Thiết kế bộ băm xung DC điều khiển tốc độ động cơ điện DC

ng rộng rãi trong trong tất cả các lĩnh vực 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 lương 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: Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều. + Chương II: Bộ băm xung áp một chiều. + Chương III: Các phương án Tổng thể. + Chương IV: Thiết kế mạch lực. + Chương V : 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 Phạm Quốc Hải. Nhóm sinh viên thực hiện. Chương I : Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều x1. Động cơ điện một chiều 1.1. Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều : Trong nền sản xuất hiện đại , động cơ một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện xoay chiều thông dụng . Do động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt , khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải . Chính vì vậy mà động cơ một chiều được dùng nhiều trong các nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép , hầm mỏ, giao thông vận tải ... mà điều quan trọng là các nghành công nghiệp hay đòi hỏi dùng nguồn điện một chiều . Bên cạnh đó , động cơ điện một chiều cũng có những nhược điểm nhất địnhcủa nó như so với máy điện xoay chiều thì giá thành đắt hơn chế tạo và bảo quản cổ góp điện phức tạp hơn ( dễ phát sinh tia lửa điện )... nhưng do những ưu điểm của nó nên động cơ điện một chiều vẫn còn có một tầm quan trọng nhất định trong sản suất . Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều hiện nay vào khoảng 10000 KW , điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000 V . Hướng phát triển hiện nay là cải tiến tính năng của vật liệu , nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những động cơ có công suất lớn hơn ...Giản đồ kết cấu chung của đông cơ điện một chiều ở hình dưới :phần ứng được biểu diễn bởi vòng tròn bên trong có sức điện động E,ở phần stato có vài dây quấn kích từ :dây quấn kích từ độc lập CKĐ, dây quấn kích từ nối tiếp CKN,dây quấn cực từ phụ CF,và dây quấn bù CB.Hệ thống các phương trình 1.2.Cấu tạo của động cơ điện một chiều. Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính : phần tĩnh và phần động. 1.2.1. Phần tĩnh hay stato. Đây là đứng yên của máy , bao gồm các bộ phận chính sau: a. Cực từ chính : là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ . Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt . Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối . Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông . Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ . Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau. b. Cực từ phụ : Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều . Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu rạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông. c. Gông từ : Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại. Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy. d. Các bộ phận khác. - Nắp máy : Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang. - Cơ cấu chổi than : để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặy lên cổ góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại. 1. 2.2 Phần quay hay rôto. Bao gồm những bộ phận chính sau : a. Lõi sắt phần ứng : dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì dặt dây quấn vào. Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lạ thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió. Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt. Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto. b. Dây quấn phần ứng. Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài kw thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có làm bằng tre, gỗ hay bakelit. c. Cổ góp : dùng để đổi chiều dòng điẹn xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng. d. Các bộ phận khác. - Cánh quạt : dùng để quạt gió làm nguội máy. Máy điện một chiều thường chế tạo theo kiểu bảo vệ. ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên trục máy , khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ. Gió đi qua vành góp, cực từ lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy. - Trục máy : trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt. 2. 3 . Đ ặc tính cơ của động cơ điện một chiều : 2.3.1. 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) 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. 2.3.2. 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. 2.3.3 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. Từ những đặc tính cơ trên ta thấy rằng động cơ một chiều kích thích nối tiếp và hỗn hợp đáp ứng được yêu cầu truyền động. Nó có nhưng ưu điểm : + 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. x2. 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. x3. 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 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 xe điện di động. 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. chương II: Bộ băm xung áp một chiều 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. x 1 . 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. x2. 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). 2.1. 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). 2.2. 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. x3. Các dạng cơ bản Dựa vào cách mắc khoá xung, các bộ lọc và nguồn cung cấp mà có các dạng sơ đồ sau: 3.1. 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: 3.2. 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: 3.3. 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. 3.4. 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. x4. transistor công suất : 4.1 Cấu tạo : Transistor là linh kiện bán dẫn gồm 3 lớp : PNP hay NPN. Transistor PNP: a).Cấu tạo b). Ký hiệu ( b ) C B E ( a ) E B C N P P ( a ) E C B P N N C B E ( b ) Transistor NPN a). Cấu tạo b). Ký hiệu Về mặt vật lý transistor gồm 3 phần : phần phát, phần nền và phần thu. Vùng nền (B) rất mỏng. Transistor công suất có cấu trúc và ký hiệu như nhau: ( b ) ( a ) E IC B UBE IE C IB UCE E ã ã B C Transistor công suất a). Cấu trúc b). Ký hiệu 4. 2 Nguyên lý hoạt động : ã ã ã Base p - IE + IC IE Colector Emiter C C E E N ã ã ã ã N p ã ã ã - + RE UEE UCC RC ãã ã P Hình ?<? Sơ đồ phân cực transistor. Điện thế UEE phân cực thuận mối nối B – E (PN) là nguyên nhân làm cho vùng phát (E) phóng điện tử vào vùng P (cực B) . Hầu hết các điện tử ( electron) sau khi qua vùng B rồi qua tiếp mối nối thứ hai phía bên phải hướng tới vùng N ( cực thu ), khoảng 1% electron được giữ lại vùng B. Các lỗ trống vùng nền di chuyển vào vùng phát. Mối nối B - E ở chế độ phân cực thuận như một diode, có điện kháng nhỏ và điện áp rơi trên nó nhỏ thì mối nối B - C được phân cực ngược bởi điện áp UCC . Bản chất mối nối B - C này giống như một diode phân cực ngược và điện kháng mối nối B - C rất lớn. Dòng điện đo được trong vùng phát gọi là dòng phát IE. Dòng điện đo được trong mạch cực C ( số lượng điện tích qua đường biên CC trong một đơn vị thời gian là dòng cực thu IC  ). Dòng IC gồm hai thành phần : - Thành phần thứ nhất ( Thành phần chính ) là tỷ lệ hạt Electron ở cực phát tới cực thu . Tỷ lệ này phụ thuộc duy nhất vào cấu trúc của transistor và là hằng số được tính trước