Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều
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) Iđm làm hỏng chổi than và cổ góp. Để giảm 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 :
Iưmở =U/(Rư+Rmở )
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 bộ
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 năng lượng cơ trong khi hãm người ta chia làm 3 trạng thái hãm:
a) Hãm tái sinh: 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
Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
5
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều
b) Hãm ngược: Năng 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 ngược : Đưa điện trở
vào mạch phần ứng và 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 tiết 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 đã trở
thành một cơ 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:
Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
6
U
1
U
2
U
3
TN( U
dm
)
n
0
n
cb
n
1
n
2
n
3
M
n
M
C
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
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:
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.
Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
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
7
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều
- 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 lại 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, ngoài ra nữa còn có thể thực
hiện chức năng mở lại máy (reset) và hãm tái sinh động cơ.
Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
8
Φ1
Φ
2
Φ
ñm
0 M
C
M
2
M
1
M
n
n
cb
n
1
n
2
n
M
φ
ñm
> φ
1
> φ
2
n
cb
< n
1
< n
2
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều
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.
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:
a) Phương pháp thay đổi độ rộng xung:
Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T ⇒ Giá trị trung bình của
điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:
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)
Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
BBĐ
một
chiều
U
S
U
ra
U
ra
t
t
1
t
2
T
9
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều
b) Phương pháp xung - tần:
Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t
1
=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.
Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phương pháp trên. 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) Chọn Mạch Lực
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 có thể chọn
mạch lực là bộ biến đổi xung áp hai nhịp . Sơ đồ hình vẽ:
Trong đó :V1,V2 là các van điều khiển hoàn toàn. D1,D2, là các diot.
Sơ đồ này cho phép động cơ làm việc ở góc phần tư thứ nhất ( chế độ động cơ) và
góc phần tư thứ hai ( chế độ hãm).
II.2.1) Nguyên lí hoạt động
Các van V1, V2 được đóng mở ngược pha với nhau trong chu kỳ T. Van V1
dẫn điện trong khoảng 0 ÷ t1 (V2 khoá), K2 dẫn điện trong khoảng t1 ÷ t2 (V1 khoá).
Van V1 và V2 được điều khiển bởi các tín hiệu điều khiển Ug1 và Ug2.
Trong quá trình làm việc có thể có ba trạng thái sau :
Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
10
Us
V2
D2
Đ/c
D1
+
-
V1
L
U
R
i
K2
i
K1
i
D1
i
t
i
D2
E
Đ
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều
Trạng thái 1: Nếu U
R
> E
Đ
, ( U = E.γ) năng lượng từ nguồn luôn được cấp cho động
cơ. Động cơ sẽ luôn làm việc ở góc phần tư thứ nhất (hình e).
Trong khoảng từ 0 ÷ t1 dòng điện sẽ đi từ nguồn qua V1 và qua động cơ : i
V1
=
i
t
= i
1
.
Trong khoảng từ t1 ÷ t3 dòng điện sẽ đi từ nguồn qua diot D2 và: i
D2
= i
t
.
Trạng thái 2 : Nếu U
R
< E
Đ
, dòng năng lượng sẽ đi từ động cơ trở về nguồn qua diot
D1 và động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh (hình f).
Trong khoảng từ 0 ÷ t1 dòng điện sẽ đi từ động cơ về nguồn qua D1 và qua :
i
D1
= i
t
= i
1
, động cơ hãm tái sinh.
Trong khoảng từ t1 ÷ t3 khi V2 mở, dòng tải khép mạch qua V2 và: i
V2
= i
t
,
động cơ thực hiện hãm động năng.
Trạng thái 3 : Nếu U
R
≈ E
Đ
, ở trạng thái này dòng tải có thể đảo dấu (Hình g).
Trong khoảng từ 0 ÷ to tương ứng với trạng thái U
R
< E
Đ
động cơ làm việc như
máy phát tra năng lượng về nguồn qua D1 và: i
D1
= i
t
= i
1
.
Trong khoảng từ to ÷ t1 tương ứng với trạng thái U
R
> E
Đ
, nguồn sẽ cấp năng
lượng cho động cơ thông qua V1
: i
K1
= i
t
.
Trong khoảng từ t1 ÷ t2, V2 mở (V1 khoá) dòng tải vẫn giữ nguyên theo chiều
cũ (trong mạch có điện cảm L) nên dòng tải khép mạch qua diot D2 và i
D2
= i
t
và sẽ
giảm về 0 tại thời điểm t2 (năng lượng tích trữ trong cuộn cảm L lúc này giảm về 0).
Trong khoảng từ t2 ÷ t3, sức điện động của động cơ sẽ làm cho dòng điện đảo
chiều và dòng tải sẽ đi qua V2 (động cơ làm việc ở chế độ hãm động năng).
