thiết kế băm xung áp 1 chiều điều khiển

thiết kế băm xung áp 1 chiều có đảo chiều điều chỉnh tốc độ động cơ kích từ độc lập sử dụng van IGBT mô phỏng bằng psim bạn nào cần bản word thì ib m , mình gửi cho đồ án này mình làm kỳ vừa rồi, quan trọng là cách trả lời vấn đáp nữa mới được điểm cao, còn nội dung thì tương đối đầy đủ . Các bạn tải về tham khảo nha

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC Electric Power University –EPU

ĐỒ ÁN : ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Đề tài : Thiết kế băm xung áp một chiều có đảo chiều – điều chỉnh tốc độ

động cơ

Giảng viên hướng dẫn : T/s Phạm Thị Thùy Linh

Sinh viên thực hiên : Nguyễn Thị Mỹ Duyên

Nguyễn Trọng Quý Đức

Lê Hữu Hùng

Lớp : D10-CNTD3

Lời nói đầu

Ứng dụng điện tử công suất trong truyền động điện – điều khiển tốc độ động cơ điện

là lĩnh vực quan trọng và ngày càng phát triển Các nhà sản xuất không ngừng cho ra đời những sản phẩm và công nghệ mới về các phần tử bán dẫn công suất và các thiết bị điều khiển đi kèm Do đó khi thực hiện đồ án chúng em đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới, những công nghệ mới trong lĩnh vực điểu khiển các phần tử bán dẫ công suất Với yêu cầu thiết kế mạch băm xung một chiều để điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập

có yêu cầu đảo chiều quay theo nguyên tắc đối xứng, chúng em đó cố gắng tỡm hiểu kĩ về cỏc phương án công nghệ sao cho bản thiết kế vừa đảm bảo yêu cầu kĩ thuật, yêu cầu kinh

tế Với hy vọng đồ án điện tử công suất này là một bản thiết kế kĩ thuật có thể áp dụng được trong thực tế nên chúng em đó cố gắng mô tả cụ thể, tỉ mỉ và tính tóan cụ thể các thông số của các sơ đồ mạch

Mặc dù chúng em đó rất nỗ lực và cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi và quyết tâm cao nhất tuy nhiên đây là lần đầu tiên chúng em làm đồ án, và đặc biệt do trình độ hiểu biết của chúng em cũng nhiều hạn chế nên chúng em không thể tránh khỏi những sai sót, chúng em mong nhận được sự phê bình góp ý của các thầy để giúp chúng em hiểu rõ hơn các vấn đề trong đồ án cũng như những ứng dụng thực tế của nó để bản đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn Và chúng em hi vọng trong một tương lai không xa, chúng em có thể

áp dụng những kiến thức và hiểu biết thu được từ chính đồ án đầu tiên trong cuộc đời sinh viên của chúng em vào thực tế cũng như sẽ phát triển hơn nó trong các đồ án sau này

Trong quá trình làm đồ án chúng em đó nhận được sự giúp đỡ và chỉ bảo rất tận tình

của cô giáo Phạm Thị Thùy Linh Chúng em xin chân thành cảm ơn cô và hi vọng cô sẽ

giúp đỡ chúng em nhiều hơn nữa trong việc học tập của chúng em sau này

Nhóm sinh viên thực hiện :

Nguyễn Thị Mỹ Duyên Nguyễn Trọng Quý Đức

Lê Hữu Hùng

Đề tài : Thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều cấp cho phần ứng của động

cơ 1 chiều kích từ độc lập, có đảo chiều quay Thông số của động cơ : P = 2 kW; Udm = 220V ; Idm = 15A; ndm = 3000 v/ph Dải điều chỉnh tốc độ D = 4:1 Động cơ kéo tải momen có tính chất thế năng Mc = Mdm Chế độ dòng liên tục , yêu cầu dùng van IGBT

