Đề tài Thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc đối xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu) với số liệu cho trước

đề cần phải quan tâm khi điều khiển động cơ điện một chiều. Với các loại khác nhau ta sẽ chọn phương pháp phù hợp và tính toán khác nhau.có thể phân ra thành 3 loại cơ bản theo sự thay đổi của mômen cản theo tốc độ. Khi tốc độ động cơ thay đổi, mômen phụ tải có thể là + Không đổi: thang máy... (1) + Tăng: như trong quạt gió, bơm... + Giảm: các cơ cấu máy cuốn dây, cuốn giấy, truyền động quay trục chính máy cắt gọt kim loại... 1 2 3 4 Ta thường mong muốn đặc tính này là tuyến tính (4) vì vấn đề thiết kế sẽ phức tạp lên rất nhiều khi sự thay đổi lại là phi tuyến đặc biệt là khi tải biến đổi. Nên ở đây ta sẽ chỉ xét trường hợp phụ tải có mômen là hằng số trong toàn dải điều chỉnh. Qua phân tích trên đây, việc điều khiển điện áp phần ứng được chọn là phù hợp. giải pháp mà người ta thường dùng hiện nay là băm xung áp điều khiển dó ra bằng bộ băm xung áp một chiều mà ta sẽ đề cập ở vấn đề tiếp theo. I.4.Phân tích các phương án tổng thể. I.4.1.các chỉ tiêu đánh giá I.4.1.1.Hệ số đập mạch điện áp ra các bộ chỉnh lưu Điện áp ra các bộ chỉnh lưu có hệ số đập mạch: k= Trong đó: k là hệ số đập mạch U là biên độ sóng hài bậc 1 U là thành phần không đổi k= là số lần đập mạch trong 1 chu kì điện áp lưới là góc mở Hệ số đập mạch k ở 1 số sơ đồ chỉnh lưu với các góc mở khác nhau: 0 30 60 89 Chỉnh lưu tia 3 pha 0.25 0.50 1.32 43 Chỉnh lưu cầu 3 pha 0.057 0.206 0.597 19.64 I.4.1.2.Công suât tính toán MBA nguồn S: S Chỉnh lưu tia 3 pha 1.35P Chỉnh lưu cầu 3 pha 1.05 P I.4.2.Phân tích các phương án I.4.2.1.Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha có những đặc điểm sau: -Hệ số sử dụng MBA là 1.35, khá lớn so với 1.05 của sơ đồ cầu 3 pha. Vì vậy làm tăng đáng kể công suất, kích thước và khối lượng MBA. -Hệ số đập mạch lớn, dạng điện áp ra xấu dẫn đến tăng kích thước bộ lọc -Để tảI động cơ điện 1 chiều có thể đảo chiều quay thì phảI đấu song song ngược 2 bộ chỉnh lưu, làm tăng số lượng van, kích thước, giá thành thiết bị. Vì những lí do trên mà ta không dùng sơ đồ này. I.4.2.2.Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển Đặc điểm sơ đồ này: -Khi góc điều khiển thay đổi từ 0 đến 90 thì hệ số đập mạch thay đổi khá nhiều, từ 0.057 đến 19.64. Như vậy dạng điện áp ra cũng không đẹp, làm tăng kích thước, khối lượng bộ lọc trước khi cấp cho tảI động cơ. -Cũng như sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha, để có thể đảo chiều quay động cơ ta phảI đấu song song ngược 2 bộ chỉnh lưu, dẫn đến tăng số lượng van, tăng kích thước thiết bị. I.4.2.3.Dùng 1 bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển và 1 bộ băm xung 1 chiều có đảo chiều. Đặc điểm: -Hệ số sử dụng MBA là 1.05, nên công suất thiết kế, khối luợng MBA giảm đI nhiều -Điện áp ra bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển có hệ số đập mạch là 0.057 khá bằng phẳng nên giảm đuợc kích