Mục lục 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 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. Do đó là một đề tài hay nên trong sau khi học xong môn Điện tử công suất và truyền động điện, chúng em đã được Th.s Lê Thị Minh Tâm– giảng viên khoa Điện – Điện tử trường ĐHSPKT Hưng Yên, giao cho chúng em đề tài “Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển tốc độ DC’’ Chúng em xin chân thành cảm ơn! 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1. Đặt vấn đề Cùng với sự tiến bộ của văn minh nhân loại, chúng ta đã chứng kiến thấy sự phát triển rầm rộ kể cả về quy mô lẫn trình độ của nền sản xuất hiện đại. Trong sự phát triển đó ta cũng có thể chỉ ra rằng điện năng và máy tiêu thụ điện năng đóng vai trò không thể thiếu được nếu không muốn nói là chủ chốt. Nó đi trước làm tiền đề và 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 công nghiệp nào không sử dụng điện và máy điện. Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải ,cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản, dễ vận hành mà máy điện xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện vẫn giữ một vị trí quan trọng trong các ngành sản xuất công nghiệp nặng như trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung là các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng, có công xuất lớn (như trong máy cán thép, đầu máy điện, máy công cụ lớn ). Mặc dù so với động cơ xoay chiều 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 ưu điểm của nó mà động cơ 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 hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản thân động cơ điện xoay không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp được thì cũng phải tốn chi phí cho các thiết bị đi kèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động 2 cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển còn 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 công suất trung bình và lớn là khoảng 85%94%. Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 100MW, điện áp vào khoảng vài trăn 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 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 đề cập nhiều vấn đề lớn mà chỉ đề cập tới vấn đề thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ có đảo chiều của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Phương pháp được chọn ở đây là bộ băm xung, có thể đây chưa là phương pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất nhưng nó được sử dụng rộng rãi bởi những tính năng và đặc điểm mà ta sẽ phân tích và đề cập sau này. 1.2. Các phương pháp điều khiển động cơ một chiều 1.2.1. 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 từ của động cơ. Theo đó ta có các loại động cơ điện : - Kích từ độc lập: Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn, mạch điện phần ứng và phần kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên: I=I ư - Kích từ song song: Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi, mạch kích từ được mắc song song với mạch điện phần ứng nên: I= I ư + I kt - Kích từ nối tiếp: Cuộn kích từ được mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng, cuộn kích từ có tiết diện lớn hơn, điện trở nhỏ hơn, số vòng ít chế tạo dễ dàng, ta có: I=I ư = I kt - Kích từ hỗn hợp: ta có I = I ư +I kt 3            Với mỗi loại động cơ trên tương ứng có các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật, điều khiển và ứng dụng là tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều nhân tố, ở đề tài này ta chỉ xét đến động cơ điện một chiều kích từ độc lập và biện pháp hữu hiệu để điều khiển loại động cơ này. 1.2.2. Động cơ điện kích từ độc lập * Phương trình đặc tính cơ: là phương trình biểu thị mối quan hệ giữ tốc độ (ω) và mômen (M) của động cơ có dạng chung: 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 ( từ thông, điện trở phụ ), từ đó đưa ra phương án tối ưu để điều chỉnh tốc độ động cơ. Với những điều kiện U ư = const, I kt = const thì từ thông của động cơ gần như không đổi, vì vậy quan hệ trên là tuyến tính và đường đặc tính cơ của cộng cơ là thẳng. Thường dạng của đường đặc tính cơ mà là đường thẳng thì giao điểm với trục hoành ứng với điểm mômen ngắn mạch, còn giao điểm với trục tung ứng với điểm tốc độ không tải lý tưởng của động cơ. Người ta đưa ra đại lượng để đánh giá độ cứng của đường đặc tính cơ. Đặc tính càng dốc càng cứng (β càng lớn) tức 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 thay đổi nhiều. 4 Để hiểu được nguyên lý và lựa chọn phương pháp điều chỉnh tối ưu, trước hết ta đi xét đặc tính cơ cua động cơ điện. Đó là mối quan hệ giữa tốc độ quay với mômen (hoặc dòng điện ) của động cơ. Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, nếu động vận hành ở chế độ định mức (điện áp, dòng điện, từ thông định mức, và không nối thêm các điện trở, điẹn kháng vào động cơ ). Trên đường đặc tính cơ tự nhiên ta có điểm làm việc định mức có giá trị (M đm ;ω đm ) hoặc (I đm ;ω đm ). Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số nguồn hoặc nối thêm các điện trở, điện kháng. Để so sánh các đặc tính cơ với nhau người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ (tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc ). a. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Sơ đồ kích từ độc lập: Khi nguồn điện 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 nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập. Dựa vào sơ đồ trên có thể viết được cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau: U ư = E ư + ( R ư + R f )I ư Trong đó: • U ư : điện áp phần ứng (V) • E ư : sức điện động phần ứng (V) 5 • R ư : điện trở phần ứng (Ω) • R f : điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω) • I ư : dòng điện phần ứng (A) Với R ư = r ư + r ct + r i + r cf ; • r ư : điện trở cuộn dây phần ứng • r ct : điện trở tiếp xúc của chổi than • r i : điện trở cuộn bù • r cf : điện trở cuộn cực từ phụ Sức điện động E ư được xác định bằng biểu thức: E ư = = KΦω Trong đó: 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 (Wb) ω: tốc độ góc (rad/s) K = : hệ số cấu tạo của động cơ Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (v/p) thì : E ư = K e Φn ; và ω = Vì vậy : E ư = K e = Suy ra: (*) Biểu thức (*) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện. Mặt khác mômen điện từ của động cơ được xác định bởi : M đt =KΦI ư Suy ra: Thay vào (*) ta được: Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất về thép thì mômen trên trục động cơ (M) bằng mômen điện từ : M đt =M cơ =M. Ta có: (**) Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. 6             Đường đặc tính cơ có dạng: Từ các đồ thị trên ta có nhận xét: Khi I ư =0 hoặc M=0 thì: : Tốc độ không tải lý tưởng Còn khi ω=0 ta có: =I nm : Dòng điện ngắn mạch Và: M=KΦI nm =M nm : Mômen ngắn mạch Mặt khác từ phương trình đặc tính cơ (*)và (**) ta cũng có thể viết được: ; Trong đó: R=R ư +R f ; ; :Gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M. Từ đó có thể thấy tốc độ động cơ điện một chiều phụ thuộc vào các đại lượng là U ư , R, I. Như vậy thông qua các đại lượng này thay đổi ta có thể điều chỉnh tốc độ của động cơđiện một chiều. 7 b. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. Điều chỉnh tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động điện nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ nào đó của các máy sản xuất. Điều chỉnh tốc độ là dùng phương pháp thuần túy điện tác động lên bản thân hệ thống truyền động điện để thay đổi tốc độ quay của động cơ điện. Tốc độ làm việc của động cơ điện thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn hay chế độ làm việc mở máy hay hãm máy và do đó gây ra sai số với tốc độ kỹ thuật như mong muốn. Trong các hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cơ bản các chỉ tiêu này cũng được tính đến khi thiết kế hoặc điều chỉnh động cơ điện .Thực tế có ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều: + Điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ. + Điều chỉnh bằng cách thay đổi từ thông phần ứng hay thay đổi điện áp phần ứng cấp cho mạch kích từ. + Điều chỉnh bằng thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng. • Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng Chỉ áp dụng được với động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc song song làm việc ở chế độ kích thích độc lập.loại này cần có thiết bị nguồn như: máy phát điện một chiều cho bộ kích từ,các bộ chỉnh lưu điều khiển có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động E b điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển U đk . 8 Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập Ta có phương trình : E b – E u = I u (R b +R ud ) Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển U đk của hệ thống. Đồ thị là tuyến tính, do đó phương pháp này là triệt để xác định dải điều chỉnh tốc độ: • Phương pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng không đổi. • Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào giá trị điện áp U đk của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp này điều khiển là triệt để. • Dải điều chỉnh tốc độ của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp định mức và từ thông định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều khiển bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi động. Khi mômen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là: Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là: 9 Trong đó K M là hệ số quá tải về mômen.Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết: D = Với xác định ở mỗi máy, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng β. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ điện một chiều bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng 2 lần điện trở phần ứng động cơ. Do đó có thể tính sơ bộ được: Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ động cơ không vượt quá 10 khi tải có đặc tính mômen không đổi. • Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ 10 [...]... thỏi ng c c phõn b trờn c tớnh c cỏc gúc phn t tng ng vi chiu mụmen v tc nh hỡnh v I, III: trng thỏi ng c ( cựng chiu vi mụmen M ) II, IV: trng thỏi hóm ( ngc chiu vi mụmen M) II: hãm I: động cơ Mc Pc=Md0 Mc 0 Pc=Md>0 M IV: hãm Mc 4 Pc=Md . Yên, giao cho chúng em đề tài “Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển tốc độ DC’’ Chúng em xin chân thành cảm ơn! 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1. Đặt vấn đề Cùng với sự tiến. thuật, điều khiển và ứng dụng là tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều nhân tố, ở đề tài này ta chỉ xét đến động cơ điện một chiều kích từ độc lập và biện pháp hữu hiệu để điều khiển loại động. được sự phụ thuộc của tốc độ động cơ vào mômen động cơ và các thông số khác ( từ thông, điện trở phụ ), từ đó đưa ra phương án tối ưu để điều chỉnh tốc độ động cơ. Với những điều kiện U ư = const,