Luận Văn: Thiết Kế Băm Xung Cho động Cơ điện Một Chiều, HAY

Luận văn: Thiết kế băm xung cho động cơ điện một chiều, HAY•2 likes•1,286 viewsDịch vụ viết bài trọn gói ZALO: 0909232620 Follow

Download luận văn thạc sĩ kĩ thuật với đề tài: Lĩnh vực thiết kế băm xung cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập, cho các bạn tham khảo Read less

Read more1 of 49

More Related Content

Luận văn: Thiết kế băm xung cho động cơ điện một chiều, HAY

• 1. MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................. 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU............ 2 1.1. PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU...................................... 2 1.2. CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. 2 1.3. PHƢƠNG TRÌNH CÂN BẰNG SĐĐ CỦA ĐỘNG CƠ....................... 3 1.4. ĐẶC TÍNH CƠ HỌC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU............... 4 1.4.1. Đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập và song song.................... 4 1.4.2. Đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp. ........................................ 5 1.4.3. Đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp ........................................ 6 1.5. KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ............................................... 7 1.6. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU............................... 8 1.6.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn nạp ............... 8 1.6.2. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi địên trở mạch Rôto ...................... 8 1.6.3. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông........................................ 9 CHƢƠNG 2 TÍNH CHỌN MẠCH LỰC....................................................11 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ BĂM XUNG MỘT CHIỀU................11 2.1.1 Nguyên lý:.......................................................................................11 2.1.2. Các phƣơng pháp điều chỉnh điện áp ra:........................................11 2.2 CÁC MẠCH ĐỘNG LỰC ...................................................................12 2.2.1 Băm áp một chiều nối tiếp .............................................................12 2.2.2 Băm áp một chiều song song ..........................................................15 2.2.3. Băm áp nối tiếp và song song phối hợp .........................................17 2.3. SƠ ĐỒ BỘ BĂM XUNG ÁP MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU CẢ DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP........................................................................17 2.3.1 Các biểu thức tính toán: ..................................................................19 2.3.2 Điều khiển .......................................................................................20 2.4. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI VAN DỰNG TRONG MẠCH BĂM XUNG..........................................................................................................22 2.4.1 Trasistor công suất: .........................................................................22 2.4.2. Transistor Mos công suất: ..............................................................24
• 2. 2.4.3. Tiristor:...........................................................................................24 2.4.4. GTO - gate turn off thyristor:.........................................................26 2.4.5. Thiết kế mạch động lực..................................................................27 CHƢƠNG 3. TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN..................................31 3.1. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU. ..............31 3.1.1. Nguyên lí điều khiển. .....................................................................31 3.1.2. Sơ đồ khối mạch điều khiển...........................................................32 3.1.3. Các khâu cơ bản .............................................................................33 3.1.4. Khâu so sánh. .................................................................................43 3.1.5. Khâu khuếch đại.............................................................................44 KÊT LUẬN....................................................................................................47
• 3. 1 LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và công nghệ bán dẫn điện, ngày nay điện tử công suất giữ một vai trò quan trọng trong kỹ thuật điện. Môn học điện tử công suất đã trở thành một trong những môn học bắt buộc đối với sinh viên các nghành kỹ thuật điện, tự động hóa. Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, vì vậy máy điện một chiều đƣợc dùng nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ nhƣ cán thép, trong hầm mỏ, giao thông vận tải, cơ cấu nâng hạ…. Nhƣợc điểm chủ yếu của máy điện một chiều là có cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền và kém tin cậy, nguy hiểm trong môi trƣờng dễ nổ. Khi sử dụng động cơ điện một chiều cần phải có nguồn điện một chiều kèm theo (bộ chỉnh lƣu hay máy phát điện một chiều). Nhƣng do có những ƣu điểm vƣợt trội nên máy điện một chiều vẫn có tầm quan trọng trong sản xuất. Trong quyển đồ án này chúng ta đề cập đến lĩnh vực thiết kế băm xung cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập với ba chƣơng: Chƣơng 1 : Tổng quan về động cơ điện một chiều Chƣơng 2 : Tính chọn mạch động lực Chƣơng 3: Tính chọn mạch điều khiển Đây là một đề tài có nội dung hết sức phong phú và đa dạng, tuy nhiên trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu không thể tránh khỏi những sai sót rất mong các thầy, cô và các bạn đóng góp ý kiến để quyển đồ án này hoàn thiệt hơn.
• 4. 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Máy điện một chiều là loại máy điện biến cơ năng thành năng lƣợng điện một chiều ( máy phát ) hoặc biến điện năng dòng một chiều thành cơ năng (động cơ một chiều). Ở máy điện một chiều từ trƣờng là từ trƣờng không đổi. Để tạo ra từ trƣờng không đổi ngƣời ta dùng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện đƣợc cung cấp dòng điện một chiều. Có hai loại máy điện 1 chiều : loại có cổ góp, loại không có cổ góp. Máy điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ trong khoảng rộng và mô men mở máy lớn vì vậy nó đƣợc sử dụng rộng rãi làm động cơ kéo ,khi cần điều chỉnh chính xác tốc độ động cơ trong khoảng rộng, máy điện một chiều còn đƣợc sử dụng rộng rãi làm nguồn nạp ắc quy, hàn điện, nguồn cung cấp điện… 1.1. PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Động cơ điện một chiều phân loại theo kích từ thành những loại sau: -Kích từ độc lập. -Kích từ song song. -Kích từ nối tiếp. -Kích từ hỗn hợp. 1.2. CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Động cơ điện một chiều có cấu trúc gồm 3 bộ phận chính là phần cảm phần ứng cổ góp và chổi than. Phần cảm là bộ phận tạo ra từ trƣờng đặt ở Stato,thông thƣờng phần cảm là một nam châm điện gồm có cực từ N-S và cuộn dây kích từ. Phần ứng có lõi thép đặt ở Rôto,có phay rãnh để đặt dây quấnphần ứng. Mỗi cuộn dây đƣợc nối tới hai lá góp của cổ góp điện.
