Đồ án về điện tử công suất

Đề bài: Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều theo nguyên tắc đối xứng để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu với số liệu cho trước: Chương I Giới thiệu v

Đề bài: Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc đối xứng)

để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu) với số liệu cho trước:

Chương I Giới thiệu về động cơ điện một chiều

I.1 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 được trong phần lớn các ngành công nghiệp và đời sống sinh hoạt của con người Nó luôn đi trước một bước làm tiền đề nhưng 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 ưu 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 được sử dụng rộng rãi và phổ biến Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định như 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 (như 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 nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại

Ưu 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 ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải Nếu như bản

Phương

án

Điện áp lưới (VAC)

Dòng điện định mức

Điện áp phần ứng

Phạm vi điều chỉnh tốc độ

2

thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như 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 lượng 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 Hướng 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 phương pháp được 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 phương pháp đối xứng Đây là một phương pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao và được sử dụng rộng rãi bởi những tính năng và đặc điểm nổi bật của nó mà chúng em sẽ phân tích và đề cập sau này

I.2 Tổng quan về động cơ điện một chiều

I.2.1) Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều

Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người 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 = Iư

- Kích thích song song: khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp

ko đổi, mạch kích từ được 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 = Iư =It

I.2.2 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

+Phương trình đặc tính cơ: là phương trình biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ (n) và mômen (M) của động cơ có dạng chung

M K

R R K

.)( Φ 2

+

−Φ

=ω

Thông qua phương trình này, ta có thể thấy được sự phụ thuộc của tốc độ động cơ vào mômen động cơ và các thông số khác (mômen, từ thông ), từ đó đưa ra phương án để điều chỉnh động cơ (tốc độ) với phương án tối ưu nhất

Với những điều kiện Uư = 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 là đường thẳng

Thường dạng của đặc tính là đường 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

Người ta đưa thêm đại lượng

ω

βΔ

+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,

MMnm

Mtω

0

4

a) Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Sơ đồ kích từ độc lập được thể hiện như dưới đây:

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

Phương trình đặc tính cơ xuất phát:

u f u u

2

+ 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

+Φ: từ thông kích từ dưới một cực từ

+ω: tốc độ góc

pN K

π

2

= Trong đó K là hệ số cấu tạo của động cơ

=Suy ra

f u

K

R R K

U

Φ

+

−Φ

=

Φ

Biểu thức (*) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

Mặt khác mômen điện từ của động cơ được xác định M dt =K.Φ I u

K

R R K

U

2)( Φ

+

−Φ

=

ω

Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mômen điện từ bằng M

Ta có

M K

R R K

2)( Φ

+

−Φ

M Mnm

Mtω

0

R R U

Đây là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ

+ω = 0 thì

f u u

R R

U I

Φ

−Φ

K

RI K

U u

ωω

Φ

+

−Φ

)

R R K

M K

R I

K R

K U

R R

R

u

u

f u

=Δ

Từ đó có thể tốc độ đông cơ điện một chiều phụ thuộc vào các đại lượng là: Uư, R,

I Như vậy thông qua các đại lượng biến thiên này mà ta có thể điều khiển được tốc

độ động cơ điện một chiều

b) Các phương 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 phương 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 thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải ,của nguồn hay chế độ làm việc như 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 thường căn cứ vào một số chỉ tiêu kinh tế ,kĩ thuật cơ bản ,các chỉ tiêu này được tính khi thiết kế và điều chỉnh động cơ điện

Trong thực tế có 3 phương 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

trình

M U

K

R E

R I

dk

b dm

b

u u

−

−Φ

=

)(

nh mức và

êu cầu về scấu máy cụuyến tính v

đổi điện tr

nh điện áp

với động hích độc lâ

ộc lập, các thành một

β

M

R K

R R

Km

ud b

ud b

Φ++

y điều khiển của hệ tth

từ thông đsai số tốc đ

i nên đặc tcủa hệ thốnđịnh dải đi

n đặc tính

á trị điện á

ể

ặn bởi đặcTốc độ nhmen khởi độ

dm

M xác định

ần ứng

kích thích đhiết bị nguhiển có chứiều chỉnh n

h vì vậy ph

độc lập houồn như: m

ức năng binhờ tín hi

ặc song máy phát

ến năng iệu điều

ều chỉnh

8

β ω

ω

β ω

M min = max =

Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có môn men ngắn mạch là M nmmin =M cmax =K M.M dm(KM: là hế số mômen quá tải) Họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nên ta có

