Đồ án Thiết kế bộ biến đổi điện tử công suất ứng dụng cho truyền động di chuyển của xe vận chuyển tự hành

ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CHO XE NÂNG CHUYỂN TỰ HÀNH Xe nâng chuyển tự hành có hai dạng truyền động chính: Truyền động chạy xe và truyền động nâng hạ. Những yêu cầu cơ bản của hệ truyền động cho xe nâng là: - Cấu tạo của hệ điều khiển đơn giản, tổn hao năng lượng ít. - Các phần tử có độ tin cậy cao, đơn giản về cấu tạo, thay thế dễ dàng. - Truyền động nâng hạ bằng động cơ một chiều thông qua hệ thống thủy lực. - Truyền động di chuyển bằng động cơ một chiều kích từ nối tiếp thông qua hộp giảm tốc. - Xe có khả năng ổn định tốc độ và điều chỉnh tốc độ vô cấp. - Mạch điều khiển phải có các hình thức bảo vệ quá tải, ngắn mạch. - Quá trình mở máy, hãm dừng và đảo chiều xe êm. - Điều khiển từng động cơ riêng biệt (một động cơ chạy xe nâng, một động cơ nâng), xe có thể vừa di chuyển vừa nâng hàng. Từ những yêu cầu cơ bản đó ta phải lựa chọn phương án truyền động phù hợp với yêu cầu công nghệ của loại xe này. Sau đây giới thiệu một số bộ biến đổi ứng dụng cho truyền động di chuyển của xe nâng tự hành. 2.1. Hệ truyền động di chuyển xe nâng điều khiển bằng điện trở 2.1.1. Sơ đồ nguyên lý Chú thích: M1 – Động cơ truyền động nâng tải (thông qua hệ thống thuỷ lực). M2 – Động cơ truyền động chạy xe nâng được điều chỉnh tốc độ bằng điện trở nối tiếp với phần ứng động cơ và được hãm bằng phanh hãm điện từ (FĐT). UN - Nguồn một chiều cấp cho hệ thống bằng nguồn điện ắc quy có điện áp từ 24 ¸ 72V. Rf1, Rf2 - Các cấp điện trở khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ xe. FĐT – Phanh hãm điện từ. K, K1, K2, K3, K4, - Các công tăc tơ khống chế động cơ. UN = 72v K K1 K1 K2 K2 FĐT K4 K3 CK§1 CK§2 Động cơ nâng Đc xe M1 M2 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điện khống chế hệ truyền động di chuyển xe nâng điều khiển bằng điện trở 2.1.2. Sơ đồ nguyên lý mạch điện khống chế hệ truyền động di chuyển xe nâng điều khiển bằng điện trở Phương trình đặc tính cơ và đặc tính khởi động động cơ một chiều kích từ nối tiếp qua 2 cấp điện trở phụ: Phương trình đặc tính cơ điện tự nhiên: (2.1) Phương trình đặc tính cơ điện nhân tạo: (2.2) K1 K1 K2 K4 K3 CKĐ2 Đc xe K2 K M2 Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động di chuyển xe nâng điều chỉnh tốc độ bằng điện trở mạch phần ứng I1 I2 IC I A w h g f e d c 0 Hình 2.3. Đặc tính khởi động động cơ một chiều kích từ nối tiếp qua 2 cấp điện trở phụ Từ sơ đồ nguyên lý ta thấy hệ truyền động chạy xe nâng và điều chỉnh tốc độ xe bằng 2 cấp điện trở phụ đấu nối tiếp với mạch phần ứng. Để khởi động xe thực hiện điều khiển đóng lần lượt các tiếp điểm K3, K4 của công tắc tơ. Đồng thời khi điều chỉnh tốc độ cũng thực hiện đóng mở các tiếp điểm này để loại các điện trở hoặc đưa thêm các điện trở vào nối tiếp với phần ứng động cơ nhằm thay đổi tốc độ động cơ chạy xe nâng. Việc đảo chiều động cơ được thực hiện bằng cách đảo cực tính nguồn một chiều thông qua các tiếp điểm của các công tăc tơ K1, K2. Để hãm động cơ chạy xe nâng ở các loại xe này thường dùng phanh hãm điện từ. 2.1.3. Mô hình toán học mô tả động học của hệ truyền động di chuyển xe nâng kiểu cũ 2.1.3.1. Mô tả toán học của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ nối tiếp: UN CKĐ M Hình 2.5. Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp RN Rd RKt Rư LN Ld LKt Lư I MC J w UN Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ nối tiếp Từ sơ đồ thay thế ta đi đến việc thành lập hệ phương trình của động cơ điện một chiều KTNT như sau: Trong đó: UN - Điện áp nguồn. e - Sđđ của động cơ. iư - Dòng phần ứng. Rưå = Rn + Rd + Rkt +Rư là tổng điện trở mạch phần ứng. Lưå = Ln +Ld + Lkt + Lư là điện cảm mạch phần ứng. T = Lå / Rå Hằng số thời gian của mạch. (2.3) 2.1.3.2. Phương trình toán học mô tả bộ điện trở khởi động Rư + RKT khi t > t2 Rư + RKT + (Rf1+ Rf2) khi 0 >t >t1 Rư + RKT + (Rf2) khi t1 >t >t2 Rå = (2.4) Trong đó: Rf1, Rf2 - Là điện trở phụ khởi động; t - là thời gian khởi động ; t1 - Là thời gian khởi động trên cấp điện trở thứ nhất; t2 - Là thời gian khởi động trên 2 cấp điện trở. Vậy từ phương trình toán học mô tả các phần tử trên sơ đồ ta thành lập được hệ phương trình toán học hệ cũ như sau: (2.5) Từ hệ phương trình toán học mô tả hệ truyền động điện di chuyển xe nâng tự hành điều chỉnh bằng điện trở mạch phần ứng ta có thể xây dựng sơ đồ cấu trúc Matlab của hệ: 2 Hình 2.6. Sơ đồ cấu trúc Matlab hệ truyền động di chuyển xe nâng khởi động và điều chỉnh tốc độ bằng điện trở mạch phần ứng 2.1.4. Các đặc tính của hệ thống Sau khi xây dựng sơ đồ cấu trúc Matlab ta tiến hành khai báo các tham số của sơ đồ, các thông số của động cơ và giá trị điện trở của hệ thống đã được khảo sát sau đó tiến hành chạy mô phỏng hệ thống. Ta thu được kết quả như sau: - Đặc tính tốc độ w = f(t) và đặc tính dòng điện I = f(t) ở chế độ khởi động qua 2 cấp điện trở phụ. Đường đặc tính I = f(t) Đường đặc tính w = f(t) Hình. a Hình 2.7. Đường đặc tính tốc độ và dòng điện khi động cơ khởi động qua 2 cấp điện trở phụ - Đường đặc tính tốc độ w = f(t) và dòng điện phần ứng I = f(t) với 1 cấp điện trở điều chỉnh Rf1 khi điều chỉnh tốc độ bằng điện trở. Đường đặc tính w = f(t) Đường đặc tính I = f(t) Hình 2.8. Đường đặc tính tốc độ và dòng điện phần ứng khi động cơ làm việc với cấp điện trở Rf1 trong mach phần ứng Nhận xét: Qua quá trình khảo sát và qua kết quả chạy mô phỏng ta nhận thấy hệ thống truyền động điện chạy xe nâng điện một chiều điều khiển bằng điện trở còn có nhiều nhược điểm. Từ đặc tính tốc độ và đặc tính dòng điện cho ta thấy việc điều chỉnh tốc độ động cơ cho truyền động chạy xe là có cấp gây giật trong quá trình di chuyển. Đồng thời phạm vi điều chỉnh hẹp, đặc tính điều chỉnh mềm. Một vấn đề quan trọng như đã đề cập ở chương đầu là tổn hao năng lượng trên điện trở rất lớn trong khi đó nguồn điện chính cấp cho xe là nguồn được nạp và dự trữ trong ắc quy lại rất có hạn. Vì vậy vấn đề đặt ra ở đây cần có một phương án truyền động phù hợp với loại truyền động xe nâng tự hành chạy bằng điện này mà có thể khắc phục các hạn chế đã phân tích trên. 2.2. Bộ băm xung một chiều Băm xung một chiều (BXMC) là