• 5. 3 Trong chế độ máy phát ,cần cấp điện một chiều cho cuộn kích từ và nối Rôto với động cơ sơ cấp khác để quay Rôto ( máy lai động cơ ). Khi Rôto quay trong từ trƣờng phần cảm,trong cuộn dây sẽ xuất hiện thế điện động, đƣợc cổ góp và chổi than nắn thành sđđ một chiều. Trong chế độ động cơ, cần cấp điện một chiều cho cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng .Dòng điện chảy trong phần ứng sẽ tác dụng với từ trƣờng gây bởi phần cảm tạo thành mô men quay Rôto. Hình 1. Sơ đồ cấu tạo động cơ địên một chiều 1.3. PHƢƠNG TRÌNH CÂN BẰNG SĐĐ CỦA ĐỘNG CƠ Khi đƣa một máy điện một chiều đã kích từ vào lƣới điện thì cuộn phần ứng sẽ chạy một dòng điện, dòng điện này sẽ tác động với từ trƣờng sinh ra lực, chiều của nó đƣợc xác định bằng quy tắc bàn tay trái và tạo ra mô men điện từ làm cho rotor quay với tốc độ ,trong cuộn dây xuất hiện sđđ cảm ứng: Eƣ =ke Khi n và dòng Iƣ thay đổi ta có: Uƣ +(-eƣ)+(-La )=iƣRƣ ở chế độ ổn định ( n=const, Iƣ=const), ta có: Uƣ =Eƣ+IƣRƣ Trong đó : Eƣ: sức điện động phần ứng Rƣ: điện trở phần ứng Iƣ: dòng điện phần ứng
• 6. 4 ckt Rf U Ru Dòng điện Iƣ đƣợc tính theo công thức sau: Iƣ = =k Trong đó: P- số đôi cực từ chính N- số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a- số đôi mạch nhánh điện áp của cuộn dây phần ứng - từ thông kích từ của một cực. Sức điện động : Eƣ =ke n , = = , ke =0.105k. 1.4. ĐẶC TÍNH CƠ HỌC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.4.1. Đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập và song song Hình 2. Động cơ điện một chiều kích từ song song Đặc tính cơ là mối quan hệ hàm giữa tốc độ và mô men điện từ =f(M) , khi Ikt=const . Dòng kích từ đƣợc xác định bằng: Ikt = , =ktikt Phƣơng trình đặc tính cơ điện : = Trong đó 0 =Uƣ /k là tốc độ không tải. = 0 - = =
• 7. 5 Uu E CKT Rf 1.4.2. Đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp. Đó là mối quan hệ n=f(M) với U=Uđm , Rđc=const. Sơ đồ động cơ kích từ nối tiếp đƣợc biểu diễn : Hình 3.Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp Từ công thức: Uƣ =Eƣ +RƣIƣ ta có: = = M k R k U uu Trong máy này Ikt =Iƣ Khi 0<Iƣ<Iđm-> máy chƣa bão hoà Trong trƣờng hợp nàyta có =kIƣ . Vậy M=CmkIƣIƣ=C’mI2 ƣ Do đó : Iƣ = mC Khi đó = kM RRC k U dctmu . Nhƣ vậy trong phạm vi dòng tải nhỏ hoặc nhỏ hơn dòng định mức đặc tính có dạng hypecbol . Khi Iƣ>Iđm ,máy bão hoà Động cơ không trùng với đƣờng hypebol nữa. Sự thay đổi tốc độ bình thƣờng đối vơí động cơ nối tiếp xác định theo biểu thức: = ’ - đm / đm 100%
• 8. 6 Uu Rf1 Rf2 ckt1 ckt2 E Trong đó : ’-tốc độ quay của động cơ khi tảI thay đổi từ định mức tới 25%. Qua phân tích trên đây ta thấy đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp không có tốc độ không tải. Khi tải giảm quá mức, tốc độ động cơ tăng đột ngột vì vậy không đƣợc để động cơ mắc nối tiếp làm việc không tảI, trong thực tế không đƣợc cho động cơ nối tiếp chạy bằng dây cu-roa. 1.4.3. Đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp Hình 4. Đặc tính cơ động cơ kích từ hỗn hợp Trên hình vẽ ta biểu diễn động cơ kích từ hỗn hợp và đặc tính cơ của nó . Động cơ gồm 2 cuộn kích từ : cuộn nối tiếp và cuộn song song. Đặc tính cơ này giống nhƣ đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp hoặc song song phụ thuộc vào cuộn kích từ nào giữ vai trò quyết định . Các dây quấn kích từ có thể nối thuận hoặc nối ngƣợc làm giảm từ thông .Đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp khi nối thuận (đƣờng 1)sẽ là đƣờng trung bình giữa các đặc tính cơ của động cơ kích từ song song (2) và nối tiếp(3). Các động cơ làm việc nặng nề ,dây quấn kích từ nối tiếp là dây quấn kích từ chính còn dây quấn kích từ song song là dây quấn kích từ phụ và đƣợc nối thuận . Dây quán kích từ song song đảm bảo tốc độ động cơ không tăng quá lớn khi mômen nhỏ .Động cơ kích từ hỗn hợp có dây quấn kích từ nối tiếp là kích từ phụ và nối ngƣợc có đặc tính cơ rất cứng (4) nghĩa là tốc độ quay của
• 9. 7 động cơ hầu nhƣ không thay đổi .Ngƣợc lại khi nối thuận sẽ làm cho động cơ có đặc tính mềm hơn,momen mở máy lớn hơn, thích hợp với máy ép, máy bơm, máy nghiền, máy cán 1.5. KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Khởi động động cơ là quá trình đƣa động cơ từ trạng thái nghỉ ( n=0 ) tới tốc độ làm việc. Chúng ta có các phƣơng pháp khởi động sau : a. Khởi động trực tiếp Vì Rtnhỏ nên Ikđ có giá trị rất lớn(20 25)Iđm . Sự tăng dòng đột ngột làm xuất hiện tia lửa ở cổ góp, xuất hiện xung cơ học và làm sụt điện áp lƣới. Phƣơng pháp này hầu nhƣ không đƣợc sử dụng . b. Khởi động điện trở khởi động a) b) Hình 5. Động cơ điện một chiều kích từ song song a) Sơ đồ b) Đặc tính cơ Ngƣời ta đƣa vào Rôto một điện trở có khả năng điều chỉnh và gọi là điện trở khởi động. Dòng khởi bây giờ có giá trị: Ikđ = . Điện trở khởi động đƣợc ngắt dần ra theo sự tăng của tốc độ . Nấc khởi động thứ nhất phải chọn sao cho dòng phần ứng không lớn quá và mômen khởi động không nhỏ quá. Khi có cùng dòng phần ứng thì động cơ kích từ nối tiếp có mômen khởi động lớn hơn của động cơ kích từ độc lập R Rkd
• 10. 8 1.6. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ Có những phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ sau: -Thay đổi điện áp nguồn nạp -Thay đổi điện trở mạch rotor -Thay đổi từ thông 1.6.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn nạp Khi cho Uƣ =var thì 0=var . Nếu Mc =const thì tốc độ =var ta điều chỉnh đƣợc tốc độ của động cơ. Khi điện áp nạp thay đổi các đặc tính cơ song song với nhau. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nạp thì chỉ thay đổi đƣợc theo chiều tốc độ giảm (vì mỗi cuộn dây đã đƣợc thiết kế với Uđm , nên không thể tăng điện áp đặt lên cuộn dây). Song độ láng điều chỉnh lớn, còn phạm vi điều chỉnh hep. Trên hình vẽ ta biểu diễn đặc tính cơ của động cơ khi Uƣ =var. Hình 6. Đặc tính cơ khi thay đổi điện áp nguồn cung cấp 1.6.2. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi địên trở mạch Rôto Ta có : =M.(Rt +Rđc), thì khi M=const mà thay đổi Rđc thì ta sẽ thay đổi đƣợc ( độ giảm tốc độ ), tức là thay đổi đƣợc tốc độ động cơ. Đồ thị nhƣ hình vẽ. Hình 7. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở mạch rôto
• 11. 9 Phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở mạch phần ứng có những ƣu khuyết điểm sau : Dễ thực hiện. Vốn đầu tƣ ít, giá thành rẻ. Điều chỉnh tƣơng đối láng. Tuy nhiên phạm vi điều chỉnh hẹp và phụ thuộc vào tải ( tải càng lớn phạm vi điều chỉnh càng rộng), không thực hiện đƣợc ở vùng gần tốc độ không tải. Điều chỉnh có tổn hao lớn. Ngƣời ta chứng minh rằng để giảm 50% tốc độ định mức thì tổn hao trên điện trở điều chỉnh chiếm 50% công suất đƣa vào. Điện trở điều chỉnh tốc độ có chế độ làm việc lâu dài nên không dùng điện trở khởi động ( làm việc ở chế độ ngắn hạn ), đẻ làm điện trở điều chỉnh tốc độ. 1.6.3. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông Từ biểu thức: = - Khi M, Uƣ=const, =var(thay đổi dòng kích từ) thì tăng lên.Thật vậy khi giảm từ thông dòng điện ở Rôto tăng nhƣng không không làm cho biểu thức thay đổi vì độ giảm điện áp ở Rt chỉ chiếm vài phần trăm của điện áp phần ứng U nên khi giảm từ thông thì tốc độ sẽ tăng, song nếu cứ tiếp tục giảm dòng kích từ thì tới một lúc nào đó tốc độ không tăng đƣợc nữa. Sở dĩ nhƣ vậy là do mômen điện từ của động cơ giảm .Phƣơng pháp này chỉ thực hiện khi từ thông giảm tốc độ còn tăng .Trên hình vẽ biểu diễn đặc tính cơ khi từ thông thay đổi. Phƣơng pháp thay đổi từ thông để điều chỉnh tốc độ có những ƣu điểm sau: Ƣu điểm: Điều chỉnh theo chiều tăng ( từ tốc độ định mức ), của tốc độ rất láng phạm vi điều chỉmh rộng, tổn hao điều chỉnh nhỏ, dễ thực hiện và kinh tế.
