Trong caùc ngaønh coâng nghieäp saûn xuaát vaø ñôøi soáng, coâng taùc ñieàu khieån vaän haønh hieäu quaû caùc thieát bò nhaèm taêng khaû naêng saûn xuaát, taêng chaát löôïng, ñoàng thôøi tieát kieäm ñöôïc chi phí saûn xuaát cuõng nhö moïi chi phí cho vieäc truøng tu baûo döôõng thieát bò saûn xuaát giöõ moät vò trí quan troïng. Ñieàu khieån maùy ñieän laø moät lónh vöïc nghieân cöùu öùng duïng caùc thieát bò, khí cuï vaø sô ñoà ñieàu khieån ñeå phuïc vuï caùc nhu caàu thay ñoåi caùc ñaïi löôïng cuûa chuyeån ñoäng nhö moâmen, toác ñoä hay ñieàu khieån vò trí tuyø theo caùc yeâu caàu phaùt sinh cuûa moãi loaïi hình saûn xuaát. Ñoäng cô moät chieàu ñöôïc söû duïng töø laâu trong caùc heä truyeàn ñoäng coù ñieàu khieån toác ñoä yeâu caàu daûi ñieàu chænh lôùn, ñoä oån ñònh toác ñoä cao vaø caùc heä thöôøng xuyeân hoaït ñoäng ôû cheá ñoä khôûi ñoäng, haõm vaø ñaûo chieàu. Nhôø coù ñaëc tính ñieàu chænh toác ñoä toát neân ñöôïc söû duïng raát phoå bieán trong coâng nghieäp. Moät soá öùng duïng quan troïng cuûa ñoäng cô moät chieàu nhö truyeàn ñoäng cho xe ñieän, maùy coâng cuï, maùy naâng vaän chuyeån, maùy caùn, maùynghieàn, .v.v… Để điều khiển động cơ một chiều có rất nhiều phương pháp như: sử dụng hệ thống máy phát – động cơ (F-Đ), hệ thống chỉnh lưu có điều khiển dùng tiristor hay bộ băm áp một chiều .v.v. Trong bài tập của mình em xin trình bày một số hiểu biết về bộ băm áp một chiều.
Trang 1LỜI NĨI ĐẦU
Trong các ngành công nghiệp sản xuất và đời sống, công tác điều khiển vận hành hiệu quả các thiết bị nhằm tăng khả năng sản xuất, tăng chất lượng, đồng thời tiết kiệm được chi phí sản xuất cũng như mọi chi phí cho việc trùng tu bảo dưỡng thiết bị sản xuất giữ một vị trí quan trọng
Điều khiển máy điện là một lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng các thiết
bị, khí cụ và sơ đồ điều khiển để phục vụ các nhu cầu thay đổi các đại lượng của chuyển động như mômen, tốc độ hay điều khiển vị trí tuỳ theo các yêu cầu phát sinh của mỗi loại hình sản xuất
Động cơ một chiều được sử dụng từ lâu trong các hệ truyền động có điều khiển tốc độ yêu cầu dải điều chỉnh lớn, độ ổn định tốc độ cao và các hệ thường xuyên hoạt động ở chế độ khởi động, hãm và đảo chiều Nhờ có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt nên được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp Một số ứng dụng quan trọng của động cơ một chiều như truyền động cho xe điện, máy công cụ, máy nâng vận chuyển, máy cán, máynghiền, v.v…
Để điều khiển động cơ một chiều cĩ rất nhiều phương pháp như: sử dụng hệ thống máy phát – động cơ (F-Đ), hệ thống chỉnh lưu cĩ điều
khiển dùng tiristor hay bộ băm áp một chiều v.v Trong bài tập của mình
em xin trình bày một số hiểu biết về bộ băm áp một chiều
Trang 2Chương 1: Nguyên lý mạch điều khiển của bộ băm áp một chiều
Bộ băm áp dùng để biến đổi điện áp một chiều không đổi thành các xung một chiều có trị số trung bình Utb biến đổi Utb có thể điều chỉnh từ 0 đến lớn nhât chính bằng điện áp nguồn cấp cho bộ băm
Mạch điều khiển băm áp một chiều có nhiệm vụ xác định thời điểm mở
và khoá van bán dẫn trong một chu kì chuyển mạch Điện áp tải khi điều khiển được tính
Utb = .U
Trong đó = ton/T ton là thời gian van bán dẫn đóng điện động cơ trong một chu kỳ xung
T là thời gian chu kỳ của một xung
Mạch điều khiển của bộ băm áp thường gồm 3 phần chính
Tạo tần
Khuyếch đại
Uđiều khiển
Phần tạo tần số: có nhiệm vụ tao điện áp tựa răng cưa Urc với tần số theo
ý muốn người thiết kế Tần số của các bộ điều áp một chiều thường chọn khá lớn (hàng chục KHz) Tần số này lớn hay bé là do khả năng chịu tần
số của van bán dẫn Nếu van động lực là Tiristor tần số của khâu tạo tần
số khoảng 1-5 KHz Nếu van động lực là Tranzitor lưỡng cực, trường, IGBT tần số có thể hàng chục KHz
Trang 3t
C¸c d¹ng ®iÖn ¸p tùa cña m¹ch ®iÒu khiÓn ®iÒu ¸p mét chiÒu
a
U
®k
Phần so sánh: có nhiệm vụ xác định thời điểm đóng cắt van bán dẫn Tại các thời điểm điện áp tựa bằng hoặc lớn hơn điện áp điều khiển thì phát lệnh mở khoá van bán dẫn và ngược lại
Phần khuếch đại: có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở van bán dẫn Một xung được coi là phù hợp để mở van là xung có đủ công suất (đủ dòng điện và điện áp điều khiển), cách ly giữa mạch điều khiển với mạch
Nguyên lí
t
5
U
®k
U
T¶i
t
t
URC - điện áp tựa
Uđk - điện áp điều khiển
Trang 4động lực khi nguồn động lực hàng chục vơn trở lên Hình dạng xung điều khiển phụ thuộc loại van động lực được sử dụng
Chương 2: Nguyên lý mạch động lực của bộ băm áp một chiều
Sau khi xung điều khiển được khuyếch đại đủ lớn, xung ấy được đưa tới
để đĩng mở các van bán dẫn Van bán dẫn dùng trong bộ băm áp cĩ thể là tiristor, GTO, transistor cơng suất, MOSFET , IGBT v.v Trong bài của mình em xin trình bày nguyên lý của mạch động lực dùng van bán dẫn là tiristor Bộ băm áp cĩ thể chia làm 3 loại: bộ băm nối tiếp, bộ băm song song, bộ băm hỗn hợp
2 1 Bộ băm nối tiếp (bộ giảm áp):
2 1 1 Nguyên lý hoạt động:
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống được biểu diễn như sau:
Trong đó:
- VS1: Là tiristor chính
- VS2: Là tiristor phụ, dùng để ngắt bộ băm
- Lc,Dc, C: Là các phần tử chuyển mạch, tạo mạch nạp cho tụ C
- D: Diode hoàn năng lượng, duy trì dòng qua tải khi bộ băm ngắt
(-) (+)
Id
D0
ID0
LC
DC
U
E
Ud +
-
-
VS1
VS2
Rd
Trang 5Bộ băm nối tiếp là một khóa điện S bằng tiristor được điều khiển đóng mở trong hệ thống một cách chu kỳ Khi S đóng thì điện áp ngỏ
ra trên tải Ud = U còn khi S mở thì Ud = 0
Giả sử ở trạng thái ban đầu VS1 và VS2 đều bị khóa, tụ C được nạp đầy với bản cực dương ở phía trên như ghi chú trong hình
