Đồ án Thiết kế mạch băm xung một chiều để điều khiển động cơ điện một chiều

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

 

doc71 trang | Chia sẻ: maiphuongdc | Ngày: 30/11/2013 | Lượt xem: 3147 | Lượt tải: 9download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Đồ án Thiết kế mạch băm xung một chiều để điều khiển động cơ điện một chiều, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
®©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¸ tr×nh läc gîn sãng mµ chØ cã tô C ®ãng vai trß nµy. + S ®ãng, dßng ®iÖn tõ +U qua L ® S ® -U. Khi ®ã D t¾t v× trªn tô cã UC (®· ®­îc tÝch ®iÖn tr­íc ®ã). + S ng¾t, dßng ®iÖn ch¹y tõ +U qua L ® D ® T¶i. V× tõ th«ng trong L kh«ng gi¶m tøc thêi vÒ kh«ng do ®ã trong L xuÊt hiÖn suÊt ®iÖn ®éng tù c¶m eL, cã cïng cùc tÝnh U. Do ®ã tæng ®iÖn ¸p: ud =U + eL. VËy ta cã bé biÕn ®æi t¨ng ¸p. §Æc tÝnh cña bé biÕn ®æi lµ tiªu thô n¨ng l­îng tõ nguån U ë chÕ ®é liªn tôc vµ n¨ng l­îng truyÒn ra t¶i d­íi d¹ng xung nhän. §Æc tÝnh truyÒn ®¹t: a. S¬ ®å m¾c nh­ sau: Tải là động cơ mmột chiều được thay bởi mạch tương đương R-L-E. L1 chØ ®ãng vai trß tÝch luü n¨ng l­îng. C ®ãng vai trß läc b. Hoạt động + S ®ãng, trªn L1 cã U, dßng ch¹y tõ +U ® S ® L1 ® -U. N¨ng l­îng tÝch luü trong cuén c¶m L1; ®i-«t D t¾t; Ud =UC, tô C phãng ®iÖn qua t¶i. + S ng¾t, cuén c¶m L1 sinh ra søc ®iÖn ®éng ng­îc chiÒu víi tr­êng hîp ®ãng Þ D th«ng Þ n¨ng l­îng tõ tr­êng n¹p vµ C, tô C tÝch ®iÖn; ud sÏ ng­îc chiÒu víi U. VËy ®iÖn ¸p ra trªn t¶i ®¶o dÊu so víi U. Gi¸ trÞ tuyÖt ®èi |Ud| cã thÓ lín h¬n hay nhá h¬n U nguồn II.2.4 Bộ Chopper lớp C (Bộ đảo dòng) Sơ đồ nguyên lý 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 , động cơ được nối nguồn qua ,điện áp đặt lên động cơ là U. Trong khoảng , ngắt,động cơ được nối ngắn mạch qua ,điện áp đặt lên động cơ là 0. Chế độ hãm tái sinh: Trong khoảng , ngắt,động cơ được nối nguồn qua ,điện áp đặt lên động cơ làU. Trong khoảng , dẫn,động cơ được nối ngắn mạch qua ,điện áp đặt lên động cơ là 0. Biểu đồ dạng sóng dòng và áp trên tải t t t t 0 0 0 0 d.)Tính toán các thông số trên sơ đồ. Trong khoảng () dẫn, điện áp đặt lên động cơ là U, ta có: . Giải bằng phương pháp toán tử Laplace: Trong khoảng () dẫn, điện áp đặt lên động cơ là 0, ta có: . Giải bằng phương pháp toán tử Laplace: ; trong đó Điện áp trung bình trên động cơ: Dòng điện trung bình: Độ nhấp nhô dòng điện: Do nên sử dụng công thức tính gần đúng ta được Dòng trung bình qua () là: Dòng trung bình qua () là: II.2.5 Bộ đảo áp a) Sơ đồ nguyên lý b) Nguyên tắc điều khiển: Chu kì đóng cắt của mỗi van là T, S1 và S2 được kích dẫn lệch pha một khoảng thời gian T/2, mỗi van S1, S2 được kích với góc dẫn γ. c) Nguyên lý hoạt động Chế độ động cơ () t t t t 0 0 0 0 Trong các