Thiết kế bộ băm xung áp một chiều điều khiển động cơ truyền động........ trong ôtô

Thiết kế bộ băm xung áp một chiều điều khiển động cơ truyền động........ trong ôtô

TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP- TỰ DO- HẠNH PHÚC

*Số liệu cho trước:

- Thông số động cơ một chiều P=1kw, U=48V, n =1000vòng/phút

* Chế độ tĩnh:

- Yêu cầu dải điều chỉnh tốc độ D = 30/1; sai lệch tĩnhSt ≤ 3%

* Chế độ động:

- Với đặc tính dòng quá độ:

+ Thời gian quá độ tqđ ≤ 3s

+ Lượng quá điều chỉnh max ≤ 25%

- Với đặc tính tốc độ quá độ:

+ Thời gian quá độ tqđ ≤ 2s

+ Lượng quá điều chỉnh max ≤ 30%

*Nội dung cần hoàn thành:

1.Phân tích yêu cầu công nghệ của hệ thống

2.Thiết kế hệ thống :

-Thiết kế mạch lực

-Thiết kế mạch điều khiển

3.Phân tích và hiệu chỉnh hệ thống

-Phân tích các tiêu chuẩn của hệ thống

-Nếu các tiêu chuẩn không thoả mãn thì sử dụng các bộ điều chỉnh phụ trợ đểhiệu chỉnh cho thoả mãn các tiêu chuẩn của hệ thống

Giáo viên hướng dẫn Ngày giao đề : 10 tháng 4 năm 2006 Ths Nguyễn Phương Thảo Ngày hoàn thành:3 tháng 6 năm 2006

Ngày …tháng… năm2006

Chủ nhiệm bộ môn

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

…………

Giáo viên hướng dẫn:

Lời nói đầu

Trong giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại hoá nền kinh tế đất nước, ngày càng cónhiều thiết bị bán dẫn công suất hiện đại được sử dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnhvực sản xuất, phục vụ đời sống con người Trong giao thông việc sử dụng đông cơxăng, điezen ngày càng có xu hướng giảm vì: Tiêu hao nhiều năng lượng, gây ônhiễm môi trường… Từ đó đòi hỏi sự thay thế các loại động cơ trên bằng động cơđiện là rất cần thiết Ngày nay với sự bùng nổ tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điềuchỉnh tự động đã đáp ứng được những yêu cầu trên Trước hết là phải kể đến các bộbiến đổi điện tử công suất, với kích thước gọn nhẹ, độ tác động nhanh Do đó, người

ta đã chế tạo ra bộ điều chỉnh động cơ được dùng trong lĩnh vực giao thông Đó làthiết bị băm điện áp được sử dụng nhiều trong truyền động đầu máy chạy điện tronggiao thông đường sắt, ôtô chạy điện, xe vận chuyển hàng trong nhà máy, trên bếncảng…

Trong nội dung đề tài này chúng em đưa ra bộ băm xung áp một chiều điềukhiển động cơ trong ôtô điện Vì bộ băm xung áp cho động cơ ôtô một chiều có sơ đồđiều khiển đơn giản tin cậy dễ thao tác trong vận hành điều khiển động cơ ôtô

Mặc dù rất cố gắng trong việc thiết kế nhưng do kiến thức có hạn nên khôngthể tránh khỏi một số hạn chế nhất định, mong các thầy cô đóng góp ý kiến để đồ ánđược hoàn thiện hơn

Cấu trúc và nội dung chính của đề tài :

Chương1: Phân tích yêu cầu của hệ thống(mô tả khái quát nguyên lý hoạt động củaôtô du lịch 4 chỗ của hãng TOYOTA)

Chương2: Tổng quan về động cơ điện một chiều (đặc tính truyền động và phươngpháp điều chỉnh tốc độ)

Chương3: Thiết kế hệ thống

Chương4: Phân tích và hiệu chỉnh hệ thống

CHƯƠNG1: PHÂN TÍCH YÊU CẦU CÔNG NGHỆ CỦA HỆ THỐNG

1 Vai trò và ứng dụng của động cơ điện trong lĩnh vực giao thông.

Vấn đề ứng dụng của động cơ điện nói chung trong truyền động điện sản xuấtcũng như ở đầu máy kéo là được sử dụng rộng rãi Hiện nay trong nhiều lĩnh vực khácnhau của đời sống, thì động cơ KĐB là loại động cơ được sử dụng rộng rãi nhờ tínhkinh tế, dễ chế tạo, chi phí vận hành bảo dưỡng sửa chữa thấp Tuy nhiên, trong một

số lĩnh vực nhất định đòi hỏi yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ, về khả năng quá tải,thì bản thân động cơ KĐB không thể đáp ứng được hoặc nếu thực hiện được thì phảichi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền Vì vậy, động cơđiện một chiều hiện tại vẫn là loại động cơ không thể thay thế được trong những lĩnhvực nói trên

