Thiết kế bộ băm xung áp cho động cơ ô tô một chiều với các thông số sau: P = 1KW, U = 48 VCD, n = 1000 v/ph

ực sản xuất, phục vụ đời sống con người. Đặc biệt trong lĩnh vực điều chỉnh tự động sử dụng van bán dẫn. Trong các lĩnh vực điều chỉnh tự động nói chung cũng như trong lĩnh vực giao thông nói riêng việc đòi hỏi cần có các bộ điều chỉnh nhằm tiết kiệm năng lượng ngày càng được đòi hỏi và thay thế . Bên cạnh đó trong lĩnh vực giao thông việc sử dụng các động cơ xăng,diezen ngày càng có xu hướng giảm vì các nhược điểm như: Tiêu hao nhiều năng lượng, ô nhiễm môi trường ... Đồng thời với các thành tựu của khoa học kỹ thuật thì việc chế tạo các động cơ điện ngày càng được hoàn thiện . Song song với sự phát triển đó là sự đòi hỏi phải có bộ điều khiển các loại động cơ đó với chất lượng tốt nhất, thoả mãn các yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật nhằm sử dụng và thay thế các động cơ cũ. Bộ băm xung áp một chiều sử dụng van bán dẫn trong tương lai đáp ứng được nhu cầu cần thiết về bộ điều khiển điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. Nội dung của đồ án: + Chương I: Khái quát công nghệ. + Chương II: Giới thiệu một số mạch băm xung áp ứng dụng trong điều khiển động cơ một chiều. + Chương III: Thiết kế mạch lực. + Chương IV: Thiết kế mạch điều khiển. Mặc dù rất cố gắng trong việc thiết kế nhưng do kiến thức có hạn nên không thể tránh khỏi một số hạn chế nhất định, mong các thầy đóng góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện hơn. Để hoàn thành đồ án này chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Dương Văn Nghi . Nhóm sinh viên thực hiện. Chương I Khái quát công nghệ 1. Vai trò & ứng dụng của động cơ điện trong lĩnh vực giao thông. Vấn đề ứng dụng của động cơ điện nói chung trong truyền động điện sản xuất cũng như ở đầu máy kéo là được sử dụng rộng rãi. Hiện nay trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống, thì động cơ KĐB là loại động cơ được sử dụng rộng rãi nhờ tính kinh tế, dễ chế tạo, chi phí vận hành bảo dưỡng sửa chữa thấp ... Tuy nhiên, trong một số lĩnh vực nhất định đòi hỏi yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ, về khả năng quá tải, thì bản thân động cơ KĐB không thể đáp ứng được hoặc nếu thực hiện được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần ...) rất đắt tiền. Vì vậy, động cơ điện một chiều hiện tại vẫn là loại động cơ không thể thay thế được trong những lĩnh vực nói trên. ứng dụng phổ biến của động cơ điện một chiều hiện nay trong các nghành sản xuất như hầm mỏ, khai thác quặng, máy xúc và đặc biệt là trong các đầu máy kéo tải ở lĩnh vực giao thông. Đó là nhờ hai đặc điểm quan trọng ưu việt của nó là : Khả năng điều chỉnh tốc độ tốt Khả năng quá tải tốt. Đặc biệt ở loại động cơ kích thích nối tiếp và hỗn hợp. Ngoài hai đặc tính cơ bản trên, thì cầu trúc mạch lực và mạch điều khiển động cơ điện một chiều đơn giản hơn nhiều so với động cơ KĐB, đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao hơn trong dải điều chỉnh rộng. Thực tế là ở các nước phát triển, việc dùng động cơ điện thay thế cho các loại động cơ điêzen hoặc xăng là phổ biến. Đó cũng là xu thế chung đối với toàn thế giới trong tương lai. Một mặt là vì có nguồn điện rộng rãi; tiến bộ nhảy vọt về công nghệ bán dẫn cho phép chế tạo được nhiều bộ biến đổi điện năng gọn nhẹ, khả năng giới hạn dòng áp cao & tin cậy hơn. Mặt khác, là động cơ điện không gây ô nhiễm môi trường như các loại động cơ khác, đồng thời cho hiệu suất cao. Đây là một trong những đặc điểm quan trọng đưa đến việc đưa động cơ điện vào giao thông ngày càng rộng rãi hơn. Trong thực tế, ở các nước phát triển như Mỹ, Đức, Pháp, TQ.. . đa số hệ thống đường sắt dùng động cơ điện kéo đầu máy đều được cung cấp bằng điện áp một chiều qua đường dây trên