• 12. 10 Nhƣợc điểm : Không điều chỉnh tốc độc ở dƣới tốc độ định mức. Do những ƣu điểm trên phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông thƣờng đƣợc áp dụng hợp với phƣơng pháp khác nhằm tăng phạm vi điều chỉnh. Chú ý: Không đƣợc giảm kích từ tới giá trị không vì lúc này máy chỉ còn từ dƣ , khi tải tăng tốc độ tăng quá lớn gây nguy hiểm cho các cấu trúc cơ khí của động cơ. Thƣờng ngƣời ta thiết kế bộ điện trở điều chỉnh để không khi nào mạch từ bị hở . Hình 8.Điều khiển bằng cách thay đổi từ thông
• 13. 11 CHƢƠNG 2. TÍNH CHỌN MẠCH LỰC 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ BĂM XUNG MỘT CHIỀU 2.1.1 Nguyên lý: Bộ băm điện áp một chiều cho phép từ nguồn điện một chiều Us tạo ra điện áp tải Ura cũng là điện áp một chiều nhƣng có thể điều chỉnh đƣợc. Hình 2.1. Bộ băm áp một chiều Ura là một dãy xung vuông (lý tƣởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2. Điện áp ra bằng giá trị trung bình của điện áp xung: Ura = ᵧ.Us (ᵧ=t1/T). Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi này là dùng quy luật đóng mở các van bán dẫn công suất một cách có chu kỳ để điều chỉnh hệ số ᵧđảm bảo thay đổi đƣợc giá trị điện áp trung bình trên tải. 2.1.2. Các phƣơng pháp điều chỉnh điện áp ra: Có 3 phƣơng pháp điều chỉnh điện áp ra: a) Phƣơng pháp thay đổi độ rộng xung: Nội dung của phƣơng pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T Giá trị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là: S S tai U T Ut U . .1 BBĐ Ura t t1 t2 T BBĐ BBĐ một chiều US Ura Utb
• 14. 12 trong đó: T t1 là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ. Nhƣ vậy theo phƣơng pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 < 1). b) Phƣơng pháp xung - tần: Nội dung của phƣơng pháp này là thay đổi T, còn t1=const. Khi đó: SStai UftU T t U ... 1 1 Vậy Ura=US khi 1 1 t f và Ura=0 khi f=0. c) Phƣơng pháp xung - thời gian: Vừa thay đổi độ rộng xung vừa thay đổi tần số theo nguyên tắc giữ I min Trong thực tế, phƣơng pháp biến đổi độ rộng xung đƣợc dùng phổ biến hơn vỡ đơn giản hơn, không cần thiết bị biến tần đi kèm. 2.2 CÁC MẠCH ĐỘNG LỰC 2.2.1 Băm áp một chiều nối tiếp 2.2.1.1 Nguyên lí băm áp một chiều nối tiếp Các bộ băm áp một chiều thƣờng gặp hiện nay là các bộ băm áp nối tiếp. Trong phần giới thiệu thiết kế này quan tâm nhiều đến các bộ băm áp loại đó. Sơ đồ nguyên lí băm áp một chiều nối tiếp giới thiệu trên hình 2.2a. Theo đó phần tử chuyển mạch tạo các xung điện áp mắc nối tiếp với tải. Điện áp một chiều đƣợc điều khiển bắng cách điều khiển thời gian đóng khoá K trong chu kì đóng cắt. Trong khoảng 0 t1 (hình 2.2b) khoá K đóng điện áp tải bằng điện áp nguồn (Ud = U1), trong khoảng t1 t2 khoá K mở điện áp tải bằng 0.
• 15. 13 Trị số trung bình điện áp tải đƣợc tính: nếu coi thì: Ud = . U1 Trong đó: Ud - điện áp tải một chiều; U1 - điện áp nguồn cấp một chiều; t1 – khoảng thời gian đóng khoá K; Tck – chu kì đóng cắt khoá K; - độ rộng xung điện áp. Từ biểu thức (2.1) thấy rằng, muốn điều khiển điện áp tải Ud cần điều khiển độ rộng xung điện áp . Độ rông xung điện áp này có thể đƣợc điều chỉnh bằng một trong 2 thông số: hoặc là điều chỉnh thời gian đóng khóa K (t1) giữ chu kì đóng cắt TCK không đổi; hoặc là điều chỉnh chu kì đóng cắt TCK giữ thời gian đóng khóa K (t1) không đổi. Tuy nhiên, việc thay đổi chu kì đóng cắt khoá K làm cho chất lƣợng điều khiển của phƣơng pháp này xấu, 1 1 0 1. 1 1 U T t dtU T U ck t CK d ck 1 T t (2.1) U1 Zd Ud K U1 t1 U t2 TCK Ud t Hình 2.2. Băm áp một chiều nối tiếp; a. sơ đồ nguyên lí; b. đƣờng cong điện áp. a. b.
• 16. 14 ngƣời ta ít dùng. Điều này có thể minh hoạ bằng việc hoạt động của bộ băm áp với tải điện cảm. 2.2.1.2. Hoạt động của sơ đồ với tải điện cảm Khi tải điện cảm, để xả năng lƣợng của cuộn dây điện cảm ngƣời ta thƣờng mắc song song với tải một điốt xả năng lƣợng nhƣ hình 2.3 Dòng điện chạy qua tải đƣợc xác định bằng phƣơng trình vi phân: Khi khoá K đóng: (2.2) Trong đó: i – dòng điện tải; Rd - điện trở tải; Ld - điện cảm tải Khi khoá K mở: (2.3) Giải các phƣơng trình vi phân (2.2), (2.3) ta có nghiệm: (2.4) dt di Li.RU dd1 dt di LiR dd .0 dd T t XL T t bd eIeIi 1. Rd Ud K U1 Ld Hình 2.3 Băm áp một chiều với tải điện cảm; a. Sơđồ mạch; b.Các đường cong U,i t Ud id a. b. D0
• 17. 15 d CK1 L2 T.U.).1( I Trong đó: Ibđ - dòng điện ban đầu của chu kì đang xét (mở hay đóng khoá K); IXL – dòng điện xác lập của chu kì đang xét Khi khoá K đóng ; Khi khoá K mở IXL = 0 - hằng số thời gian điện từ của mạch Dạng đƣờng cong dòng điện vẽ theo biểu thức (2.4) biến thiên có dạng nhƣ trên hình 2.3b. Độ nhấp nhô của dòng điện tải đƣợc tính [1]. Từ biểu thức (2.5) thấy rằng, biên độ dao động dòng điện phụ thuộc vào bốn thông số: điện áp nguồn cấp (U1); độ rộng xung điện áp ( ); điện cảm tải (Ld) và chu kì chuyển mạch khoá K (TCK). Các thông số: điện áp nguồn cấp, độ rộng xung điện áp phụ thuộc yêu cầu điều khiển điện áp tải, điện cảm tải Ld là thông số của tải. Do đó để cải thiện chất lƣợng dòng điện tải (giảm nhỏ I) có thể tác động vào TCK. Nhƣ vậy, nếu chu kì chuyển mạch càng bé (hay tần số chuyển mạch càng lớn) thì biên độ đập mạch dòng điện càng nhỏ, chất lƣợng dòng điện một chiều càng cao. Do đó bộ điều khiển này thƣờng đƣợc thiết kế với tần số cao hàng chục kHz. 2.2.2 Băm áp một chiều song song Trong những trƣờng hợp tải có một nguồn năng lƣợng nào đó (ví dụ động cơ điện một chiều làm việc ở chế độ máy phát), việc xả năng lƣợng của tải là cần thiết. Năng lƣợng này thƣờng đƣợc trả về nguồn lƣới. Tuy nhiên, khi cần điều chỉnh dòng điện tải thì mắc song song với tải một khoá chuyển mạch nhƣ sơ đồ hình 2.4 là hợp lí. d 1 XL R U I d d d R L T CKT 1 f (2.5)
• 18. 16 Trong khoảng 0 t1 khoá K đóng D0 khoá (cần thiết để tránh ngắn mạch nguồn) iN = 0; Ud = 0; iS = id. Trong khoảng t1 TCK khoá K mở D0 dẫn iN = id; Ud = U1; iS = 0. Giá trị trung bình của điện áp tải một chiều Giá trị trung bình của dòng điện tải trả về nguồn. IN = (1 - ). Id. Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua khoá K. IN = . Id. Giá trị trung bình của dòng điện tải. . Qua các biểu thức (2.6), (2.9) thấy rằng muốn điều chỉnh dòng điện tải cần điều chỉnh độ rông xung ( ) đóng khoá K. 1 T 1t 1 CK d U)1( dt.U T 1 U CK d dd d R UE I (2.7) (2.8) (2.9) (2.6) Hình 2.4 Sơ đồ mạch băm áp một chiều song song; a. Sơ đồ động lực; b. các đƣờng cong. Rd Ud U1 LdK Ed - + D0 iS iN id t t t TCKt1 iS iN Ud TCKt1 a. b. 0
• 19. 17 2.2.3. Băm áp nối tiếp và song song phối hợp Khi tải làm việc ở chế độ nhận năng lƣợng từ lƣới bằng băm áp nối tiếp và trả năng lƣợng về lƣới bằng băm áp song song có thể dùng sơ đồ băm áp nối tiếp và song song phối hợp nhƣ hình 2.25. Ở chế độ nhận năng lƣợng từ lƣới điều khiển K1, Ở chế độ trả năng lƣợng về lƣới điều khiển K2 (chú ý hai khóa chuyển mạch này không đƣợc cùng đóng một lúc) 2.3. SƠ ĐỒ BỘ BĂM XUNG ÁP MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU CẢ DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP Do yêu cầu của đồ án là thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song, thỏa mãn các yêu cầu trên ta chỉ có thể chọn mạch lực là bộ băm xung áp một chiều Hình 2.6 Sơ đồ bộ băm xung Ud U1 KS Rd Ld Ed - + D1 iS iN id KN D2 Hình 2.5 Sơ đồ băm áp nối tiếp, song song phối hợp. S1 S4 D1 D4 R L S2 S3 D2 D3 E
• 20. 18 US idk1 idk2 ud US US1,iS1 iS UD1, iD1 Hình 2.7 Biểu đồ dạng sóng dòng, áp trên các phần tử
• 21. 19 2.3.1 Các biểu thức tính toán: - Tìm biểu thức của dòng tải : +Khi (D1, D2) và (V1, V2) dẫn: Trong giai đoạn này điện áp trên tải là UT=US, do đó phƣơng trình mạch tải sẽ là: Sd d UERi dt di L Giải phƣơng trình vi phân, ta có: atatS d eIe R EU ti .)1.()( min - Giá trị trung bình của điện áp trên tải: SS SSSS T t S t S T dd UU UUTTUTU T dtUdtU T dtu T U )12()1( )1()]([ 1 ])([ 11 2 2 00 Trong đó:= là tỷ số chu kỳ. Vậy nếu ta thay đổi đƣợc ta sẽ điều chỉnh đƣợc Ud. Cụ thể: =0,5 Ud=0 Động cơ không đƣợc đặt điện áp. >0,5 Ud>0 Động cơ quay ngƣợc. <0,5 Ud<0 Động cơ quay thuận. - Giá trị trung bình của dòng qua diod D1 và D2: )1.()1.(. .2 )1.()1.( 1 )1).(1( . 1 . .2 ).( 1 1 11 1 1 0 1 1 R EU R U R E R U A BAB aTR U dtti T I SS SS t D - Giá trị trung bình dòng qua van: )1.(. .2 . 1 )1)(1( . 1 . .2 . 1 11 1 1 R U R EU A BAB aTR U R EU I SSSS T - Giá trị trung bình dòng qua tải: )12.( S S d U E R U I
• 22. 20 2.3.2 Điều khiển a) Nguyên lý làm việc: + Ở thời điểm t0 =0 phát xung điều khiển V1 do Id=Imin<0 D1 vẫn dẫn ud =UN Id tăng dần đến thời điểm t= t1 Id =0 V1 bắt đầu dẫn Id tiếp tục tăng dần đạt đến Id =Imax tại thời điểm t=t2. + t = t2 = .T phát xung điều khiển V2 , khóa van V1 do Id>0 tải điện cảm dòng id tiếp tục chảy theo chiều cũ qua ,D2 ud =UN ;V2 chƣa dẫn, dòng id>0 giảm dần làm xuất hiện suất điện động tự cảm trên cuộn dây L đến t=t3 id=0 UV2>0 van V2 dẫn id chảy theo chiều ngƣợc lại và tăng dần đến thời điểm t=t4I=Imin khóa van V2, phát xung điều khiển V1 dòng id tiếp tuc chạy theo chiều cũ qua D1,D2 trả năng lƣợng về nguồn… Hình 2.7Biểu đồ sóng dạng điện áp và dòng điện udk1 udk2 t0 t1 t2 t3 t4= T id Imax Imin ud UN Id Ud D1D4 V1V4 D2V4 V2D4
• 23. 21 b) Các biểu thức tính toán: - Dòng lớn nhất và nhỏ nhất qua tải: R E A B R U I ó 1 1 1 max 1 1 . Trong đó: TaaT eBaA 11 ; . - Giá trị dòng trung bình qua tải: dd d UERi dt di L T d TT d T d dtU T Edt T dtRi Tdt di L T 0000 1111 ód UERI0 R EU I ó d - Dòng trung bình qua van: IT = )1( )1).(1.( . 1 11 1 1 AT BABU R L S dT II - Dòng trung bình qua diod: )1.()1.( . )1( 1 )1).(1( . . . 1 11 1 1 d SS D I R EU R E A BAB TR L R U I - Giá trị trung bình của điện áp trên tải: T óód UdtU T U 0 1 Nhƣ vậy, để điều khiển tốc độ động cơ, ta chỉ cần điều khiển để điều chỉnh điện áp ra tải có những ƣu điểm sau: + Điện áp ra tải chỉ có 1 dấu ở chiều xác định. + Cho phép giảm độ đập mạch dòng điện + Mặt khác nó cũng cho phép làm việc ở các chế độ sau: US> E Động cơ nhận năng lƣợng. US < E Động cơ phát năng lƣợng.
• 24. 22 2.4. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI VAN DỰNG TRONG MẠCH BĂM XUNG 2.4.1 Trasistor công suất: Transistor công suất có cấu trúc và ký hiệu nhƣ sau: - Nguyên lý hoạt động: Tranzitor hoạt động nhƣ một phần tử chuyển mạch ta quan têm đến 2 trạng thái dẫn dòng và.trạng thái khóa + Trạng thái dẫn: UBE>0 Điều kiện để đƣa van dẫn vào vùng dẫn bão hoà IB≥IC/β Thực tế IB=s.IC/β + Trạng thái khóa: UBE≤0, ic≈0. Trong quá trình van dẫn hoặc khóa công suất tiêu tán pc=UCE.IC=0. Để chuyển trạng thái phải đi qua vùng khuyếch đại IC≠0, UCE≠0 ,tổn thất trên van chủ yếu là khi van chuyển trạng thái và tỉ lệ thuận với tần số hoạt động của van.Khi làm việc với tần số f>5 kHz hoặc VCEO≥60V, IC>5A phải có mạch trợ giúp để tránh cho van bị quá nhiệt gãy hỏng van. - Các thông số của transistor công suất: + IC: Dòng colectơ mà transistor chịu đƣợc. + UCEsat: Điện áp UCE khi transistor dẫn bão hòa. + UCEO: Điện áp UCE khi mạch badơ để hở, IB = 0 . + UCEX: Điện áp UCE khi badơ bị khóa bởi điện áp âm, IB < 0. + ton : Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị điện áp nguồn U giảm xuống 0V. E IC B UBE IE C IB UCE
• 25. 23 + tf : Thời gian cần thiết để iC từ giá trị IC giảm xuống 0. + tS : Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị UCESat tăng đến giá trị điện áp nguồn U. + P : Công suất tiêu tốn bên trong transistor. Công suất tiêu tốn bên trong transistor đƣợc tính theo cụng thức: P = UBE.IB + UCE.IC. + Khi transistor ở trạng thái mở: IB = 0, IC = 0 nên P = 0. + Khi transistor ở trạng thái đóng: UCE = UCESat. Hình 2.8Trạng thái dẫn và trạng thái bị khóa a) Trạng thái đóng mạch hay ngắn mạch IB lớn, IC do tải giới hạn. b) Trạng thái hở mạch IB = 0. - Đặc tính tĩnh của transistor: UCE = f (IC). - Ứng dụng của transistor công suất: Transistor công suất dùng để đóng cắt dòng điện một chiều có cƣờng độ lớn. Tuy nhiên trong thực tế transistor công suất thƣờng cho làm việc ở chế độ khóa. IB = 0, IC = 0: transistor coi nhƣ hở mạch. ( b )( a ) IC UCE b a UCE IC IC 2.9Đặc tính tĩnh của transistor Vùng tuyến tính Vùng gần bão hòa Vùng bão hòa UCE IC
• 26. 24 2.4.2. Transistor Mos công suất: Transistor trƣờng FET (Field - Effect Transistor) đƣợc chế tạo theo công nghệ Mos (Metal - Oxid - Semiconductor), thƣờng sử dụng nhƣ những chuyển mạch điện tử có công suất lớn. Khác với transistor lƣỡng cực đƣợc điều khiển bằng dòng điện, transistor Mos đƣợc điều khiển bằng điện áp. Transistor Mos gồm các cực chính: cực mỏng (drain), nguồn (source) và cửa (gate). Dòng điện mỏng - nguồn đƣợc điều khiển bằng điện áp cửa - nguồn. Transistor Mos là loại dụng cụ chuyển mạch nhanh. Với điện áp 100V tổn hao dẫn ở chúng lớn hơn ở transistor lƣỡng cực và tiristor, nhƣng tổn hao chuyển mạch nhỏ hơn nhiều. Hệ số nhiệt điện trở của transistor Mos là dƣơng. Dòng điện và điện áp cho phép của transistor Mos nhỏ hơn của transistor lƣỡng cực và tiristor. 2.4.3. Tiristor: a) Cấu tạo: Tiristor là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn PNPN liên tiếp tạo nên anốt, katốt và cực điều khiển. Hình 2.10.a Cấu tạo của tiristor. Hình 2.10.b Ký hiệu của tiristor. P1 N1 P2 N2 ( a ) ( b ) A J1 J2 J3 A K G G K