Ứng dụng phổ biến của động cơ điện một chiều hiện nay trong các ngành sản xuấtnhư hầm mỏ, khai thác quặng, máy xúc và đặc biệt là trong các đầu máy kéo tải ở lĩnhvực giao thông Đó là nhờ hai đặc điểm quan trọng ưu việt của nó là :

 Khả năng điều chỉnh tốc độ tốt

 Khả năng quá tải tốt Đặc biệt ở loại động cơ kích thích nối tiếp và hỗn hợp

Ngoài hai đặc tính cơ bản trên, thì cầu trúc mạch lực và mạch điều khiển động

cơ điện một chiều đơn giản hơn nhiều so với động cơ KĐB, đồng thời lại đạt chấtlượng điều chỉnh cao hơn trong dải điều chỉnh rộng

Thực tế là ở các nước phát triển, việc dùng động cơ điện thay thế cho các loạiđộng cơ điêzen hoặc xăng là phổ biến Đó cũng là xu thế chung đối với toàn thế giớitrong tương lai Một mặt là vì có nguồn điện rộng rãi, tiến bộ nhảy vọt về công nghệbán dẫn cho phép chế tạo được nhiều bộ biến đổi điện năng gọn nhẹ, khả năng giớihạn dòng áp cao và tin cậy hơn Mặt khác, là động cơ điện không gây ô nhiễm môitrường như các loại động cơ khác, đồng thời cho hiệu suất cao Đây là một trongnhững đặc điểm quan trọng đưa đến việc đưa động cơ điện vào giao thông ngày càngrộng rãi hơn

Do cuộc khủng hoảng dầu mỏ từ đầu thập niên 70 của thế kỷ XX cùng với nhữngvấn đề môi trường ngày càng nghiêm trọng do khí thải xe ô tô, con người đã phátminh ra xe ôtô sử dụng động cơ lai hay còn có tên gọi khác là động cơ Hybrid

2 Động cơ Hybrid

Trong phạm vi đề tài này của chúng em đi nghiên cứu, thiết kế mạch điều khiển vàmạch động lực cho động cơ điện một chiều trong xe hơi Hybrid 4 chỗ của hãngTOYOTA

Động cơ hybrid nghĩa là lai, ôtô hybrid là dạng ôtô sử dụng động cơ tổ hợp Động

cơ hybrid là sự kết hợp giữa động cơ đốt trong thông thường với một động cơ điệndùng năng lượng ăcquy Bộ điều khiển điện tử sẽ quyết định khi nào thì dùng động cơđiện, khi nào thì dùng động cơ đốt trong, khi nào dùng vận hành đồng bộ và khi nàonạp điện cho ăcquy để sủ dụng về sau Loại xe này sử dụng hai loại nguồn lực khácnhau là động cơ đốt trong và động cơ điện Nhờ kết hợp 2 nguồn lực này với nhau mà

động cơ Hybrid chẳng những tiết kiệm nhiên liệu mà còn giảm thiểu tối đa ô nhiễmmôi trường Hình vẽ bên dưới là sơ đồ mô tả cấu tạo động cơ hybrid của hãngTOYOTA cho loại xe du lịch 4 chỗ Cấu tạo gồm có:

- Động cơ đốt trong (động cơ xăng) 1

- Bộ đổi điện 2: Thông thường, năng lượng bị tiêu hao khi xe ô tô giảm tốchay dừng lại nhưng trên Hybrid, phần năng lượng đó nhờ bộ đổi điện đượcchuyển thành điện và nạp vào pin Quá trình này diễn ra tự động và khôngyêu cầu bất cứ sự can thiệp nào của người lái

- Động cơ điện 3: Tạo ra năng lượng (động năng) để cho ô tô chuyển động

- Bộ chuyển đổi 4: Làm nhiệm vụ truyền năng lượng (động năng) do động cơđiện tạo ra ra ngoài hệ thống truyền lực của ô tô

- Ắc quy (pin): Làm nhiệm vụ tích trữ điện năng và cung cấp điện năng chođộng cơ điện làm việc

 Nguyên lý làm việc: Tùy theo cấu tạo của động cơ hybrid mà nguyên lý làm việccũng như vai trò của động cơ khác nhau Ta có sự so sánh hai hệ thống sau:

Hệ thống song song (hybrid parallel system)

Hình 1.1 Mô hình động cơ Hybrid

1 ắc quy

2 bộ đổi điện môtơ điện

4 bộ truyền lực động cơ xăng Hình 1.2 nguyên lý của hệ thống song song

Trong hệ thống song song, cả động cơ và motor điện cùng truyền lực tới các trục

xe, mức độ tuỳ theo các điều kiện khác nhau Đó được gọi là hệ thống song song vìdòng năng lượng tới các bánh đi song song Hệ thống này chỉ có một motor điện dovậy không thể cùng lúc vừa vận hành các bánh xe vừa nạp điện vào bình ăcquy Khinào motor làm nhiệm vụ một máy phát điện, dòng điện từ ăcquy sẽ thay thế vai tròcủa motor điện

Nhận xét: Hệ thống trên có nhược điểm là động cơ điện đóng vai trò vừa là máy phátnạp điện cho ăcquy vừa truyền lực tới trục bánh xe, vì vậy mà motor điện khôngtruyền lực cho bánh xe được liên tục nên động cơ xăng vẫn giữ vai trò chính do đótiêu tốn nhiều nhiên liệu (hình vẽ)

Từ nhận xét ta thấy hệ thống liên hoàn đã khắc phục được những nhược điểmđó

Hệ thống liên hoàn(series hybrid system)

động cơ xăng

Hình 1.3 Sơ đồ truyền động của động cơ Hybrid kiểu liên hoàn

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

Khoa Điện - Điện tử đồ án môn

học.

Khi động cơ xăng (engine) hoạt động, nó truyền năng lượng cho một máy phátđiện Dòng điện sinh ra chia làm hai phần, một để sạc cho bình ắc quy và một để cungcấp điện cho một động cơ điện một chiều (motor), bộ phận sẽ truyền năng lượng tớicác trục xe Đó được gọi là hệ thống liên hoàn vì năng lượng truyền theo một quátrình liên tục Một hệ thống Hybrid liên hoàn gồm có hai môto, một chính là môtơđiện và một là máy phát điện có cấu trúc tương tự

-Trong sơ đồ liên hoàn, động cơ đốt trong (động cơ xăng) kéo máy phát cung cấpđiện cho ăcquy và động cơ điện, ở đây không có sự liên hệ cơ khí nào giữa nguồnđộng lực và bánh xe Năng lượng được chuyển đổi từ hoá năng của nhiên liệu thành

cơ năng là quay rotor của máy phát tạo ra điện và từ điện năng lại chuyển thành cơnăng làm quay bánh xe

- Trong sơ đồ này động cơ đốt sẽ không khi nào hoạt động ở chế độ không tải nêngiảm được ô nhiễm môi trường Động

cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ

hoạt động tối ưu phù hợp với các loại

ôtô, sơ đồ này có thể không cần hộp

số

- Tỷ lệ sử dụng động cơ xăng và

môtơ điện trong hệ thống trên là

vì hệ thống liên hoàn sử dụng động cơ để sinh ra điện cho mô-tơ vận hành bánh xe,chúng có cùng lượng công việc như nhau

Hình 1.2 nguyên lý của hệ thống liên hoàn

3 Ứng dụng của động cơ điện một chiều trong ôtô điện

Có thể nêu ra đặc điểm quan trọng về truyền động trong xe Hybrid (xe 4 chỗ củaTOYOTA) là:

+ Yêu cầu cao trong việc điều chỉnh tốc độ, bao gồm những yêu cầu về dải điều chỉnhrộng, độ trơn điều chỉnh, điều chỉnh êm, khởi động động cơ nhanh

+ Yêu cầu cao về khả năng quá tải, vì tải kéo của đầu máy là không cố định

Ngoài ra, truyền động xe hơi 4 chỗ còn đòi hỏi cao về độ an toàn khi vận hành.Muốn vậy việc thiết kế phải đảm bảo đưa ra được một sơ đồ điều khiển đơn giản tincậy, dễ thao tác trong vận hành điều khiển động cơ ôtô Vì thực tế trong lĩnh vực giaothông còn đòi hỏi truyền động có đảo chiều, nên việc thiết kế cũng chú trọng đến vấn

đề đảo chiều quay động cơ

*) Những truyền động của động cơ điện một chiều trong xe Hybrid

- Có khả năng tăng tốc và giảm tốc dễ dàng

M

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1 Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều.

a.Động cơ điện kích thích độc lập hoặc song song.

