Tải bản đầy đủ

Xung áp một chiều điều khiển động cơ 220 VDC

Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử

Mục lục
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ............................................................................3

1.1. Lời nói đầu...............................................................................................................3

1.2. Kế hoạch thực hiện đồ án.........................................................................................4

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN............................................................5
CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU.................................6

2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động động cơ điện 1 chiều............................................6
2.1.1 Cấu tạo...............................................................................................6
2.1.2 Nguyên lý làm việc............................................................................8

2.2 Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều...........................................8

2.3 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập......................................9
2.3.1 Phương trình đặc tính cơ....................................................................9

2.3.2 Ảnh hưởng của các thông số tới tốc độ động cơ..............................10

2.4 Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐCĐ một chiều kích từ độc lập............................11
2.4.1 Khái niệm chung..............................................................................11
2.4.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng.................12
2.4.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông................................13
2.4.4 Thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng......................................14

2.5 Kết luận...................................................................................................................16
CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU BỘ BĂM XUNG ĐIỆN ÁP 1 CHIỀU...............17

3.1 Đặt vấn đề...............................................................................................................17

3.2 Nguyên lí chung của bộ biến đổi xung áp 1 chiều..................................................17
3.2.1 Phương pháp thay đổi độ rộng xung................................................19
3.2.2 Phương pháp thay đổi tần số xung..................................................19
3.2.3 Kết luận............................................................................................19

3.3 Các dạng băm xung cơ bản.....................................................................................20
3.3.1 Xung áp đảo dòng lớp B..................................................................20
3.3.2 Xung áp đảo áp lớp B......................................................................21
3.3.3 Xung áp song song...........................................................................21
3.3.4 Xung áp nối tiếp...............................................................................23

3.4 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM............................................................25
Trang 1


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử
3.4.1 Giới thiệu về phương pháp PWM....................................................25
3.4.2 Nguyên lý của phương pháp PWM..................................................27
3.4.3 Các cách để tạo ra được PWM để điều khiển..................................28
3.4.4 Một vài ứng dụng nổi bật của PWM................................................30
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH....................................................................33

4.1 Sơ đồ khối...............................................................................................................33

4.2 Mạch lực.................................................................................................................33
4.2.1 Sơ đồ nguyên lý...............................................................................33


4.2.2 Tính chọn thiết bị.............................................................................34

4.3. Mạch điều khiển.....................................................................................................36
4.3.1 Khâu tạo dao động và tạo điện áp răng cưa.....................................36
4.3.2 Khâu so sánh điện áp.......................................................................38

4.4 Khối nguồn..............................................................................................................39

4.5 Nguyên lý hoat động của toàn mạch.......................................................................40
CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO MẠCH....................................................................41

5.1 Sơ đồ toàn mạch......................................................................................................41

5.2 Sơ đồ Board mạch...................................................................................................42

5.3 Phương hướng phát triển của đề tài........................................................................42
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.........................................................................43
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................44

Trang 2


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. Lời nói đầu
Điện tử công suất và truyền động điện là một môn học hay và lý thú, cuốn hút
được nhiều sinh viên theo đuổi. Chúng em muốn được tiếp cận và hiểu sâu
hơn nữa bộ môn điện tử công suất và truyền động điện.Vì vậy, đồ án môn học
chế tạo sản phẩm là điều kiện tốt giúp chúng em kiểm chứng được lý thuyết
đã được học.Trong đồ án điện tử công suất lần này, chúng em đã được nhận
đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mạch xung áp điều khiển tốc độ động
cơ một chiều Uđm=220V , Pđm=200W, Iđm= 1 A, n=2000 vòng/phút ”. Sau thời
gian nghiên cứu, chúng em đã chế tạo thành công bộ điều khiển điện áp đáp
ứng được cơ bản yêu cầu của đề tài.
Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, chúng em đã gặp một số vướng mắc về
lý thuyết và khó khăn trong việc thi công sản phẩm. Tuy nhiên, chúng em đã
nhận được sự giải đáp và hướng dẫn kịp thời của cô giáo "Nguyễn Phương
Thảo", sự góp ý kiến của các bạn sinh viên trong lớp. Được như vậy chúng
em xin chân thành cảm ơn và mong muốn nhận được nhiều hơn nữa sự giúp
đỡ, chỉ bảo của thầy cô giáo và bạn trong các đồ án sau này.
Do kiến thức hạn chế nên trong quá trình thực hiện đồ án chúng em không thể
tránh khỏi sai sót, mong quý thầy cô trong hội đồng bảo vệ bỏ qua và có
những đóng góp ý kiến để chúng em có thể hoàn thiện đồ án của mình tốt hơn
nữa.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Trang 3


