TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ LẮP ĐẶT THỬ ...

PHẦN MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài “Ngày nay, truyền động điện đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực nhờ những ưu thế của nó như kết cấu gọn nhẹ, độ bền và độ tin

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình làm đồ án của mình em đã nhận được sự giúp đỡ rất

nhiều từ thầy Th.s Vũ Ngọc Minhcũng như rất nhiều bạn bè.Nhờ sự giúp đỡ của thầy cô đặc biệt là thầy Vũ Ngọc Minh nên em đã hoàn thành nội dunng

đề tài tốt nghiệp được giao.Tuy nhiên do kiến thức và thời gian còn hạn chế nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót.Em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo trong khoa để đồ án của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên

Nguyễn Hữu Anh

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC BẢNG 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

PHẦN MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU 11

1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 11

1.1.1.Cấu tạo 11

1.1.2.Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều 12

1.2 Đặc tính cơ và các trạng thái làm việc của động cơ điện một chiều 13

1.2.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập và kích từ song song 13

1.2.2 Động cơ một chiều kích từ nối tiếp 21

1.3 Cấu trúc và phân loại hệ thống truyền động điện 24

1.3.1 Cấu trúc 24

1.3.2 Phân loại 25

CHƯƠNG 2.TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC 27

2.1.Khái niệm,phân loại và ứng dụng của bộ biến đổi DC/DC 27

2.1.1.Khái niệm 27

2.1.2.Phân loại 28

2.1.3.Ứng dụng 28

2.2.Bộ biến đổi DC/DC hai chiều 29

2.2.1.Mạch công suất bộ biến đổi 29

2.2.2.Mô phỏng bộ biến đổi DC/DC 37

CHƯƠNG 3.TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ LẮP ĐẶT THỬ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC 48

3.1.Khả năng hoàn lại từ tải 48

3.2.Thiết kế mạch công suất 49

3.2.1.Sơ đồ nguyên lý mạch công suất 49

3.2.2.Tính chọn phần tử công suất 50

3.3.2.Bộ điều khiển trung tâm-Vi điều khiển Dspic 54

3.3.3.Phản hổi điện áp,dòng và chuẩn hóa tín hiệu 55

3.3.4 IC driver TLP250 57

3.4.Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển 63

3.4.1.Lưu đồ thuật toán chương trình chính 63

KẾT LUẬN 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi boost 25

độ

PHẦN MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài

“Ngày nay, truyền động điện đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực nhờ những ưu thế của nó như kết cấu gọn nhẹ, độ bền và

độ tin cậy cao, tương đối sạch nên không gây ra nhiều vấn đề về môi trường… Chính vì vậy mà truyền động điện một chiều đang chiếm một vị thế khá quan trọng trong hệ truyền động điện.Trong quá trình phát triển nền kinh tế, chúng ta đang từng bước đưa ứng dụng của truyền động điện một chiều vào hầu hết mọi lĩnh vực sản xuất của các nhà máy, các ngành kinh tế

để tạo ra sản phẩm có chất lượng tốt nhất.Để làm được điều này thì có một

hệ thống điều khiển tốt và chất lượng nguồn điện trước khi sử dụng là vô cùng quan trọng.Khoa học phát triển cũng đã chế tạo ra những vật liệu mới rất hữu dụng, một trong số đó chính là vật liệu bán dẫn, đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong điện tử tự động.Chúng được sử dụng để thiết kế, chế tạo các van bán dẫn công suất, thành phần chính của bộ biến đổi công suất.Một ưu điểm lớn của các bộ biến đổi công suất đó là khả năng tiết kiệm năng lượng, yêu cầu quan trọng đặt ra trong quá trình sản xuất.Không những vậy, hiện nay còn có những bộ biến đổi công suất có khả năng hoàn trả năng lượng dư trong quá trình sản xuất về nguồn cung cấp”

2 Mục đích của đề tài

“Mục tiêu của đề tài là đi tìm hiểu về truyền động điện một chiều và nghiên cứu thiết kế bộ biến đổi DC/DC điều khiển động cơ điện một chiều”

3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu

“Căn cứ vào mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu,đề tài xác định đối tượng nghiên cứu cụ thể là (1)Tổng quan về hệ truyền động điện một chiều,(2)giới thiệu về bộ biến đổi DC/DC và phân tích bộ biến đổi DC/DC,(3)Mô phỏng bộ biến đổi DC/DC”