Phương trình đặc tính cơ: Biểu thị quan hệ giữa tốc độ (n)và mômen (M)

ω= U u KΦΦ−

R u+R f

(KΦΦ )2 M

Với những điều kiện U=const, It=const thì từ thông của động cơ hầu như không

đổi Vì vậy quan hệ trên là tuyến tính

và đường đặc tính cơ của động cơ làđường thẳng

11

b Động cơ điện kích thích nối tiếp.

Ở động cơ điện kích thích nối tiếp, dòng điện kích thích chính là dòng điện phầnứng : It= Iư=I Vậy trong phạm vi khá rộng có thể biểu thị:

=K.I

trong đó hệ số tỷ lệ K chỉ là hằng số trong vùng I <0,8Iđm ; còn khi I >(0,8  0,9)Iđm

thì hơi giảm xuống do hiện tượng bão hoà mạch từ

Như vậy, biểu thức đặc tính cơ có dạng:

12

việc với tải tối thiều P2=(0,2  0,25)Pđm Từ dạng đặc tính cơ ta cũng có nhận xét làđặc tính cơ của động cơ kích thích nối tiếp rất mềm  động cơ nối tiếp rất ưu việttrong những nơi cần mở máy nặng nề và cần tốc độ thay đổi trong một vùng rộng

c Động cơ điện kích thích hỗn hợp:

Loại này được chế tạo gồm hai cuộn dây nối tiếp và song song Tác dụng của dâyquấn kích thích song song và nối tiếp bù nhau hoặc ngược nhau Trên thực tế người tachỉ sử dụng loại kích thích hỗn hợp bù vì động cơ ngược không đảm bảo được điềukiện làm việc ổn định Động cơ kích thích hỗn hợp bù có đặc tính cơ mang tính chấttrung gian giữa hai loại kích thich song song và nối tiếp Khi tải tăng thì từ thôngtăng, do đó đặc tính cơ của động cơ kích thích hỗn hợp bù mềm hơn so với đặc tính

cơ của động cơ kích thích song song Tuy nhiên mức độ tăng của từ thông khôngmạnh như ở động cơ kích thích nối tiếp cho nên đặc tính cơ của động cơ điện kíchthích hỗn hợp bù cứng hơn so với đặc tính cơ của động cơ kích thích nối tiếp

Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp được điều chỉnhnhư ở trường hợp động cơ kích thích song song; dù rằng về nguyên tắc có thể áp dụngnhững phương pháp điều chỉnh tốc độ dùng cho động cơ kích thích nối tiếp

Từ những tính chất của từng loại động cơ như đã trình bày ở trên, so sánh với đặc tínhtải và những yêu cầu của truyền động trong lĩnh vực giao thông ta thấy rằng loại động

cơ kích thích nối tiếp và kích thích hỗn hợp kiều bù là đáp ứng được những yêu cầu

về truyền động Ta có thể nêu ưu điểm của hai loại động cơ này so với động cơ kíchthích độc lập hoặc song song đứng trên quan điểm xét sự phù hợp với đặc tính tải:+ Đặc tính cơ mềm và độ cứng thay đổi theo phụ tải Điều này rất thích hợptrong giao thông có yêu cầu tốc độ thay đổi theo tải

+ Có khả năng quá tải lớn về mômen và khả năng khởi động tốt hơn Nhờ vậycho phép làm việc ở môi trường kéo tải nặng nề.

+ Vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng phần ứng Iư nên khả năngchịu tải của động cơ không chịu ảnh hưởng của sụt áp lưới điện nên rất thích hợp chonhững truyền động dùng trong ngành giao thông có đường dây cung cấp điện đi kèmtheo tải

Thực tế trong lĩnh vực này động cơ kích thích nối tiếp được sử dụng Tuy nhiênngười ta cũng dùng cả động cơ kích thích hỗn hợp vì nó cho phép thực hiện hãm táisinh năng lượng mà vẫn đảm bảo tốt các yêu cầu truyền động

2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ.

Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kéo tải trong giao thông có thểdùng phương pháp điện kết hợp cả phương pháp cơ qua cơ cấu bánh răng để tăng dảiđiều chỉnh Điều chỉnh bằng phương pháp điện càng tốt bao nhiêu càng giảm độ phứctạp & cồng kềnh của cơ cấu cơ khí bấy nhiêu

Thực tế tồn tại hai phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều:

 Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ, tức là thay đổi Uư

 Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ, tức là thay đổi từ thông 

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi  có thể thay đổi được liêntục và giữ được hiệu suất của động cơ là không đổi vì sự điều chỉnh dựa trên việc tácdụng lên mạch kích thích có công suất nhỏ so với công suất động cơ Nhưng do bìnhthường động cơ làm việc ở chế độ định mức, ứng với kích thích tối đa (=đm=max),nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông, tức là điều chỉnh tốc độ trongvùng trên tốc độ và giới hạn điều chỉnh tốc độ bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và

đảo chiều quay nên phương pháp này không thích hợp trong trường hợp động cơ kéotải giao thông.

Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ chỉ cho phép điều chỉnh tốc

độ quay dưới tốc độ định mức vì không thể nâng cao điện áp lên trên Uđm của động

cơ hương pháp này cho phép điều chỉnh triệt để vì có những ưu điểm sau:

+ Hiệu suất điều chỉnh cao

+ Không có tổn hao trong máy điện khi điều chỉnh

+Việc thay đổi điện áp phần ứng, cụ thể là giảm Uư  mômen ngắn mạch Mnm

giảm, dòng ngắn mạch Inm giảm; điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động động cơ.+ Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là như nhau.+ Điều chỉnh trơn trong toàn bộ giải điều chỉnh

Tuy vậy, phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao, và đòi hỏi phải cónguồn điện áp điều chỉnh được

Từ những phân tích trên ta thấy việc chọn phương pháp điều chỉnh điện áp phầnứng là thích hợp cho động cơ kéo tải giao thông Mặc dù, dải điều chỉnh chỉ cho phépthấp hơn tốc độ định mức như ta có thể mở rộng dải điều chỉnh nhờ kết hợp với cơcấu cơ khí như đã đề cập ở trên

Như vậy vấn đề quan trọng nhất trong khuôn khổ đồ án mà chúng em đưa rachính là việc thiết kế một bộ điều chỉnh nhằm điều chỉnh động cơ Hybrid trong ôtôđiện Bộ điều chỉnh này chính là thiết bị băm điện áp, bộ băm điện áp này cho phép từmột nguồn điện một chiều Us tạo ra điện áp tải Ud-là điện áp một chiều nhưng có thểđiều chỉnh được

Sự phối kết hợp giưã động cơ Hybrid và động cơ xăng trong việc truyền độngtrong ôtô chạy điện là cần thiết.Động cơ điện dùng truyền lực trong ôtô có công suấtvừa và nhỏ nên bộ băm xung áp là phù hợp.Chương tiếp theo sẽ trình bày về thiết kế

hệ thống băm xung áp

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG.

I Thiết kế mạch động lực

1 Giới thiệu nguyên lý chung của bộ biến đổi điện áp một chiều.

Như ở trên đã đề cập, phương pháp điều chỉnh điện áp được lựa chọn trong điềuchỉnh tốc độ động cơ Thực tế, để thay đổi điện áp phần ứng động cơ ôtô người ta cóthể thay đổi góc mở chậm ỏ nếu dùng bộ biến đổi là hệ thống chỉnh lưu, hoặc thay đổitần số băm trong trường hợp bộ biến đổi là bộ băm xung áp một chiều

Chỉnh lưu không điều khiển

L2 K

Hình 3.1.Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp một chiều

Việc sử dụng hệ thống chỉnh lưu thyritor - động cơ chỉ ứng dụng trong trườnghợp tải của nó là loại động cơ công suất lớn, sử dụng sơ đồ chỉnh lưu tiristor – động

cơ một chiều luôn đi kèm theo việc đưa thêm bộ lọc kồng kềnh nên chỉ khả dụng chotruyền động đầu máy tầu điện kéo tải lớn

Với loại động cơ công suất nhỏ thì việc dùng bộ băm xung áp một chiều là phùhợp Vì thiết bị băm xung làm việc với hiệu suất cao (theo tính toán là xấp xỉ bằng 1);

