Thiết Kế Bộ Băm Xung 1 Chiều Có Đảo Chiều Để Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Điện 1 Chiều Kích Từ Độc Lập

Hớng phát triển là cải tiến tính nâng vật liệu, nâng cao chỉtiêu 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 t

Hµ Néi th¸ng 6 - 2004

1.1 Đặt vấn đề1.2 Tổng quan về động cơ điện một chiều.

1.2.1 Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều1.2.2 Động cơ điện kích thích độc lập

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

1.3.1 Các góc phần t làm việc1.3.2 Các chế độ làm việc của ĐCĐ 1 chiều kích từ độc lập 1.3.3 Vấn dề phụ tải

2.2 Các sơ đồ băm xung2.2.1 Sơ đồ giảm áp (Step-down (Buck))2.2.2 Biến đổi tăng áp (step-up (boost))2.2.3 Sơ đồ băm đảo cưc (Step-down/up (buck-boost))2.2.4 Bộ Chopper lớp C (Bộ đảo dòng)

2.2.5 Bộ Chopper lớp D (bộ đảo ỏp)2.2.6 Bộ Chopper lớp E

1 Sơ đồ nguyên lý

2 Các phương pháp điều khiển2.3 Kết luận

2.3.1 Chọn mạch lực2.3.2 Chọn phương pháp điều khiển 2.3.3 Chọn van bán dẫn

Chơng 3 Thiết kế mạch lực

3.1 Tính toán chọn van3.1.1 Chọn Diode cụng suất3.1.2 Chọn các van bán dẫnChơng 4 Thiết kế mạch điều khiển

4.1 Yêu cầu chung của mạch điều khiển4.2 Nguyên lý chung của mạch điều khiển4.3 IC TL494

4.4 IC 2SD106AI4.4.1 Giới thiệu về IC SCALE driver4.4.2 Chức năng bảo vệ của SCALE driver4.4.3 Hoạt động của SCALE driver

4.5 Thiết kế nguồn mạch điều khiểnChơng 5 Mô phỏng

5.1 Sơ đồ tổng thể 5.2 Kết quả mô phỏng 5.2.1 Khi  =0.8 (y=0.8)5.2.2 Khi  = 0.53 (y=0.53)5.3 Nhận xét kết quả mô phỏng 5.4 Phụ lục

Tài liệu tham khảo

Lêi nãi ®Çu

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 khôngngừng cho ra đời các 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 gắngcập nhật những kiến thức mới nhất, những công nghệ mới trong lĩnh vực điềukhiển các phần tử bán dẫn công suất Với yêu cầu thiết kế mạch băm xung đảochiều điều khiển động cơ điện một chiều, chúng em đã cố gắng tìm hiểu kĩ về cácphương án công nghệ sao cho bản thiết kế vừa đảm bảo yêu cầu kĩ thuật, yêu cầukinh tế Với hy vọng đồ án là một bản thiết kế kĩ thuật có thể áp dụng được trongthực tế nên chúng em đã cố gắng mô tả cụ thể, tỉ mỉ như việc lắp đặt bố trí thiết bị

Mặc dù chúng em đã rất nỗ lực và cố gắng tuy nhiên do một số phần trong

đồ án là những công nghệ mới, tài liệu tham khảo chủ yếu bằng tiếng Anh hơn nữađây là lần đầu tiên chúng em làm đồ án, trình độ hiểu biết còn nhiều hạn chế nênkhông thể tránh khỏi những sai sót, chúng em mong nhận được sự phê bình góp ýcủa các thầy để giúp chúng em hiểu rõ hơn các vấn đề cũng như để đồ án đượchoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Võ Minh Chính đã tận tình hươngdẫn giúp chúng em hoàn thành đồ án

Nhóm sinh viên thực hiện

định sự thành công của cả một hệ thống sản xuất công nghiệp Không một quốc gianào, một nền sản xuất nào không sử dụng điện và máy điện

Do tính u việt của hệ thống điện xoay chiều: dể sản xuất, để truyền tải , cả máyphát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vậnhành mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng đợc sử dụng rộng rãi vàphổ biến Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định nh trongcông nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độquay liên tục trong phạm vi rộng (nh trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầumáy điện ) Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện mộtchiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạobảo quản cổ góp phức tạp hơn nhng do những u điểm của nó mà máy điện mộtchiều 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 u điểm lớn nhất của