thước, khối luợng bộ lọc trước khi cấp cho mạch băm áp 1 chiều. -Mạch băm áp 1 chiều với tần số băm xung 200-400 Hz đã có thể cho chất lượng điện áp ra khá tốt -Ngoài ra bộ băm xung 1 chiều làm viêc tin cậy, độ chính xác cao, dễ điều chỉnh. Qua phân tích trên ta they với yêu cầu thiết bị gọn nhẹ, chất lượng điện áp tốt thì chọn sơ đồ băm xung 1 chiều có đảo chiều là hợp lý. Chương II BĂM XUNG MỘT CHIỀU (BXDC) II.1 Giới thiệu về băm xung một chiều (BXDC): BXDC cú chức năng biến đổi điện ỏp một chiều, nú cú ưu điểm là cú thể thay đỏi điện ỏp trong một phạm vi rộng mà hiệu suất của bộ biến đổi cao vỡ tổn thất của bộ biến đổi chủ yếu trờn cỏc phần tử đúng cắt rất nhỏ. So với các phương pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều như phương pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát một chiều, bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lưu có điều khiển... thì phương pháp dùng mạch băm xung có nhiều ưu điểm đáng kể: điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm năng lượng, kinh tế và hiệu quả cao, đồng thời đảm bảo được trạng thái hãm tái sinh của động cơ. Cùng với sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi các linh kiện bán dẫn công suất lớn đã tạo nên các mạch băm xung có hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độ nhạy cao, điều khiển trơn tru, chi phí bảo trì thấp, kích thước nhỏ. Mạch băm xung đặc biệt thích hợp với các động cơ một chiều công suất nhỏ. Điện thế trung bỡnh đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn mặc dự điện thế đầu vào cú thể là hằng số (ắc qui, pin) hoặc biến thiờn (đầu ra của chỉnh lưu), tải cú thể thay đổi.Với một giỏ trị điện thế vào cho trước, điện thế trung bỡnh đầu ra cú thể điều khiển theo hai cỏch: - Thay đổi độ rộng xung. - Thay đổi tần số băm xung. t t1 t2 T II.1.1 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: 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). II.1.2 Phương pháp thay đổi tần số xung Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1 = const. Khi đó: Vậy Ud = U . 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. II.1.3 Nhận xột Ở đõy ta chọn cỏch thay đổi độ rộng xung, phươg phỏp này gọi là PWM (Pulse Width Modulation).Theo phương phỏp này tõn số băm xung sẽ là hằng số.Việc điều khiển trạng thỏi đúng mỏ của van dựa vào viờc so sỏnh một điện ỏp điều khiển với một súng tuần hoàn (thường là dạng tam giỏc(Sawtooth)) cú biờn độ đỉnh khụng đổi.Nú sẽ thiết lập tần số đúng cắt cho van,tần số đúng cắt này là khụng đổi với dải tẩn từ 400Hz đến 200kHz.Khi thỡ cho tớn hiệu điều khiển mở van, ngược lại khúa van. off on Ura II.2 Cỏc sơ đồ băm xung: Sơ đồ nguyên lý như sau: Phần tử điều chỉnh quy ước là khoá S (van bỏn dẫn điều khiển). Đặc điểm của sơ đồ này là khoá S, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp. Tải có tính chất cảm kháng hoặc dung kháng. Bộ lọc L & C. Đi-ôt mắc ngược với Ud để thoát dòng tải khi khoá K ngắt. + S đóng ị U được đặt vào đầu của bộ lọc. Lý tưởng thì ud = U (nếu bỏ qua sụt áp trên các van trong bộ biến đổi). + S mở ị hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng id do năng lượng tích luỹ trong cuộn L và Ltải, dòng chạy qua D, do đó ud=0. Như vậy, Ud Ê U. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp. Đặc tính truyền đạt: Sơ đồ như sau: 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 đ S đ -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 đ D đ Tải. Vì từ thông trong L không giảm tức thời về không do đó trong L xuất hiện suất điện động tự cảm eL, có cùng cực tính 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. Đặc tính truyền đạt:  a. Sơ đồ mắc như sau: Tải là động cơ mmột chiều được thay bởi mạch tương đương R-L-E. L1 chỉ đóng vai trò tích luỹ năng lượng. C đóng vai trò lọc b. Hoạt động + S đóng, trên L1 có U, dòng chạy từ +U đ S đ L1 đ -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 ị D thông ị 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 II.2.4 Bộ Chopper lớp C (Bộ đảo dũng) Sơ đồ nguyờn lý Tải là phần ứng động cơ một chiều kớch từ độc lập đó được thay bởi mạch tương đương R-L-E Nguyờn lý hoạt động. Chế độ động cơ: Trong khoảng , động cơ được nối nguồn qua ,điện ỏp đặt lờn động cơ là U. Trong khoảng , ngắt,động cơ được nối ngắn mạch qua ,điện ỏp đặt lờn động cơ là 0. Chế độ hóm tỏi sinh: Trong khoảng , ngắt,động cơ được nối nguồn qua ,điện ỏp đặt lờn động cơ làU. Trong khoảng , dẫn,động cơ được nối ngắn mạch qua ,điện ỏp đặt lờn động cơ là 0. Biểu đồ dạng súng dũng và ỏp trờn tải t t t t 0 0 0 0 d.)Tớnh toỏn cỏc thụng số trờn sơ đồ. Trong khoảng () dẫn, điện ỏp đặt lờn động cơ là U, ta cú: . Giải bằng phương phỏp toỏn tử Laplace: Trong khoảng () dẫn, điện ỏp đặt lờn động cơ là 0, ta cú: . Giải bằng phương phỏp toỏn tử Laplace: ; trong đú Điện ỏp trung bỡnh trờn động cơ: Dũng điện trung bỡnh: Độ nhấp nhụ dũng điện: Do nờn sử dụng cụng thức tớnh gần đỳng ta được Dũng trung bỡnh qua () là: Dũng trung bỡnh qua () là: II.2.5 Bộ đảo ỏp a) Sơ đồ nguyờn lý b) Nguyờn tắc điều khiển: Chu kỡ đúng cắt của mỗi van là T, S1 và S2 được kớch dẫn lệch pha một khoảng thời gian T/2, mỗi van S1, S2 được kớch với gúc dẫn γ. c) Nguyờn lý hoạt động Chế độ động cơ () t t t t 0 0 0 0 Trong cỏc khoảng và thỡ S1 và S2 cựng dẫn, điện ỏp đặt lờn phần ứng động cơ là U, dũng điện qua động cơ tăng từ tới Imax ta cú phương trỡnh: . Trong cỏc khoảng và thỡ S1 và S2 khụng đồng thời dẫn,do đú động cơ được nối ngắn mạch qua cỏc diot D1 hoặc D2,điện ỏp dặt lờn động cơ là 0,dũng điện qua động cơ giảm từ xuống , ta cú phương trỡnh . Cỏc thụng số của mạch Biểu thức dũng tải Trong khoảng : điện ỏp đặt lờn động cơ là U. Dũng qua động cơ tăng từ Imin tới Imax. Phương trỡnh dũng qua động cơ: Giải phương trỡnh bằng phương phỏp toỏn tử Laplace ta cú: . Trong khoảng : dũng id ngắn mạch qua S1 và D2 điện ỏp đặt lờn động cơ là 0, id giảm từ Imax về Imin. Phương trỡnh dũng qua động cơ: . Giải phương trỡnh bằng phương phỏp toỏn tử Laplace ta cú: trong đú Với