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử
1.2. Kế hoạch thực hiện đồ án
ST

Tuần

Công việc thực hiện

Người thực hiện

T
1

1

-Nhận đồ án.

Cả nhóm

- Đưa ra ý tưởng thục hiện.
2

3

2

3+4

- Phân chia công việc.
- Tìm hiểu động cơ điện 1 chiều và

Huân

sơ đồ mạch lực của mạch điều khiển.
- Tìm kiếm linh kiện liên quan đến

Huy

đồ án.
- Đưa ra cơ sở lí thuyết của đồ án.

Cả nhóm

- Xây dựng sơ đồ khối.
- Lựa chọn mạch lực, mạch điều
4
5
6
7

5+6

khiển.
- Thiết kế sơ đồ nguyên lí.

Cả nhóm

7

- Tính chọn thông số.
- Ráp mạch, khảo sát trên panel.

Cả nhóm

8

- Đo đạc, kiểm tra tín hiệu.
- Tiến hành làm sản phẩm.

Cả nhóm

9

- Lắp ráp
- Chuẩn bị nội dung làm bản lí

Cả nhóm

thuyết.
- Chuẩn bị bảo vệ

Cả nhóm

Trang 4


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
..................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................

Ngày

Tháng

Năm

CHỮ KÝ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU

Hình 2.1: động cơ điện 1 chiều

Trang 5


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động động cơ điện 1 chiều
2.1.1 Cấu tạo
Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và phần
động.
- Phần tĩnh hay stato hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra
từ trường nó gồm có:
+) Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ được kích
từ bằng nam châm điện), mạch từ được làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc).
Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện
từ, các cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau.
+) Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây
quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép
kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Trong động
cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các
bulông. 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, tẩm sơn cách điện trước
khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này
được nối tiếp với nhau
+) Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính. Lõi thép của cực từ
phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà
cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy
nhờ những bulông.
+) Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ
máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại,
trong máy điện lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ
dùng gang làm vỏ máy.
+) Các bộ phận khác:
Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn
và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp
máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường
làm bằng gang.
Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than
bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp.
Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi
than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau khi
điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại.
- Phần quay hay rôto: Bao gồm những bộ phận chính sau.

Trang 6


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử
+) Phần sinh ra sức điện động gồm có: Mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ
(lá thép kĩ thuật) xếp lại với nhau. Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn
phần ứng.
Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một qui luật nhất
định. Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với
các phiến đồng gọi là phiến góp, các phiến góp đó được ghép cách điện với
nhau và cách điện với trục gọi là cổ góp hay vành góp. Tỳ trên cổ góp là cặp
trổi than làm bằng than graphit và được ghép sát vào thành cổ góp nhờ lò xo.
+) Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật
điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao
do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép
lại thì đặt dây quấn vào. Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn
dập những lỗ thông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ
thông gió dọc trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia
thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở
thông gió. Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và
lõi sắt. Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp
vào trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá
rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto.
+) Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện
động và có dòng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm bằng dây
đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài Kw thường
dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết
diện chữ nhật, dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. Để
tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt
hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakelit.
+) Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau
bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn. Hai đầu
trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn
cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu
dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng
2.1.2 Nguyên lý làm việc

Trang 7


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử
Hình 2.2:
Pha 1: Từ trường của
rotor cùng cực với
stator, sẽ đẩy nhau tạo
ra chuyển động quay
của rotor

