¹ch gi¶m, dßng ng¸n m¹ch gi¶m. §iÒu nµy rÊt cã ý nghÜa trong lóc khëi ®éng ®éng c¬. 3 - §é sôt tèc tuyÖt ®èi trªn toµn d¶i ®iÒu chØnh øng víi mét m«men ®iÒu chØnh x¸c ®Þnh lµ nh­ nhau nªn d¶i ®iÒu chØnh ®Òu, tr¬n, liªn tôc. Tuy vËy ph­¬ng ph¸p nµy ®ßi hái c«ng suÊt ®iÒu chØnh cao vµ ®ßi hái ph¶i cã nguån ¸p ®iÒu chØnh ®­îc xong nã lµ kh«ng ®¸ng kÓ so víi vai trß vµ ­u ®IÓm cña nã. VËy nªn ph­¬ng ph¸p nµy ®­îc sö dông réng r·i. 1.3 C¸c vÊn ®Ò kh¸c khi ®iÒu ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu. 1.3.1 C¸c gãc phÇn t­ lµm viÖc II:H·m II: §éng c¬ II: H·m II:§éng c¬ Pc=Mdω<0 Pc=Mdω>0 Pc=Mdω>0 Pc=Mdω<0 ω M Mc Mc Mc Mc Tr¹ng th¸i h·m vµ tr¹ng thaÝ ®éng c¬ ®­îc ph©n bè trªn ®Æc tÝnh c¬ ë gãc phÇn t­ t­¬ng øng víi chiÒu m«men vµ tèc ®é nh­ h×nh vÏ. + I, III: tr¹ng th¸i ®éng c¬ ( cïng chiÒu víi M). + II, IV: tr¹ng th¸i h·m ( ng­îc chiÒu víi M). C«ng suÊt c¬ Pc¬=M®. C«ng suÊt ®iÖn cña ®éng c¬ P®=Pc¬+P (P: tæn hao c«ng suÊt) 1.3.2 C¸c chÕ ®é lµm viÖc cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kÝch tõ ®éc lËp a) Khëi ®éng XuÊt ph¸t tõ ph­¬ng tr×nh ®Æ tÝnh c¬ cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu (*) Khi khëi ®éng nªn .ë ®éng c¬ c«ng suÊt trung b×nh vµ lín th× R­ th­êng cã gi¸ trÞ nhá nªn dßng ®iÖn khëi ®éng ban ®Çu (dßng ng¾n m¹ch) t­¬ng ®èi lín Víi gi¸ trÞ dßng lín, sÏ kh«ng cho phÐp vÒ mÆt chuyÓn m¹ch vµ ph¸t nãng cña ®éng c¬ còng nh­ sôt ¸p trªn l­íi ®IÖn.t¸c h¹i nµy cßn nghiªm träng h¬n ®èi víi nh÷ng hÖ thèng cÇn khëi ®éng (Khi h·m m¸y còng x¶y ra hiÖn t­îng t­¬ng tù). VËy qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬ còng ph¶i g¾n víi chÕ ®é khëi ®éng. Ph¶i ®¶m b¶o ®iÒu kiÖn tèi thiÓu DÔ ®i ®Õn mét nhËn xÐt lµ lùa chän ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn gi¶m ¸p phÇn øng lµ phï hîp h¬n c¶ v× khi khèng chÕ dßng ng¾n m¹ch o chÕ ®é khëi ®éng cßn h¹n chÕ ®­îc ®iÖn ¸p khëi ®«ng. Do ®iÒu khiÓn lµ lµm gi¶m ¸p. b) ChÕ ®é h·m. H·m lµ tr¹ng th¸i mµ ®éng c¬ sinh ra m«men quay ng­îc chiÒu tèc ®é quay, §éng c¬ ®iÖn mét chiÒu cã ba tr¹ng th¸i h·m: h·m t¸i sinh, h·m ng­îc, vµ h·m ®éng n¨ng. b.1) H·m t¸i sinh