thiết bị dùng để thay đổi điện áp một chiều ra tải từ một nguồn điện áp một chiều cố định. BXMC được ứng dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, tạo nguồn ổn áp dải rộng, vv… 2.2.1. Nguyên lý chung của băm xung một chiều Nguyên lý cơ bản của băm xung một chiều được mô tả trên hình 2.9. Giữa nguồn một chiều E và tải Rt là van Tr làm việc như một khóa điện tử, hoạt động của BXMC là cho van đóng cắt với quy luật: - Trong khoảng thời gian 0 – t0 cho van dẫn (khoá Tr đóng mạch), điện áp Ut sẽ cho giá trị bằng điện áp nguồn Ut = E; - Từ t0 đến T, van Tr không dẫn (mạch hở), tải bị ngắt khỏi nguồn Ut = 0. Như vậy giá trị trung bình của điện áp trên tải sẽ nhận được là: (2.6) Tr E Ut Rt E t0 T t t0 Ut a) b) Hình 2.9. Nguyên lý băm xung một chiều (BXMC) Trong đó: t0 là thời gian van Tr dẫn; γ là độ rộng xung điện áp chính là tham số điều chỉnh; T là chu kỳ đóng cắt của van. Biểu thức (2.6) cho thấy có thể điều chỉnh điện áp ra tải bằng cách thay đổi tham số γ. Việc điều chỉnh điện áp ra bằng cách “băm” điện áp một chiều E thành các “xung” điện áp ở đầu ra nên thiết bị này có tên gọi là “ Băm xung một chiều - BXMC”. Có hai phương pháp chính cho phép thay đổi tham số γ là: - Thay đổi thời gian t0, còn giữ chu kỳ T không đổi, như vậy ta dùng cách thay đổi độ rộng của xung điện áp ra tải trong quá trình điều khiển chỉnh, nên cách này được gọi là phương pháp điều chế độ rộng xung PWM. - Thay đổi chu kỳ T, giữ thời gian t0 không đổi. Cách này ngược lại với phương pháp trên, độ rộng xung điện áp ra tải được giữ nguyên, mà chỉ thay đổi tần số lặp lại của xung này, vì vậy được gọi là phương pháp xung - tần. Phương pháp này không thuận lợi khi phải điều chỉnh điện áp trong một dải rộng, vì tần số biến thiên nhiều sẽ làm thay đổi mạnh giá trị trở kháng khi mạch có chứa các điện cảm hoặc tụ điện nên khó tính toán thiết kế, nhất là các hệ thống điều chỉnh kín vì lúc đó mạch thuộc hệ có tham số biến đổi. Ta thấy rằng khoá điện tử Tr chỉ làm việc đúng như một van bán dẫn, vì vậy băm xung một chiều có nhiều ưu điểm như: Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi là không đáng kể so với các bộ biến đổi liên tục do tổn hao ở van bán dẫn là nhỏ. Độ chính xác cao và ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường vì yếu tố điều chỉnh là thời gian đóng khoá Tr mà không phải giá trị điện trở phần tử điều chỉnh như những bộ điều chỉnh liên tục kinh điển. Kích thước gọn và nhẹ. Tuy nhiên BXMC cũng có những nhược điểm là: Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính điều chỉnh. Tần số đóng cắt lớn sẽ gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh. Các bộ băm xung một chiều được phân thành BXMC không đảo chiều và BXMC có đảo chiều dòng tải. 2.2.2. Bộ băm xung một chiều không đảo chiều 2.2.2.1. Bộ băm xung một chiều nối tiếp a) Đặc điểm Quy luật điều khiển van Tr hoàn toàn giống nguyên lý chung đã xét, tuy nhiên quá trình năng lượng xảy ra như sau: Trong khoảng từ 0 đến t0 khi van dẫn điện, năng lượng của nguồn sẽ được cấp cho phụ tải, nếu coi van là là lý tưởng có: Ut = E; vì dòng điện từ nguồn