động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải Nếu nh bản thân

động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng đợc hoặc nếu đáp ứng đợc thì phải chiphí các thiết bị biến đổi đi kèm (nh bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện mộtchiều 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 lợng 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 100000 kW điện áp vào khoảngvài trăm cho đến 1000V Hớng phát triển là cải tiến tính nâng vật liệu, nâng cao chỉtiêu 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 điều chỉnh tốc độ có đảo chiều của động cơ một chiều kích từ độc lập Phơngpháp đợc chọn là bộ băm xung đây có thể cha là phơng pháp mang lại hiệu quảkinh tế cao nhất nhng nó đợc sử dụng rộng rãi bởi những tính năng và đặc điểm mà

ta sẽ phân tích và đề cập sau này

1.2 Tổng quan về động cơ điện một chiều.

1.2.1) Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều

Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng nh máy phát điện một chiều ngời

ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ Theo đó ứng với mỗi cách ta cócác loại động cơ điện loại:

- Kích thích độc lập: khi nguồn một chiều có công suất ko đủ lớn, mạch điện phầnứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên :

I = I

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

ko đổi, mạch kích từ đợc 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 = I =It

- Kích thích hỗn hợp ta có:

I = Iu +It

Với mỗi loại động cơ trênlà tơng ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật

điều khiển và ứng dụng là tơng đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều nhân tố, ở đề tàinày ta chỉ xét đên động cơ điện một chiều kích từ độc lập và biện pháp hữu hiệunhất để điều khiển loại động cơ này

1.2.2 Động cơ điện kích thích độc lập

*Phơng trình đặc tính cơ: là phơng trình biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ (n)

và mômen (M) của động cơ có dạng chung:

M K

R R K

.)

ơng án để điều chỉnh động cơ (tốc độ) với phơng án tối u nhất

Với những điều kiện U= const, It = const thì từ thông của động cơ hầu nh không

đổi, vì vậy quan hệ trên là tuyến tính và đờng đặc tính cơ của động cơ là đờngthẳng

Thờng dạng của đặc tính là đờng thẳng mà giao điểm với trục tung ứng vớimômen ngắn mạch còn giao điểm với trục tung ứng với tốc độ không tải của độngcơ

Ngời ta đa thêm đại lợng

càng cứng (β càng lớn) tức là mômen biến đổi nhiều nhng tốc độ biến đổi ít và

ng-ợc lại Đặc tính càng ít dốc càng mềm tức là mômen biến đổi ít nhng tốc độ biến

đổi nhiều thay đổi

ωω

o

ωt

Để hiểu đợc nguyên lý và lựa chọn phơng pháp điều chỉnh tối u, trớc hết ta đixét đặc tính của động cơ điện Đó là quan hệ giữa tốc độ quay với mômen (hoặcdòng 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 độngcơ) Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có các điểm làm việc định mức có giá trị Mđm, đm

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

Để so sánh các đặc tính cơ với nhau, ngời ta đa ra khái niệm độ cứng của đặc tínhcơ:

(tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc)

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

Sơ đồ kích từ độc lập đợc thể hiện nh dới đây:

Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng vàmạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau: gọi là động cơ điệnkích từ độc lập

Phơng trình đặc tính cơ xuất phát:

u f u u

u r r r r

+ r u: điện trở cuộn dây phần ứng

+ r cf : điện trở cuộn cực từ phụ

+ r i: điện trở cuộn bù

+ r ct: điện trở tiếp xúc của chổi điện

+ R f : điện trử phụ trong mạch phần ứng

+ I u: dòng điện mạch phần ứng

Eu

+ 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

+ : từ thông kích từ dới một cực từ

+ : tốc độ góc, rad/s

Với:

a 2

55 , 9 / n 60 / n

K

u f u

K

R R

) K (

R R K

R R K

U

2 f u u

Nhận xét:

0

Iu  hoặc M = 0 ta có 0

f u

u

R R

R R

R R K U

Trong đó:

M )