Cho xung điều khiển kích tiristor chính VS1, VS1 mở, dòng điện từ cực dương của nguồn U chạy qua VS1 vào mạch phụ tải ( R, L, E ) rồi trở về cực âm của nguồn U Đồng thời tụ C sẽ phóng điện theo vòng: VS1
-Lc-Dc-C và tụ C được nạp điện theo chiều ngược lại Điện áp ra trên tải Ud = U
Khi cho xung điều khiển kích tiristor phụ VS2, VS2 mở, đặt điện áp giữa hai bản cực của tụ C lên VS1 làm cho VS1 bị khóa lại Lúc này điện áp ra trên tải Ud = 0
Thay đổi tỷ số thời gian đóng và thời gian ngắt của VS1 sẽ điều chỉnh được giá trị trung bình của điện áp ra trên tải
Utb = .U
Có hai cách để thay đổi
- Giữ cố định chu kỳ xung T ( tần số cố định ), thay đổi thời gian đóng mạch Ton của bộ băm Phương pháp này được gọi là phương pháp điều khiển độ rộng xung (PWM)
- Giữ cố định thời gian đóng mạch Ton, thay đổi chu kỳ của bộ băm T ( tần số biến thiên ) Phương pháp này được gọi là phương pháp điều tần
Khi = 0 tức là Ton = 0 ta có Utb = 0, bộ băm thường xuyên ngắt mạch
Khi = 1 tức là Ton = T ta có Utb = U, bộ băm thường xuyên đóng mạch
Ta có sơ đồ biểu diễn điện áp ra trên tải Ud như sau:
Trang 62 1 2 Cách điều chỉnh tốc độ:
Khi điện áp nguồn một chiều U không đổi, tốc độ của động cơ sẽ thay đổi nhờ sự thay đổi tỷ số thời gian đóng ngắt khóa S Ta có sơ đồ nguyên lý hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng bộ băm nối tiếp như sau:
2 2 Bộ băm song song (bộ tăng áp):
2 2 1 Nguyên lý hoạt động:
Sơ đồ nguyên lý của bộ băm song song được biểu diễn như sau:
Tđg Tng T
Utb
Ud U
t 0
Iư
Lư
+
-
U
Đ
U
E
Ud
Id
IT
-
+
D
L R
T
Trang 7L: Là điện cảm của phần ứng động cơ kết hợp với điện cảm bổ sung để giữ cho dòng Id = const
Xét trong khoảng thời gian 0 < t < T thì tiristor T mở, diode D được phân cực ngược nên bị khóa để tránh làm ngắn mạch nguồn U Lúc này: Utb = 0
Trong khoảng thời gian T < t < T thì T khóa và D mở Lúc này
Utb = U
Giá trị trung bình của điện áp một chiều:
Utb = (1-).U
Sơ đồ biểu diễn dạng xung điện áp ngõ ra
U
T T
Ud
t 0
Ie
t 0
IT
t 0
Id
Trang 82 2 2 Cách điều chỉnh tốc độ:
-
+
U
Đ
Khi tải là một máy điện một chiều, bộ băm song song sẽ cho phép thực hiện hãm tái sinh Trong chế độ hãm, máy điện sẽ làm việc như là một máy phát điện, trả năng lượng trở về nguồn đã từng nuôi nó khi nó làm việc ở trạng thái động cơ điện
Ta nhận thấy rằng có thể khống chế dòng điện hãm tái sinh bằng cách tác động vào tỷ số chu kỳ
Để có thể tiến hành hãm tái sinh cho máy điện, trả năng lượng trở về nguồn thì Id > 0 do đó sức điện động E > Ud Như vậy, khi S mở thì
Utb = 0 và khi S ngắt thì Utb = U
2 3 Bộ băm đảo dòng:
2 3 1 Nguyên lý hoạt động:
Bộ băm đảo dòng là sự kết hợp giữa bộ băm nối tiếp và bộ băm song song Bộ băm đảo dòng sẽ cho phép truyền năng lượng theo hai chiều
Ta có sơ đồ nguyên lý của bộ băm đảo dòng được trình bày như sau:
Trang 9
Ud
Id
E
I2
U
T1
D1
-
+
D2
L R
T2
2 3 2 Cách điều chỉnh tốc độ:
Khi tải là máy điện một chiều, U là nguồn điện áp một chiều không đổi thì máy điện có thể làm việc ở hai trạng thái: Động cơ và máy phát
Ở trạng thái động cơ: T2 khóa, T1 mở trong khoảng thời gian là 1T của chu kỳ Lúc này điện áp ra trên tải sẽ là: Utb = 1U và sức điện động của động cơ E = Utb - RId = 1U - RId với Id > 0
Ở trạng thái máy phát: T1 khóa, T2 mở trong khoảng thời gian 2T của chu kỳ Lúc này điện áp ra trên tải sẽ là: Utb = ( 1 - 2 )U và sức điện động trên động cơ: E = Utb - RId = ( 1 - 2 )U - RId với Id < 0 Mối quan hệ giữa các tỷ số chu kỳ 1 và 2 là 1 + 2 = 1
Như vậy, với bộ băm đảo dòng, bằng cách tác động vào 1 và 2 ta sẽ có được một họ đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều ở hai trạng thái là động cơ và hãm tái sinh
Trang 10
0
1 = 1
2 = 0
0,75
0,5
0,25 0,25
0 1
n
M, I
Chương 3: Sơ đồ các phần trong bộ băm áp
3.1 Ph ầ n t ạ o t ầ n s ố
Tạo điện áp răng cưa bằng dao động đa hài
+ A1
t
-b
V+
V
-R
R1
R2
C
a
+
A2
R3 + A1
t
-b
V+
V
-R
R1
R2
C
a
+
A2
R3
Trang 11Tạo điện áp răng cưa bằng mạch tích phân
+
-R1
R2
R3
C
V+
V _
V _
t
UA1 UA2
3.2 Phần so sánh
3.3 Phần khuyếch đại
Urc
Uss
Uđk
t
t U
_ +
a
b
Trang 12Các xung điều khiển thường được khuyếch đại bằng mạch khuyếch đại công suất theo kiểu ghép biến áp theo 1 trong 2 sơ đồ sau
Uđk
Urc
T1
T2
Tr1
Tr2
R1
R2
D1
BAX1
2
BAX2
D4 +15V
D3
Uss
+
+
R3
R4
A1
A2
Uđk
Urc
T1
T2
Tr1
Tr2
R1
R2
D1
BAX1
2
BAX2
D4 +15V
D3
Uss
+
+
R3
R4
A1
A2
Uđk
Urc
T1
T2
Tr1
Tr2
R1
R2
D1
BAX1
BAX2 D4
-15V
D3
Uss
Uđk
Urc
T1
T2
Tr1
Tr2
R1
R2
D1
BAX1
BAX2 D4
-15V
D3
Uss
Trong 2 sơ đồ trên thì sơ đồ thứ nhất tuy có phức tạp về điều khiển nhưng lại dùng nguồn đơn nên dễ dàng sử dụng hơn sơ đồ thứ hai dùng
Trang 13nguồn đối xứng Chính vì thế sơ đồ thứ nhất thường được sử dụng nhiều hơn
Xung điều khiển được khuyếch đại đủ lớn sẽ được dùng để đóng cắt 2 tiristor T1 và T2 trong mạch động lực
Chương 4: Ưu điểm và nhược điểm bộ băm áp một
chiều
4.1 Ưu điểm
- Sử dụng được cho cả quá trình điều khiển tốc độ và hãm động cơ một chiều
- Dải điều khiển rộng hơn so với mạch điều chỉnh tuyến tính
- Tốc độ mô tơ quay nhanh hơn khi cấp chuỗi xung điều chế theo kiểu PWM so với khi cấp một điện áp tương đương với điện áp trung bình của chuỗi xung PWM
- Tổn hao năng lượng ít hơn so với phương pháp điều chỉnh điện áp một chiều liên tục
- Ít nhạy cảm với môi trường vì tham số điều chỉnh là thời gian đóng cắt
để đặt hoặc cắt điện áp đặt lên tải
- Kích thước nhỏ
4.2 Nhược điểm
- Cần các mạch điện tử bổ trợ - giá thành cao
- Các xung kích lên 12 Volt có thể gây nên tiếng ồn nếu mô tơ không được gắn chặt và tiếng ồn này sẽ tăng lên nếu gặp phải trường hợp cộng hưởng của vỏ
- Ngoài ra việc dùng chuỗi xung điều chế PWM có thể làm giảm tuổi thọ của mô tơ
- Tần số đóng mở lớn dễ gây ra nhiễu vô tuyến
- Phải dùng cùng bộ lọc đầu ra do đó tăng quán tính của quá trình điều khiển khi sử dụng các mạch điều khiển kín