cấp cho tải Rt phải đi qua điện cảm L, nên điện cảm này sẽ được nạp năng lượng trong giai đoạn van Tr dẫn. Ut L Rt Tr D E it i1 Imax i2 Imin iD iTr t0 T t a) b) Hình 2.10. a) Sơ đồ nguyên lý băm xung một chiều và b) Đồ thị tuyến tính hóa Trong khoảng còn lại, từ t0 đến hết chu kỳ điều khiển, van Tr khóa, điện cảm L phóng năng lượng tích lũy ở giai đoạn trước, dòng điện qua L vẫn theo chiều cũ và chảy qua van đệm D (dòng i2), lúc này Ut = -UD ≈ 0. Tùy theo dạng tải và tham số điều chỉnh mà chế độ dòng điện tải có thể liên tục hay gián đoạn như trong thiết bị chỉnh lưu, nhưng thường mong muốn chế độ dòng điện là liên tục. Vì vậy trong tính toán thiết kế cũng dựa trên việc đảm bảo chế độ làm việc này cho BXMC. Trong chế độ dòng liên tục, tải có thể là RLEt thay cho RL (coi Et = 0) đều vẫn cho quan hệ điện áp ra tải như biểu thức cơ bản (2.6): Dòng trung bình qua tải: b) Tính toán Vì quy luật dòng điện biến thiên dạng hàm số mũ, nên tính toán chính xác các trị số trung bình dòng qua tranzitor và điôt sẽ cho biểu thức phức tạp không tiện sử dụng. Vì vậy thường dùng phương pháp đơn giản hóa bằng cách coi dòng điện biến thiên tuyến tính như hình 2.10b. Lúc đó: và phép tích phân theo i1 hay i2 chính là tính các diện tích hình thang, sẽ được: Như vậy biểu thức tính dòng trung bình qua các van đã đơn giản hẳn đi. Các biểu thức này cho thấy với cùng một dòng tải thì dòng điện qua Tr sẽ lớn nhất khi , ngược lại với thì dòng điện qua điôt D sẽ cực đại; dựa vào đây người ta có thể xác định dòng trung bình lớn nhất chảy qua các van khi làm việc để chọn van. 2.2.2.2. Băm xung một chiều song song Sơ đồ của BXMC loại này trên hình 2.11. Loại băm xung này thường ứng dụng cho công suất không lớn và phải có tụ lọc đầu ra tải. Quy luật điều khiển van Tr theo nguyên tắc chung: Van Tr dẫn trong khoảng (0 ÷ t0) và khóa trong khoảng (t0 ÷ T). Tuy nhiên quá trình năng lượng xảy ra khác đi và như sau: Khi van Tr dẫn, toàn bộ điện áp nguồn đực đặt vào cuộn cảm L và dòng điện từ nguồn (dòng it) chảy qua điện cảm và cuộn cảm được nạp năng lượng. Trong giai đoạn này điốt D khóa và tải bị cắt hẳn khỏi nguồn, do đó năng lượng cấp ra tải là nhờ điện dung C, vì vậy tụ điện C là nhất thiết phải có ở BXMC kiểu song song. C Tr D Rt E L Rng Uv I1 I2 Ut Hình 2.11. Băm xung một chiều song song Khi van Tr bị khóa, năng lượng của cuộn kháng và của nguồn sẽ cấp ra tải (dòng i2). Nhờ nhận thêm năng lượng tích lũy ở giai đoạn trước trong điện cảm nên điện áp trên tải sẽ lớn hơn điện áp nguồn E. Tụ C dùng để tích năng lượng và cấp cho Rt trong giai đoạn van Tr dẫn. Phân tích cho thấy qui luật điện áp trên tải có dạng: Khảo sát cho thấy điện áp ra Ut có thể cao hơn nguồn E nếu như sụt áp trên nội trở của nguồn nhỏ hơn 25% so với điện áp nguồn E. Điện áp tải lớn nhất có thể đạt tới bằng: a. Tham số chọn van Tr. Dòng trung bình qua van: Khi khóa van T chịu điện áp trên tụ C hay điện áp tải, suy ra : UTmax = UCmax = Utmax b. Dòng trung bình qua điện cảm bằng tổng dòng qua tải và qua van Tr: IL = ITr+ID = c. Tham số chọn điôt. Dòng trung bình qua điôt: ID = IL - ITr = - = It Điôt khóa khi van Tr dẫn và chịu điện áp ngược là điện áp trên tụ C và do đó trị số lớn nhất tương ứng: UDngmax = UCmax = Utmax d. Tham số cuộn cảm L có thể tính toán, xuất phát từ các biểu thức sau khi coi rng = 0: - Điện cảm tối thiểu để đảm bảo chế độ dòng điện liên tục: - Điện cảm tính theo độ đập mạch dòng điện qua điện cảm: e. Tụ C tính gần đúng từ biểu thức sau: Giá trị ΔI và ΔUc ta có thể chọn trước hoặc theo yêu cầu cụ thể của bài toán thiết kế, nhưng thông thường lấy dưới 20% giá trị It hoặc Ut. 2.2.2.3. Băm xung một chiều kiểu nối tiếp - song song Bộ biến đổi xung áp loại loại này (hình 2.12) cho phép điều chỉnh, điện áp Ut lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp nguồn E. So với sơ đồ của BXMC kiểu song song ta thấy vị trí của van Tr và cuộn cảm L đã đổi chỗ cho nhau. Hoạt động của mạch này như sau: Trong khoảng (0 ÷ t0), khi van Tr dẫn, điện cảm L được trực tiếp nạp năng lượng từ nguồn E bằng dòng i1 với qui luật tương tự BXMC song song. Giai đoạn này điôt D khóa và tải chỉ nhận năng lượng từ tụ điện C mắc song song tải. Trong giai đoạn còn lại: (t0 ÷ T) van Tr khóa, cắt nguồn E ra khỏi mạch, để duy trì dòng điện theo chiều cũ của mình sức điện động tự cảm của cuộn kháng L sẽ đủ lớn để điốt D dẫn và hình thành dòng điện i2. Năng lượng tích lũy trong điện cảm sẽ được phóng qua tải, tụ điện C cũng được nạp năng lượng trong giai đoạn này. Lưu ý rằng với chiều của dòng điện nạp cho tụ C là i2 thì chiều của điện áp trên tụ điện có dấu ngược lại với hai loại BXMC đã xét, tức là điện áp Ut là âm. Và như vậy BXMC kiểu nối tiếp - song song cho phép tạo điện áp tải âm từ một nguồn dương. C Tr D Rt E L Rng Uv I1 I2 Ut Hình 2.12. Băm xung một chiều nối tiếp – song song Qui luật điện áp ra tải: Đặc điểm của loại này là có thể điều chỉnh điện áp ra tải lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp nguồn E. Các tham số chọn van: a. Van Tr. Dòng trung bình qua Tr: Khi van Tr bị khóa phải chịu được điện áp bằng: UT = E + UC = E + Ut b. Điôt D. Dòng trung bình qua điôt: Và điôt chịu một điện áp ngược lớn nhất lúc van Tr dẫn và bằng: UD = E +UC = E + Ut c. Tham số cuộn cảm L có thể tính toán, xuất phát từ độ đập mạch dòng điện qua điện cảm: Dòng trung bình qua điện cảm bằng tổng dòng qua tải và qua van Tr: e. Tụ C tính gần đúng từ biểu thức sau: 2.2.3. Bộ băm xung điện áp một chiều có đảo chiều Ta sử dụng van bán dẫn IGBT. Các van bán dẫn IGBT làm nhiệm vụ khoá không tiếp điểm, các điôt dùng để trả năng lượng phản kháng về nguồn và thực hiện quá trình hãm tái sinh. Bộ băm xung áp một chiều dùng van điều khiển hoàn toàn IGBT (hình 2.13) có khả năng thực hiện điều chỉnh điện áp và đảo chiều dòng điện phụ tải. Trong các hệ truyền động tự động thường có yêu cầu đảo chiều dòng điện phụ tải. Trong các hệ truyền động tự động thường có yêu cầu đảo chiều động cơ, do đó bộ biến đổi xung áp loại này thường hay dùng để cấp nguồn cho các động cơ một chiều kích từ độc lập có nhu cầu đảo chiều quay. Hoạt động của sơ đồ phụ thuộc vào cách phối hợp điều khiển 4 van động lực. Tr1 Tr3 Tr4 Tr2 D3 D4 E E L R D4 D1 