II.2.2)Công thức tính toán :
- Giá trị trị trung bình điện áp trên tải :
UsUtb
γ
=
)
1
(
T
t
=
γ
- Giá trị dòng trung bình qua van V1 :
tK
II
γ
=
1
- Giá trị dòng trung bình qua diot D1:
tD
II
γ
=
1
- Giá trị dòng trung bình qua van V2:
tK
II )1(
2
γ
−=
- Giá trị dòng trung bình qua diot D2:
tD
II )1(
2
γ
−=
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các van: U
ng
= U
S
Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
11
U
g1
U
g2
i
i
V
u
D1
, u
D1
Đồ thị điện áp và dòng điện
U
S
U
R
U
tb
i
V
i
V1
i
D2
i
D1 i
V2
t
0
t
1
t
2
t
3
i
D1
i
V1
i
D2
i
V2
t
1
t
2
T
0
0
0
0
0
0
t
t
t
0
t
t
t
t
U
S
a)
b)
c)
e)
f)
g)
h)
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều
II.3)Tính toán mạch lực:
II.3.1) Chọn van V1,V2
Để đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của van V1, V2 trên sơ đồ thì các thiết bị
bán dẫn công suất sau có thể đáp ứng được: GTO, BJT, MOSFET, IGBT.
Đối với bộ băm xung một chiều dùng cho động cơ có điện áp định mức 12V dòng
điện 40A thì sử dụng van IGBT làm khóa đóng cắt là hợp lí.
- Để chọn van IGBT, ta cần tính toán I
C MAX
(dòng trung bình lớn nhất qua van)
và điện áp ngược lớn nhất U
CES
của van IGBT.
- Vì mỗi van IGBT đều có một diode nối ngược chiều nên nó không phải chịu
điện áp ngược. Các giá trị dòng áp lớn nhất sẽ đạt được khi mạch hoạt động ở các chế
độ khắc nghiệt nhất đối với từng van.
- Ta có dòng điện lớn nhất qua van là dòng định mức qua tải:
I
max
= I
tải
= 40 (A).
- Vậy I
chọn
= k
i
.I
max
= 4.40 = 160 (A) ,ở đây ta chọn k
i
= 4 (với điều kiện làm
mát tự nhiên).
- Chọn IGBT là loại GA200SA60U so nhà sản xuất IR có thông số sau:
Loại U
cemax
/(v) I
cmax
/(A) U
ce
(sat) /
(V)
P
dmax
/(W) I
ces
/µA
GA200SA60U 600 200 1,9 500 1000
II.3.2 Chọn Diot D1,D2:
- Chọn diot D1, D2 có điện áp ngược lớn hơn U
ngmax
= U
S
= 12(V), và có dòng
làm việc max lớn hơn hoặc bằng I
chọn
= k
i
.I
max
= 4.40 = 160A (với điều kiện làm mát
tự nhiên).
- Vậy chọn D1, D2 là loại B3-200do Đông Âu sản xuất:
Ký hiệu Ihd
(A)
Itb
(A)
Uo
(V)
Rđ
10
-5
Ω
Ungmax
( V )
RT
oC/W
I rò
(mA)
B3-200 320 200 1,1 110 600-3600 0,12 10
Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
12
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều
CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển
III.1) Chọn Các Khâu Trong Mạh Điều Khiển :
III.1.1) Mạch tạo điện áp răng cưa:
Mạch này có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa răng cưa với tần số theo ý muốn của
người thiết kế. Mạch này gồm mạch phát xung dao động dùng IC555 và mạch tạo
điện áp tựa răng cưa dùng BT.
Mạch như hình vẽ
Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
13
Tạo điện
áp răng
cưa
So
Sánh tạo
xung
Mạch chia,
mạch tạo trễ,
mạch khuếch
đại xung
Van động
lực
Tải
Phản
hồi
U
cđ
U
ph
U
đk
U
cc
U
3
R
4
T
3
T
2
R
3
R
R
R
OA2
R
S
T
C
1
R
2
R
1
T
1
OA1
C
2
1
6
7
8
4
3
2
IC 555
Q1
U
rc
Q
R
0
Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều
Đồ thị điện áp xung :
Nguyên lý :
Giả sử tại thời điểm t = 0, U
3
= U
cc
(điện áp đầu ra của vi mạch IC555), T
2
mở
làm cho T3 khoá, tụ C2 được nạp điện qua R4 tới điện áp
1
T
RC
U
U
CC
RC
=
.
Đồng thời tại thời điểm này, vì U
3
= U
cc
nên đầu ra Q của Triger RS có điện
áp 0 =>T1 khoá, tụ C1 được nạp điện qua R1 và R2,
)1(
)21(
1
CRR
t
ccc
eUU
+
−
−=
.
Đào Thị Hiện Lớp CH Tự Động Hóa- K 12
14
t
1
t
2
t
3
t
U
3
t
U
rc
T
T
1
T
2
Đồ thị điện áp xung
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét