Thiết kế mạch điều khiển động cơ một chiều

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều kích từ độc lập * Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng * Phương pháp điều chỉnh từ thông kích từ Chương 2 : Tổng quan về bộ biế

Đồ án tốt nghiệp

Đề bài

Thiết kế mạch điều khiển động

cơ một chiều.

Lời nói đầu Chương 1 : Tổng quan về động cơ một chiều

1.1. Cấu tạo và đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập

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

1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều kích từ độc lập

* Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng

* Phương pháp điều chỉnh từ thông kích từ

Chương 2 : Tổng quan về bộ biến đổi xung áp

2.1 Cấu trúc và phân loại bộ biến đổi xung áp

* Bộ biến đổi xung áp nối tiếp ( xung áp giảm áp )

* Bộ biến đổi xung áp song song ( xung áp tăng áp )

* Bộ biến đổi xung áp tăng-giảm áp

* Lựa chọn bộ biến đổi

2.2 Phương pháp điều khiển bộ biến đổi xung áp

* Phương pháp thay đổi độ rộng xung

* Phương pháp thay đổi tần số băm xung

* Lựa chọn phương pháp điều khiển

Chương 3 : Thiết kế mạch điều khiển

3.1 Sơ đồ mạch động lực

3.2 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển

* Khâu tạo điện áp tam giác

* Khâu so sánh tạo xung điều khiển van

* Khâu tạo xung chùm

* Khâu khuếch đại xung chùm

* Biến áp xung

3.3 Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển

Chương 4 : Mô phỏng mạch điều khiển

Kết luận

Tài liệu tham khảo

GV hướng dẫn SV thực hiện

Lời nói đầu

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 haymáy 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

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 suấtlớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 100000kw điện áp vào khoảngvài 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 trongphạm 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

Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

1.1 Cấu tạo và đặc tính cơ của động cơ một chiều

Động cơ một chiều bao gồm 2 phần phần cảm (phần tĩnh) và phần ứng (phần quay).

* Phần cảm (stator)

Phần cảm gọi là stator, gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy và các cực từ chính có dây quấn kích từ (hình 1.1), dòng điện chạy trong dây quấn kích từ sao cho các cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân phiên nhau Cực từ chính gắn với vỏ máy nhờ các bulông Ngoài ra máy điện một chiều còn có nắp máy, cực từ phụ và cơ cấu chổi than

Hình 1.1 Cực từ chính

* Phần ứng (rotor)

Rôto gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp và trục máy

Hình 1.2 Lá thép rôto Hình 1.3 Dây quấn phần ứng máy điện 1 chiều

1 Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dày 0,5 mm, phủ sơn cách điện ghép lại Các lá thép được dập các lỗ thông gió và rãnh để đặt dây quấn phần ứng (hình 1.2)

2 Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong các rãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín Phần tử của dây quấn là một bối dây

gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp của vành góp (hình 1.3a) hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ khác tên (hình 1.3b).

3 Cổ góp (vành góp) hay còn gọi là vành đổi chiều gồm nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn được ghép thành một khối hình trụ, cách điện với nhau và cách điện với trục máy

Các bộ phận khác như trục máy, quạt làm mát máy…

1.2- Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Trên hình 1.4 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng điện Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mômen tác dụng lên rôto, làm quay rôto Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình 1.4a)

Hình 1.4 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau (hình 1.4b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi,

do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhất định, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi

Chế độ làm việc định mức của máy điện nói chung và của động cơ điện một chiều nói riêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo quy định Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy gọi là những đại lượng định mức

1. Công suất định mức Pđm (kW hay W)

2. Điện áp định mức Uđm (V)

3. Dòng điện định mức Iđm (A)

4. Tốc độ định mức nđm (vòng/ph)

Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dòng điện kích từ…

Chú ý: Công suất định mức chỉ công suất đưa ra của máy điện Đối với máy phát điện đó là công suất đưa ra ở đầu cực máy phát, còn đối với động cơ đó là công suất đưa

ra trên đầu trục động cơ

1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều kích từ độc lập

Về phương diện điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn

so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng

Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều nói chung và động cơ một chiều kích từ độc lập nói riêng :

• Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ

• Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ

Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ Trong công nghiệp thường sử dụng bốn loại bộ biến đổi chính:

• Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điện khuếch đại (KĐM)

• Bộ biến đổi điện từ: Khuếch đại từ (KĐT)

• Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: Chỉnh lưu tiristo (CLT)

• Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristo hoặc tranzito (BBĐXA)Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như:

• Hệ truyền động máy phát-động cơ (F-Đ)

• Hệ truyền động máy điện khuếch đại - động cơ (MĐKĐ-Đ)

• Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ (KĐT-Đ)

• Hệ truyền động chỉnh lưu tiristor-động cơ (T-Đ)

• Hệ truyền động xung áp-động cơ (XA-Đ)Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có loại điều khiển theo mạch kín (ta có hệ truyền động điều chỉnh tự động) và loại điều khiển theo mạch hở (hệ truyền động điều khiển hở) Hệ điều chỉnh tự động truyền

động điện có cấu trúc phức tạp, nhưng có chất lượng điều chỉnh cao và dải điều chỉnh rộng hơn so với hệ truyền động hở Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động

cơ điện một chiều còn được phân loại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay Đồng thời tuỳ thuộc vào các phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc ở một góc phần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư

• Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng:

Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển vv Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Uđk

§ BB§

Hình II-1 Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập

Vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không

ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau:

Eb - Eư = Iư.Rb + RưđIư

u dm

ud b dm

K

R R K

E

Φ

+

− Φ

=

β ω

ω = 0(U dk) −M

Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để

Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ thông cũng được giữ ở giá trị định mức Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu

cầu về sai số tốc độ và về mô men khởi động Khi mô men tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:

β ω

−

= 0 min min

Để thoả mãn khả khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải

có mô men ngắn mạch là:

Mnmmin = Mcmax = KM.MdmTrong đó KM là hệ số quá tải về mô men Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết:

) 1 (

1 ) ( min

min = M nm −M dm =M dm K M −

β β ω

1

1

) 1 (

max 0 max

M

dm

K

M M

K

M D

β ω β

áp phần ứng động cơ bằng cac thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ Do đó có thể tính sơ bộ được:

10 /

ω

Vì thế với tải có đặc tính mô men không đổi thì có giá trị phạm vi diều chỉnh tốc

độ cững không vượt quá 10 Đói với các máy có yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ chính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ thống “hở” như trên là không thoả mãn được

Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi các đặc tính cơ tĩnh của truyền động một chiều kích từ độc lập là tuyến tính Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng các đặc tính cơ trong toàn dải điều chỉnh là như nhau, do đó độ sụt tốc tương đối đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh Hay nói cách khác , nếu tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vượt quá giá trị sai số cho phép, thì

hệ truyền động sẽ làm việc với sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh Sai số tương đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là:

min min

min min

o o

o s

ω

ω ω

ω

=

cp o

Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thông kích từ được giữ nguyên, do đó mô men tải cho phép của hệ sẽ là không đổi:

Mc.cp=Kφđm.Iđm=Mđm

Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mô men nằm trong hình chữ nhật bao bởi các đường thẳng ω = ωđm , M = Mđm và các trục toạ độ Tổn hao năng lượng chính là tổn hao trong mạch phần ứng nếu bỏ qua các tổn hao không đổi trong hệ

E = Eư + Iư(Rb + Rưđ)

IưEb = Iư Eư + Iư2(Rb + Rưđ)Khi làm việc ở chế độ xác lập ta có mô men do động cơ sinh ra đúng bằng mô men tải trên trục: M* = Mc* và gần đúng coi đặc tính cơ của phụ tải là Mc* = (?* )x thì

η (II-2-5)

kể hiệu suất của hệ.

• Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ:

Điều chỉnh từ thông kích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mô men điện

từ của động cơ M = KφIư và sức điện động quay của động cơ Eư = Kφω Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến, vì vậy hệ điều chỉnh từ thôngcũng là hệ phi tuyến:

dt

d r

r

e

k b

k k

Φ +

+

= ω (II-3-1)trong đó: rk - điện trở dây quấn kích thích,

rb - điện trở của nguồn điện áp kích thích,

ωk – số vòng dây của dây quấn kích thích,Trong chế độ xác lập ta có quan hệ:

φ = f [ik]

Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trị định mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc tính có điện áp phần ứng định mức,từ thông định mức và được gọi là đạc tính cơ bản (đôi khi chính là đặc tính tự nhiên của động cơ) 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 để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi,

vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết qủa là mô men cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh Ngay cả khi giữ nguyên dòng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính cơ cững giảm rất nhanh khi giảm từ thông kích thích:

Lk(U®k Φ)

ikωk

Φ0

c,Hình II-4 Sơ đồ thay thế (a) Đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh từ thông động

cơ (b) Quan hệ ?(ikt),(c)

Do điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm từ thông nên đối với các động cơ mà từ thông định mức nằm ở chỗ tiếp giáp giữa vùng tuyến tính và vùng b•o hoà của đặc tính

từ hoá thì có thể coi việc điều chỉnh là tuyến tính và hằng số C phụ thuộc vào thông số kết cấu của máy điện:

• Kết luậnPhương 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 dùng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng nên tổn hao công suất điều 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

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

Chương 2 : TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP

* Bộ biến đổi xung áp giảm áp

Sơ đồ nguyên lý :

Nguyên lý hoạt động :

Phần tử điều chỉnh quy ước là khóa S ( van bán dẫn điều khiển được )

Đặc điểm của sơ đồ này là khóa S, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp Tải có tính chất cảm kháng hoặc dung kháng Bộ lọc L & C Điôt mắc ngược với Ud để thoát dòng tải khi ngắt khóa K.

+ S đóng thì U được đặt vào đầu của bộ lọc Nếu bỏ qua tổn thất trong các van và các phần tử thì Ud=U

+ S mở thì hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng id do năng lượng tích lũy trong cuộn L và cảm kháng của tải, dòng khép kín qua D, do vậy Ud=0

Như vậy, Ud ≤ U Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp

* Bộ biến đổi xung áp tăng áp

Sơ đồ nguyên lý :

Đặc điểm:

L nối tiếp với tải, khoá S mắc song song với tải Cuộn cảm L không 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 có cùng cực tính với U Do đó tổng điện áp: ud =U + eL Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp

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

* Bộ biến đổi xung áp tăng-giảm áp

Sơ đồ nguyên lý:

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.

Nguyên lý 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

* Bộ băm xung một chiều có đảo chiều

Ở đây ta sử dụn van bán dẫn IGBT Bộ BXM dùng van điều khiển hoàn toàn IGBT có khả năng thực hiện điều chỉnh điện áp và đảo chiều dòng điện tải

Trong các hệ trngruyền động tự động có yêu cầu đảo chiều động cơ do đó bộ biến

đổi này tthường 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 phhương pháp điều khiển khác nhau như : Điều khiển độc lập, điều khiển không đối xứng và điều khiển đối xứng

* Lựa chọn bộ biến đổi

- Lựa chọn mạch lựcQua các mạch phân tích ở trên ta thấy để phù hợp đảo chiều động cơ (mộtcách chủ động) ta chọn bộ băm xung một chiều có đảo chiều (cầu BXDC), mạch này cho phép năng lượng đi theo 2 chiều Ud, Id có thể đảo chiều một cách độc lập Hơn nữa mạch này rất thông dụng (dùng trong DC-DC, DC-AC converter) do đó việc tìm mua các phần tử cũng dễ dàng hơn

- Lựa chọn van bán dẫnChọn van IGBT bởi :+ IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khảnăng chịu quá tải lớn của transistor thường, tần số băm điện áp cao thì làm cho động cơ chạy êm hơn

+ Công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ nên làm cho đơn giản đáng kể thiết

kế của các bộ biến đổi và làm cho kích thước hệ thống điều khiển nhỏ, hơn nữa nó cũng làm tiết kiệm năng luợng (điều khiển)

