Đồ án Thiết kế bộ băm xung một chiều điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song lấy nguồn cung cấp từ acqui

cỏc cực từ. - Cực từ phụ: được đặt giữa cỏc cực chớnh và dựng để cải thiện đổi chiều, lừi thộp thường làm bằng thộp khối và trờn thõn cực từ phụ cú đặt dõy quấn giống như cực từ chớnh. - Gụng từ: dựng để làm mạch từ nối liền cỏc cực từ đồng thời làm vỏ mỏy. - Chổi than : là cỏc thanh Cacbon được tiếp xỳc với cổ gúp để đưa dũng điện từ nguồn một chiều vào rụto . Chổi than được đặt ở trung tớnh hỡnh học của động cơ. 2) Phần ứng (rotor): Phần ứng là phần cho dũng điện một chiều chạy trong nú, tương tỏc giữa dũng điện I và từ thụng F sinh ra mụmen quay. Nú gồm ba phần chớnh: - Lừi thộp : là cỏc lỏ thộp kĩ thuật điện (Fe - Si) mỏng ghộp lại với nhau, trờn cú xẻ rónh để đặt cỏc bối dõy. - Dõy quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động và cú dũng điện chạy qua, nú được cấu tạo gồm cỏc dõy đồng trũn được ghộp thành cỏc phần tử (bối dõy), cỏc bối dõy được ghộp theo kiểu dõy quấn xếp đơn hay dõy quấn phức tạp tuỳ yờu cầu mụmen lớn hay nhỏ. - Cổ ghúp : gồm cỏc phiến gúp được cỏch điện với nhau, cỏc phiến gúp được nối với cỏc đầu mỳt của cỏc bối dõy để đưa dũng điện vào phần ứng. Ngoài ra cũn cú cỏc bộ phận khỏc gồm cỏnh quạt dựng để làm ngội mỏy, trục mỏy... Tựy theo phương phỏp kớch từ người ta chia động cơ một chiều thành cỏc dạng kớch từ nối tiếp, kớch từ song song, kớch từ hỗn hợp, kớch từ độc lập. Hỡnh I- Sơ đồ nguyờn lý của động cơ điện một chiều kớch từ nối tiếp (a), kớch từ song song(b), kớch từ hỗn hợp(c), và kớch từ độc lập(d). Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ song song. I.2) Phương trỡnh đặc tớnh cơ của động cơ điện một chiều kớch từ song song: 1) Định nghĩa: Phương trỡnh đặc tớnh cơ là đồ thị miờu tả mối quan hệ giữa mụ men điện từ Mđt và tốc độ gúc w của động cơ. 2) Đặc tớnh cơ: Từ phương trỡnh cõn bằng điện ỏp : ị Độ cứng đặc tớnh cơ: TN M n MC MC1 n0 nyc n1 b càng lớn đặc tớnh cơ càng cứng Đồ thị: : tốc độ khụng tải lớ tưởng. Mmm= : Mụmen mở mỏy. I.3) Mở mỏy và hóm động cơ điện một chiều: 1) Mở mỏy: Từ phương trỡnh điện ỏp phần ứng : U=Eu+Ru.Iu Khi mở mỏy n=0 ị Eu==0 Dũng điện phần ứng lỳc mở mỏy là: Iumở = vỡ Ru nhỏ Iumở lớn khoảng (20 á 30) Iđm làm hỏng chổi than và cổ gúp. Để dảm dũng điện mở mỏy ta dựng cỏc biện phỏp sau: + Dựng biến trở mở mỏy R mở: Mắc biến trở này vào mạch phần ứng lỳc cú biến trở này : Iưmở =U/(Rư+Rmở ) Lỳc đầu để Rmở max, trong quỏ trỡnh mở này tốc độ tăng lờn Eư tăng lờn và điện trở này giảm dần đến 0, mỏy làm việc đỳng điện ỏp định mức. + Giảm điện ỏp đặt vào phần ứng: Phương phỏp là phương phỏp thường dựng hơn cả nú dũi hỏi cú một nguồn điện cú thể điều chỉnh được điện ỏp như nguồn chỉnh lưu, hệ mỏy phỏt động cơ hay bộ băm xung một chiều. Phương phỏp này dựng kết hợp với việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cỏch thay đổi điện ỏp phần ứng rất tiện lợi. 2) Cỏc trạng thỏi hóm động cơ: Hóm là trạng thỏi mà động cơ sinh ra mụ men quay ngược chiều tốc độ quay .Trong tất cả cỏc trạng