1/

)1(

)1(

1)(

max 0 max

0

min min

M

dm

M

dm dm

nm

K

M M

K

M D

K

M M

M

β ω β β ω

β β

ω

Với ω0max,K , M M dm xác định ở mỗi máy D phụ thuộc tuyến tính vào β Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện một chiều bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở mạch phần ứng gấp khoảng 2 lần điện trở phần ứng động cơ do đó có thể tính sơ bộ được:

10 /

max

0 β M dm ≤

Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ không vượt quá 10, Vậy với yêu cầu của để bài ta

sẽ điều chỉnh dải điện áp ra trong dải điều chỉnh đã cho

Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp này rất thích hợp trong những trường hợp

Mt=const trong toàn dải điều chỉnh

b.2) Điều chỉnh từ thông động cơ

Điều chỉnh từ thông kích thích động cơ điện một chiều chính là điều khiển mômen điện từ của động cơ điện M =K.Φ I u Do mạch kích từ của động cơ điện một chiều

là phi tuyến vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là phi tuyến

Từ sơ đồ trên ta được

dt

d r

r

e

k b

k u

Φ+

+

rk: điện trở dây quấn phần ứng

rb : điện trở nguồn đIện áp kích thích

k

ω : số vòng dây cuộn kích từ

Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng bằng Uđm do đó các đặc tính

cơ thấp nhất trong vùng điều khiển là từ thông chính là đặc tính có điện áp phần ứng định mức, từ thông định mức và gọi là đặc tính cơ bản (đôi khi là đặc tính cơ

tự nhiên)

Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện Khi giảm từ thông dẫn đến tăng vận tốc góc thì điều kiện chuyển mạch của cổ góp bị xấu đi mặt khác vẫn phải bảo đảm I cho phép Kết quả là mômen cho phép trong động cơ giảm rất nhanh kể cả khi giữ nguyên I thì momen

cơ cũng giảm đi rất nhanh

b.3) Thay đổi điện trở phụ Rf

Từ phương trình đặc tính (*)

u

f u

K

R R K

U

Φ

+

− Φ

= Φ

(*) Thực tế ngày nay người ta không dùng phương pháp này Vì phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dưới tốc độ định mức, và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ điện Vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng ở động cơ điện có công suất nhỏ và thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục

c) Kết luận

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có nhiều hạn chế

so với phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng phương pháp thay đổi từ thông bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí: đó chính là điều kiện chuyển mạch của cổ góp điện Cụ thể phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có các ưu điểm hơn như sau

1 - Hiệu suất điều chỉnh cao (phương trình điều khiển là tuyến tính, triệt để) hơn khi ta ding phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng nên tổn hao công suất điêù khiển nhỏ

2 - Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mômen ngắn mạch giảm, dòng ngán mạch giảm Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động động cơ

3 - Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điều chỉnh xác định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục

10

Tuy vậy phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏi phải

có nguồn áp điều chỉnh được xong nó là không đáng kể so với vai trò và ưu đIểm của nó Vậy nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi

1.3 Các vấn đề khác khi điều động cơ điện một chiều.

1.3.1 Các góc phần tư làm việc

Trạng thái hãm và trạng thaí động cơ được phân bố trên đặc tính cơ ở góc phần tư tương ứng với chiều mômen và tốc độ như hình vẽ

+ I, III: trạng thái động cơ (ω cùng chiều với M)

+ II, IV: trạng thái hãm (ω ngược chiều với M)

Công suất cơ Pcơ=Mđ.ω

Công suất điện của động cơ Pđ=Pcơ+ΔP (ΔP: tổn hao công suất)

