Bài giảng tổng hợp hệ điện cơ (chương 5)

Khái niệm chung Trong nhiều năm lại đây, hệ thống điều tốc sử dụng BBĐ một chiều- một chiều xung điện áp áp dụng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung, thường gọi là hệ thống điều tốc điề

Chương 5:

Hệ thống truyền động động cơ một chiều sử dụng BBĐ một chiều - một chiều (Xung điện áp)

5.1 Khái niệm chung

Trong nhiều năm lại đây, hệ thống điều tốc sử dụng BBĐ một chiều- một chiều (xung điện áp) áp dụng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung, thường gọi là hệ thống điều tốc

điều chế độ rộng xung một chiều kiểu PWM, sử dụng các linh kiện bán dẫn transitor GTO, P-MOSFET và IGBT được sử dụng khá nhiều, so sánh với hệ thống T-Đ, chúng có rất nhiều

ưu điểm:

Chương 5:

5.1 Khái niệm chung

(1) Mạch lực (mạch điện chính) đơn giản, sử dụng ít dụng cụ công suất; (2) Tần số đóng cắt cao, dễ duy trì dòng điện liên tục, sóng hài ít, tổn hao và phát nhiệt của động cơ khá nhỏ;

(3) Có khả năng vận hành ở tốc độ thấp, độ chính xác cao, cho phạm vi

điều tốc rộng;

(4) Độ tác động nhanh cao, khả năng chống nhiễu trạng thái động tốt; (5) Tổn hao trên các linh kiện của mạch lực nhỏ nên hiệu suất thiết bị khá cao;

(6) Để cấp nguồn cho BBĐ sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không

điều khiển nên có hệ số công suất cao

Vì vậy, chương này tập trung nghiên cứu loại hệ thống này.

5.1 Khái niệm chung

(5) Tổn hao trên các linh kiện của mạch lực nhỏ nên hiệu suất thiết bị khá cao;

(6) Để cấp nguồn cho BBĐ sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển nên có hệ số công suất cao

Vì vậy, chương này tập trung nghiên cứu loại hệ thống này.

Do sự hạn chế về công suất, hệ điều tốc PWM một chiều hiện nay thường dùng ở hệ thống công suất nhỏ và vừa, theo đà phát triển của công nghiệp bán dẫn công suất, lĩnh vực ứng dụng của nó ngày một

mở rộng.

Bộ biến đổi PWM có hai loại đảo chiều và không đảo chiều, bộ biến đổi đảo chiều lại có kiểu điôt, một cực và kiểu một cực bị hạn chế Dưới đây sẽ trình bày nguyên lý làm việc và đặc tính của các loại đó.

5.2 Bộ biến đổi điều chế độ rộng xung (PWM)

5.2.1 Bộ biến đổi PWM không đảo chiều

Hình 5.1: Mạch điện của bộ biến đổi PWM không đảo chiều đơn giản

(xung điện áp một chiều) a) sơ đồ nguyên lý b) đồ thị dòng điện và điện áp

CKĐ

-CK

Tr

Ud

Đ

D0

+

-C0

uB

id

ut

Ud

t

EĐ

0 tđ Tck

id

đ

ck

t

T

5.2 Bộ biến đổi điều chế độ rộng xung (PWM)

5.2.1 Bộ biến đổi PWM không đảo chiều

Hình 5.2: Mạch điện bộ biến đổi PWM không đảo chiều có mạch h m ã a) Sơ đồ nguyên lý; b) Đồ thị điện áp và dòng điện trạng thái động cơ;

CK

Tr2

1

uB2

uB1

Tr1

D2

D1

Đ

C0

Ud 4

2

3

id

ut

Ud

t

EĐ

0 tđ Tck

uB1= - uB2

t

0 tđ Tck

UTB

ut id

Tr1 D2 Tr1 D2 Tr1

5.2 Bộ biến đổi điều chế độ rộng xung (PWM)

5.2.1 Bộ biến đổi PWM không đảo chiều

Hình 5.2: Mạch điện bộ biến đổi PWM không đảo chiều có mạch h m ã

c) Đồ thị điện áp và dòng điện trạng thái h m; d) Đồ thị điện áp và dòng điện ã

trạng thái động cơ tải nhẹ

t

uB1= - uB2

0 tđ Tck

uB1= - uB2

t

D1 Tr2

D1 Tr2

ut

Ud

t

ut id

id

EĐ

UTB

d

id

ut

Ud

t

EĐ

UTB

ut id

4

1

2

3 4

1

2

3 4

1

c

4

5.2 Bộ biến đổi điều chế độ rộng xung (PWM)

5.2.2 Bộ biến đổi PWM có đảo chiều

5.2.2.1 Bộ biến đổi PWM đảo chiều kiểu điôt

Hình 5.3: Mạch điện bộ biến đổi PWM có đảo chiều dạng H kiểu đi ốt

1

+

D1

D4

Đ

Ud

Tr1

uB1

uB4

Tr4

Tr3

uB3

uB2

Tr2

D3

D2 4

2

3

ut

id

5.2.2.1 Bộ biến đổi PWM đảo chiều kiểu điôt

Hình 5.4: Đồ thị dòng áp của hệ truyền động đảo chiều dùng bộ biến đổi PWM

dạng H kiểu đi ốt

uB3= uB4

t

D1, D2 Tr3, Tr4 D1, D2 Tr3, Tr4 D1, D2

uB1= uB2

t

Tr1, Tr2 D3, D4 Tr1, Tr2 D3, D4 Tr1, Tr2

id1

t 0

tđ

Tck 4

id2

1

id

ut

Ud

UTB

ut

t -Ud

5.2.2.1 Bộ biến đổi PWM đảo chiều kiểu điôt

Điện áp trung bình đầu ra của bộ biến đổi PWM (điện áp trên động cơ) đảo chiều kiểu điôt được biểu thị bằng công thức:

tđ sẽ khác với trước kia, cụ thể, trong trường hợp này:

