Thiết kế hệ thống điều chỉnh tự động động cơ điện một chiều sử dụng bộ băm xung áp trong truyền động cho ôtô 4 chỗ ngồi thỏa mãn chất lượng tĩnh cho trước

Thiết kế hệ thống điều chỉnh tự động động cơ điện một chiều sử dụng bộ băm xung áp trong truyền động cho ôtô 4 chỗ ngồi thỏa mãn chất lượng tĩnh cho trước

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

Khoa Điện - Điện tử đồ án môn học.

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

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

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Nhóm sinh viên thực hiện:

Lớp

cơ điện một chiều sử dụng bộ băm xung áp trong truyền động cho ôtô 4 chỗ ngồi thỏa mãn chất lượng tĩnh cho trước:

+ Dải điều chỉnh tốc độ D = 30/1

+ Sai lệch tĩnhS t ≤ 3% ”

2/ Số liệu cho trước:

- Thông số động cơ một chiều P đm =1kw, Uđm = 48V, Rư = 0,2; Lư = 0,1mH;

=85%; nđm = 1000vòng/phút

3/ 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 chất lượng tĩnh và hiệu chỉnh hệ thống

4 Đánh giá hệ thống

4/ Thời gian thực hiện:

- Ngày giao đề : 10 tháng 4 năm 2006

- Ngày hoàn thành: 03 tháng 6 năm 2006

Giáo viên hướng dẫn

Ths Nguyễn Phương Thảo

Ngày …tháng… năm 2006Thông qua bộ môn

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Giáo viên hướng dẫn:

Mục Lục

2

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

Khoa Điện - Điện tử đồ án môn học.

Trang

Lời nói đầu

5

1 Vai trò và ứng dụng của động cơ điện trong lĩnh vực giao thông 6

13

15I.Thiết kế mạch động lực

151.Giới thiệu nguyên lý chung của bộ biến đổi điện áp một chiều 15

2.Bộ băm xung áp một chiều

17

3.Một số sơ đồ băm xung áp.

3.1.Sơ đồ băm xung áp loại B

213.2.Sơ đồ băm xung áp có đảo chiều

274.Thiết kế mạch lực

354.1.Chọn van mạch lực

354.2 Thiết kế mạch trợ giúp

37

II.Thiết kế mạch điều khiển

381.Mạch tạo dao động

382.Mạch tạo xung răng cưa

393.Khâu khuếch đại

44

4

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

Khoa Điện - Điện tử đồ án môn học.

46

1 Chế độ tĩnh

46

2 Khảo sát chất lượng tĩnh của hệ thống 48

3 Kiểm tra chất lượng tĩnh của hệ thống

57

Lời nói đầu

Trong giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại hoá nền kinh tế đất nước, ngày càng

có nhiều thiết bị bán dẫn công suất hiện đại được sử dụng rộng rãi trong tất cả cáclĩnh vực sản xuất, phục vụ đời sống con người Trong giao thông việc sử dụng

đông cơ xăng, điezen ngày càng có xu hướng giảm vì: Tiêu hao nhiều năng lượng,gây ô nhiễm môi trường… Từ đó đòi hỏi sự thay thế các loại động cơ trên bằngđộng cơ điện là rất cần thiết Ngày nay với sự bùng nổ tiến bộ kỹ thuật trong lĩnhvực điều chỉnh tự động đã đáp ứng được những yêu cầu trên Trước hết là phải kểđến các bộ biến 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 vựcgiao thông Đó là thiết bị băm điện áp được sử dụng nhiều trong truyền động đầumáy chạy điện trong giao thông đường sắt, ôtô chạy điện, xe vận chuyển hàngtrong nhà máy, trên bến cảng…

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

đồ điều 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

án được 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 độngcủa ôtô du lịch 4 chỗ của hãng TOYOTA)

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

Chương3: Thiết kế hệ thống

Chương4: Phân tích chất lượng hệ thống ở chế độ tĩnh

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

6

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

Khoa Điện - Điện tử đồ án môn học.

khác nhau của đời sống, thì động cơ KĐB là loại động cơ được sử dụng rộng rãinhờ tính kinh tế, dễ chế tạo, chi phí vận hành bảo dưỡng sửa chữa thấp Tuynhiên, trong một số lĩnh vực nhất định đòi hỏi yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ, vềkhả năng quá tải, thì bản thân động cơ KĐB không thể đáp ứng được hoặc nếuthực hiện được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần ) rấtđắt tiền Vì vậy, động cơ điện một chiều hiện tại vẫn là loại động cơ không thể thaythế được trong những lĩnh vực nói trên