thỏi hóm động cơ đều làm việc ở chế độ mỏy phỏt. Tựy theo cỏch biến đổi năng lượng cơ trong khi hóm người ta chia làm 3 trạng thỏi hóm: a) Hóm tỏi sinh: Năng lượng động cơ trả vể nguồn xẩy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ khụng tải lý tưởng . Khi hóm tỏi sinh Eu>Uu, động cơ làm việc như một mỏy phỏt điện song song với lưới , so với chế độ động cơ dũng điện và mụ men hóm đó đổi chiều . Đường đặc tớnh cơ trạng thỏi hóm tỏi sinh nằm trong gúc phần tư thứ II và thứ IV của mặt phẳng toạ độ.Trong trạng thỏi hóm tỏi sinh dũng điện hóm đổi chiều và cụng suất đưa trả về lưới điện cú giỏ trị P = (E –U) .I b) Hóm ngược: Năng lượng của nguồn và động cơ bị tiờu tỏn dưới dạng nhiệt. Xẩy ra khi phần ứng dưới tỏc dụng của động năng tớch luỹ trong cỏc bộ phận chuyển động do mụmen thế năng quay ngược chiều với mụmen điện từ của động cơ. Mụmen sinh ra bởi động cơ chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản suất cú hai trường hợp hóm ngược : + Đưa điện trở vào mạch phần ứng. + Đảo chiều điện ỏp phần ứng. c) Hóm động năng: Là trạng thỏi động cơ làm việc như một mỏy phỏt mà năng lượng cơ học của động cơ đó tớch luỹ được trong quỏ trỡnh làm việc trước đú biến thành điện năng tiờu tỏn trong mạch hóm dưới dạng nhiệt. Như vậy ta thấy hóm tỏi sinh là phương phỏp hóm tiết kiệm được năng lượng nhất, và điều này là rất cần thiết, nhất là đối với cỏc động cơ chạy bằng acqui. Vỡ vậy, trong khi thiết kế bộ băm điện ỏp, ta cố gắng điều khiển động cơ hóm tỏi sinh. I.4) Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kớch từ song song: Động cơ điện một chiều cú đặc điểm là: Ưu điểm : điều chỉnh tốc độ dễ dàng, nhiều kờnh điều khiển. Nhược điểm: sử dụng nguồn điện một chiều. Với sự phỏt triển của cụng nghệ bỏn dẫn như hiện nay mỏy điện một chiều dó trở thành một cơ cấu khụng thể thiếu trong truyền động điện. Từ phương trỡnh về vận tốc: . Ta cú cỏc phương phỏp để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều như sau : U1 U2 U3 TN ( Udm ) n0 ncb n1 n2 n3 M n MC Udm > U1 > U2 > U3 ncb > n1 > n2 > n3 1) Thay đổi tốc độ động cơ bằng cỏch thay đổi điện ỏp: Đặc điểm : - Đặc tớnh cơ là cỏc đường song song với đặc tớnh cơ tự nhiờn của động cơ, do đú độ cứng của đặc tớnh cơ khụng thay đổi. - Do U chỉ cú thể giảm do đú chỉ cú thể điều chỉnh giảm tốc độ của động cơ. - Cú thể thay đổi U băng cỏc van bỏn dẫn. 2) Thay đổi điện trở phần ứng Ru: TN Rf1 Rf2 Rf3 0 MC n3 n2 n1 ncb n0 n M, I 0 < Rf1 < Rf2 < Rf3 ncb > n1 > n2 > n3 Đặc điểm : - Khi thờm Ruf vào phần ứng động cơ thỡ độ cứng của đặc tớnh cơ giảm hay đặc tớnh cơ của động cơ giảm đi cú nghĩa là với một sự thay đổi rất nhỏ của tải sẽ dẫn đến một sự thay đổi rất lớn của w nờn khụng ổn định do đú trờn thực tế điều chỉnh tốc độ băng Ru ớt được sử dụng. - Ngoài ra khi thờm Ru vào phần ứng cũng cú nghĩa là tăng tổn hao làm núng động cơ. Phương phỏp này chỉ sử dụng để giảm dũng mở mỏy khi khởi động động cơ. F1 F2 Fủm 0 MC M2 M1 Mn ncb n1 n2 n M fủm > f1 > f2 ncb < n1 < n2 3) Điều chỉnh tốc độ bằng cỏch thay đổi từ thụng: Đặc điểm : - Vỡ từ thụng