MỤC LỤC

Lời nói đầu……………………………………………………...........……1

Mục lục………………………………………………………….............…2

Tổng quan về động cơ một……………………….. ……………........…3

Chương I: Lựa chọn phương pháp điều chỉnh……………..……....….6

Chương II: Lựa chọn mạch động lực ……………………….…......….14                      

Chương III: Tính toán mạch động lực…....……………………......…..25

Chương IV: Chọn mạch điều khiển  ...…………………………......….51                      

Chương V: Đánh giá các đặc tính và chỉ tiêu điều chỉnh…...............68

Chương VI : Thiết kế hệ tự động điều chỉnh tốc độ của động cơ ….74                                  

Chương VII : Đánh giá chất lượng của hệ tự động điều chỉnh …….93

Tài liệu tham khảo………………………………………………........….97

LỜI NÓI ĐẦU

Trước tiên em xin chân thành cảm ơn sự dạy bảo tận tâm của các thầy cô đã giúp trang bị cho em những kiến thức cần thiết để em có thể vữn bước vào đời. Ngay từ khi bước chân vào trường em đã được các thầy cô dạy đại cương đã trang bị cho em những kiến thức khoa học cơ bản để em có thể tiếp thu được những kiến thức chuyên ngành dưới sự dạy bảo ân cần, khoa học của các thầy cô trong khoa Điện nói chung và đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Thiết Bị Điện - Điện tử .

Với những kiến thức chuyên môn em đã tiếp thu được, sự lỗ lực trong quá trình làm đồ án và đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình, rất khoa học thầy: TS…....……….. đã giúp em hoàn thành được đồ án  tốt nghiệp. Trong quá trình làm đề tài Tôt nghiệp: THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP BẰNG HỆ ĐIỀU ÁP XUNG ĐỘNG CƠ” em cảm rất nhiều thú vị và thu lượm thêm nhiều kiến thức bổ ích và đặc biệt đã giúp em củng cố lại những gì mà mình đã học đồng thời em đã học được cách vận dụng những kiến thức đã và cách tìm kiếm kiến thức  để giải quyết một công việc thực tế.

Một lần nữa em xin chân thành các thầy cô đã dạy giỗ em không những kiến thức chuyên môn mà còn kiến thức sống quý báu để em có thể vững bước vào cuộc sống

                                                                                  Hà Nội, ngày… tháng… năm 20…

                                                                               Sinh viên thực hiện

                                                                            ………………..

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

Động cơ một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt vì vậy nó được dùng nhiều để nhiều trong các nghành công ngiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép ,giao thông vận tải …

* Phương trình đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ một chiều:

Phương trình này cho ta biết được mối quan hệ tốc độ của động cơ với tải. Ta dùng chúng để khảo sát các  trạng thái làm việc của động cơ

- Đối với động cơ một chiều ta có :           

U = E_ư + I_ư

- Điện áp phần ứng của động cơ là giá trị định mức: U_đm

- Tải định mức : mô men định mức M_đm ,dòng điện định mức I_đm

CHƯƠNG I.  CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

Để có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ một chiều ta có thể sử dụng các  phương pháp:

- Phương pháp điều chỉnh điện trở phần ứng

- Phương pháp điều chỉnh dòng  kích từ

- Phương pháp điều áp phần ứng

I.  Phưong pháp điều chỉnh điện trở phần ứng R_ư

Phương pháp này còn được gọi là  phưong pháp điện trở phụ  có thể áp dụng cho động cơ kích từ độc lập,song song ,nối tiếp hay hỗn hợp .

1. Nguyên lý

Sơ đồ nguyên lý của  phưong pháp.

Ta thấy :

+ Khi R_f =0 đặc tính cơ có dạng như đường (1) . Đường này còn đựơc gọi là đường đặc tính cơ  tự nhiên của động cơ . Khi động cơ làm việc xác lập với M_c,₁ tương ứng với điểm a trên đặc tính cơ  tự nhiên 1.

Ta thấy khi thêm điện trở phụ vào trong quá trình quá độ nó có tác dụng hạn chế dòng điện phần ứng nên nó còn có thể dùng để khởi động động cơ một chiều. Khi khởi động dòng khởi động.

2. Các chỉ tiêu chất lượng chủ yếu

Phương pháp điều chỉnh điện trở phụ R_ưp có một số ưu điểm như :đơn giản giá thành hạ,nhưng nó gồm những nhược điểm lớn sau:

Phương pháp điều chỉnh  R_ư chỉ có thể tạo được những tốc độ thấp hơn  tốc độ cơ bản bằng cách giảm độ cứng của động cơ .Đây là phương pháp điều chỉnh  không triệt để , dải điều chỉnh phụ thhuộc vào mô men tải ,độ chính xác duy trì tốc độ không cao, độ tinh điều chỉnh kém .

II. Điều chỉnh kích từ của động cơ một chiều.

1. Nguyên lý

Sơ đồ nguyên lý của phương pháp (cho động cơ kích từ độc lập).

Để có thể điều chỉnh kích từ bằng cách đưa thêm điện trở phụ vào  mạch kích từ hay điều chỉnh điện áp phần kích từ .

- Nguyên lý điều chỉnh:

Trong quá trình điều chỉnh kích từ ta giữ nguyên điện trở phần ứng ,điện áp phần ứng.