điều kiện , dựa vào hai phương trỡnh trờn ta cú: ; trong đú Độ nhấp nhụ dũng điện: Điện ỏp trung bỡnh đặt trờn động cơ: Dũng điện trung bỡnh Điện ỏp ngược lớn nhất đặt lờn cỏc phần tử là V Dũng trung bỡnh qua cỏc van S1, S2: Dũng trung bỡnh qua cỏc diot: Chế độ hóm tỏi sinh () Trong khoảng động cơ được ngắn mạch qua S1 và D2, dũng điện qua động cơ tăng từ Imin tới Imax, điện ỏp đặt lờn động cơ là 0, ta cú phương trỡnh:(đối với sơ đồ này thỡ khi làm việc ở chế độ hóm tỏi sinh phải đảo chiều quay của động cơ).Giải phương trỡnh trong khoảng xột ta được:(1) Trong khoảng , động cơ trả năng lượng về nguồn qua cỏc diot D1 và D2, dũng qua động cơ giảm từ Imax xuống Imin, ta cú phương trỡnh . Giải phương trỡnh trong khoảng xột ta được:(2) Điện ỏp trung bỡnh đặt lờn động cơ: Dũng điện trung bỡnh là: Dũng trung bỡnh qua cỏc van S1, S2 là: Dũng trung bỡnh qua cỏc diot D1, D2là: Điện ỏp ngược lớn nhất đặt lờn cỏc van là: 2.2.6 Bộ Chopper lớp E Đây là bộ băm xung một chiều có đảo chiều 1. Sơ đồ nguyờn lý ở đây ta sử dụng van bán dẫn IGBT. Bộ BXMC 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 truyền động tự động có yêu cầu đảo chiều động cơ do đó bộ biến đổi này thường 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 phương pháp điều khiển khác nhau như : Điều khiển độc lập,điều khiển không đối xứng và điều khiển đối xứng . 2. Cỏc phương phỏp điều khiển a.Phương pháp điều khiển độc lập Nếu ta muốn động cơ chạy theo chiều nào thì ta sẽ chỉ cho một cặp van chạy ,cặp còn lại sẽ khoá. +Muốn cho động cơ quay thuận cho S1,S2 dẫn ,S3,S4 nghỉ . +Muốn cho động cơ quay nghịch cho S1,S2 nghỉ ,S3,S4 dẫn . b. Phương phỏp điều khiển khụng đối xứng Giả sử động cơ quay theo chiều thuận (động cơ sẽ làm việc ở góc phần tư thứ 1và thứ 2) tương ứng với cặp van S1,S2 làm việc ,S3 luôn bị khoá ,S4 được đóng mở ngược pha với S1. Bộ BXMC có 3 trạng thái làm việc : Trạng thái 1: E>Et : Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ nhất .Năng lượng cấp cho động cơ được cấp từ nguồn thông qua các van S1,S2 dẫn trong khoảng 0t1 . +Trong khoảng t1T :Năng lượng tích trữ trong điện cảm sẽ duy trì cho dòng điện theo chiều cũ và khép mạch qua S2,Đ4. Trạng thái 2: E<Et : Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ 2 (chế độ hãm) +Trong khoảng 0t1 :Động cơ trả năng lượng về nguồn thông qua các Điôt Đ1,Đ2 (IĐ1=IĐ2=It) +Trong khoảng t1T :S4 dẫn ,dòng tải khép mạch qua Đ2 ,S4 (IĐ2=IS4=It) Trạng thái 3: E=Et : +Trong khoảng 0t0: Et >E :Động cơ trả năng lượng về nguồn qua Đ1 và Đ2 (IĐ1=IĐ2=It) +Trong khoảng t0t1 :E>Et : Động cơ làm việc ở chế độ động cơ Năng lượng từ nguồn qua S1 ,S2 cấp cho động cơ +Trong khoảng t1t2: S1 khóa ,S4 mở .Năng lượng tích luỹ trong điện cảm sẽ cấp cho động cơ và duy trì dòng điện qua Đ2 ,Đ4 +Trong khoảng t2T :Khi năng lượng dự trữ trong điện cảm hết ,suất điện động động cơ sẽ đảo chiều dòng điện và dòng tải sẽ khép mạch qua S4 ,Đ2 Để động cơ làm việc theo chiều ngược lại ,luật điều khiển các van sẽ thay đổi theo chiều