Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Lời nói đầu
Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp
cả về chiều rộng lẫn chiều sâu,điện và các máy điện đóng một vai trò rất
quan trọng ,không thể thiếu được trong phần lớn các ngành công nghiệp
và đời sống sinh hoạtcủa con người. Nó luôn đi trước một bước làm tiền
đề nhưng cũng là mũi nhọnquyết định sự thành công của cả một hệ thống
sản xuất công nghiệp. Không mộtquốc gia nào, một nền sản xuất nào
không sử dụng điện và máy điện.Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay
chiều: dễ sản xuất, dễ 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 như
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.Ưu điểm của động cơ điện một chiều là
có thể dùng làm động cơ điện haymáy phát điện trong những điều
kiệnlàm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhấtcủa động cơ điện
1
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
mộtchiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bảnthân 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.
Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ khoảng
3
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Hình 1.2 Lá thép rôto Hình 1.3 Dây quấn phần ứng máy điện 1
chiều
1. Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dày 0,5
mm, phủ sơn cách điện ghép lại. Các lá thép được dập các lỗ thông gió và
rãnh để đặt dây quấn phần ứng (hình 1.2).
2. Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong
các rãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín. Phần tử của
dây quấn là một bối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với
hai phiến góp của vành góp (hình 1.3a). hai cạnh tác dụng của phần tử đặt
trong hai rãnh dưới hai cực từ khác tên (hình 1.3b).
3. Cổ góp (vành góp) hay còn gọi là vành đổi chiều gồm nhiều phiến
đồng hình đuôi nhạn được ghép thành một khối hình trụ, cách điện với
nhau và cách điện với trục máy.
Các bộ phận khác như trục máy, quạt làm mát máy…
1.2- Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Trên hình 1.4 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B,
trong dây quấn phần ứng có dòng điện. Các thanh dẫn ab và cd mang
dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo
4
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
nên mômen tác dụng lên rôto, làm quay rôto. Chiều lực tác dụng được
xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình 1.4a).
Hình 1.4 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau
(hình 1.4b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một
chiều biến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng,
giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng
theo một chiều nhất định, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi.
một chiều nói chung và động cơ một chiều kích từ độc lập nói riêng :
• Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ.
• Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ.
Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện
một chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho
mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ. Trong công nghiệp
thường sử dụng bốn loại bộ biến đổi chính:
• Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều
hoặc máy điện khuếch đại (KĐM)
• Bộ biến đổi điện từ: Khuếch đại từ (KĐT)
• Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: Chỉnh lưu tiristo (CLT)
6
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
• Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristo hoặc tranzito (BBĐXA)
Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền
động như:
• Hệ truyền động máy phát-động cơ (F-Đ)
• Hệ truyền động máy điện khuếch đại - động cơ (MĐKĐ-Đ)
• Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ (KĐT-Đ)
• Hệ truyền động chỉnh lưu tiristor-động cơ (T-Đ)
• Hệ truyền động xung áp-động cơ (XA-Đ)
Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ
động cơ một chiều có loại điều khiển theo mạch kín (ta có hệ truyền động
điều chỉnh tự động) và loại điều khiển theo mạch hở (hệ truyền động điều
khiển hở). Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện có cấu trúc phức tạp,
nhưng có chất lượng điều chỉnh cao và dải điều chỉnh rộng hơn so với hệ
truyền động hở. Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ
điện một chiều còn được phân loại theo truyền động có đảo chiều quay và
không đảo chiều quay. Đồng thời tuỳ thuộc vào các phương pháp hãm,
đảo chiều mà ta có truyền động làm việc ở một góc phần tư, hai góc phần
Eb - Eư = Iư.Rb + RưđIư
u
dm
udb
dm
b
I
K
RR
K
E
Φ
+
−
Φ
=
ω
(II-2-1)
β
ωω
M
U
dk
−= )(
0
Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ
cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị
điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều
chỉnh này là triệt để.
8
−=−=
M
dm
dmnm
K
M
MM
ββ
ω
1
1
.
)1(
max0
max0
−
−
=
−
−
=
M
dm
dm
M
dm
K
M
M
K
vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ
cứng ? Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng cac thiết bị nguồn
điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở
phần ứng động cơ. Do đó có thể tính sơ bộ được:
10/
max
≤
dmo
M
βω
Vì thế với tải có đặc tính mô men không đổi thì có giá trị phạm vi diều
chỉnh tốc độ cững không vượt quá 10. Đói với các máy có yêu cầu cao về
dải điều chỉnh và độ chính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng
các hệ thống “hở” như trên là không thoả mãn được.
Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi các đặc tính cơ tĩnh của
truyền động một chiều kích từ độc lập là tuyến tính. Khi điều chỉnh điện
áp phần ứng thì độ cứng các đặc tính cơ trong toàn dải điều chỉnh là như
nhau, do đó độ sụt tốc tương đối đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất
10
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
của dải điều chỉnh. Hay nói cách khác , nếu tại đặc tính cơ thấp nhất của
dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vượt quá giá trị sai số cho phép, thì
hệ truyền động sẽ làm việc với sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong
toàn bộ dải điều chỉnh. Sai số tương đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp
nhất là:
minmin
minmin
oo
o
s
11
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Khi làm việc ở chế độ xác lập ta có mô men do động cơ sinh ra đúng
bằng mô men tải trên trục: M* = Mc* và gần đúng coi đặc tính cơ của
phụ tải là Mc* = (?* )x thì
( )
1
***
*
−
+
=
x
u
R
ωω
ω
η
(II-2-5)
ω
ω
ω
ω
®m
ω
Μ
η
u
1
1
k
k
Φ
+
+
=
ω
(II-3-1)
trong đó: rk - điện trở dây quấn kích thích,
rb - điện trở của nguồn điện áp kích thích,
ωk – số vòng dây của dây quấn kích thích,
Trong chế độ xác lập ta có quan hệ:
φ = f [ik]
Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên
bằng giá trị định mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh
từ thông chính là đặc tính có điện áp phần ứng định mức,từ thông định
mức và được gọi là đạc tính cơ bản (đôi khi chính là đặc tính tự nhiên của
động cơ). Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả
năng chuyển mạch của cổ góp điện. Khi giảm từ thông để tăng tốc độ
quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng
bị xấu đi, vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì cần
phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết qủa là mô men cho phép trên
trục động cơ giảm rất nhanh. Ngay cả khi giữ nguyên dòng điện phần ứng
thì độ cứng đặc tính cơ cững giảm rất nhanh khi giảm từ thông kích thích:
( )
u
R
K
2
Φ
đm
Đặc tính cơ bản
0
b
,
a,
L
k
(U
đk
)
i
k
k
0
c,
Hỡnh II-4 S thay th (a) c tớnh iu chnh khi iu chnh t
thụng ng c (b) Quan h ?(ikt),(c)
Do iu chnh tc bng cỏch gim t thụng nờn i vi cỏc ng c
m t thụng nh mc nm ch tip giỏp gia vựng tuyn tớnh v vựng
bo ho ca c tớnh t hoỏ thỡ cú th coi vic iu chnh l tuyn tớnh v
hng s C ph thuc vo thụng s kt cu ca mỏy in:
Kt lun
Phng phỏp iu chnh tc bng cỏch thay i t thụng cú nhiu
hn ch
tính chất cảm kháng hoặc dung kháng. Bộ lọc L & C. Điôt mắc ngược với
Ud để thoát dòng tải khi ngắt khóa K.
+ S đóng thì U được đặt vào đầu của bộ lọc. Nếu bỏ qua tổn thất trong
các van và các phần tử thì Ud=U
+ S mở thì hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng id do năng
lượng tích lũy trong cuộn L và cảm kháng của tải, dòng khép kín qua D,
do vậy Ud=0
Như vậy, Ud ≤ U. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.
16
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
* Bộ biến đổi xung áp tăng áp
Sơ đồ nguyên lý :
Đặc điểm:
L nối tiếp với tải, khoá S 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.
+ S đóng, dòng điện từ +U qua L → S → -U. Khi đó D tắt vì trên tụ có
UC (đã
được tích điện trước đó).
+ S ngắt, dòng điện chạy từ +U qua L → D → Tải. Vì từ thông trong L
không
giảm tức thời về không do đó trong L xuất hiện suất điện động tự cảm
có cùng cực tính với U. Do đó tổng điện áp: ud =U + eL. Vậy ta có bộ
biến đổi tăng áp.
Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U ở chế độ liên
tục
và năng lượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn.
* Bộ biến đổi xung áp tăng-giảm áp
17
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Sơ đồ nguyên lý:
19
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Qua các mạch phân tích ở trên ta thấy để phù hợp đảo chiều động cơ
(một
cách chủ động) ta chọn bộ băm xung một chiều có đảo chiều (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.
- Lựa chọn van bán dẫn
Chọn van IGBT bởi :
+ 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
20
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
điều khiển cũng chuẩn xác và việc thiết kế các mạch điều khiển cũng đơn
giản, gọn nhẹ.
2.2. Phương pháp điều khiển bộ biến đổi xung áp
Điện thế trung bình đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn
≤ 1).
* Phương pháp thay đổi tần số băm xung
Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1 = const. Khi đó:
1
1
.
. .
d
t U
U t f U
T
= =
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.
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
22
Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều
200kHz.Khi U
ctl
>U
st
thì cho tín hiệu điều khiển mở van, ngược lại khóa
van.
• Phương pháp điều khiển bộ băm xung có đảo chiều
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.
25
Copyright: Tài liệu đại học ©