không hoặc đường ray thứ ba. Đối với hệ thống đường sắt trong thành phố có đặc điểm là khoảng cách ngắn, mật độ giao thông cao thì việc dùng trực tiếp hệ thống đường dây một chiều là thích hợp. Nhưng đối với trường hợp khoảng cách xa hơn, như giữa các thành phố với nhau, thì việc dụng hệ thống một chiều là không kinh tế. Trong trường hợp này người ta lấy tư lưới điện xoay chiều một pha có tần số 50Hz á 60Hz và có điện áp khoảng 25kV sau đó qua hạ áp cấp vào bộ chỉnh lưu được nguồn một chiều. Thông thường cấp điện áp của hệ thống tầu kéo đường sắt trong thành phố dùng điện một chiều từ 600 á 700V (với TH đường ray thứ ba) hoặc 1500V (với TH đường dây trên không). Trong cả hai trường hợp trên thì người ta tạo dòng một chiều bằng cách chỉnh lưu từ lưới điện xoay chiều với hệ số đập mạch là 12 để có chất lượng cao. Đối với ôtô điện người ta cũng lấy từ đường dây trên không nếu công suất động cơ truyền tải lớn. Hiện nay, trong một số loại động cơ kéo tải giao thông có công suất nhỏ, thì người ta dùng nguồn ac-quy kèm theo bộ biến đổi gọn nhẹ thuận tiện cho tính linh hoạt trong vận tải. Nhưng nhược điểm rất rõ của loại dùng nguồn ac-quy là chỉ chạy được quãng đường ngắn, điều này gây bất tiện cho ngưới sử dụng. Vì vậy loại này chỉ khả dụng trong trường hợp công nghệ chế tạo ac-quy tiến bộ hơn nữa và thực tế loại dùng nguồn truyền tải hiện nay vẫn là chủ yếu trong truyền động giao thông. Trong khuôn khổ đồ án này với đề tài thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều trong ôtô, nên để làm rõ tính quan trọng của động cơ một chiều trong lĩnh vực này trước hết ta phân tích rõ đặc thù của truyền động trong lĩnh vực giao thông. 2. Phân tích đặc thù về truyền động trong giao thông. Có thể nêu ra đặc điểm quan trọng về truyền động trong lĩnh vực giao thông là: + Yêu cầu cao trong việc điều chỉnh tốc độ; bao gồm những yêu cầu về dải điều chỉnh rộng, độ trơn điều chỉnh, điều chỉnh phải êm, khởi động động cơ nhanh. + Yêu cầu cao về khả năng quá tải, vì tải kéo của đầu máy là không cố định Ngoài ra, truyền động trong giao thông còn đòi hỏi cao về độ an toàn khi vận hành. Muốn vậy việc thiết kế phải đảm bảo đưa ra được một sơ đồ điều khiển đơn giản tin cậy, dễ thao tác trong vận hành điều khiển động cơ ô - tô. Vì thực tế trong lĩnh vực giao thông còn đòi hỏi truyền động có đảo chiều, nên việc thiết kế cũng chú trọng đến vấn đề đảo chiều quay động cơ. Thực chất của việc điều khiển ô-tô cũng như đầu máy kéo là việc điều khiển động cơ kéo tải. Vì vậy, trước tiên ta đi giới thiệu một vài đặc tính cơ bản của các loại động cơ điện một chiều, rồi từ đó đưa ra quyết định chọn loại động cơ thích hợp cho truyền động trong lĩnh vực đang đề cập tới. 3. Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều. Động cơ điện kích thích độc lập hoặc song song. Phương trình đặc tính cơ: Biểu thị quan hệ giữa tốc độ (n)và mômen (M) Với những điều kiện U=const, It=const thì từ thông của động cơ hầu như không đổi. Vì vậy quan hệ trên là tuyến tính và đường đặc tính cơ của động cơ là đường thẳng. w w0 M Mđm Do Rư rất nhỏ, nên khi tải thay đổi từ không đến định mức thì tốc độ giảm rất ít cho nên đặc tính cơ của động cơ điện kích thích song song rất cứng. Với đặc điểm như vậy, động cơ điện kích thích song song được dùng trong những trường hợp tốc độ hầu như không đổi khi tải thay đổi. Động cơ điện kích thích nối tiếp. ở động cơ điện kích thích nối tiếp, dòng điện kích thích chính là dòng điện phần ứng : It= Iư=I. Vậy trong phạm vi khá rộng có thể biểu thị: F=KF.I trong đó hệ số tỷ lệ KF chỉ là hằng số trong vùng I (0,8 á 0,9)Iđm thì hơi giảm xuống do hiện tượng bão hoà mạch từ. Như vậy, biểu thức đặc tính cơ có dạng: M=CM.F.Iư=CM. ị nếu bỏ qua Rư thì: hay: M= Như vậy khi mạch từ chưa bão