K ( R I

K R K U R R

R

2 u

u 0

f u

* dm

* 0

*

R

R R

; M

M M

; I

I R 1

Từ đó có thể tốc độ đông cơ điện một chiều phụ thuộc vào các đại lợng là: U,

R, I Nh vậy thông qua các đại lợng biến thiên này mà ta có thể điều khiển đợc tốc

độ động cơ điện một chiều

b) Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Điều chỉnh tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động điệnnhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ nào đó của các máy sản xuất Điều chỉnh tốc độ

là dùng phơng pháp thuần tuý điện tác động lên bản thân hệ thống truyền động điện

ω

ω

o

MMnm

Mt

ω

t

0

để thay đổi tốc độ quay của động cơ điện Tốc độ làm việc của động cơ điện thờng

bị thay đổi do sự biến thiên của tải, và của nguồn, hay chế độ làm việc mở máy,hãm máy và do đó gây ra sai số so với tốc độ kỹ thuật mong muốn Trong các hệthống truyền động điện thờng căn cứ vào một số chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cơ bản,các chỉ tiêu này cũng đợc tính đến thiết kế hoặc điều chỉnh động cơ điện

Thực tế có 3 phơng 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 ứngcấp cho mạch kích từ

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

b.1) Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng

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

điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lu điều khiển có chức năng biến nănglợng điện xoay chiều thành một chiều có sđđ Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển

I K R K

R R K

E

) R R ( I E

E

dk 0

u dm ud Km

ud b dm b

ud b u u b

Vì từ thông của động cơ đợc giữ ko đổi nên đặc tính cơ cũng ko đổi Tốc độkhông tải lí tởng tuỳ thuộc giá trị U dk của hệ thống Đồ thị tuyến tính do đó mớinói phơng pháp này là triệt để Để xác định dải điều chỉnh tốc độ

Chú ý:

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

đổi

+ Tốc độ không tải lý tởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệ thống do

đó có thể nói phơng pháp này điều khiển là triệt để

+ Giải điều chỉnh tốc độ của hệ tthống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tínhứng 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  0 max , M dm , K M xác định vì vậy phạm vi điềuchỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng

0 min

dm max

0 max

M M

dm M max c min

nm M K M

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

có môn men ngắn mạch là M nm min  M c max  K M M dm (KM: là hế số mômen quá tải)

Họ đặc tính cơ là các đờng thẳng song song nên

1 K

1 M /

M ) 1 K

(

M D

) 1 K ( M 1 ) M M

(

M dm

max 0

dm M

dm max

0

M

dm dm

min nm min

Với  0 max , M dm , K Mxác định ở mỗi máy D phụ thuộc tuyến tính vào  Khi

điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện một chiều bằng các thiết bị nguồn điềuchỉnh thì điện trở mạch phần ứng gấp khoảng 2 lần điện trở phần ứng động cơ do

đó có thể tính sơ bộ đợc:

10 M

Điều chỉnh tốc độ bằng phơng pháp này rất thích hợp trong những trờng 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 khiểnmômen điện từ của động cơ điện M  K  I u Do mạch kích từ của động cơ điện mộtchiều là phi tuyến vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là phi tuyến

Từ sơ đồ trên ta đợc

dt

d r

r

e

k b

k u

Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyểnmạch của cổ góp điện Khi giảm từ thông dẫn đến tăng vận tốc góc thì điều kiệnchuyển 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 thìmomen cơ cũng giảm đi rất nhanh

b.3) Thay đổi điện trở phụ Rf

Từ phơng trình đặc tính (*)

u f u

K

R R K

c) Kết luận

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

so với phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng phơng pháp thay đổi từ thông bịhạn chế bởi các điều kiện cơ khí: đó chính là điều kiện chuyển mạch của cổ góp

điện Cụ thể phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có các u điểm hơn nh sau

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

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

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

1.3.1 Các góc phần t làm việc

Trạng thái hãm và trạng thái động cơ đợc phân bố trên đặc tính cơ ở gócphần t tơng ứng với chiều mômen và tốc độ nh hình vẽ.

