Embed Size (px)
Citation preview
Đồ án tốt nghiệp
Đề bài
Thiết kế mạch điều khiển động cơ một chiều.
Lời nói đầu
Chương 1 : Tổng quan về động cơ một chiều
1.1. Cấu tạo và đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập
1.2. Các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều kích từ độc lập
* Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng
* Phương pháp điều chỉnh từ thông kích từ
Chương 2 : Tổng quan về bộ biến đổi xung áp
2.1. Cấu trúc và phân loại bộ biến đổi xung áp
* Bộ biến đổi xung áp nối tiếp ( xung áp giảm áp )
* Bộ biến đổi xung áp song song ( xung áp tăng áp )
* Bộ biến đổi xung áp tăng-giảm áp
* Lựa chọn bộ biến đổi
2.2. Phương pháp điều khiển bộ biến đổi xung áp
* Phương pháp thay đổi độ rộng xung
* Phương pháp thay đổi tần số băm xung
* Lựa chọn phương pháp điều khiển
Chương 3 : Thiết kế mạch điều khiển
3.1. Sơ đồ mạch động lực
3.2. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển
* Khâu tạo điện áp tam giác
* Khâu so sánh tạo xung điều khiển van
* Khâu tạo xung chùm
* Khâu khuếch đại xung chùm
* Biến áp xung
3.3. Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển
Chương 4 : Mô phỏng mạch điều khiển
Kết luận
Tài liệu tham khảo
GV hướng dẫn SV thực hiện
Lời nói đầu
Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp cả về
chiều rộng lẫn chiều sâu,điện và các máy điện đóng một vai trò rất quan trọng ,
không thể thiếu được trong phần lớn các ngành công nghiệp và đời sống sinh hoạt
của con người. Nó luôn đi trước một bước làm tiền đề nhưng cũng là mũi nhọn
quyết định sự thành công của cả một hệ thống sản xuất công nghiệp. Không một
quốc gia nào, một nền sản xuất nào không sử dụng điện và máy điện.
Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: dễ sản xuất, dễ truyền tải..., cả máy
phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành...
mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến.
Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định như trong công nghiệp
giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong
phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện...). Mặc dù so
với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt
hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn ... nhưng
do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất
hiện đại.
Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay
máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất
của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản
thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì
phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần....) rất đắt tiền thì động cơ điện
một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch
điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao.
Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ khoảng 75%
÷85%, ở động cơ điện công suất trung bình và lớn khoảng 85% ÷ 94% .Công suấtlớn
nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 100000kw điện áp vào khoảngvài trăm cho
đến 1000v. Hướng phát triển là cải tiến tính nâng vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của
động cơ và chế tạo những máy công suất lớn hơn đó là cả một vấn đề rộng lớn và phức
tạp vì vậy với vốn kiến thức còn hạn hẹp của mình trongphạm vi đề tài này em không
thể đề cập nhiều vấn đề lớn mà chỉ đề cập tới vấn đề thiết kế bộ băm xung một chiều để
điều chỉnh tốc độ có đảo chiều của động cơ một chiều kích từ độc lập theo nguyên tắc
đối xứng . Đây là một trong những phương pháp được dùng phổ biến nhất hiện nay để
điều chỉnh động cơ điện một chiều kích từ độc lập với yêu cầu đảo chiều quay động cơ
theo phương pháp đối xứng .Đây là một phương pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao và
được sử dụng rộng rãi bởi những tính năng và đặc điểm nổi bật
Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
1.1. Cấu tạo và đặc tính cơ của động cơ một chiều
Động cơ một chiều bao gồm 2 phần phần cảm (phần tĩnh) và phần ứng (phần
quay).
* Phần cảm (stator)
Phần cảm gọi là stator, gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy và
các cực từ chính có dây quấn kích từ (hình 1.1), dòng điện chạy trong dây quấn kích từ
sao cho các cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân phiên nhau. Cực từ chính gắn với vỏ
máy nhờ các bulông. Ngoài ra máy điện một chiều còn có nắp máy, cực từ phụ và cơ cấu
chổi than.
Hình 1.1 Cực từ chính
* Phần ứng (rotor)
Rôto gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp và trục máy.
Hình 1.2 Lá thép rôto Hình 1.3 Dây quấn phần ứng máy điện 1 chiều
1. Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dày 0,5 mm,
phủ sơn cách điện ghép lại. Các lá thép được dập các lỗ thông gió và rãnh để đặt dây
quấn phần ứng (hình 1.2).
2. Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong các rãnh
của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín. Phần tử của dây quấn là một bối dây
gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp của vành góp (hình 1.3a).
hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ khác tên (hình 1.3b).
3. Cổ góp (vành góp) hay còn gọi là vành đổi chiều gồm nhiều phiến đồng hình
đuôi nhạn được ghép thành một khối hình trụ, cách điện với nhau và cách điện với trục
máy.
Các bộ phận khác như trục máy, quạt làm mát máy…
1.2- Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Trên hình 1.4 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dây
quấn phần ứng có dòng điện. Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm trong từ
trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mômen tác dụng lên rôto, làm
quay rôto. Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình 1.4a).
Hình 1.4 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau (hình
1.4b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổi thành
dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi,
do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhất định, đảm bảo động cơ có chiều
quay không đổi.
Chế độ làm việc định mức của máy điện nói chung và của động cơ điện một chiều
nói riêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo quy định. Chế độ đó
được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy gọi là những đại lượng định
mức.
1. Công suất định mức Pđm (kW hay W).
2. Điện áp định mức Uđm (V).
3. Dòng điện định mức Iđm (A).
4. Tốc độ định mức nđm (vòng/ph).
Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dòng điện kích từ…
Chú ý: Công suất định mức chỉ công suất đưa ra của máy điện. Đối với máy phát
điện đó là công suất đưa ra ở đầu cực máy phát, còn đối với động cơ đó là công suất đưa
ra trên đầu trục động cơ.
1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều kích từ độc lập
Về phương diện điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn
so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu
trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao
trong dải điều chỉnh tốc độ rộng.
Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều nói chung và động cơ một chiều kích từ độc lập nói riêng :
• Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ.
• Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ.
Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ
hoặc mạch kích từ động cơ. Trong công nghiệp thường sử dụng bốn loại bộ biến đổi
chính:
• Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc
máy điện khuếch đại (KĐM)
• Bộ biến đổi điện từ: Khuếch đại từ (KĐT)
• Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: Chỉnh lưu tiristo (CLT)
• Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristo hoặc tranzito (BBĐXA)
Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như:
• Hệ truyền động máy phát-động cơ (F-Đ)
• Hệ truyền động máy điện khuếch đại - động cơ (MĐKĐ-Đ)
• Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ (KĐT-Đ)
• Hệ truyền động chỉnh lưu tiristor-động cơ (T-Đ)
• Hệ truyền động xung áp-động cơ (XA-Đ)
Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ động cơ một
chiều có loại điều khiển theo mạch kín (ta có hệ truyền động điều chỉnh tự động) và loại
điều khiển theo mạch hở (hệ truyền động điều khiển hở). Hệ điều chỉnh tự động truyền
động điện có cấu trúc phức tạp, nhưng có chất lượng điều chỉnh cao và dải điều chỉnh
rộng hơn so với hệ truyền động hở. Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động
cơ điện một chiều còn được phân loại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo
chiều quay. Đồng thời tuỳ thuộc vào các phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền
động làm việc ở một góc phần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư.
• Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng:
Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy
phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển vv... Các thiết bị nguồn
này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb
điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Uđk.
§BB§
L k
U®k
Rb Ru®I
EuEb(Udk) U
Hình II-1. Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập.
Vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện
trở trong Rb và điện cảm Lb khác không.
ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau:
Eb - Eư = Iư.Rb + RưđIư
udm
udb
dm
b IK
RR
K
E
Φ+
−Φ
=ω (II-2-1)
βωω M
U dk −= )(0
Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không
đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ
thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để.
Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị
chặn bởi đặc tính cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ thông
cũng được giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu
cầu về sai số tốc độ và về mô men khởi động. Khi mô men tải là định mức thì các giá trị
lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:
βωω dmM
−= max0max (II-2-2)
βωω dmM
−= min0min
Để thoả mãn khả khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải
có mô men ngắn mạch là:
Mnmmin = Mcmax = KM.Mdm
Trong đó KM là hệ số quá tải về mô men. Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng
song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết:
)1(1
)( minmin −=−= Mdm
dmnm KM
MMββ
ω
1
1.
)1(
max0max0
−
−=
−
−=
M
dm
dmM
dm
K
MM
K
M
D
βω
β
βω
(II-2-3)
Wo max
Wmax
Wmin
Wo min
W®k1
W®k1
Mnm minM®m0
M,I
W
Hình II-2. Xác định phạm vi điều chỉnh
Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị ω0max, Mđm, KM là xác định, vì vậy
phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng ? Khi điều chỉnh điện
áp phần ứng động cơ bằng cac thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng
gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ. Do đó có thể tính sơ bộ được:
10/max ≤dmo Mβω
Vì thế với tải có đặc tính mô men không đổi thì có giá trị phạm vi diều chỉnh tốc
độ cững không vượt quá 10. Đói với các máy có yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ
chính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ thống “hở” như trên là không
thoả mãn được.
Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi các đặc tính cơ tĩnh của truyền động
một chiều kích từ độc lập là tuyến tính. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng các
đặc tính cơ trong toàn dải điều chỉnh là như nhau, do đó độ sụt tốc tương đối đạt giá trị
lớn nhất tại đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh. Hay nói cách khác , nếu tại đặc tính cơ
thấp nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vượt quá giá trị sai số cho phép, thì
hệ truyền động sẽ làm việc với sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải
điều chỉnh. Sai số tương đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là:
minmin
minmin
oo
osω
ωω
ωω ∆=−
=
cpo
dm sM
s ≤=minωβ (II-2-4)
Vì các giá trị Mdm, ωmin, Scp la xác định nên có thể tính được giá trị tối thiểu
của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vượt quá giá trị cho phép. Để làm việc này,
trong đa số các trường hợp cần xây dựng các hệ thống truyền động điện kiểu vòng kín.
Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thông kích từ được
giữ nguyên, do đó mô men tải cho phép của hệ sẽ là không đổi:
Mc.cp=Kφđm.Iđm=Mđm.
Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mô men nằm trong hình chữ nhật bao bởi các đường
thẳng ω = ωđm , M = Mđm và các trục toạ độ. Tổn hao năng lượng chính là tổn hao
trong mạch phần ứng nếu bỏ qua các tổn hao không đổi trong hệ.
E = Eư + Iư(Rb + Rưđ)
IưEb = Iư Eư + Iư2(Rb + Rưđ)
Khi làm việc ở chế độ xác lập ta có mô men do động cơ sinh ra đúng bằng mô
men tải trên trục: M* = Mc* và gần đúng coi đặc tính cơ của phụ tải là Mc* =
(?* )x thì
( ) 1***
*
−+=
xuR ωωωη (II-2-5)
ωω ωω®m
ω
Μ ηu
1
1
x=0
x=-1
Μ®m
Hình II-3 Quan hệ giữa hiệu suất truyền động và tốc độ với các loại tải
khác nhau
Hình II-3 mô tả quan hệ giữa hiệu suất và tốc độ làm việc trong các trường hợp
đặc tính tải khác nhau. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng là rất
thích hợp trong trường hợp mô men tải là hằng số trong toàn dải điều chỉnh. Cũng thấy
rằng không nên nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng vì như vậy sẽ làm giảm đáng
kể hiệu suất của hệ.
• Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ:
Điều chỉnh từ thông kích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mô men điện
từ của động cơ M = KφIư và sức điện động quay của động cơ Eư = Kφω. Mạch kích từ
của động cơ là mạch phi tuyến, vì vậy hệ điều chỉnh từ thôngcũng là hệ phi tuyến:
dt
d
rr
ei k
kb
kk
Φ++
= ω (II-3-1)
trong đó: rk - điện trở dây quấn kích thích,
rb - điện trở của nguồn điện áp kích thích,
ωk – số vòng dây của dây quấn kích thích,
Trong chế độ xác lập ta có quan hệ:
φ = f [ik]
Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá
trị định mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc
tính có điện áp phần ứng định mức,từ thông định mức và được gọi là đạc tính cơ bản
(đôi khi chính là đặc tính tự nhiên của động cơ). Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ
thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện. Khi giảm từ thông để tăng
tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi,
vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng điện phần
ứng cho phép, kết qủa là mô men cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh. Ngay cả
khi giữ nguyên dòng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính cơ cững giảm rất nhanh khi
giảm từ thông kích thích:
( )uR
K 2Φ=Φβ hay ( )2** φβφ =
U®kΦ rbk
Lk
ik
rk
ωk
I
E
ω
ωmax
Μ®m Μ
§Æc tÝnh c¬ b¶n
0
b,
a,
Lk(U®kΦ)
ikωk
Φ0c,
Hình II-4 Sơ đồ thay thế (a) Đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh từ thông động
cơ (b) Quan hệ ?(ikt),(c)
Do điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm từ thông nên đối với các động cơ mà từ
thông định mức nằm ở chỗ tiếp giáp giữa vùng tuyến tính và vùng b•o hoà của đặc tính
từ hoá thì có thể coi việc điều chỉnh là tuyến tính và hằng số C phụ thuộc vào thông số
kết cấu của máy điện:
• Kết luận
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có nhiều hạn chế
so với phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng phương pháp thay đổi từ thông bị
hạn chế bởi các điều kiện cơ khí: đó chính là điều kiện chuyển mạch của cổ góp
điện. Cụ thể phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có các ưu điểm hơn như sau :
1 - Hiệu suất điều chỉnh cao (phương trình điều khiển là tuyến tính, triệt để) hơn
khi ta dùng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng nên tổn hao công suất điều khiển
nhỏ.
2 - Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mômen ngắn
mạch giảm, dòng ngán mạch giảm. Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động động cơ.
3 - Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điều chỉnh
xác định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục.
Tuy vậy phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏi phải
có nguồn áp điều chỉnh được xong nó là không đáng kể so với vai trò và ưu đIểm
của nó. Vậy nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi.
Chương 2 : TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP
2.1. Cấu trúc và phân loại bộ biến đổi xung áp
* Bộ biến đổi xung áp giảm áp
Sơ đồ nguyên lý :
Nguyên lý hoạt động :
Phần tử điều chỉnh quy ước là khóa S ( van bán dẫn điều khiển được )
Đặc điểm của sơ đồ này là khóa S, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp. Tải có tính chất cảm
kháng hoặc dung kháng. Bộ lọc L & C. Điôt mắc ngược với Ud để thoát dòng tải khi
ngắt khóa K.
+ S đóng thì U được đặt vào đầu của bộ lọc. Nếu bỏ qua tổn thất trong các van và
các phần tử thì Ud=U
+ S mở thì hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng id do năng lượng tích
lũy trong cuộn L và cảm kháng của tải, dòng khép kín qua D, do vậy Ud=0
Như vậy, Ud ≤ U. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.
* Bộ biến đổi xung áp tăng áp
Sơ đồ nguyên lý :
Đặc điểm:
L nối tiếp với tải, khoá S mắc song song với tải. Cuộn cảm L không tham gia vào quá
trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trò này.
+ S đóng, dòng điện từ +U qua L → S → -U. Khi đó D tắt vì trên tụ có UC (đã
được tích điện trước đó).
+ S ngắt, dòng điện chạy từ +U qua L → D → Tải. Vì từ thông trong L không
giảm tức thời về không do đó trong L xuất hiện suất điện động tự cảm có cùng cực tính
với U. Do đó tổng điện áp: ud =U + eL. Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp.
Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U ở chế độ liên tục
và năng lượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn.
* Bộ biến đổi xung áp tăng-giảm áp
Sơ đồ nguyên lý:
Tải là động cơ mmột chiều được thay bởi mạch tương đương R-L-E. L1 chỉ đóng
vai trò tích luỹ năng lượng. C đóng vai trò lọc.
Nguyên lý hoạt động :
+ S đóng, trên L1 có U, dòng chạy từ +U → S → L1 → -U. Năng lượng tích
luỹ trong cuộn cảm L1; đi-ôt D tắt; Ud =UC, tụ C phóng điện qua tải.
+ S ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra sức điện động ngược chiều với trường hợp đóng
⇒ D thông ⇒ năng lượng từ trường nạp và C, tụ C tích điện; ud sẽ ngược chiều
với U.
Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với U. Giá trị tuyệt đối |Ud| có thể lớn hơn
hay nhỏ hơn U nguồn.
* Bộ băm xung một chiều có đảo chiều
Ở đây ta sử dụn van bán dẫn IGBT Bộ BXM dùng van điều khiển hoàn toàn IGBT có
khả năng thực hiện điều chỉnh điện áp và đảo chiều dòng điện tải
Trong các hệ trngruyền động tự động có yêu cầu đảo chiều động cơ do đó bộ biến
đổi này tthường hay dùng để cấp nguồn cho động cơ một chiều kích từ độc lập có nhu
cầu đảo chiều quay.
Các van IGBT làm nhiệm vụ khoá không tiếp điểm .Các Điôt Đ1,Đ2,Đ3,Đ4 dùng
để trả năng lượng phản kháng về nguồn và thực hiện quá trình hãm tái sinh.
Có các phhương pháp điều khiển khác nhau như : Điều khiển độc lập, điều khiển không
đối xứng và điều khiển đối xứng
* Lựa chọn bộ biến đổi
- Lựa chọn mạch lực
Qua các mạch phân tích ở trên ta thấy để phù hợp đảo chiều động cơ (một
cách chủ động) ta chọn bộ băm xung một chiều có đảo chiều (cầu BXDC), mạch này cho
phép năng lượng đi theo 2 chiều Ud, Id có thể đảo chiều một cách độc lập. Hơn nữa
mạch này rất thông dụng (dùng trong DC-DC, DC-AC converter) do đó việc tìm mua
các phần tử cũng dễ dàng hơn.
- Lựa chọn van bán dẫn
Chọn van IGBT bởi :
+ IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả
năng chịu quá tải lớn của transistor thường, tần số băm điện áp cao thì làm cho động cơ
chạy êm hơn.
+ Công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ nên làm cho đơn giản đáng kể thiết
kế của các bộ biến đổi và làm cho kích thước hệ thống điều khiển nhỏ, hơn nữa nó cũng
làm tiết kiệm năng luợng (điều khiển).
+ IGBT là phần tử đóng cắt với dòng áp lớn, nó đang dần thay thế transistor
BJT nó ngày càng thông dụng hơn do đó việc mua thiết bị cũng đơn giản hơn.Cùng với
sự phát triển của IGBT thì các IC chuyên dụng điều khiển chúng (IGBT Driver) ngày
càng phát triển và hoàn thiện do đó việc điều khiển cũng chuẩn xác và việc thiết kế các
mạch điều khiển cũng đơn giản, gọn nhẹ.
2.2. Phương pháp điều khiển bộ biến đổi xung áp
Điện thế trung bình đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn mặc dù
điện thế đầu vào có thể là hằng số (ắc qui, pin) hoặc biến thiên (đầu ra của chỉnh
lưu), tải có thể thay đổi.Với một giá trị điện thế vào cho trước, điện thế trung bình
đầu ra có thể điều khiển theo hai cách:
- Thay đổi độ rộng xung.
- Thay đổi tần số băm xung.
* Phương pháp thay đổi độ rộng xung
Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T. Giá trị trung
bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:
1. .d
t UU U
Tγ= =
Trong đó đặt : 1t
Tγ =
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 < ε ≤ 1).
* Phương pháp thay đổi tần số băm xung
Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1 = const. Khi đó:
11
.. .d
t UU t f U
T= =
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.
Ở đây ta chọn cách thay đổi độ rộng xung, phươg pháp này gọi là PWM
(Pulse Width Modulation).Theo phương pháp này tân số băm xung sẽ là hằng
số.Việc điều khiển trạng thái đóng mỏ của van dựa vào viêc so sánh một điện áp
điều khiển với một sóng tuần hoàn (thường là dạng tam giác (Sawtooth)) có biên
độ đỉnh không đổi.Nó sẽ thiết lập tần số đóng cắt cho van,tần số đóng cắt này là
không đổi với dải tẩn từ 400Hz đến 200kHz.Khi Uctl >Ust thì cho tín hiệu điều
khiển mở van, ngược lại khóa van.
• Phương pháp điều khiển bộ băm xung có đảo chiều
Nguyên tắc điều khiển
Theo phương pháp điều khiển này các cặp van S1 và S2; S3 và S4 lập thành hai
cặp van mà trong mỗi cặp thì hai van được điều khiển đóng cắt đồng thời.
Tín hiệu điều khiển được tạo ra bằng cách so sánh điện áp điều khiển với
điện áp tựa (thường là dạng xung tam giác):
-Nếu Udk>utua thì S1 và S2 được kích dẫn; S3 và S4 được kích tắt.