X¶y ra khi tèc ®é quay cña ®éng c¬ lín h¬n tèc ®é kh«ng t¶i lý t­ëng. Khi ®ã U­ > E­. §éng c¬ lµm viÖc nh­ mét m¸y ph¸t ®iÖn song song víi l­íi. So víi chÕ ®é ®éng c¬, dßng ®iÖn vµ m«men h·m ®· ®æi chiÒu x¸c ®Þnh theo biÓu thøc . TrÞ sè h·m sÏ lín dÇn cho ®Õn khi c©n b»ng víi m«men phô t¶i th× hÖ thèng lµm viÖc æn ®Þnh víi tèc ®é . V× s¬ ®å ®Êu d©y cña m¹ch ®éng c¬ kh«ng ®æi nªn ph­¬ng tr×nh ®Æc tÝnh c¬ t­¬ng tù nh­ng m«men cã gi¸ trÞ ©m. §­êng ®Æc tÝnh c¬ n»m trong gãc phÇn t­ thø hai vµ thø t­ (h×nh 2-14 tt®) Trong h·m t¸i sinh, dßng ®iÖn h·m ®æi chiÒu vµ c«ng suÊt ®­îc ®­a tr¶ vÒ l­íi ®iÖn cã gi¸ trÞ P = (E-U) I. §©y lµ ph­¬ng ph¸p h·m kinh tÕ nhÊt v× ®éng c¬ sinh n¨ng l­îng h÷u Ých. VÝ dô: c¬ cÊu n©ng h¹ cÇn trôc. Khi n©ng t¶i ®éng c¬ ®­îc ®Êu vµo nguån theo cùc tÝnh thuËn vµ lµm viÖc trªn ®Æc tÝnh c­ lµm trong gãc phÇn t­ thø nhÊt. Khi muèn h¹ t¶i ph¶i ®¶o chiÒu ®iÖn ¸p ®Æt vµo phÇn øng ®éng c¬. Lóc nµy nÕu m«men do träng t¶i g©y ra lín h¬n m«men ma s¸t trong c¸c bé phËn chuyÓn ®éng cña ®éng c¬ xh tr¹ng th¸i h·m t¸i sinh. Tèc ®é h¹ cÇn trôc t¨ng dÇn tíi b.2) H·m ng­îc X¶y ra khi phÇn øng d­íi t¸c dông cña ®éng n¨ng tÝch luü trong c¸c bé phËn chuyÓn ®éng hoÆc do thÐe n¨ng quay ng­îcchiÒu víi m« men ®iÖn tõ cña ®éng c¬, m«men cña ®éng c¬ khi ®ã chãng l¹i sù chuyÓn ®éng cña c¬ cÊu s¶n xuÊt. b.2.1) H·m ng­îc khi ®­a ®iÖn trë phô vµo m¹ch phÇn øng (t¨ng t¶i) §Æc tÝnh h·m ng­îc s®® t¸c dông cïng chiÒu víi ®iÖn ¸p l­íi, §éng c¬ lµm viÖc nh­ mét m¸y ph¸t nèi tiÕp víi l­íi ®iÖn, biÕn ®iÖn n¨ng nhËn tõ l­íi ®iÖn vµ c¬ n¨ng thµnh nhiÖt ®èt nãng ®iÖn trë tæng m¹ch phÇn øng, v× vËy tæn thÊt lín. b.2.2) §¶o chiÒu ®iÖn ¸p phÇn øng Dßng ®iÖn Ih ng­îc chiÒu víi chiÒu lµm viÖc cña ®äng c¬ vµ cã thÓ kh¸ lín Nªn rÊt nguy hiÓm ph¶i cã biÖn ph¸p h¹n chÕ dßng trong ph¹m vi cho phÐp: c) H·m ®éng n¨ng Lµ tr¹ng th¸i ®éng c¬ lµm viÖc nh­ mét m¸y ph¸t mµ n¨ng l­îng c¬ häc cña ®éng c¬ ®­îc tÝch luü ®­îc trong qu¸ tr×nh lµm viÖc tr­íc ®ã biÕn thµnh ®iÖn n¨ng tiªu t¸n d­íi d¹ng nhiÖt c.1) H·m ®éng n¨ng tô kÝch tõ ®éc lËp Khi ta c¾t phÇn øng ®éng c¬ khái l­íi ®iÖn mét chiÒu vµ ®ãng vµo mét ®iÖn trë h·m Chøng tá Ihdvµ Mhd ng­îc chiÒu víi tèc ®é ban ®Çu. N¨ng l­îng chñ yÕu ®­îc t¹o ra do ®éng n¨ng tiªu tèn chØ n»m trong m¹ch kÝch tõ. c.2) H·m ®éng n¨ng tù kÝch Nh­îc ®iÓm lµ nÕu mÊt ®iÖn th× kh«ng thùc hiÖn h·m ®­îc do cuén d©y kÝch tõ vÉn ph¶i nèi víi nguån.muèn kh¾c phôc ng­êi ta sö dông ph­êng ph¸p h·m ®éng n¨ng tù kÝch tõ. Nã x¶y ra khi ta c¾t c¶ phÇn øng lÉn cuén kÝch tõ ra khái l­íi ®iÖn khi ®«ng c¬ quay ®Ó ®ãng vµo mét ®iÖn trë h·m. Trong qu¸ tr×nh h·m tèc ®é gi¶m dÇn, dßng kÝch tõ gi¶m dÇn vµ do ®ã tõ th«ng gi¶m dÇn vµ lµ hµm tèc ®é v× vËy ®Æc tÝnh c¬ nh­ ®Æc tÝnh kh«ng t¶i cña m¸y ph¸t ®iÖn tù kÝch thÝch vµ phi tuyÕn.so víi ph­¬ng ph¸p h·m ng­îc. H·m ®éng n¨ng cã hiÖu qu¶ kÐm h¬n khi chóng cã cïng tèc ®é vµ m«men c¶n, tuy nhiªn h·m ®éng n¨ng ­u viÖt h¬n vÒ mÆt n¨ng l­îng ®Æc biÖt h·m ®éng n¨ng tù kÝch v× kh«ng tiªu thô n¨ng l­îng tõ l­íi. Sö dông ®­îc kÓ c¶ khi mÊt ®iÖn. 1.3.3 VÊn dÒ phô t¶i §Æc tÝnh cña phô t¶i còng lµ vÊn ®Ò cÇn ph¶i quan t©m khi ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu. Víi c¸c lo¹i kh¸c nhau ta sÏ chän ph­¬ng ph¸p phï hîp vµ tÝnh to¸n kh¸c nhau.cã thÓ ph©n ra thµnh 3 lo¹i c¬ b¶n theo sù thay ®æi cña m«men c¶n theo tèc ®é. Khi tèc ®é ®éng c¬ thay ®æi, m«men phô t¶i cã thÓ lµ + Kh«ng ®æi: thang m¸y... (1) + T¨ng: nh­ trong qu¹t giã, b¬m... + Gi¶m: c¸c c¬ cÊu m¸y cuèn d©y, cuèn giÊy, truyÒn ®éng quay trôc chÝnh m¸y c¾t gät kim lo¹i... 1 2 3 4 Ta th­êng mong muèn ®Æc tÝnh nµy lµ tuyÕn tÝnh (4) v× vÊn ®Ò thiÕt kÕ sÏ phøc t¹p lªn rÊt nhiÒu khi sù thay ®æi l¹i lµ phi tuyÕn ®Æc biÖt lµ khi t¶i biÕn ®æi. Nªn ë ®©y ta sÏ chØ xÐt tr­êng hîp phô t¶i cã m«men lµ h»ng sè trong toµn d¶i ®iÒu chØnh. Qua ph©n tÝch trªn ®©y, viÖc ®iÒu khiÓn ®iÖn ¸p phÇn øng ®­îc chän lµ phï hîp. gi¶i ph¸p mµ ng­êi ta th­êng dïng hiÖn nay lµ b¨m xung ¸p ®iÒu khiÓn dã ra b»ng bé b¨m xung ¸p mét chiÒu mµ ta sÏ ®Ò cËp ë vÊn ®Ò tiÕp theo. 