ngược lại Các biểu thức tính toán: +Giá trị dòng trung bình qua tải Ta có Do đó R.It +E=U +Dòng trung bình qua van Với Rút gọn ta có IS =It +Dòng trung bình qua Điôt +Giá trị trung bình điện áp ra tải Ut=U Vậy để điều khiển động cơ ta chỉ cần điều khiển để điều chỉnh điện áp ra tải c.Phương phỏp điều khiển đối xứng Cỏch 1: Điện ỏp ra đơn cực tớnh (Unipolar Voltage Switching) Nguyờn tắc điều khiển Chu kỡ đúng cắt của cỏc van bỏn dẫn là 2T; S1 dẫn trong khoảng , S2 dẫn trong khoảng ;S3 dẫn trong khoảng , và S4 dẫn trong khoảng . +Chế độ làm việc ở gúc phần tư 1() t t t 0 0 t t t * Trong khoảng 1, S1 và S2 được kớch dẫn, động cơ được nối với nguồn U, dũng phần ứng tăng. * Trong khoảng2, S2 tắt, S3 được kớch dẫn, do phần ứng cú tớnh chất điện cảm nờn dũng qua phần ứng ngắn mạch qua S1 và D3. Lỳc này điện ỏp đặt lờn động cơ là 0, dũng trong động cơ giảm. * Trong khoảng 3, S2 lại được kớch dẫn, S3 tắt, do đú động cơ được cấp điện ỏp U từ nguồn, dũng qua phần ứng tăng. * Trong khoảng 4, S4 được kớch dẫn, S1 tắt, do đú dũng qua phần ứng khộp mạch qua S2 và D4, dũng qua phần ứng giảm do ngược chiều suất điện động E. Tớnh cỏc thụng số trong mạch Khảo sỏt trong một chu kỡ biến thiờn T của dũng điện phần ứng. Trong khoảng động cơ được nối với nguồn qua S1, S4; dũng qua phần ứng tăng từ tới , ta cú:. Giải phương trỡnh trong khoảng xột ta được: Do đú với . Trong khoảng , động cơ được ngắn mạch qua S1 và D3,điện ỏp đặt lờn động cơ là 0, dũng phần ứng giảm từ tới ,ta cú . Giải phương trỡnh trờn ta được: Do đú Giải ra ta được: ; trong đú Độ nhấp nhụ dũng điện: Do nờn sử dụng cụng thức tớnh gần đỳng ta được . Điện ỏp trung bỡnh trờn động cơ: Dũng điện trung bỡnh: Dũng điện trung bỡnh qua S1, S4 là Dũng điện trung bỡnh qua D2, D3 là +Chế độ làm việc ở gúc phần tư 2(). Để chuyển từ chế độ động cơ sang chế độ hóm tỏi sinh bằng cỏch sthay đổi chiều dũng điện tức là tức là giảm γ hoặc tăng E.Để quỏ trỡnh điều khiển được đơn giản ta chọn phương phỏp giảm γ gần tới 0,5 mà do tớnh quỏn tớnh của động cơ nờn E biến đổi chậm, do đú , dũng qua phần ứng đổi chiều. t t t 0 0 t t t * Trong khoảng 1: S1 và S3 nhận tớn hiệu điều khiến, sức điện động sinh ra dũng điện chảy qua D1 và S3. Trong khoảng này, dũng qua phần ứng tăng và tớch lũy năng lượng trong điện khỏng mạch phần ứng. * Trong khoảng 2: S3 tắt, S1 và S4 được kớch dẫn, do tớnh chất điện khỏng nờn dũng qua phần ứng sẽ qua D1, U và D4, năng lượng được đưa trả về nguồn, dũng qua phần ứng giảm. * Trong khoảng 3: S1 tắt, S2 và S4 được kớch dẫn, khi đú dũng qua phần ứng khộp mạch qua S2 và D4, dũng qua phần ứng tăng. * Trong khoảng 4: S1 và S4 được kớch dẫn, S2 tắt,dũng phần ứng chảy qua D1, U và D4,năng lượng phần ứng trả về nguồn, dũng qua phần ứng giảm. Chế độ làm việc của động cơ ở cỏc gúc phần tư 3 và 4 ứng với . Cỏch 2: Điện ỏp ra đảo cực tớnh (Bipolar Voltage Switching) Nguyờn tắc điều khiển theo phương phỏp điều khiển này cỏc cặp van S1 và S2; S3 và S4 lập thành hai cặp van mà trong mỗi cặp