1.3.2 Các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

a) Khởi động

Xuất phát từ phương trình đặ tính cơ của động cơ điện một chiều

u

f u

K

R R K

U

Φ

+

−Φ

=

Φ

(*) Khi khởi động nên

R

U

nm = ở động cơ công suất trung bình và lớn thì Rư thường

có giá trị nhỏ nên dòng điện khởi động ban đầu (dòng ngắn mạch) tương đối lớn

I nm = 2÷2,5I dm

II: Hãm II:Động cơ

Với giá trị dòng lớn, sẽ không cho phép về mặt chuyển mạch và phát nóng của động cơ cũng như sụt áp trên lưới đIện.tác hại này còn nghiêm trọng hơn đối với những hệ thống cần khởi động (Khi hãm máy cũng xảy ra hiện tượng tương tự)

Vậy quá trình điều khiển tốc độ động cơ cũng phải gắn với chế độ khởi động Phải đảm bảo điều kiện tối thiểu

I nm = 2 ÷ 2 , 5I dm

Dễ đi đến một nhận xét là lựa chọn phương pháp điều khiển giảm áp phần ứng là phù hợp hơn cả vì khi khống chế dòng ngắn mạch o chế độ khởi động còn hạn chế được điện áp khởi đông Do điều khiển là làm giảm áp

b) Chế độ hãm

Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngược chiều tốc độ quay, Động cơ điện một chiều có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược, và hãm động năng

b.1) Hãm tái sinh

Xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng Khi

đó U ư > E ư Động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới So với chế độ động cơ, dòng điện và mômen hãm đã đổi chiều xác định theo biểu thức = − = Φ 0 − Φ < 0

R

K K

R

E U

h

ω ω

Ví dụ: cơ cấu nâng hạ cần trục Khi nâng tải động cơ được đấu vào nguồn theo cực tính thuận và làm việc trên đặc tính cư làm trong góc phần tư thứ nhất Khi muốn hạ tải phải đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ Lúc này nếu mômen do trọng tải gây ra lớn hơn mômen ma sát trong các bộ phận chuyển động của động cơ xh trạng thái hãm tái sinh Tốc độ hạ cần trục tăng dần tới ωod >ω0

b.2) Hãm ngược

Xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động hoặc do thée năng quay ngượcchiều với mô men điện từ của động cơ, mômen của động cơ khi đó chóng lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất

b.2.1) Hãm ngược khi đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng (tăng tải)

12

Đặc tính hãm ngược sđđ tác dụng cùng chiều với điện áp lưới, Động cơ làm

việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện, biến điện năng nhận từ lưới điện và

cơ năng thành nhiệt đốt nóng điện trở tổng mạch phần ứng, vì vậy tổn thất lớn

b.2.2) Đảo chiều điện áp phần ứng

Dòng điện Ih ngược chiều với chiều làm việc của đọng cơ và có thể khá lớn

u f

u u h

R R

E U I

dm

I = 2 ÷ 2 , 5

c) Hãm động năng

Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học của

động cơ được tích luỹ được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng

tiêu tán dưới dạng nhiệt

u

u hd

R R

K R R

E I

+

Φ

= +

−

M h =KΦI hd <0

Chứng tỏ Ihdvà Mhd ngược chiều với tốc độ ban đầu Năng lượng chủ yếu được tạo

ra do động năng tiêu tốn chỉ nằm trong mạch kích từ

c.2) Hãm động năng tự kích

Nhược điểm là nếu mất điện thì không thực hiện hãm được do cuộn dây kích

từ vẫn phải nối với nguồn.muốn khắc phục người ta sử dụng phường pháp hãm

động năng tự kích từ Nó xảy ra khi ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích từ ra khỏi lưới

