Đang tải... (xem toàn văn)
Thiết kế bộ băm xung áp cho động cơ ôtô một chiều
Đồ án môn học Điện tử công suất Nội dung : Thiết kế bộ băm xung áp cho động cơ ôtô một chiều với các thông số sau: + P = 1 kW. + U = 48 VDC. + n = 1000 v/ph. Giáo viên hướng dẫn: T.S Dương Văn Nghi. Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Tuấn Nghĩa. Trần Bình Dương. Nguyễn Công Chiến. Nguyễn Hữu Nam. 1 LỜI NÓI ĐẦU Trong giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại hoá nền kinh tế đất nước, ngày càng có nhiều thiết bị bán dẫn công suất hiện đại được sử dụng rộng rãi trong trong tất cả các lĩnh vực sản xuất, phục vụ đời sống con người. Đặc biệt trong lĩnh vực điều chỉnh tự động sử dụng van bán dẫn. Trong các lĩnh vực điều chỉnh tự động nói chung cũng như trong lĩnh vực giao thông nói riêng việc đòi hỏi cần có các bộ điều chỉnh nhằm tiết kiệm năng lượng ngày càng được đòi hỏi và thay thế . Bên cạnh đó trong lĩnh vực giao thông việc sử dụng các động cơ xăng,diezen ngày càng có xu hướng giảm vì các nhược điểm như: Tiêu hao nhiều năng lượng, ô nhiễm môi trường . Đồng thời với các thành tựu của khoa học kỹ thuật thì việc chế tạo các động cơ điện ngày càng được hoàn thiện . Song song với sự phát triển đó là sự đòi hỏi phải có bộ điều khiển các loại động cơ đó với chất lượng tốt nhất, thoả mãn các yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật nhằm sử dụng và thay thế các động cơ cũ. Bộ băm xung áp một chiều sử dụng van bán dẫn trong tương lai đáp ứng được nhu cầu cần thiết về bộ điều khiển điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. Nội dung của đồ án: + Chương I: Khái quát công nghệ. + Chương II: Giới thiệu một số mạch băm xung áp ứng dụng trong điều khiển động cơ một chiều. + Chương III: Thiết kế mạch lực. + Chương IV: Thiết kế mạch điều khiển. 2 Mặc dù rất cố gắng trong việc thiết kế nhưng do kiến thức có hạn nên không thể tránh khỏi một số hạn chế nhất định, mong các thầy đóng góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện hơn. Để hoàn thành đồ án này chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy DƯƠNG VĂN NGHI . Nhóm sinh viên thực hiện. 3 CHƯƠNG I KHÁI QUÁT CÔNG NGHỆ 1. Vai trò & ứng dụng của động cơ điện trong lĩnh vực giao thông. Vấn đề ứng dụng của động cơ điện nói chung trong truyền động điện sản xuất cũng như ở đầu máy kéo là được sử dụng rộng rãi. Hiện nay trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống, thì động cơ KĐB là loại động cơ được sử dụng rộng rãi nhờ tính kinh tế, dễ chế tạo, chi phí vận hành bảo dưỡng sửa chữa thấp . Tuy nhiên, trong một số lĩnh vực nhất định đòi hỏi yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ, về khả năng quá tải, thì bản thân động cơ KĐB không thể đáp ứng được hoặc nếu thực hiện được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần .) rất đắt tiền. Vì vậy, động cơ điện một chiều hiện tại vẫn là loại động cơ không thể thay thế được trong những lĩnh vực nói trên. Ứng dụng phổ biến của động cơ điện một chiều hiện nay trong các nghành sản xuất như hầm mỏ, khai thác quặng, máy xúc và đặc biệt là trong các đầu máy kéo tải ở lĩnh vực giao thông. Đó là nhờ hai đặc điểm quan trọng ưu việt của nó là : • Khả năng điều chỉnh tốc độ tốt • Khả năng quá tải tốt. Đặc biệt ở loại động cơ kích thích nối tiếp và hỗn hợp. Ngoài hai đặc tính cơ bản