Hình 2.13. Băm xung một chiều đảo chiều sơ đồ cầu Có các phương pháp điều khiển khác nhau: Điều khiển riêng hay điều khiển độc lập, điều khiển đối xứng và điều khiển không đối xứng. 2.2.3.1. Băm xung một chiều đảo chiều dùng phương pháp điều khiển riêng Trong phương pháp này các van được chia thành hai nhóm Tr1, Tr2 và Tr3, Tr4. Hai nhóm không làm việc đồng thời, mỗi nhóm phụ trách một chiều của dòng điện tải và chỉ hoạt động khi cần chiều do nhóm phụ trách. Trong mỗi nhóm các van cũng không chạy giống nhau, thường một van luôn luôn được điều khiển mở, chỉ có van còn lại được điều khiển đóng - ngắt theo nguyên lý băm xung đã được đề cập. Hình 2.14a là sơ đồ thay thế khi BXMC cấp dòng điện dương cho tải, lúc đó 2 van Tr3, Tr4 hoàn toàn bị khóa, không hề tham gia vào hoạt động của mạch. Đồ thị làm việc trên hình 2.14b ở trạng thái van Tr1 luôn dẫn còn Tr2 được băm xung. Trong khoảng (0 - t0 ) dòng điện i1 chảy từ nguồn E qua Tr1- tải - Tr2 rồi về nguồn nên tải có Ut = E. Trong khoảng từ t0 đến T, điều khiển khóa van Tr2, dòng điện buộc phải tiếp tục chạy theo chiều cũ nên dòng i2 này sẽ chạy vòng qua điôt D3, có nghĩa là tải bị ngắn mạch và do đó Ut = 0. Nếu trong giai đoạn này năng lượng tích lũy ở điện cảm đã kịp phóng hết thì dòng điện về được đến không và mạch sẽ rơi vào chế độ dòng điện gián đoạn. Như vậy hoạt động của sơ đồ hoàn toàn giống với BXMC không đảo chiều, do đó các biểu thức và phương pháp tính toán là tương tự. Để dòng điện đảo dấu sang âm, cần khóa hẳn nhóm van Tr1, Tr2 và để nhóm van Tr3, Tr4 hoạt động: van Tr3 luôn dẫn và van Tr4 đóng - ngắt theo nguyên lý băm xung. Tr1 Tr3 Tr4 Tr2 D3 D2 E E L R D1 I1 I2 It I1 I2 Tr2 D3 Tr2 Tr1 D3 to T Tr2 Tr1 t a) b) Hình 2.14. Băm xung một chiều đảo chiều, điều khiển riêng 2.2.3.2. Băm xung một chiều đảo chiều dùng phương pháp điều khiển đối xứng Các van cũng được chia thành hai nhóm Tr1, Tr2 và Tr3, Tr4; tuy nhiên chúng cùng hoạt động ở bất kỳ chiều dòng tải nào. Van cùng nhóm được điều khiển như nhau (cùng mở hoặc cùng khóa), nhưng hai nhóm lại được điều khiển trái trạng thái: điều khiển mở nhóm này thì phải điều khiển khóa nhóm kia và ngược lại. Trong khoảng (0 - t0): Tr1, Tr2 mở còn Tr3, Tr4 khóa nên Ut = E. Trong khoảng t = (t0 - T): Tr3, Tr4 mở còn Tr1, Tr2 khóa nên Ut = -E. Do đó điện áp ra tải có quy luật điều khiển chính khác: Biểu thức này cho thấy: - Với γ > 0,5 thì Ut dương; - Với γ < 0,5 thì Ut âm; - Với γ = 0,5 thì điện áp tải bằng không. t +E -E Ut Tr1, Tr2 Tr3, Tr4 t0 T Tr1 Tr3 Tr4 Tr2 Ut L R E E a) b) Hình 2.15. Băm xung một chiều đảo chiều điều khiển đối xứng Như vậy chỉ điều chỉnh tham số γ trong phạm vi (0 ÷ 1) đã làm điện áp ra tải không những thay đổi về giá trị mà cả về dấu, tức là đảo chiều được. Tuy vậy nguyên lý điều khiển nêu trên chưa phản ánh quá trình vật lý xảy ra thực sự trong mạch, ta xem xét lại quá trình hình thành dòng điện ra với tải tổng quát RLE. Trong khoảng (0 ÷ t0): Tr1, Tr2 mở còn Tr3, Tr4 khoá nên dòng điện từ nguồn E qua Tr1 - tải - Tr2 rồi về nguồn nên ta có Ut = E. Vào thời điểm t0, hai van Tr1, Tr2 bị khoá, Tr3, Tr4 