điện khi đông cơ quay để đóng vào một điện trở hãm Trong quá trình hãm tốc độ

giảm dần, dòng kích từ giảm dần và do đó từ thông giảm dần và là hàm tốc độ vì

vậy đặc tính cơ như đặc tính không tải của máy phát điện tự kích thích và phi

tuyến.so với phương pháp hãm ngược Hãm động năng có hiệu quả kém hơn khi

chúng có cùng tốc độ và mômen cản, tuy nhiên hãm động năng ưu việt hơn về mặt

năng lượng đặc biệt hãm động năng tự kích vì không tiêu thụ năng lượng từ lưới

Sử dụng được kể cả khi mất điện

1.3.3 Vấn dề phụ tải

Đặc tính của phụ tải cũng là vấn đề cần phải quan tâm khi điều khiển động

cơ điện một chiều Với các loại khác nhau ta sẽ chọn phương pháp phù hợp và tính

toán khác nhau.có thể phân ra thành 3 loại cơ bản theo sự thay đổi của mômen cản

theo tốc độ Khi tốc độ động cơ thay đổi, mômen phụ tải có thể là

+ Không đổi: thang máy (1)

+ Tăng: như trong quạt gió, bơm

+ Giảm: các cơ cấu máy cuốn dây, cuốn giấy, truyền động quay trục chính máy cắt gọt kim loại

Ta thường mong muốn đặc tính này là tuyến tính (4) vì vấn đề thiết kế sẽ phức tạp lên rất nhiều khi sự thay đổi lại là phi tuyến đặc biệt là khi tải biến đổi Nên ở đây ta sẽ chỉ xét trường hợp phụ tải có mômen là hằng số trong toàn dải điều chỉnh

Qua phân tích trên đây, việc điều khiển điện áp phần ứng được chọn là phù hợp giải pháp mà người ta thường dùng hiện nay là băm xung áp điều khiển dó ra bằng bộ băm xung áp một chiều mà ta sẽ đề cập ở vấn đề tiếp theo

I.4.Phân tích các phương án tổng thể

I.4.1.các chỉ tiêu đánh giá

I.4.1.1.Hệ số đập mạch điện áp ra các bộ chỉnh lưu

Chỉnh lưu cầu 3 pha 1.05 Pd

I.4.2.Phân tích các phương án

I.4.2.1.Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển

Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha có những đặc điểm sau:

-Hệ số sử dụng MBA là 1.35, khá lớn so với 1.05 của sơ đồ cầu 3 pha Vì vậy làm tăng đáng kể công suất, kích thước và khối lượng MBA

-Hệ số đập mạch lớn, dạng điện áp ra xấu dẫn đến tăng kích thước bộ lọc

-Để tảI động cơ điện 1 chiều có thể đảo chiều quay thì phảI đấu song song ngược 2

bộ chỉnh lưu, làm tăng số lượng van, kích thước, giá thành thiết bị

Vì những lí do trên mà ta không dùng sơ đồ này

I.4.2.2.Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển

Đặc điểm sơ đồ này:

-Khi góc điều khiển thay đổi từ 0 đến 900

thì hệ số đập mạch thay đổi khá nhiều,

từ 0.057 đến 19.64 Như vậy dạng điện áp ra cũng không đẹp, làm tăng kích thước, khối lượng bộ lọc trước khi cấp cho tảI động cơ

-Cũng như sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha, để có thể đảo chiều quay động cơ ta phảI đấu song song ngược 2 bộ chỉnh lưu, dẫn đến tăng số lượng van, tăng kích thước thiết

Chương II

BĂM XUNG MỘT CHIỀU (BXDC)

II.1 Giới thiệu về băm xung một chiều (BXDC):

BXDC có chức năng biến đổi điện áp một chiều, nó có ưu điểm là có thể thay đỏi điện áp trong một phạm vi rộng mà hiệu suất của bộ biến đổi cao vì tổn thất của bộ biến đổi chủ yếu trên các phần tử đóng cắt rất nhỏ

So với các phương pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều như phương pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát một chiều, bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lưu có điều khiển thì phương pháp dùng mạch băm xung có nhiều ưu điểm đáng kể: điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm năng lượng, kinh tế và hiệu quả cao, đồng thời đảm bảo được trạng thái hãm tái sinh của động cơ Cùng với sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi các linh kiện bán dẫn công suất lớn đã tạo nên các mạch băm xung có hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độ nhạy cao, điều khiển trơn tru, chi phí bảo trì thấp, kích thước nhỏ Mạch băm xung đặc biệt thích hợp với các động cơ một chiều công suất nhỏ