Ta thấy khi điều chỉnh kích từ :

I_nm : không phụ thuộc vào kích từ

M_nm : sẽ giảm khi  kích từ giảm

 Đối với tải có M_c tỷ lệ nghịch với tốc độ thì có thể tăng đơn trị ,từ thông càng giảm thì tốc độ càng tăng và mô men cản giảm ,lúc này I_ư  nằm ở mức không gây nên sụt áp  và sụt tốc quá lớn  .

2. Các chỉ tiêu chất lượng chủ yếu

Phương pháp điều chỉnh từ thông có chỉ tiêu kinh tế cao ,nó không đòi hỏi các thiết phức tạp ,công suất mạch điều khiển nhỏ và tổn thất năng lượng không nhiều. Nếu tính của tải phù hợp với đặc tính của mô men cản cho phép theo tốc độ thì năng lượng tổn hao khi làm với tốc độ thấp cũng chỉ xấp xỉ khi làm việc với tốc độ cơ bản . 

III. Điều chỉnh  tốc độ đông cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

1. Nguyên lý điều chỉnh

Với động cơ một chiều khi giữ kích từ ,điện trở phần ứng không đổi và thay đổi điện áp phần ứng thì dòng phần ứng và mô men điện từ sẽ thay đổi do đó tốc độ cũng thay đổi .

Để thực hiện được phương pháp này ta cần phải có những bộ điều áp như máy phát một chiều ,bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ .

Phương trình cân bằng áp cho sơ đồ thay thế :

E_b = E_ư + I_ư .(R_ư + R_b)

E =  E_b - I_ư .(R_ư + R_b)

2. Các chỉ tiêu chất lượng chủ yếu

Về các chỉ tiêu kỹ thuật và năng lựơng phương pháp điều áp được đánh giá tốt .Nó có các ưu điểm nổi bật sau :

+ Đây là phương pháp điều chỉnh triệt để nghĩa là nó có thể điều chỉnh  tốc độ động cơ trong bất kỳ vùng tải nào

-  Vì phần tử điều chỉnh đặt trong mạch điều khiển của bộ biến đổi nên tổn hao công suất điều chỉnh nhỏ. Nó là mạch có công suất nhỏ nên ta có thể điều chỉnh tinh ,có khả năng thành hệ tự động hóa để có thể có được những chỉ tiêu chất lượng cao hơn .

- Tuy do ảnh hưởng của điện trở của bộ biến đổi nên độ cứng có suy giảm nhưng vẫn còn cứng hơn so với các phương pháp điều chỉnh khác.Do vậy phơng pháp  này cho sai tốc nhỏ ,khả năng quá tải lớn ,dải điều chỉnh rộng hơn và tổn thất năng lượng ít .

CHƯƠNG II . LỰA CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC

I. Lựa chọn hệ điều chỉnh tốc độ

Như ở trên đã phân tích ta có thể dùng một trong ba phương pháp để điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều kích từ độc lập :Điều chỉnh điện trở phần ứng ,điều chỉnh kích từ ,điều chỉnh điện áp phần ứng .Ta thấy được ưu nhược điểm của từng phương pháp ,qua đó ta thấy đựơc phương pháp điều áp phần ứng là hoàn toàn phù hợp để điều chỉnh động cơ của ta .Nó là phương pháp điều chỉnh triệt để ,sai tốc nhỏ khả năng quá tải lớn ,dải điều chỉnh rộng ,tổn thất năng lượng thấp .

1. Hệ máy phát động cơ ( F- Đ)

a. Sơ đồ nguyên lý

Khi ta điều chỉnh kích từ MF ta có thể điều chỉnh được điện áp đặt lên phần ứng của động cơ .Muốn đảo chiều của động cơ ta chỉ việc đảo chiều của dòng kích từ '

b. Những ưu nhược điểm của phương án

Ngoài những ưu nhược điểm của phương pháp điều áp phần ứng, hệ F- Đ còn có những nét đặc thù sau : hệ có đặc tính cơ tốt và rất linh hoạt khi chuyển đổi trạng thái làm việc .

3. Hệ điều áp xung động cơ 

a. Bộ biến đổi xung là một nguồn điện áp dùng để điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng : Phần chủ yếu của hệ là bộ nguồn và bộ điều khiển có sơ đồ nguyên lý và giản đồ thời gian ( ở đây ta chỉ xét trường hợp dògn điện là liên tục ) như hình vẽ.

Van V₀­ có tác dụng cải thiện dòng điện phần ứng ,nếu ta coi khi dẫn thì u_­v0=0 và dòng điện ngược I_ng =0 .Thì khi đóng cắt khóa K điện áp có dạng hình vuông như hình h.10. Bản chất của phương pháp này là cấp điện áp gián đoạn cho động cơ .Do thời gian một chu kỳ đóng cắt của khóa K nhỏ hơn nhiều so với hằng số thời gian  cơ học của hệ truyền động nên S.đ.đ phần ứng không đổi trong thời gian T_ck .

b. Ưu nhược điểm của phương pháp

+ Bộ nguồn xung điện áp thường cần ít van điều khiển nên vốn đầu tư ban đầu và hệ đơn giản và làm việc chắc chắn .