được điều khiển mở, song dòng điện vẫn phải chạy theo chiều cũ (do tải có tính cảm) nên dòng điện không thể đi ngược qua Tr3, Tr4 mà buộc phải chạy qua các điôt đấu song song với chúng như hình 2.15b. Như vậy trong giai đoạn t = (t0 ÷ T) năng lượng tích luỹ ở điện cảm được trả về nguồn E, bấy giờ có hai khả năng xảy ra: - Nếu năng lượng tích luỹ ở điện cảm đủ lớn và không kịp tiêu tán hết thì dòng điện không thể về đến không, do đó chỉ có điôt D3, D4 dẫn toàn bộ khoảng này cho đến khi các van mở lại ở đầu chu kỳ. - Nếu năng lượng tích luỹ không lớn thì nó bị tiêu tán hết trước thời điểm T, dòng điện kịp về đến không. Tuy nhiên do các van Tr3, Tr4 đang điều khiển mở nên đến lúc này dòng tải sẽ đảo dấu, nguồn E lại cấp năng lượng ra tải. Đến thời điểm T khi nhóm Tr1, Tr2 mở ngược lại, dòng điện tải đang âm nên lại không đảo chiều được ngay, buộc phải chạy qua các điôt D1, D2. Chỉ đến khi năng lượng trên điện cảm hết, dòng mới đảo về giá trị dương. Tr1 Tr3 Tr4 Tr2 D3 D4 E E L R D4 D1 I1 Tr1 Tr3 Tr4 Tr2 D3 E E L R D4 I2 a) b) Hình 2.16. Băm xung một chiều đảo chiều điều khiển đối xứng Như vậy với phương pháp điều khiển này không thể có chế độ dòng điện gián đoạn, dòng tải sẽ liên tục chảy, hoặc theo chiều này hoặc theo chiều kia. 2.2.3.3. BXMC đảo chiều dùng phương pháp điều khiển không đối xứng a) Nguyên lý Trong phương pháp này cả 4 van lực đều hoạt động, nhưng các van điều khiển khác nhau tuỳ theo chiều dòng tải cần có. Hình 2.17a là sơ đồ thay thế BXMC cấp dòng điện cho dương tải, lúc đó van Tr3 hoàn toàn bị khoá, van Tr2 luôn luôn được điều khiển dẫn, còn hai van Tr1, Tr4 thay nhau đóng cắt theo nguyên lý băm xung. Trong khoảng (0 ÷ t0), dòng điện i1 chảy từ nguồn E qua hai van Tr1, Tr2: có Ut = E. Trong khoảng t = (t0 ÷ T), điều khiển khoá van Tr1, dòng điện buộc phải chảy theo chiều cũ nên dòng i2 sẽ chảy vòng tròn qua Tr2 và điôt D4, tải bị ngắn mạch Ut = 0. Tuy nhiên tuỳ theo dạng tải mà quá trình vật lý có thể khác nhau: - Với tải RL có thể xuất hiện chế độ dòng điện gián đoạn nếu năng lượng tích luỹ ở điện cảm kịp phóng hết ở giai đoạn (t0 ÷ T). Như vậy các quá trình hoạt động của mạch là tương tự với BXMC không đảo chiều. Tr1 Tr3 Tr4 Tr2 D3 E E L R D4 I2 D1 D2 I1 It I1 I2 t Tr2 D4 Tr1 Tr2 D3 Tr1 to T Tr4 Tr2 Tr3 a) b) Hình 2.17. Băm xung một chiều đảo chiều, điều khiển không đối xứng luật điều khiển tạo chiều dòng điện tải dương - Với tải RLE, do tải chứa sức điện động Et nên dòng tải có thể đảo chiều sau khi năng lượng tích luỹ ở điện cảm Lt đã phóng hết năng lượng, như vậy lại không thể có dòng điện gián đoạn. Biểu thức luật điều chỉnh điện áp ra vẫn là nhưng quy luật dòng điện sẽ khác vì có sự tham gia của Et. Để dòng điện tải âm (đảo chiều) cần thay đổi toàn bộ cách điều khiển 4 van động lực. b) Điều khiển theo phương pháp không đối xứng Theo nguyên lý hoạt động ta thấy ở phương pháp này cũng cần luôn điều khiển cả 4 van đồng thời, nhưng luật điều khiển của chúng lại khác nhau phụ thuộc chiều dòng tải. Do đó mạch điều khiển phải có: Hai khâu phân phối xung cho mỗi chiều dòng tải, mà thực chất là hai mạch