trong lừi thộp rất dễ bóo hoà nờn người ta thường chỉ điều chỉnh giảm từ thụng trong động cơ. - Khi từ thụng Fdm giảm đến Fi thỡ cú một Mik nào đú, khi McMik việc giảm F sẽ làm tốc độ động cơ. Trờn thực tế điều chỉnh tốc độ bằng cỏch thay đổi từ thụng là rất khú thực hiện vỡ quan hệ F(w) là phi tuyến. I.5) Lựa chọn phương ỏn điều chỉnh tốc độ: Từ cỏc phõn tớch trờn, ta thấy trong cỏc phương phỏp điều chỉnh tốc độ trờn thỡ phương phỏp điều chỉnh tốc độ nhờ thay đổi điện ỏp phần ứng là khả thi và tin cậy nhất, bởi vỡ dễ điều chỉnh và cú đặc tớnh cơ cứng. Với sự phỏt triển của kĩ thuật bỏn dẫn ngày nay thỡ phương phỏp điều chỉnh này hoàn toàn dễ dàng thực hiện được và đem lại hiệu quả cao. Trong khuụn khổ đồ ỏn này, ta sẽ thiết kế bộ băm xung một chiều cú đảo chiều bằng cỏch thay đổi điện ỏp phần ứng, ngoài ra nó còn cú thể thực hiện chức năng mở lại mỏy (reset) và hóm tỏi sinh động cơ. CHƯƠNG II - TÍNH CHỌN MẠCH LỰC II.1) Giới thiệu chung về bộ băm xung một chiều: 1) Nguyờn lý: Bộ băm điện ỏp một chiều cho phộp từ nguồn điện một chiều Us tạo ra điện ỏp tải Ura cũng là điện ỏp một chiều nhưng cú thể điều chỉnh được. Ura t t1 t2 T Utb BBĐBBĐ một chiều US Ura BBĐ 0 Ura là một dóy xung vuụng (lý tưởng) cú độ rộng t1 và độ nghỉ t2. Điện ỏp ra bằng giỏ trị trung bỡnh của điện ỏp xung: Ura = γ .Us (γ=t1/T). Nguyờn lý cơ bản của cỏc bộ biến đổi này là dựng quy luật đúng mở cỏc van bỏn dẫn cụng suất một cỏch cú chu kỳ để điều chỉnh hệ số γ đảm bảo thay đổi được giỏ trị điện ỏp trung bỡnh trờn tải. 2) Cỏc phương phỏp điều chỉnh điện ỏp ra: Cú 3 phương phỏp điều chỉnh điện ỏp ra: a) Phương phỏp thay đổi độ rộng xung: Nội dung của phương phỏp này là thay đổi t1, giữ nguyờn T ị Giỏ trị trung bỡnh của điện ỏp ra khi thay đổi độ rộng là: trong đú: là hệ số lấp đầy, cũn gọi là tỉ số chu kỳ. Như vậy theo phương phỏp này thỡ dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 < e Ê 1). b) Phương phỏp xung - tần: Nội dung của phương phỏp này là thay đổi T, cũn t1=const. Khi đú: Vậy Ura=US khi và Ura=0 khi f=0. c) Phương phỏp xung - thời gian: Vừa thay đổi độ rộng xung vừa thay đổi tần số theo nguyờn tắc giữ DI min Trong thực tế, phương phỏp biến đổi độ rộng xung được dựng phổ biến hơn vỡ đơn giản hơn, khụng cần thiết bị biến tần đi kốm. II.2) Sơ đồ bộ băm xung ỏp một chiều cú đảo chiều cả dũng điện và điện ỏp: Do yờu cầu của đồ ỏn là thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kớch từ song song, Thoả món cỏc yờu cầu trờn ta chỉ cú thể chọn mạch lực là bộ băm xung áp một chiều với Sơ đồ nguyờn lý như sau : Trong đú :V1,V2 là cỏc van điều khiển hoàn toàn. D1,D2, là cỏc diot. Sơ đồ trờn cho phộp điều chỉnh tốc độ quay của động cơ, đặc tớnh làm việc của động cơ cú thể ở góc phần tư thứ nhất và gúc phần tư thứ 2. US idk1 idk2 ud US uS1,iS1 iS uD1, iD1 Biểu đồ dạng súng dũng, ỏp trờn cỏc phần tử b) Cỏc biểu thức tính toán: - Tỡm biểu thức của dũng tải : + Khi (D1, D2) và (V1, V2) dẫn: Trong giai đoạn này điện ỏp trờn tải là UT=US, do đú phương trỡnh mạch tải sẽ là: Giải phương trỡnh vi phõn, ta cú: - Giỏ trị trung bỡnh của điện ỏp trờn tải: Trong đú: là tỷ số chu kỳ. Vậy nếu ta thay đổi được e ta sẽ điều chỉnh được Ud. Cụ thể: e=0,5đ Ud=0ị Động cơ khụng được đặt điện ỏp. e>0,5đ Ud>0ịĐộng cơ quay ngược. e<0,5đ Ud<0ịĐộng cơ quay thuận. - Giỏ trị trung bỡnh của dũng qua diod D1 và D2: - Giỏ trị trung bỡnh dũng qua van: - Giỏ trị trung bỡnh dũng tải: 2) Điều khiển a) Nguyờn lý làm việc của mạch trờn như sau: + Ở thời điểm t0 =0 phỏt xung điều khiển V1 do Id=Imin<0 D1 vẫn dẫn ud =UN Id tăng dần đến thời điểm t= t1 Id =0 V1 bắt đầu dẫn Id tiếp tục tăng dần đạt đến Id =Imax tại thời điểm t=t2. + t = t2 =e.T phỏt xung điều khiển V2 , khoỏ van V1 do Id >0 tải điện cảm dũng id tiếp tục chảy theo chiều cũ qua ,D2 ud =UN ;V2 chưa dẫn, dũng dũng id>0 giảm dần làm xuất hiện suất điện động tự cảm trờn cuộn dõy L đến t=t3 id=0 UV2 >0 van V2 dẫn id chảy theo chiều ngược lại và tăng dần đến thời điểm t=t4 I=Imin khoỏ van V2, phỏt xung điều khiển V1 dũng id tiếp tuc chảy theo chiều cũ qua D1,D2 trả năng lượng về nguồn… udk1 udk2 t0 t1 t2 t3 t4= T id Imax Imin ud UN Id Ud D1D4 V1V4 D2V4 V2D4 b) Cỏc biểu thức tính toán: - Dũng lớn nhất và nhỏ nhất qua tải: Trong đó: . - Giỏ trị dũng trung bỡnh qua tải: - Dũng trung bỡnh qua van: IT = - Dũng trung bỡnh qua diod: - Giỏ trị trung bỡnh của điện ỏp trờn tải: Như vậy, để điều khiển tốc độ động cơ, ta chỉ cần điều khiển ε để điều chỉnh điện ỏp ra tải.cú những ưu điểm sau: + Điện ỏp ra tải chỉ cú 1 dấu ở chiều xỏc định. + Cho phộp giảm độ đập mạch dũng điện + Mặt khỏc nú cũng cho phộp làm việc ở cỏc chế độ sau: eUS> E đ Động cơ nhận năng lượng. eUS < E đ Động cơ phỏt năng lượng. II.3) Giới thiệu một số loại van dựng trong mạch băm xung: 1) Trasistor cụng suất: E IC B UBE IE C IB UCE Transistor cụng suất cú cấu trỳc và ký hiệu như sau: ( a ) - Nguyờn lớ hoạt động: Tranzitor hoạt động như một phần tử chuyển mạch ta quan tõm đến 2 trạng thỏi dấn dũng và.trạng thỏi khoỏ + Trạng thỏi dẫn: UBE>0 Điều kiện để đưa van vào vựng dẫn bóo hoà IB≥IC/β Thực tế IB=s.IC/β + Trạng thỏi khúa: UBE≤0, ic≈0. Trong quỏ trỡnh van dẫn hoặc khoỏ cụng suất tiờu tỏn pc=UCE.IC=0. Để chuyển trạng thỏi phải đi qua vựng khuyếch đại IC≠0, UCE≠0 ,tổn thất trờn van chủ yếu là khi van chuyển trạng thỏi và tỉ lệ thuận với tần số hoạt động của van.Khi làm việc với tần số f>5 kHz hoặc VCEO≥60V, IC>5A phải cú mạch trợ giỳp để trỏnh cho van bị quỏ nhiệt gõy hỏng van. - Cỏc thụng số của transistor cụng suất: + IC: Dũng colectơ mà transistor chịu được. + UCEsat: Điện ỏp UCE khi transistor dẫn bóo hũa. + UCEO: Điện ỏp UCE khi mạch badơ để hở, IB = 0 . + UCEX: Điện ỏp UCE khi badơ bị khúa bởi điện ỏp õm, IB < 0. + ton : Thời gian cần thiết để UCE từ giỏ trị điện ỏp nguồn U giảm xuống 0V. + tf : Thời gian cần thiết để iC từ giỏ trị IC giảm xuống 0. + tS : Thời gian cần thiết để UCE từ giỏ trị UCESat tăng đến giỏ trị điện ỏp nguồn U. + P : Cụng suất tiờu tỏn bờn trong transistor. Cụng suất tiờu tỏn bờn trong transistor được tớnh theo cụng thức: P = UBE.IB + UCE.IC. + Khi transistor ở trạng thỏi mở: IB = 0, IC = 