-Nếu Udk<utua thì S1và S2 được kích tắt; S3 và S4 được kích dẫn.
Biểu đồ dạng sóng dòng, áp trên tải
Chế độ hoạt động:
+Trong khoảng 1: S1 và S2 được kích dẫn, S3 và S4 được kích tắt, động cơ
được nối với nguồn U, dòng qua phần ứng tăng đến giá trị Imax.
+Trong khoảng 2:S1và S2 được kích tắt,S3 và S4 được kích dẫn,nhưng do tải
có tính cảm kháng nên dòng điện phần ứng khép mạch qua D3 và D4 về
nguồn, S3 và S4 bị đạt điện áp ngược bởi hai diode D3 và D4 nên khoá, dòng
id giảm từ Imax về 0.
+Trong khoảng 3:S3 và S4 được kích dẫn, điện áp đặt lên động cơ là –U,
dòng id tăng theo chiều ngược lại (giảm từ 0 về Imin theo chiểu dương).
+Trong khoảng 4: S3 và S4 được kích tắt, S1 và S2 được kích dẫn, nhưng do
trước đó dòng id chạy theo chiều ngược lại nên dòng id tiềp tục chảy theo
chiều cũ, khép mạch qua các diode D1 và D2 về nguồn; S1 và S2 bị đặt điện
áp ngược bởi hai diode D1 và D2 phân cực thuận nên khoá, do đó id giảm
theo chiều ngược lại từ Imin về 0.
Chương 3 : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
* Các thông số dùng để thiết kế
Điện áp lưới(VAC) Dòng định mức Điện áp phần ứng Phạm vi điều chỉnh127V 6A 400V 25:1
3.1. Sơ đồ mạch động lực đơn giản
Chọn tần số băm xung f = 500Hz
Mạch cấp nguồn một chiều cho động cơ
Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ đấu dây Δ/Y làm mát bằng không khí tự
nhiên. Máy biến áp công suất nhỏ ,chỉ cỡ chục KVA trở lại ,sụt áp trên điện trở
lớn khoảng 4% ,sụt áp trên cuộn kháng ít hơn khoảng 2% .Điện áp sụt trên 2 Điôt
khoảng 2V.
• Tính chọn van bán dẫn công suất
- Tính chọn Điôt mạch van
Qua phân tích các mạch lực ta thấy
+ Dòng điện trung bình chạy qua diode
Với giá trị dòng định mức động cơ Iđm = 6A
Chọn chế độ làm mát là van có cánh tỏa nhiệt với đủ điẹn tích bề mặt và có
quạt thông gió, khi đó cho dòng điện làm việc cho phép chạy qua van tới 50%
Iđm
Lúc đó dòng chạy qua van cần chọn :
Iđmv = Ki.Imax = 6/0.5 = 12(A)
Qua các biểu đồ ta thấy : Điện áp ngược cực đại đặt trên mỗi van( bỏ qua sụt
áp trên mỗi van là U = 400V
Chọn hệ số quá điện áp Ku= 2.5 Ungv= 2.5.400 = 1000(V)
Chọn 4 diode loại CR20-100 có các thông số sau :
Ký hiệu Imax(A) Un(V) Ir(A) Ith(A) Tcp ∆U(V)1N2455R 20 1000 20 10u 200 1.1
Trong đó :
Imax :dòng điện làm việc cực đại cho phép qua van
Ungv : điện áp ngược cực đại cho phép đặt lên van
Ipik : đỉnh xung dòng điện
ΔU :tổn hao điện áp ở trạng thái mở của Diode
Ith : dòng điện thử cực đại
Ir :dòng điện rò ở nhiệt độ 250 C
Tcp : nhiệt độ cho phép làm việc.
- Tính chọn IGBT
Tính dòng trung bình chạy qua van:
Qua phân tích các mạch lực trên ta thấy:
Dòng điện trung bình chạy qua van lμ : IS =γ It
Với giá trị dòng điện định mức động cơ là Itđm =6(A)
+ Chọn chế độ làm mát là van có cánh toả nhiệt với đủ diện tích bề mặt và có
quạt thông gió, khi đó dòng điện làm việc cho phép chạy qua van lên tới 50 %
Idm .
Lúc đó dòng điện qua van cần chọn :
Iđmv = ki Imax =6/0.5=12(A)
Qua các biểu đồ ta thấy :Điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi van (bỏ qua sụt áp
trên các van ) là Ungmax=E=400(V)
Chọn hệ số quá điện áp ku = 2.5 → Ungv =ku.Ungmax = 2.5*400=1000(V).
Từ các tính toán trên ta chọn 4 van IGBT …có các thông số sau:
Loại Loại vỏ Icmax(A) Vce(V) Pdmax Vce(sat) Ice(uA) In.DiodeIRG4PH30K TO247A 20 120 100W 4 250 No
- Tính chọn Điôt mạch chỉnh lưu
Tính chọn dựa vào các yếu tố cơ bản dòng tải ,điều kiện toả nhiệt ,điện áp làm
việc, các thông số cơ bản của van được tính như sau :
+)Điện áp ngược lớn nhất mà Diode phải chịu :
Unmax=Knv.U2 =418,88 (V).
Điện áp ngược của van cần chọn :
Unv = KdtU . Un max =2,5 . 418,88 = 1047,20
Trong đó :
KdtU - hệ số dự trữ điện áp ,chọn KdtU =2,5 .
+) Dòng làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng :
Ilv =3,46 (A)
(Do trong sơ đồ cầu 3 pha ,hệ số dòng hiệu dụng :Khd =0,57)
Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ diện tích toả
nhiệt ; Không có quạt đối lưu không khí ,với điều kiện đó dòng định mức của van
cần chọn :
Iđm =Ki . Ilv =3,2 .3,46 = 11,07 (A)
(Ki là hệ số dự trữ dòng điện và chọn Ki =3,2)
từ các thông số Unv ,Iđmv ta chọn 6 Diode loại SKR20/12 do nhà sản xuất IR sản
xuất có các thông số sau :
Điện áp ngược cực đại của van : Un = 1200 (V)
Dòng điện định mức của van : Iđm =20 (A)
Dòng điện thử cực đại : Ith =60 (A)
Dòng điện rò : Ir =4 (mA)
Sụt áp lớn nhất của Diode ở trạng thái dẫn là : ΔU = 1,55 (V)
Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép :Tmax=1800C
3.2. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển
* Yêu cầu chung của mạch điều khiển
Mạch điều khiển điều khiển băm xung áp một chiều cần được xây dựng theo các
nguyên tắc và yêu cầu sau:
- Tạo được xung mở IGBT có biên độ điện áp là +15V, độ rộng theo yêu cầu
điều khiển.
- Tạo được xung khóa IGBT có biên độ điện áp là -5V, độ rộng theo yêu cầu.
- Tạo được 2 kênh điều khiển 2 nhóm van IGBT theo luật điều khiển đối xứng.
- Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt.
- Đảm bảo các van đóng, mở an toàn tức là nhóm van này khóa chắc chắn thì
nhóm van còn lại mới được mở.