Hình 2.3:
Pha 2: Rotor tiếp tục
quay

Hình 2.4:
Pha 3: Bộ phận chỉnh
điện sẽ đổi cực sao cho
từ trường giữa stator
và rotor cùng dấu, trở
lại pha 1

Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện. Các thanh
dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay,
chiều của lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái. Khi phần ứng quay
được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau. Do có phiếu góp chiều
dòng điện dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi. Khi quay,
các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động chiều của suất
điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều sđđ
ngược chiều dòng điện Iư nên được gọi là sức phản điện động. Khi đó ta có
phương trình:
2.2 Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều
- Phân 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 thích từ các
động cơ. Theo đó ta có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng:
+) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được
cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ.
+) Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc
song song với phần ứng.
+) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối
tếp với phần ứng.
+) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ, một
cuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng.
- Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều 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 và công suất lớn, dễ vận hành... mà máy
điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến.
Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định trong công
nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ
quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn,
đầu máy điện...). Mặc dù so với động cơ không đồng bộ 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 những ưu điểm của nó
mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại.

Trang 8


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử
+) Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện 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 không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp
ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần....) rất
đắt tiền thì động cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và
chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại
đạt chất lượng cao.
+) Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ góp chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường
rung chấn, dễ cháy nổ.
2.3 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập
Đặc tính cơ là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen (M) của động cơ.
Ứng với chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông...) động cơ vận hành ở chế
độ định mức với đặc tính cơ tự nhiên ( , ).
Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các thông số
nguồn hay nối thêm điện trở phụ, điện kháng vào động cơ.
Để đánh giá, so sánh các đặc tính cơ người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc
tính cơ được tính như sau
-

lớn (đặc tính cơ cứng) tốc độ thay đổi ít khi M thay đổi
nhỏ (đặc tính cơ mềm) tốc độ giảm nhiều khi M tăng, đặc tính cơ tuyệt đối
cứng.
2.3.1 Phương trình đặc tính cơ
Trường hợp :
(1)
Trong đó:
(2)
: hệ số sức điện động của động cơ
: số mạch nhánh song song của cuộn dây
: hệ số cấu tạo của động cơ
: tốc độ góc tính bằng rad/s
: số đôi cực chính
: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
Thế (2) vào (1) ta có: (3)
Hoặc:
(4)
Phương trình (4) biểu diễn mối quan hệ n= f(Iư) gọi là phương trình đặc tính
cơ điện.
Trang 9


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử
Mặt khác: M= M= K.Ф.(5) :là mômen điện từ của động cơ.
Suy ra: :là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập.
Hoặc:
 0 : tốc độ không tải lý tưởng
trong đó:
 : độ sụt tốc độ
2.3.2 Ảnh hưởng của các thông số tới tốc độ động cơ
Từ phương trình đặc tính cơ: ta nhận thấy muốn thay đổi tốc độ ta có thể
thay đổi  , Rf , U.
a. Trường hợp Rf thay đổi (Uư= Uđm= const; Ф= Фđm= const):
Độ cứng đặc tính cơ: giảm. Nếu R f càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm
đồng thời dòng ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm. Cho nên người
ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng và điều chỉnh tốc độ
động cơ ở phía dưới tốc độ cơ bản.
b. Trường hợp thay đổi U< Uđm
Tốc độ không tải

U
K giảm trong khi độ cứng đặc tính cơ

0 

Khi thay đổi điện áp ta thu được 1 họ các đường đặc tính song song. Phương
pháp này được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng khởi
động.
c. Ảnh hưởng của từ thông:
Muốn thay đổi  ta thay đổi dòng kích từ Ikt khi đó tốc độ không tải tăng. Độ
cứng đặc tính cơ: giảm.
2.4 Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐCĐ một chiều kích từ độc lập
2.4.1 Khái niệm chung
a. Định nghĩa:
Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các
thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi
từ thông… Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới
phù hợp với yêu cầu.
Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:
Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển
tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản suất.
Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính phức
tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh. Vì vậy, ta khảo sát sự
điều chỉnh tốc độ theo phương pháp thứ hai.