• 27. 25 Trong đó: + A: anốt. + K: katốt. + G: cực điều khiển. + J1, J2, J3: các mặt ghép Khi không tác động vào cực điều khiển G Thyristor không phải là phần tử dẫn điện. Đặc tính Vôn ampe nằm hoàn toàn trên trục hoành. - Thyristor dẫn dòng khi: + UAK>0. + IG đủ lớn (Cỡ 0,1-1A) Khi Thyristor đó dẫn dòng thì nó vẫn tiếp tục dẫn dòng mà không cần dòng điều khiển.Dòng điều khiển là dòng xung ,thời gian xung mở(tx) phải đủ lớn để dòng qua van tăng lên giá trị dòng duy trì (IA≥Idt) lúc đó Thyristor mở hẳn (tx cỡ vài trăm µs). Do dòng điều khiển chỉ tác động trong thời gian ngắn nên công suất tiêu tốn trên van là rất nhỏ. - Thyristor khoá dòng khi: + Làm giảm dòng điện làm việc I xuống dƣới giá trị dòng duy trì IH ( Holding Current ). + Đặt một điện áp ngƣợc lên tiristor. Khi đặt điện áp ngƣợc lên tiristor: UAK< 0, J1 và J3 bị phân cực ngƣợc, J2 phân cực thuận, điện tử đảo chiều hành trình tạo nên dòng điện ngƣợc chảy từ katốt về anốt, về cực âm của nguồn điện ngoài. Thời gian khóa toff: Thời gian từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngƣợc đến dòng điện ngƣợc bằng ,toff kéo dài khoảng vài chục µs.Đặc tính volt-ampe của tiristor IH U I UZ 0 Uch
• 28. 26 Ứng dụng: Tiristor đƣợc sử dụng trong các bộ nguồn đặc biệt: trong mạch chỉnh lƣu, bộ băm và trong bộ biến tần trực tiếp hoặc các bộ biến tần có khâu trung gian một chiều. 2.4.4. GTO - gate turn off thyristor: Một Thyristor thụng thƣờng khi đó đƣợc kích mở cho dòng điện chảy qua vẫn tiếp tục ở trạng thái mở chừng nào dũng điện chảy qua nó hãy còn lớn hơn hay bằng dòng điện duy trì. Khóa Thyristor để khóa thì dòng điều khiển có trị số gần ngang dòng qua GTO tuy nhiên thời gian tồn tại dòng này rất nhỏ nhƣng nhìn chung việc khóa GTO làm mạch phức tạp vì vậy không tiện sử dụng. Dƣới đây là một bảng so sánh về các van bán dẫn trong các ứng dụng thực tế: Thyristor BJT FET GTO IGBT Availabilty Early 60s Late 70s Early 80s Mid 80s Late 80s Voltageratings 5 kV 1 kV 0,5 kV 5 kV 3,3 kV Curentratings 4 kA 400 A 200 A 5 KA 1,2 kA Switch Freg Na 5 kHz 1 MHz 2 kHz 100 kHz Drive Circuit Simple Difficult Very simple Very difficult Very simple Từ các phân tích và bảng so sánh trên, ta thấy với đối với bộ băm xung một chiều dùng cho động cơ có điện áp định mức 12V dòng điện định mức 50A thì sử dụng van IGBT làm khóa đóng cắt là hợp lí nhất. Vậy ta có sơ đồ mạch lực nhƣ sau:
• 29. 27 2.4.5. Thiết kế mạch động lực Nhƣ đã giới thiệu ở trên, bộ băm áp một chiều là một bộ băm điện áp một chiều thành các xung điện áp. Điện áp trên tải một chiều Ud phụ thuộc tỷ số thời gian đóng khoá bán dẫn trên chu kì đóng cắt. Chúng ta đã chứng minh rằng các bộ băm áp một chiều chỉ có ý nghĩa và có ƣu điểm hơn hẳn chỉnh lƣu (thực chất chỉnh lƣu cũng là băm áp theo đƣờng cong điện áp hình sin) khi tần số băm xung lớn. Tần số này có thể hàng chục KHz. Các van bán dẫn đƣợc dùng làm khoá đóng cắt cho các bộ băm áp một chiều là các Tiristor hay Tranzitor. Chúng ta sẽ xem xét việc thiết kế các bộ băm áp một chiều bằng các linh kiện tƣơng ứng. 2.4.5.1.Thiết kế bộ băm áp một chiều với van động lực là Tiristor 2.4.5.1.1 Chọn sơ đồ nguyên lí Do đặc điểm về cấu tạo và hoạt động của các linh kiện bán dẫn công suất, các bộ băm áp một chiều làm việc với dòng điện lớn, van động lực thƣờng chọn là Tiristor. Tiristor trong băm áp một chiều không tự khoá đƣợc. Chuyển mạch trong các bộ băm áp một chiều nhiều khi làm phức tạp thêm sơ đồ thiết kế. Một bộ băm áp một chiều bằng Tiristor đƣợc thiết kế có thể cho phép làm việc với chuyển mạch một tầng (mỗi chu kì có một xung điều khiển) hay chuyển mạch hai tầng (mỗi chu kì có hai xung điều khiển). a. Băm áp một chiều chuyển mạch một tầng Mạch băm áp một chiều bằng Tiristor chuyển mạch một tầng giới thiệu trên hình 2.11 Nguyên lí làm việc của các sơ đồ mạch băm áp một tầng hình 2.11 đƣợc giải thích với tải có điện cảm lớn có các giả thiết sau: điện áp vào và dòng điện tải không đập mạch, nghĩa là U1 = const, Id = const.
• 30. 28 Nguyên lí chuyển mạch một tầng là dùng thông số của mạch dao động L, C để khoá tiristor. Thời gian dẫn của tiristor T1 phụ thuộc khoảng thời gian nạp và xả tụ trong mạch L,C. Khi Tiristor T1 (hình 2.11a) khoá tụ chuyển mạch C đƣợc nạp tới điện áp nguồn theo chiều cực tính nhƣ hình 2.11a. Khi T1 dẫn tại t1 (hình 2.11) tụ bắt đầu xả với dòng xả ic qua T1. a) b) c) Hình 2.11 Sơ đồ băm áp một chiều bằng Tiristor chuyển mạch một tầng Khi tiristor T1 dẫn dòng điện tải chạy qua nó (trƣớc đó dòng điện tải chạy qua D0). Sau một nửa chu kì dao động cộng hƣởng tụ C đổi chiều điện áp (UC). Vào chu kì sau của mạch dao động công hƣởng tụ nạp ngƣợc lại, dòng điện chạy ngƣợc chiều dẫn của Tiristor T1. Nếu đảm bảo đủ điều kiện IT1 = Id+iC = 0, thì T1 khoá (thời điểm t2 trên hình 2.12). Khoảng thời gian dòng điện tải chạy qua T1 đƣợc xác định: tT1 = t2 - t1 0 = C.L Sau khi khoá T1, tụ C tiếp tục xả và nạp ngƣợc lại qua tải từ -UCO đến Ud. Thời gian khoá của T1 bằng thời gian xả tụ C (từ điện áp -UC0 tới 0). tk = t3 - t2 = UC0.C/Id Ud.C/Id. (2.10) Khi tụ nạp lại tới điện áp +U1 điốt D0 khoá. Nguyên nhân là do điện cảm chuyển mạch L cản trở việc giảm đột ngột về 0 của iC, dòng điện của tụ C tiếp tục tồn tại do sức điện động T1 CL U1 Ud + D0 T1 C L Zd U1 Ud Id D0 T1 C L D 0 Ud Id Zd U1
• 31. 29 d d I CU CL T U U ..2 .. 11 d dT I CU T CL II ..2.. 1 1 tự cảm của cuộn dây L theo mạch C-U1-D0-L-C, điều này làm dao động điện áp trên tụ C. Hình dạng dòng điện trên tụ iC, dòng điện trên điốt D0 iD0, điện áp trên tụ UC và trên Tiristor phụ thuộc vào tần số xung điều khiển T1 cũng nhƣ dòng điện tải nhƣ giới thiệu trên hình 2.12 đƣợc tính: Điện áp trung bình trên tải Dòng điện trung bình của Tiristor (2.11) (2.12) Uđk id iC iT1 iD0 Ud UC UT1 t t t t t t t t Hình 2.12 Giản đồ đƣờng cong băm áp chuyển mạch một tầng t1 t2 t3 t5 t4 U1 U1 Id Id
