Đồ án môn học Điện tử công suất

ộ 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 đường elip vẽ bằng các nét đứt. Dòng trung bình liên tục Itblt có trị số lnhơ nhất là Itblt = 0 ứng với n = 0 ( Khi a =0 ) và n = nmax ( Khi a = 1 ). a1 M, I n MC amin = 0 amax = 1 a2 a3 n1 n2 n3 nmax Họ đặc tính cơ điện của hệ thống băm nối tiếp động cơ điện một chiều . Như vậy, trong hệ thống băm nối tiếp sẽ đảm bảo cho máy điện làm việc ở trạng thái động cơ. Khi S mở thì Ud = U và khi S đóng thì Ud = 0. Vây điện áp và dòng điện trung bình qua động cơ luôn luôn dương. Hệ thống này sẽ làm việc ở góc phần tư thứ nhất của mặt phẳng toạ độU, I U I Đồ thị biểu diễn phạm vi điều chỉnh của hệ thống sử dụng bộ băm nối tiếp x2. Bộ băm song song : 2. 1 Nguyên lý hoạt động: Sơ đồ nguyên lý của bộ băm song song được biểu diễn như sau : U E Ud Id IT - ã ã + ã ã D L R ư T ã Sơ đồ nguyên lý của bộ băm song song. L : là điện cảm của phần ứng động cơ kết hợp với điện cảm bổ sung để giữ cho dòng Id = const. Xét trong khoảng thời gian 0 <t < aT thì tiristor T mở, diode D được phân cực ngược nên bị khoá để tránh llàm ngắn mạch nguồn U . Lúc này : Ie = 0, Ud = 0, IT = Id. Trong khoảng thời gian aT < t < T thì khoá D mở. Lúc này: Ie = Id , Ud = U, IT = 0. Giá trị trung bình của điện áp một chiều : Giá trị trung bình của dòng điện trả về nguồn : Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua tiristor : Phương trình mạch tải khi máy điện ở trạng thái hãm tái sinh : Ta có dạng sóng của điện áp ngõ ra Ud và của dòng Ie, IT như sau : U aT T Ud t 0 Ie t 0 IT t 0 Id Sơ đồ biểu diễn dạng sóng của điện áp ngõ ra, dòng Ie và IT. 2. 2 Cách điều chỉnh tốc độ : - ã ã + ã ã D Lư U ã ẹ Mạch động lực của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều sử dụng bộ băm song song. Khi tải là một máy điện một chiều, bộ băm song song sẽ cho phép thực hiện hãm tái sinh. Trong chế độ hãm, máy điện sẽ làm việc như là một máy phát điện, trả năng lượng về nguồn đã từng nuôi nó khi nó làm việc ở trạng thái động cơ điện. Từ biểu thức Ie ta nhận thấy rằng có thể khóng chế dòng điện hãm tái sinh bằng cách tác động vào tỷ số chu kỳ a. Từ phương trình mạch tải khi máy điện ử trạng thái hãm tái sinh để có thể tiến hành hãm tái sinh cho máy điện, năng lượng trở về nguồn thì Id >0 do đó sức điện động E >Ud . Như vậy, khi S mở thì Ud = 0 và khi S ngắt thì Ud = U dòng điện hướng về chiều âm mặc dù Ud dương. Do đó phạm vi điều chỉnh sẽ được biểu diễn như sau : U I Đồ thị biểu diễn phạm vi điều chỉnh của hệ thống sử dụng băm song song. x 3. bộ băm xung áp loại B : 3.1 Nguyên lý hoạt động : L1 ã ã ã ã ã ã ã R E S1 S2 id ud C ã ã Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp loại này như sau: D2 US D1 Giải thích: + S1, S2 là loại điều khiển hoàn toàn ( Transistor công suất) + Tải của bộ băm xung áp là động cơ kích từ nối tiếp có thể thay thế bằng R-L-E; trong đó E là sức phản điện động của động cơ. + D1là Diod hoàn năng lượng ;D2 là diod có tác dụng trả năng lượng tái sinh cho nguồn. Để chiều dòng điện tải