khoảng và thì S1 và S2 cùng dẫn, điện áp đặt lên phần ứng động cơ là U, dòng điện qua động cơ tăng từ tới Imax ta có phương trình: . Trong các khoảng và thì S1 và S2 không đồng thời dẫn,do đó động cơ được nối ngắn mạch qua các diot D1 hoặc D2,điện áp dặt lên động cơ là 0,dòng điện qua động cơ giảm từ xuống , ta có phương trình . Các thông số của mạch Biểu thức dòng tải Trong khoảng : điện áp đặt lên động cơ là U. Dòng qua động cơ tăng từ Imin tới Imax. Phương trình dòng qua động cơ: Giải phương trình bằng phương pháp toán tử Laplace ta có: . Trong khoảng : dòng id ngắn mạch qua S1 và D2 điện áp đặt lên động cơ là 0, id giảm từ Imax về Imin. Phương trình dòng qua động cơ: . Giải phương trình bằng phương pháp toán tử Laplace ta có: trong đó Với điều kiện , dựa vào hai phương trình trên ta có: ; trong đó Độ nhấp nhô dòng điện: Điện áp trung bình đặt trên động cơ: Dòng điện trung bình Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các phần tử là V Dòng trung bình qua các van S1, S2: Dòng trung bình qua các diot: Chế độ hãm tái sinh () Trong khoảng động cơ được ngắn mạch qua S1 và D2, dòng điện qua động cơ tăng từ Imin tới Imax, điện áp đặt lên động cơ là 0, ta có phương trình:(đối với sơ đồ này thì khi làm việc ở chế độ hãm tái sinh phải đảo chiều quay của động cơ).Giải phương trình trong khoảng xét ta được:(1) Trong khoảng , động cơ trả năng lượng về nguồn qua các diot D1 và D2, dòng qua động cơ giảm từ Imax xuống Imin, ta có phương trình . Giải phương trình trong khoảng xét ta được:(2) Điện áp trung bình đặt lên động cơ: Dòng điện trung bình là: Dòng trung bình qua các van S1, S2 là: Dòng trung bình qua các diot D1, D2là: Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các van là: 2.2.6 Bộ Chopper lớp E §©y lµ bé b¨m xung mét chiÒu cã ®¶o chiÒu 1. Sơ đồ nguyên lý ë ®©y ta sö dông van b¸n dÉn IGBT. Bé BXMC dïng van ®iÒu khiÓn hoµn toµn IGBT cã kh¶ n¨ng thùc hiÖn ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p vµ ®¶o chiÒu dßng ®iÖn t¶i . Trong c¸c hÖ truyÒn ®éng tù ®éng cã yªu cÇu ®¶o chiÒu ®éng c¬ do ®ã bé biÕn ®æi nµy th­êng hay dïng ®Ó cÊp nguån cho ®éng c¬ mét chiÒu kÝch tõ ®éc lËp cã nhu cÇu ®¶o chiÒu quay. C¸c van IGBT lµm nhiÖm vô kho¸ kh«ng tiÕp ®iÓm .C¸c §i«t §1,§2,§3,§4 dïng ®Ó tr¶ n¨ng l­îng ph¶n kh¸ng vÒ nguån vµ thùc hiÖn qu¸ tr×nh h·m t¸i sinh. Cã c¸c ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn kh¸c nhau nh­ : §iÒu khiÓn ®éc lËp,®iÒu khiÓn kh«ng ®èi xøng vµ ®iÒu khiÓn ®èi xøng . 2. Các phương pháp điều khiển a.Ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn ®éc lËp NÕu ta muèn ®éng c¬ ch¹y theo chiÒu nµo th× ta sÏ chØ cho mét cÆp van ch¹y ,cÆp cßn l¹i sÏ kho¸. +Muèn cho ®éng c¬ quay thuËn cho S1,S2 dÉn ,S3,S4 nghØ . +Muèn cho ®éng c¬ quay nghÞch cho S1,S2 nghØ ,S3,S4 dÉn . b. Phương pháp điều khiển không đối xứng Gi¶ sö ®éng c¬ quay theo chiÒu thuËn (®éng c¬ sÏ lµm viÖc ë gãc phÇn t­ thø 1vµ thø 2) t­¬ng øng víi cÆp van S1,S2 lµm viÖc ,S3 lu«n bÞ kho¸ ,S4 ®­îc ®ãng më ng­îc pha víi S1. Bé BXMC cã 3 tr¹ng th¸i lµm viÖc : Tr¹ng th¸i 1: E>Et : §éng c¬ lµm viÖc ë gãc phÇn t­ thø nhÊt .N¨ng l­îng cÊp cho ®éng c¬ ®­îc cÊp tõ nguån th«ng qua c¸c van S1,S2 dÉn trong kho¶ng 0t1 . +Trong kho¶ng t1T :N¨ng l­îng tÝch tr÷ trong ®iÖn c¶m sÏ duy tr× cho dßng ®iÖn theo chiÒu cò vµ khÐp m¹ch qua S2,§4. Tr¹ng th¸i 2: E<Et : §éng c¬ lµm viÖc ë gãc phÇn t­ thø 2 (chÕ ®é h·m) +Trong kho¶ng 0t1 :§éng c¬ tr¶ n¨ng l­îng vÒ nguån th«ng qua c¸c §i«t §1,§2 (I§1=I§2=It) +Trong kho¶ng t1T :S4 dÉn ,dßng t¶i khÐp m¹ch qua §2 ,S4 (I§2=IS4=It) Tr¹ng th¸i 3: E=Et : +Trong kho¶ng 0t0: Et >E :§éng c¬ tr¶ n¨ng l­îng vÒ nguån qua §1 vµ §2 (I§1=I§2=It) +Trong kho¶ng t0t1 :E>Et : §éng c¬ lµm viÖc ë chÕ ®é ®éng c¬ N¨ng l­îng tõ nguån qua S1 ,S2 cÊp cho ®éng c¬ +Trong kho¶ng t1t2: S1 khãa ,S4 më .N¨ng l­îng tÝch luü trong ®iÖn c¶m sÏ cÊp cho ®éng c¬ vµ duy tr× dßng ®iÖn qua §2 ,§4 +Trong kho¶ng t2T :Khi n¨ng l­îng dù tr÷ trong ®iÖn c¶m hÕt ,suÊt ®iÖn ®éng ®éng c¬ sÏ ®¶o chiÒu dßng ®iÖn vµ dßng t¶i sÏ khÐp m¹ch qua S4 ,§2 §Ó ®éng c¬ lµm viÖc theo chiÒu ng­îc l¹i ,luËt ®iÒu khiÓn c¸c van sÏ thay ®æi theo chiÒu ng­îc l¹i C¸c biÓu thøc tÝnh to¸n: +Gi¸ trÞ dßng trung b×nh qua t¶i Ta cã Do ®ã R.It +E=U +Dßng trung b×nh qua van Víi Rót gän ta cã IS =It +Dßng trung b×nh qua §i«t +Gi¸ trÞ trung b×nh ®iÖn ¸p ra t¶i Ut=U VËy ®Ó ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ta chØ cÇn ®iÒu khiÓn ®Ó ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p ra t¶i c.Phương pháp điều khiển đối xứng Cách 1: Điện áp ra đơn cực tính (Unipolar Voltage Switching) Nguyên tắc điều khiển Chu kì đóng cắt của các van bán dẫn là 2T; S1 dẫn trong khoảng , S2 dẫn trong khoảng ;S3 dẫn trong khoảng , và S4 dẫn trong khoảng . +Chế độ làm việc ở góc phần tư 1() t t t 0 0 t t t * Trong khoảng 1, S1 và S2 được kích dẫn, động cơ được nối với nguồn U, dòng phần ứng tăng. * Trong khoảng2, S2 tắt, S3 được kích dẫn, do phần ứng có tính chất điện cảm nên dòng qua phần ứng ngắn mạch qua S1 và D3. Lúc này điện áp đặt lên động cơ là 0, dòng trong động cơ giảm. * Trong khoảng 3, S2 lại được kích dẫn, S3 tắt, do đó động cơ được cấp điện áp U từ nguồn, dòng qua phần ứng tăng. * Trong khoảng 4, S4 được kích dẫn, S1 tắt, do đó dòng qua phần ứng khép mạch qua S2 và D4, dòng qua phần ứng giảm do ngược chiều suất điện động E. Tính các thông số trong mạch Khảo sát trong một chu kì biến thiên T của dòng điện phần ứng. Trong khoảng động cơ được nối với nguồn qua S1, S4; dòng qua phần ứng tăng từ tới , ta