hoà, đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp có dạng là đường hypebol bậc hai. w* M* Mđm Ta thấy, ở động cơ một chiều kích thích nối tiếp, tốc độ quay n giảm rất nhanh khi M tăng. Và khi mất tải (M=0, I=0) thì n có trị số rất lớn. Vì vậy thường chỉ cho phép động cơ làm việc với tải tối thiều P2=(0,2 á 0,25)Pđm. Từ dạng đặc tính cơ ta cũng có nhận xét là đặc tính cơ của động cơ kích thích nối tiếp rất mềm ị động cơ nối tiếp rất ưu việt trong những nơi cần mở máy nặng nề và cần tốc độ thay đổi trong một vùng rộng. c. Động cơ điện kích thích hỗn hợp: Loại này được chế tạo gồm hai cuộn dây nối tiếp và song song. Tác dụng của dây quấn kích thích song song và nối tiếp bù nhau hoặc ngược nhau. Trên thực tế người ta chỉ sử dụng loại kích thích hỗn hợp bù vì động cơ ngược không đảm bảo được điều kiện làm việc ổn định. Động cơ kích thích hỗn hợp bù có đặc tính cơ mang tính chất trung gian giữa hai loại kích thich song song và nối tiếp. Khi tải tăng thì từ thông tăng, do đó đặc tính cơ của động cơ kích thích hỗn hợp bù mềm hơn so với đặc tính cơ của động cơ kích thích song song. Tuy nhiên mức độ tăng của từ thông không mạnh như ở động cơ kích thích nối tiếp cho nên đặc tính cơ của động cơ điện kích thích hỗn hợp bù cứng hơn so với đặc tính cơ của động cơ kích thích nối tiếp. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp được điều chỉnh như ở trường hợp động cơ kích thích song song; dù rằng về nguyên tắc có thể áp dụng những phương pháp điều chỉnh tốc độ dùng cho động cơ kích thích nối tiếp. Từ những tính chất của từng loại động cơ như đã trình bày ở trên, so sánh với đặc tính tải và những yêu cầu của truyền động trong lĩnh vực giao thông ta thấy rằng loại động cơ kích thích nối tiếp và kích thích hỗn hợp kiều bù là đáp ứng được những yêu cầu về truyền động. Ta có thể nêu ưu điểm của hai loại động cơ này so với động cơ kích thích độc lập hoặc song song đứng trên quan điểm xét sự phù hợp với đặc tính tải: + Đặc tính cơ mềm và độ cứng thay đổi theo phụ tải. Điều này rất thích hợp trong giao thông có yêu cầu tốc độ thay đổi theo tải. + Có khả năng quá tải lớn về mômen và khả năng khởi động tốt hơn. Nhờ vậy cho phép làm việc ở môi trường kéo tải nặng nề. + Vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng phần ứng Iư nên khả năng chịu tải của động cơ không chịu ảnh hưởng của sụt áp lưới điện nên rất thích hợp cho những truyền động dùng trong nghành giao thông có đường dây cung cấp điện đi kèm theo tải. Thực tế trong lĩnh vực này động cơ kích thích nối tiếp được sử dụng. Tuy nhiên người ta cũng dùng cả động cơ kích thích hỗn hợp vì nó cho phép thực hiện hãm tái sinh năng lượng mà vẫn đảm bảo tốt các yêu cầu truyền động. 4. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kéo tải trong giao thông có thể dùng phương pháp điện kết hợp cả phương pháp cơ qua cơ cấu bánh răng để tăng dải điều chỉnh. Điều chỉnh bằng phương pháp điện càng tốt bao nhiêu càng giảm độ phức tạp & cồng kềnh của cơ cấu cơ khí bấy nhiêu. Thực tế tồn tại hai phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều: Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ; tức là thay đổi Uư. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ ; tức là thay đổi từ thông F. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi F có thể thay đổi được liên tục & giữ được hiệu suất của động cơ là không đổi vì sự điều chỉnh dựa trên việc tác dụng lên mạch kích thích có công suất nhỏ so với công suất động cơ. Nhưng do bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức, ứng với kích thích tối đa (F=Fđm=Fmax), nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông; tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ & giới hạn điều chỉnh tốc độ bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và đảo chiều quay nên phương pháp này không thích hợp trong trường hợp động cơ kéo tải giao thông. Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay dưới tốc độ định mức vì không thể nâng cao điện áp lên trên Uđm của động cơ. Phương pháp này cho phép điều chỉnh triệt để vì có những ưu điểm sau: + Hiệu suất điều chỉnh cao. + Không có tổn hao trong máy điện khi điều chỉnh. + Việc thay đổi điện áp phần ứng, cụ thể là giảm Uư ị mômen ngắn mạch Mnm giảm, dòng ngắn mạch Inm giảm; điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động động cơ. + Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là như nhau. + Điều chỉnh trơn trong toàn bộ giải điều chỉnh. Tuy vậy, phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao, và đòi hỏi phải có nguồn điện áp điều chỉnh được. Từ những phân tích trên ta thấy việc chọn phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng là thích hợp cho động cơ kéo tải giao thông. Mặc dù, dải điều chỉnh chỉ cho phép thấp hơn tốc độ định mức như ta có thể mở rộng dải điều chỉnh nhờ kết hợp với cơ cấu cơ khí như đã đề cập ở trên. 5. Giới thiệu nguyên lý chung của bộ biến đổi điện áp một chiều. Như ở trên đã đề cập, phương pháp điều chỉnh điện áp được lựa chọn trong điều chỉnh tốc độ động cơ. Thực tế, để thay đổi điện áp phần ứng động cơ ô-tô người ta có thể thay đổi góc mở chậm a nếu dùng bộ biến đổi là hệ thống chỉnh lưu, hoặc thay đổi tần số băm trong trường hợp bộ biến đổi là bộ băm xung áp một chiều. Việc sử dụng hệ thống chỉnh lưu tiristor - động cơ chỉ ứng dụng trong trường hợp tải của nó là loại động cơ công suất lớn, sử dụng sơ đồ chỉnh lưu tiristor – động cơ một chiều luôn đi kèm theo việc đưa thêm bộ lọc kồng kềnh nên chỉ khả dụng cho truyền động đầu máy tầu điện kéo tải lớn. Với loại động cơ công suất nhỏ thì việc dùng bộ băm xung áp một chiều là phù hợp. Vì thiết bị băm xung làm việc với hiệu suất cao (theo tính toán là xấp xỉ bằng 1); ít nhạy cảm với nhiệt độ và điều kiện môi trường vì tham số điều kiển là thời gian đóng mở; đặc biệt là có kích thước nhỏ gọn (tính cả lọc), nên rất phù hợp với ôtô điện. Sau đây giới thiệu nguyên lý chung của bộ băm xung, đồng thời phân tích khái lược về các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ làm việc của bộ băm xung - áp cũng như vấn đề lựa chọn thiết bị đáp ứng được các yêu cầu về chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế. Tải Chỉnh lưu không điều khiển L2 ã ã ã ã ã ã K D C1 C2 Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp một chiều Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc như một công tác tơ tĩnh (K) đóng mở liên tục 1 cách chu kì . Nhờ vậy mà biến đổi được điện áp một chiều không đổi E thành các xung điện áp một chiều Utb có trị số có thể điều chỉnh được. Điện áp Utb này đặt vào phần ứng động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ ô tô. Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp thì 0<Utb<E. Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp thì E<Utb<0. Trong sơ đồ trên L,C là bộ phận lọc để san bằng và giữ cho điện áp tải thực tế là không đổi ,mục đích là giảm hệ số đập mạch nâng cao chất lượng điều chỉnh . Điện áp trên tải thu được phụ thuộc vào tần số đóng cắt khoá K.Trong khi đó các hạn chế về công nghệ và tổn hao của bộ biến đổi điện áp một chiều quyết định giới hạn tần số làm việc của bộ biến đổi .