-Phạm vi nghiên cứu

“Về mặt nội dung :Đề tài nghiên cứu về hệ truyền động điện một

chiều,hãm tái sinh trả năng lượng về nguồn,phương án chọn và tính toán van công suất cho bộ biến đổi.Thiết kế bộ biến đổi DC/DC điều khiển động

cơ điện một chiều và nâng cao sự tương tác giữa con người và việc điều khiển các thiết bị được thuận lợi,dễ dàng hơn”

4.Phương pháp nghiên cứu khoa học

“Khi tiến hành nghiên cứu đề tài, em sử dụng các phương pháp nghiên cứu phổ biến trong nghiên cứu khoa học đó là: thu thập thông tin Nghiên cứu tài liệu hoặc đối thoại trực tiếp với thầy cô, bạn bè; quan sát trên đối tượng khảo sát; thực nghiệm trực tiếp trên đối tượng khảo sát hoặc trên những vật mô phỏng Sau đó sẽ là xử lý các kết quả nghiên cứu và viết kết quả nghiên cứu”

5.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

“Kết quả nghiên cứu giúp nâng cao tính tự động hóa trong việc điều khiển hãm tái sinh qua đó giúp tiết kiệm được năng lượng, tăng năng suất, hiệu quả ứng dụng trong truyền động điện một chiều”

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 1.1.1.Cấu tạo

“Động cơ điện một chiều bao gồm các phần chính sau: vỏ,trục,ổ bi,phần cảm(stato),phần ứng(roto),cổ góp và chổi điện

Hình 1.1.Cấu tạo động cơ điện một chiều

Cực từ phụ

Được đặt trên các cực từ chính và dung để cải thiện đổi chiều.Lõi thép các cực từ phụ làm bằng thép đúc,mặt cực có khe khí với roto rộng hơn so với cực từ chính.Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ các bulong

Gông từ

Gông từ dung 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 hàn lại.Trong máy điện lớn người ta thường dùng thép đúc”

2.Phần ứng(Roto)

“Gồm lõi thép,cổ góp,trục máy và dây quấn phần ứng

Lõi thép là mạch từ của roto để dẫn từ,được ghép từ các lá thép KTĐ

dày 0.5mm được cách điện với nhau để giảm tổn hao do dòng xoáy.Đối với động cơ công suất trung bình và lớn người ta tạo ra các rãnh thông gió.lõi sắt ép chặt vào trục động cơ

Dây quấn phần ứng là mạch điện roto.Phần tử của dây quấn là một

bối dây gồm 1 hoặc nhiều vòng dây.hai đầu nối với hai phiếu góp của vành góp

Cổ góp

Cổ góp hay còn gọi là vành đổi chiều gồm nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn ghép thành một khối hình trụ cách điện với nhau và trục máy”

1.1.2.Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

“Khi đặt điện áp một chiều vào phần cảm (Stato) thì trong phần cảm xuất

hiện từ trường ∅kt Đồng thời đặt điện áp một chiều vào phần ứng thì trong dây quấn phần ứng (Roto) xuất hiện dòng điện iư Do đó thanh dẫn phần ứng chịu một lực tác động F, có chiều được xác định bằng quy tắc bàn tay trái F=BLI lực F sẽ tạo ra mômen quay làm quay rô to

Để chứng minh nguyên lý làm việc trên, đơn giản ta xét cho máy điện

có rôto là khung dây, Stato là một nam châm điện hai cực Bắc – Nam (N-S) sau đây:

Hình 1.2.Nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều

Trên hình 1.2(1) khi mặt phẳng khung dây ABCD trùng với các đường sức của từ trường ∅kt, nếu điện áp U mạch ngoài có dương ở chổi C1 âm ở chổi C2 thì chiều dòng điện chạy trong rôto có chiều là: (+) C1V1 ABCDV1C2(-) Dùng quy tắc bàn tay trái, ta xác định được chiều của lực F và từ đó suy ra chiều momen M và 

Trên hình 1.2(2) tương tự khi mặt phẳng ABCD quay đi 180o so với hình 1.6(1) ta thấy chiều dòng điện chạy trong phần ứng là: (+)C1.V2DCBAV1.C2(-) và tương tự ta cũng xác định được chiều của F và chiều của momen M cũng như  có chiều tương tự ở hình 1.2(1)