ít nhạy cảm với nhiệt độ và điều kiện môi trường vì tham số điều khiển là thời gianđóng mở van, đặc biệt là có kích thước nhỏ gọn nên rất phù hợp với ôtô điện

Sau đây giới thiệu nguyên lý chung của bộ băm xung, đồng thời phân tích kháilược về các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ làm việc của bộ băm xung - áp cũng nhưvấn đề lựa chọn thiết bị đáp ứng được các yêu cầu về chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế

Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc như một công tắc tơ tĩnh (K) đóng mở liêntục 1 cách chu kì Nhờ vậy mà biến đổi được điện áp một chiều không đổi E thànhcác xung điện áp một chiều Utb có trị số có thể điều chỉnh được Điện áp Utb này đặtvào phần ứng động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ ô tô

Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp thì 0 <Utb<E

Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp thì E <Utb<0

Trong sơ đồ trên L,C là bộ phận lọc để san bằng và giữ cho điện áp tải thực tế

là không đổi, mục đích là giảm hệ số đập mạch nâng cao chất lượng điều chỉnh

Điện áp trên tải thu được phụ thuộc vào tần số đóng cắt khoá K Trong khi đó,các hạn chế về công nghệ và tổn hao của bộ biến đổi điện áp một chiều quyết địnhgiới hạn tần số làm việc của bộ biến đổi Để tránh các sóng không mong muốn và từđấy tránh được momen đập mạch thì tần số phải lớn hơn một mức nào đó Tần sốđóng cắt càng nhanh thì càng giảm được kích thước của bộ lọc, nhưng nếu quá lớn sẽsinh ra nhiễu vô tuyến Vì vậy, phải cân nhắc để lựa chọn được bộ biến đổi làm việc ởdải tần thích hợp (dưới 1KHz) Thực tế thường dùng tần số băm khoảng 400Hz 600Hz

Thực tế khoá K trên sơ đồ nguyên lý được thay bằng khoá điện tử cụ thể là Tiristorhoặc Transistor (công suất hoặc MOS)

Dùng Tiristor có ưu điểm là trị số giới hạn cao, làm việc chắc chắn rẻ tiền, tổn haokhi dẫn nhỏ nhưng có nhược điểm là mở chậm nên chỉ sử dụng rộng rãi ở tần số đóng

mở thấp (dưới 500Hz)

Transistor MOS thích hợp với dải tần số chuyển mạch cao hơn 100KHz

Transistor công suất thích hợp với dải tần từ 20->100Khz, có giá thành rẻ hơn, tổnhao ít hơn MOS

Với hệ thống dùng Transistor thì yêu cầu làm mát không cao bằng Tiristor, nhưngTiristor lại cho phép dễ bảo vệ chống lại các sự cố hơn Transistor Vì vậy, ở nhữngmôi trường làm việc nặng nề, việc sử dụng Transistor là hạn chế

Việc sử dụng loại linh kiện nào dùng trong bộ biến đổi trong thực tế là dựa vào khảnăng kinh tế kỹ thuật và trong nhiều trường hợp thì việc lựa chọn không rõ ràng

BBĐ một chiều

Ura

t t1 t2

T Hình 3.2 sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi điện một chiều và dạng xung ra của BBĐ

Ngoài sự ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật là tần số đóng cắt, giới hạn về cáclinh kiện thì chất lượng điều chỉnh tốc độ ôtô còn phụ thuộc vào cả cơ cấu điều chỉnh

là kín hay hở Dùng sơ đồ điều chỉnh kín (có vòng phản hồi) sẽ tăng thêm tính ổn địnhtốc độ với một tần số đóng cắt nhất định, nâng cao được chất lượng điều chỉnh

2 Bộ băm xung áp một chiều.

Như đã giới thiệu ở trên, bộ băm xung áp một chiều có nhiều ưu điểm trongtruyền động giao thông Bộ băm xung áp biến đổi được điện áp một chiều từ 0 đến giátrị điện áp nguồn US một cách trơn liên tục Phần trên cũng đã đề cập tới nguyên lýchung của bộ biến điện áp một chiều, ở phần này ta đi chi tiết giới thiệu tổng quannguyên lý điều chỉnh, các phương pháp điều chỉnh và một số sơ đồ băm xung áp thựctế

Nguyên lý: Nguyên lý chung là biến đổi giá trị của điện áp một chiều ở các mức

khác nhau

Ura là một dãy xung vuông (lý tưởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2 Điện áp ra bằnggiá trị trung bình của điện áp xung Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi này là điềukhiền các phần tử công suất bằng phương pháp xung Để có hiệu suất lớn thì điện áp

sụt trên các phần tử công suất ở trạng thái mở phải nhỏ, dòng qua nó ở trạng thái mởrất nhỏ.