có:. Giải phương trình trong khoảng xét ta được: Do đó với . Trong khoảng , động cơ được ngắn mạch qua S1 và D3,điện áp đặt lên động cơ là 0, dòng phần ứng giảm từ tới ,ta có . Giải phương trình trên ta được: Do đó Giải ra ta được: ; trong đó Độ nhấp nhô dòng điện: Do nên sử dụng công thức tính gần đúng ta được . Điện áp trung bình trên động cơ: Dòng điện trung bình: Dòng điện trung bình qua S1, S4 là Dòng điện trung bình qua D2, D3 là +Chế độ làm việc ở góc phần tư 2(). Để chuyển từ chế độ động cơ sang chế độ hãm tái sinh bằng cách sthay đổi chiều dòng điện tức là tức là giảm γ hoặc tăng E.Để quá trình điều khiển được đơn giản ta chọn phương pháp giảm γ gần tới 0,5 mà do tính quán tính của động cơ nên E biến đổi chậm, do đó , dòng qua phần ứng đổi chiều. t t t 0 0 t t t * Trong khoảng 1: S1 và S3 nhận tín hiệu điều khiến, sức điện động sinh ra dòng điện chảy qua D1 và S3. Trong khoảng này, dòng qua phần ứng tăng và tích lũy năng lượng trong điện kháng mạch phần ứng. * Trong khoảng 2: S3 tắt, S1 và S4 được kích dẫn, do tính chất điện kháng nên dòng qua phần ứng sẽ qua D1, U và D4, năng lượng được đưa trả về nguồn, dòng qua phần ứng giảm. * Trong khoảng 3: S1 tắt, S2 và S4 được kích dẫn, khi đó dòng qua phần ứng khép mạch qua S2 và D4, dòng qua phần ứng tăng. * Trong khoảng 4: S1 và S4 được kích dẫn, S2 tắt,dòng phần ứng chảy qua D1, U và D4,năng lượng phần ứng trả về nguồn, dòng qua phần ứng giảm. Chế độ làm việc của động cơ ở các góc phần tư 3 và 4 ứng với . Cách 2: Điện áp ra đảo cực tính (Bipolar Voltage Switching) Nguyên tắc điều khiển theo phương pháp điều khiển này các cặp van S1 và S2; S3 và S4 lập thành hai cặp van mà trong mỗi cặp thì hai van được điều khiển đóng cắt đồng thời. Tín hiệu điều khiển được tạo ra bằng cách so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa (thường là dạng xung tam giác): -Nếu Udk>utua thì S1 và S2 được kích dẫn; S3 và S4 được kích tắt. -Nếu Udk<utua thì S1và S2 được kích tắt; S3 và S4 được kích dẫn. Biểu đồ dạng sóng dòng, áp trên tải t t t t t t 1 2 3 4 Chế độ hoạt động: +Trong khoảng 1: S1 và S2 được kích dẫn, S3 và S4 được kích tắt, động cơ được nối với nguồn U, dòng qua phần ứng tăng đến giá trị Imax. +Trong khoảng 2:S1và S2 được kích tắt,S3 và S4 được kích dẫn,nhưng do tải có tính cảm kháng nên dòng điện phần ứng khép mạch qua D3 và D4 về nguồn, S3 và S4 bị đạt điện áp ngược bởi hai diode D3 và D4 nên khoá, dòng id giảm từ Imax về 0. +Trong khoảng 3:S3 và S4 được kích dẫn, điện áp đặt lên động cơ là –U, dòng id tăng theo chiều ngược lại (giảm từ 0 về Imin theo chiểu dương). +Trong khoảng 4: S3 và S4 được kích tắt, S1 và S2 được kích dẫn, nhưng do trước đó dòng id chạy theo chiều ngược lại nên dòng id tiềp tục chảy theo chiều