Kết luận: Điện áp mạch ngoài là một chiều nhưng dòng phần ứng là xoay chiều, do đó mọi thời điểm chiều của lực mômen là không đổi

Chổi than và cổ góp đóng vai trò là cái nghịch lưu cơ khí”

1.2 Đặc tính cơ và các trạng thái làm việc của động cơ điện một chiều

1.2.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập và kích từ song song 1.Phương trình đặc tính cơ

“Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Cuộn kích từ được cấp điện từ nguồn một chiều độc lập với nguồn điện cấp cho rôto

Nếu cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng được cấp điện bởi cùng một nguồn điện thì động cơ là loại kích từ song song.Trường hợp này nếu nguồn điện có công suất rất lớn so với công suất động cơ thì tính chất động cơ sẽ tương tự như động cơ kích từ độc lập

F

F I-

+





Khi động cơ làm việc, rôto mang cuộn dây phần ứng quay trong từ trường của cuộn cảm nên trong cuộn ứng xuất hiện một sức điện động cảm ứng có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ Theo sơ đồ nguyên lý trên hình 1.8, có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng (rôto) như sau”:

rư - Điện trở cuộn dây phần ứng

rct - Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp

 là hệ số kết cấu của động cơ

∅ - Từ thông qua mỗi cực từ

p - Số đôi cực từ chính

N - Số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng

a - Số mạch nhánh song song của cuộn ứng

Hoặc ta có thể viết:

Và

55 , 9 60

-

K

R R K

M M  k I ta được phương trình đặc tính cơ biểu thị mối quan hệ ω

= f(M) của động cơ điện một chiều kích từ độc lập như sau:

R R K

được gọi là tốc độ không tải lý tưởng khi không có lực cản nào cả Đó là tốc

độ lớn nhất của động cơ mà không thể đạt được ở chế độ động cơ vì không bao giờ xảy ra trường hợp MC=0

Hình 1.3.Đặc tính cơ điện của động cơ 1 chiều kích từ độc lập

Khi phụ tải tăng dần từ MC = 0 đến MC = Mđm thì tốc độ động cơ giảm dần từ ω0 đến ωđm Điểm A (Mđm,ωđm) gọi là điểm định mức Rõ ràng đường đặc tính cơ có thể vẽ được từ 2 điểm ω0 và A Điểm cắt của đặc tính cơ với trục hoành 0M có tung độ ω = 0 và có hoành độ suy từ phương trình :

nm dm dm

dm

R

U K M

(1.9)

Hình 1.4.Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ 1 chiều kích từ độc lập

« Mômen Mnm và Inm gọi là mômen ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch.Đó là giá trị mômen lớn nhất và dòng điện lớn nhất của động cơ khi được cấp điện đầy đủ mà tốc độ bằng 0.Trường hợp này xảy ra khi bắt đầu

mở máy và khi động cơ đang chạy mà bị dừng lại vì bị kẹt hoặc tải lớn quá kéo không được Dòng điện Inm này lớn và thường bằng » :

Inm = (10 ÷ 20).Iđm

Nó có thể gây cháy hỏng động cơ nếu hiện tượng tồn tại kéo dài

2.Ảnh hưởng thông số điện với đặc tính cơ

Phương trình đặc tính cơ cos 2

a.Thay đổi điện áp phần ứng

Vì điện áp phần ứng không vượt giá trị định mức nên ta chỉ thay đổi giảm

đi

Uư biến đổi; Rp = const; ∅= const

Trong phương trình đặc tính cơ,ta thấy độ dốc đường đặc tính không thay đổi:

-Tốc đọ không tải lý tưởng thay đổi tỉ lệ thuận với điện áp:

“Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng ta được một họ các đường đặc tính

cơ song song với đường đặc tính cơ tự nhiên và thấp hơn đường đặc tính cơ tự nhiên”

a Thay đổi điện trở mạch phần ứng

Điện trở mạch phần ứng thay đổi về phía tăng Rưf

Uư = const ;Rưf = var; ∅ = const

Hình 1.6 Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ 1 chiều kích từ độc lập khi tăng