+ Khi dùng nguồn một chiều chung cho toàn phân xưởng có công suất lớn hơn nhiều so với động cơ thì điện trở trong của nguồn có thể bỏ qua nên độ cứng của đặc tính cơ có thể xấp xỉ với đặc tính cơ tự nhiên .

II. Chọn mạch động lực

Để thực hiện được phương pháp băm xung - động cơ ta cần phải có một nguồn điện một chiều .Nếu như ta chỉ có nguồn điện xoay chiều thì ta có thể tiến hành chỉnh lưu để tạo ra nguồn điện một chiều.

1. Chọn máy biến áp

Chọn máy biến áp ba pha ba trụ ,để hạn chế được tác hại của từ thông và s.đ.đ bậc cao trong máy biến áp ta lựa chọn kiểu đấu dây trong máy biến áp là kiểu đấu /Y.

2. Lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu

Khối chỉnh lưu có tác dụng tạo ra nguồn điện một chiều ,do khối này không có yêu cầu điều chỉnh điện áp nên ta chỉ xét đến các sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển .

Công suất sơ cấp và điện áp thứ cấp mấy biến áp theo dòng điện tải

S_1ba =1,05.U­_d.I_d

S_2ba =1,48.U­_d.I_d

Công suất của máy biến áp theo điện áp ,dòng điện tải :

S_ba =1,26.U­_d.I_d

* Nhận xét :

+ Điện áp chỉnh lưu tương đối bằng phẳng nhưng vẫn chưa cao

+ Do ảnh hưởng của sóng hài bậc cao và dòng điện một chiều đến máy biến áp dễ làm lõi sắt bão hoà nên máy biến áp phải thiết kế có công suất lớn hơn khá nhiều so vơí công suất chỉnh lưu

+ Để khép kín mạch thành phần sóng hài bậc ba và bội số của nó thì sơ cấp máy biến áp phải đấu

b. Chỉnh lưu cầu ba pha .

- Sơ đồ nguyên lý.

Công suất sơ cấp và điện áp thứ cấp máy  biến áp theo dòng điện tải

S_1ba = S_2ba=1,05  U­_d.I_d

Công suất của máy biến áp theo điện áp ,dòng điện tải :

S_ba = S_1ba = S_2ba=1,05  U­_d.I_d

* Nhận xét :

+ Sơ đồ chỉnh lưu này là một trong những sơ đồ có chất lượng chỉnh lưu tốt nhất trong các sơ đồ chỉnh lưu thường gặp .

+ Dùng chỉnh lưu này hệ số sử dụng máy biến áp là tốt.

+ Trong thực tế dòng điện tải là dòng chạy các pha với nhau ,điện áp chỉnh lưu tức thời U_d bằng điện áp dây U_dây nên máy biến áp có thể đấu Y hay .

4. Nguyên lý của hệ băm áp

Với các sự lựa chọn ở trên ta có được sơ đồ nguyên lý như hình  h.15 động van  - động cơ có sơ đồ nguyên lý như hình vẽ.

CHƯƠNG III. TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC

I. Tính toán từ các số liệu ban đầu

1. Số liệu ban đầu

Động cơ một chiều có các thông số cơ bản sau : 

- Công suất định mức :       P_đm = 5,4 Kw

- Điện áp định mức :          U_đm = 220 V

- Vận tốc góc định mức:     105 r/s

- Dòng điện định mức :      I _đm =27 A

2. Các số liệu tính toán :

- Tốc độ quay định mức : n_đm =9,555.105 =1003 v/p

- Điện cảm phần ứng của động cơ được tính theo công thức Umanxki-Lindvil: L_ư = 0,0065 H=6,5 mH

Số đôi cực của động cơ  p,tốc độ quay n_đm =1003 v/p thì suy ra được số đôi cực p =3

- Điện trở phần ứng ở nhiệt độ làm việc ,chọn nhiệt độ làm việc của động cơ là t_lv =90⁰c.

R_ư = 0,275(1+0,004.70) = 0,373

II. Tính chọn mạch động lực

1. Chọn IGBT

Việc chọn van động lực dựa vào các yếu tố cơ bản đó là :dòng tải ,sơ đồ đã chọn ,điều kiện toả nhiệt ,điện áp làm việc .

- Dòng định mức của van

I_đm=k_i.I_lv

- Điện áp ngược đặt lên IGBT

 Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van cũng chính là điện áp ngược lớn nhất đặt lên các diode ở trong mạch chỉnh lưu. Ta có :

U_max = k_nv.U_2max

Trước tiên ta tính điện áp không tải của bộ chỉnh lưu :U_d0

U_d0 = U_d + 2.U_D + U_IGBT +U_ba +U_d

U_d : điện áp tải ,U_d =220 (V)

U_D : sụt  áp trên các diode , chọn U_D =1,5 V

U_IGBT : sụt  áp trên IGBT , chọn U_IGBT =2,4 V

U_ba : sụt  áp trên các cuộn dây của máy biến áp chọn: U_ba =0,7%U_dV  

U_d : sụt  áp trên dây dẫn , vì sụt áp này rất nhỏ khi ta đặt bộ biến đổi gần với động cơ

Vậy:

U_d0 = 220 + 2.1,5 + 0,07.220 + 2,4  =240,8 V

2. Chọn  các diode ở mạch chỉnh lưu và diode V_o

a. Chọn diode ở mạch chỉnh lưu

* Dòng định  mức của diode

Ta có thể tính được theo công thức sau:

I_đmv =k_I.I_lvv.