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

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

Công suất cơ Pcơ=Mđ.ω

Công suất điện của động cơ Pđ = Pcơ + ∆P (∆P: 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 phơng trình đặ tính cơ của động cơ điện một chiều

u f u

K

R R K

Vậy quá trình điều khiển tốc độ động cơ cũng phải gắn với chế độ khởi động Phải

đảm bảo điều kiện tối thiểu

b) Chế độ hãm.

II: hãmII: động cơ

Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngợc chiều tốc độ quay,

Động cơ điện một chiều có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngợc, và hãm

U  Động cơ làm việc nh một máy phát điện song song với lới So với chế độ

động cơ, dòng điện và mômen hãm đã đổi chiều xác định theo biểu thức

R

K K

R

E U

h      

Mà Mh  K  Ih, trị số hãm sẽ lớn dần cho đến khi cân bằng với mômen phụtải thì hệ thống làm việc ổn định với tốc độ  od   0 Vì sơ đồ đấu dây của mạch

động cơ không đổi nên phơng trình đặc tính cơ tơng tự nhng mômen có giá trị âm

Đờng đặc tính cơ nằm trong góc phần t thứ hai và thứ t

Trong hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất đợc đa trả về lới

điện có giá trị P = (E-U) I Đây là phơng pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinhnăng lợng hữu ích

Ví dụ: cơ cấu nâng hạ cần trục Khi nâng tải động cơ đợc đấu vào nguồn theocực tính thuận và làm việc trên đặc tính cơ nằm trong góc phần t thứ nhất Khimuốn 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 độngcơ thì động cơ sẽ chuyển sang chế độ hãm tái sinh Tốc độ hạ cần trục tăng dần tới

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

Đặc tính hãm ngợc sđđ tác dụng cùng chiều với điện áp lới, Động cơ làm

việc nh một máy phát nối tiếp với lới điện, biến điện năng nhận từ lới điện và cơnăng 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 ngợc chiều với chiều làm việc của động cơ và có thể khá lớn

f u

u u h

R R

E U I

Là trạng thái động cơ làm việc nh một máy phát mà năng lợng cơ học của

động cơ đợc tích luỹ đợc trong quá trình làm việc trớc đó biến thành điện năng tiêután dới dạng nhiệt

c.1) Hãm động năng tụ kích từ độc lập

Khi ta cắt phần ứng động cơ khỏi lới điện một chiều và đóng vào một điệntrở hãm

h u

hd h

u

u hd

R R

K R R

E I

độ và mômen cản, tuy nhiên hãm động năng u việt hơn về mặt năng lợng đặc biệthãm động năng tự kích vì không tiêu thụ năng lợng từ lới Sử dụng đợc kể cả khimất điện

1.3.3 Vấn dề phụ tải

Đặc tính của phụ tải cũng là vấn đề cần phải quan tâm khi điều khiển độngcơ điện một chiều Với các loại khác nhau ta sẽ chọn phơng pháp phù hợp và tínhtoán khác nhau.có thể phân ra thành 3 loại cơ bản theo sự thay đổi của mômen cảntheo tốc độ Khi tốc độ động cơ thay đổi, mômen phụ tải có thể là

+ Không đổi: thang máy (Đờng 1)

+ Tăng: nh trong quạt gió, bơm (Đờng 2)

+ Giảm: các cơ cấu máy cuốn dây, cuốn giấy, truyền động quay trục chính máy cắtgọt kim loại (Đờng 3)

Ta thờng mong muốn đặc tính này là tuyến tính (4) vì vấn đề thiết kế sẽphức 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 trờng hợp phụ tải có mômen là hằng số trong toàn dải điềuchỉnh

Qua phân tích trên đây, việc điều khiển điện áp phần ứng đợc chọn là phù hợp.Giải pháp mà ngời ta thờng dùng hiện nay là băm xung áp điều khiển dó ra bằng bộbăm xung áp một chiều mà ta sẽ đề cập ở vấn đề tiếp theo

1

2

34

Chương 2

BĂM XUNG MỘT CHIỀU (BXDC)

2.1 Giới thiệu về băm xung một chiều (BXDC):

BXDC cú chức năng biến đổi điện ỏp một chiều, nú cú ưu điểm là cú thểthay đỏi điện ỏp trong một phạm vi rộng mà hiệu suất của bộ biến đổi cao vỡ tổnthất của bộ biến đổi chủ yếu trờn cỏc phần tử đúng cắt rất nhỏ