CHƯƠNG I : KIẾN THỨC TỔNG QUÁT

1.1 Giới thiệu chung động cơ điện một chiều 4

1.2 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập 4

1.3 Giới thiệu về băm xung áp một chiều 12

1.3.1 Khái niệm , phân loại các bộ băm xung áp 12

1.3.2 Các sơ đồ băm xung 12 1.3.3 Phân tích sơ đồ băm xung áp một chiều có đảo chiều cấp cho tải là phần ứng 22

1.3.4 Van IGBT 32

CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH LỰC 2.1 Thiết kế mạch lực 40

2.1.1 Sơ đồ mạch lực đầy đủ các phần tử bảo vệ 40 2.1.2 Chức năng các phần tử trong mạch 40 2.2 Tính toán các phần tử trong mạch 40

2.2.1 Tính toán chọn van Diode và IGBT 41 2.2.2 Tính toán Rư , Eư và Lư ở chế độ định mức 42 2.2.3 Tính chọn các thiết bị bảo vệ 42 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.1 Yêu cầu chung của mạch điều khiên 44 3.2 Cấu trúc tổng quát của mạch điều khiển 44

3.3 Tính chọn mạch điều khiển 45 3.3.1 Khâu phát xung chủ đạo và tạo điện áp răng cưa 45 3.3.2 Khâu so sánh 47 3.3.3 Bộ đảo dấu 49

3.3.4 Khâu tạo trễ 50

3.3.5 Khâu khuếch đại công suất 52 3.3.6 Khâu tạo điện áp điều khiển 52 3.3.7 Khâu hạn chế góc điều khiển γmin max 53 CHƯƠNG 4 : MÔ PHỎNG 4.1 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng PSIM 56 4.2 Mô phỏng mạch lực và mạch điều khiển 57

KẾT LUẬN

61

CHƯƠNG I : KIẾN THỨC TỔNG QUÁT

I.1 Giới thiệu động cơ điện một chiều

- Định nghĩa : Động cơ điện một chiều là máy điện chuyển đổi năng lượng điện một chiều sang năng lượng cơ Máy điện chuyển đổi từ năng lượng cơ sang năng lượng điện là máy phát điện

- Nguyên lý hoạt động : Động cơ điện 1 chiều làm việc dựa vào nguyên lý cảm ứng điện từ

a Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Gồm có 3 phần chính stator( phần cảm), rotor ( phần ứng), và phần chỉnh lưu ( chổi than và

cổ góp)

- Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện

- Rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều

- Bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp

b Phân loại

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

- Kích thích hỗn hợp ta có: I = Iu +It

Với mỗi loại động cơ trên thì sẽ tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều khiển và ứng dụng là tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố.Trong đề tài này ta chỉ xét đến động cơ điện một chiều kích từ độc lập và biện pháp hữu hiệu nhất để điều khiển loại động

cơ này

I.2 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

a Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động

- Động cơ một chiều kích từ độc lập : Dòng điện kích từ của động cơ lấy từ nguồn điện khác không liên hệ với phần ứng của động cơ

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 lý tưởng của động cơ

Người ta đưa thêm đại lượng β =

để đánh giá độ cứng của đặc tính cơ Đặc tính

cơ càng dốc thì càng cứng ( β càng lớn ) tức là mômen biểu kiến ít thay đổi nhưng tốc độ biểu kiến ít thay đổi và ngược lại Đặc tính càng ít dốc càng mềm tức là momen biểu kiến biến đổi ít nhưng tốc độ biến đổi nhiều thay đổi

Hình 1.1 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

Để hiểu được nguyên lý và lựa chọn phương pháp điều chỉnh tối ưu, trước hết ta đi xét đặc tính của động cơ điện Đó là quan hệ giữa tốc độ quay với mômen (hoặc dòng điện) của động cơ

+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, ωđm

+Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số nguồn hoặc nối thêm các đIện trở, điện kháng