- Tần số làm việc của mạch điều khiển là 2kHz
* Khâu tạo điện áp tam giác
Để mạch điều khiển hoạt động tốt với luật điều khiển đối xứng ta chọn phương
pháp tạo điện áp tựa là điện áp tam giác bằng tích phân sóng vuông.
Sơ đồ:
Giải thích nguyên tắc hoạt động:
Khuếch thuật toán U1 có hồi tiếp dương bằng điện trở R1, đầu ra có trị số
điện áp bão hòa và dấu phụ thuộc hiệu điện áp hai cổng (+) và (-) . Đầu vào (+)
có 2 tín hiệu, một tín hiệu không đổi lấy từ đầu ra của U1, một tín hiệu biến thiên
lấy từ đầu ra của khuếch thuật toán U2. Điện áp chuẩn so sánh để quyết định đổi
dấu điện áp ra của U1 là trung tính vào (-). Giả sử đầu ra của U1 âm, khuếch thuật
toán U2 tích phân đảo dấu cho điện áp có sườn đi lên của điện áp tựa. Điện áp
vào của (+) lấy từ R1 và R2, hai điện áp này trái dấu nhau. Điện áp vào qua R2
biến thiên theo đường nạp của tụ, còn điện áp vào qua R1 không đổi, tới khi nào
U(+) = 0 thì đầu ra của U1 đổi dấu thành dương. Chu kỳ điện áp của U1 cứ luân
phiên đổi dấu như vậy cho ta điện áp tựa như có dạng tam giác như hình vẽ.
Tần số của điện áp tựa được tính dựa vào công thức sau:
23 1
1
1
4. . .f
RR C
R
=
Do tần số làm việc yêu cầu của mạch điều khiển là 2kHz nên tần số làm việc của
mạch tạo xung tam giác cũng phải là 2 kHz. Điều đó làm nảy sinh vấn đề là
khuếch thuật toán không thể chọn loại bình thường mà ta phải chọn loại có tốc độ
làm việc nhanh.
Tính toán:
- Chọn khuếch thuật toán là loại IC LM318 của hãng Texas Instrument có tốc độ
làm việc nhanh.
Kí hiệu KĐTT tương ứng với chân IC :
Thông số chính
Điện áp nguồn cấp(VCC) 20V đxDải thông 15MHzSlew rate 70V/us
- Để tần số làm việc là 2 kHz ta chọn:
R1=R2=0.47kΩ
R2=4.7kΩ
→ C1=0.0266μF
* Khâu tạo điện áp điều khiển
Sơ đồ
Giải thích nguyên tắc hoạt động:
Việc thay đổi giá trị điện áp điều khiển quyết định hệ số γ của mạch điều
khiển xung áp.
- Khi Uđk=0 thì γ=0.5
- Khi Uđk=Uđỉnh thì γ=1
- Khi Uđk= - Uđỉnh thì γ=0
Do điện áp tựa có dạng tuyến tính nên việc điều chỉnh tốc độ động cơ một
cách tuyến tính với phạm vi 25:1 có thể đưa về việc điều chỉnh điện áp điều khiển
tuyến tính trong phạm vi 25 lần.
Khâu tạo điện áp điều khiển sử dụng IC LM317 có tác dụng tạo ra nguồn
ổn áp thay đổi từ 1.2 đến 37V.
IC LM317
Thông số chính
Dải điện áp ra 1.2 đến 37VDòng ra giới hạn 1.5ASai số 0.5%
Các tụ C1, C2, C3 có tác dụng ổn định điện áp đầu vào và đầu ra, để đảm
bảo nguồn áp có dạng và giá trị không đổi.
Ta chọn C1 = C2 = C3 = 1(μF).
Điện trở R1 và biến trở R2 được chọn sao cho có thể tạo ra một Uout biến thiên
trong dải từ 1.25 đến 1.25*25=31.25 (V). Điện áp này được lấy ra phù hợp với
điện áp tựa trong bộ so sánh nhờ vào 2 điện trở R3, R4 mắc nối tiếp như sau:
Chọn R1=0.24kΩ thế thì:
- khi Uout 1.25V thì R2 = 0 kOhm
- khi Uout 31.25V thì R2 = 5760 kOhm
như vậy ta có thể chọn R2 là loại biến trở 6kΩ
Để đưa điện áp điều khiển thích hợp với Utựa tại bộ so sánh ta dùng 2 điện trở
mắc nối tiếp là R3 và R4. Để có thể tận dụng tốt nhất công suất động cơ, thỏa
mãn nhu cầu của γ (0.526 < γ < 0.9) đã đặt ra ở phần mạch lực, ta cần tính toán để
Uđk như sau:
- Phương trình của Utựa theo thời gian:
khi t=0 → Utựa (0) = 0V
khi t=T/4 = 0.125ms → Utựa (0.125*10-3) = 10V
- Utựa = 8*104.t (V)
- Phương trình của γ theo thời gian (chỉ mang tính chất toán học):
khi t=0 thì Uđk = 0 (Uđk cắt Utựa tại t=0) → γ = 0.5
khi t=T/4 = 0.125ms thì Uđk = 10V (Uđk cắt Utựa tại t=0.125ms) → γ= 1
- γ = 0.125*10-3.t + 0.5
- Khi γ = 0.526 thì t=6.5*10-6s → Utựa = 0.52(V) → Uđk = 0.52V
- Khi γ = 0.9 thì t=10-4s → Utựa = 8V → Uđk = 8V.
- Dựa vào kết quả tính toán ở trê
- n, ta cần tìm R3 và R4 sao cho Uđk biến thiên từ 0.52V đến 8V.
Áp dụng (*) ta chọn R4=52kΩ và R3=73kΩ
* Tạo trễ đối với mạch điểu khiển
Như đã trình bày ở trên, ta sẽ đảm bảo an toàn đóng cắt cho các nhóm IGBT bằng
cách đưa các giá trị Uđk khác nhau vào các bộ so sánh ứng với mỗi kênh điều
khiển tương ứng với mỗi nhóm IGBT. Bằng cách làm như vậy ta vừa có thể giản
ước được khâu tạo trễ lại vừa đảm bảo an toàn đóng cắt cho tất cả các lần chuyển
đổi giữa các nhóm van.
Việc tạo ra các giá trị Uđk khác nhau được thực hiện bằng 2 cặp điện trở R31,
R41 và R32, R42 như trong sơ đồ mạch sau:
Trong phần trên ta đã tính toán được cặp điện trở R3 và R4 thỏa mãn yêu cầu của
γ. Trong phần này ta giữ nguyên các giá trị đó cho cặp R31 và R41; còn cặp điện
trở R32 và R42 được tính toán sao cho thỏa mãn yêu cầu an toàn cho đóng mở
van.