Phương pháp điều chỉnh điện áp ra

Có hai phương pháp:

 Thay đổi độ rộng xung (t1)

 Thay đổi tần số xung (T hoặc f)

2.1.Phương pháp thay đổi độ rộng xung

Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T  Giá trị trung bìnhcủa điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:

U tai=t1 U S

T =ε U S

trong đó đặt: ε=

t1

T là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ

Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 <   1)

2.2 Phương pháp thay đổi tần số xung

Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1=const Khi đó:

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 đikèm

Sơ đồ nguyên lý như sau:

Phần tử điều chỉnh quy ước là khoá K ( thực tế là Tiristor hoặc Tranzitor)

Đặc điểm của sơ đồ này là khoá K, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp Tải có tính chấtcảm kháng hoặc dung kháng Bộ lọc L & C Đi-ôt mắc ngược với Ura để thoát dòngtải khi khoá K ngắt

+ K đóng  US được đặt vào đầu của bộ lọc Lý tưởng thì Utải = US (nếu bỏ quasụt áp trên các van trong bộ biến đổi)

+ K mở  hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng Itải do năng lượng tíchluỹ trong cuộn L và Ltải, dòng chạy qua D, do đó Ura=Utải’ =0

Như vậy, Utải tb  US Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp

Đặc tính truyền đạt:

b Biến đổi tăng áp:

Sơ đồ như sau:

Đặc điểm: L1 nối tiếp với tải, Khoá K mắc song song với tải Cuộn cảm L1 khôngtham gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trò này

+ K đóng, dòng điện từ +US qua L1  K  -US Khi đó D tắt vì trên tụ có UC (đãđược tích điện trước đó)

+ K ngắt, dòng điện chạy từ +US qua L1  D  Tải Vì từ thông trong L1 không

giảm tức thời về không do đó trong L1 xuất hiện suất điện động tự cảm eL

=w dΦΦ dΦt , cócùng cực tính US Do đó tổng điện áp: U=US+eL  làm D thông  Utải=US+eL Vậy ta

có bộ biến đổi tăng áp

Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn US ở chế độ liên tục vànăng lượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn

Đặc tính truyền đạt:

c Biến đổi đảo cực:

Sơ đồ mắc như sau:

L1 chỉ đóng vai trò tích luỹ năng lượng

d Biến đổi công suất lớn theo nguyên lý nhiều nhịp:

Đặc điểm: Mắc song song n bộ biến đổi riêng làm việc cùng một tải và nguồn US

Hình 3.5 sơ đồ nguyên lý khi khoá K mắc nối tiếp

nhưng có đảo cực

Có thể làm việc ở hai chế độ : lần lượt và đồng thời.

Nhận xét: Các bộ biến đổi (c & d) có ưu điểm ở chỗ là cho phép nhận được điện áp

ra tải Utải cao hơn điện áp nguồn cung cấp US, song chúng chỉ thích hợp với dải côngsuất nhỏ nên ít thông dụng

3 Một số sơ đồ băm xung áp

Thực tế có rất nhiều sơ đồ băm xung áp một chiều với nhiều đặc điểm khác nhautuỳ mục đích sử dụng, song chúng đều làm việc dựa trên những nguyên lý của cácdạng cơ bản như đã giới thiệu ở mục trên

Dưới đây xin giới thiệu hai sơ đồ băm xung áp:

 Một loại cho phép tái sinh năng lượng và cho dòng tải liên tục

 Một loại cho phép đảo chiều dòng tải, thực hiện được hãm tái sinh nănglượng và có thể áp dụng được nhiều chế độ điều khiển khác nhau

3.1 Sơ đồ băm xung áp loại B.

Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp loại này như sau:

Giải thích:

+ S1, S2 là loại điều khiển hoàn toàn

+ Tải của bộ băm xung áp là động cơ kích từ nối tiếp có thể thay thế bằng E; trong đó E là sức phản điện động của động cơ