Dòng điện định mức của van cần thhiết là : I_đm = 2,5 .15  = 39 (A)

Điện áp ngược lớn nhất đặt nên diode cũng chính bằng điện áp ngược đặt nên IGBT : U_ND= U_IGB = 593,1 V

Vậy ta lựa chọn loại diode RP6040 có các thông số cơ bản sau :

Dòng điện cực đại                                 I_max =40 A

Điện áp ngược cực đại                           U_max =600 V

Đỉnh xung dòng điện                             I_pic =700 A

Tổn hao áp khi ở trạng thái mở             1,5 V

Dòng điện thử cực đại                           I_th =120 A

Dòng điện rò ở nhiệt độ 25^oC                 I_r   =100

Nhiệt độ cho phép                                  T_cp  =200^oC

* Chọn diode V₀ , diode V₀­ có tác dụng cho dòng tải đi qua khi IGBT khoá, vậy dòng làm việc của diode V₀:

I_lvV0 = I_đmĐC =27 A

- Điện áp ngược mà diode phải chịu :

U_Nmax = U_NIGBT  =600 V

Ta lựa chọn phương án dùng 2 diode RD6040có các thông số như ở trên mắc song song với nhau

3. Tính toán  máy biến áp

- Điện áp không tải

U_d0 =U_d +2U_D + U_ba + U_IGBT = 220 +2.1,5 +0,075.220 + 1,5 = 240,8 V

- Công suất tối đa của mạch chỉnh lưu :

P_dmax = U_do.I_d = 240,8.27 =6,5 Kw

- Công suất của máy biến áp :

S_ba =1,05.P_dmax  = 1,05.6,5 = 6,83 Kw

Chọn máy biến áp có công suất : S_đm = 7 Kw

- Số vòng dây cuộn sơ cấp : w₁  =  299 vòng

* Tiết diện dây quấn:

Vì máy biến áp có công suất nhỏ nên ta chọn tiết diện dây dẫn là tiết diện hình tròn

Ta  lựa chọn sơ bộ mật độ dòng trong dây dẫn là  j =2,7 A/mm²

Chuẩn theo đường kính chuẩn của dây dẫn ,ta chọn loại dây quấn có các kích thước như sau :

Đường kính trong :         d = 1,88 mm

Đường kính  ngoài :       d_n= 1,97 mm

Tiết  diện đồng :             q_cu = 2,776 mm²

Tiết diện dây quấn kể cả cách điện : q= 3,047 mm²

- Chọn ống dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày s₀ =0,1 cm

- Khoảng cách trụ tới cuộn thứ cấp a₀₂­ = 0,5 cm

- Đường kính trrong của ống cách điện :

D_t­ =d_Fe + 2.a₀₂ - 2s­₀₂  =73 +2.5 -2.1 = 81 mm

- Đường kính trong của cuộn thứ cấp :

D_t2 =D_t  +2.s_01­  = 81 +2.1   = 83 mm

- Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp :

cd₂ = 0,1 mm

- Bề dày cuộn thứ cấp

 Bd₁ =(d_n+cd₂).n_2l= (3,61 + 0,1).3 = 11,13 mm

- Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp

D_n2 =D₂ + 2Bd₂ =83 + 2.11,13 =105,3 mm

* Tính toán mạch từ :

- Lựa chọn số bậc của trụ : với trụ có đường kính d =73 mm =7,3 cm chọn số bậc nửu trụ là 4 như hình vẽ.

* Toàn bộ tiết diện bậc thang :

Q = a₁.b₁ + a₂.2b₁ + a₃.2b₁+ a₄.2b₁ = 67,2.28,7 + 56,9.16,98 +43,8.11,8 + 26,3.10,3 = 3678 mm²

- Tổng chiều dày bậc thang : d_t = 69,3mm

- Để đơn giản trong việc chế tạo gông từ ta chọn gông từ hình chữ nhật có các  kích thước cơ bản sau :

+ Chiều dày của trụ : b  = d_t  =69,3 mm

+ Chiều cao của gông bằng chiều dày của lá thép thứ nhất : a =67,2 mm

- Tiết diện của  gông : Q_g  = a.b = 69,2.67,2 =4654,5 mm²

- Chiều rộng của cửa sổ mạch từ :

 c = 2.(a₀₁+ Bd₁ + a₁₂ +Bd₂) + a₂₂  =2.(5 + 10,35+10 + 11,13) + 20 = 92,9 mm

-  Khoảng cách giữa hai tâm trụ :

c^’ =c + d = 92,9 + 73 =165,9 mm

- Chiều rộng của mạch từ :

 L =  2.c + 3d   = 2.92,9 + 3.73  = 404,8 mm

- Chiều cao của cửa sổ mạch từ :

H = h +2a +2.b = 126,1 + 2.67,2 = 270,5m

Với các kích thước tính toán được ta có được kết cấu của mạch từ như hình vẽ.

II. Tính toán mạch trợ giúp

 Khi IGBT chuyển trạng thái thì năng lượng tổn haolà rất lớn so với trạng thái nó dẫn dòng bình thường hoặc ở trạng thái khoá dòng đi qua .Hơn nữa nhiệt độ cho phép của IGBT không được lớn ,thường nhỏ hơn 200^0C do vậy ta cần phải có thêm các mạch trợ giúp để giảm tổn hao bên trong IGBT trong quá trình chuyển trạng thái .