M K

R R K

) (  2

Để so sánh các đặc tính cơ với nhau, người ta đưa ra khái niệm độ cứng của đặc tính cơ: β =

(tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc)

* 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:

Hình 1.2 Sơ đồ tương đương của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

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:

+Uư: điện áp phần ứng

+Eư: sức điện động phần ứng

+Rư: điện trở mạch phần ứng : Rư=rư +rcf +rb +rct

+rư: điện trở cuộn dây phần ứng

+rcf: điện trở cuộn cực từ phụ

+ri: điện trở cuộn bù

+rct: điện trở tiếp xúc của chổi điện

+ N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

+ A: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

2

Trong đó K là hệ số cấu tạo của động cơ

Vì vậy

Suy ra

Biểu thức (*) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ Mặt khác mômen điện từ của động cơ được xác định Suy ra

Thay vào (*) ta được

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

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Đồ thị hình vẽ:

n K

55 , 9 / 60 /

2 n  n

 



n a

pN

Eu   60

K

K

55 ,



u f u

K

R R K

U













u

dt K I



M K

I u dt /

dt f u

K

R R K

U

2

)











M K

R R K

2

)











Hình 1.3 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập

u

R R U

f u u

R R

U I

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

+ Điều chỉnh bằng thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng

c.1 Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng

Chỉ áp dụng được với động cơ điện một chiều kích thích độc lập hoặc song làm việc ở chế độ kích thích độc lâp Loại này cần có thiết bị nguồn như: máy phát điện một chiều kích

từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sđđ Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk

Hình 1.4 Sơ đồ bộ biến đổi để điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện áp phần ứng

Ta có phương trình

Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên đặc tính cơ cũng không đổi Tốc độ không tải lí tưởng tuỳ thuộc giá trị Uđk của hệ thống Đồ thị tuyến tính do đó mới nói phương pháp này là triệt để Để xác định dải điều chỉnh tốc độ

I K R K

R R K

E

R R I E

E

dk

u dm ud Km

ud b

dm

b

ud b

u u

) (

0

+ Tốc độ không tải lý t¬ưởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệ thống do đó có thể nói ph¬ương pháp này điều khiển là triệt để

+ Giải điều chỉnh tốc độ của hệ tthống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tính ứng với điện

áp định mức và từ thông định mức Tốc độ nhỏ nhất của dải điều khiển bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mô men khởi động

+Với một cơ cấu máy cụ thể có xác định vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng

Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên đặc tính cơ cũng khồn đổi Tốc độ không tải lý tưởng tùy thuộc vào giá trị U ĐK của hệ thống Đồ thị tuyến tính do đó mới nói phương pháp này là triệt để Để xác định giải điều chỉnh tốc độ

Chú ý:

+ Phương pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng không đổi

+ Tốc độ không tải lý tưởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệ thống do đó có thể nói phương pháp này điều khiển là triệt để

+ Giải điều chỉnh tốc độ của hệ tthống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tính ứng với điện

áp định mức và từ thông định mức Tốc độ nhỏ nhất của dải điều khiển bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mô men khởi động

+Với một cơ cấu máy cụ thể có ω0max, KM , Mđm xác định vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng

Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có môn men ngắn mạch là Mmmmin = Mcmax = KM.Mđm (KM: là hế số mômen quá tải) Họ đặc tính cơ

là các đường thẳng song song nên ta có

Với ω0max, KM ,Mđm 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:

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

dm M c

10/

max

0  M dm 



Điều chỉnh từ thông kích thích động cơ điện một chiều chính là điều khiển mômen điện từ của động cơ điện Do mạch kích từ của động cơ điện một chiều là phi tuyến vì vậy

hệ điều chỉnh từ thông cũng là phi tuyến

Hình 1.5 Sơ đô điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông

Từ sơ đồ trên ta được

rk : điện trở dây quấn phần ứng

rb : điện trở nguồn đIện áp kích thích

k : số vòng của cuộn dây 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

c.3 Thay đổi điện trở phụ Rf

Từ phương trình đặc tính (*)

