Đồ án Thiết kế hệ thống điều chỉnh tự động động cơ điện một chiều sử dụng bộ băm xung áp trong truyền động cho ôtô 4 chỗ ngồi

ỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ, tức là thay đổi từ thông F. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi f có thể thay đổi được liên tục và giữ được hiệu suất của động cơ là không đổi vì sự điều chỉnh dựa trên việc tác dụng lên mạch kích thích có công suất nhỏ so với công suất động cơ. Nhưng do bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức, ứng với kích thích tối đa (F=Fđm=Fmax), nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông, tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ và giới hạn điều chỉnh tốc độ bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và đảo chiều quay nên phương pháp này không thích hợp trong trường hợp động cơ kéo tải giao thông. Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay dưới tốc độ định mức vì không thể nâng cao điện áp lên trên Uđm của động cơ. hương pháp này cho phép điều chỉnh triệt để vì có những ưu điểm sau: + Hiệu suất điều chỉnh cao. + Không có tổn hao trong máy điện khi điều chỉnh. +Việc thay đổi điện áp phần ứng, cụ thể là giảm Uư Þ mômen ngắn mạch Mnm giảm, dòng ngắn mạch Inm giảm; điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động động cơ. + Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là như nhau. + Điều chỉnh trơn trong toàn bộ giải điều chỉnh. Tuy vậy, phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao, và đòi hỏi phải có nguồn điện áp điều chỉnh được. Từ những phân tích trên ta thấy việc chọn phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng là thích hợp cho động cơ kéo tải giao thông. Mặc dù, dải điều chỉnh chỉ cho phép thấp hơn tốc độ định mức như ta có thể mở rộng dải điều chỉnh nhờ kết hợp với cơ cấu cơ khí như đã đề cập ở trên. Như vậy vấn đề quan trọng nhất trong khuôn khổ đồ án mà chúng em đưa ra chính là việc thiết kế một bộ điều chỉnh nhằm điều chỉnh động cơ Hybrid trong ôtô điện. Bộ điều chỉnh này chính là thiết bị băm điện áp, bộ băm điện áp này cho phép từ một nguồn điện một chiều Us tạo ra điện áp tải Ud-là điện áp một chiều nhưng có thể điều chỉnh được. Sự phối kết hợp giưã động cơ Hybrid và động cơ xăng trong việc truyền động trong ôtô chạy điện là cần thiết.Động cơ điện dùng truyền lực trong ôtô có công suất vừa và nhỏ nên bộ băm xung áp là phù hợp.Chương tiếp theo sẽ trình bày về thiết kế hệ thống băm xung áp. CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG. I. Thiết kế mạch động lực 1. Giới thiệu nguyên lý chung của bộ biến đổi điện áp một chiều. Như ở trên đã đề cập, phương pháp điều chỉnh điện áp được lựa chọn trong điều chỉnh tốc độ động cơ. Thực tế, để thay đổi điện áp phần ứng động cơ ôtô người ta có thể thay đổi góc mở chậm ỏ nếu dùng bộ biến đổi là hệ thống chỉnh lưu, hoặc thay đổi tần số băm trong trường hợp bộ biến đổi là bộ băm xung áp một chiều. Việc sử dụng hệ thống chỉnh lưu thyritor - động cơ chỉ ứng dụng trong trường hợp tải của nó là loại động cơ công suất lớn, sử dụng sơ đồ chỉnh lưu tiristor – động cơ một chiều luôn đi kèm theo việc đưa thêm bộ lọc kồng kềnh nên chỉ khả dụng cho truyền động đầu máy tầu điện kéo tải lớn. Với loại động cơ công suất nhỏ thì việc dùng bộ băm xung áp một chiều là phù hợp. Vì thiết bị băm xung làm việc với hiệu suất cao (theo tính toán là xấp xỉ bằng 1); ít nhạy cảm với nhiệt độ và điều kiện môi trường vì tham số điều khiển là thời gian đóng mở van, đặc biệt là có kích thước nhỏ gọn nên rất phù hợp với ôtô điện. Tải Chỉnh lưu không điều khiển L2 · · · · K D C2 Hình 3.1.Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp một chiều Sau đây giới thiệu nguyên lý chung của bộ băm xung, đồng thời phân tích khái lược về các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ làm việc của bộ băm xung - áp cũng như vấn đề lựa chọn thiết bị đáp ứng được các yêu cầu về chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế. Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc như một công tắc tơ tĩnh (K) đóng mở liên tục 1 cách chu kì . Nhờ vậy mà biến đổi được điện áp một chiều không đổi E thành các xung điện áp một chiều Utb có trị số có thể điều chỉnh được. Điện áp Utb này đặt vào phần ứng động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ ô tô. Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ 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 ¸ 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. 2. Bộ băm xung áp một chiều. Như đã giới thiệu ở trên, 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 phần 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. BBĐ một chiều US Ura Ura t t1 t2 T Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi điện một chiều và dạng xung ra của BBĐ. Nguyên lý: Nguyên lý chung là biến đổi giá trị của điện áp một chiều ở các mức khác nhau. 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. 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 Þ 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 £ 1). 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. Các dạng cơ bản: Dựa vào cách mắc khoá xung, các bộ lọc và nguồn cung cấp mà có các dạng sơ đồ sau: a)Biến đổi hạ áp: Sơ đồ nguyên lý như sau: L1 D1 US Ura Clọc Tải Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý của khoá mắc nối tiếp K 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 Þ 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 Þ 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 £ US. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp. Đặc tính truyền đạt: b. Biến đổi tăng áp: L1 US Ura Clọc Tải K Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý khi mắc khoá K song song Sơ đồ như sau: 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 ® K ® -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 ® D ® 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 ® làm D thông ® 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: c. Biến đổi đảo cực: L1 US Ura Clọc Tải K D Sơ đồ mắc như sau: Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý khi khoá K mắc nối tiếp nhưng có đảo cực L1 chỉ đóng vai trò tích luỹ năng lượng. C đóng vai trò lọc. + K đóng, trên L1 có US, dòng chạy từ +US ® K ® L1 ® -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 Þ D thông Þ năng lượng từ trường nạp vào 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. d. 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, ¼ 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 (c & d) 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. 