• 32. 30 T ttT II KT dD ).2( 1 0 Dòng điện trung bình chạy qua điốt D0 Nhƣ đã nói ở trên quá trình phóng nạp của tụ chạy qua tải và thời gian phóng nạp phụ thuộc dòng điện tải. 2.4.5.2. Thiết kế bộ băm áp một chiều với van động lực là Tranzitor. Ƣu điểm lớn nhất của tranzitor so với tiristor là có thể làm việc ở tần số cao và dễ điều khiển, nên Tranzitor đƣợc dùng làm van động lực cho các bộ băm áp một chiều khá phổ biến Các bộ băm áp một chiều có thể là loại băm áp nối tiếp nhƣ hình 2.13a, hay băm áp song song nhƣ giới thiệu trên hình 2.13b Trong sơ đồ băm áp nối tiếp hình 2.13a, khi Tranzitor dẫn dòng điện chạy qua Tranzitor bằng dòng điện tải, nghĩa là Tranzitor đƣợc mắc nối tiếp với tải. Trong sơ đồ băm áp song song hình 2.13b, khi Tranzitor dẫn tải ngắn mạch, ở trƣờng hợp này Tranzitor mắc song song với tải. Dòng điện tải chỉ có thể tồn tại khi Tranzitor khoá. Các sơ đồ băm áp một chiều thực tế thƣờng gặp là loại băm áp nối tiếp, Trong phần này đi sâu giới thiệu về loại băm áp nối tiếp. (2.13) Hình 2.13 Sơ đồ động lực băm áp một chiều bằn Tranzitor a. băm áp nối tiếp, b. băm áp song song. MĐ K T Zd a MĐ K L ZdT b
• 33. 31 CHƢƠNG 3. TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.1. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU. 3.1.1. Nguyên lí điều khiển. Mạch điều khiển băm áp một chiều có nhiệm vụ xác định thời điểm mở và khoá van bán dẫn trong một chu kì chuyển mạch. Nhƣ đã biết ở trên, chu kì đóng cắt van nên thiết kế cố định. Điện áp tải khi điều khiển đƣợc tính Trong đó: CK d kd d T t tt t td, tk, Tck: Thời gian dẫn, khoá van bán dẫn, chu kì đóng cắt. U1: điện áp nguồn một chiều. Mạch điều khiển cần đáp ứng yêu cầu điều khiển bằng các lệnh theo một nguyên tắc nào đó. UTải = .U1 Hình 3.1. Nguyên lí điều khiển điều áp một chiều t1 t2 t3 t4 t5 URC Uđk UTải t t
• 34. 32 Để điều khiển với chu kì đóng cắt Tck không đổi cần phải điều khiển khoảng thời gian dẫn của van bán dẫn trong chu kì đóng cắt. Nguyên lí điều khiển thời gian dẫn của các van bán dẫn trong điều áp một chiều có thể thực hiện nhƣ sau. Tạo một điện áp tựa dạng điện áp răng cƣa (hay điện áp tam giác) với một tần số f xác định khá cao. Dùng một điện áp một chiều (làm điện áp điều khiển) so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển thì phát lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn. Hình 3.1 trình bày nguyên lí điều khiển bộ điều áp một chiều. Điện áp tựa Urc so sánh với điện áp điều khiển Uđk. Tại các thời điểm 0, t1, t2..... Urc = Uđk sẽ phát lệnh mở hay khoá van bán dẫn. Tại các sƣờn lên của điện áp tựa Urc phát lệnh mở van bán dẫn, tại sƣờn xuống của Urc sẽ phát lệnh khoá van. Theo cách đó các van bán dẫn sẽ mở tại 0, t2, t4..., và khoá tại t1, t3 t5... Độ rộng xung điện áp tải đƣợc điều khiển khi điều chỉnh điện áp điều khiển Uđk. Trên hình 3.1 tăng Uđk sẽ giảm và giảm điện áp ra. Nghĩa là trong trƣờng hợp này Uđk và Utải nghịch biến. 3.1.2. Sơ đồ khối mạch điều khiển. Udk Tạo tần số So sánh Tạo xung khuếch đại Van động lực Hình 3.2.Sơ đồ khố mạch điều khiển điều áp một chiều.
• 35. 33 Mạch điều khiển điều áp một chiều gồm 3 khâu cơ bản: Khâu tạo tần số có nhiệm vụ tao điện áp tựa răng cƣa Urc với tần số theo ý muốn ngƣời thiết kế. Tần số của các bộ điều áp một chiều thƣờng chọn khá lớn (hàng chục KHz). Tần số này lớn hay bé là do khả năng chịu tần số của van bán dẫn. Nếu van động lực là Tiristor tần số của khâu tạo tần số khoảng 1-5 KHz. Nếu van động lực là Tranzitor lƣỡng cực, trƣờng, IGBT tần số có thể hàng chục KHz. Khâu so sánh có nhiệm vụ xác định thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển. Tại các thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển thì phát lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn. Điện áp tựa dạng tam giác có hai sƣờn lên và xuống, lệnh mở van động lực ở giao điểm sƣờn lên, thì ở giao điểm sƣờn xuống sẽ phát lệnh khoá van và ngƣợc lại. Khâu tạo xung, khuếch đại có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở van bán dẫn. Một xung đƣợc coi là phù hợp để mở van là xung có đủ công suất (đủ dòng điện và điện áp điều khiển), cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực khi nguồn động lực hàng chục vôn trở lên. Hình dạng xung điều khiển phụ thuộc loại van động lực đƣợc sử dụng. Van động lực là Tiristor, xung điều khiển cần có là xung kim với sƣờn trƣớc dốc thẳng đứng nhƣ đã giới thiệu ở chƣơng 1. Van động lực là Tranzitor, xung điều khiển có dạng xung chữ nhật độ rộng của các xung này bằng độ rộng xung điện áp tải. 3.1.3. Các khâu cơ bản a) Khâu tạo tần số. Có nhiều cách tạo điện áp tựa có tần số theo ý đồ của ngƣời thiết kế. Những sơ đồ tạo điện áp tựa điển hình có thể tạo ra ba dạng điện áp nhƣ hình 3.3.
• 36. 34 Điện áp tựa dạng tam giác cân nhƣ hình 3.3a đƣợc tạo ra khi tần số f=1/Tck cố định. Độ rộng xung điện áp có thể đƣợc điều chỉnh bằng việc thay đổi cả thời điểm mở van bán dẫn ở sƣờn lên điện áp tựa và cả thời điểm khoá van bán dẫn tại sƣờn xuống điện áp tựa. Sơ đồ mạch tạo điện áp tam giác cân nhƣ thế này đƣợc thực hiện tƣơng đối đơn giản. Tuy nhiên việc tạo điện áp có cả hai cạnh lên và xuống cùng biến thiên nhƣ hình 3.3.a thƣờng đƣợc thực hiện bằng mạch RC, hình dạng các cạnh đó phụ thuộc vào việc nạp và xả tụ. Các đƣờng nạp và xả tụ nhiều khi không hoàn toàn là đƣờng thẳng tuyến tính. Các đƣờng cong ấy có thể làm cho quan hệ giữa điện áp điều khiển với khoảng dẫn không tuyến tính. Mặc dù vậy, điện áp tựa dạng tam giác cân thƣờng hay đƣợc dùng hơn trong thực tế vì lí do dễ thực hiện. Điện áp tựa dạng tam giác vuông hình 3.3 b, c cũng đƣợc tạo với tần số cố định. Khi thay đổi điện áp điều khiển, có một cạnh của tam giác là cạnh góc vuông, nên thời điểm mở (hay khoá) theo cạnh đó sẽ cố định trong một chu kì. Van bán dẫn chỉ đƣợc mở (hay khoá) theo cạnh huyền của tam giác. Sơ đồ mạch điện tử tạo điện áp vuông nhƣ thế này thƣờng khó thực hiện hơn, vì trên thực tế tạo cạnh góc vuông 900 không hoàn toàn chính xác. Chúng ta xét một số sơ đồ tạo điện áp tựa của khâu tạo tần số. U t Hình 3.3. Các dạng điện áp tựa của mạch điều khiển điều áp một chiều a Tck Tck Tck b c Uđk U U t t
