Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều

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.

Mục lục

Chương I Giới thiệu về động cơ điện một chiều

I.1 Đặt vấn đềI.2 Tổng quan về động cơ điện một chiều

I.2.1 Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiềuI.2.2 Động cơ điện kích thích độc lập

I.3 Các vấn đề khác khi điều khiển động cơ điện một chiều

I.3.1 Các góc phần tư làm việcI.3.2 Các chế độ làm việc của ĐCĐ 1 chiều kích từ độc lập I.3.3 Vấn dề phụ tải

II.2 Các sơ đồ băm xungII.2.1 Sơ đồ giảm áp (Step-down (Buck))II.2.2 Biến đổi tăng áp (step-up (boost))II.2.3 Sơ đồ băm đảo cưc (Step-down/up (buck-boost))II.2.4 Bộ đảo dòng

II.2.5 Bộ đảo ápII.2.6 Bộ Chopper lớp E

1 Sơ đồ nguyên lý

2 Các phương pháp điều khiểnII.3 Kết luận

II.3.1 Chọn mạch lựcII.3.2 Chọn phương pháp điều khiển II.3.3 Chọn van bán dẫn

39

Chương

IV

Thiết kế mạch điều khiển

IV.1 Yêu cầu chung của mạch điều khiểnIV.2 Nguyên lý của mạch điều khiển

50

Chương

V

Mô phỏng trên máy tính

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 liệucho trước:

Phương

án

Điện áplưới (VAC)

Dòng điện địnhmức

Điện áp phầnứng

Phạm vi điềuchỉnh tốc độ

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 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 mộtchiều để điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập có yêu cầu đảo chiềuquay theo nguyên tắc đối xứng , chúng em đã cố gắng tìm hiểu kĩ về các 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 đã cố gắng mô tả cụ thể, tỉ mỉ và tính toán

cụ thể các thông số của các sơ đồ mạch

Mặc dù chúng em đã rất nỗ lực và cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi vàquyết 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 còn nhiều hạn chế nên chúng em không thểtránh khỏi những sai sót, chúng em mong nhận được sự phê bình góp ý của cácthầy để giúp chúng em hiểu rõ hơn các vấn đề trong đồ án cũng như những ứngdụng 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 đã nhận được sự giúp đỡ và chỉ bảo rấttận tình của thầy giáo Dương Văn Nghi Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy và

hi vọng thầy sẽ giúp đỡ chúng em nhiều hơn nữa trong việc học tập của chúng em sau này

Nhóm sinh viên thực hiện

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 vềchiều 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 hoạtcủa con người Nó luôn đi trước một bước làm tiền đề nhưng cũng là mũi nhọnquyết định sự thành công của cả một hệ thống sản xuất công nghiệp Không mộtquốc 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 , cảmáy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễvận hành mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộngrãi và phổ biến Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất địnhnhư trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điềukhiển 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 cơđiện 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 máyđiện 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 nhấtcủa động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải Nếu như bảnthân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thìphải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơđiện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạchlực, 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% Côngsuất lớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 100000kw điện áp vàokhoảng 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 củamình trong phạm vi đề tài này em không thể đề cập nhiều vấn đề lớn mà chỉ đề cậptới vấn đề thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ có đảo chiều củađộng cơ một chiều kích từ độc lập theo nguyên tắc đối xứng Đây là một trongnhững phương pháp được dùng phổ biến nhất hiện nay để điều chỉnh động cơ điệnmột chiều kích từ độc lập với yêu cầu đảo chiều quay động cơ theo phương phápđối xứng Đây là một phương pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao và được sử dụngrộng 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 chiềungười 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 phầnứng 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) vàmômen (M) của động cơ có dạng chung

M K

R R K

.)