đối với từng transistor riêng biệt. Hằng số đã được định nghĩa là a. Vậy thành phần chính của dòng IC là aIE, thông thường a = 0,9 đ 0,999. - Thành phần thứ hai là dòng qua mối nối B - C ở chế độ phân cực ngược lại khi IE = 0. Dòng này gọi là dòng ICBO - nó rất nhỏ. - Vậy dòng qua cực thu : IC = a.IE + ICBO . *Các thông số của transistor công suất IC : Dòng colector mà transistor chịu được . UCEsat : Điện áp UCE khi transistor dẫn bão hoà . UCEO : Điện áp UCE khi mạch badơ để hở, IB = 0. UCEX : Điện áp UCE khi badơ bị khoá bởi điện áp âm, IB <0. ton : Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị điện áp nguồn U giảm xuống UCEsat ằ 0. 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 tán bên trong transitor. Công suất tiêu tán bên trong transistor được tính theo công 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 . ( b ) ( a ) IC UCE b a UCE IC IC ã Trong thực tế transistor công suất thường được cho làm việc ở chế độ khoá : IB = 0, IC = 0, transistor được coi như hở mạch. Nhưng với dòng điện gốc ở trạng thái có giá trị bão hoà , thì transistor trở về trạng thái đóng hoàn toàn. Transistor là một linh kiện phụ thuộc nên cần phối hợp dòng điện gốc và dòng điện góp. ở trạng thái bão hoà để duy trì khả năng điều khiển và để tránh điện tích ở cực gốc quá lớn, dòng điện gốc ban đầu phải cao để chuyển sang trạng thái dẫn nhanh chóng. ở chế độ khoá dòng điện gốc phải giảm cùng qui luật như dòng điện góp để tránh hiện tượng chọc thủng thứ cấp. ( b ) ( a ) IC UCE b a UCE IB IC ã Trạng thái dẫn và trạng thái bị khoá a) Trạng thái đóng mạch hay ngắn mạch IB lớn, IC do tải giới hạn b) Trạng thái hở mạch IB = 0. Các tổn hao chuyển mạch của transistor có thể lớn. Trong lúc chuyển mạch, điện áp trên các cực và dòng điện của transistor cũng lớn. Tích của dòng điện và điện áp cùng với thời gian chuyển mạch tạo nên tổn hao năng lượng trong một lần chuyển mạch. Công suất tổn hao chính xác do chuyển mạch là hàm số của các thong số của mạch phụ tải và dạng biến thiên của dòng điện gốc . * Đặc tính tĩnh của transistor UCE = f(IC). Để cho khi transistor đóng, điện áp sụt bên trong có giá trị nhỏ, người ta phải cho nó làm việc ở chế độ bão hoà, tức là IB phải đủ lớn để IC cho điện áp sụt UCE nhỏ nhất. ở chế độ bão hoà, điện áp sụt trong transistor công suất bằng 0,5 đến 1V trong khi đó tiristor là khoảng 1,5 V Đặc tính tĩnh của transistor: UCE = f ( IC ). Vùng tuyến tính Vùng gần bão hoà Vùng bão hoà UCE IC 4. 3 ứng dụng của transistor công suất : Transistor công suất dùng để đóng cắt dòng điện một chiều có cường độ lớn. Tuy nhiên trong thực tế transistor công suất thường cho làm việc ở chế độ khoá . IB = 0 , IC = 0 : transistor coi như hở mạch . chương III: các phương án Tổng thể 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 một số sơ đồ băm xung áp: x1. Bộ băm nối tiếp : 1. 1 Nguyên lý hoạt động : Sơ đồ nguyên lý của hệ thống được biểu diễn như sau : (-) (+) Id D0 ID0 LC DC U E Ud + ã - ã C + - ã ã ã ã ã ã VS1 ã VS2 ã Ld Rd ư Sơ đồ nguyên lý của bộ băm nối tiếp . trong đó : VS1 : là tiristor chính. VS2 : là tiristor phụ, dùng để ngắt bộ băm. LC, DC, C : là các phần tử chuyển mạch, tạo mạch cho tụ C. D0 : Diode hoàn năng lượng, duy trì dòng qua tải khi bộ băm ngắt. Bộ băm nối tiếp là một khoá điện S bằng tiristor được điều khiển đóng mở trong hệ thống một cách chu kỳ. Khi S đóng thì điện áp ngõ ra trên tải Ud = U cpnf khi S mở thì Ud = 0. Giả sử ở trạng thái ban đầu VS1 và VS2 đều bị khoá, tụ C được nạp đầy với bản cực dương ở phía trên như ghi chú trong hình trên Cho xung điều khiển kích tiristor VS1 , VS2 mở, dòng điện từ cực dương của nguồn