điện trở phụ phần ứng

Trường hợp này, tốc độ không tải giữ nguyên:

const K

+

R p1

R p2

R p3 Mc.dm

0 < R p1 < R p2< R p3

Như vậy, khi tăng điện trở Rưf trong mạch phần ứng, ta được một họ các đường đặc tính cơ nhân tạo cùng đi qua điểm (0, ω0)

b Thay đổi từ thông kích từ

“Để thay đổi từ thông Ф ta sẽ thay đổi dòng kích từ nhờ biến trở mắc ở kích từ của động cơ.Vì tăng điện trở mạch kích từ nên từ thông kích từ chỉ thay đổi về phía giảm so với từ thông định mức”

3.Khởi động động cơ điện kích từ độc lập

“Nếu khởi động động cơ điện một chiều bằng phương pháp đóng trực tiếp thì ban đầu tốc độ động cơ bằng 0 nên dòng khởi động ban đầu rất lớn.Như vậy nó đốt nóng mạnh động cơ và gây nên hiện tượng sụt áp lưới điện hoặc làm cho sự chuyển mạch gặp khó khăn hoặc momen mở máy quá lớn sẽ tạo ra các xung lực làm hệ truyền động bị giật,rung lắc và có thể gây nguy hiểm như vỡ bánh răng,đứt cáp,đứt xích……Tình trạng càng xấu hơn khi hệ TĐĐ thường xuyên phải khởi động,đảo chiều,hãm điện thường xuyên như ở các loại máy cán có đảo chiều,cần trục,thang máy,máy cắt…

Để đảm bảo an toàn cho máy, thường chọn: Ikđbđ = Inm ≤ Icp = 2,5Iđm

M w

Muốn thế,người ta đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng khi bắt đầu khởi động và sau đó loại dần chúng ra khỏi để đưa tốc độ động cơ xác lập

p

dm nm

R R

U I

p

R R

E U

do đó momen động cơ cũng giảm

Nếu cứ giữ nguyên điện trở phụ trong mạch phần ứng thì khi tốc độ tăng theo đường đặc tính 1 tới B thì momen động cơ giảm từ momen mở máy xuống bằng momen cản,động cơ sẽ quay ổn định với tốc độ thấp.Do vậy,khi momen giảm đi một giá trị nào đó thì phải cắt dần điện trở phụ để động cơ tiếp tục quá trình mở máy cho đến điểm A trên đường đặc tính cơ

tự nhiên

Khi bắt đầu cấp điện cho động cơ với toàn bộ điện trở khởi động, mômen ban đầu của động cơ sẽ có giá trị là Mmm Mômen này lớn hơn mômen cản tĩnh Mc do đó động cơ bắt đầu được gia tốc Tốc độ càng tăng lên thì mômen động cơ càng giảm xuống Trong quá trình đó mômen động (chênh lệch giữa mômen động cơ và mômen cản: ΔM = MĐ - MC) giảm dần nên hiệu quả gia tốc cũng giảm theo Đến một tốc độ nào đó, tiếp điểm 1G đóng lại, một đoạn điện trở khởi động bị nối tắt Mômen động cơ lại tăng lên, gia tốc lớn hơn và sau đó gia tốc lại giảm dần khi tốc độ tăng Tiếp theo quá trình lại xảy ra tương tự như vậy: sau khi đóng tiếp điểm 2G mômen động cơ giảm và tiếp điểm 3G đóng lại thì động cơ chuyển sang làm việc trên đặc tính cơ tự nhiên”

a b

Hình 1.8.Sơ đồ khởi động và đặc tính cơ lúc khởi động của động cơ điện 1

chiều kích từ độc lập với 3 cấp điện trở

1.2.2 Động cơ một chiều kích từ nối tiếp

1.Phương trình đặc tính cơ

“Với cách mắc nối tiếp, dòng điện kích từ bằng dòng điện phần ứng Ikt =

Iư nên cuộn dây kích từ nối tiếp có tiết diện dây lớn và số vòng dây ít Từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng, tức là phụ thuộc vào tải:

∅ = K'.Iư

Trong đó K' là hệ số phụ thuộc vào cấu tạo của cuộn dây kích từ

Phương trình trên chỉ đúng khi mạch từ không bão hoà từ và khi dòng điện Iư< (0,8.0,9) Iđm

Tiếp tục tăng Iư thì tốc độ tăng từ thông ∅ chậm hơn tốc độ tăng Iư rồi sau đó khi tải lớn (Iư> Iđm) thì có thể coi ∅=const vì mạch từ đã bị bão hòa Xuất phát từ các phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều nói chung:

'

'. .