1. Mạch trợ quá trình mở

Mạch này có tác dụng hạn chế tổn hao trong quá trình IGBT chuyển sang trạng thái khoá dòng (từ trạng thái đóng sang trạng thái mở ). Để thực  hiện được nhiệm vụ này ta có thể sử dụng mạch trợ giúp gồm các phần tử tụ điện C, diode D,điện trở R₁, sơ đồ mạch trợ giúp như hình h.15

* Nếu không có mạch trợ giúp khi bắt đầu có tín hiệu khoá IGBT thì :

i_c + i_D =I = const

Trong quá trình này khi i_c ­bắt đầu giảm  thì i_D tăng nên ngay lập tức , diode D₀ làm ngắn mạch tải làm cho  hiệu điện thế giữa emiter và colector : 

U_CE =U- 0,6 V

* Nếu có thêm mạch trợ giúp ,trong quá trình quá độ mở ta có :

i_c +i₁ = I  = const

i₁ : dòng điện nạp tụ

Khi dòng i_c  bắt đầu giảm tuyến tính thì dòng i₁ cũng tăng tuyến tính ,tụ C được nạp bằng dòng địên : i₁ =I - i_c

2. Mạch trợ giúp khi đóng

Tương tự quá trình quá độ mở ,khi IGBT chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái dẫn dòng tải ,năng lượng tổn hao trong nó cũng rất lớn .Để giảm tổn hao này ta dùng mạch trợ giúp gồm các phần tử : cuộn kháng L₂ ,diode D₂ và điện trở R₂ được mắc theo sơ đồ như hình vẽ.

III. Tính toán bảo vệ

1. Bảo vệ quá dòng

Chọn aptomat để đóng cắt mạch động lực,tự động bảo vệ khi quá tải và ngắn mạch van,ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch đầu ra của bộ biến đổi.

- Chọn aptomat có : I_đm = 13,4 A

Chọn áptomat có :

I_đm =15 A

U_đm=380 V

+ Chỉnh dòng ngắn mạch :

I_nm = 2,5.I_đm  = 30,5 A

+ Chỉnh định dòng quá tải

I_qt= 1,5I_1d =18,3 A

- Để có thể thực hiện việc đóng cắt tự động,với tần số đóng cắt cao ta có thể lựa chọn thêm công tắc tơ có: 

I_đm = (1,1- 1,3) I₂

= (1,1 - 1,3) 22,14  = 24,35 - 27,78 A

2. Bảo vệ quá nhiệt cho cho van bán dẫn

Khi làm việc với dòng điện chạyh qua van có sụt áp do đó có tổn hao công suất P , tổn hao này sinh ra nhiệt làm nóng van bán dẫn . Do van bán dẫn chịu được nhiệt độ nhất định nên nó có thể bị chọc thủng do quá nhiệt .Để có thể tránh được hiện tượng này ta cần phải thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý .Như trên ta đã lựa chọn cách làm mát cho van là làm mát bằng không khí do vậy ta chỉ cần thiết kế cánh tản nhiệt với đủ diện tích làm mát cần thiết >

2.1. Tính toán cho IGBT

- Tổn hao công suất của loại IGBT đã chọn là:

P  = U.I_lv = 2.27= 54 W

Chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh ,kích thước mỗi cánh axb = 9x9 cmxcm

Tổng diện tích của cánh :

S = 12.9.9 =  1944 cm² = 0,1944 m²

2.2. Tính chọn các diode trong mạch chỉnh lưu 

- Tổn hao công suất của loại IGBT đã chọn là:

P  = U.I_lv = 1,5.15,6=23,4 W

Tổng diện tích của cánh :

S = 6.5.5 =300 cm² = 0,03 m²

2.3 Tính chọn cho diode D₀

Dòng điện làm việc của diode D₀  là : I_lv .I_đmDC = 27 A

Do vậy ta cũng chọn cánh tản nhiệt giống như cho IGBT            

IV. Bảo vệ mất kích từ

Khi khởi động động cơhay động cơ đang làm việc nếu mạch kích từ có vấn đè như không có điện hoặc kông có đủ kích từ thì động cơ rơi vào trạng thá nguy hiểm .Để tránh được hiện tượng này ta dùng một rơle dòng điện đặt ở  mạch kích từ .Nếu như có hiện tượng mất kích từ hay thiếu kích từ thì tếp điểm của rơle này sẽ không cho phép khởi động hoặc tác động khong cho động cơ làm việc nữa.

CHƯƠNG IV. CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN

 Mạch điều khiển có nhiệm vụ điều khiển sự đóng cắt của IGBT một cách hợp lý để cho động cơ làm việc với tốc độ mong muốn .

Để có thể lựa chọn được sơ đồ mạch điều khiển hợp lý ta cần phải biết được nguyên tắc điều khiển băm xung ,nguyên tắc đóng mở của van bán dẫn :

- Loại van bán dẫn ta dùng là IGBT ,nó là loại van điều khiển hoàn toàn bằng áp ,dòng điều khiển của loại van này rất nhỏ .Để điều khiển nó ta chỉ cần tạo ra một nguồn có đủ áp là được ,ta hoàn toàn có thể dùng đầu ra của các vi mạch điện tử để điều khiển trực tiếp nó. Nó cũng là loại van có cực điều khiển cách ly nên ta không cần cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực .

- Giữ nguyên chu kỳ xung điện áp ( t_ck) điều chỉnh thời gian dẫn dòng của van ( thời  gian đóng  t_đ )

- Giữ nguyên thời gian đóng t_đ ,còn thay đổi chu kỳ xung điện áp t_ck

- Đồng thời điều chỉnh cả t_đ và t_ck

Trong ba phương pháp trên ta sẽ chọn cách thứ nhất vì nó đơn giản hơn cả

Từ việc phân tích nguyên lý và đặc điểm của phương pháp băm xung điện áp người ta có được nguyên lý điều khiển băm xung một chiều như sau:

+ Tạo một điện áp tựa hình răng cưa u_rc ,điện áp này có tần số của tần số xung áp đặt lên động cơ .

+ Dùng một điện áp điều khiển u_đk (điện áp một chiều ) để so sánh với u_rc.Tại những thời điểm u_rc = u_đk thì ta phát lệnh cho van bán dẫn mở hay khoá

+ Để điều chỉnh được tỷ số ta chỉ cần điều chỉnh u_đk

1. Ta có sơ đồ khối của mạch điều khiển

Trên cơ sở phân tích những đặc điểmcủa van bán dẫn IGBT và nguyên lý điều khiển của băm áp một chiều ta thấy bộ điều khiển gồm những khối cơ bản sau: khối tạo tần số và khối so sánh.

- Khâu tạo tần số : có nhiệm vụ tạo rađiện áp tựa có tần số mong muốn .Điện áptựa có thể có dạng tam giác vuông hay dạng tam giác cân .Tuy nhiên ta sẽ tạo ra dạng xung tam giác câncho đơn giản hơn.

2. Lựa chọn các khâu

2.1. Khâu tạo tần số

Như đã nói khâu này phải tạo ra được điện áp tựa hình tam giác để thực hiện nhiệm vụ này ta có thể lựa chọn một trong những cách sau :ta có thể dùng các bọ dao động da hài ,tạo dao động định thời  timer 555,bộ dao động  dùng khuếch thuật toán để tậo trực tiếp ra dạng xung hình tâm giác cân.Tuy nhiên chất lượng các điện áp tựa này là chưa cao .Do vậy ta chỉ dùng nó để tạo ra điện áp xung vuông có tần số monng muốn vì chất lượng của điện áp xung này là tương đối tốt.Sau đó ta dùng các mạch tích phân để tạo ra điện áp tựa mong muốn .

Như vậy trong khâu tạo điện áp tựa ta cần thêm khâu tích phân nữa để tạo được điện áp tựa hình răng cưa như mong muốn. Khâu tích phân ta có thể dùng mạch tích phân RC , dùng tranzito, tụ điện, điôt-tụ điện. Nhưng các mạch tích phân này tạo những điện áp tựa không tốt. Để tạo được điện áp tựa có chất lượng tốt người ta thường chọn mạch tích phân dùng khuếch đại thuật toán. Mạch tích phân này gồm một IC thuật toán, một tụ điện  và các điện trở được mắc theo sơ đồ như hình vẽ.

2.2 Khâu so sanh

Khâu so sánh có nhiệm vụ xác định thời điểm chuyển trạng thái củaIGBT

đồng thời tạo xung điện áp đủ biên độ để điều khiển đượcIGBT . Để làm nhiệm vụ so sánh xác định thời điểm u_ra=u_dk người ta thường dùng tranzito hay khuyếch thuật toán. Ta sẽ chọn khuyếch thuật toán để đảm bảo được yêu cầu đó đồng thời đảm bảo tính đồng nhất về linh kiện trong mạch điều khiển.

Ở trong sơ đồ này :

Nếu u_rc > u_dk thì  u_ra= + u_cc.

Nếu u_rc< u_dk thì u_ra=- u_cc.

Giản đồ thời gian của u_rc­, u_dk, u_ra.

3. Tính chọn các thông số

3.1. Chọn các khuyếch đại thuật toán

Trong mạch điều khiển ta cần ba khuyếch thuật toán .Ta chọn IC TL084 do hãng Texas instrument chế tạo IC này gồm 4 khuyếch thuật toán thông số kỹ thuật của nó là:

Điện áp nuôi v_cc=±18(v).

Hiệu điện thế giữa hai đầu vào:±30(v).

Nhiệt độ làm việc t=-25-:-85⁰C

Công suất tiêu thụ  0,86w

Tổng trở đầu vào: R_in=10⁶(MW)

Dòng điện ra I_ra=30 (pA)

3.2. Tính chọn khâu tạo tần số

Khâu tạo dao động khuyếch thuật toán đã chọn TL084

Ta lựa chọn tần số cơ bản là 5kHz

Chọn R₁=73(KW) ; R_BT1=5(KW) ; R₂=R₃=5(KW).

Điện áp ra ở mạch tạo tần số u_ra=u_bh=15(v).

3.3 Tính toán khâu so sánh.

Khuyếch thuật toán đã chọn ICTL084.