0 nờn P = 0. + Khi transistor ở trạng thỏi đúng: UCE = UCESat. ( b ) ( a ) IC UCE b a UCE IC IC ã Trạng thỏi dẫn và trạng thỏi bị khúa a) Trạng thỏi đúng mạch hay ngắn mạch IB lớn, IC do tải giới hạn. b) Trạng thỏi hở mạch IB = 0. - Đặc tớnh tĩnh của transistor: UCE = f (IC). Đặc tớnh tĩnh của transistor: UCE = f ( IC ). Vựng tuyến tớnh Vựng gần bóo hũa Vựng bóo hũa UCE IC - Ứng dụng của transistor cụng suất: Transistor cụng suất dựng để đúng cắt dũng điện một chiều cú cường độ lớn. Tuy nhiờn trong thực tế transistor cụng suất thường cho làm việc ở chế độ khúa. IB = 0, IC = 0: transistor coi như hở mạch. 2) Transistor Mos cụng suất: Transistor trường FET (Field - Effect Transistor) được chế tạo theo cụng nghệ Mos (Metal - Oxid - Semiconductor), thường sử dụng như những chuyển mạch điện tử cú cụng suất lớn. Khỏc với transistor lưỡng cực được điều khiển bằng dũng điện, transistor Mos được điều khiển bằng điện ỏp. Transistor Mos gồm cỏc cực chớnh: cực mỏng (drain), nguồn (source) và cửa (gate). Dũng điện mỏng - nguồn được điều khiển bằng điện ỏp cửa - nguồn. ã Cửỷa ã ã Nguoàn ã Maựng ( b ) ( a ) = 3V = 4,5V = 6V = 9V = 7,5V Doứng ủieọn maựng ẹieọn trụỷ haống soỏ ẹieọn aựp maựng – nguoàn Hình a) Họ đặc tớnh ra. Hình b) Ký hiệu thụng thường kờnh n. Transistor Mos là loại dụng cụ chuyển mạch nhanh. Với điện ỏp 100V tổn hao dẫn ở chỳng lớn hơn ở transistor lưỡng cực và tiristor, nhưng tổn hao chuyển mạch nhỏ hơn nhiều. Hệ số nhiệt điện trở của transistor Mos là dương. Dũng điện và điện ỏp cho phộp của transistor Mos nhỏ hơn của transistor lưỡng cực và tiristor. 3) Tiristor: a) Cấu tạo: Tiristor là linh kiện gồm 4 lớp bỏn dẫn PNPN liờn tiếp tạo nờn anốt, katốt và cực điều khiển. P1 N1 P2 N2 ( a ) ( b ) A J1 J2 J3 A K G G K Hình a) Cấu tạo của tiristor. Hình b) Ký hiệu của tiristor. Trong đó: + A: anốt. + K: katốt. + G: cực điều khiển. + J1, J2, J3: cỏc mặt ghộp. Khi khụng tỏc động vào cực điều khiển G Thyristor khụng phải là phần tử dẫn điện. Đặc tớnh Vụn ampe nằm hoàn toàn trờn trục hoành. - Thyristor dẫn dũng khi: + UAK>0. + IG đủ lớn (Cỡ 0,1-1A) Khi Thyristor đó dẫn dũng thỡ nú vẫn tiếp tục dẫn dũng mà khụng cần dũng điều khiển.Dũng điều khiển là dũng xung ,thời gian xung mở(tx) phải đủ lớn để dũng qua van tăng lờn giỏ trị dũng duy trỡ (IA≥Idt) lỳc đú Thyristor mở hẳn (tx cỡ vài trăm μs). Do dũng điều khiển chỉ tỏc động trong thời gian ngắn nờn cụng suất tiờu tỏn trờn van là rất nhỏ. - Thyristor khoá dòng khi: + Làm giảm dũng điện làm việc I xuống dưới giỏ trị dũng duy trỡ IH ( Holding Current ). + Đặt một điện ỏp ngược lờn tiristor. Khi đặt điện ỏp ngược lờn tiristor: UAK < 0, J1 và J3 bị phõn cực ngược, J2 phõn cực thuận, điện tử đảo chiều hành trỡnh tạo nờn dũng điện ngược chảy từ katốt về anốt, về cực õm của nguồn điện ngoài. Thời gian khúa toff: Thời gian từ khi bắt đầu xuất hiện dũng điện ngược đến dũng điện ngược bằng ,toff kộo dài khoảng vài chục μs. IH U I UZ 0 Uch Đặc tớnh volt-ampe của tiristor. - Ứng dụng: Tiristor được sử dụng trong cỏc bộ nguồn đặc biệt: trong mạch chỉnh lưu, bộ băm và trong bộ biến tần trực tiếp hoặc cỏc bộ biến tần cú khõu trung gian một chiều. 