R M K K



Thực tế, động cơ thường được thiết kế để làm việc với mạch từ bão hòa

ở vùng tải định mức Do vậy, khi tải nhỏ đặc tính cơ có dạng đường hypecbol bậc 2 và mềm, còn khi tải lớn (trên định mức) đặc tính có dạng gần thẳng và cứng hơn vì mạch từ đã bảo hòa (∅ = const) Khi MC = 0 (Iư = 0), theo phương trình đặc tính cơ (1.15) thì trị số ω sẽ vô cùng lớn Thực tế

do có lực ma sát ở cổ trục động cơ và mạch từ khi Ikt = 0 vẫn còn có từ dư (∅dư ≠ 0) nên khi không tải

Tốc độ này không phải lớn vô cùng nhưng do từ dư dư nhỏ nên ω0

cũng lớn hơn nhiều so với trị số định mức (5 ÷ 6) ωđm và có thể gây hại và nguy hiểm cho hệ TĐĐ Vì vậy không được để động cơ một chiều kích từ nối tiếp làm việc ở chế độ không tải hoặc rơi vào tình trạng không tải Không dùng động cơ một chiều kích từ nối tiếp với các bộ truyền đai hoặc ly hợp

ma sát Thông thường,

tải tối thiểu của động cơ là khoảng (10 ÷ 20)% định mức Chỉ những động cơ công suất rất nhỏ (vài chục Watt) mới có thể cho phép chạy không tải”

Hình 1.9.Đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

2.Ảnh hưởng các thông số với đặc tính cơ

“Ở động cơ điện này,dòng phần ứng là dòng kích từ nên tải của động cơ hầu như không bị ảnh hưởng bởi điện áp

Phương trình đặc tính cơ (1.15) cho thấy đặc tính cơ bị ảnh hưởng bởi điện trở mạch động cơ.Đặc tính cơ tự nhiên cao nhất ứng với điện trở phụ bằng 0”

Hình 1.10.Ảnh hưởng của điện trở mạch phần ứng tới đặc tính cơ động cơ

điện một chiều kích từ nối tiếp

Trị số Mmm suy từ phương trình đặc tính cơ khi cho ω = 0

2 '

.

R

U K K

3.Mở máy động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

“Lúc mở máy động cơ,ta phải đưa thêm điện trở vào mạch động cơ để hạn chế dòng khởi động không vượt quá 2,5 Idm.Trong quá trình động cơ tăng tốc,phải cắt dần điện trở phụ và khi kết thúc quá trình này,động cơ sẽ làm việc trên đường đặc tính cơ tự nhiên không có điện trở phụ.Khi động cơ được cấp điện, các tiếp điểm K1 và K2 mở để nối các điện trở R1 và R2 vào mạch động cơ Dòng điện qua động cơ được hạn chế trong giới hạn cho phép ứng với mômen mở máy: Mmm = M1 = (2÷2,5) Mđm

Động cơ bắt đầu tăng tốc theo đặc tính cơ 1 từ điểm a đến điểm b Cùng với quá trình tăng tốc, mômen động cơ giảm dần Tới điểm b, tốc độ động cơ

là ω2 và mômen là M2=(1,1 ÷ 1,3)Mđm thì tiếp điểm K2 đóng, cắt điện trở mở

máy R2 ra khỏi mạch động cơ Động cơ chuyển từ đặc tính cơ 2 sang làm việc tại điểm c trên đặc tính cơ 1 Thời gian chuyển đặc tính vô cùng ngắn nên tốc độ động cơ

coi như giữ nguyên Đoạn bc song song với trục hoành OM Lúc này mômen động cơ lại tăng từ M2 lên M1, động cơ tiếp tục tăng tốc nhanh theo đặc tính cơ 1 Khi mômen động cơ giảm xuống còn M2 thì điện trở mở máy

R1 còn lại được cắt nốt ra khỏi mạch động cơ nhờ đóng tiếp điểm K1 Động

cơ chuyển sang làm việc tại điểm e trên đặc tính cơ tự nhiên và lại tăng tốc theo đặc tính này tới làm việc tại điểm A Tại đây, mômen động cơ MĐ cân bằng với mômen cản MC nên động cơ sẽ quay với tốc độ ổn định ωA”