như hình vẽ ta cho S1 hoạt động như một khoá đóng cắt ;còn S2 không làm việc .Khi S1 mở dòng điện từ nguồn chảy qua S1 qua tải và trở về âm nguồn .Khi S1 khoá dòng tải được khép mạch qua điod D1 đảm bảo dòng tải là liên tục ngay cả khi S1 khoá . Để đảo chiều dòng điện phần ứng động cơ (dòng id) ta cho S2 và D2 vào vận hành còn S1 ngắt. Khi đó ,do quán tính động cơ vẫn quay theo chiều cũ mặc dù bị ngắt ra khỏi nguồn đ E > 0. Lúc này mạch tải chỉ có nguồn duy nhất E khép mạch qua S2 đ xuất hiện dòng điện chạy ngược lại chiều ban đầu .Công suất điện từ của động cơ là:Pđt= Id.E > 0. Công suất lúc này được tích luỹ trong cuộn cảm L. Khi S2 ngắt, trên điện cảm L sinh ra sức điện động tự cảm (DUL) cùng chiều với E.Tổng hai sức điện động này lớn hơn điện áp nguồn US làm D2 dẫn ngược dòng về nguồn và trả lại phần năng lượng đã tích luỹ trong cuộn cảm L. Để đảm bảo S2 dẫn dòng điện ngược ngay khi dòng thuận qua D1 tắt ta phát xung vào mở S2 đồng thời với việc phát xung khoá S1. Sau đây là biểu đồ dạng sóng mô tả hoạt động của sơ đồ: iđk1 iđk2 ud id US iD1 iD2 iS Ud Id Biểu đồ dạng sóng dòng, áp US1 Từ biểu đồ dạng sóng ta có nhận xét : + Dòng qua phần ứng động cơ là liên tục nếu ta đảm bảo S2 dẫn trước hoặc sau khi dòng qua D1 tắt. + Dòng điện qua phần ứng động cơ có phần âm nên giá trị trung bình của nó có thể nhỏ bất kỳ ,thậm chí bằng 0 hoặc âm .Điều này có thể điều khiển được bằng cách thay đổi thời gian dẫn của S1 và S2. Nhận xét: Ưu điểm của sơ đồ này là: + Dòng qua tải luôn là liên tục,do đó tạo điều kiện tốt cho động cơ hoạt động êm. + Có thể thực hiện được quá trình tái sinh năng lượng. 3.2 Các biểu thức có liên quan: Vì tải là động cơ điện một chiều nên ta có thể thay thế bằng tải R-L-E, trong đó: E: Sức phản điện động của động cơ R: Điện trở dây quấn của động cơ L: Điện cảm dây quấn của động cơ Xác định Imax và Imin : Khi H đóng mạch (tương đương với việc mở S1) ta có : ; với Sử dụng phương pháp biến đổi Laplace ta được: Khi mới bắt đầu cho bộ biến đổi làm việc thì Id=0. Nhưng sau một vàI chu kỳ, dòng Id sẽ biến động và xác lập giữa hai giá trị Imax và Imin ( Do D1 & D2 dẫn khi S1 khoá). Do đó Id(0)=Imin . Thay vào phương trình trên ta được: Tra bảng gốc ảnh ta tìm được: Khi mạch hở ( tương đương với việc khoá S1 mở S2). Ta có phương trình trong giai đoạn D1 dẫn : (Vì tần số đóng cắt cao nên coi như E không đổi trong suốt quá trình hoạt động của bộ băm xung ) Tương tự như vậy ta tìm được nghiệm Vận dụng các sơ kiện : t=eT ị Id=Imax t=T ị Imin=Id Trong đó: Xác định điện áp trung bình trên tải : Từ biểu đồ dạng sóng của điện áp đặt trên tải, ta có: Giá trị trung bình của dòng tải : Từ phương trình của mạch tải ta có: Độ nhấp nhô của dòng điện tải : Ta có: (Khi lấy giá trị xấp xỉ như trên ta coi R=0) Từ biểu thức vừa tính được ta thấy rằng :Khi T=const thì độ nhấp nhô DId là hàm của tỷ số chu kỳ e .Từ đó ta có ; Cho Do đó DIdmax= Vậy muốn cho dòng điện tải ít nhấp nhô,cần tăng tần số băm f hoặc tăng điện cảm L(bằng cách nối thêm 1 điện cảm nối tiếp với phần ứng