cũ, khép mạch qua các diode D1 và D2 về nguồn; S1 và S2 bị đặt điện áp ngược bởi hai diode D1 và D2 phân cực thuận nên khoá, do đó id giảm theo chiều ngược lại từ Imin về 0. Tính toán các thông số của mạch: +Trong khoảng , S1 và S2 dẫn hoặc khi D1 và D2 dẫn thì điện áp đặt lên động cơ là U,ta có phương trình:. Giải phương trình bằng phương pháp toán tử Laplace với sơ kiện đầu Ta có: trong đó . Trong khoảng, S3 và S4 dẫn hoặc D3 và D4 dẫn, điện áp đặt lên động cơ là -U ta có:. Giải bằng phương pháp toán tử Laplace: Điện áp trung bình trên động cơ +Trong khoảng 0<t<γT điện áp đặt lên động cơ là U; và trong khoảng γT<t<T điện áp đặt lên động cơ là –U nên điện áp trung bình đặt lên động cơ là: -Dòng điện trung bình qua động cơ là: -Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các Diode là -Gi¸ trÞ dßng trung b×nh qua t¶i lµ -Dßng trung b×nh qua §i«t : (Sö dông khai triÓn hµm ex theo khai triÓn Maclaurin ) -Dßng trung b×nh qua van : T­¬ng tù ta cã IS=γIt -§iÖn ¸p ra t¶i cã gi¸ trÞ trung b×nh lµ Ut=(2γ-1)U +Ta thÊy nÕu γ=0.5 th× Ut=0 +NÕu γ>0.5 th× Ut >0 +NÕu γ< 0.5 th× Ut <0 Nh­ vËy b»ng c¸ch thay ®æi gi¸ trÞ γ mµ ta thay ®æi ®­îc gi¸ trÞ ®iÖn ¸p ra t¶i vµ c¶ dÊu cña nã .Do ®ã sÏ ®¶o chiÒu quay cña ®éng c¬ II.3 Kết luận II.3.1 Chọn mạch lực Qua các mạch phân tích ở trên ta thấy để phù hợp đảo chiều động cơ (một cách chủ động) ta chọn bộ chopper lớp E (cầu BXDC), mạch này cho phép năng lượng đi theo 2 chiều Ud, Id có thể đảo chiều một cách độc lập. Hơn nữa mạch này rất thông dụng (dùng trong DC-DC, DC-AC converter) do đó việc tìm mua các phần tử cũng dễ dàng hơn II.3.2 Chọn phương pháp điều khiển Trong mạch này ta chọn cách điều khiển đối xứng cách 2 sẽ cho mạch điều khiển đơn giản hơn. Mặt khác cách điều khiển này cho phép chúng ta đảo chiều động cơ dễ dàng do khi đảo chiều (chuyển chế độ làm việc) ta chỉ việc điều chỉnh g II.3.3 Chọn van bán dẫn Trong sơ đồ chopper lớp E ta chọn van bán dẫn là IGBT vì: IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu quá tải lớn của transistor thường, tần số băm điện áp cao thì làm cho động cơ chạy êm hơn Công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ nên làm cho đơn giản đáng kể thiết kế của các bộ biến đổi và làm cho kích thước hệ thống điều khiển nhỏ ,hơn nữa nó cũng làm tiết kiệm năng luợng (điều khiển) IGBT là phần tử đóng cắt với dòng áp lớn, nó đang dần thay thế transistor BJT nó ngày càng thông dụng hơn do đó việc mua thiết bị cũng đơn giản hơn.Cùng với sự phát triển của IGBT thì các IC chuyên dụng điều khiển chúng (IGBT Driver) ngày càng phát triển và hoàn thiện do đó việc điều khiển cũng chuẩn xác và việc thiết kế các mạch điều khiển cũng đơn giản, gọn nhẹ. Chương 4 Thiết kế mạch điều khiển là minh chứng cho điều này