R-L-+ D1 là Diod hoàn năng lượng; D2 là diod có tác dụng trả năng lượng tái sinhcho nguồn

a) Hoạt động của sơ đồ :

Để chiều dòng điện tải như hình vẽ ta cho S1 hoạt động như một khoá đóng cắt;còn S2 không làm việc Khi S1 mở dòng điện từ nguồn chảy qua S1 qua tải và trở về

âm nguồn Khi S1 khoá dòng tải được khép mạch qua điod D1 đảm bảo dòng tải làliên tục ngay cả khi S1 khoá

Để đảo chiều dòng điện phần ứng động cơ (dòng id) ta cho S2 và D2 vào vận hànhcòn S1 ngắt Khi đó, do quán tính động cơ vẫn quay theo chiều cũ mặc dù bị ngắt rakhỏi nguồn  E > 0 Lúc này mạch tải chỉ có nguồn duy nhất E khép mạch qua S2 xuất hiện dòng điện chạy ngược lại chiều ban đầu Công suất điện từ của động cơ là:

Pđt= Id.E > 0

Công suất lúc này được tích luỹ trong cuộn cảm L Khi S2 ngắt, trên điện cảm Lsinh ra sức điện động tự cảm (UL) cùng chiều với E Tổng hai sức điện động này lớnhơn điện áp nguồn US làm D2 dẫn ngược dòng về nguồn và trả lại phần năng lượng đãtích luỹ trong cuộn cảm L

t t

Để đảm bảo S2 dẫn dòng điện ngược ngay khi dòng thuận qua D1 tắt ta phát xungvào mở S2 đồng thời với việc phát xung khoá S1

Sau đây là biểu đồ dạng sóng mô tả hoạt động của sơ đồ:

26

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

Khoa Điện - Điện tử đồ án môn học.

 Nhận xét:

Ưu điểm của sơ đồ này là:

+ Dòng qua tải luôn là liên tục, do đó tạo điều kiện tốt cho động cơ hoạt độngêm

+ Có thể thực hiện được quá trình tái sinh năng lượng

b) Các biểu thức có liên quan:

Vì tải là động cơ điện một chiều nên ta có thể thay thế bằng tải R-L-E, trong đó:

E: Sức phản điện động của động cơR: Điện trở dây quấn của động cơ

L: Điện cảm dây quấn của động cơ

Xác định I max và I min :

 Khi H đóng mạch (tương đương với việc mở S1) ta có :

L dΦi dΦ dΦt +Ri dΦ+E=U S

⇔dΦi dΦ dΦt +ai dΦ=(U S−E)

R ; với a=

R L

Sử dụng phương pháp biến đổi Laplace ta được:

pI dΦ(p )−I dΦ(0 )+aI dΦ(p )=(U ó−E )

R

a p

Khi mới bắt đầu cho bộ biến đổi làm việc thì Id=0 Nhưng sau một vài chu kỳ, dòng

Id sẽ biến động và xác lập giữa hai giá trị Imax và Imin ( Do D1 & D2 dẫn khi S1 khoá)

Do đó Id(0)=Imin Thay vào phương trình trên ta được:

Ta có phương trình trong giai đoạn D1 dẫn :

L dΦi dΦ dΦt +Ri dΦ+E=0

(Vì tần số đóng cắt cao nên coi như E không đổi trong suốt quá trình hoạt động của bộbăm xung )

Tương tự như vậy ta tìm được nghiệm

⇒Imin=U ó

R .

A1B1−A11−A1 −

E R

Trong đó:

A1=a−aT ;B1=e aεT

Xác định điện áp trung bình trên tải :

Từ biểu đồ dạng sóng của điện áp đặt trên tải, ta có:

Từ phương trình của mạch tải ta có:

L dΦi dΦ dΦt +Ri dΦ+E=U dΦ

(Khi lấy giá trị xấp xỉ như trên ta coi R=0)

Từ biểu thức vừa tính được ta thấy rằng :Khi T=const thì độ nhấp nhô Id là hàmcủa tỷ số chu kỳ  Từ đó ta có ;

dΦΔII I dΦε =

Do đó Idmax=

TU ó 8L

+

id D1

3.2 Sơ đồ băm xung áp có đảo chiều (loại B kép).

Sơ đồ nguyên lý của sơ đồ:

S1, S2, S3, S4: Là các van điều khiển hoàn toàn

Hình 3.8 sơ đồ băm xung áp loại B kép.