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 víi c¸c ph­¬ng ph¸p thay ®æi ®iÖn ¸p mét chiÒu ®Ó ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ mét chiÒu nh­ ph­¬ng ph¸p ®iÒu chØnh b»ng biÕn trë, b»ng m¸y ph¸t mét chiÒu, b»ng bé biÕn ®æi cã kh©u trung gian xoay chiÒu, b»ng chØnh l­u cã ®iÒu khiÓn... th× ph­¬ng ph¸p dïng m¹ch b¨m xung cã nhiÒu ­u ®iÓm ®¸ng kÓ: ®iÒu chØnh tèc ®é vµ ®¶o chiÒu dÔ dµng, tiÕt kiÖm n¨ng l­îng, kinh tÕ vµ hiÖu qu¶ cao, ®ång thêi ®¶m b¶o ®­îc tr¹ng th¸i h·m t¸i sinh cña ®éng c¬. Cïng víi sù ph¸t triÓn vµ øng dông ngµy cµng réng r·i c¸c linh kiÖn b¸n dÉn c«ng suÊt lín ®· t¹o nªn c¸c m¹ch b¨m xung cã hiÖu suÊt cao, tæn thÊt nhá, ®é nh¹y cao, ®iÒu khiÓn tr¬n tru, chi phÝ b¶o tr× thÊp, kÝch th­íc nhá. M¹ch b¨m xung ®Æc biÖt thÝch hîp víi c¸c ®éng c¬ mét chiÒu c«ng suÊt nhá. 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. t t1 t2 T II.1.1 Ph­¬ng ph¸p thay ®æi ®é réng xung Néi dung cña ph­¬ng ph¸p nµy lµ thay ®æi t1, gi÷ nguyªn T. Gi¸ trÞ trung b×nh cña ®iÖn ¸p ra khi thay ®æi ®é réng lµ: Trong ®ã ®Æt: lµ hÖ sè lÊp ®Çy, cßn gäi lµ tØ sè chu kú. Nh­ vËy theo ph­¬ng ph¸p nµy th× d¶i ®iÒu chØnh cña Ura lµ réng (0 < e £ 1). II.1.2 Ph­¬ng ph¸p thay ®æi tÇn sè xung Néi dung cña ph­¬ng ph¸p nµy lµ thay ®æi T, cßn t1 = const. Khi ®ã: VËy Ud = U . Ngoµi ra cã thÓ phèi hîp c¶ hai ph­¬ng ph¸p trªn. Thùc tÕ ph­¬ng ph¸p biÕn ®æi ®é réng xung ®­îc dïng phæ biÕn h¬n v× ®¬n gi¶n h¬n, kh«ng cÇn thiÕt bÞ biÕn tÇn ®i kÌm. 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 thì cho tín hiệu điều khiển mở van, ngược lại khóa van. off on Ura II.2 Các sơ đồ băm xung: S¬ ®å nguyªn lý nh­ sau: PhÇn tö ®iÒu chØnh quy ­íc lµ kho¸ S (van bán dẫn điều khiển). §Æc ®iÓm cña s¬ ®å nµy lµ kho¸ S, cuén c¶m vµ t¶i m¾c nèi tiÕp. T¶i cã tÝnh chÊt c¶m kh¸ng hoÆc dung kh¸ng. Bé läc L & C. §i-«t m¾c ng­îc víi Ud ®Ó tho¸t dßng t¶i khi kho¸ K ng¾t. + S ®ãng Þ U ®­îc ®Æt vµo ®Çu cña bé läc. Lý t­ëng th× ud = U (nÕu bá qua sôt ¸p trªn c¸c van trong bé biÕn ®æi). + S më Þ hë m¹ch gi÷a nguån vµ t¶i, nh­ng vÉn cã dßng id do n¨ng l­îng tÝch luü trong cuén L vµ Lt¶i, dßng ch¹y qua D, do ®ã ud=0. Nh­ vËy, Ud £ U. T­¬ng øng ta cã bé biÕn ®æi h¹ ¸p. §Æc tÝnh truyÒn ®¹t: S¬ ®å nh­ sau: §Æc ®iÓm: L nèi tiÕp víi t¶i, kho¸ S m¾c song song víi t¶i. Cuén c¶m L kh«ng tham gia vµo qu