3. Một số sơ đồ băm xung áp 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 hai sơ đồ băm xung áp: Một loại cho phép tái sinh năng lượng và cho dòng tải liên tục. Một loại cho phép đảo chiều dòng tải, thực hiện được hãm tái sinh năng lượng và có thể áp dụng được nhiều chế độ điều khiển khác nhau. 3.1. Sơ đồ băm xung áp loại B. L1 · · · · · · · R E D2 D1 S1 S2 id ud US C + · - · Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp loại này như sau: Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý bộ băm xung áp loại B Giải thích: + S1, S2 là loại điều khiển hoàn toàn. + 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. + D1 là Diod hoàn năng lượng; D2 là diod có tác dụng trả năng lượng tái sinh cho nguồn. a) Hoạt động của sơ đồ : 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 ® E > 0. Lúc này mạch tải chỉ có nguồn duy nhất E khép mạch qua S2 ® 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 Hình 3.7.Biểu đồ dạng sóng dòng, áp 0 0 0 0 0 0 0 t t t t t t t t 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 ngay 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. b) 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 Þ Id=Imax t=T Þ 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 : 3.2. Sơ đồ băm xung áp có đảo chiều (loại B kép). · · + · · L1 · R E id · · · · D1 D4 S1 S4 ud US - · C · · · D2 D3 S2 S3 · A B Sơ đồ nguyên lý của sơ đồ: Hình 3.8. Sơ đồ băm xung áp loại B kép. S1, S2, S3, S4: Là các van điều khiển hoàn toàn. Hình 3.9. Đặc tính cơ của sơ đồ băm xung áp loại B kép w M Truyền động trong giao thông cũng đòi hỏi phải đổi chiều quay. Sơ đồ trên cho phép điều chỉnh tốc độ quay và đảo chiều quay một cách linh hoạt, đặc tính làm việc của động cơ có thể ở cả 4 góc phần tư. Sơ đồ có thể có nhiều chế độ điều khiển, dưới đây ta sẽ giới thiệu hai chế độ điều khiển thường gặp. 3.2.1. Điều khiển đối xứng : . Hoạt động: Trong chế độ điều khiển đối xứng thì cả 4 van S1¸S4 đều hoạt động. Giả thiết S2 và S4 đang dẫn dòng tải chảy qua (theo chiều từ B ® A). - Tại thời điểm t = 0 đưa xung mở S1 và S3. Vì trước thời đIểm phát xung một khoảnh khắc thì IS2 = IS4>> 0 nên đến q = 0, muốn khoá S2 & S4 ta cần khoá cưỡng bức bằng cách phát xung âm vào cực điều khiển. Khi đã khoá S2 & S4, dòng tải id = Imin không thể đảo chiều ngay lập tức do tải điện cảm. Nó tiếp tục duy trì theo chiều cũ theo mạch D3 – E - tải –D1 và suy giảm dần . Khi đó D1 & D3 dẫn dòng . - Đến t = t1 : Khi dòng qua D1 và D3 suy giảm về 0 thì S1 và S3 sẽ dẫn nếu vẫn còn tiếp tục duy trì xung điều khiển. Dòng tải đổi chiều và tăng trưởng dần theo chiều từ A® B. - Đến t = t2 ta lại cho mở S2 & S4 đồng thời khoá S1 và S3. Dòng tải lại tiếp tục duy trì theo chiều cũ vì D2 và D4 đang dẫn, S2 và S4 sẽ dẫn dòng khi nó bắt đầu bằng 0 và đổi chiều. Diễn biến hoạt động của sơ đồ được mô tả theo biểu đồ dạng sóng như sau: US iđk1 iđk2 ud -US uS1, iS1 iS uD1, iD1 Hình 3.10.Biểu đồ dạng sóng dòng, áp trên các phần tử S2,S4 S1,S3 S2, S4 D2,D4 D1,D3 S1, S3 t t t t t t t1 t2 t1 t2 id t . Tính các biểu thức có liên quan: a. Tìm biểu thức của dòng tải : Khi (D1, D3) & (S1, S3) dẫn : Trong giai đoạn này điện áp trên tảI là UT=US ,do đó phương trình mạch tảI sẽ là: Giải tương tự như ở sơ đồ 1 ( băm loại A) ta có: Khi (D2, D4) và ( S2, S4) dẫn thì : Ud = - US ,do đó phương trình mạch tải sẽ là: Vậy Ta cũng tìm được: Với (Tỷ số chu kỳ ) Từ biểu đồ dạng sóng của dòng /áp tải ta có: b. Giá trị trung bình của điện áp trên tải: Vậy nếu ta thay đổi được e ta sẽ điều chỉnh được Ud . Cụ thể : e = 0,5 ® Ud = 0 Þ Điện áp trên động cơ bằng 0. e > 0,5 ® Ud > 0 Þ Động cơ quay thuận. e < 0,5 ® Ud < 0 Þ Động cơ quay ngược. c. Giá trị trung bình của dòng qua diod D1 và D3 : d. Giá trị trung bình dòng qua van : Giá trị trung bình dòng tải : Độ đập mạch dòng tải: Vậy : 3.2.2. Điều khiển không đối xứng : Trong chế độ điều khiển không đối xứng ta cho bộ biến đổi làm việc như sau : + Muốn động cơ quay thuận : Cho S1 , S4 đóng mở luân phiên 1 cách chu kỳ ; còn S3 luôn dẫn dòng tải ; S2 cho nghỉ làm việc . Khi đó ta có mạch tương tương như sau : · + · · L1 R E id · · · · D1 D4 S1 S4 ud US - · · · · D2 D3 S2 S3 · · · · · 1 1 2 3 Hình 3.11. Sơ đồ điều khiển không đối xứng khi quay thuận A B Mạch trên giống như mạch đã phân tích ở sơ đồ 1(hình 2.8). Hoạt động giống như đã phân tích ở sơ đồ 1. *) Nguyên lý hoạt động: Trong một chu kỳ đóng mở, lúc 0 ≤ t < ton Uđk của S1 và S3 là dương nên S1 và S3 thông lúc này +Us đặt điện áp lên 2 đầu AB của mạch phần ứng dòng điện id chạy theo đường số 1. Khi ton ≤ t < T , Uđk cho S1 âm còn Uđk cho S4 dương nên S4 được thông nhưng không thể dẫn dòng ngay lập tức do cuộn cảm của động cơ nên dòng điện khép mạch qua D4 đặt điện áp ngược lên S4. Đến khi E-Us sinh ra dòng điện ngược thì S4 được thông, mạch điện khép kín qua D3 – tải – S4 (mạch điện 2 trên hình vẽ). Hãm tái sinh khi có dòng qua D1 trở về nguồn (dòng chạy theo mạch số 3). Theo trên điện áp trung bình trên tải là: Ud= eUS , do 0<e<1 nên động cơ quay theo chiều thuận . Ta có đặc tính cơ của mạch trên như sau: Hãm tái sinh Quay thuận w 0 M Hình 3.12. Đặc tính cơ của sơ đồ điều khiển không đối xứng khi quay thuận Uđk S1 Uđk S4 Uđk S3 ud,id Us t t t t Hình 2.13. Đồ thị điện áp của mạch khi điều khiển không đối xứng S1 S4 D4 D1 D1 · + · · L1 R E id · · · · D1 D4 S1 S4 ud US - · · · · D2 D3 S2 S3 · · · · · Hình 3.14. Sơ đồ nguyên lý của điều khiển không đối xứng khi quay ngược + Khi muốn đảo chiều quay, cho động cơ quay theo chiều ngược lại. Ta cho S1 nghỉ làm việc hoàn toàn; đồng thời cho S2 và S3 đóng mở luân phiên nhau; còn S4 cho dẫn hoàn toàn. Khi đó ta có sơ đồ lúc làm việc như sau: Nguyên lý làm việc tương tự như trường hợp sơ đồ trên. Trong trường hợp này, giá trị trung bình điện áp đặt lên tải là Ud=- eUS < 0 Þ Động cơ quay ngược. Hãm tái sinh Quay ngược 0 M w Hình 3.15. Đường đặc tính cơ đối với động cơ quay ngược Nhận xét: So với phương pháp điều khiển đối xứng thì phương pháp điều khiển không đối xứng có những ưu điểm sau: + Bộ biến đổi kiểu không đối xứng lúc 0 ≤ t < ton chỉ đưa ra điện áp xung một chiều (cực tính không đổi) còn lúc ton ≤ t < T thì UAB = 0 + Có hai Transistor của bộ biến đổi bao giờ cũng có một cái thường mở, một cái thường đóng, vì thế tổn hao do đóng, mở ở đây đã giảm so với bộ biến đổi điều khiển đối xứng. + Mặt khác nó cũng cho phép làm việc ở các chế độ sau: eUS> E ® Động cơ nhận năng lượng . eUS < E ® Động cơ phát năng lượng. -eUS < 0 ® Động cơ bị đảo chiều quay. Nhưng 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 Þ Gây ra tổn hao dẫn lớn (nếu là Transistor) . Ở trên, chỉ nêu nguyên lý hoạt động của các sơ đồ băm xung với việc chỉ coi các van là các khoá đóng cắt đơn thuần. Trong thực tế, để phù hợp với