Chọn điện trở vào R₆=R₇ sao cho i_v<1mA

4. Tính chọn nguồn nuôi

Nguồn nuôi có nhiệm vụ tạo ra nguồn một chiều để nuôi mạch điện điều khiển và cung cấp năng lượng cho việc điều khiển van. Ta chọn các khuyếch thuật toán đều có đòi hỏi nguồn nuôi có điện áp ổn định ở mức ±15(v), công suất tiêu tán là nhỏ. Như vậy nguồn nuôi phải có điện áp ra ổn định ở mức ±15(v), có công suất đủ lớn để bù vào công suất tổn hao của mạch điều khiển và cung cấp công suất cho việc điều khiển van.

4.1. Chọn máy biến áp và vi mạch điện áp

Thông số chung của vi mạch :

- Điện áp đầu vào U_v=7-:-35(v).

- Điện áp đầu ra:

U_r=18(v).Với IC7818

U_r=-18(v).Với IC7918

- Dòng điện đầu ra I_ra­=0-:-1(A).

Chọn máy biến áp một pha, thứ cấp có hai cuộn dây có:

Công suất S=1,5VA

Điện áp thứ cấp: u=23V

Điện áp sơ cấp u=220V.

4.2. Chọn Diode cho bộ chỉnh lưu.

Dòng định mức của diode:

I_đm³K_I. I_DhD=10.0,023=0,23A

Điện áp ngược lớn nhất diode phải chịu:

U_Nmax=.23=32,5(V)

Điện áp ngược của diode

U_nc³K_U .U_Nmax

Theo kinh nghiệm K_u³1,6 Chọn K_u=2

U_nc=2.32,5=43(V).

Chọn diode có I_đm=0,3(A)   U_N=45V

Chương V.  ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH VÀ CHỈ TIÊU ĐIỀU CHỈNH

Với một hệ truyền động đặc tính quan trọng nhất là đặc tính cơ của động cơ. Ta cần quan tâm đến đặc tính cơ của bản thân động cơ, đặc tính cơ của truyền động. 

1. Đặc tính cơ tự nhiên:

Ta thấy độ cứng của động cơ tự nhiên khá lớn nên khi chưa  xét đến ảnh hưởng của diện trở bộ biến đổi thì sai tốc s% < 5% ,ở mức có thể chấp nhận được .

2. Đặc tính của hệ biến đổi động cơ

a. Xét đặc tính cơ cao nhất:

- Điện áp đặt nên phần ứng của động cơ là :

- Tổn hao cơ bằng tổn  hao điện áp phần ứng :

U_cơ  = R_ư.I_đm =0,373.27 = 10,07 V

Suy: 

U_bmax = 105.1,905  + 0,689.27 + 10,07 V

Ta thấy ngay ở đặc tính cơ cao nhất thì sai tốc đã lớn vượt quá mức 5%

b. Ở đặc tính  cơ thấp nhất

- Ta lựa chọn dải điều chỉnh  D = 25 - 1

N_min = 9,55.4,2 = 40,1 v/p 

- Điện áp đặt lên  phần ứng của động cơ

U_dmin  =  4,2.1,905 + 0,689.27 + 10,7= 37,3 V

Ta thấy do bộ biến đổi có điện trở trong tương đối lớn nên nó làm giảm độ cứng của đặc tính cơ đi nhiều, làm cho sai tốc lớn nhất là 95% là rất lớn. Ta phải tìm cách tăng độ cứng của đặc tính cơ của động cơ

CHƯƠNG VI.  THIẾT KẾ HỆ TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ

Như chương III đã đánh giá , để điều chỉnh được tốc độ của động cơ có sai tốc nhỏ ( hiện nay sai tốc có tể chấp nhận được là khoảng 5%) và dảiđiều chỉnh rộng thì hệ hở như ta đã lựa chọn là không đáp ứng được. Để có thể khắc phục được điều này ta dùng hệ điều chỉnh tốc độ .

Để có thể điềuchỉnh được các thông số đầu ra (ở đây là tốc độ ) ta dùng phản hồi âm tốc độ và phản hồi âm dòng điện .

+ Ở đây ta ding phản hòi âm tốc độ có tác dụng làm cho sai số nhỏ nó làm ổn định tốc độ của  động cơ .trong điều kiện lý tưởng ta có thể dạt đượcsai tốc s = 0% .

+ Còn mạch vòng điều chỉnh dòng điện để khống chế dòng điện phần ứng hay momen của động cơ , tránh cho động cơ rơi vào tình trạng quá tải. Vì lúc khởi động dòng điện phần ứng rất lớn nên ta dùng phản hồi dòng .khi dòng điện tải vượtquá trị số cho phép (thường I_ưcp< 2,5I­_đm ),khi dòng điện I_ư  vượtquá trị số cho phép thì lưểng phản hồi dòng đủ lớn để cho tốc độ động cơ bằng không

III. Nguyên lý chung  xây dựng một hệ điều khiển tối ưu

Tìm hàm truyền củađối tượng cần điều khiển

Giả sử hàm truyền của đối tượng là w(P)

IV. Tính toán thiết kế  mạch vòng dòng điện

1. Mô tả mạch vòng phản hồi

 Từ hệ thống điều khiển một chiều 2 mạch vòng ta có sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện như hình vẽ.