Trang 10


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử
Ngoài ra cần phân biệt điều chỉnh tốc độ với sự tự động thay đổi tốc độ khi
phụ tải thay đổi của động cơ điện.
Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt
hơn so với các loại động cơ khác. Không những nó có khả năng điều chỉnh
tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn,
đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dãy điều chỉnh tốc độ rộng.
b. Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ:
Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn cứ
vào các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền động
điện:
- Hướng điều chỉnh tốc độ:
Hướng điều chỉnh tốc độ là ta có thể điều chỉnh để có được tốc độ lớn hơn
hay bé hơn so với tốc độ cơ bản là tốc độ làm việc của động cơ điện trên
đường đặc tính cơ tự nhiên.
- Phạm vi điều chỉnh tốc độ (dãy điều chỉnh):
Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất nmax và tốc độ bé
nhất nmin mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức:
D = nmax/nmin
Trong đó:
- nmax: Được giới hạn bởi độ bền cơ học.
- nmin: Được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ, thông thường
người ta chọn nmin làm đơn vị.
Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào yêu cầu của từng
hệ thống, khả năng từng phương pháp điều chỉnh.
- Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ:
Độ cứng: = M/n. Khi càng lớn tức M càng lớn và n nhỏ nghĩa là độ ổn định
tốc độ càng lớn khi phụ tải thay đổi nhiều. Phương pháp điều chỉnh tốc độ tốt
nhất là phương pháp mà giữ nguyên hoặc nâng cao độ cứng của đường đặc
tính cơ. Hay nói cách khác càng lớn thì càng tốt.
-Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ:
Hệ thống truyền động điện có chất lượng cao là một hệ thống có hiệu suất làm
việc của động cơ là cao nhất khi tổn hao năng lượng Pphụ ở mức thấp nhất.
-Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ:
Hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền động điện có tính kinh tế cao nhất là một
hệ thống điều chỉnh phải thỏa mãn tối đa các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống.
Đồng thời hệ thống phải có giá thành thấp nhất, chi phí bảo quản vận hành
thấp nhất, sử dụng thiết bị phổ thông nhất và các thiết bị máy móc có thể lắp
ráp lẫn cho nhau.

Trang 11


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử
2.4.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
Đối với các máy điện một chiều, khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnh
điện áp trên mạch phần ứng thì dòng điện, moment sẽ không thay đổi. Để
tránh những biến động lớn về gia tốc và lực động trong hệ điều chỉnh nên
phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần
ứng thường được áp dụng cho động cơ một chiều kích từ độc lập.
Để điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta dùng các bộ nguồn điều
áp như: máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ…
Các bộ biến đổi trên dùng để biến dòng xoay chiều của lưới điện thành dòng
một chiều và điều chỉnh giá trị sức điện động của nó cho phù hợp theo yêu
cầu.
Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
Ta có tốc độ không tải lý tưởng:
Độ cứng của đường đặc tính cơ:
Khi thay đổi điện áp đặt lên phần ứng của động cơ thì tốc độ không tải lý
tưởng
sẽ thay đổi nhưng độ cứng của đường đặc tính cơ thì không thay đổi.
Như vậy: Khi ta thay đổi điện áp thì độ cứng của đường đặc tính cơ không
thay đổi. Họ đặc tính cơ là những đường thẳng song song với đường đặc tính
cơ tự nhiên:
(v/p)

(Nm)
0
Hình 2.4.2: Họ đặc tính cơ

Trang 12


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử
2.4.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