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

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 thếgiới trong tương lai Một mặt là vì có nguồn điện rộng rãi, tiến bộ nhảy vọt về côngnghệ bán dẫn cho phép chế tạo được nhiều bộ biến đổi điện năng gọn nhẹ, khảnăng giới hạn dòng áp cao và tin cậy hơn Mặt khác, là động cơ điện không gây ônhiễm môi trường như các loại động cơ khác, đồng thời cho hiệu suất cao Đây làmột trong những đặc điểm quan trọng đưa đến việc đưa động cơ điện vào giaothông ngày càng rộng rãi hơn

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

2 Động cơ Hybrid

Trong phạm vi đề tài này của chúng em đi nghiên cứu, thiết kế mạch điều khiển

và mạch 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 điện dùng năng lượng ăcquy Bộ điều khiển điện tử sẽ quyết định khi nào thìdùng động cơ điện, khi nào thì dùng động cơ đốt trong, khi nào dùng vận hànhđồng bộ và khi nào nạp điện cho ăcquy để sủ dụng về sau Loại xe này sử dụng hailoại nguồn lực khác nhau là động cơ đốt trong và động cơ điện Nhờ kết hợp 2nguồn lực này với nhau mà động cơ Hybrid chẳng những tiết kiệm nhiên liệu màcòn giảm thiểu tối đa ô nhiễm môi trường Hình vẽ bên dưới là sơ đồ mô tả cấu tạođộng cơ hybrid của hãng TOYOTA 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 điệnđược chuyển thành điện và nạp vào pin Quá trình này diễn ra tự động vàkhông yêu 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

cơ điện 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 năngcho động cơ điện làm việc

8

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

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

Khoa Điện - Điện tử đồ án môn học.

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

Hệ thống song song (hybrid parallel system)

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

do vậy không thể cùng lúc vừa vận hành các bánh xe vừa nạp điện vào bình ăcquy.Khi nào motor làm nhiệm vụ một máy phát điện, dòng điện từ ăcquy sẽ thay thếvai trò của motor điện

Nhận xét: Hệ thống trên có nhược điểm là động cơ điện đóng vai trò vừa là máyphát nạp điện cho ăcquy vừa truyền lực tới trục bánh xe, vì vậy mà motor điện

ắc quy

bộ đổi điện môtơ điện máy phát điện động cơ xăng

Hình 1.2 Nguyên lý của hệ thống liên hoàn

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

không truyền lực cho bánh xe được liên tục nên động cơ xăng vẫn giữ vai trò chính

do đó tiêu tốn nhiều nhiên liệu (hình vẽ)

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

điểm đó

Hệ thống liên hoàn(series hybrid system)

Khi động cơ xăng (engine) hoạt động, nótruyền năng lượng cho một máy phát điện

Dòng điện sinh ra chia làm hai phần, một đểsạc cho bình ắc quy và một để cung cấp điệncho một động cơ điện một chiều (motor), bộphận sẽ truyền năng lượng tới các trục xe

Đó được gọi là hệ thống liên hoàn vì nănglượng truyền theo một quá trình liên tục

Một hệ thống Hybrid liên hoàn gồm có hai môto, một chính là môtơ điện 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

cấp điện cho ăcquy và động cơ điện, ở đây không có sự liên hệ cơ khí nào giữa

nguồn động 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 cơ năng làm quay bánh xe

- Trong sơ đồ này động cơ đốt sẽ không khi nào hoạt động ở chế độ không tải

nên giảm 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

10

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

Khoa Điện - Điện tử đồ án môn học.

- 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

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 điềuchỉnh rộng, 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 giảntin cậy, dễ thao tác trong vận hành điều khiển động cơ ôtô Vì thực tế trong lĩnhvực giao thông còn đòi hỏi truyền động có đảo chiều, nên việc thiết kế cũng chútrọng 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 Mđm Hình 2.1 Đường đặc tính cơ của dộng cơ điện kích từ song song

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

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

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

ω= U u KΦΦ−

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.Itrong 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

M*

Mđm Hình 2.2 Đường đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

Khoa Điện - Điện tử đồ án môn học.