2. Tính chọn linh kiện

- Chọn hệ số phản hồi dòmg k_phi  =0,2

- Thời gian trễ: 2.10^-4 s

- Từ phương trình hàm truyền và sơ đồ mạch hiệu chỉnh dòng điện có: R_phi .C = T_ư = 0,01

R₁ = 4,35R_phi = 43,5 k

* Tính toán bộ cảm biến dòng:

- Chọn biến dòng ,có tỷ số biến dòng 100/5

- Chọn điện  trở củabiến dòng  R_bd =2

- Dòng thứ cấp máy biến áp  lực : I₂ =22,14 A

- Như vậy điện áp trên tải :

U = I_bd.R_bd =1,107.2 = 1,214 V

- Khi qua bộ chỉnh lưu cầu 3 pha : U_r =2,34.2,214 = 5,18 V

- Chọn k_phi  =0,2 ,điện áp phản hồi dòng  :u­ _phi = 0,2.27  = 5,4 V

Ở đây: T_03­  = a_c.b_c.T₀ : hằng số tích phân của mạch vòng tốc độ ngoài .Các hệ số a_c,b_c nó xác định mức dao động của mạch hiệu chỉnh tốc độ .Theo điều kiện tối ưu thì : a_c =b_c = 2

2. Tính toán thiết kế mạch

2.1. Thiết kế mạch

Dùng một khâu tích phân tỷ lệ :

- Thực hiện hàm truyền khâu lọc thông bậc một.

- Sơ đồ khâu hiệu chỉnh .

2.2 Tính toán linh kiện

 - Ta có :

+ k_i   = 0,2

+ kp = 1,905

Mô men quán tính của  hệ : J = 1,3J_ĐC  1,3.0,17 = 0,211 kg/m²

- Chọn máy phát tốc  : loại 2000 v/p - 100 V

- Ta dùng một biến trở để điều chỉnh điện áp phản hồi tốc độ: u_ph = 0,11.105 = 11,5 V

- C ₁  =1,7 nF

* Chọn khâu lọc th”ng bậc một :

R₄.C₂ =T₀₃  = 16.10^-4

C₂ = 64.10^-9 =64 nF

* Chọn u_ng

Trong các hệ truyền động dùng hệ hiệu chỉnh nối tiếp việc hạn chế dòng được thực hiện bằng cách hạn chế tín hiệu vào của bộ hiệu chỉnh dòng .Muốn vậy người ta hạn chế tín hiệu ra của khâu hiệu chỉnh ttốc độ .Để thực hiện điều này có khống chế mắc theo sơ đồ như hình vẽ trên.

- Khi dòng điện I =I _max =2,5I_đm = 67,5 A thì điện áp ra tương ứng bộ hiệu chỉnh tốc độ : u_r= u_đi = 0,2.67,5 = 13,5 V

- Chọn điện áp ngưỡng u_ng = 13,5 V

Với những  lựa chọn cho mạch tự động điều chỉnh tốc độ ta có sơ đồ của hệ tự động điều chỉnh tốc độ như hình vẽ.

CHƯƠNG VII. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH

Xét quá trình quá độ:

1. Xét hệ  hở

* Xét sự quá độ của tốc  độ:

Sơ đồ cấu trúc của hệ hở (ở đây ta bỏ qua phản hồi S.đ.đ).

* Xét sự biến thiên của dòng điện tải

- Chương trình :

ằ a=tf([10.54],[0.00000008 0.000408 0.01])

ằ grid

ằ step(a)

ằ a=tf([10.54],[0.00000008 0.000408 0.01 0])

ằ a=tf([0.0793],[0.00000008 0.000408 0.01])

ằ grid

ằ step(a)

ằ a=tf([0.0793],[0.00000008 0.000408 0.01])

chạy trên Matlabta thu được kết quả như hình vẽ (h.41)

2. Xét toán hệ kín

- Chạy chương trình trên Mablab với chương trình như hình vẽ (h.42):

- Chương trình:

ằ  a=tf([10], [.00000128 .0016 1])

ằ grid

ằ step(a,'b-')

Kết quả thu được như hình 42.a       

* Nhận xét: Ta thấy chất lượng điều chỉnh là rất tốt so với hệ hở ,độ quá điều  chỉnh chỉ khoảng 4,5% ,thời gian quá độ nhỏ.

3. Đánh giá chung về phương pháp điều chỉnh

Với hệ điều chỉnh dùng tối ưu modul đối xứng cho ta chất lưểng tự động rất  tốt với hệ số khuếch đại luôn bằng một ( k = 1) và hàm truyền củahệ luôn ở dạng tối ưu nên chất lưểng động rất tốt với quá độ nhỏ. Sai lệch vớđiều chỉnh khi nhiễu tải dạng cần trục là 0;

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Sách hướng dẫn thiết kế điện tử  công suất  của Trần Văn Thịnh

2. Điện tử công suất của Nguyễn Bính

NXB Khoa học kỹ thuật ;Hà Nội  1998

3. Điện tử công suất (Sách giành cho các trường trung học chuyên nghiệp)

NXB Giáo Dục ;Hà Nội  2002

4. Thiết kế máy biến áp  của Phạm Văn Bình và Lê Văn Doanh

NXB Khoa học kỹ thuật ;Hà Nội  1999

5. Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn của Nguyễn Minh Trí

NXB Khoa học kỹ thuật ;Hà Nội  2000

6. Lý thuyết điều khiển tuyến tính của Nguyễn Doãn Phước

NXB Khoa học kỹ thuật ; Hà Nội  2000

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"