4) GTO - gate turn off thyristor: Một Thyristor thụng thường khi đó được kớch mở cho dũng điện chảy qua vẫn tiếp tục ở trạng thỏi mở chừng nào dũng điện chảy qua nú hóy cũn lớn hơn hay bằng dũng điện duy trỡ. Khúa Thyristor để khúa thỡ dũng điều khiển cú trị số gần ngang dũng qua GTO tuy nhiờn thời gian tồn tại dũng này rất nhỏ nhưng nhỡn chung việc khúa GTO làm mạch phức tạp vỡ vậy khụng tiện sử dụng. Dưới đõy là một bảng so sỏnh về cỏc van bỏn dẫn trong cỏc ứng dụng thực tế: Thyristor BJT FET GTO IGBT Availabilty Early 60s Late 70s Early 80s Mid 80s Late 80s Voltageratings 5 kV 1 kV 0,5 kV 5 kV 3,3 kV Curentratings 4 kA 400 A 200 A 5 KA 1,2 kA Switch Freg na 5 kHz 1 MHz 2 kHz 100 kHz Drive Circuit Simple Difficult Very simple Very difficult Very simple Từ cỏc phõn tớch và bảng so sỏnh trờn, ta thấy với đối với bộ băm xung một chiều dựng cho động cơ cú điện ỏp định mức 12V dũng điện định mức 50A thỡ sử dụng van IGBT làm khúa đúng cắt là hợp lớ nhất. Vậy ta cú sơ đồ mạch lực như sau: III.4) Tớnh chọn mạch lực: a) Đặt vấn đề: Để tính toán mạch lực, trước hết ta chọn chế độ làm mát cho van. -Chế độ làm việc của các van rất khắc nhiệt, rất nhạy cảm với nhiệt độ. Nhiệt độ của van tăng lên do công suất tổn hao trên van gây ra. Khi nhiệt độ của van cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh nhiệt lượng được truyền vào môi trường, nếu nhiệt độ của van vượt quá giới hạn cho phép sẽ phá hủy van, vì vậy làm mát cho van là một vấn đề rất quan trọng. Thông thường van được gắn lên một cánh tản nhiệt với thông số phù hợp. Có các biện pháp làm mát thường gặp : + Làm mát tự nhiên : chỉ dựa vào sự đối lưu không khí xung quanh van, hiệu suất làm việc của van thấp chỉ khoảng 25%. + Làm mát bằng gió cưỡng bức : tạo luồng không khí với tốc độ lớn qua van để đẩy nhanh qúa trình truyền nhiệt của van vào không khí, hiệu suất làm việc của van từ 30%60%. + Làm mát bằng nước : van được gắn thêm tấm đồng rỗng cho nước chảy qua. Đây là biện pháp làm mát rất hiệu quả, hiệu suất làm việc của van đạt đến 80%, tuy nhiên hệ thống làm mát phức tạp chỉ phù hợp với yêu cầu công suất lớn và có nguồn nước tại vị trí lắp đặt thiết bị. - Qua những phân tích trên, vì đặc diểm của dòng hàn là dòng tác động nhanh nên ta chọn cách làm mát bằng bằng gió cưỡng bức với hiệu suất làm việc của van tiristor là 40%. Đây là biện pháp phù hợp hơn cả. b) Tính toán các thông số để chọn van: - Để chọn van IGBT, ta cần tớnh toỏn IC MAX (dũng trung bỡnh lớn nhất qua van) và điện ỏp ng ược lớn nhất UCES để chọn van IGBT. - Để chọn Diode, ta cần tính điện ỏp ngược cực đại trờn Diode để chọn diode. - Vỡ mỗi van IGBT đều cú một diode nối ngược chiều nờn nú khụng phải chịu điện ỏp ngược. Cỏc giỏ trị dũng ỏp lớn nhất sẽ đạt được khi mạch hoạt động ở cỏc chế độ khắc nghiệt nhất đối với từng van, do vậy ta sẽ xét trường hợp van làm việc ở chế độ nặng nề nhất. - Ta có: dòng điện lớn nhất qua van là dòng định mức qua tải: Imax = Iđm = 60 (A). - Vì van làm việc