yêu cầu công nghệ ta sử dụng Transistor vì những ưu điểm sau: + 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, tổn hao khi mở thông nhỏ, hiệu suất thiết bị cao. + tần số đóng mở cao, dòng điện dễ giữ được liên tục, sóng hài ít, tổn hao và phát nhiệt của động cơ khá nhỏ. + Có khả năng vận hành ở tốc độ thấp, độ chính xác cao khi tốc độ ổn định, vì vậy phạm vi điều tốc rộng. Hình 3.16. Sơ đồ mạch lực khi dùng transistor Sơ đồ mạch lực khi dùng transistor như sau: Trong phạm vi đề tài này chúng em đưa ra phương án điều khiển mạch lực theo phương pháp không đối xứng. Phân tích nguyên lý hoạt động như mạch loại B kép điều khiển không đối xứng. 4. Thiết kế mạch lực. 4.1.Chọn van mạch lực. Thông số động cơ: Pđm=1kW; Uđm=48V; Rư = 0,2W; Lư = 0,1mH; h=85%. (Kích tù loại gì? ) Với tần số làm việc thông thường là f = 400Hz Þ T=2.5 ms. Từ các thông số trên ta tính được: Do đó: Eưđm= Udm- Rư.Iđm=48 - 0,2 ´ 24,5 = 43V. Chọn các van công suất (T1 ¸ T4). Việc chọn van bán dẫn mạch lực được chọn theo các thông số cơ bản của van. Hai thông số 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 khiển 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 (12m/s) Vì vậy: Ilvvan= (0,4 ¸ 0,5) Itb max. Từ biểu thức dòng trung bình qua van xác định ở trên, ta có: Ilvvan = IT = e.Id Þ Ilvvan = Id max = Þ 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 tranzito công suất loại BUT 90 có các thông số sau: Mã hiệu UCE ,V UCE0 , V UCE..sat , V IC, A IB , A toff, ms ton, ms ts, ms Pm, W BUT 90 200 125 1,2 50 7 0,4 1,2 1.5 250 Chọn các đi-ot (D1 ¸ D4). Biểu thức dòng trung bình qua các đi-ốt là: ID = Id.(1-e) Þ ID lv = Id max = 25A. Ta thấy rằng điện áp ngược lớn nhất đặt lên các diode là: 48V. Vậy ta chọn loại BYT30 do hãng Thomson chế tạo có các thông số: Mã hiệu Itb , A Umax , V BYT 30 30 200 ¸ 1000 4.2. 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 phải làm việc như một khoá điện tử đóng cắt mạch điện với tần số đóng cắt lớn, thì tổn thất năng lượng khi chuyển trạng thái là đáng kể, vì năng lượng tổn thất tỉ lệ với tần số hoạt động của Tranzitor. Vì vậy, để giảm nhỏ tổn thất khi chuyển mạch và tránh cho tranzistor làm việc quá nặng nề thì người ta sử dụng thêm mạch trợ giúp. Các phần tử chủ yếu của mạch trợ giúp là L2 và C2. Chức năng của L2 là hạn chế sự tăng của ic trong quá trình tranzistor đóng mạch, còn tụ điện C2 có tác dụng làm chậm sự tăng của Vcc trong quá trình tranzistor cắt mạch R1 1k D2 DIODE D1 DIODE R2 1k L1 1uH Q1 NPN C1 1uF Tải cảm Hình 3.17. Sơ đồ mạch trợ giúp của các Transistor Sơ đồ mạch trợ giúp như sau: Khi biểu diễn mạch lực trên sơ đồ nguyên lý ta không đưa thêm các mạch trợ giúp vào nhằm đơn giản hoá mạch nhưng thực tế mỗi tranzitor sử dụng đều thiết kế mạch trợ giúp đi kèm. II. Thiết kế mạch điều khiển. Các khối cơ bản của mạch điều khiển 1. Mạch tạo dao động: +12V 1 Gnd 2 Trg 3 Out 4 Rst 5 Ctl 6 Thr 7 Dis 8 Vcc 555 + CT .067uF + C1 .01uF RA 52k RB 0.4k R1 2k Hình 3.18.Bộ tạo dao động Timer555 Vcc R1 R2 C Hình 3.19. Sơ đồ thay thế của timer 555 Để tạo được xung vuông với tần sỗ 400Hz ta sử dụng vi mạch tạo dao động Timer555 với các thông số cho như trên: Sơ đồ thay thế của vi mạch như sau: :Trạng thái (mức logic)dầu ra tại thời điểm t, là đầu ra đảo của FF trong vi mạch Nguyên lý hoạt động: Khi =1 thì Transistor dẫn bão hoà ,