Hình 2.4.3a Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh
moment điện từ của động cơ M = KM  Iư và sức điện động quay của động cơ
Eư = KE  n. Thông thường, khi thay đổi từ thông thì điện áp phần ứng được
giữ nguyên giá trị định mức.
Đối với các máy điện nhỏ và đôi khi cả các máy điện công suất trung bình,
người ta thường sử dụng các biến trở đặt trong mạch kích từ để thay đổi từ
thông do tổn hao công suất nhỏ. Đối với các máy điện công suất lớn thì dùng
các bộ biến đổi đặc biệt như: máy phát, khuếch đại máy điện, khuếch đại từ,
bộ biến đổi van…
Thực chất của phương pháp này là giảm từ thông. Nếu tăng từ thông thì dòng
điện kích từ Ikt sẽ tăng dần đến khi hư cuộn dây kích từ. Do đó, để điều chỉnh
tốc độ chỉ có thể giảm dòng kích từ tức là giảm nhỏ từ thông so với định mức.
U
Ta thấy lúc này tốc độ tăng lên khi từ thông giảm: n = K E .

Mặt khác ta có: Moment ngắn mạch Mn = KM  In nên khi  giảm sẽ làm cho
Mn giảm theo.
Độ cứng của đường đặc tính cơ:
Khi  giảm thì độ cứng cũng giảm, đặc tính cơ sẽ dốc hơn. Nên ta có họ
đường đặc tính cơ khi thay đổi từ thông như sau:

Trang 13


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử

Hình 2.4.3b Độ cứng của đường đặc tính cơ
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều chỉnh
được tốc độ vô cấp và cho ra những tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản.
Theo lý thuyết thì từ thông có thể giảm gần bằng 0, nghĩa là tốc độ tăng đến
vô cùng. Nhưng trên thực tế động cơ chỉ làm việc với tốc độ lớn nhất:
nmax = 3.ncb tức phạm vi điều chỉnh:
Bởi vì ứng với mỗi động cơ ta có một tốc độ lớn nhất cho phép. Khi điều
chỉnh tốc độ tùy thuộc vào điều kiện cơ khí, điều kiện cổ góp động cơ không
thể đổi chiều dòng điện và chịu được hồ quang điện. Do đó, động cơ không
được làm việc quá tốc độ cho phép.
Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể
điều chỉnh tốc độ vô cấp và cho những tốc độ lớn hơn ncb. Phương pháp này
được dùng để điều chỉnh tốc độ cho các máy mài vạn năng hoặc là máy bào
giường. Do quá trình điều chỉnh tốc độ được thực hiện trên mạch kích từ nên
tổn thất năng lượng ít, mang tính kinh tế.
2.4.4 Thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch
phần ứng có thể được dùng cho tất cả động cơ điện một chiều. Trong phương
pháp này điện trở phụ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng của động cơ theo
sơ đồ nguyên lý như sau:
Ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
Khi thay đổi giá trị điện trở phụ R f ta nhận thấy tốc độ không tải lý tưởng: và
độ cứng của đường đặc tính cơ:

Trang 14


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử
Sẽ thay đổi khi giá trị Rf thay đổi. Khi Rf càng lớn, càng nhỏ nghĩa là đường
đặc tính cơ càng dốc. Ứng với giá trị R f = 0 ta có độ cứng của đường đặc tính
cơ tự nhiên được tính theo công thức sau:
Ta nhận thấy có giá trị lớn nhất nên đường đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng
lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có đóng điện trở phụ trên mạch phần
ứng.
Nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần
ứng được giải thích như sau:Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với tốc độ
n1 ta đóng thêm Rf vào mạch phần ứng. Khi đó dòng điện phần ứng Iư đột ngột
giảm xuống, còn tốc độ động cơ do quán tính nên chưa kịp biến đổi. Dòng Iư
giảm làm cho moment động cơ giảm theo và tốc độ giảm xuống, sau đó làm
việc xác lập tại tốc độ n2 với n2 > n1Phương pháp điều chỉnh tốc độ này chỉ có
thể điều chỉnh tốc độ n < ncb. Trên thực tế không thể dùng biến trở để điều
chỉnh nên phương pháp này sẽ cho những tốc độ nhảy cấp tức độ bằng phẳng
xa 1 tức n1 cách xa n2, n2 cách xa n3…
Khi giá trị càng tiến gần đến 0 thì phạm vi điều chỉnh:
Trong thực tế, Rf càng lớn thì tổn thất năng lượng phụ tăng. Khi động cơ làm
việc ở tốc độ n = ncb/2 thì tổn thất này chiếm từ 40% đến 50%. Cho nên, để
đảm bảo tính kinh tế cho hệ thống ta chỉ điều chỉnh sao cho phạm vi điều
chỉnh:
Khi giá trị Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm. Đồng thời dòng điện
ngắn mạch In và moment ngắn mạch Mn cũng giảm. Do đó, phương pháp này
được dùng để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản. Và
tuyệt đối không được dùng cho các động cơ của máy cắt kim loại.
Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ
trên mạch phần ứng chỉ cho những tốc độ nhảy cấp và nhỏ hơn ncb.
Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cho
cần trục, thang máy, máy nâng, máy xúc, máy cán thép.
Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở phụ đóng vào
càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độ khi
phụ tải thay đổi càng kém. Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng
thấp thì tổn hao phụ càng tăng.
2.5 Kết luận
Lựa chọn phương pháp Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần
ứng do phương pháp này đơn giản và mang tính kinh tế