với hiệu suất 30%, nên dòng điện IC MAX cần tính là: IC MAX = ==150 (A). Ta chọn van IBGT là loại IR MG300Q1US51 với các thông số sau: 1) ICMAX = 400( A) 2) VCES=1200 (V) 3) Pd max =2500(W) 4) VCE = 3,6 (sat) 5) ICES =4000 (mA) - Chọn Diode như sau: +Điện ỏp UDS trờn van T1 , T2 và điện ỏp ngược trờn D1 , D2 bằng UN - 2DUDS ( với DUDS là điện ỏp rơi trờn MOSFET khi dẫn ) => UDS T2 max = UDS T3 max = UN D2 max = UN D1 max =UN - 2DUDS ≈ UN ITB T1 max = ITB T2 max =Iđm = 60 A UDS T1 max = UDS T2 max = UN D1 max = UN D2 max = UN Điode cũng làm việc với hiệu suất 40%, do đó: ID MAX = ==150 (A). Ta chọn loại Diode lSkr240/04 với các thông số: 1) Itb max= 150 (A) 2) Iđ = 6000 (A) 3) Ung max =400 (V). CHƯƠNG III - tíNH TOáN MạCH ĐIềU KHIểN Sơ đồ khối mạch điều khiển: phản hồi Tạo dao đkhộng Tạo điện ỏp răng cưa So sỏnh Chọn van f=const Udk KĐX Mạch van Uph Ud (điều khiển tốc độ) u1 u2 u3 Tạo trễ (chống ngắn mạch) Chọn chiều quay, Lệnh hóm III.1) Chọn các khâu của mạch điều khiển: 1) Khõu tạo dao động: ở khâu này người ta thường sử dụng mạch đa hàI hay dùng khuếch đại thuật toán hoặc sử dụng vi mạch 555. a) Mạch đa hài xung đối xứng (hình a) và mạch đa hài đối xứng (hình b): Chu kỳ của xung ra là: + với bộ dao động đa hài đối xứng: T = 2.R3.C.ln(1+) + với bộ dao động đa hài không đối xứng: T = T1+T2 = R3.C.ln(1+)+ R4.C.ln(1+) T = (R3+R4).C.ln(1+). ở khâu này ta chọn sơ đồ sử dụng vi mạch đa hài - Hoạt động của sơ đồ: Ta cú đồ thị điện ỏp ra: E/3 2E/3 Uc U3 T1 T2 0 0 T t t Ban đầu Uc = E/3 thỡ U(3) = ‘1’ , tụ điện C nạp cho Uc tăng theo hàm mũ đến khi Uc = 2E/3 thỡ tụ C phúng điện qua R2và T . Khi đú điện ỏp Uc giảm dần U(3) = ‘0’ . Khi Uc = E/3 thỡ T bị khoỏ lại , Uc = ‘1’ - Chu kỡ xung : + Khi C1 nạp ta cú phương trỡnh : R1i + Uc = E , i = C R1C Chuyển sang toỏn tử laplace : pUc(p) – Uc(0) + aUc(p) = aE/p với Uc(0) = E/3 ịuc(p)= ịuc(p)=E(1-e-at)+E/3.e-at . Thay t=T1ị uc(T1)= E/3 ịT1=0,693CR1 + Khi tụ C phúng ta cú phương trỡnh: uc(t)= khi t=T2 thỡ uc(T2)=E/3 ịT2=2.0,693CR2. Vậy, chu kỳ xung là: T=T1+T2=0,693C(R1+2.R2). III.2) Khõu tạo điờn ỏp răng cưa: Nguyên tắc của việc tạo điện áp răng cưa là dựa vào sự phóng nạp của tụ C qua một mạch nào đó. Quan hệ dòng và áp trên tụ C có dạng: ic(t) = C. Để Uc (t) tuyến tính phải có điều kiện là : C và ic(t) là các hằng số. Các mạch thông dụng dùng dùng trandito: a) Mạch hình a : Răng cưa này có dạng phi tuyến làm cho sự thay đổi của góc a phụ thuộc vào Uđk không tuyến tính. b) Mạch hình b: Khi uđf > 0 ị T thông nên Utựa= Uc = 0. Khi uđf < 0 ị T khoá, có sơ đồ thay thế như sau: Từ sơ đồ thay thế ta có : ie = ic + ib ằ ic ie = iR3 = ị UC(t) = Ta thu được dạng răng cưa tuyến tính như hình vẽ. c) Mạch tạo xung sử dụng KĐTT hình c, đây là sơ đồ tạo điện áp răng cưa tuyến tính hai nửa chu kỳ có độ ổn định và độ tin cậy cao. ở khâu này ta chọn sơ đồ c. III.3) Khõu so sỏnh: Để xác định thời điểm mở Thyristor ta cần so sánh 2 tín hiệu là Uđk và Utựa. Việc so sánh 2 tín hiệu này thường được thực hiện bằng khuếch đại thuật toán. a) So sánh 1 cửa: thời điểm lật trạng thái