Hình 1.11.Sơ đồ mở máy động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp qua 2 cấp

Hình 1.12.Cấu trúc hệ thống truyền động điện

“BĐ là bộ biến đổi dùng để biến đổi dòng điện,biến đổi loại

nguồn(nguồn áp thành nguồn dòng và ngược lại),biến đổi mức điện áp,số pha,tần số…các bộ biến đổi thường dùng là bộ biến đổi máy phát động cơ,chỉnh lưu không điều khiển,có điều khiển”…

“Đ là động cơ điện dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hay

ngược lại khi hãm điện xảy ra.Ta có các động cơ điện thường dùng là động

cơ một chiều kích từ song song,nối tiếp,động cơ xoay chiều đồng bộ

TBL là khâu truyền lực dùng để truyền lực từ động cơ điện đến cơ cấu

sản xuất hoặc làm phù hợp về tốc độ,momen,lực.Để truyền lực ta có thể sử dụng các bánh răng,thanh răng,xích,dây chuyền,dây curoa,các bộ cơ điện từ…

M là máy sản xuất hoặc cơ cấu thực thi nhiệm vụ như dịch chuyển,tịnh

tiến,nâng hạ cần,tải trọng,gia công công nghệ…

ĐK là khâu điều khiển là các thiết bị dùng để điều khiển các bộ biến đổi

BĐ,động cơ Đ,thiết bị truyền lực.Khối điều khiển gồm các cơ cấu điều khiển đóng cắt,đo lường,các bộ điều chỉnh tham số và công nghệ,thiết bị đóng cắt

rơ le,cảm biến như cảm biến ánh sang,hành trình”

1 Theo đặc điểm của động cơ điện

-“Truyền động điện một chiều:Dùng động cơ điện một chiều được sử dụng cho các máy có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ,momen vè có chất lượng điều chỉnh cao.Tuy nhiên,động cơ điện một chiều có cấu tạo khá phức tạp,giá thành cao hơn nữa đòi hỏi có nguồn một chiều nên nếu không có yêu cầu về chất lượng điều chỉnh thì người tat hay thế bằng động cơ điện KĐB -Truyền động điện KĐB dùng động cơ điện không đồng bộ.Nó có ưu điểm là cấu tạo đơn giản,dễ chế tạo,an toàn cho người vận hành,sử dụng nguồn trực tiếp từ lưới điện 3 pha.Trong những năm gần đây,truyền động điện không đồng bộ không phát triển mạnh mẽ do sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo thiết bị bán dẫn công nghiệp và kỹ thuật điện tử -Truyền động điện đồng bộ dùng động cơ đồng bộ 3 pha.Động cơ điện đồng bộ trước đây dùng trong truyền động không điều chỉnh tốc độ,công suất lớn đến hàng MW”

2.Theo thiết bị biến đổi

-“Hệ máy phát - động cơ:Động cơ điện một chiều cấp điện từ máy phát điện một chiều(bộ biến đổi máy điện)

-Hệ chỉnh lưu - động cơ:Động cơ điện một chiều được cấp điện từ bộ chỉnh lưu điot hoặc Thyristor”

3.Theo tính năng điều chỉnh

“Truyền động điện không điều chỉnh:Động cơ chỉ quay máy sản xuất với tốc độ nhất đinh

Truyền động điện có điều chỉnh:Động cơ điện có tốc độ điều chỉnh được như điều chỉnh momen,lực kéo”

CHƯƠNG 2.TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC 2.1.Khái niệm,phân loại và ứng dụng của bộ biến đổi DC/DC

2.1.1.Khái niệm

“Bộ biến đổi DC/DC là một mạch điện có khả năng chuyển đổi từ nguồn một chiều này sang nguồn một chiều khác có mức điện áp khác.Chúng rất cần thiết,bởi không giống như nguồn xoay chiều,nguồn một chiều không thể tăng hoặc giảm giá trị điện áp ra bằng biến áp

Với một nguồn DC lấy từ ắc quy hoặc từ lưới điện xoay chiều thông qua biến áp,chỉnh lưu,điện áp đầu ra thường không ổn định do có thành phần gây dao động.Để điện áp ra ổn định và loai bỏ thành phần gây dao động thì

ta sử dụng thêm bộ điều chỉnh điện áp(Voltage Regulator).Cho đến nay,có hai dạng bộ điều chỉnh là Linear Regulator và Switching Regulator.Các bộ điều chỉnh này có thể được xây dựng từ các linh kiện,IC hay vi điều khiển”