Trang 15


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử

Trang 16


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử
CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU BỘ BĂM XUNG ĐIỆN ÁP 1 CHIỀU
3.1 Đặt vấn đề
Các bộ biến đổi điện áp một chiều dùng để biến đổi điện áp hiệu dụng đặt lên
tải. Nguyên lý của bộ biến đổi này là dùng các phần tử van bán dẫn nối tải với
nguồn trong một khoảng thời gian t 1 rồi lại cắt đi trong một khoảng thời gian
t0 theo một chu kỳ lặp lại T. Bằng cách thay đổi độ rộng của t 1 hay t0 trong
khoảng T ta thay đổi được giá trị điện áp trung bình ra trên tải. Nguyên lý này
có ưu điểm là điều chỉnh điện áp ra trong một phạm vi rộng và vô cấp, hiệu
suất cao vì tổn thất trên các phân tử điện tử công suất rất nhỏ.
Phân loại: Có nhiều cách phân loại các bộ biến đổi xung áp môt chiều, tuỳ
thuộc vào cách mắc khoá điện từ song song hay nối tiếp mà người ta chia các
bộ biến đổi xung áp thành nối tiếp hay song song. Cũng có thể phân biệt bộ
biến đổi tuỳ thuộc vào điện áp ra, ví dụ như bộ biến đổi xung áp có bộ biến
đổi xung áp có điện áp ra nhỏ hơn điện áp vào, còn bộ biến đổi xung áp có bộ
biến đổi xung áp có điện áp ra lớn hơn điện áp vào.Tuỳ thuộc vào dấu điện áp
mà người ta chia ra: bộ biến đổi xung áp không đảo chiềuhoặc bộ biến đổi
xung áp có đảo chiều.
3.2 Nguyên lí chung của bộ biến đổi xung áp 1 chiều

Hình 3.2a Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung

Trang 17


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử
BXDC có chức năng biến đổi điện áp một chiều, nó có ưu điểm là có thể thay
đổi điện áp trong một phạm vi rộng mà hiệu suất của bộ biến đổi cao vỡ tổn
thất của bộ biến đổi chủ yếu trên các phần tử đóng cắt rất nhỏ.
So với các phương pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độ động
cơ một chiều như phương pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát một
chiều, bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lưu có điều
khiển... thì phương pháp dùng mạch băm xung có nhiều ưu điểm đáng kể:
điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm năng lượng, kinh tế và hiệu
quả cao, đồng thời đảm bảo được trạng thái hãm tái sinh của động cơ. Cùng
với sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi các linh kiện bán dẫn công
suất lớn đã tạo nên các mạch băm xung có hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độ nhạy
cao, điều khiển trơn tru, chi phí bảo trì thấp, kích thước nhỏ. Mạch băm xung
đặc biệt thích hợp với các động cơ một chiều công suất nhỏ.
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.
*Nguyên lý: Nguyên lý chung là biến đổi giá trị của điện áp một chiều ở các
mức khác nhau.