là lúc UN=UP =0 Ta có: UN = UP = 0 b) So sánh 2 cửa: thời điểm lật trạng thái là lúc Utựa=Uđk: Lúc Utựa > Uđk thì DU = Utựa – Uđk > 0 ị Uss = +Uramax (Uramax). Lúc Utựa < Uđk thì DU < 0 ị Uss = -Uramax. Trong 2 sơ đồ trên thì sơ đồ so sánh một cửa dùng cho tín hiệu khác dấu còn sơ đồ so sánh 2 cửa được dùng cho hai tín hiệu cùng dấu. Do đó ta sẽ sử dụng sơ đồ 1 - so sánh 2 cửa. Nguyờn lý hoạt động của so sánh 2 cửa như sau: Đõy là bộ so sỏnh đầu vào đảo Khi u2>udk à u3 = 0 Khi u2< udk à u3 =10 (V) = Umax Như vậy khi điều chỉnh udk ta sẽ điều chỉnh được gúc γ tức điều chỉnh được độ rộng xung, từ đú ta có thể điều chỉnh được điện ỏp ra tải. Ta cú quan hệ giữa γ > α nờn muốn cú dải điều chỉnh rộng ta phải giảm α nghĩa là giảm độ rộng xung ở khõu tạo dao động (u1). III.4) Khõu chọn van: Qua khõu so sỏnh ta đó thu được dạng xung vuụng đó điều chỉnh độ rộng xung tương ứng với Udk Khõu chọn van cú nhiệm vụ đưa xung và van để cú thể điều khiển cả mạch lực hoạt động theo phương phỏp điều khiển đó được lựa chọn . mà ở đõy là khi cú tớn hiệu điều khiển quay thuận thỡ mạch logic cho phộp xung u3 được đưa vào V1 điện ỏp nghịch đảo u3 được đưa vào V2 , tớn hiệu điều khiển V2 cú giỏ trị 0 điều khiển V1 cú giỏ trị 1 để : V1 , V2 đúng mở ngược pha nhau . Mạch thực hiện nhiệm vụ đú như sau: III.5) Khõu tạo trễ: Như ở cỏc phần trờn ta đó phõn tớch thỡ cỏc van thẳng hàng (V1 và V2, ) được đúng mở ngược pha nhau, để chống ngắn mạch do van này chưa kịp khúa mà van kia đó cú lệnh mở thỡ ta phải thờm vào trước mỗi van một khõu tạo trễ. Sơ đồ và nguyờn lớ làm việc: uv5 Ur5 ttr γT T Thời gian trễ vào khoảng ttrễ = 0,693R5.1.C5.1 Để mạch làm việc an toàn ta phải cú ttr > toff của van thời gian này sẽ được tớnh toỏn sau khi chọn van mạch lực. III.6) Khõu khuếch đại xung: Mạch khuyếch đại xung nhận đầu vào là xung từ mạch điều khiển cú biờn độ nhỏ đầu ra là xung cú cựng dạng nhưng biờn độ lớn hơn để điều khiển cỏc van IGBT tuy nhiờn nú khụng chỉ làm nhiệm vụ khuếch đại mà cũn phải cỏch li giữa mạch điều khiển và mạch lực. Biến ỏp xung cú thể thực hiện cả hai nhiệm vụ đú đối với cỏc xung cú độ rộng nhỏ. Ở đõy xung u3 cú độ rộng thay đổi và khuyếch đại xung cũn phải khuyếch đại tớn hiệu liờn tục để điều khiển van luụn đúng hoặc luụn mở, nờn ta dựng tranzito BT để khuyếch đại xung , phần tử Opto-Isolator để cỏch li. Mạch cụ thể như sau: III.7) Khối phản hồi: Ở đõy ta sẽ nhận tớn hiệu phản hồi điện ỏp tải , so sỏnh với điện ỏp đặt ud ( tớn hiệu điều chỉnh tốc độ) để hiệu chỉnh udk sao cho khi uph=ud thỡ udk=ud. Nếu vỡ một lớ do nào đú (động cơ cú tải thay đổi nhỏ ) điện ỏp ra động cơ tăng (uph tăng theo) ta phải giảm udk để giảm điện ỏp ra động cơ do đú ổn định được tốc độ động cơ. Sơ đồ mạch ở trang sau. Nguyên lý hoạt động của mạch như sau: Mạch hoạt động dựa trên khâu phân áp điện áp đặt lên hai đầu động cơ và bộ trừ dùng khuếch đại thuật toán. Qua khâu phân áp ta có điện áp phản hồi Uph. Qua bộ trừ ta có điện áp đầu ra e = Uđ - Uph. Sau đó qua bộ cộng, điện áp đầu ra của bộ cộng chính là điện áp điều khiển: Uđk = Uđ