Điện thế trung bình đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn mặc dù điện thế đầu vào có thể là hằng số (ắc qui, pin) hoặc biến thiên (đầu ra của chỉnh lưu), tải có thể thay đổi.Với một giá trị điện thế vào cho trước, điện thế trung bình đầu ra có thể điều khiển theo hai cách:

- Thay đổi độ rộng xung

- Thay đổi tần số băm xung

II.1.1 Phương pháp thay đổi độ rộng xung

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

18

1 d

γ =

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 < ε ≤ 1)

II.1.2 Phương pháp thay đổi tần số xung

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

II.1.3 Nhận xét

Ở đây ta chọn cách thay đổi độ rộng xung, phươg pháp này gọi là PWM (Pulse Width Modulation).Theo phương pháp này tân số băm xung sẽ là hằng số.Việc điều khiển trạng thái đóng mỏ của van dựa vào viêc so sánh một điện áp điều khiển với một sóng tuần hoàn (thường là dạng tam giác(Sawtooth)) có biên độ đỉnh không đổi.Nó sẽ thiết lập tần số đóng cắt cho van,tần số đóng cắt này là không đổi với dải tẩn từ 400Hz đến 200kHz.Khi u Control >u stthì cho tín hiệu điều khiển mở van, ngược lại khóa van

ải khi khoá

⇒ U đượccác van tron

⇒ hở mạch

ng cuộn L v

Ud ≤ U Ttruyền đạt:

off

t

Ura

à khoá S (vhoá S, cuộn

n điều khiểtải mắc nốĐi-ôt mắc ưởng thì ud

20

d I

U W U

Sơ đồ như sau:

Đặc điểm: L nối tiếp với tải, khoá S mắc song song với tải Cuộn cảm Lkhông tham gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trò này + S đóng, dòng điện từ +U qua L → S → -U Khi đó D tắt vì trên tụ có UC (đã được tích điện trước đó)

+ S ngắt, dòng điện chạy từ +U qua L → D → Tải Vì từ thông trong L không giảm tức thời về không do đó trong L xuất hiện suất điện động tự cảm eL

Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U ở chế độ liên tục

và năng lượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn

Đặc tính truyền đạt:

d I

a Sơ đồ mắc như sau:

Tải là động cơ mmột chiều được thay bởi mạch tương đương R-L-E L1 chỉ đóng vai trò tích luỹ năng lượng C đóng vai trò lọc

b Hoạt động

+ S đóng, trên L1 có U, dòng chạy từ +U → S → L1 → -U Năng lượng tích luỹ trong cuộn cảm L1; đi-ôt D tắt; Ud =UC, tụ C phóng điện qua tải

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

⇒ D thông ⇒ năng lượng từ trường nạp và C, tụ C tích điện; ud sẽ ngược chiều với U

Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với U Giá trị tuyệt đối |Ud| có thể lớn hơn hay nhỏ hơn U nguồn

II.2.4 Bộ Chopper lớp C (Bộ đảo dòng)

a) Sơ đồ nguyên lý

d.)Tính toán các thông số trên sơ đồ

Trong khoảng S1(D1) dẫn, điện áp đặt lên động cơ là U, ta có:

n tắc điều k

max

U 1R1

II

−γ τ

− τ

U ER

24

a được

Chu kì đóng cắt của mỗi van là T, S1 và S2 được kích dẫn lệch pha một khoảng thời gian T/2, mỗi van S1, S2 được kích với góc dẫn γ

c) Nguyên lý hoạt động

Chế độ động cơ ( 0,5 < γ < ) 1

Trong các khoảng 0 t T(< < γ −0,5) và T t T

2 < < γ thì S1 và S2 cùng dẫn, điện áp đặt lên phần ứng động cơ là U, dòng điện qua động cơ tăng từ Imintới Imax ta có phương trình: Ri Ldi E U