• 37. 35 T f 1 b)Tạo điện áp tam giác bằng dao động da hài. Điện áp tam giác cân có thể đƣợc tạo bởi một dao động đa hài bằng khuếch đại thuật toán (KĐTT) nhƣ hình 2.10 a Sơ đồ dao động đa hài bằng KĐTT A1 có hai đƣờng hồi tiếp. Hồi tiếp âm về V- bằng mạch RC, hồi tiếp dƣơng về V+ bằng mạch chia áp R1, R2. Hoạt động của sơ đồ hình 2.10 a có thể giải thích nhƣ sau: Giả sử điện áp ra của A1 đang dƣơng nhờ hồi tiếp dƣơng mà điện áp ra bằng Ucc và không đổi, lúc đó điện áp vào cổng "+" có trị số: 21 2 CCV RR R UU (3.1) Hình 3.4 Dao động đa hài bằng KĐTT Điện áp vào cổng "-" là điện áp nạp tụ, điện áp nạp tụ tăng dần đến khi V+ = V- , tại t1 đầu ra lật trạng thái từ dƣơng xuống âm, điện áp V+ đổi dấu từ dƣơng xuống âm, điện áp trên tụ đổi chiều nạp tụ. Chu kì dao động của mạch đƣợc xác định: Tần số xung: Trƣờng hợp đặc biệt R1 = 2R2 = R ta có: T = 2.R.C.ln 2 = 2.R.C.0,69 + A1 t V+ V- b V+ V- R R1 R2 C a + A2 R3 (3.2) 2 1.2 1ln...2 R R CRT (3.3)
• 38. 36 R1 = R2 = R T = 2.R.C.ln 3 = 2.R.C.1,1 = 2,2. R.C Để phối hợp trở kháng giữa điện áp trên tụ với tải bên ngoài cần dùng thêm khuếch đại A2. c)Tạo điện áp tam giác bằng tích phân sóng vuông. Mạch tạo điện áp tam giác cũng có thể nhận đƣợc từ bộ tích phân xung vuông nhƣ hình 3.5. Xung vuông có thể tạo bằng nhiều cách khác nhau. Tích phân xung này chính là quá trình nạp, xả tụ. Nếu điện áp vào khâu tích phân không đối xứng có thể xuất hiện sai số đáng kể. Điện áp tựa trên hình 3.5b mang tính phi tuyến cao. Điện áp tựa có thể nhận đƣợc tuyến tính hơn nếu sử dụng sơ đồ hình 3.5.a. Khuếch đại A1 có hồi tiếp dƣơng bằng điện trở R1, đầu ra có trị số điện áp nguồn và dấu phụ thuộc hiệu điện áp hai cổng V+ , V- . Hình 3.5. Bộ tạo sóng điện áp vuông và tam giác bằng KĐTT Đầu vào V+ có hai tín hiệu, một tín hiệu không đổi lấy từ đầu ra của A1, một tín hiệu biến thiên lấy từ đầu ra của A2. Điện áp chuẩn so sánh để quyết định đổi dấu điện áp ra của A1 là trung tính vào V- . Giả sử đầu ra của A1 dƣơng UA1> 0, khuếch đại A2 tích phân đảo dấu cho điện áp có sƣờn đi xuống của điện áp tựa. Điện áp vào V+ lấy từ R1 và R2, hai điện áp này trái dấu nhau. Điện áp vào qua R2 biến thiên theo đƣờng nạp tụ, còn điện áp vào qua R1 không đổi, tới khi nào UV+ = 0 đầu ra của A1 đổi dấu thành âm. Chu kì + - + - R1 R2 R3 C A1 A2V+ V _ t UA1 UA2 a b
• 39. 37 1 2 3 ...4 1 R R CR f VU RR R UUU CC BB B EBBP 6,0 2! ! điện áp ra của A1 cứ luân phiên đổi dấu nhƣ vậy cho ta điện áp ra nhƣ hình 3.5b. Tần số của điện áp tựa đƣợc tính: Bằng cách chọn các trị số của điện trở và tụ điện ta có đƣợc điện áp tựa có tần số nhƣ mong muốn. d)Tạo điện áp tam giác bằng dao động tích thoát. Mạch dao động tích thoát bằng UJT (tranzitor đơn nối) cũng có thể cho chúng ta một điện áp tam giác. Mạch điện hình 3.6. là một mạch tích thoát cơ bản, trong đó R1, R2 nhận các tín hiệu xung. Tụ C và điện trở Rt là mạch nạp để tạo điện áp tam giác không tuyến tính trên tụ C. Hoạt động của sơ đồ hình 3.6. nhƣ sau: Khi mới đóng điện tụ C đẳng thế, coi UE = 0, tranzitor ở trạng thái khoá. Tụ C nạp qua điện trở Rt làm UE tăng đến điện áp đỉnh với trị số: (3.4) E Rt C R1 B1 B2 R2 +Ucc 0 a Hình 3.6. Mạch dao động tích thoát a. sơ đồ nguyên lí, b. sơ đồ thay thế, c các đƣờng cong. UE UB2 t UB1 U P c t t E Rt C R1 B1 B2 R2 +Ucc 0 RB2 RB1 b B (3.5)
• 40. 38 21 1 1 1 ln 1 BB B T RR R CR f 5,0 2! ! BB B RR R CRCR f TT 69,0 1 2ln 1 lúc đó điốt EB dẫn. Tụ C xả nhanh qua điốt EB - RB - R1. Khi tụ C xả từ UP đến ngƣỡng dƣới Umin điốt EB ngƣng dẫn, tụ nạp trở lại bắt đầu một chu kì mới. Tần số dao động của mạch: Gần đúng coi lúc đó e) Mạch tạo điện áp tam giác dùng IC566. Mạch VCO (Voltage Control Osilator - mạch dao động điều khiển bằng điện áp) dùng IC 566 có hình dáng cấu trúc trên hình 2.13. (3.6) (3.7) (3.8) Current Sources Schmitt Trigger 17 5 6 8 4 3 Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc của IC566 R C
• 41. 39 Các chân: 1. GND: Nối đất. 2. NC: Không dùng. 3. Square Ware Output: Đầu ra sóng vuông. 4. Triangle Ware Output: Đầu ra sóng tam giác. 5. Modulation Input: Đàu vào điều chế> 6. R: Chân vào nối điện trở. 7. C: Chân vào nối tụ. 8. +Ucc: Nguồn nuôi dƣơng. Mạch nguồn dòng điện (current sources) có tác dụng giữ cho dòng điện nạp tụ C qua điện trở R có trị số ổn định. Dòng điện nạp tụ có thể điều chỉnh bằng điện áp tựa vào chân 5. Điện áp trên tụ khuếch đại đệm dƣa ra chân 4 tăng theo hàm bậc nhất. Mạch Trigger Schmitt cho ra dạng sóng điện áp hình vuông khuếch đai đệm đƣa ra chân 3. Mạch khuếch đại đệm trong IC để khuếch đại sóng vuông và tam giác, đồng thời phối hợp trở kháng để đƣa tới các tầng sau. Hình 3.8 Mạch ví dụ tạo sóng tam giác bằng IC566 Thay đổi điện áp đƣa vào chân 5 làm thay đổi dòng điện nạp tụ C dẫn tới thay đổi tốc độ nạp tụ. Kết quả là thay đổi tần số sóng vuông và tam giác ra. Hz5000 12 912 10.01,0.10.10 2 f 63max Hz170 12 9,1112 10.01,0.10.10 2 f 63max 17 5 6 8 3 4 +Ucc = 12 V 0 15 K 5 K 100 10 K 0,01MF
• 42. 40 Trong đó: R - điện trở vào chân 6. C - tụ điện nối vào chân 7 U5 - điện áp chân 5 - chân điều chỉnh. Trị số đƣợc phép 3/4.Ucc< U5< Ucc Trị số điện trở R giới hạn: 2 k < R < 20 k . Trên hình 3.8. vẽ một mạch ứng dụng tạo điện áp tam giác. Sơ đồ tạo điện áp tựa bằng VCO IC 566, IC 4046, dƣợc dùng nhiều khi cần điều chỉnh tần số xung điều khiển bằng điện áp. f)Mạch dao động dùng IC 567. IC 567 là loại IC vòng khoá pha có khối dao động CCO (Current Control Oscilator – dao động tạo xung đƣợc điều khiển bằng dòng điện). Hình dáng cấu trúc của IC này đƣợc mô tả trên hình 3.9. Hình 3.9. Sơđồ cấu trúc IC 567 Input detector VCO Quadrature phase detector 4 2 8 17 6 5 3 +UCC R1 C1 2.2MF 1MF C3 R2 C2 R1 Rtải A2 A1 Uref + -
• 43. 41 Hz C.R 1,1 f Hz C.R 1,1 f0 Chức năng các chân: 1 - Output Filter C3 – chân nối lọc tụ đầu ra. 2- Low Rass Filter C2 – chân nối tụ C2 xuống mass để lọc tín hiệu tần số thấp. 3 - Input – chân nhận tín hiệu đầu vào. 4 - +Ucc – chân dƣơng nguồn nuôi 4,75 – 10 V. 5 - Timing R1 – chân nối điện trở giữa chân 5 và 6 để định tần số CCO. 6 - Timing R1, C1 – chân nối tụ lọc xuống mass, nhƣ mạch lọc để chạy ổn định tần số cho mạch CCO. Tần số dao động có trị số thay đổi nhƣ sau: 7 - Ground – nối đất (mass) để lấy nguồn nuôi cho IC. 8 - Output - đầu ra với colector hở. Nguyên lí tạo xung của IC nhƣ sau: Điện trở R ở chân 5 và tụ C ở chân 6 xác định tần số dao đông của mạch. Tín hiệu f0 đồng thời đƣa vào hai khối so pha và so áp vuông pha, chúng cùng nhận tín hiệu ở đầu vào chân 3 để so với tín hiệu f0 do mạch dao động trong IC tạo nên. Hai tụ điện C1, C2 ở các chân 1 và 2 có tác dụng lọc xoay chiều tần số thấp ở đầu ra của mạch so pha và so áp vuông pha. Điện trở R1, R2 trong IC đƣợc xem là điện trở tải cho hai mạch này. Khi tần số đầu vào fv và tần số dao động f0 khác nhau thì không có dòng điện qua điện trở R2 trong IC. Lúc đó, không có dòng qua R2 trong IC, điện áp vào V+ của OP-AMP so sánh sẽ cao hơn điện áp chuẩnVref ở đầu vào V- . Mạch so sánh sẽ cho ra điện áp cao ở chân 8 Khi tần số đầu vào fv và tần số dao động f0 bằng nhau thì có dòng điện qua điện trở R2 trong IC tạo sụt áp trên nó. Lúc đó, điện áp vào V+ của OP- (3.9) (3.10)