Chương III THIẾT KẾ MẠCH LỰC Sơ đồ mạch lực như sau: Chọn tần số băm xung f = 500 Hz III.1. Tính toán chọn van III.1.1 Chọn Diode công suất Qua phân tích các mạch lực trên ta thấy: +Dòng điện trung bình chạy qua Diode ID = (1-)It Với giá trị dòng điện định mức động cơ là Itđm =6(A) Chọn chế độ làm mát là van có cánh toả nhiệt với đủ diện tích bề mặt và có quạt thông gió, khi đó dòng điện làm việc cho phép chạy qua van lên tới 50 % . Lúc đó dòng điện qua van cần chọn : Iđmv = ki Imax =6/0.5=12(A) Qua các biểu đồ ta thấy :Điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi Diode (bỏ qua sụt áp trên các van ) là Ungmax=E=400(V) Chọn hệ số quá điện áp ku = 2.5 Ungv =ku.Ungmax = 2.5*400=1000(V). Từ hai thông số trên ta chọn 4 Diode loại CR20-100 với các thông số sau : Ký hiÖu Imax(A) Un(V) Ith(A) Ir(A) Tcp(A) U(V) 1N2455R 20 1000 20 10uA 200 1.1 Trong đó : Imax :dòng điện làm việc cực đại cho phép qua van Ungv : điện áp ngược cực đại cho phép đặt lên van Ipik : đỉnh xung dòng điện ΔU :tổn hao điện áp ở trạng thái mở của Diode Ith : dòng điện thử cực đại Ir :dòng điện rò ở nhiệt độ 250 C Tcp : nhiệt độ cho phép làm việc. III.1.2 Chọn các van bán dẫn Xuất phát từ yêu cầu về công nghệ ta phải chọn van bán dẫn là loại van điều khiển hoàn toàn là IGBT. +Tính dòng trung bình chạy qua van: Qua phân tích các mạch lực trên ta thấy: Dòng điện trung bình chạy qua van lµ : IS =It Với giá trị dòng điện định mức động cơ là Itđm =6(A) + Chọn chế độ làm mát là van có cánh toả nhiệt với đủ diện tích bề mặt và có quạt thông gió, khi đó dòng điện làm việc cho phép chạy qua van lên tới 50 % . Lúc đó dòng điện qua van cần chọn : Iđmv = ki Imax =6/0.5=12(A) Qua các biểu đồ ta thấy :Điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi Diode (bỏ qua sụt áp trên các van ) là Ungmax=E=400(V) Chọn hệ số quá điện áp ku = 2.5 Ungv =ku.Ungmax = 2.5*400=1000(V). Từ các tính toán trên ta chọn 4 van IGBT …có các thông số sau: Chủng loại Nhà sản xuất Loại vỏ(chân) Icmax A Vce Pd max(W) Vce(sat Ices Internal Diode IRG4PH30K IR TO247(A) 20,00 1200,00 100,00 4,00 250,00 No IV.ThiÕt kÕ bé nguån chØnh l­u mét chiÒu cÊp ®iÖn cho ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kÝch tõ ®éc lËp . Th«ng sè ®éng c¬ : +§iÖn ¸p ®Þnh møc phÇn øng ®éng c¬ U®m=400 (V) +Dßng ®iÖn ®Þnh møc phÇn øng ®éng c¬ I®m=6(A) 1.TÝnh to¸n m¸y biÕn ¸p chØnh l­u . +)Chän m¸y biÕn ¸p 3 pha 3 trô s¬ ®å ®Êu d©y D/Y lµm m¸t b»ng kh«ng khÝ tù nhiªn . M¸y biÕn ¸p c«ng suÊt nhá ,chØ cì chôc KVA trë l¹i ,sôt ¸p trªn ®iÖn trë lín kho¶ng 4% ,sôt ¸p trªn cuén kh¸ng Ýt h¬n kho¶ng 2% .