S

S

1 2

S D

1 2

S S

1 2

D S

Phương trình dòng qua động cơ: Ri Ldi E 0

− τ

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các phần tử là V

Dòng trung bình qua các van S1, S2: I1 Id (2 1)U E

R

= γ = γDòng trung bình qua các diot:I2 (1 )Id (1 )(2 1)U E

dt

+ = (đối với sơ đồ này thì khi làm việc ở chế độ hãm tái sinh phải đảo chiều quay của động cơ).Giải phương trình trong khoảng xét ta được:

min

Ei(t) (1 e ) I eR

Giải phư

Ei(t)

(1 eR

−

trung bình

T 2 d

opper lớp

ộ băm xun

yên lý

ng van bánnăng thực h

Tt2

−γ

τ +

h đặt lên độ

T 2 d

n nhất đặt l

p E

g một chiề

n dẫn IGBThiện điều c

ộng cơ trả giảm từ

ảng xét ta đ(t T)

năng lượn

Imax xuốn

được:

(2γ −1)U) E (1

− γ

d

)Iγ

U

=

van điều khchiều dòn

Trong các hệ truyền động tự động có yêu cầu đảo chiều động cơ do đó bộ biến đổi này thường hay dùng để cấp nguồn cho động cơ một chiều kích từ độc lập có nhu cầu đảo chiều quay

Các van IGBT làm nhiệm vụ khoá không tiếp điểm Các Điôt Đ1,Đ2,Đ3,Đ4 dùng

để trả năng lượng phản kháng về nguồn và thực hiện quá trình hãm tái sinh

Có các phương pháp điều khiển khác nhau như : Điều khiển độc lập,điều khiển không đối xứng và điều khiển đối xứng

2 Các phương pháp điều khiển

a.Phương pháp điều khiển độc lập

Nếu ta muốn động cơ chạy theo chiều nào thì ta sẽ chỉ cho một cặp van chạy ,cặp còn lại sẽ khoá

+Muốn cho động cơ quay thuận cho S1,S2 dẫn ,S3,S4 nghỉ

+Muốn cho động cơ quay nghịch cho S1,S2 nghỉ ,S3,S4 dẫn

b Phương pháp điều khiển không đối xứng

Giả sử động cơ quay theo chiều thuận (động cơ sẽ làm việc ở góc phần tư thứ 1và thứ 2) tương ứng với cặp van S1,S2 làm việc ,S3 luôn bị khoá ,S4 được đóng mở ngược pha với S1

∗Trạng thái 2: γE<Et : Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ 2 (chế độ hãm)

+Trong khoảng 0÷t1 :Động cơ trả năng lượng về nguồn thông qua các Điôt Đ1,Đ2 (IĐ1=IĐ2=It)

+Trong khoảng t1 ÷T :S4 dẫn ,dòng tải khép mạch qua Đ2 ,S4 (IĐ2=IS4=It)

∗Trạng thái 3: γE=Et :

+Trong khoảng 0÷t0: Et >γE :Động cơ trả năng lượng về nguồn qua Đ1 và Đ2 (IĐ1=IĐ2=It)

+Trong khoảng t0÷t1 :γE>Et : Động cơ làm việc ở chế độ động cơ

Năng lượng từ nguồn qua S1 ,S2 cấp cho động cơ

+Trong khoảng t1÷t2: S1 khóa ,S4 mở Năng lượng tích luỹ trong điện cảm sẽ cấp cho động cơ và duy trì dòng điện qua Đ2 ,Đ4

+Trong khoảng t2 ÷T :Khi năng lượng dự trữ trong điện cảm hết ,suất điện động động cơ sẽ đảo chiều dòng điện và dòng tải sẽ khép mạch qua S4 ,Đ2

di L

T

T t T

o

T t t

T t

∫

0 0

0

1

1

1

) 1 )(

1 (

1

1 1

1 1

a T

b a b

U R

b b a L

U

1

) 1 )(

+Giá trị trung bình điện áp ra tải Ut=γU

Vậy để điều khiển động cơ ta chỉ cần điều khiển γ để điều chỉnh điện áp ra tải

c.Phương pháp điều khiển đối xứng

Cách 1: Điện áp ra đơn cực tính (Unipolar Voltage Switching)