Để tránh các sóng không mong muốn và từ đấy tránh được Momen đập mạch thì tần số phải lớn hơn một mức nào đó .Tần số đóng cắt càng nhanh thì càng giảm được kích thước của bộ lọc ,nhưng nếu quá lớn sẽ sinh ra nhiễu vô tuyến .Vì vậy phải cân nhắc để lựa chọn được bộ biến đổi làm việc ở dải tần thích hợp( dưới 1KHz). Thực tế thường dùng tần số băm khoảng 400Hz á 600Hz. Thực tế khoá K trên sơ đồ nguyên lý được thay bằng khoá điện tử cụ thể là Tiristor hoặc Transistor(Công suất hoặc MOS). Dùng Tiristor có ưu điểm là trị số giới hạn cao ,làm việc chắc chắn rẻ tiền,tổn hao khi dẫn nhỏ nhưng có nhược điểm là mở chậm nên chỉ sử dụng rộng rãi ở tần số đóng mở thấp (dưới 500Hz). Transistor MOS thích hợp với dải tần số chuyển mạch cao hơn 100KHz. Transistor công suất thích hợp với dải tần từ 20->100Khz,có giá thành rẻ hơn,tổn hao ít hơn MOS. Với hệ thống dùng Transistor thì yêu cầu làm mát không cao bằng Tiristor,nhưng Tiristor lại cho phép dễ bảo vệ chống lại các sự cố hơn Transistor .Vì vậy ở những môi trường làm việc nặng nề việc sử dụng Transistor là hạn chế. Việc sử dụng loại linh kiện nào dùng trong bộ biến đổi trong thực tế là dựa vào khả năng kinh tế kỹ thuật và trong nhiều trường hợp thì việc lựa chọn không rõ ràng . Ngoài sự ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật là tần số đóng cắt, giới hạn về các linh kiện thì chất lượng điều chỉnh tốc độ ôtô còn phụ thuộc vào cả cơ cấu điều chỉnh là kín hay hở. Dùng sơ đồ điều chỉnh kín (có vòng phản hồi) sẽ tăng thêm tính ổn định tốc độ với một tần số đóng cắt nhất định, nâng cao được chất lượng điều chỉnh. Trên đây giới thiệu những nét khái quát nhất về công nghệ. Việc thiết kế chi tiết xin dành cho các mục dưới đây. Chương II Bộ băm xung áp một chiều Như đã giới thiệu ở chương trước, bộ băm xung áp một chiều có nhiều ưu điểm trong truyền động giao thông. Bộ băm xung áp biến đổi được điện áp một chiều từ 0 đến giá trị điện áp nguồn US một cách trơn liên tục. Phần trên cũng đã đề cập tới nguyên lý chung của bộ biến điện áp một chiều, ở chương này ta đi chi tiết giới thiệu tổng quan nguyên lý điều chỉnh, các phương pháp điều chỉnh và một số sơ đồ băm xung áp thực tế. I Nguyên lý Nguyên lý chung là biến đổi giá trị của điện áp một chiều ở các mức khác nhau. Ura t t1 t2 T BBĐ một chiều US Ura Ura là một dãy xung vuông (lý tưởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2. Điện áp ra bằng giá trị trung bình của điện áp xung. Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi này là điều khiền các phần tử công suất bằng phương pháp xung. Để có hiệu suất lớn thì điện áp sụt trên các phần tử công suất ở trạng thái mở phải nhỏ, dòng qua nó ở trạng thái mở rất nhỏ. II Phương pháp điều chỉnh điện áp ra Có hai phương pháp: Thay đổi độ rộng xung (t1). Thay đổi tần số xung (T hoặc f). Phương pháp thay đổi độ rộng xung Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T ị Giá trị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là: trong đó đặt: 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 < e Ê 1). Phương pháp thay đổi tần số xung Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1=const. Khi đó: Vậy Ura=US khi và Ura=0 khi f=0. Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phương pháp trên. Thực tế phương pháp biến đổi độ rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bị biến tần đi kèm. III Các dạng cơ bản Dựa vào cách mắc khoá xung, các bộ lọc và nguồn cung cấp mà có các dạng sơ đồ sau: Biến đổi hạ áp: Sơ đồ nguyên lý như sau: L1 D1 US Ura Clọc Tải Phần tử điều chỉnh quy ước là khoá K ( thực tế là Tiristor hoặc Tranzitor). Đặc điểm của sơ đồ này là khoá K, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp. Tải có tính chất cảm kháng hoặc dung kháng. Bộ lọc L & C. Đi-ôt mắc ngược với Ura để thoát dòng tải khi khoá K ngắt. + K đóng ị US được đặt vào đầu của bộ lọc. Lý tưởng thì Utải = US (nếu bỏ qua sụt áp trên các van trong bộ biến đổi). + K mở ị hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng Itải do năng lượng tích luỹ trong cuộn L và Ltải, dòng chạy qua D, do đó Ura=Utải’ =0. Như vậy, Utải tb Ê US. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp. Đặc tính truyền đạt: Biến đổi tăng áp: Sơ đồ như sau: L1 D1 US Ura Clọc Tải K Đặc điểm: L1 nối tiếp với tải, Khoá K mắc song song với tải. Cuộn cảm L1 không tham gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trò này. + K đóng, dòng điện từ +US qua L1 đ K đ -US. Khi đó D tắt vì trên tụ có UC (đã được tích điện trước đó). + K ngắt, dòng điện chạy từ +US qua L1 đ D đ Tải. Vì từ thông trong L1 không giảm tức thời về không do đó trong L1 xuất hiện suất điện động tự cảm eL, có cùng cực tính US. Do đó tổng điện áp: U=US+eL đ làm D thông đ Utải=US+eL. Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp. Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn US ở chế độ liên tục và năng lượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn. Đặc tính truyền đạt: Biến đổi đảo cực: Sơ đồ mắc như sau: L1 D1 US Ura Clọc Tải K L1 chỉ đóng vai trò tích luỹ năng lượng. C đóng vai trò lọc. + K đóng, trên L1 có US, dòng chạy từ +US đ K đ L1 đ -US. Năng lượng tích luỹ trong cuộn cảm L1; đi-ôt D tắt; Utải=UC, tụ C phóng điện qua tải. + K ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra sức điện động ngược chiều với trường hợp đóng ị D thông ị năng lượng từ trường nạp và C, tụ C tích điện; Utải sẽ ngược chiều với US. Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với US. Giá trị tuyệt đối |Utải| có thể lớn hơn hay nhỏ hơn US. Biến đổi công suất lớn theo nguyên lý nhiều nhịp: Đặc điểm: Mắc song song n bộ biến đổi riêng làm việc cùng một tải và nguồn US. Để giảm độ gợn sóng của Itải và Utải , các khoá K1, K2, K3, ẳ làm việc lệch pha nhau một góc 2p/n. Khi đó mỗi bộ biến đổi chịu dòng điện Itải/n ; tần số làm việc f=fS/n. Có thể làm việc ở hai chế độ : lần lượt và đồng thời. Nhận xét: Các bộ biến đổi (3 & 4) có ưu điểm ở chỗ là cho phép nhận được điện áp ra tải Utải cao hơn điện áp nguồn cung cấp US, song chúng chỉ thích hợp với dải công suất nhỏ nên ít thông dụng. IV Một số sơ đồ băm xung áp Thực tế có rất nhiều sơ đồ băm xung áp một chiều với nhiều đặc điểm khác nhau tuỳ mục đích sử dụng, song chúng đều làm việc dựa trên những nguyên lý của các dạng cơ bản như đã giới thiệu ở mục trên. Dưới đây xin giới thiệu hai sơ đồ băm xung áp: Một loại cho phép tái sinh năng lượng và cho dòng tải liên tục. Một loại cho phép đảo chiều dòng tải, thực hiện được hãm tái sinh năng lượng và có thể áp dụng được nhiều chế độ điều khiển khác nhau. Sơ đồ băm xung áp loại B. Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp loại này như sau: L1 ã ã ã ã ã ã ã R E D2 D1 S1 S2 id ud US C ã ã Giải thích: + S1, S2 là loại điều khiển hoàn toàn. + Tải của bộ băm xung áp là động cơ kích từ nối tiếp có thể thay thế bằng R-L-E; trong đó E là sức phản điện động của động cơ. + D1là Diod hoàn năng lượng ;D2 là diod có tác dụng trả năng lượng tái sinh cho nguồn. 1.1. Hoạt động của sơ đồ : Để chiều dòng điện tải như hình vẽ ta cho S1 hoạt động như một khoá đóng cắt ;còn S2 không làm việc .Khi S1 mở dòng điện từ nguồn chảy qua S1 qua tải và trở về âm nguồn .Khi S1 khoá dòng tảI được khép mạch qua điod D1 đảm bảo dòng tảI là liên tục ngay cả khi S1 khoá . Để đảo chiều dòng điện phần ứng động cơ (dòng id) ta cho S2 và D2 vào vận hành còn S1 ngắt. Khi đó ,do quán tính động cơ vẫn quay theo chiều cũ mặc dù bị ngắt ra khỏi nguồn đ E > 0. Lúc này mạch tải chỉ có nguồn duy nhất E khép mạch qua S2 đ xuất hiện dòng điện chạy ngược lại chiều ban đầu .Công suất điện từ của động cơ là:Pđt= Id.E > 0. Công suất lúc này được tích luỹ trong cuộn cảm L. Khi S2 ngắt, trên điện cảm L sinh ra sức điện động tự cảm (DUL) cùng chiều với E.Tổng hai sức điện động này lớn hơn điện áp nguồn US làm D2 dẫn ngược dòng về nguồn và trả lại phần năng lượng đã tích luỹ trong cuộn cảm L. Để đảm bảo S2 dẫn dòng điện ngược ngay khi dòng thuận qua D1 tắt ta phát xung vào mở S2 đồng thời với việc phát xung khoá S1. Sau đây là biểu đồ dạng sóng mô tả hoạt động của sơ đồ: iđk1 iđk2 ud id US iD1 iD2 iS Ud Id Biểu đồ dạng sóng dòng, áp Từ biểu đồ dạng sóng ta có nhận xét : + Dòng qua phần ứng động cơ là liên tục nếu ta đảm bảo S2 dẫn trước hoặc ngay sau khi dòng qua D1 tắt. + Dòng điện qua phần ứng động cơ có phần âm nên giá trị trung bình của nó có thể nhỏ bất kỳ ,thậm chí bằng 0 hoặc âm .