§iÖn ¸p sôt trªn 2 §i«t kho¶ng 2V +)TÝnh c¸c th«ng sè c¬ b¶n : 1-TÝnh c«ng suÊt biÓu kiÕn cña M¸y biÕn ¸p : S = Ks . Pd 2-§iÖn ¸p pha s¬ cÊp m¸y biÕn ¸p : Up =127 (V) 3-§iÖn ¸p pha thø cÊp cña m¸y biÕn ¸p Ph­¬ng tr×nh c©n b»ng ®iÖn ¸p khi cã t¶i : Udo =Ud +2. DUv +DUdn + DUba Trong ®ã : 2.DUv =2 (V) lµ sôt ¸p trªn 2 §i«t m¾c nèi tiÕp DUdn 0 lµ sôt ¸p trªn d©y nèi DUba = DUr + DUx lµ sôt ¸p trªn ®iÖn trë vµ ®iÖn kh¸ng m¸y biÕn ¸p . Chän s¬ bé : DUba =6% .Ud =6% .400 = 24.0 (V) Tõ ph­¬ng tr×nh c©n b»ng ®iÖn ¸p khi cã t¶i ta cã : Ud0 ==400+2+0+24.0=424.0 (V) §iÖn ¸p pha thø cÊp pha m¸y biÕn ¸p : U2= =424.0/2.34=181.2 (V) 4-Dßng ®iÖn hiÖu dông thø cÊp cña m¸y biÕn ¸p : I2 === 4.90 (A) 5-Dßng ®iÖn hiÖu dông s¬ cÊp m¸y biÕn ¸p : I1 = KbaI2 = .I2 = . 4.90 = 6.99 (A) *)TÝnh s¬ bé m¹ch tõ (X¸c ®Þnh kÝch th­íc b¶n m¹ch tõ) 6-TiÕt diÖn s¬ bé trô . QFe =kQ . Trong ®ã : kQ lµ hÖ sè phô thuéc ph­¬ng thøc lµm m¸t ,lÊy kQ = 6 . m lµ sè trô cña m¸y biÕn ¸p f lµ tÇn sè xoay chiÒu , ë ®©y f = 50 (Hz) Ta cã c«ng suÊt biÓu kiÕn cña m¸y biÕn ¸p lµ : S2= 3.U2.I2=3.181,2.4,90=2664(VA) S1=3.U1.I1=3.127.6,99=2664(VA) Thay sè ta ®­îc : QFe=6 . =25,29(cm2) 7-§­ßng kÝnh trô : d = = = 5,67 (cm) ChuÈn ho¸ ®­êng kÝnh trô theo tiªu chuÈn d = 6 (cm) 8-Chän lo¹i thÐp $330 c¸c l¸ thÐp cã ®é dµy 0,5 mm Chän mËt ®é tõ c¶m trong trô Bt =1 (T) 9-Chän tû sè m= = 2,3 , suy ra h = 2,3 . d = 2,3.6 = 13,8 (cm) Ta chän chiÒu cao trô lµ 14( cm) *)TÝnh to¸n d©y quÊn . 10- Sè vßng d©y mçi pha s¬ cÊp m¸y biÕn ¸p . W1== = 208 (vßng) 11- Sè vßng d©y mçi pha thø cÊp m¸y biÕn ¸p : W2 = .W1=.208 = 297 (vßng) 12- Chän s¬ bé mËt ®é dßng ®iÖn trong m¸y biÕn ¸p . Víi d©y dÉn b»ng ®ång ,m¸y biÕn ¸p kh« ,chän J1= J2= 2 (A/mm2) 13- TiÕt diÖn d©y dÉn s¬ cÊp m¸y biÕn ¸p . S1 = = = 3.50 (mm2) Chän d©y dÉn tiÕt diÖn h×nh ch÷ nhËt ,c¸ch ®iÖn cÊp B . ChuÈn ho¸ tiÕt diÖn theo tiªu chuÈn : S1 = 3.56 (mm2) KÝch th­íc d©y dÉn cã kÓ c¸ch ®iÖn S1c® = a1.b1= 1,45.2,63 =3.81(mm x mm) 14- TÝnh l¹i mËt ®é dßng ®iÖnk trong cuén s¬ cÊp . J1= = = 1,96 (A/mm2) 15- TiÕt diÖn d©y dÉn thø cÊp cña m¸y biÕn ¸p . S2 = = = 2.45 (mm2) Chän d©y dÉn tiÕt diÖn h×nh ch÷ nhËt ,c¸ch ®iÖn cÊp B . ChuÈn ho¸ tiÕt diÖn theo tiªu chuÈn : S2= 2,43 (mm2) KÝch th­íc d©y dÉn cã kÓ c¸ch ®iÖn : S2c® = a2.b2 = 1,08.2,44=2,64 (mm x mm) 16- TÝnh l¹i mËt ®é dßng ®iÖn trong cuén thø cÊp . J2= = =1,68 (A/mm2) *)KÕt cÊu d©y dÉn s¬ cÊp : Thùc hiÖn d©y quÊn kiÓu ®ång t©m bè trÝ theo chiÒu däc trôc 18- TÝnh s¬ bé sè vßng d©y tren mét líp cña cuén s¬ cÊp . W11= . kc=.0,95 = 40 (vßng) Trong ®ã : kc= 0,95 lµ hÖ sè Ðp chÆt . h lµ chiÒu cao trô . hg lµ kho¶ng c¸ch tõ g«ng ®Õn cuén d©y s¬ cÊp . Chän s¬ bé kho¶ng c¸ch c¸ch ®iÖn g«ng lµ 1,5 cm . 19- TÝnh s¬ bé sè líp d©y ë cuén s¬ cÊp : n11= = =5.2 (líp) 20- Chän sè líp n11=6 líp .5 líp x 40 vßng vµ 1 líp x 8 vßng 21- ChiÒu cao thùc tÕ cña cuén s¬ cÊp : h1= = = 11,07 (cm) 22- Chän èng quÊn d©y lµm b»ng vËt liÖu c¸ch ®iÖn cã bÒ dÇy : S01= 0,1 cm. 23- Kho¶ng c¸ch tõ trô tíi cuén d©y s¬ cÊp a01= 1,0 cm . 