Hình 3.2b Sơ đồ

Hình 3.2c Dạng sóng

Trang 18


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử
3.2.1 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:

Ud 

t1.U
 .U
T

Trong đó đặt: 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 <   1)
3.2.2 Phương pháp thay đổi tần số xung
Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1 = const. Khi đó:

Ud 

t1
.U  t1.f .U
T

Vậy Ud = U khi và Ud = 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.
3.2.3 Kết luận
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 2 kHz đến 200 kHz. Khi Ucontrol > Ust
thì cho tín hiệu điều khiển mở van, ngược lại khóa van.

Trang 19


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử
3.3 Các dạng băm xung cơ bản
Dựa vào cách mắc khoá xung, các bộ lọc và nguồn cấp mà có các dạng sơ đồ:
3.3.1 Xung áp đảo dòng lớp B
Sơ đồ nguyên lý

Hình 3.3.1 Sơ đồ nguyên lý xung áp đảo dòng lớp B
Tải là phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập đã được thay bởi mạch
tương đương R-L-E.
*Nguyên lý hoạt động.
Chế độ động cơ:
Trong khoảng 0 ≤ t ≤ , động cơ được nối nguồn qua , điện áp đặt lên động cơ
là U.
Trong khoảng ≤ t ≤T , S1 ngắt, động cơ được nối ngắn mạch qua D 2 , điện áp
đặt lên động cơ là 0.
Chế độ hãm tái sinh:
Trong khoảng 0 �t �T , S2 ngắt, động cơ được nối nguồn qua D1 , điện áp
đặt lên động cơ là U.
Trong khoảng T �t �T , S2 dẫn, động cơ được nối ngắn mạch qua S2 , điện
áp đặt lên động cơ là 0.
Khi S1 mở dòng điện từ nguồn chảy qua S 1 qua tải và trở về âm nguồn . Khi
S1 khoá dòng tải được ngắn mạch qua điod D 1 đảm bảo dòng tải là liên tục
Trang 20


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử
ngay cả khi S1 khoá Để đảo chiều dòng điện phần ứng động cơ (dòng i d) ta
cho S2 và D2 vào vận hành còn S1 ngắt. Khi đó ,do quán tính động cơ vẫn
quay theo chiều cũ mặc dù bị ngắt ra khỏi nguồn  E > 0. Lúc này mạch tải
chỉ có nguồn duy nhất E ngắn mạch qua S 2 xuất hiện dòng điện chạy ngược
lại chiều ban đầu .Công suất điện từ của động cơ là: Pđt= Id.E > 0.
Công suất lúc này được tích luỹ trong cuộn cảm L. Khi S 2 ngắt, trên điện cảm
L sinh ra sức điện động tự cảm (UL) cùng chiều với E.Tổng hai sức điện
động này lớn hơn điện áp nguồn U S làm D2 dẫn ngược dòng về nguồn và trả
lại phần năng lượng đã tích luỹ trong cuộn cảm L.
Để đảm bảo S2 dẫn dòng điện ngược ngay khi dòng thuận qua D 1 tắt ta phát
xung vào mở S2 đồng thời với việc phát xung khoá S1.
3.3.2 Xung áp đảo áp lớp B

S1
U
S

D
1

C
S4

S2
L1

id
D
4

R

E

ud

S3

D
2

D
3

Hình 3.3.2 Sơ đồ nguyên lý xung áp đảo áp lớp B
S1,S2,S3,S4 là cá van điều khiển hoàn toàn. Trong sơ đồ này cho phép điều
chỉnh và đảo chiều quay của động cơ một cách linh hoạt, đặc tính làm việc cả
ở 4 góc phần tư. Tuy nhiên, điều khiển các van sẽ rất phức tạp, ở đây ta chỉ
nêu ra sơ đồ chứ không nghiên cứu sâu.
3.3.3 Xung áp song song
Sơ đồ nguyên lý:

Trang 21


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử

UD

Hình 3.3.3a Sơ đồ nguyên lý xung áp song song
Đặc điểm của sơ đồ này là L mắc nối tiếp với tải, khoá K mắc song song với
tải. Cuộn cảm L không tham gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C
đóng vai trò này.
+ k đóng: dòng điện từ +Uqua LS-U. Khi đó D tắt vì trên tụ có U c (đã được
tích điện từ trước đó).
+ k ngắt: dòng điện từ +Uqua L DTải-U. Vì từ thông trong cuộn cảm L
không giảm tức thời về không do đó trong L xuất hiện suất điện động tự cảm
eL= , có cùng cực tính với U. Do đó tổng điện áp: U d = U+eL. Như vậy ta có
bộ biến đổi tăng áp.
Đặc tính của bộ biến đổi này là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U ở chế độ liên
tục và năng lượng truyền tải dưới dạng xung nhọn.
Đặc tính truyền đạt: WI =

Trang 22


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử

Hình 3.3.3b Sơ đồ biểu diễn dạng sóng của điện áp ngõ ra, dòng Ic và It
3.3.4 Xung áp nối tiếp
Sơ đồ nguyên lý:
Is
It
Ut
ID1

Hình 3.3.4a Sơ đồ nguyên lý xung áp nối tiếp
Phần tử điều chỉnh quy ước là khoá K (thực tế là Tiristor hoặc Transistor).
Đặc điểm của sơ đồ này là khoá K, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp. Tải có tính
chất cảm hoặc dung kháng. Bộ lọc L-C, Diode D mắc ngược U d có tác dụng
thoát để thoát dòng tải khi khoá K ngắt.
Trang 23


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử
+ K đóng: Us được đặt vào đầu của bộ lọc. Lý tưởng thì Utải=Us (nếu bỏ qua
sụt áp trên các van).
+ K mở: Hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng điện i tải do năng
lượng tích luỹ trong cuộn cảm L và Ltải , dòng chạy qua D do đó Ura= Utải.
Như vậy, Utải tb Us. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.
Đặc tính truyền đạt: WI = = .

Hình 3.3.4a Đồ thị điện áp, dòng điện ở chế độ liên tục
Khi K đóng, điện áp trên tải là các xung áp chữ nhật, có bề rộng của xung là
Tđ và khoảng cách các xung là Tc. Thay đổi bề rộng Tđ của xung hoặc khoảng
cách các xung thì điện áp trung bình trên tải sẽ thay đổi

Trang 24


Trường ĐHSPKT Hưng yên
Khoa Điện – Điện tử
Dòng điện của tải phụ thuộc vào tính chất của tải và ở chế độ quá độ nó biến
đổi theo quy luật hàm số mũ. Trong giai đoạn xác lập dòng điện tải có dạng
xung răng cưa, dao động quanh các giá trị Imax và Imin
T=Tc+Tđ là chu kỳ đóng cắt
là tỷ số đóng cắt trong 2 chu kỳ
Điện áp trung bình trên tải là
Kết luận: trong đồ án này chúng em sử dụng xung áp nối tiếp do mạch điều
khiển tốc độ động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu bằng cách tăng giảm điện
áp đặt vào động cơ thay đổi từ 0V - 220V. Do đó chúng em dùng xung áp nối
tiếp để có thể hạ áp dòng từ 220V xuống 0V và để dòng điện chạy vào động
cơ không vượt quá 220V có thể gây ra quá tải, hỏng động cơ.
3.4 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM
3.4.1 Giới thiệu về phương pháp PWM
Phương pháp điều chế PWM có tên tiếng anh là Pulse Width Modulation là
phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều
chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay đổi
điện áp ra.
Sử dụng PWM điều khiển nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa nó còn
được dùng để điều khiển ổn định tốc độ động cơ. Ngoài lĩnh vực điều khiển
hay ổn định tải thì PWM nó còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như
là : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha... PWM chúng ta còn gặp nhiều
trong thực tế và các mạch điện điều khiển. Điều đặc biệt là PWM chuyên
dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặc tính là tuyến
tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định.
Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của
sườn dương hoặc là sườn âm.

Trang 25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×