trên, thì cầu trúc mạch lực và mạch điều khiển động cơ điện một chiều đơn giản hơn nhiều so với động cơ KĐB, đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao hơn trong dải điều chỉnh rộng. Thực tế là ở các nước phát triển, việc dùng động cơ điện thay thế cho các loại động cơ điêzen hoặc xăng là phổ biến. Đó cũng là xu thế chung đối với toàn thế giới trong tương lai. Một mặt là vì có nguồn điện rộng rãi; tiến bộ nhảy vọt 4 về công nghệ bán dẫn cho phép chế tạo được nhiều bộ biến đổi điện năng gọn nhẹ, khả năng giới hạn dòng áp cao & tin cậy hơn. Mặt khác, là động cơ điện không gây ô nhiễm môi trường như các loại động cơ khác, đồng thời cho hiệu suất cao. Đây là một trong những đặc điểm quan trọng đưa đến việc đưa động cơ điện vào giao thông ngày càng rộng rãi hơn. Trong thực tế, ở các nước phát triển như Mỹ, Đức, Pháp, TQ . đa số hệ thống đường sắt dùng động cơ điện kéo đầu máy đều được cung cấp bằng điện áp một chiều qua đường dây trên không hoặc đường ray thứ ba. Đối với hệ thống đường sắt trong thành phố có đặc điểm là khoảng cách ngắn, mật độ giao thông cao thì việc dùng trực tiếp hệ thống đường dây một chiều là thích hợp. Nhưng đối với trường hợp khoảng cách xa hơn, như giữa các thành phố với nhau, thì việc dụng hệ thống một chiều là không kinh tế. Trong trường hợp này người ta lấy tư lưới điện xoay chiều một pha có tần số 50Hz ÷ 60Hz và có điện áp khoảng 25kV sau đó qua hạ áp cấp vào bộ chỉnh lưu được nguồn một chiều. Thông thường cấp điện áp của hệ thống tầu kéo đường sắt trong thành phố dùng điện một chiều từ 600 ÷ 700V (với TH đường ray thứ ba) hoặc 1500V (với TH đường dây trên không). Trong cả hai trường hợp trên thì người ta tạo dòng một chiều bằng cách chỉnh lưu từ lưới điện xoay chiều với hệ số đập mạch là 12 để có chất lượng cao. Đối với ôtô điện người ta cũng lấy từ đường dây trên không nếu công suất động cơ truyền tải lớn. Hiện nay, trong một số loại động cơ kéo tải giao thông có công suất nhỏ, thì người ta dùng nguồn ac-quy kèm theo bộ biến đổi gọn nhẹ thuận tiện cho tính linh hoạt trong vận tải. Nhưng nhược điểm rất rõ của loại dùng nguồn ac-quy là chỉ chạy được quãng đường ngắn, điều này gây bất tiện cho ngưới sử dụng. Vì vậy loại này chỉ khả dụng trong trường hợp công nghệ chế tạo ac-quy tiến bộ hơn nữa và thực tế loại dùng nguồn truyền tải hiện nay vẫn là chủ yếu trong truyền động giao thông. 5 Trong khuôn khổ đồ án này với đề tài thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều trong ôtô, nên để làm rõ tính quan trọng của động cơ một chiều trong lĩnh vực này trước hết ta phân tích rõ đặc thù của truyền động trong lĩnh vực giao thông. 2. Phân tích đặc thù về truyền động trong giao thông. Có thể nêu ra đặc điểm quan trọng về truyền động trong lĩnh vực giao thông là: + Yêu cầu cao trong việc điều chỉnh tốc độ; bao gồm những yêu cầu về dải điều chỉnh rộng, độ trơn điều chỉnh, điều chỉnh phải êm, khởi động động cơ nhanh. + Yêu cầu cao về khả năng quá tải, vì tải kéo của đầu máy là không cố định Ngoài ra, truyền động trong giao thông còn đòi hỏi cao về độ an toàn khi vận hành. Muốn vậy việc thiết kế phải đảm bảo đưa ra được một sơ đồ điều khiển đơn giản tin cậy, dễ thao tác trong vận hành điều khiển động cơ ô - tô. Vì thực tế trong lĩnh vực giao thông còn đòi hỏi truyền động có đảo chiều, nên việc thiết kế cũng chú trọng đến vấn đề đảo chiều quay động cơ. Thực chất của việc điều khiển ô-tô cũng như đầu máy kéo là việc điều khiển động cơ kéo tải. Vì vậy, trước tiên ta đi giới thiệu một vài đặc tính cơ bản của các loại động cơ điện một chiều, rồi từ đó đưa ra quyết định chọn loại động cơ thích hợp cho truyền động trong lĩnh vực đang đề cập tới. 3. Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều. a. Động cơ điện kích thích độc lập hoặc song song. Phương trình đặc tính cơ: Biểu thị quan hệ giữa tốc độ (n)và mômen (M) 6 ω ω 0 M M đm M K RR K U fu u . )( 2 Φ + − Φ = ω Với những điều kiện U=const, I t =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. Do R ư rất nhỏ, nên khi tải thay đổi từ không đến định mức thì tốc độ giảm rất ít cho nên đặc tính cơ của động cơ điện kích thích song song rất cứng. Với đặc điểm như vậy, động cơ điện kích thích song song được dùng trong những trường hợp tốc độ hầu như không đổi khi tải thay đổi. b. Động cơ điện kích thích nối tiếp. Ở động cơ điện kích thích nối tiếp, dòng điện kích thích chính là dòng điện phần ứng : I t = I ư =I. Vậy trong phạm vi khá rộng có thể biểu thị: Φ=K Φ .I trong đó hệ số tỷ lệ K Φ chỉ là hằng số trong vùng I <0,8I đm ; còn khi I >(0,8 ÷ 0,9)I đm thì hơi giảm xuống do hiện tượng bão hoà mạch từ. Như vậy, biểu thức đặc tính cơ có dạng: M=C M .Φ.I ư =C M . Φ Φ K 2 ⇒ Φ Φ −= KC R MKCe UC n e u M . . nếu bỏ qua R ư thì: M U n = hay: M= 2 2 n U 7 ω * M * M đm Như vậy khi mạch từ chưa bão hoà, đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp có dạng là đường hypebol bậc hai. Ta thấy, ở động cơ một chiều kích thích nối tiếp, tốc độ quay n giảm rất nhanh khi M tăng. Và khi mất tải (M=0, I=0) thì n có trị số rất lớn. Vì vậy thường chỉ cho phép động cơ làm việc với tải tối thiều P 2 =(0,2 ÷ 0,25)P đm . Từ dạng đặc tính cơ ta cũng có nhận xét là đặc tính cơ của động cơ kích thích nối tiếp rất mềm ⇒ động cơ nối tiếp rất ưu việt trong những nơi cần mở máy nặng nề và cần tốc độ thay đổi trong một vùng rộng. c. Động cơ điện kích thích hỗn hợp: Loại này được chế tạo gồm hai cuộn dây nối tiếp và song song. Tác dụng của dây quấn kích thích song song và nối tiếp bù nhau hoặc ngược nhau. Trên thực tế người ta chỉ sử dụng loại kích thích hỗn hợp bù vì động cơ ngược không đảm bảo được điều kiện làm việc ổn định. Động cơ kích thích hỗn hợp bù có đặc tính cơ mang tính chất trung gian giữa hai loại kích thich song song và nối tiếp. Khi tải tăng thì từ thông tăng, do đó đặc tính cơ của động cơ kích thích hỗn hợp bù mềm hơn so với đặc tính cơ của động cơ kích thích song song. Tuy nhiên mức độ tăng của từ thông không mạnh như ở động cơ kích thích nối tiếp cho nên đặc tính cơ của động cơ điện kích thích hỗn hợp bù cứng hơn so với đặc tính cơ của động cơ kích thích nối tiếp. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp được điều chỉnh như ở trường hợp động cơ kích thích song song; dù rằng về nguyên tắc có thể áp dụng những phương pháp điều chỉnh tốc độ dùng cho động cơ kích thích nối tiếp. 8 Từ những tính chất của từng loại động cơ như đã trình bày ở trên, so sánh với đặc tính tải và những yêu cầu của truyền động trong lĩnh vực giao thông ta thấy rằng loại động cơ kích thích nối tiếp và kích thích hỗn hợp kiều bù là đáp ứng được những yêu cầu về truyền động. Ta có thể nêu ưu điểm của hai loại động cơ này so với động cơ kích thích độc lập hoặc song song đứng trên quan điểm xét sự phù hợp với đặc tính tải: + Đặc tính cơ mềm và độ cứng thay đổi theo phụ tải. Điều này rất thích hợp trong giao thông có yêu cầu tốc độ thay đổi theo tải. + Có khả năng quá tải lớn về mômen và khả năng khởi động tốt hơn. Nhờ vậy cho phép làm việc ở môi trường kéo tải nặng nề. + Vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng phần ứng I ư nên khả năng chịu tải của động cơ không chịu ảnh hưởng của sụt áp lưới điện nên rất thích hợp cho những truyền động dùng trong nghành giao thông có đường dây cung cấp điện đi kèm theo tải. Thực tế trong lĩnh vực này động cơ kích thích nối tiếp được sử dụng. Tuy nhiên người ta cũng dùng cả động cơ kích thích hỗn hợp vì nó cho phép thực hiện hãm tái sinh năng lượng mà vẫn đảm bảo tốt các yêu cầu truyền động. 4. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kéo tải trong giao thông có thể dùng phương pháp điện kết hợp cả phương pháp cơ qua cơ cấu bánh răng để tăng dải điều chỉnh. Điều chỉnh bằng phương pháp điện càng tốt bao nhiêu càng giảm độ phức tạp & cồng kềnh của cơ cấu cơ khí bấy nhiêu. Thực tế tồn tại hai phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều: 9 Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ; tức là thay đổi U ư . Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ ; tức là thay đổi từ thông Φ. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Φ có thể thay đổi được liên tục & giữ được hiệu suất của động cơ là không đổi vì sự điều chỉnh dựa trên việc tác dụng lên mạch kích thích có công suất nhỏ so với công suất động cơ. Nhưng do bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức, ứng với kích thích tối đa (Φ=Φ đm =Φ max ), nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông; tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ & giới hạn điều chỉnh tốc độ bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và đảo chiều quay nên phương pháp này không thích hợp trong trường hợp động cơ kéo tải giao thông. Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay dưới tốc độ định mức vì không thể nâng cao điện áp lên trên U đm của động cơ. Phương pháp này cho phép điều chỉnh triệt để vì có những ưu điểm sau: + Hiệu suất điều chỉnh cao. + Không có tổn hao trong máy điện khi điều chỉnh. + Việc thay đổi điện áp phần ứng, cụ thể là giảm U ư ⇒ mômen ngắn mạch M nm giảm, dòng ngắn mạch I nm giảm; điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động động cơ. + Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là như nhau. + Điều chỉnh trơn trong toàn bộ giải điều chỉnh. Tuy vậy, phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao, và đòi hỏi phải có nguồn điện áp điều chỉnh được. 10 [...]... vậy mà biến đổi được điện áp một chiều không đổi E thành các xung điện áp một chiều U tb có trị số có thể điều chỉnh được Điện áp Utb này đặt vào phần ứng động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ ô tô Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp thì 0 . Việc thiết kế chi tiết xin dành cho các mục dưới đây. 13 CHƯƠNG II BỘ BĂM XUNG ÁP MỘT CHIỀU Như đã giới thiệu ở chương trước, bộ băm xung áp một chiều. các động cơ cũ. Bộ băm xung áp một chiều sử dụng van bán dẫn trong tương lai áp ứng được nhu cầu cần thiết về bộ điều khiển điều chỉnh tốc độ động cơ