Đặt vấn đề 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 đƣợc trong phần lớn các ngành công nghiệp và đời sống sinh hoạt của con ngƣời. Nó luôn đi trƣớc một bƣớc làm tiền đề nhƣng cũng là mũi nhọn quyết định sự thành công của cả một hệ thống sản xuất công nghiệp. Không một quốc gia nào, một nền sản xuất nào không sử dụng điện và máy điện. Do tính ƣu 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 đƣợc sử dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định nhƣ 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 (nhƣ 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. nhƣng do những ƣu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại.
Ƣu 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 ƣu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu nhƣ bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng đƣợc hoặc nếu đáp ứng đƣợc thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (nhƣ 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 lƣợng cao. Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ khoảng 75% 85%, ở động cơ điện công suất trung bình và lớn khoảng 85% 94% .Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 100000kw điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000v.
Hƣớng phát triển là cải tiến tính nâng vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những máy công suất lớn hơn đó là cả một vấn đề rộng lớn và phức tạp vì vậy với vốn kiến thức còn hạn hẹp của mình trong phạm vi đề tài này, em không thể đề cập nhiều vấn đề lớn, mà chỉ đề cập tới vấn đề thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ có đảo chiều của động cơ một chiều kích từ độc lập theo nguyên tắc đối xứng. Đây là một trong những phƣơng pháp đƣợc dùng phổ biến nhất hiện nay để điều chỉnh động cơ điện một chiều kích từ độc lập với yêu cầu đảo chiều quay động cơ theo phƣơng pháp đối xứng .Đây là một phƣơng pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao và đƣợc sử dụng rộng rãi bởi những tính năng và đặc điểm nổi bật của nó SVTH: NGUYỄN ANH TUẤN 6 GVHD: TS.PHAN QUỐC DŨNG - ThS.LÊ ĐÌNH KHOA 2 Tổng quan về động cơ điện một chiều. Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng nhƣ máy phát điện một chiều ngƣời ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ. Theo đó ứng với mỗi cách ta có các loại động cơ điện loại: - Kích thích độc lập: khi nguồn một chiều có công suất ko đủ lớn, mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên : I = Iƣ.
- Kích thích song song: khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp ko đổi, mạch kích từ đƣợc mắc song song với mạch phần ứng nên I = Iu +It - Kích thích nối tiếp: cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng nên ta có : I = Iƣ =It. - Kích thích hỗn hợp ta có: I = Iu +It Với mỗi loại động cơ trên thì sẽ tƣơng ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều khiển và ứng dụng là tƣơng đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố.Trong đề tài này ta chỉ xét đên động cơ điện một chiều kích từ độc lập và biện pháp hữu hiệu nhất để điều khiển loại động cơ này. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập +Phƣơng trình đặc tính cơ: là phƣơng trình biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ (n) và mômen (M) của động cơ có dạng chung Uu Ru Rf .M K (K ) 2 Thông qua phƣơng trình này, ta có thể thấy đƣợc sự phụ thuộc của tốc độ động cơ vào mômen động cơ và các thông số khác (mômen, từ thông.), từ đó đƣa ra phƣơng án để điều chỉnh động cơ (tốc độ) với phƣơng án tối ƣu nhất. Với những điều kiện Uƣ = const, It = const thì từ thông của động cơ hầu nhƣ không đổi, vì vậy quan hệ trên là tuyến tính và đƣờng đặc tính cơ của động cơ là đƣờng thẳng.
Thƣờng dạng của đặc tính là đƣờng thẳng mà giao điểm với trục tung ứng với mômen ngắn mạch còn giao điểm với trục tung ứng với tốc độ không tải của động cơ M Ngƣời ta đƣa thêm đại lƣợng để đánh giá độ cứng. Đặc tính càng dốc càng cứng ( càng lớn) SVTH: NGUYỄN ANH TUẤN 7 GVHD: TS.PHAN QUỐC DŨNG - ThS.LÊ ĐÌNH KHOA ự ựo ựt 0 Mt Mnm M Để hiểu đƣợc nguyên lý và lựa chọn phƣơng pháp điều chỉnh tối ƣu, trƣớc hết ta đi xét đặc tính của động cơ điện. Đó là quan hệ giữa tốc độ quay với mômen (hoặc dòng điện) của động cơ. +Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ: nếu động cơ vận hành ở chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông định mức và không nối thêm các điện kháng, điện trở vào động cơ).
Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có các điểm làm việc định mức có giá trị Mđm, đm. +Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số nguồn hoạc nối thêm các đIện trở, điện kháng. Để so sánh các đặc tính cơ với nhau, ngƣời ta đƣa ra khái niệm độ cứng của đặc tính cơ: / (tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc). Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Sơ đồ kích từ độc lập đƣợc thể hiện nhƣ dƣới đây: SVTH: NGUYỄN ANH TUẤN 8 GVHD: TS.PHAN QUỐC DŨNG - ThS.LÊ ĐÌNH KHOA Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau: gọi là động cơ điện kích từ độc lập.
Phƣơng trình đặc tính cơ xuất phát: Uu Eu ( Ru R f )I u +Uƣ: điện áp phần ứng. +Eƣ: sức điện động phần ứng. +Rƣ: điện trở mạch phần ứng : Rƣ=rƣ +rcf +rb +rct +rƣ: điện trở cuộn dây phần ứng. +rcf: điện trở cuộn cực từ phụ.
+ri: điện trở cuộn bù. +rct: điện trở tiếp xúc của chổi điện. +Rf: điện trở phụ trong mạch phần ứng. +Iƣ: dòng điện mạch phần ứng.
+Eƣ đƣợc xác định theo biểu thức sau: pN Eu 2 a + p: số đôi cực từ chính. + N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng. + A: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng. + : từ thông kích từ dƣới một cực từ.
pN K 2 a Trong đó K là hệ số cấu tạo của động cơ. Eu Ke n 2 n / 60 n / 9,55 Vì vậy pN Eu n 60a K Ke 0,105 K 9,55 M dt K .I u SVTH: NGUYỄN ANH TUẤN 9 GVHD: TS.PHAN QUỐC DŨNG - ThS.LÊ ĐÌNH KHOA Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mômen điện từ bằng M. Ta có Uu Ru Rf M K (K ) 2 Đây là phƣơng trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Đồ thị hình vẽ: ự ựo ựt 0 Mt Mnm M Nhận xét : + Iƣ=0 hoặc M=O ta có Uu 0 Ru Rf Đây là tốc độ không tải lý tƣởng của động cơ U + = 0 thì I u : Dòng điện ngắn mạch.I nm M nm : Mômen ngắn mạch.
Uu RI 0 K K SVTH: NGUYỄN ANH TUẤN 10 GVHD: TS.PHAN QUỐC DŨNG - ThS.LÊ ĐÌNH KHOA Uu Ru Rf M 0 K (K ) 2 R Ru Rf Uu 0 K R R Iu M K (K ) 2 Từ đó có thể tốc độ đông cơ điện một chiều phụ thuộc vào các đại lƣợng là: U ƣ, R, I. Nhƣ vậy thông qua các đại lƣợng biến thiên này mà ta có thể điều khiển đƣợc tốc độ động cơ điện một chiều. Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều là một trong các nội dung chính của truyền động điện nhằm đáp ứng các yêu cầu công nghệ nào đó của các máy sản xuất.Điều chỉnh tốc độ là dùng phƣơng pháp thuần tuý điện tác động lên bản thân hệ thống truyền động điện để thay đổi tốc độ quay của động cơ điện. Tốc độ quay của động cơ điện thƣờng bị thay đổi do sự biến thiên của tải ,của nguồn hay chế độ làm việc nhƣ mở máy,hãm máy .và do đó gây ra các sai số so với tốc độ ,kĩ thuật mong muốn .Trong các hệ thống truyền động điện thƣờng căn cứ vào một số chỉ tiêu kinh tế,kĩ thuật cơ bản ,các chỉ tiêu này đƣợc tính khi thiết kế và điều chỉnh động cơ điện Trong thực tế có 3 phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều + Điều chỉnh điện áp cho phần ứng động cơ.
+ Điều chỉnh bằng cách thay đổi từ thông phần ứng hay thay đổi điện áp phần ứng cấp cho mạch kích từ. + Điều chỉnh bằng thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng. Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng Loại này cần có thiết bị nguồn nhƣ: máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lƣu điều khiển có chức năng biến năng lƣợng điện xoay chiều thành một chiều có sđđ Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk. SVTH: NGUYỄN ANH TUẤN 11 GVHD: TS.PHAN QUỐC DŨNG - ThS.