thỡ hai van được điều khiển đúng cắt đồng thời. Tớn hiệu điều khiển được tạo ra bằng cỏch so sỏnh điện ỏp điều khiển với điện ỏp tựa (thường là dạng xung tam giỏc): -Nếu Udk>utua thỡ S1 và S2 được kớch dẫn; S3 và S4 được kớch tắt. -Nếu Udk<utua thỡ S1và S2 được kớch tắt; S3 và S4 được kớch dẫn. Biểu đồ dạng súng dũng, ỏp trờn tải t t t t t t 1 2 3 4 Chế độ hoạt động: +Trong khoảng 1: S1 và S2 được kớch dẫn, S3 và S4 được kớch tắt, động cơ được nối với nguồn U, dũng qua phần ứng tăng đến giỏ trị Imax. +Trong khoảng 2:S1và S2 được kớch tắt,S3 và S4 được kớch dẫn,nhưng do tải cú tớnh cảm khỏng nờn dũng điện phần ứng khộp mạch qua D3 và D4 về nguồn, S3 và S4 bị đạt điện ỏp ngược bởi hai diode D3 và D4 nờn khoỏ, dũng id giảm từ Imax về 0. +Trong khoảng 3:S3 và S4 được kớch dẫn, điện ỏp đặt lờn động cơ là –U, dũng id tăng theo chiều ngược lại (giảm từ 0 về Imin theo chiểu dương). +Trong khoảng 4: S3 và S4 được kớch tắt, S1 và S2 được kớch dẫn, nhưng do trước đú dũng id chạy theo chiều ngược lại nờn dũng id tiềp tục chảy theo chiều cũ, khộp mạch qua cỏc diode D1 và D2 về nguồn; S1 và S2 bị đặt điện ỏp ngược bởi hai diode D1 và D2 phõn cực thuận nờn khoỏ, do đú id giảm theo chiều ngược lại từ Imin về 0. Tớnh toỏn cỏc thụng số của mạch: +Trong khoảng , S1 và S2 dẫn hoặc khi D1 và D2 dẫn thỡ điện ỏp đặt lờn động cơ là U,ta cú phương trỡnh:. Giải phương trỡnh bằng phương phỏp toỏn tử Laplace với sơ kiện đầu Ta cú: trong đú . Trong khoảng, S3 và S4 dẫn hoặc D3 và D4 dẫn, điện ỏp đặt lờn động cơ là -U ta cú:. Giải bằng phương phỏp toỏn tử Laplace: Điện ỏp trung bỡnh trờn động cơ +Trong khoảng 0<t<γT điện ỏp đặt lờn động cơ là U; và trong khoảng γT<t<T điện ỏp đặt lờn động cơ là –U nờn điện ỏp trung bỡnh đặt lờn động cơ là: -Dũng điện trung bỡnh qua động cơ là: -Điện ỏp ngược lớn nhất đặt lờn cỏc Diode là -Giá trị dòng trung bình qua tải là -Dòng trung bình qua Điôt : (Sử dụng khai triển hàm ex theo khai triển Maclaurin ) -Dòng trung bình qua van : Tương tự ta có IS=γIt -Điện áp ra tải có giá trị trung bình là Ut=(2γ-1)U +Ta thấy nếu γ=0.5 thì Ut=0 +Nếu γ>0.5 thì Ut >0 +Nếu γ< 0.5 thì Ut <0 Như vậy bằng cách thay đổi giá trị γ mà ta thay đổi được giá trị điện áp ra tải và cả dấu của nó .Do đó sẽ đảo chiều quay của động cơ II.3 Kết luận II.3.1 Chọn mạch lực Qua cỏc mạch phõn tớch ở trờn ta thấy để phự hợp đảo chiều động cơ (một cỏch chủ động) ta chọn bộ chopper lớp E (cầu BXDC), mạch này cho phộp năng lượng đi theo 2 chiều Ud, Id cú thể đảo chiều một cỏch độc lập. Hơn nữa mạch này rất thụng dụng (dựng trong DC-DC, DC-AC converter) do đú việc tỡm mua cỏc phần tử cũng dễ dàng hơn II.3.2 Chọn phương phỏp điều khiển Trong mạch này ta chọn cỏch điều khiển đối xứng cỏch 2 sẽ cho mạch điều khiển đơn giản hơn. Mặt khỏc cỏch điều khiển này cho phộp chỳng ta đảo chiều động cơ dễ dàng do khi đảo chiều (chuyển chế độ làm việc) ta chỉ việc điều chỉnh g II.3.3 Chọn van bỏn dẫn Trong sơ đồ chopper lớp E ta chọn van bỏn dẫn là IGBT vỡ: IGBT là phần