Nguyên tắc điều khiển

Chu kì đóng cắt của các van bán dẫn là 2T; S1 dẫn trong khoảng 0 t 2 T< < γ , S2 dẫn trong khoảng 2 T t 2Tγ < < ;S3 dẫn trong khoảng T t (1< < + γ , và )TS4 dẫn trong khoảng (1+ γ < <)T t 2T

+Chế độ làm việc ở góc phần tư 1(1> γ >0,5)

* Trong khoảng 1, S1 và S2 được kích dẫn, động cơ được nối với nguồn U, dòng phần ứng tăng

* Trong khoảng2, S2 tắt, S3 được kích dẫn, do phần ứng có tính chất điện cảm nên dòng qua phần ứng ngắn mạch qua S1 và D3 Lúc này điện áp đặt lên động cơ là 0, dòng trong động cơ giảm

S D

1 2

S S

4 2

D S

T T γ

32

* Trong khoảng 3, S2 lại được kích dẫn, S3 tắt, do đó động cơ được cấp điện

áp U từ nguồn, dòng qua phần ứng tăng

* Trong khoảng 4, S4 được kích dẫn, S1 tắt, do đó dòng qua phần ứng khép mạch qua S2 và D4, dòng qua phần ứng giảm do ngược chiều suất điện động

E

Tính các thông số trong mạch

Khảo sát trong một chu kì biến thiên T của dòng điện phần ứng

Trong khoảng 0 t T(2< < γ − động cơ được nối với nguồn qua S1, S4; dòng 1)qua phần ứng tăng từ I tới min Imax, ta có:Ri Ldi E U

Trong khoảng (2γ −1)T t 2T< < , động cơ được ngắn mạch qua S1 và

D3,điện áp đặt lên động cơ là 0, dòng phần ứng giảm từ Imax tới I ,ta có min

− τ

Điện áp trung bình trên động cơ:

T T

Dòng điện trung bình qua S1, S4 là I1 = γ Id

Dòng điện trung bình qua D2, D3 là I2 = − γ (1 )Id

34

* Trong khoảng 1: S1 và S3 nhận tín hiệu điều khiến, sức điện động sinh ra dòng điện chảy qua D1 và S3 Trong khoảng này, dòng qua phần ứng tăng

và tích lũy năng lượng trong điện kháng mạch phần ứng

* Trong khoảng 2: S3 tắt, S1 và S4 được kích dẫn, do tính chất điện kháng nên dòng qua phần ứng sẽ qua D1, U và D4, năng lượng được đưa trả về nguồn, dòng qua phần ứng giảm

t

1 2

D

D

1 3

D S

1 2

D D

2 4

D S

T

* Trong khoảng 3: S1 tắt, S2 và S4 được kích dẫn, khi đó dòng qua phần ứng khép mạch qua S2 và D4, dòng qua phần ứng tăng

* Trong khoảng 4: S1 và S4 được kích dẫn, S2 tắt,dòng phần ứng chảy qua D1, U và D4,năng lượng phần ứng trả về nguồn, dòng qua phần ứng giảm

Chế độ làm việc của động cơ ở các góc phần tư 3 và 4 ứng với 0< γ <0,5

Cách 2: Điện áp ra đảo cực tính (Bipolar Voltage Switching)

Nguyên tắc điều khiển

theo phương pháp điều khiển này các cặp van S1 và S2; S3 và S4 lập thành hai cặp van mà trong mỗi cặp thì hai van được điều khiển đóng cắt đồng thời Tín hiệu điều khiển được tạo ra bằng cách so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa (thường là dạng xung tam giác):

-Nếu Udk>utua thì S1 và S2 được kích dẫn; S3 và S4 được kích tắt

-Nếu Udk<utua thì S1và S2 được kích tắt; S3 và S4 được kích dẫn

Biểu đồ dạng sóng dòng, áp trên tải