động cơ). Giá trị trung bình dòng qua van: Ta có : Giá trị trung bình qua diod : Nhận xét: Qua các phương pháp đã nêu trên ta chọn phương pháp điều khiển dùng băm xung áp loại B vì nó có những ưu điểm sau: + Dòng qua tải luôn là liên tục,do đó tạo điều kiện tốt cho động cơ hoạt động êm. + Có thể thực hiện được quá trình tái sinh năng lượng. Mặt khác sơ đồ sử dụng Transistor vì nó có những ưu điểm sau: + Có thể sử dụng với tần số đóng cắt cao. + Điều khiển được hoàn toàn, không cần thêm các mạch phụ trợ cho việc khoá cưỡng bức như ở thyristor. + Thích hợp với công suất nhỏ... Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là mạch điều khiển phức tạp hơn. Trong quá trình quay theo một chiều xác định nào đó 1 van luôn ở trạng thái dẫn bão hoà ị Gây ra tổn hao dẫn lớn . Sơ đồ mạch lực khi dùng Transistor như sau: Chương IV: Thiết kế mạch lực x1 Chọn van mạch lực : Chọn động cơ: Uđm=48V;Iđm = 60A; Rw= 0,2W; Lw= 0,1mH; h=83%. Với tần số làm việc thông thường là f=400Hz ị T=2.5 ms. Từ các thông số trên ta tính được: Ewđm= Udm- Rw.Iđm=48 - 0,2 ´ 60 = 36V. Việc chọn van bán dẫn mạch lực được chọn theo các thông số cơ bản của van. Hai thông số cơ bản để chọn van là: + Giá trị dòng trung bình lớn nhất của van (Itb max); đây là giá trị dòng lớn nhất mà van có thể chịu được ứng với chế độ làm mát tốt nhất cho van (chế độ lý tưởng). Trong thực tế, không đạt được điều kiện làm mát lý tưởng nên việc sử dụng van không được quá giá trị này. + Giá trị biên độ điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên van (Ungược max ); nếu vượt quá giá trị này thì van bị chọc thủng. Như đã đề cập ở phần trước, ta dùng các van bán dẫn là các tranzito công suất; tức là các van điều kiển hoàn toàn. Xuất phát từ đặc điểm công nghệ, ta chọn điều kiện làm mát là làm mát cưỡng bức bằng quạt gió, với các cơ cấu: Van + cánh tản nhiệt chuẩn + tốc độ gió (12 m/s). Vì vậy: Itb van thực= (0,4 á 0,5) Itb van max. Chọn tranzito công suất (T1 á T4). Từ biểu thức dòng trung bình qua van xác định ở trên, ta có: Itb Van = IT = e.Id ị Itb van max thực = Id max = ị Từ biểu đồ dạng sóng điện áp đặt trên van, ta thấy điện áp ngược lớn nhất đặt lên van là US; tức là : Ung van max = US = 48V. Từ kết quả hai thông số tính toán được ở trên ta chọn loại transistor công suất loại ESM 3004 có các thông số sau: Mã hiệu UCE ,V UCE0 , V UCE..sat,V IC, A b IB, A toff, ms ton, ms ts, ms Pm, W ESM 3005 600 500 1.5 120 12 10 1 1,5 3,5 400 Chọn các đi-ot (D1 á D4). Biểu thức dòng trung bình qua các đi-ốt là: ID = Id.(1-e) ị ID max thực = Id max = 60A. Cũng từ đồ thị dạng sóng của diode ta thấy rằng điện áp ngược lớn nhất đặt lên các diode là: 48V. Vậy ta chọn loại BYT60 do hãng Thomson chế tạo có các thông số: Mã hiệu Itb , A Umax , V BYT 60 60 200 á 1000 x2.Thiết kế mạch trợ giúp : Thực tế là tổn hao chuyển mạch của tranzitor công suất lớn hơn rất nhiều so với trường hợp nó làm việc với tải xác định. Mặt khác, so với tiristor khả năng chịu quá tải của tranzitor kém hơn. Trong trường hợp cụ thể là tranzitor