Với những điều kiện Uư = const, It = const thì từ thông của động cơ hầu như khôngđổi, vì vậy quan hệ trên là tuyến tính và đường đặc tính cơ của động cơ là đườngthẳng

Thường dạng của đặc tính là đường 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

Người ta đưa thêm đại lượng  

o

MMnm

Mt

ωt

0

Để hiểu được nguyên lý và lựa chọn phương pháp điều chỉnh tối ưu, trước 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 vàođộng cơ) Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có các điểm làm việc định mức có giá trị

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 mạchkích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau: gọi là động cơ điện kích từđộc lập

Phương trình đặc tính cơ xuất phát:

u f u u

+Eư được xác định theo biểu thức sau:

 a 

pN Eu

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

+: từ thông kích từ dưới một cực từ

+: tốc độ góc

pN K

2

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

K

K

55,

Suy ra

f u

K

R R K

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

K

R R K

U

2

) ( 

Ta có

M K

R R K

U u u f

2

)( 

o

ωt

R R U

Đây là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ

+ = 0 thì

f u u

R R

U I

U u

R R K

U u u f

M K

R I

R

u

u

f u

2

0

)( 

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 bảnthân hệ thống truyền động điện để thay đổi tốc độ quay của động cơ điện Tốc độquay của động cơ điện thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải ,của nguồn haychế 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 vàomột số chỉ tiêu kinh tế ,kĩ thuật cơ bản ,các chỉ tiêu này được tính khi thiết kế vàđiều 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 phầnứng cấp 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 được 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 như: máy phátđiện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển có chức năng biếnnăng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sđđ Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điềukhiển Uđk

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 b

)(

0

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 đómới nói phương pháp này là triệt để Để xác định dải 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 cóthể 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 ứngvới điện áp định mức và từ thông định mức Tốc độ nhỏ nhất của dải điều khiển bịgiới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mô men khởi động

+Với một cơ cấu máy cụ thể có 0max,K , M M dm xác định vì vậy phạm vi điềuchỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng

M min  max 

Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mônmen ngắn mạch là M nmmin M cmax K M.M dm(KM: là hế số mômen quá tải) Họ đặctính 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

10 /

max

0  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 mômenđiện 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 được

dt

d r

r

e

k b

k u







rk: điện trở dây quấn phần ứng

rb : điện trở nguồn đIện áp kích thích

k

 : 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 phầnứng 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 mạchcủa cổ góp điện Khi giảm từ thông dẫn đến tăng vận tốc góc thì điều kiện chuyểnmạch của cổ góp bị xấu đi mặt khác vẫn phải bảo đảm I cho phép Kết quả làmômen 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

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 gópđiện 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) hơnkhi ta ding phương 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 mômen ngắnmạch giảm, dòng ngán mạch giảm Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi độngđộng cơ

3 - Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điều chỉnh xácđịnh 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 đIểmcủa 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 tưtương ứng với chiều mômen và tốc độ như hình vẽ

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

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

Công suất cơ Pcơ=Mđ.

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

II: HãmII:Động cơ

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

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

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

Vậy quá trình điều khiển tốc độ động cơ cũng phải gắn với chế độ khởi động Phảiđảm 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 phầnứng là phù hợp hơn cả vì khi khống chế dòng ngắn mạch o chế độ khởi động cònhạn 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 hãmđộng năng

b.1) Hãm tái sinh

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

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

R

E U

âm Đường đặc tính cơ nằm trong góc phần tư thứ hai và thứ tư (hình 2-14 ttđ)Trong hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất được đưa trả về lướiđiện có giá trị P = (E-U) I Đây là phương pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinhnăng lượng hữu ích

Ví dụ: cơ cấu nâng hạ cần trục Khi nâng tải động cơ được đấu vào nguồntheo 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 nếumômen do trọng tải gây ra lớn hơn mômen ma sát trong các bộ phận chuyển độngcủa động cơ xh trạng thái hãm tái sinh Tốc độ hạ cần trục tăng dần tới od   0

b.2) Hãm ngược

Xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phậnchuyển 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)

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

E U I

u

u hd

R R

K R R

E I

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 hãmđộng năng tự kích từ Nó xảy ra khi ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích từ ra khỏi lướiđiện khi đông cơ quay để đóng vào một điện trở hãm Trong quá trình hãm tốc độgiảm dần, dòng kích từ giảm dần và do đó từ thông giảm dần và là hàm tốc độ vìvậy đặc tính cơ như đặc tính không tải của máy phát điện tự kích thích và phituyến.so với phương pháp hãm ngược Hãm động năng có hiệu quả kém hơn khichúng 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 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 (1)

+ Tăng: như trong quạt gió, bơm

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

Ta thường 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 trường hợp phụ tải có mômen là hằng số trong toàn dảiđiều chỉnh