P2=(0,2  0,25)Pđm Từ dạng đặctính cơ ta cũng có nhận xét là đặctính 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 củadây quấn kích thích song song và nối tiếp bù nhau hoặc ngược nhau Trên thực tếngười ta chỉ sử dụng loại kích thích hỗn hợp bù vì động cơ ngược không đảm bảođược điều kiện làm việc ổn định Động cơ kích thích hỗn hợp bù có đặc tính cơmang tính chất trung gian giữa hai loại kích thich song song và nối tiếp Khi tảităng thì từ thông tăng, do đó đặc tính cơ của động cơ kích thích hỗn hợp bù mềmhơn so với đặc tính cơ của động cơ kích thích song song Tuy nhiên mức độ tăngcủa từ thông không mạnh như ở động cơ kích thích nối tiếp cho nên đặc tính cơcủa động cơ điện kích thích hỗn hợp bù cứng hơn so với đặc tính cơ của động cơkích thích nối tiếp

Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp được điềuchỉnh như ở trường hợp động cơ kích thích song song; dù rằng về nguyên tắc có

thể áp dụng những phương pháp điều chỉnh tốc độ dùng cho động cơ kích thích nốitiếp.

Từ những tính chất của từng loại động cơ như đã trình bày ở trên, so sánh với đặctính tải và những yêu cầu của truyền động trong lĩnh vực giao thông ta thấy rằngloại động cơ kích thích nối tiếp và kích thích hỗn hợp kiều bù là đáp ứng đượcnhững yêu cầu về truyền động Ta có thể nêu ưu điểm của hai loại động cơ này sovới động cơ kích thích độc lập hoặc song song đứng trên quan điểm xét sự phù hợpvới 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 hợpcho những truyền động dùng trong ngành giao thông có đường dây cung cấp điện

đi kèm theo tải

Thực tế trong lĩnh vực này động cơ kích thích nối tiếp được sử dụng Tuynhiên người ta cũng dùng cả động cơ kích thích hỗn hợp vì nó cho phép thực hiệnhãm tái sinh 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 tăngdải điều chỉnh Điều chỉnh bằng phương pháp điện càng tốt bao nhiêu càng giảm

độ phức tạp & 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 

14

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

Khoa Điện - Điện tử đồ án môn học.

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 việctác dụng lên mạch kích thích có công suất nhỏ so với công suất động cơ Nhưng dobình thường 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 điềuchỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ và giới hạn điều chỉnh tốc độ bị hạn chế bởicác điều kiện cơ khí và đảo chiều quay nên phương pháp này không thích hợptrong trường hợp động cơ kéo tải giao thông

Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ chỉ cho phép điều chỉnhtốc độ quay dưới tốc độ định mức vì không thể nâng cao điện áp lên trên Uđm củađộng 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 độngcơ

+ Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là nhưnhau

+ 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

có nguồn điện áp điều chỉnh được

Từ những phân tích trên ta thấy việc chọn phương pháp điều chỉnh điện ápphần ứng là thích hợp cho động cơ kéo tải giao thông Mặc dù, dải điều chỉnh chỉcho phép thấp hơn tốc độ định mức như ta có thể mở rộng dải điều chỉnh nhờ kếthợp với cơ cấu 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

Chỉnh lưu không điều khiển

L2 K

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 trongđiều chỉnh tốc độ động cơ Thực tế, để thay đổi điện áp phần ứng động cơ ôtôngười ta có thể thay đổi góc mở chậm ỏ nếu dùng bộ biến đổi là hệ thống chỉnhlưu, hoặc thay đổi tần số băm trong trường hợp bộ biến đổi là bộ băm xung áp mộtchiều

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 khảdụng cho truyền động đầu máy tầu điện kéo tải lớn

Với loại động cơ công suất nhỏ thì việc dùng bộ băm xung áp một chiều làphù hợp Vì thiết bị băm xung làm việc với hiệu suất cao (theo tính toán là xấp xỉbằng 1); ít nhạy cảm với nhiệt độ và điều kiện môi trường vì tham số điều khiển làthời gian đóng mở van, đặc biệt là có kích thước nhỏ gọn nên rất phù hợp với ôtôđiện

Sau đây giới thiệu nguyên lý chung của bộ băm xung, đồng thời phân tíchkhái lược về các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ làm việc của bộ băm xung - áp cũngnhư vấn đề lựa chọn thiết bị đáp ứng được các yêu cầu về chỉ tiêu kỹ thuật và kinhtế

16

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

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

Khoa Điện - Điện tử đồ án môn học.

Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc như một công tắc tơ tĩnh (K) đóng mởliên tục 1 cách chu kì Nhờ vậy mà biến đổi được điện áp một chiều không đổi Ethành các xung điện áp một chiều Utb có trị số có thể điều chỉnh được Điện áp Utb

này đặt vào 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 quyếtđịnh giới hạn tần số làm việc của bộ biến đổi Để tránh các sóng không mongmuốn và từ đấy tránh được momen đập mạch thì tần số phải lớn hơn một mức nào

đó Tần số đóng cắt càng nhanh thì càng giảm được kích thước của bộ lọc, nhưngnếu quá lớn sẽ sinh ra nhiễu vô tuyến Vì vậy, phải cân nhắc để lựa chọn được bộbiến đổi làm việc ở dải tần thích hợp (dưới 1KHz) Thực tế thường dùng tần sốbăm khoảng 400Hz  600Hz

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

Dùng Tiristor có ưu điểm là trị số giới hạn cao, làm việc chắc chắn rẻ tiền, tổnhao khi 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,tổn hao ít hơn MOS.

Với hệ thống dùng Transistor thì yêu cầu làm mát không cao bằng Tiristor,nhưng Tiristor lại cho phép dễ bảo vệ chống lại các sự cố hơn Transistor Vì vậy, ởnhững môi 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 vàokhả năng kinh tế kỹ thuật và trong nhiều trường hợp thì việc lựa chọn không rõràng

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 điềuchỉnh là kín hay hở Dùng sơ đồ điều chỉnh kín (có vòng phản hồi) sẽ tăng thêmtính ổn định tốc độ với một tần số đóng cắt nhất định, nâng cao được chất lượngđiều 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 đếngiá trị điện áp nguồn US một cách trơn liên tục Phần trên cũng đã đề cập tớinguyên lý chung của bộ biến điện áp một chiều, ở phần này ta đi chi tiết giới thiệutổng quan nguyên lý điều chỉnh, các phương pháp điều chỉnh và một số sơ đồ bămxung áp thực tế

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

khác nhau

18

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

Khoa Điện - Điện tử đồ án môn học.

Ura là một dãy xung vuông (lý tưởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2 Điện áp rabằng giá trị trung bình của điện áp xung Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi này

là điều khiền các phần tử công suất bằng phương pháp xung Để có hiệu suất lớnthì điện áp sụt trên các phần tử công suất ở trạng thái mở phải nhỏ, dòng qua nó ởtrạng thái mở rất 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:

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 tínhchất cảm kháng hoặc dung kháng Bộ lọc L & C Đi-ôt mắc ngược với Ura để thoátdòng tải khi khoá K ngắt

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

+ K mở  hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng Itải do năng lượngtích luỹ 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:

W I=U tai

U S =α

b Biến đổi tăng áp:

Sơ đồ như sau:

20

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khi mắc khoá K song song

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

Khoa Điện - Điện tử đồ án môn học.

Đặc điểm: L1 nối tiếp với tải, Khoá K mắc song song với tải Cuộn cảm L1

không tham 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

(đã được 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 , có cùng 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

và năng lượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn

c Biến đổi đảo cực:

Sơ đồ mắc như sau:

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

nhưng có đảo cực

L1 chỉ đóng vai trò tích luỹ năng lượng.

C đóng vai trò lọc

+ K đóng, trên L1 có US, dòng chạy từ +US  K  L1  -US Năng lượng tíchluỹ trong cuộn cảm L1; đi-ôt D tắt; Utải=UC, tụ C phóng điện qua tải

+ K ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra sức điện động ngược chiều với trường hợp đóng

 D thông  năng lượng từ trường nạp vào C, tụ C tích điện; Utải sẽ ngược chiềuvới US

Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với US Giá trị tuyệt đối |Utải| có thể lớn hơnhay nhỏ hơn US

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

Để giảm độ gợn sóng của Itải và Utải , các khoá K1, K2, K3,  làm việc lệch phanhau một góc 2/n Khi đó mỗi bộ biến đổi chịu dòng điện Itải/n ; tần số làm việcf=f/n

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 dảicông suất 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

22

+

-

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

Khoa Điện - Điện tử đồ án môn học.