Với IGBT đã chọn trong phần mạch lực, ta cần tính thời gian trễ ttrễ > toff . Dựa
vào phương trình của Utựa theo thời gian, ta có:
Utựa = 8*104.t (V)
Thời gian trễ cần thiết là ttrễ =1μs nên điểm chuyền đổi trên điện áp tựa phải
chênh nhau giá trị: 8*104 * 1* 10-6 = 0.08 (V)
Cặp điện trở R32, R42 cần chọn sao cho Uđk2 biến thiên trong khoảng
Chọn R42=44kΩ và R32=81kΩ, R42=44kΩ và R32=81kΩ
* Khâu đảo chiều động cơ (dùng công tắc 2 vị trí):
Nguyên tắc đảo chiều động cơ là :
- Đầu tiên giảm tốc độ động cơ về không.
- Ấn nút để chuyển tốc độ theo chiều ngược lại. Nút bấm ở đây
được thiết kế là một công tắc liên động để thực hiện chuyển mạch
2 tín hiệu điều khiển.
- Theo tính chất Uđk đã được trình bày ở trên, bộ phận tạo trễ đảm
bảo an toàn cho van được quyết định bởi bộ phân áp nhờ 2 cặp
điện trở R31, R41 và R32, R42. Do đó, khi điện áp điều khiển đổi
chiều thì đường cấp Uđk1 biến thành đường cấp Uđk2 thì mới đảm
bảo nhóm van này đóng thì nhóm van kia mới mở.
- Khâu đảo chiều điện áp Uđk là một bộ đảo dấu sử dụng khuếch
thuật toán. Bộ đảo dấu này chỉ đảo dấu một giá trị không đổi và
không đòi hỏi tần số làm việc cao. Tuy nhiên, để đồng bộ các thiết
bị yêu cầu tần số cao, ta chọn bộ đảo dấu là khuếch thuật toán
LM7131A/NS. Sơ đồ bộ đảo dấu như sau:
Thực chất của bộ đảo dấu là một bộ khuếch đại đảo, do đó ta chọn
R1=R2=1kΩ, Rcb có tác dụng cân bằng điện trở vào nên ta chọn là 0.5kΩ.
* Khâu so sánh tạo xung điều khiển van
Giải thích nguyên lý hoạt động:
Với 2 giá trị Uđk ta đem so sánh với giá trị Utựa để tạo ra 4 xung đưa đến bộ trộn
xung phía sau. Hai xung Umở1 và Ukhóa1 đồng bộ với nhau, xung này ở mức
cao thì xung kia ở mức thấp. Trễ hơn một khoảng là hai xung Umở2 và Ukhóa2
cũng đồng bộ với nhau.
Khuếch thuật toán được sử dụng là loại có thời gian tác động nhanh tạo điều kiện
cho xung ra có sườn lên, sườn xuống dốc. Ta dùng loại LM7131A/NS của hãng
National Semiconductor sản xuất.
- Sơ đồ chân:
* Khâu tạo xung chùm
Giải thích nguyên lý hoạt động:
Đây là mạch tạo dao động dùng khuếch thuật toán, rất thông dụng hiện nay.
Khuếch thuật toán được sử dụng như bộ so sánh hai cửa. Tụ C liên tục phóng, nạp
làm cho khuếch thuật toán đảo trạng thái mối lần điện áp trên tụ đạt trị số bộ chia
điện áp R1, R2.
Chu kỳ dao động được tính theo công thức sau:
1
2
2R2 ln(1 )T RC
R= +
Tính toán:
- Khuếch thuật toán dùng loại có tốc độ cao là LM318 đã nêu ở trên.
- Ta chọn sao cho (R2 + R1) cỡ 20 (kΩ). Thông thường ta chọn R2 < R1. Vậy ta
chọn các giá trị như sau: R1=15kΩ và R2=4.7kΩ
Từ công thức ràng buộc ở trên ta có R . C2 = 12.5 * 10-6. Ta chọn R=5.6kΩ và
C2 = 0.0022μF
- Chọn D1 là Diode FJT1100
* Khâu trộn xung
Mạch trộn xung dùng các cổng logic AND, có 4 tín hiệu cần trộn xung nên mạch
cần 4 cổng AND, ta dùng 1 IC 7408 do hãng Texas Instrument sản xuất có tích
hợp 4 cổng AND trong một IC
* Khâu khuếch đại xung chùm
Nguyên tắc:
Để cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển
ta dùng biến áp xung. Tuy nhiên do tính chất
vi phân của biến áp xung nên không cho phép
truyền các xung rộng vài miligiây. Chính vì
tính chất này mà ta phải truyền xung rộng dưới
dạng xung chùm để biến áp xung hoạt động
bình thường. Để đơn giản mạch dồng thời bảo
đảm hệ số khuếch đại dòng cần thiết tầng
khuếch đại ta dùng là kiểu Dalinton. Sơ đồ
mạch như hình vẽ trên.
Để đảm bảo điện áp bên cuộn sơ cấp của BAX là 15(V) ta chọn nguồn nuôi có
giá trị Vcc = 20 (V). (Vì còn phải tính đến sụt áp trên điện trở).
Khi có tín hiệu xung đi vào thì bóng T2 sẽ mở đồng thời làm mở luôn T1. Lúc
này xuất hiện dòng điện chạy từ nguồn nuôi qua R20, qua cuộn sơ cấp và T1 rồi
đi xuống đất và thành lập trên cuộn sơ cấp một điện áp U1. Điện trở R20 có tác
dụng bảo vệ T1 tránh dòng I1 vượt quá giá trị IC1max.
* Biến áp xung
Máy biến áp xung thực hiện các nhiệm vụ:
- Cách li mạch lực và mạch điều khiển.
- Phối hợp trở kháng.
- Nhân thành nhiều xung (BAX nhiều cuộn thứ cấp) cho van cần mở đồng thời.
Mạch điều khiển gồm có 4 biến áp xung, trong đó 2 cái tạo xung mở cho các van,
2 cái tạo xung khóa cho các van.
* Khâu chuẩn hóa tín hiệu điều khiển:
Khâu này đặt sau biến áp xung, có nhiệm vụ biến đổi các tín hiệu từ biến áp xung
thành các tín hiệu điện áp phù hợp để đóng mở các van. Để đóng mở được các
van, yêu cầu điện áp mở là +15V và điện áp khóa là -5V. Ta điều chế bằng cách
đảo dấu điện áp +5V thành -5V bằng một mạch đảo dấu như đã trình bày ở trên,
sau đó dùng một mạch cộng tương ứng để cộng điện áp +15V với -5V tương ứng.
Sơ đồ mạch cộng như sau:
Chọn R51 = R55 = R53 = R54 = 1kΩ
Khuếch thuật toán vẫn chọn loại có tốc độ nhanh là LM7131A/NS
Tín hiệu điện áp từ sau khâu chuẩn hóa này sẽ được đưa vào cực điều khiển của
IGBT.
3.3. Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển
Khâu tạo điện áp tam giác sẽ cho ta một điện áp tựa có dạng tam giác
thuận tiện cho khâu so sánh tiếp theo. Khâu tạo điện áp tựa này thực chất bao
gồm 2 khâu là khâu phát xung đồng bộ và khâu tạo xung răng cưa (dạng tam
giác). Khâu này sẽ quyết định luôn tần số điều khiển các IGBT. Sở dĩ ta chọn
điện áp tựa dạng này là vì có 2 ưu điểm sau:
» Đảm bảo an toàn cho việc đóng mở các van bán dẫn. Với 2 điện áp điều
khiển lệch nhau cỡ 0.2V đưa vào 2 mạch so sánh tương ứng 2 kênh điều khiển 2
nhóm IGBT ta có thể tin tưởng rằng trong toàn bộ quá trình hoạt động, nhóm van
này khóa chắc chắn thì nhóm van còn lại mới được phát xung mở. Giải pháp này
ưu điểm hơn cách sử dụng khâu trễ để đảm bảo an toàn cho các van bán dẫn.
» Điện áp tựa dạng tam giác gồm cả miền âm lẫn miền dương cho phép ta
đảo chiều động cơ đơn giản bằng cách đảo dấu điện áp điều khiển đưa vào mạch
so sánh.
- Điện áp tựa được đưa vào các bộ so sánh (Comparator) cùng với điện áp
điều khiển để thu được điện áp dạng xung ±Ubh thích hợp với các kênh điều
khiển mà luật đóng mở và luật điều khiển đối xứng đặt ra. Để đảm bảo phạm vi
điều chỉnh tốc độ là 25:1 ta cần đưa điện áp điều khiển vào với biên độ biến thiên
25 lần. Công việc này được thực hiện nhờ bộ ổn áp dùng IC LM317. Ở đây ta cần
dùng 2 bộ ổn áp LM317 để đưa vào 2 điện áp điều khiển chênh lệch nhau cỡ
0.2V.
- Việc đảo chiều quay động cơ đựợc thực hiện nhờ bộ đảo dấu điện áp điều
khiển. Nguyên lý của bộ đảo dấu này thực chất là mạch tổ hợp tuyến tính một
thành phần dùng khuếch thuật toán.
- Ta sử dụng phương pháp cách ly từ để cách ly mạch lực và mạch điều
khiển bằng biến áp xung. Tuy nhiên do tính chất vi phân của máy biến áp nên
không cho phép truyền các xung rộng vài ms. Chính vì tính chất này mà người ta
phải truyền xung rộng dưới dạng xung chùm để biến áp xung hoạt động được
bình thường. Nguyên tắc ở đây là tín hiệu (hay xung có độ rộng cỡ ms) sau bộ so
sánh đi ra được coi là các tín hiệu cho phép hay cấm xung chùm với tần số cao đi
vào BAX dùng các phần tử logic AND.
- Xung chùm được tạo ra bởi Khâu tạo xung chùm với tần số 20 kHz, sau
khi được trộn với điện áp so sánh sẽ có dạng các chùm xung đi ra từ mạch logic
với công suất nhỏ. Do đó để đảm bảo mở được các van lực nó phải đi qua khâu
khuếch đại xung. Khâu khuếch đại xung phổ biến nhất và cũng được sử dụng
trong đồ án này là phương pháp dùng tầng khuếch đại Dalinton.
Chương 4 Mô phỏng mạch điều khiển
4.1. Mô hình động cơ một chiều trên MatLab
4.2. Cấu trúc mạch vòng dòng điện
Ta có:
Hình 2.1. Cấu trúc mạch vòng dòng điện tổng quát
Sơ đồ cấu trúc:
trong đó:
Tư = u
u
R
L : Hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng
Sơ đồ tương ứng:
Hình 2.2. Cấu trúc mạch vòng dòng điện rút gọn
Từ sơ đồ trên ta có hàm truyền của đối tượng :
Soi(p) = )1)(1)(1)(1(
/.
)(
)(
uVidk
uicl
dk
i
pTpTpTpT
RKK
pU
pU
++++=
ứng với điều kiện :
Tsi = Ti + TV +Tđk <<Tư
Bỏ qua các thành phần bậc cao ta có
Soi(p) = )1)(1(
/.
usi
uicl
pTpT
RKK
++
Theo tiêu chuẩn Modul tối ưu ta có hàm truyền hệ kín như sau:
FMoi = 22 .2.21
1
pp σσ ττ ++
Mặt khác ta có:
FMoi(p) = SoipRi
SoipRi
).(1
).(
+
=> Ri(p) = )1( Moi
Moi
FSoi
F
−
=> Ri(p) = OiSpp ).21(2
1
σσ ττ +
=> Ri(p) = )21(/2
)1)(1(
pRKpK
pTpT
uicl
usi
σσ ττ +++
Chọn στ = min(Tsi,Tu) = Tsi
Rút gọn ta được hàm truyền:
Ri(p) = )1
1(..2
.
/..2
1
usiicl
uu
usiicl
u
pTTKK
TR
RTKpK
pT+=
+
Vậy Ri(p) là khâu tỉ lệ tích phân (PI)
4.3. Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ.
Cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ :
Hình 2.3. Cấu trúc của mạch điều khiển tốc độ tổng quát
Trong đó lấy hàm truyền của mạch vòng dòng điện là khâu quán tính bậc nhất, bỏ
qua các thành phần bậc cao.
Viết gọn sơ đồ ta có:
Hình 2.4. Cấu trúc mạch điều chỉnh tốc độ rút gọn
Trong đó:
Soω =
)1(.).(
.
ω
ω
φ sci
u
pTpTKK
KR
+
Với
TSω = 2Tsi + Tω rất nhỏ
Theo tiêu chuẩn Modul tối ưu ta có hàm truyền hệ kín như sau:
FMoω = 22 .2.21
1
pp σσ ττ ++
Mặt khác ta có:
FMoω(p) = ωωωω
SopR
SopR
).(1
).(
+
=> Rω(p) = )1( ω
ω
ω Mo
Mo
FSo
F
−
=> R(p) = ωσσ ττ OSpp ).21(2
1
+
=> Rω(p) = )21(.2
)1(.).(
pKpR
pTpTKK
u
sci
σωσ
ω
ττφ
++
Chọn στ = Tsω
Rút gọn ta được hàm truyền:
Rω(p) = ωω
φKRT
TKK
us
ci
.2
).(
Vậy Rω(p) là khâu tỉ lệ tích phân (P)
Sau khi tổng hợp ra các bộ điều chỉnh, ta có sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều
khiển tốc độ động cơ điện một chiều như hình vẽ.