2.1.2.Phân loại

-“Theo phương pháp chuyển đổi có:

+Bộ biến đổi dùng tụ điện

+Bộ biến đổi dùng cuộn cảm

+Bộ biến đổi dùng cả 2 phương pháp trên

-Theo bộ điều chỉnh có:

+Linear Regulator(Bộ điều chỉnh tuyến tính)

Trường hợp này,năng lượng được truyền từ một cách liên tục từ đầu vào qua bộ biến đổi tới đầu ra

+Switching Regulator(Bộ điều chỉnh chuyển mạch)

Trường hợp này,năng lượng được truyền từ đầu vào qua bộ biến đổi tới đầu ra có sự thay đổi kiểu nhảy bậc

-Theo mức điện áp ra so với mức điện áp vào:

+Buck or Step down Converter(Bộ giảm áp):Là bộ biến đổi mà có giá trị điện áp một chiều ở đầu ra nhỏ hơn giá trị đầu vào

+Boost or Step up Converter(Bộ tăng áp):Là bộ biến đổi là điện áp ra lớn hơn điện áp đầu vào

-Theo sự liên hệ vật lý giữa đầu vào và đầu ra

+ Non-isolating Converter (Bộ biến đổi không có cách ly):Là các bộ biến đổi mà có đầu vào và đầu ra có liện hệ trực tiếp với nhau về điện

Thường thấy dạng này trong các bộ Buck converter hoặc Boost converter

-+Isolating Converter (Bộ biến đổi có cách ly):Là các bộ biến đổi có đầu vào và đầu ra không có liên hệ trực tiếp với nhau vềđiện.Thường thấy dạng này trong các bộ Flyback converter hoặc Bridge converter.Với việc sử dụng máy biến áp xung giữ vai trò cách ly và tạo tỷ số điện ápra/vào”

2.1.3.Ứng dụng

“Tất cả các mạch điện tích cực,dù là mạch số hay mạch tương tự đều cần có nguồn điện.Thậm chí,nhiều hệ thống điện tử còn cần nhiều cấp nguồn điện một chiều

Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng nhiều trong các thiết bị điện tử như:ô

tô điện,năng lượng tái tạo,máy tính xách tay,radio cầm tay,điện thoại,y tế….là các thiết bị mà các thành phần của nó thường có các mức điện áp hoạt động khác nhau trong khi chúng có một nguồn duy nhất là pin hay acquy.Mặt khác với các thiết bị dùng pin hay acquy,sau một thời gian điện

áp sẽ bị sụt.Khi đó bộ biến đổi sẽ có nhiệm vụ nâng điện áp lên theo yêu cầu”

2.2.Bộ biến đổi DC/DC hai chiều

2.2.1.Mạch công suất bộ biến đổi

“Bộ DC/DC hai chiều có khả năng điều khiển dòng theo hai chiều: Một chiều cấp năng lượng ra tải và một chiều thu hồi lại năng lượng thừa từ tải

Sơ đồ nguyên lý của mạch DC/DC như hình sau:

Hình 2.1.Sơ đồ nguyên lý mạch công suất bộ biến đổi

*Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi :

Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi theo hai chế độ là bộ Buck converter trong chế độ cấp năng lượng ra tải và bộ Boost converter trong chế độ hoàn trả năng lượng từ tải”

1 Bộ Buck Converter(Hạ áp)

L

R L

1 C

2 C

±

V 1

S 1

S 2

“Bộ giảm áp tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào,việc điều khiển các khóa chuyển mạch đơn giản,chỉ đóng và mở các khóa theo chu kỳ,kết quả tạo ra điện áp nhỏ hơn đầu vào.Bộ buck được dùng để điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp chất lượng cao như mạch nguồn máy tính và các thiết bị đo lường.Bộ buck còn được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Buck

Nguyên lý hoạt động:

Sau khi van đóng,điện áp chênh lệch giữa ngõ vào và ngõ ra đặt lên điện cảm,làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian.Khi van ngắt,điệnncảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận.Điện áp đặt vào điện cuộn cảm lúc này ngược dấu với khi khóa (van) đóng và có độ lớn bằng điện áp ngõ ra cộng với điện áp rơi trên diode,khiến cho dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian.Tụ điện ngõ ra có giá trị đủ lớn để dao độ ng điện áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn cho phép.Ở trạng thái xác lập,dòng điện đi qua điện cảm

sẽ thay đổi tuần hoàn,với giá trị của dòng điện ở cuối chu kỳ trước bằng với giá trị của dòng điện ở đầu chu kỳ sau.Xét trường hợp dòng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng điện qua điện cảm là liên tục.Vì điện cảm không tiêu thụ năng lượng (điện cảm lý tưởng),hay công suất trung bình trên điện cảm là bằng 0,và dòng điện trung bình của điện cảm là khác 0,điện áp rơi trung bình trên điện cảm phải là 0.Gọi T là chu kỳ chuyển mạch

(switchingcycle),T1 là thời gian đóng khóa (van),và T2 là thời gian ngắt

S

V l

_+

+_

L

khóa (van).Như vậy,T=T1+T2.Giả sử điện áp rơi trên diode,và dao động điện

áp ngõ ra là khá nhỏ so với giá trị của điện áp ngõ vào và ngõ ra.Khi đó,điện

áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa (van) là (T1/T)×(Vin

−Vout),còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa

(van)là−(T2/T)×Vout

* Các giả định cho bộ biến đổi:

-IGBT và diode công suất là các van lý tưởng

- Dung kháng đầu ra của van bán dẫn, cảm kháng của dây dẫn bằng 0

Do đó,tổn thất trong quá trình đóng cắt có thể bỏ qua

- Các phần tử thụ động là tuyến tính, không thay đổi theo thời gian, độc lập với tần số

- Trở kháng ra của nguồn điện là bằng 0 với cả thành phần dòng xoay chiều và một chiều

- Bộ biến đổi làm việc ở trạng thái ổn định

- Chu kì đóng cắt T=1/f-u nhỏ hơn nhiều lần hằng số thời gian bão hòa của các phần tử

Bộ biến đổi được chọn hoạt động trong chế độ dẫn dòng liên tục của cuộn kháng L

*Xét trong một chu kì đóng cắt T:tOn là thời gian van S dẫn

tOFF là thời gian van S khóa

D=tOn/T là chu kì nhiệm vụ

L

i

 là biên độ dao động dòng điện cuộn cảm   i L i Lmax  i Lmin

- Trong khoảng thời gian từ 0<t<DT: Trong giai đoạn này, van S dẫn ,điện áp đặt trên diode la –UI làm cho diode phân cực ngược và ngắt Điện áp trên van S và dòng qua diode xấp xỉ 0

Điện áp trên cuộn cảm L được xác định là:

Và biên độ dao động dòng điện cuộn cảm được xác định theo là:

Với i(0) là giá trị dòng ban đầu qua cuộn cảm tại t=0

-Trong khoảng thời gian DT<t<T

Trong giai đoạn này, van S ngắt, điện áp đặt trên diode phân cực thuận và dẫn

Từ phương trình hàm truyền điện áp bộ biến đổi (2.8), ta thấy:

Với 0<D<1, điện áp ra UO luôn nhỏ hơn điện áp vào UI Và để điều chỉnh hay ổn định điện áp ra mạch điều khiển bộ biến đổi sẽ phải điều chỉnh giá trị của D

Một chú ý khác là giá trị biên độ dao động của dòng điện qua cuộn khángi L là độc lập với dòng điện ra IO, nó chỉ phụ thuộc vào điện áp vào UI

và do đó phụ thuộc vào chu lì nhiệm vụ D

Cuộn kháng được chọn để bộ biến đổi hoạt động trong chế độ dòng điện qua cuộn kháng là liên tục CCM”

Trong chế độ này IL,DC=IO,DC và có ,

Hình 2.3.Đồ thị dòng điện cuộn kháng trong chế độ dẫn dòng liên tục bộ Buck

2.Bộ Boost converter ( Tăng áp)

“Bộ boost converter có tác dụng điều chỉnh điện áp đầu ra lớn hơn điện

áp đầu vào Vì vậy boost converter còn gọi là bộ tăng áp.Điện áp DC đầu vào mắc nối tiếp với một cuộn cảm khá lớn có vai trò như một nguồn dòng Một khóa chuyển mạch mắc song song với nguồn dòng này và được đóng mở