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

1

234

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 thểthay đỏi điện áp trong một phạm vi rộng mà hiệu suất của bộ biến đổi cao vì tổnthất 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 độđộng cơ một chiều như phương pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát mộtchiều, bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lưu có điềukhiển thì phương pháp dùng mạch băm xung có nhiều ưu điểm đáng kể: điềuchỉnh 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 pháttriển và ứng dụng ngày càng rộng rãi các linh kiện bán dẫn công suất lớn đã tạonên các mạch băm xung có hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độ nhạy cao, điều khiểntrơn tru, chi phí bảo trì thấp, kích thước nhỏ Mạch băm xung đặc biệt thích hợpvới các động cơ một chiều công suất nhỏ

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 chỉnhlưu), tải có thể thay đổi.Với một giá trị điện thế vào cho trước, điện thế trung bìnhđầu 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

t

t1 t2T

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

1 d

 

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 <   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 hằngsố.Việc điều khiển trạng thái đóng mỏ của van dựa vào viêc so sánh một điện ápđiều khiển với một sóng tuần hoàn (thường là dạng tam giác(Sawtooth)) có biên độđỉnh không đổi.Nó sẽ thiết lập tần số đóng cắt cho van,tần số đóng cắt này làkhông đổi với dải tẩn từ 400Hz đến 200kHz.Khi u Control u thì cho tín hiệu điều st

khiển mở van, ngược lại khóa van

II.2 Các sơ đồ băm xung:

Sơ đồ nguyên lý như sau:

Phần tử điều chỉnh quy ước 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 Đi-ôt mắc ngược với Ud đểthoát dòng tải khi khoá K ngắt

+ S đóng  U được đặt vào đầu của bộ lọc Lý tưởng thì ud = U (nếu bỏ quasụt áp trên các van trong bộ biến đổi)

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

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

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 Lkhôngtham 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 (đãđược tích điện trước đó)

+ S ngắt, dòng điện chạy từ +U qua L  D  Tải Vì từ thông trong L khônggiảm 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

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 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 ngược chiều với trường hợp đóng

 D thông  năng lượng từ trường nạp và C, tụ C tích điện; ud sẽ ngược chiềuvới 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

II.2.4 Bộ Chopper lớp C (Bộ đảo dòng)

a) Sơ đồ nguyên lý

Tải là phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập đã được thay bởi mạch tươngđương R-L-E

Trong khoảng 0 t T, S ngắt,động cơ được nối nguồn qua 2 D ,điện áp1

đặt lên động cơ làU

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

áp đặt lên động cơ là 0

c) Biểu đồ dạng sóng dòng và áp trên 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

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

II.2.5 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

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

2    thì S1 và S2 cùng dẫn, điện ápđặt lên phần ứng động cơ là U, dòng điện qua động cơ tăng từ Imintới Imax ta có

1 2

S

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

   , 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:

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

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 đượcđóng mở ngược pha với S1

Bộ BXMC có 3 trạng thái làm việc :

cấp cho động cơ được cấp từ nguồn thông qua các van S1,S2 dẫn trong khoảng 0

t1

+Trong khoảng t1T :Năng lượng tích trữ trong điện cảm sẽ duy trì cho dòngđiện theo chiều cũ và khép mạch qua S2,Đ4

+Trong khoảng 0t1 :Động cơ trả năng lượng về nguồn thông qua các ĐiôtĐ1,Đ2 (IĐ1=IĐ2=It)

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

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

+Trong khoảng t0t1 :E>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 cấpcho 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 độngđộng cơ sẽ đảo chiều dòng điện và dòng tải sẽ khép mạch qua S4 ,Đ2

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

T dt E T dt i R T dt

di L

T

T t

t t

T t



.

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

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

Vậy để điều khiển động cơ ta chỉ cần điều khiển  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  , S2 dẫn trong khoảng 2 T t 2T   ;S3 dẫn trong khoảng T t (1   )T, vàS4 dẫn trong khoảng (1 )T t 2T 

* 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

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; dòngqua 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

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

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

E.Để quá trình điều khiển được đơn giản ta chọn phương pháp giảm γ gầntới 0,5 mà do tính quán tính của động cơ nên E biến đổi chậm, do đó Id 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

t

1 2

D

D

1 3

D S

1 2

D D

2 4

D S

T

 T

* 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

.

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.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

D ,D

1 2 S ,S 1 2DD3

4

S3