+ IGBT là phần tử đóng cắt với dòng áp lớn, nó đang dần thay thế transistorBJT nó ngày càng thông dụng hơn do đó việc mua thiết bị cũng đơn giản hơn.Cùng với

sự phát triển của IGBT thì các IC chuyên dụng điều khiển chúng (IGBT Driver) ngày càng phát triển và hoàn thiện do đó việc điều khiển cũng chuẩn xác và việc thiết kế các mạch điều khiển cũng đơn giản, gọn nhẹ

Điện thế trung bình đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn mặc dùđiện 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

* 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:

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)

* Phương pháp thay đổi tần số băm 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 đi kèm

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 Uctl >Ust thì cho tín hiệu điều khiển mở van, ngược lại khóa van

• Phương pháp điều khiển bộ băm xung có đảo chiều

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 vớiđiện 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

có tính cảm kháng nên dòng điện phần ứng khép mạch qua D3 và D4 về

nguồn, S3 và S4 bị đạt điện áp ngược bởi hai diode D3 và D4 nên khoá, dòng

id giảm từ Imax về 0

+Trong khoảng 3:S3 và S4 được kích dẫn, điện áp đặt lên động cơ là –U,

dòng id tăng theo chiều ngược lại (giảm từ 0 về Imin theo chiểu dương)

+Trong khoảng 4: S3 và S4 được kích tắt, S1 và S2 được kích dẫn, nhưng do

trước đó dòng id chạy theo chiều ngược lại nên dòng id tiềp tục chảy theo

chiều cũ, khép mạch qua các diode D1 và D2 về nguồn; S1 và S2 bị đặt điện

áp ngược bởi hai diode D1 và D2 phân cực thuận nên khoá, do đó id giảm

theo chiều ngược lại từ Imin về 0

Chương 3 : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Chọn tần số băm xung f = 500Hz

Mạch cấp nguồn một chiều cho động cơ

Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ đấu dây Δ/Y làm mát bằng không khí tự nhiên Máy biến áp công suất nhỏ ,chỉ cỡ chục KVA trở lại ,sụt áp trên điện trở lớn khoảng 4% ,sụt áp trên cuộn kháng ít hơn khoảng 2% Điện áp sụt trên 2 Điôt khoảng 2V

Qua phân tích các mạch lực ta thấy+ Dòng điện trung bình chạy qua diodeVới giá trị dòng định mức động cơ Iđm = 6A

Chọn chế độ làm mát là van có cánh tỏa nhiệt với đủ điẹn tích bề mặt và có quạt thông gió, khi đó cho dòng điện làm việc cho phép chạy qua van tới 50% Iđm

Lúc đó dòng chạy qua van cần chọn :Iđmv = Ki.Imax = 6/0.5 = 12(A)Qua các biểu đồ ta thấy : Điện áp ngược cực đại đặt trên mỗi van( bỏ qua sụt

áp trên mỗi van là U = 400VChọn hệ số quá điện áp Ku= 2.5  Ungv= 2.5.400 = 1000(V)

Chọn 4 diode loại CR20-100 có các thông số sau :

Trong đó :

Imax :dòng điện làm việc cực đại cho phép qua vanUngv : điện áp ngược cực đại cho phép đặt lên vanIpik : đỉnh xung dòng điện

ΔU :tổn hao điện áp ở trạng thái mở của DiodeIth : dòng điện thử cực đại

Ir :dòng điện rò ở nhiệt độ 250 CTcp : nhiệt độ cho phép làm việc

- Tính chọn IGBTTính dòng trung bình chạy qua van:

Qua phân tích các mạch lực trên ta thấy:

Dòng điện trung bình chạy qua van lμ : IS =γ ItVới giá trị dòng điện định mức động cơ là Itđm =6(A)+ Chọn chế độ làm mát là van có cánh toả nhiệt với đủ diện tích bề mặt và có quạt thông gió, khi đó dòng điện làm việc cho phép chạy qua van lên tới 50 %

Idm

Lúc đó dòng điện qua van cần chọn :

Iđmv = ki Imax =6/0.5=12(A)Qua các biểu đồ ta thấy :Điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi van (bỏ qua sụt áp