U chạy qua VS1 vào phụ tải (R, L, E) rồi trở về cức âm của nguồn U. Đồng thời tụ C sẽ phóng điện teo vòng : VS1 - LC - DC - C và tụ C được nạp điện theo chiều ngược lại . Điện áp ra trên tải Ud = U . Khi cho xung điều khiển kích tiristor phụ VS2, VS2 mở, đặt điện áp giữa hai bản cực của tụ C lên VS1 làm cho VS1 bị khoá lại. Lúc này điện áp ra trên tải Ud =0. Thay đổi tỷ số thời gian đóng và thời gian ngắt của VS1 sẽ điều chỉnh được giá trị trung bình của điện áp ra trên tải. Gọi T là chu kỳ của bộ băm, T= Tđg + Tng . Trong đó : Tđg = aT là thời gian đóng mạch của VS1 . Tng = T - Tđg là thời gian ngắt mạch. a = Tđg/T là tỷ số đóng của chu kỳ. Giá trị trung bình của điên áp ra trên tải : Khi ta thay đổi tỷ số đóng a thì có thể điều chỉnh được Utb. Có hai cách để thay đổi a : - Giữ cố định chu kỳ xung T ( tần số cố định) , thay đổi thời gian đóng mạch Tđg của bộ băm. Phương pháp này được gọi là phương pháp điều khiển độ rộng xung . - Giữ cố định thời gian đóng mạch Tđg thay đổi chu kỳ của bộ băm T ( tần số biến thiên ) . Phương pháp này được gọi là phương pháp điều tần . Khi a = 0 tức là Tđg ta có Utb = 0, bộ băm thường xuyên ngắt mạch, n =0 . Khi a = 1 tức là Tđg = T ta có Utb = U, bộ băm thường xuyên đóng mạch, n = nmax. Trong hệ thống, thời gian đóng mạch Tđg có thể điều chỉnh tuỳ theo ý muốn nhưng Tđg không thể nhỏ hơn một nửa chu kỳ của mạch dao động LC, tức là phải đảm bảo : Ta có sơ đồ biểu diễn điện áp ra trên tải Ud như sau : Tủg Tng T Utb Ud U t 0 Sơ đồ biểu diễn đồ thị điện áp ngõ ra trên tải Ud Xét quá trình dao động của dòng tải : Trong khoảng thời gian 0< T < Tđg khoá S đóng điện. Điện áp ra trên tải Ud = U , dòng điện tải I tăng từ giá trị nhỏ nhất Imin đến giá trị lớn nhất Imax. Biểu thức I được xác định bằng cách giải phương trình của mạch điện khi S đóng: Biểu thức tổng quát của dòng điện sẽ là : Tại thời điểm t =0 thì : Thay giá trị K1 vào ta được : Khi t = Tđg ta có trị số lớn nhất của dòng điện : Ta nhận thấy trong gia đoạn S đóng thì dòng tải tăng từ trị số nhỏ Imin đến Imax theo quy luật của hàm số mũ. Lý luận tương tự, xét trong khoảng thời gian Tđg < t < T, S ngắt điện, điện áp ra trên tải Ud = 0 thì dòng điện trên tải giảm theo hàm mũ và kh t = T thì đạt giá trị Imin . Trong đó : Tư = L/R . Khi S đóng liên tục thì: i = I = Imax = Imin = ( U - E )/R Nếu Tđg của khoá S giảm nhỏ đến giá trị tới hạ Tđggh thì Imin = 0. Lúc này hệ thống sẽ làm việc ở biên giới chuyển từ chế độ liên tục sang chế độ dòng điện gián đoạn. Imax Imax Imax Imin Imin Imin I t 0 U Ud t 0 T dg Tng T IS t 0 ID0 t 0 Ta có đồ thị điện áp, dòng điện ở chế độ liên tục và gián đoạn của bộ băm như sau : Đồ thị biểu diễn điện áp và dòng điện ngõ ra ở chế độ liên tục và gián đoạn của bộ măm nối tiếp. 1 .2 Cách điều chỉnh tốc độ : Iư Lư D0 Eư + ã - ã U ã ã ã ẹ Khi điện áp nguồn một chiều U không đổi, tốc độ của động cơ sẽ thay đổi nhờ sự thay đổi tỷ số thời gian đóng ngắt khoá S. Ta có sơ đồ nguyên lý hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng bộ băm nối tiếp như sau : Sơ đồ mạch động lực hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng bộ băm nối tiếp . Trong chế độ dòng điện liên tục vì Tx = T nên ta có Utb = aU với 0 Ê a Ê 1. Đối với tải là động cơ điện một chiều có dòng trung bình của phần ứng là I, sức điện động E thì ta có : E = Utb – IRử với : Theo công thức trên họ các đặc tính tốc đọ hay đặc tính cơ điện của động cơ ở chế độ dòng điện liên tục là một họ các đường thẳng song songg ứng với các trị số khác nhau của a. Trong chế độ dòng điện gián đoạn, ta cần giữ cho giá trị Tđg hay a cố định thì đường biên liên tục là một nửa đườ._.