lôgic thực hiện luật đóng/ngắt van theo sự phân phối của cả 4 van đồng thời, để đơn giản gọi là khối lôgic chạy thuận và lôgic chạy ngược. Khâu xác định chiều dòng để chọn khối lôgic điều khiển: Cần có khâu xác định chiều dòng điện theo tín hiệu chủ đạo (Ucđ) để cho phép khối điều khiển của từng chiều hoạt động. Khâu này sử dụng 2 OA làm bộ so sánh điện áp chủ đạo với điện áp ngưỡng đặt bởi biến trở p1, p2. Khi điện áp chủ đạo dương và Ucđ > Ung (đặt nhờ p1) OA2 lật trạng thái lên mức cao, tương ứng lôgic "1" cho phép Tr1 hoạt động. Khi điện áp chủ đạo âm và Ucđ < Ung (đặt nhờ p2) thì OA3 lật trạng thái lên mức cao, tương ứng lôgic "1" cho phép Tr4 hoạt động. Chỉ có 4 van mà hai luật khác nhau nên cần mạch ghép chung lại từ hai luật đơn giản bằng mạch lôgic OR. Do lại có van thẳng hàng đóng/ngắt cùng thời điểm nên buộc phải có khâu trễ để chống ngắn nguồn như trong phương pháp đối xứng. Hình 2.18. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều đảo chiều sử dụng phương pháp điều khiển không đối xứng 2.3. Lựa chọn phương án truyền động Qua quá trình phân tích ta thấy hệ truyền động điều khiển bằng điện trở tuy đơn giản nhưng gây tổn hao năng lượng lớn, không phù hợp với xe nâng chuyển tự hành. Việc đưa bộ điều chế độ rộng xung vào quá trình điều chỉnh hệ truyền động chạy xe nâng có nhiều ưu điểm. Khắc phục được các hạn chế về kỹ thuật của bộ điều chỉnh điện trở và quan trọng hơn cả là giảm được năng lượng tiêu hao. Qua các phương án đã nêu trên ta chọn bộ băm xung áp một chiều nối tiếp để điều khiển van mạch lực vì nó có những ưu điểm: - Dòng qua tải luôn là liên tục, do đó tạo điều kiện tốt cho động cơ hoạt động êm. - Có thể thực hiện quá trình hãm tái sinh năng lượng. Chương III. THIẾT KẾ MẠCH LỰC Các thông số của xe: Tải trọng nâng: 2950kg; Điện áp nguồn ắc quy: 48v; Công suất mô tơ nâng: 8,2kW; Động cơ chạy xe: Uđm = 48V; Iđm = 60A; nđm = 750v/p; Rư = 0,2Ω; Lư = 0,01H; Dải điều chỉnh D = 25/1;Pđm = 5 kW Với tần số làm việc thông thường là f = 1000Hz, T = 10-3 s. Ta chọn sơ đồ mạch lực là bộ BXMC nối tiếp. Trong sơ đồ ta chọn van bán dẫn là IGBT vì: - Theo nguyên lý hoạt động của bộ băm xung ta thấy rằng van bán dẫn thích hợp cho bộ biến đổi này phải là van cho phép điều khiển được cả mở và khoá, tức là van điều khiển hoàn toàn. - Loại van bán dẫn điều khiển như tiristor là không phù hợp vì ở đây van phải làm việc với điện áp một chiều và luôn là chiều thuận, do vậy không còn giai đoạn điện áp âm của nguồn điện để khoá tiristor như trong mạch chỉnh lưu hay điện áp xoay chiều. - IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu quá tải lớn của tranzitor thường, tần số băm điện áp cao thì làm cho động cơ chạy êm hơn. - IGBT có ưu điểm vượt trội là khả năng đóng cắt tốt, mạch điều khiển đơn giản và công suất điều khiển lại khá nhỏ đến mức có thể IC hoá phần điều khiển; hơn nữa công nghệ chế tạo chúng cũng không quá phức tạp. Sơ đồ mạch lực: Ut L Rt Tr D E Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý mạch BXMC nối tiếp Chọn van mạch lực: 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 điện tr