(*)

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

d Kết luận

dt

d r

r

e

k b

k u

K

R R K

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

nguồn điện áp 1 chiều cố định Băm xung áp 1 chiều dùng để điều chỉnh tốc độ động

cơ 1 chiều , tạo nguồn ổn áp dải rộng, 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 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

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

áp điều chỉnh được song nó là không đáng kể so với vai trò và ưu điểm của nó Vì vậy phương pháp này được sử dụng rộng rãi

I.3 Giới thiệu chung về bộ băm xung áp một chiều ( BXDC )

I.3.1 Khái niệm , phân loại các bộ BXDC

Tuỳ thuộc vào dấu điện áp mà người ta chia ra: bộ biến đổi xung áp không đảo chiều hoặc bộ biến đổi xung áp có đảo chiều

Ở đây phân loại theo cách mắc khóa điện từ với tải : có 4 loại

- Băm xung có mạch mắc nối tiếp : phần tử đóng cắt mắc nối tiếp với tải

- Băm xung có mạch mắc song song : phần tử đóng cắt mắc song song với tải

- Băm Xung nối tiếp kết hợp song song

- Băm xung tích lũy năng lượng

Hình 1.6 Sơ đồ băm xung nối tiếp

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

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 LC Điôt mắc ngược với Ud để thoát dòng tả khi khóa K ngắt’

+ S đóng => U được đặt vào đầu của bộ lọc Giả thiết các van là lý tưởng (bỏ qua sụt áp trên các van trong bộ biến đổi) khi đó ud = U

+ S mở => hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng id do năng lượng tích luỹ trong cuộn L và Ltải, dòng chạy qua D, khi đó mặc dù ud=0 nhưng id ≠ 0

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

Đặc tính truyền đạt:

W1 = = = γ

b Băm xung áp song song – Tăng áp ( step – up ( boost))

Hình 1.7 Sơ đồ băm xung áp song song

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 , có cùng cực tính 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

c Băm xung đảo cực

- Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.8 Sơ đồ băm xung áp có đảo cực

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

- 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

Hình 1.9 Sơ đồ băm xung áp đảo dòng

Tải là phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập đó được thay bởi mạch tương đương

Hình 1.10 Đồ thị dạng sóng dòng và áp trên tải

Tính toán các thông số trên sơ đồ

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

Giải bằng phương pháp toán tử Laplace:

Trong khoảng ( ) dẫn, điện áp đặt lên động cơ là 0, ta có:

Giải bằng phương pháp toán tử Laplace:

 

T T

Nguyên tắc điều khiển:

Chu kỡ 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 đó

Trong các khoảng và thì S1 và S2 không đồng thời dẫn,do đó động cơ được nối ngắn mạch qua các diot D1 hoặc D2,điện áp đặt lên động cơ là 0,dòng điện qua động cơ giảm từ xuống , ta có phương trình

Các thông số của mạch

Biểu thức dòng tải

Trong khoảng : điện áp đặt lên động cơ là U Dòng qua động cơ tăng từ Imin tới Imax

- Phương trình dòng qua động cơ:

Giải phương trình bằng phương pháp toán tử Laplace ta có:

Trong khoảng : dũng id ngắn mạch qua S1 và D2 điện áp đặt lên động cơ là 0, id giảm từ Imax về Imin

- Phương trình dòng qua động cơ:

Giải phương trình bằng phương pháp toán tử Laplace ta có:

min2

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

- Dòng trung bình qua các van S1, S2:

- Dòng trung bình qua các diot:

Trong khoảng , động cơ trả năng lượng về nguồn qua các diot D1 và D2, dòng qua động cơ giảm từ Imax xuống Imin, ta có phương trình

Giải phương trình trong khoảng xét ta được (2)