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 L-E; trong đó E là sức phản điện động của động cơ

R-+ D1 là Diod hoàn năng lượng; D2 là diod có tác dụng trả năng lượng táisinh cho nguồn

a) Hoạt động của sơ đồ :

Để chiều dòng điện tải như hình vẽ ta cho S1 hoạt động như một khoá đóngcắt; còn S2 không làm việc Khi S1 mở dòng điện từ nguồn chảy qua S1 qua tải vàtrở về âm nguồn Khi S1 khoá dòng tải được khép mạch qua điod D1 đảm bảo dòngtải là liên tục ngay cả khi S1 khoá

Để đảo chiều dòng điện phần ứng động cơ (dòng id) ta cho S2 và D2 vào vậnhành còn S1 ngắt Khi đó, do quán tính động cơ vẫn quay theo chiều cũ mặc dù bịngắt ra khỏi nguồn  E > 0 Lúc này mạch tải chỉ có nguồn duy nhất E khép mạchqua S2  xuất hiện dòng điện chạy ngược lại chiều ban đầu Công suất điện từ củađộng cơ là: Pđt= Id.E > 0

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý bộ băm xung áp loại B

0

0

t t

t t

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 nàylớn hơn điện áp nguồn US làm D2 dẫn ngược dòng về nguồn và trả lại phần nănglượng đã tích luỹ trong cuộn cảm L

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

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

24

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 hoạtđộng êm

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

b) Các biểu thức có liên quan:

t

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

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 Imax và Imin :

 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

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

Khoa Điện - Điện tử đồ án môn học.

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

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:

Giá trị trung bình của dòng tải :

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 =

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

Sơ đồ nguyên lý của sơ đồ:

28

L1 R E id

A

B

Hình 3.9 Đặc tính cơ của sơ đồ băm xung áp loại B kép

M

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

Khoa Điện - Điện tử đồ án môn học.

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

Truyền động trong giao thông cũng đòi hỏi phải đổi chiều quay Sơ đồ trên chophép điều chỉnh tốc độ quay và đảo chiều quay một cách linh hoạt, đặc tính làmviệc của động cơ có thể ở cả 4 góc phần tư

Sơ đồ có thể có nhiều chế độ điều khiển, dưới đây ta sẽ giới thiệu hai chế độđiều khiển thường gặp

3.2.1 Điều khiển đối xứng :

 Hoạt động:

Trong chế độ điều khiển đối xứng thì cả 4 van S1S4 đều hoạt động Giả thiết

S2 và S4 đang dẫn dòng tải chảy qua (theo chiều từ B  A)

- Tại thời điểm t = 0 đưa xung mở S1 và S3 Vì trước thời đIểm phát xung mộtkhoảnh khắc thì I = I >> 0 nên đến  = 0, muốn khoá S & S ta cần khoá cưỡng

Hình 3.8 Sơ đồ băm xung áp loại B kép.

bức bằng cách phát xung âm vào cực điều khiển Khi đã khoá S2 & S4, dòng tải id =

Imin không thể đảo chiều ngay lập tức do tải điện cảm Nó tiếp tục duy trì theo chiều

cũ theo mạch D3 – E - tải –D1 và suy giảm dần Khi đó D1 & D3 dẫn dòng

- Đến t = t1 : Khi dòng qua D1 và D3 suy giảm về 0 thì S1 và S3 sẽ dẫn nếu vẫncòn tiếp tục duy trì xung điều khiển Dòng tải đổi chiều và tăng trưởng dần theochiều từ A B

- Đến t = t2 ta lại cho mở S2 & S4 đồng thời khoá S1 và S3 Dòng tải lại tiếp tụcduy trì theo chiều cũ vì D2 và D4 đang dẫn, S2 và S4 sẽ dẫn dòng khi nó bắt đầubằng 0 và đổi chiều

Diễn biến hoạt động của sơ đồ được mô tả theo biểu đồ dạng sóng như sau:

30

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

Khoa Điện - Điện tử đồ án môn học.

 Tính các biểu thức có liên quan:

a Tìm biểu thức của dòng tải :

 Khi (D1, D3) & (S1, S3) dẫn :

Trong giai đoạn này điện áp trên tảI là UT=US ,do đó phương trình mạch tảI sẽlà:

t