• 44. 42 AMP so sánh sẽ thấp hơn điện áp chuẩnVref ở đầu vào V- . Mạch so sánh sẽ cho ra điện áp mức thấp ở chân 8 Mạch dao động có dạng xung vuông ở chân 5 và xung tam giác ở chân 6. Khi chân 5 có điện áp mức cao, tụ C nạp, chân 6 có điện áp tăng. Khi chân 5 có điện áp mức thấp, tụ C xả, chân 6 có điện áp giảm, nhƣ mô tả trên hình 2.16. Một sơ đồ ví dụ tạo xung tam giác giới thiệu trên hình 3.11. g)Tạo điện áp tam giác vuông. Mạch tạo điện áp tam giác vuông có thể tạo đƣợc từ dao động đa hài không đối xứng hình 3.12 Hằng số thời gian nạp tụ phụ thuộc phần điện trở trên VR. Bằng cách thay đổi vị trí con chạy của biến trở, hai chiều nạp tụ có hai trị số điện trở khác nhau. Từ đó có độ dốc của hai chiều nạp tụ khác nhau. Hai cạnh tam giác có độ nghiêng khác nhau. Khi vị trí con chạy nằm sát mép trên của hình U5 U6 t t Hình 3.10Đường cong điện áp các chân 5,6 IC 567 Hình 3.11. Sơđồ tạo điện áp tam giác bằng IC 567. 3 IC 567 4 8 1 5672 +Ucc X
• 45. 43 vẽ nạp tụ theo chiều đi lên dài hơn, nạp theo chiều đi xuống nhanh hơn và ngƣợc lại. Mạch tạo sóng vuông và tam giác bằng IC555 đƣợc giới thiệu trong nhiều tài liệu cũng có thể sử dụng tốt trong trƣờng hợp này. 3.1.4. Khâu so sánh. Trong ba khâu điều khiển trên, khâu so sánh tƣơng tự nhƣ các khâu tƣơng ứng trong chỉnh lƣu ở đây không giới thiệu chi tiết. Tƣơng tự nhƣ các mạch so sánh thƣờng gặp. Khâu so sánh của điều áp một chiều sẽ xác định thời điểm mở và khoá van bán dẫn. Đầu vào của khâu này gồm có hai tín hiệu, điện áp tựa (điện áp tam giác) và điện áp một chiều làm điện áp điều khiển. Một trong những sơ đồ ví dụ điển hình giới thiệu trên hình 3.12a. và dạng điện áp vào, ra trên hình 3.12b. Từ hình 3.12b, thấy rằng trong mỗi chu kì điện áp tựa có hai thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển. Tại các thời điểm đó, đầu ra của khâu so sánh đổi dấu điện áp. Tƣơng ứng với các thời điểm đột biến điện áp đầu ra của khâu so sánh cần có lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn. Hình 3.12Sơ đồ mạch tạo sóng tam giác vuông + A t V+ V- b V+ V- VR R1 R2 C a D1 D2
• 46. 44 Hình 3.13 Mạch so sánh hai cổng bằng KĐTT 3.1.5. Khâu khuếch đại. Mạch động lực nhƣ đã giới thiệu ở trên có thể thực hiện bằng hai loại linh kiện khác nhau. Do đó, việc thiết kế mạch điều khiển cho hai loại linh kiện đó có những đặc điểm hơi khác. Chúng ta thiết kế mạch khuếch đại cho hai loại linh kiện đó. a.Mạch khuếch đại cho điều áp một chiều bằng Tiristor. Trong các sơ đồ mạch kinh điển, điều áp một chiều bằng Tiristor cần có hai lệnh mở và khoá van bán dẫn tƣơng ứng với các thời điểm đột biến điện áp ra trên hình 3.13b. Mạch khuếch đại cho Tiristor trong bộ điều áp một chiều hình 3.14a giới thiệu trên hình 3.14b, c. Các xung điều khiển cho hai thời điểm mở và khoá van bán dẫn động lực cần hai mạch khuếch đại. Nếu sử dụng sơ đồ khuếch đại có hai mạch khuếch đại giống nhau nhƣ hình 3.14b, thì cần có bộ đảo dấu A2 sau khâu so sánh. Ƣu điểm của sơ đồ mạch này là đơn giản trong việc thiết kế nguồn nuôi cho mạch, hai mạch khuếch đại có linh kiện giống nhau nên đơn giản khi chọn linh kiện, do đó mạch này thƣờng hay chọn hơn. Mạch khuếch đại hình 3.14c có thể giải thích dễ dàng về nguyên lí, theo hoạt động của hai loại tranzitor NPN, PNP ở sƣờn lên của điện áp so sánh phát lệnh mở T1, ở sƣờn xuống phát lệnh mở T2. Tuy nhiên việc thiết kế nguồn nuôi đối xứng làm phức tạp thêm mạch nguồn và hai tranzitor khác loại cũng có thể đƣợc coi là nhƣợc điểm. Với những lí do đó mà mạch này ít đƣợc chọn khi thiết kế. Ur c Us s Uđ k t t U _ + a. b.
• 47. 45 Uđ k Urc T1 T2 Tr1 Tr2 Tr3 Tr4 R1 R2 D1 BAX1+15V D2 BAX2 D4 -15V D3 Uss Uđ k Urc T1 T2 Tr1 Tr2 Tr3 Tr4 R1 R2 D1 BAX1+15V D2 BAX2 D4 +15V D3 Uss + + R3 R4 A1 A2 Hình 3.14. Một số sơ đồ mạch điều khiển băm áp dùng Tiristor T1 T2 DL C + U1 Zd
• 48. 46 b. Mạch khuếch đại cho van động lực là Tranzitor. Giống nhƣ mạch khuếch đại của tiristor, mạch khuếch đại cho van động lực là tranzitor có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở tranzitor. Sự phù hợp ở đây là phù hợp về công suất và cách li giữa mạch điều khiển với mạch động lực (khi mạch động lực có điện áp cao). Trên hình 3.14 giới thiệu một số mạch khuếch đại ghép nối giữa tầng so sánh với tầng động lực. Hình 3.14a dùng cho những mạch có điện áp nguồn động lực U1 thấp. Hình 3.14b dùng cho những mạch động lực có điện áp nguồn U1 cao, nhƣng mạch điều khiển có điện áp cấp nguồn điều khiển (Uđk) cách li. Hình 3.14c dùng cho những mạch động lực có điện áp nguồn U1 cao, nhƣng mạch điều khiển không cần điện áp cấp nguồn điều khiển cách li, mà sử dụng trực tiếp điện áp nguồn cấp U1, trƣờng hợp này để bảo vệ bộ ghép quang cần có điốt ổn áp Dz Hình 3.14 Sơ đồ tầng khuếch đại cho băm áp tranzitor a. khuếch đại trực tiếp; b. cách li bằng ghép quang; c. điều khiển van động lực bằng một nguồn Tr 1 Tr 2 R 6 D 0 +U 1 R d L d Tr 1 Tr 2 R 6 D 0 +U 1 R d L d U n Uđk Tr 1 Tr 2 R 6 D 0 +U 1 R d L d U n Dz Dq T q Dq Tq a. b. c.
• 49. 47 KÊT LUẬN Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp dƣới sự hƣớng dẫn tận tình của các thầy cô giáo trong khoa Điện tự động đặc biệt là thầy giáo thạc sỹ Nguyễn Đoàn Phong và kết hợp trên sách vở em đã học tập đƣợc nhiều kiến thức giúp ích cho bản đồ án đƣợc hoàn thành đúng thời hạn. Đồ án đã giải quyết đƣợc những vấn đề sau: Tìm hiểu tổng quan về động cơ điện một chiều Tính chọn mạch động lực Tính chọn mạch điều khiển Đã xây dựng đƣợc mô hình Do thời gian thực hiện còn hạn chế cùng với kiến thức tài liệu thông tin có hạn, nên đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô trong khoa Điện- Điện Tử và các bạn đồng nghiệp để bản đồ án đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn tới Th.S Nguyễn Đoàn Phong ngƣời đã trực tiếp tận tình hƣớng dẫn và tạo điều kiện giúp em hoàn thành đồ án này. Em xin cám ơn các thây cô giáo trong khoa điện!