−

đ

2t

1 T

γ = −

Khi điều tốc, phạm vi thay đổi của γ trở thành –1 < γ <1 Khi γ > 0

động cơ bằng không, nhưng điện áp tức thời ở hai đầu mạch rotor và dòng

điện không phải bằng 0 mà chỉ có thành phần xoay chiều, nên tổn hao công suất trên động cơ vẫn còn

5.2.2.1 Bộ biến đổi PWM đảo chiều kiểu điôt

Ưu điểm của bộ biến đổi PWM kiểu điôt như sau:

(1) Dòng điện động cơ liên tục;

(2) Cho phép cho động cơ có thể làm việc ở 4 góc phần tư hệ toạ độ;

(3) Lúc động cơ ngừng quay vẫn có dao động nhỏ của dòng điện, có thể loại bỏ vùng chết ma sát tĩnh;

(4) Khi làm việc ở tốc độ thấp, xung khống chế cực gốc của các transitor

đều khá rộng, tạo thuận lợi cho các transitor chắc chắn được mở;

(5) Tính ổn định tốt ở tốc độ thấp, phạm vi điều tốc đạt tới khoảng 20000:1.

Nhược điểm của bộ PWM là:

Trong quá trình làm việc, 4 transitor công suất thay nhau làm việc, tổn hao

Để khắc phục sự cố này thường phải bố trí thêm thiết bị logic

5.2.2.2 Bộ biến đổi PWM đảo chiều kiểu một cực

Để khắc phục khuyết điểm trên đây của bộ biến đổi kiểu điôt, đối với những hệ thống có yêu cầu chất lượng động và tĩnh tương đối thấp, có thể dùng bộ biến đổi PWM kiểu một cực Sơ đồ mạch điện của nó cũng gống như kiểu điôt (hình 5.3), chỉ khác nhau ở chỗ tín hiệu xung điều khiển cực gốc các transitor Trong bộ biến đổi kiểu một cực, xung điều khiển cực

cực gốc của hai transitor phía phải Tr 3 và Tr 2 thì đ khác, chuyển thành tín ã hiệu một chiều khác nhau tuỳ thuộc yêu cầu chiều quay của động cơ Lúc

động cơ quay thuận, điện áp u B3 luôn âm, còn u B2 luôn dương, khi đó Tr 3

u B3 luôn dương, còn u B2 luôn âm, nên Tr 3 luôn mở, còn Tr 2 khoá lại

Lúc non tải, dòng điện trong một chu kỳ cũng sẽ đổi chiều và vẫn

đảm bảo tính liên tục của dòng động cơ.

5.2.2.2 Bộ biến đổi PWM đảo chiều kiểu một cực

Do trong hai transitor Tr 3 và Tr 2 của bộ biến đổi một cực bao giờ cũng có một luôn mở, một luôn khóa, do đố tổn hao do mở khóa ở đây đ ã giảm so với ở bộ biến đổi hai cực

Bảng 5.1: So sánh bộ biến đổi PWM đảo chiều hai cực và một cực (khi chịu tải lớn)

5.2.2.3 Bộ biến đổi PWM một cựcbị hạn chế

Bộ biến đổi một cực so với bộ biến đổi hai cực về mặt tiêu hao công suất đóng cắt và độ tin cậy có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn còn yêu cầu hai

5.3, có thể phát hiện ra rằng, lúc động cơ quay chiều thuận, trong khoảng thời gian 0 ≤ t < t đ , Tr 4 bị khoá lại, trong khoảng thời gian t đ ≤ t < T ck , do

điều khiển kiểu một cực bị hạn chế.

tăng điện áp trung bình theo quan hệ:

ck

T

−

5.2.2.3 Bộ biến đổi PWM một cựcbị hạn chế

Hình 5.5: Đồ thị điện áp, dòng điện khi tải nhẹ của hệ thống điều tốc PWM một cực bị hạn chế

id

Ud

EĐ

ut

ut

tn

uB

t

uB3=uB4 0

5.3 Đặc tính cơ vòng hở của hệ thống điều tốc điều chế độ rộng xung

5.4 Hàm số truyền của bộ biến đổi PWM

Quy luật điều khiển và mô hình toán học trạng thái động của

hệ thống điều chế độ rộng xung so với hệ thống tiristor - động cơ một chiều không có gì khác nhau, duy chỉ có một chỗ đặc biệt là hàm số truyền của bộ điều chế độ rộng xung và bản thân bộ biến đổi PWM Dựa vào nguyên lý làm việc của chúng, khi thay đổi điện áp

sau mới thay đổi được Vì vậy, bộ biến đổi PWM có đặc tính của một khâu trễ Thời gian trễ lớn nhất của nó không vượt quá một chu kỳ

Tck

5.4 Hàm số truyền của bộ biến đổi PWM

Cũng xử lý tương tự như hàm số truyền bộ chỉnh lưu điều khiển bằng tiristor,

thức:

có thể coi khâu trễ gần đúng là khâu quán tính cấp bậc nhất Vì thế, hàm số truyền của bộ biến đổi PWM có thể viết thành:

c

ck

1 3T

ω ≤

PWM PWM

ck

K

W (s)

T s 1

=

+

trong đó: hệ số khuếch đại của bộ biến đổi PWM;

U TB là điện áp trung bình đầu ra của bộ biến đổi PWM;

đổi PWM

TB PWM

đk

U K

u

=