So với các phơng pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độ độngcơ một chiều nh phơng pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát một chiều,bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lu có điều khiển thìphơng pháp dùng mạch băm xung có nhiều u điểm đáng kể: điều chỉnh tốc độ và

đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm năng lợng, kinh tế và hiệu quả cao, đồng thời đảm bảo

đợc trạng thái hãm tái sinh của động cơ Cùng với sự phát triển và ứng dụng ngàycàng rộng rãi các linh kiện bán dẫn công suất lớn đã tạo nên các mạch băm xung cóhiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độ nhạy cao, điều khiển trơn tru, chi phí bảo trì thấp,kích thớc nhỏ Mạch băm xung đặc biệt thích hợp với các động cơ một chiều côngsuất nhỏ

Điện thế trung bỡnh đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn mặc dựđiện thế đầu vào cú thể là hằng số (ắc qui, pin) hoặc biến thiờn (đầu ra của chỉnhlưu), tải cú thể thay đổi.Với một giỏ trị điện thế vào cho trước, điện thế trung bỡnhđầu ra cú thể điều khiển theo hai cỏch:

- Thay đổi độ rộng xung

- Thay đổi tần số băm xung

2.1.1 Phơng pháp thay đổi độ rộng xung

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

1 d

 

là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ

Nh vậy theo phơng pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 <   1)

2.1.2 Phơng pháp thay đổi tần số xung

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

Vậy Ud = U khi và Ud = 0 khi f = 0

Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phơng pháp trên Thực tế phơng pháp biến

đổi độ rộng xung đợc dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bị biếntần đi kèm

2.1.3 Nhận xột

Ở đõy ta chọn cỏch thay đổi độ rộng xung, phươg phỏp này gọi là PWM(Pulse Width Modulation), theo phương phỏp này tõn số băm xung sẽ là hằngsố.Việc điều khiển trạng thỏi đúng mỏ của van dựa vào viờc so sỏnh một điện ỏpđiều khiển với một súng tuần hoàn (thường là dạng tam giỏc (Sawtooth)) cú biờn

tt

độ đỉnh khụng đổi Nú sẽ thiết lập tần số đúng cắt cho van, tần số đúng cắt này làkhụng đổi với dải tẩn từ 2kHz đến 200kHz Khi u control  u stthỡ cho tớn hiệu điềukhiển mở van, ngược lại khúa van.

2.2 Cỏc sơ đồ băm xung:

Sơ đồ nguyên lý nh sau:

Phần tử điều chỉnh quy ớc là khoá S (van bỏn dẫn điều khiển)

Đặc điểm của sơ đồ này là khoá S, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp Tải có tínhchất cảm kháng hoặc dung kháng Bộ lọc L & C Điôt mắc ngợc với Ud để thoátdòng tải khi khoá K ngắt

+ S đóng  U đợc đặt vào đầu của bộ lọc Lý tởng thì ud = U (nếu bỏ qua sụt

áp trên các van trong bộ biến đổi)

+ S mở  hở mạch giữa nguồn và tải, nhng vẫn có dòng id do năng lợng tíchluỹ trong cuộn L và Ltải, dòng chạy qua D, do đó ud = 0

Nh vậy, Ud  U Tơng ứng ta có bộ biến đổi hạ áp

Đặc tính truyền đạt:

d I

U W U

U 1 W

+ S đóng, trên L1 có U, dòng chạy từ +U  S  L1  -U Năng lợng tích luỹtrong 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 ngợc chiều với trờng hợp đóng 

D thông  năng lợng từ trờng nạp và C, tụ C tích điện; ud sẽ ngợc chiều với U.Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với U Giá trị tuyệt đối |Ud| có thể lớn hơnhay nhỏ hơn U nguồn

Trong khoảng 0 t T, S ngắt,động cơ được nối nguồn qua 2 D ,điện ỏp1

đặt lờn động cơ làU

Trong khoảng   T t T, S dẫn,động cơ được nối ngắn mạch qua 2 S ,điện2

ỏp đặt lờn động cơ là 0

c) Biểu đồ dạng súng dũng và ỏp trờn tải

d) Tính toán các thông số trên sơ đồ.