Điện áp trung bình đặt lên động cơ:

Dòng điện trung bình là:

Dòng trung bình qua các van S1, S2 là:

Dòng trung bình qua các diot D1, D2là:

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các van là:

f Bộ Chopper lớp E

Đây là bộ băm xung một chiều có đảo chiều

- Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.13 Sơ đồ băm xung áp có đảo chiều

Ở đây ta sử dụng van bán dẫn IGBT Bộ BXMC 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 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

Kết luận :

+ Đặc điểm của BXDC

BXDC có chức năng biến đổi điện áp một chiều, nó có ưu điểm là có thể thay đổi điện áp trong một phạm vi rộng mà hiệu suất của bộ biến đổi cao vỡ 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 ở 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 ở đầu ra có thể điều khiển theo hai cách:

- Thay đổi độ rộng xung

- Thay đổi tần số băm xung

I.3.3 Phân tích sơ đồ băm xung áp 1 chiều có đảo chiều cấp điện cho tải là phần ứng của động cơ 1 chiều

1 Sơ đồ nguyên lý

Ở đây ta sử dụng van bán dẫn IGBT Bộ BXMC 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 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 D1, D2, D3, D4 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: γ E < 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 D1,D2 (ID1=ID2=It)

+Trong khoảng t1÷ T :S4 dẫn ,dòng tải khép mạch qua D2 ,S4 (ID2=IS4=It)

Trạng thái 3: γ E=Et :

+Trong khoảng 0 ÷ t0: Et > γE :Động cơ trả năng lượng về nguồn qua D1 và D2

(ID1=ID2=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 D2 ,D4

+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 ,D2

Để động cơ làm việc theo chiều ngược lại ,luật điều khiển các van sẽ thay đổi theo

chiều ngược lại

+Giá trị trung bình điện áp ra tải: Ut= U

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 kỡ đóng cắt của các van bán dẫn là 2T; S1 dẫn trong khoảng 0 < t <2γT , S2 dẫn trong khoảng 2γT< t < 2T ; S3 dẫn trong khoảng T < t < (1+γ)T , và S4 dẫn trong khoảng (1+γ)T < t < 2T

+Chế độ làm việc ở góc phần tư 1(1>γ>0.5)

U E i R dt

di

dt U T dt E T dt i R T dt

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

1

a T

b a b

U R

b b a L U

1

)1)(

1.(

1

1 1 1

Hình1.15 Đồ thị dòng và áp với phương pháp điều khiển đối xứng cách 1

* 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

* 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 kỳ biến thiên T của dòng điện phần ứng

Trong khoảng 0 < t < T(2γ-1) động cơ được nối với nguồn qua S1, S4; dòng qua qua phần ứng tăng từ tới , ta cú:

Giải phương trình trong khoảng xét ta được:



Dòng điện trung bình qua S1, S4 là I1 = γId

Dòng điện trung bình qua D2, D3 là

Hình 1.16 Đồ thị dòng và áp khi diễn ra quá trình hãm tái sinh

* Trong khoảng 1: S1 và S3 nhận tín hiệu điều khiển, 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

* 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:

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 ,S2 dẫn ; S3,S4 tắt

- Nếu Udk < Utua thì S1 ,S2 tắt ; S3,S4 dẫn

0  0,5

+Trong khoảng 1: S1 và S2 được kích dẫn, S3 và S4 được kích tắt, động cơ được nối với nguồn U, dòng qua phần ứng tăng đến giá trị Imax

+Trong khoảng 2:S1và S2 được kích tắt, S3 và S4 được kích dẫn,nhưng do tải có tính cảm kháng nên dòng điện phần ứng khép mạch qua D3 và D4 về nguồn, S3 và S4 bị đặt 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 chiều dương)

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

Tính toán các thông số của mạch:

+Trong khoảng , S1 và S2 dẫn hoặc khi D1 và D2 dẫn thì điện áp đặt lên động cơ