Điều này có thể điều khiển được bằng cách thay đổi thời gian dẫn của S1 và S2. Nhận xét: Ưu điểm của sơ đồ này là: + Dòng qua tải luôn là liên tục,do đó tạo điều kiện tốt cho động cơ hoạt động êm. + Có thể thực hiện được quá trình tái sinh năng lượng. 1.2. Các biểu thức có liên quan: Vì tải là động cơ điện một chiều nên ta có thể thay thế bằng tải R-L-E, trong đó: E: Sức phản điện động của động cơ R: Điện trở dây quấn của động cơ L: Điện cảm dây quấn của động cơ a. Xác định Imax và Imin : Khi H đóng mạch (tương đương với việc mở S1) ta có : ; với Sử dụng phương pháp biến đổi Laplace ta được: Khi mới bắt đầu cho bộ biến đổi làm việc thì Id=0. Nhưng sau một vài chu kỳ, dòng Id sẽ biến động và xác lập giữa hai giá trị Imax và Imin ( Do D1 & D2 dẫn khi S1 khoá). Do đó Id(0)=Imin . Thay vào phương trình trên ta được: Tra bảng gốc ảnh ta tìm được: Khi mạch hở ( tương đương với việc khoá S1 mở S2). Ta có phương trình trong giai đoạn D1 dẫn : (Vì tần số đóng cắt cao nên coi như E không đổi trong suốt quá trình hoạt động của bộ băm xung ) Tương tự như vậy ta tìm được nghiệm Vận dụng các sơ kiện : t=eT ị Id=Imax t=T ị Imin=Id Trong đó: b. Xác định điện áp trung bình trên tải : Từ biểu đồ dạng sóng của điện áp đặt trên tải, ta có: c. Giá trị trung bình của dòng tải : Từ phương trình của mạch tải ta có: d. Độ nhấp nhô của dòng điện tải : Ta có: (Khi lấy giá trị xấp xỉ như trên ta coi R=0) Từ biểu thức vừa tính được ta thấy rằng :Khi T=const thì độ nhấp nhô DId là hàm của tỷ số chu kỳ e .Từ đó ta có ; Cho Do đó DIdmax= Vậy muốn cho dòng điện tải ít nhấp nhô,cần tăng tần số băm f hoặc tăng điện cảm L(bằng cách nối thêm 1 điện cảm nối tiếp với phần ứng động cơ). e. Giá trị trung bình dòng qua van: Ta có : f. Giá trị trung bình qua diod : Sơ đồ băm xung áp có đảo chiều (loại B kép). Sơ đồ nguyên lý của sơ đồ: ã ã ã ã L1 ã R E id ã ã ã ã D1 D4 S1 S4 ud US ã C ã ã ã D2 D3 S2 S3 ã S1,S2,S3,S4:Là các van điều khiển hoàn toàn Truyền động trong giao thông cũng đòi hỏi phải đổi chiều quay. Sơ đồ trên cho phép điều chỉnh tốc độ quay và đảo chiều quay một cách linh hoạt ,đặc tính làm việc của động cơ có thể ở cả 4 góc phần tư. Sơ đồ có thể có nhiều chế độ điều khiển,dưới đây ta sẽ giới thiệu hai chế độ điều khiển thường gặp. 2.1. Điều khiển đối xứng : 1. Hoạt động: Trong chế độ điều khiển đối xứng thì cả 4 van S1áS4 đều hoạt động. Giả thiết S2 và S4 đang dẫn dòng tải chảy qua (theo chiều từ B đ A). - Tại thời điểm t=0 đưa xung mở S1 và S3. Vì trước thời đIểm phát xung một khoảnh khắc thì iS2=IS4>>0 nên đến q=0, muốn khoá S2 & S4 ta cần khoá cưỡng bức bằng cách phát xung âm vào cực điều khiển .Khi đã khoá S2 & S4 ,dòng tải id = Imin không thể đảo chiều ngay lập tức do tải điện cảm .Nó tiếp tục duy trì theo chiều cũ theo mạch D1 – E – D3 ắ tải –D1 và suy giảm dần . Khi đó D1 & D3 dẫn dòng . - Đến t=t1 : Khi dòng qua D1 và D3 suy giảm về 0 thì S1 và S3 sẽ dẫn nếu vẫn còn tiếp tục duy trì xung điều khiển .Dòng tải đổi chiều và tăng trưởng dần theo chiều từ Ađ B. - Đến t=t2 ta lại cho mở S2 & S4 đồng thời khoá S1 và S3.Dòng tải lại tiếp tục duy trì theo chiều cũ vì D2 và D4 đang dẫn, S2 và S4 sẽ dẫn dòng khi nó bắt đầu bằng 0 và đổi chiều Diễn biến hoạt động của sơ đồ được mô tả theo biểu đồ dạng sóng như sau: US iđk1 iđk2 ud -US uS1, iS1 iS uD1, iD1 Biểu đồ dạng sóng dòng, áp trên các phần tử 2. Tính các biểu thức có liên quan: a. Tìm biểu thức của dòng tải : Khi (D1, D3) & (S1, S3) dẫn : Trong giai đoạn này điện áp trên tảI là UT=US ,do đó phương trình mạch tảI sẽ là: Giải tương tự như ở sơ đồ 1 ( băm loại A) ta có: Khi (D2, D4) và ( S2, S4) dẫn thì : Ud = - US ,do đó phương trình mạch tải sẽ là: Vậy Ta cũng tìm được: Với (Tỷ số chu kỳ ) Từ biểu đồ dạng sóng của dòng /áp tải ta có: b. Giá trị trung bình của điện áp trên tải: Vậy nếu ta thay đổi được e ta sẽ điều chỉnh được Ud . Cụ thể : e=0,5đ Ud=0ịĐộng cơ được đặt điện áp e>0,5đ Ud>0ịĐộng cơ quay thuận. e<0,5đ Ud<0ịĐộng cơ quay ngược. c. Giá trị trung bình của dòng qua diod D1 và D3 : d. Giá trị trung bình dòng qua van : Giá trị trung bình dòng tải : Độ đập mạch dòng tải: Vậy : 2.2. Điều khiển không đối xứng : Trong chế độ điều khiển không đối xứng ta cho bộ biến đổi làm việc như sau : + Muốn động cơ quay thuận :Cho S1 , S4 đóng mở luân phiên 1 cách chu kỳ ; còn S3 luôn dẫn dòng tải ; S2 cho nghỉ làm việc . Khi đó ta có mạch tương tương như sau : ã ã ã ã L1 ã R E id ã ã ã ã D1 D4 S1 S4 ud US ã C ã ã ã D2 D3 S2 S3 ã ã ã ã ã Mạch trên giống như mạch đã phân tích ở sơ đồ 1 . Hoạt động giống như đã phân tích ở sơ đồ 1 .Theo trên điện áp trung bình trên tải là: Ud=eUS , do 0<e<1 nên động cơ quay theo chiều thuận . + Khi muốn đảo chiều quay ,cho động cơ quay theo chiều ngược lạI .Ta cho S1 nghỉ làm việc hoàn toàn ;đồng thời cho S2 và S3 đóng mở luân phiên nhau ;còn S4 cho dẫn hoàn toàn Khi đó ta có sơ đồ lúc làm việc như sau : ã ã ã ã L1 ã R E id ã ã ã ã D1 D4 S1 S4 ud US ã C ã ã ã D2 D3 S2 S3 ã ã ã ã ã Trong trường hợp này ,giá trị trung bình điện áp đặt lên tải là Ud=-eUS <0 ị Động cơ quay ngược. Nhận xét: So với phương pháp điều khiển đối xứng thì phương pháp điều khiển không đối xứng có những ưu điểm sau: + Điện áp ra tải chỉ có 1 dấu ở chiều xác định. + Cho phép giảm độ đập mạch dòng điện 2 lần so với phương pháp điều khiển đối xứng. + Mặt khác nó cũng cho phép làm việc ở các chế độ sau: eUS> E đ Động cơ nhận năng lượng . eUS < E đ Động cơ phát năng lượng. -eUS < 0 đ Động cơ bị đảo chiều quay. Nhưng phương pháp này có nhược điểm là mạch điều khiển phức tạp hơn. Trong quá trình quay theo một chiều xác định nào đó 1 van luôn ở trạng thái dẫn bão hoà ị Gây ra tổn hao dẫn lớn (nếu là Transistor) . ở trên, chỉ nêu nguyên lý hoạt động của các sơ đồ băm xung với việc chỉ coi các van là các khoá đóng cắt đơn thuần. Trong thực tế, để phù hợp với yêu cầu công nghệ ta sử dụng Transistor vì những ưu điểm sau: + Có thể sử dụng với tần số đóng cắt cao. + Điều khiển được hoàn toàn, không cần thêm các mạch phụ trợ cho việc khoá cưỡng bức như ở thyristor. + Thích hợp với công suất nhỏ... Sơ đồ mạch lực khi dùng transistor như sau: T4 T1 +V D3 D4 D2 D1 T3 T2 ã ã ã ã C Chương III Thiết kế mạch lực Chọn van mạch lực. Chọn động cơ: Pđm=1kW; Uđm=48V; Rw= 0,2W; Lw= 0,1mH; h=83%. Với tần số làm việc thông thường là f=400Hz ị T=2.5 ms. Từ các thông số trên ta tính được: Ewđm= Udm- Rw.Iđm=48 - 0,2 ´ 24,5 = 43V. Việc chọn van bán dẫn mạch lực được chọn theo các thông số cơ bản của van. Hai thông số cơ bản để chọn van là: + Giá trị dòng trung bình lớn nhất của van (Itb max); đây là giá trị dòng lớn nhất mà van có thể chịu được ứng với chế độ làm mát tốt nhất cho van (chế độ lý tưởng). Trong thực tế, không đạt được điều kiện làm mát lý tưởng nên việc sử dụng van không được quá giá trị này. + Giá trị biên độ điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên van (Ungược max ); nếu vượt quá giá trị này thì van bị chọc thủng. Như đã đề cập ở phần trước, ta dùng các van bán dẫn là các tranzito công suất; tức là các van điều kiển hoàn toàn. Xuất phát từ đặc điểm công nghệ, ta chọn điều kiện làm mát là làm mát cưỡng bức bằng quạt gió, với các cơ cấu: Van + cánh tản nhiệt chuẩn + tốc độ gió (12 m/s). Vì vậy: Itb van thự._.