Hình 2.5. Cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
4.4. Tính toán mô phỏng
Các thông số cho trước:
Pđm : công suất địng mức của động cơ 2,5 kw
Uđm : Điện áp định mức phần ứng 400 V
nđm : Tốc độ quay định mức 1750 V/ph
dmη : Hiệu suất danh định của động cơ 90%
L : Điện cảm phần ứng 0,2 H
Ti : Hằng số thời gian máy biến dòng 0,002 S
TV : Hằng số tời gian bộ chỉnh lưu 0,0025 S
Tđk : Hằng số thời gian mạch điều khiển bộ chỉnh lưu 0,0001 S
Tω : Hắng số thời gian máy phát tốc 0,001 S
2 1750183r d /
60 9,55 9,55dm
n na s
πω ω= = => = =
Mđm =2500
13.6183
dm
dm
PNm
ω= =
Iđm = 2500
6, 25( )400
dm
dm
PA
U= =
13,62,18
6,25dm
dm
MK
Iϕ = = =
Tính R ư gần đúng theo công thức:
Rư = 0,5(1-400
) 0,5(1 0,9) 3,26, 25
dmdm
dm
U
Iη = − = Ω
Tư = 0,2
0,0625s3, 2
u
u
L
R= =
Mặt khác ta có :
Uđ = Uđk.Kcl
Chọn Uđk = 10V => Kcl = 400
4010
dm
dk
U
U= =
Hàm truyền của bộ điều chỉnh:
Ri(p) = )1
1(..2
.
usiicl
uu
pTTKK
TR+
Có Tsi = Ti + Tv+Tđk = 0,002 + 0,0025 + 0,0001 = 0,0046 S
Chọn Uiđ = 7V
=> Ki = 7
1,126,25
id
dm
U
I= =
=> Ri = 3,2.0,0625 1 1
(1 ) 0,485(1 )2.40.1,12.0,0046 0,625 0,625p p
+ = +
Tc = 22 07,2
31,1.45,2
)(=
φK
JRu = 0,75 S
3,21,95
( ). 2,18.0,75u
C
R
K Tϕ= =
U dω = ωω K.
Chọn U dω = 10 V
=>Kω = 055,0183
10 =
Với TSω = 2Tsi + Tω = 2.0,0046 +0,001 = 0,01 S
Rω (p) = 51901,0.2.055,0.31,1
75,0.07,2.482,0 =
Sơ đồ mô phỏng :
Kết quả mô phỏng
Tốc độ động cơ
Dòng điện động cơ
Kết luận
Tài liệu tham khảo
1.Phạm Quốc Hải,Dương Văn Nghi.Phân tích và giải mạch điện tử công suất
Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật Hà Nội ,1997
2.Phạm Quốc Hải,Trần Trọng Minh ,Võ Minh Chính.Điện tử công suất
Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật Hà Nội ,2004
3.Nguyễn Bính .Điện tử công suất
Nhà xuất bản Giáo dục ,2000
4.Nguyễn Văn Liễn ,Nguyễn Thị Hiền .Truyền động điện
Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật Hà Nội ,2000
5.Phạm Quốc Hải ,Dương Văn Nghi,Nguyễn Văn Liễn,Nguyễn Thị Hiền .
Điều chỉnh tự động truyền động điện
6.Báo Tự động hoá Ngày nay- Số tháng 1&2
7.Lê Văn Doanh ,Trần Văn Thịnh .Điện tử công suất –Lý thuyết và ứng dụng
Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật Hà Nội ,2005
8.Trần Trọng Minh .Bài giảng điện tử công suất
Nhà xuất bản Giáo dục ,2002
9. Nguyễn Phùng Quang. Matlab và Simulink cho kĩ sư điều khiển tự động
Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật Hà Nội ,2004
10.Nhóm phát triển phần mềm tin học và điện tử EDA.
Hướng dẫn sử dụng ORCAD 9.2
Nhà xuất bản trẻ 2000
11.Matlab.User’s guide. Prentice Hall,1995
12.Bùi Đình Tiêu .Cơ sở truyền động điện
Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật Hà Nội
13.Lê Văn Doanh ,Cyril Lander .Điện tử công suất và điều khiển động cơ điện
Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật Hà Nội ,2004
Và các trang Web :
14.Alldatasheet.com
15.INF.com
16.IGBT.com
17.IGBT-scaledriver.com
Mạch động lực hoàn chỉnh
D 3 6
D 9
D 1 3D 1 2D 1 1
G 1
D 4
- +
D 7
1
2
3
4
V S S 1
G 2
D 5
D 8
C B 3
V S S 3
C 1 2
G 4
- +
D 7
1
2
3
4 C 1 2
D 7
- +
D 7
1
2
3
4
U 1 5L M 7 8 1 5
1
2
3V I
GN
D
V O
G 3
C 1 6
C 1 6
V S S 2D 6
D 1 0
U 1 5L M 7 8 1 5
1
2
3V I
GN
D
V O
R 3 4
A -+
M G 1
1 2
B I +
Q 3
T 4
D 3
BI 3
Pha
D 1
C 1 6
L 31 2
D 1 6
T 4
R 3 6
U 1 5L M 7 8 1 5
1
2
3V I
GN
D
V O
C 1 4
D 3 7
D 1 4
D 3 5
T 4
Q 4
D 2
D 1 5
Q 2Q 1
C 1 2
U w
D 3 4
M 5
U 7L M 3 1 7
3
1
2V I N
AD
J
V O U T
-
+
U 1 0
L M 7 1 3 1
3
4
6
7
2
U d k 1
H I
U k h o a 2
T 5
Udk
1
U v 1
R 1 k
D 3 0
H I
D 3 1
L O
Udk
2
R 1 k
+
-
U 5
L M 3 1 8
3
26
7 54 8 1
U d k 2
-
+
U 1 1
L M 7 1 3 1
3
4
6
7
2
C 1
C 1 8
H I
U m o 1
R 2 75 2 k
-
+
U 3 A
T L 0 7 2
3
21
84
U v 2
S W 2
R 2 67 3 k
H I
U k h o a 1
C 1 01 u F
+VC
C
R 2 41 k
R 1 k
R 4
R 3 04 4 k
&U 1 3 B
7 4 0 8
45 6
L O
U k h o a 2R 0 . 5 k
L O
R 2 98 1 k
U w d
X 1
G 1
R 5
U t u a
C 91 u F
L O
&U 1 3 A
7 4 0 8
12 3
U i d
R 0 . 5 k
-
+
U 2 A
T L 0 7 2
3
21
84
U w d
+
-
U 1 2
L M 3 1 8
3
26
7 54 8 1
X 3
C 1 11 u F
L O
U v 1
L O
U ( u n g I )
H I
B I +
-
+U 9
L M 7 1 3 1
3
4
6
7
2
R 3 11 5 k
X 1 ( 2 )
R 2 5 5 k 6
R 0 . 5 k
U v 2
D 3 3
H I
C 1 5U w
X 3 ( 2 )
X 1
U m o 2
R 3 24 k 7
R 2
C 1 32 . 2 n F
D 3 8
+ V C C
&U 1 3 D
7 4 0 8
1 21 3 1 1
C 1 2
R 1 k
X 4
+ V C C
R 1 k
- V C C
R 2 86 K
U k h o a 1
R 3 5
Q 9
- V C C
R 3R 1 k
-
+
U 8
L M 7 1 3 1
3
4
6
7
2
- V C C
R 1 k
Q 8
X 4 ( 2 )
D 3 2
R 4 4
X c
+ V C C
R 2 2 4 7 0 R
R 4 3
R 1 9 4 7 0 R
+
-
U 6
L M 3 1 83
26
7 54 8 1
X 2
R 0 . 5 k
X c
U t u a
R 3 3 0 . 5 k
R 1
X 2 ( 2 )
R 2 3
4 k 7
U m o 1
V S S 1
C 8
2 2 n F
D 2 9
+ V C C
&U 1 3 C
7 4 0 8
91 0 8
U m o 2
R 4 5
U ( u n g I )
R 6
R 1 k