24- §­êng kÝnh trong cña èng c¸ch ®iÖn . Dt= dFe + 2.a01- 2.S01 =6+ 2.1 - 2.0,1 = 7,8 (cm) 25- §­êng kÝnh trong cña cuén s¬ cÊp . Dt1= Dt + 2.S01=7,8 + 2.0,1= 8 (cm) 26- Chän bÒ dÇy gi÷a hai líp d©y ë cuén s¬ cÊp : cd11= 0,1 mm 27- BÒ dÇy cuén s¬ cÊp . Bd1= (a1+cd11).n11= (0,145 + 0,1).6 = 1,47 (cm) 28- §­êng kÝnh ngoµi cña cuén s¬ cÊp . Dn1= Dt1+2.Bd1=8 + 2.1,47= 10,94 (cm) 29- §­êng kÝnh trung b×nh cña cuén s¬ cÊp . Dtb1= == 9,47 (cm) 30- ChiÒu dµi d©y quÊn s¬ cÊp . l1 = W1.p.Dtb= p.208.9,47 =6188,2 (cm) 31- Chän bÒ dµy c¸ch ®iÖn gi÷a cuén s¬ cÊp vµ thø cÊp :cd01= 1,0 cm *) KÕt cÊu d©y quÊn thø cÊp . 32- Chän s¬ bé chiÒu cao cuén thø cÊp . h1= h2 = 11,07 (cm) 33- TÝnh s¬ bé sè vßng d©y trªn mét líp . W12= = = 43.1(vßng) 34- TÝnh s¬ bé sè líp d©y quÊn thø cÊp . n12= = = 6,89 (líp) 35- Chän sè líp d©y quÊn thø cÊp n12= 7 líp .Chän 6 líp x 43vßng vµ 1líp x 39 vßng. 36- ChiÒu cao thùc tÕ cña cuén thø cÊp h2= = = 11,04 (cm) 37- §­êng kÝnh trong cña cuén thø cÊp. Dt2 = Dn1+ 2.a12 = 10,94 + 2.1 = 12,94 (cm) 38- Chän bÒ dÇy c¸ch ®iÖn gi÷a c¸c líp d©y ë cuén thø cÊp : cd22= 0,1 (mm) 39- BÒ dÇy cuén thø cÊp . Bd2 = (a2+cd22).n12 = (0,108 + 0,01).7= 0,826 (cm) 40- §­êng kÝnh ngoµi cña cuén thø cÊp . Dn2= Dt2+ 2.Bd2= 12,94 + 2.0,826 =14,59 (cm) 41- §­êng kÝnh trung b×nh cña cuén thø cÊp . Dtb2= = = 13,77 (cm) 42- ChiÒu dµi d©y quÊn thø cÊp . l2 = p.W2.Dtb2 = p.297.13,77 = 12848 (cm) 43- §­êng kÝnh trung b×nh c¸c cuén d©y . D12= = =11,3 (cm) r12= = 5,65 (cm) 44- Chän kho¶ng c¸ch gi÷a hai cuén thø cÊp :a22= 2 (cm) *)TÝnh kÝch th­íc m¹ch tõ . 45- Víi ®­êng kÝnh trô d= 6 cm ,ta cã sè bËc lµ 3 trong nöa tiÕt diÖn trô . 46- Toµn bé tiÕt diÖn bËc thang cña trô . Qbt= 2.(1,6.5,5+1,1.4,5+0,7.3,5) = 32,4 (cm2) 47- TiÕt diÖn hiÖu qu¶ cña trô . QT= khq.Qbt = 0,95.32,4 = 30,78 (cm2) 48- Tæng chiÒu dµy c¸c bËc thang cña trô . dt = 2.(1,6+1,1+0,7)= 6,8 (cm) 49- Sè l¸ thÐp dïng trong c¸c bËc . BËc 1 n1= = 64 l¸ BËc 2 n2= = 44 l¸ BËc 3 n3= = 28 l¸ *)§Ó ®¬n gi¶n trong viÖc chÕ t¹o g«ng tõ ,ta chän g«ng cã tiÕt diÖn h×nh ch÷ nhËt cã c¸c kÝch th­íc sau . ChiÒu dµy cña g«ng b»ng chiÒu dµy cña trô : b = dt = 6,8 cm ChiÒu cao cña g«ng b»ng chiÒu réng tËp l¸ thÐp thø nhÊt cña trô : a = 5,5 cm TiÕt diÖn g«ng Qbg= a x b = 37,4 (cm2) 50- TiÕt diÖn hiÖu qu¶ cña g«ng . Qg= khq.Qbg = 0,95 .37,4 = 35,53 (cm2) 51- Sè l¸ thÐp dïng trong mét g«ng . hg = = = 136 (l¸) 52- TÝnh chÝnh x¸c mËt ®é tõ c¶m trong trô . BT = = = 0,8935 (T) 53- MËt ®é tõ c¶m trong g«ng . Bg = BT. = 0,8935 .= 0,774(T) 54- Chi

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docỨng dụng Điện tử công suất trong truyền động điện - điều khiển tốc độ động cơ điện.doc