tử kết hợp khả năng đúng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu quỏ tải lớn của transistor thường, tần số băm điện ỏp cao thỡ làm cho động cơ chạy ờm hơn Cụng suất điều khiển yờu cầu cực nhỏ nờn làm cho đơn giản đỏng kể thiết kế của cỏc bộ biến đổi và làm cho kớch thước hệ thống điều khiển nhỏ ,hơn nữa nú cũng làm tiết kiệm năng luợng (điều khiển) IGBT là phần tử đúng cắt với dũng ỏp lớn, nú đang dần thay thế transistor BJT nú ngày càng thụng dụng hơn do đú việc mua thiết bị cũng đơn giản hơn.Cựng với sự phỏt triển của IGBT thỡ cỏc IC chuyờn dụng điều khiển chỳng (IGBT Driver) ngày càng phỏt triển và hoàn thiện do đú việc điều khiển cũng chuẩn xỏc và việc thiết kế cỏc mạch điều khiển cũng đơn giản, gọn nhẹ. Chương 4 Thiết kế mạch điều khiển là minh chứng cho điều này Chương III THIẾT KẾ MẠCH LỰC Sơ đồ mạch lực như sau: Chọn tần số băm xung f = 500 Hz III.1. Tớnh toỏn chọn van III.1.1 Chọn Diode cụng suất Qua phõn tớch cỏc mạch lực trờn ta thấy: +Dũng điện trung bỡnh chạy qua Diode ID = (1-)It Với giỏ trị dũng điện định mức động cơ là Itđm =6(A) Chọn chế độ làm mỏt là van cú cỏnh toả nhiệt với đủ diện tớch bề mặt và cú quạt thụng giú, khi đú dũng điện làm việc cho phộp chạy qua van lờn tới 50 % . Lỳc đú dũng điện qua van cần chọn : Iđmv = ki Imax =6/0.5=12(A) Qua cỏc biểu đồ ta thấy :Điện ỏp ngược cực đại đặt lờn mỗi Diode (bỏ qua sụt ỏp trờn cỏc van ) là Ungmax=E=400(V) Chọn hệ số quỏ điện ỏp ku = 2.5 Ungv =ku.Ungmax = 2.5*400=1000(V). Từ hai thụng số trờn ta chọn 4 Diode loại CR20-100 với cỏc thụng số sau : Ký hiệu Imax(A) Un(V) Ith(A) Ir(A) Tcp(A) U(V) 1N2455R 20 1000 20 10uA 200 1.1 Trong đú : Imax :dũng điện làm việc cực đại cho phộp qua van Ungv : điện ỏp ngược cực đại cho phộp đặt lờn van Ipik : đỉnh xung dũng điện ΔU :tổn hao điện ỏp ở trạng thỏi mở của Diode Ith : dũng điện thử cực đại Ir :dũng điện rũ ở nhiệt độ 250 C Tcp : nhiệt độ cho phộp làm việc. III.1.2 Chọn cỏc van bỏn dẫn Xuất phỏt từ yờu cầu về cụng nghệ ta phải chọn van bỏn dẫn là loại van điều khiển hoàn toàn là IGBT. +Tớnh dũng trung bỡnh chạy qua van: Qua phõn tớch cỏc mạch lực trờn ta thấy: Dũng điện trung bỡnh chạy qua van là : IS =It Với giỏ trị dũng điện định mức động cơ là Itđm =6(A) + Chọn chế độ làm mỏt là van cú cỏnh toả nhiệt với đủ diện tớch bề mặt và cú quạt thụng giú, khi đú dũng điện làm việc cho phộp chạy qua van lờn tới 50 % . Lỳc đú dũng điện qua van cần chọn : Iđmv = ki Imax =6/0.5=12(A) Qua cỏc biểu đồ ta thấy :Điện ỏp ngược cực đại đặt lờn mỗi Diode (bỏ qua sụt ỏp trờn cỏc van ) là Ungmax=E=400(V) Chọn hệ số quỏ điện ỏp ku = 2.5 Ungv =ku.Ungmax = 2.5*400=1000(V). Từ cỏc tớnh toỏn trờn ta chọn 4 van IGBT cú cỏc thụng số sau: Chủng loại Nhà sản xuất Loại vỏ(chõn) Icmax A Vce Pd max(W) Vce(sat Ices Internal Diode IRG4PH30K IR TO247(A) 20,00 1200,00 100,00 4,00 250,00 No IV.Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu một chiều cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập . Thông số động cơ : +Điện áp định mức phần ứng động cơ Uđm=400 (V) +Dòng điện định mức phần ứng động cơ Iđm=6(A) 1.Tính toán máy biến áp chỉnh lưu . +)Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ đấu dây D/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 các thông số cơ bản : 1-Tính công suất biểu kiến của Máy biến áp : S = Ks . Pd 2-Điện áp pha sơ cấp máy biến áp : Up =127 (V) 3-Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp Phương trình cân bằng điện áp khi có tải : Udo =Ud +2. DUv +DUdn + DUba Trong đó : 2.DUv =2 (V) là sụt áp trên 2 Điôt mắc nối tiếp DUdn 0 là sụt áp trên dây nối DUba = DUr + DUx là sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp . Chọn sơ bộ : DUba =6% .Ud =6% .400 = 24.0 (V) Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có : Ud0 ==400+2+0+24.0=424.0 (V) Điện áp pha thứ cấp pha máy biến áp : U2= =424.0/2.34=181.2 (V) 4-Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp : I2 === 4.90 (A) 5-Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp : I1 = KbaI2 = .I2 = . 4.90 = 6.99 (A) *)Tính sơ bộ mạch từ (Xác định kích thước bản mạch từ) 6-Tiết diện sơ bộ trụ . QFe =kQ . Trong đó : kQ là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát ,lấy kQ = 6 . m là số trụ của máy biến áp f là tần số xoay chiều , ở đây f = 50 (Hz) Ta có công suất biểu kiến của máy biến áp là : S2= 3.U2.I2=3.181,2.4,90=2664(VA) S1=3.U1.I1=3.127.6,99=2664(VA) Thay số ta được : QFe=6 . =25,29(cm2) 7-Đưòng kính trụ : d = = = 5,67 (cm) Chuẩn hoá đường kính trụ theo tiêu chuẩn d = 6 (cm) 8-Chọn loại thép $330 các lá thép có độ dày 0,5 mm Chọn mật độ từ cảm trong trụ Bt =1 (T) 9-Chọn tỷ số m= = 2,3 , suy ra h = 2,3 . d = 2,3.6 = 13,8 (cm) Ta chọn chiều cao trụ là 14( cm) *)Tính toán dây quấn . 10- Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp . W1== = 208 (vòng) 11- Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp : W2 = .W1=.208 = 297 (vòng) 12- Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp . Với dây dẫn bằng đồng ,máy biến áp khô ,chọn J1= J2= 2 (A/mm2) 13- Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp . S1 = = = 3.50 (mm2) Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật ,cách điện cấp B . Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn : S1 = 3.56 (mm2) Kích thước dây dẫn có kể cách điện S1cđ = a1.b1= 1,45.2,63 =3.81(mm x mm) 14- Tính lại mật độ dòng điệnk trong cuộn sơ cấp . J1= = = 1,96 (A/mm2) 15- Tiết diện dây dẫn thứ cấp của máy biến áp . S2 = = = 2.45 (mm2) Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật ,cách điện cấp B . Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn : S2= 2,43 (mm2) Kích thước dây dẫn có kể cách điện : S2cđ = a2.b2 = 1,08.2,44=2,64 (mm x mm) 16- Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp . J2= = =1,68 (A/mm2) *)Kết cấu dây dẫn sơ cấp : Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục 18- Tính sơ bộ số vòng dây tren một lớp của cuộn sơ cấp . W11= . kc=.0,95 = 40 (vòng) Trong đó : kc= 0,95 là hệ số ép chặt . h là chi