Trong khoảng S (1 D ) dẫn, điện áp đặt lên động cơ là U, ta có: 1 Ri Ldi E U

Điện áp trung bình trên động cơ:

T T

Dòng trung bình qua S (2 D ) là:2 I2   (1 )Id

2.2.5 Bộ Chopper lớp D (bộ đảo áp)

a) Sơ đồ nguyên lý

b) Nguyên tắc điều khiển:

Chu kì đóng cắt của mỗi van là T, S1 và S2 được kích dẫn lệch pha mộtkhoảng 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 1)

Trong các khoảng 0 t T(   0,5) và T t T

2    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

S

S 1

2

S D

1 2

S

S 1

2

D S

Phương trình dòng qua động cơ: Ri Ldi E U

Phương trình dòng qua động cơ: Ri Ldi E 0

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

Trong khoảng 0 t  Tđộng cơ được ngắn mạch qua S1 và D2, dòng điệnqua động cơ tăng từ Imin tới Imax, điện áp đặt lên động cơ là 0, ta có phươngtrình:Ri Ldi E

dt

  (đối với sơ đồ này thì khi làm việc ở chế độ hãm tái sinhphải đảo chiều quay của động cơ).Giải phương trình trong khoảng xét tađược:

min

Ei(t) (1 e ) I eR

Giải phương trình trong khoảng xét ta được:

Dòng trung bình qua các van S1, S2 là:I1Id

Dòng trung bình qua các diot D1, D2là:I2   (1 )Id

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các van là:Ung.max U

2.2.6 Bộ Chopper lớp E

1 Sơ đồ nguyên lý

2 Các phương pháp điều khiển

a Phương pháp điều khiển không đối xứng

Cách1

Hoạt động ở góc phần tư thứ 1 và 2:S4 được kích dẫn liên tục, S1, S2được điều khiển đóng tắt ngược pha, khi đó ta được bộ chopper kiểu đảodòng

Hoạt động ở góc phần tư 3 và 4:S3 được kích dẫn liên tục, S1 và S2được điều khiển đóng tắt ngược pha,khi đó ta được bộ chopper kiểu đảodòng nhưng cực tính điện áp đảo lại và do đó đảo chiều quay động cơ

Khi muốn đảo chiều quay,giả sử chuyển từ góc phần tư 1 sang góc phần tư 3giảm góc điều khiển γ về giá trị cực tiểu,dòng qua động cơ sẽ đảo chiều

b 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  

, S4 dẫn trong khoảng 2 T t 2T   ; S2 dẫn trong khoảng T t (1   )T,

và S3 dẫn trong khoảng (1 )T t 2T 

+ Chế độ làm việc ở góc phần tư 1(1  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 điệncảm nên dòng qua phần ứng ngắn mạch qua S1 và D3 Lúc này điện áp đặtlên động cơ là 0, dòng trong động cơ giảm

t

1 2

S

3

S D

1 2

S

2

D S

T

T



* 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 khépmạch qua S2 và D4, dòng qua phần ứng giảm do ngược chiều suất điện độngE

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   1)động cơ được nối với nguồn qua S1, S4; dòng qua phần ứng tăng từ Imintới Imax, ta có:Ri Ldi E U

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

Điện áp trung bình trên động cơ:

T T

Dòng điện trung bình qua S1, S4 là I1Id

Dòng điện trung bình qua D2, D3 là I2   (1 )Id

I 0, dòng qua phần ứng đổi chiều

* Trong khoảng 1: S1 và S3 nhận tín hiệu điều khiến, sức điện động sinh radòng 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 khángnên dòng qua phần ứng sẽ qua D1, U và D4, năng lượng được đưa trả vềnguồn, dòng qua phần ứng giảm

* Trong khoảng 3: S1 tắt, S2 và S4 được kích dẫn, khi đó dòng qua phầnứng 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 quaD1, 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   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 haicặp van mà trong mỗi cặp thì hai van được điều khiển đóng cắt đồng thời

t

1 2

D

D

1 3

D S

1 2

D D

2 4

D S

T