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

n bëi ®Æc tÝnh c¬ b¶n lµ ®Æc tÝnh øng víi ®iÖn ¸p ®Þnh møc vµ tõ th«ng ®Þnh møc. Tèc ®é nhá nhÊt cña d¶i ®iÒu khiÓn bÞ giíi h¹n bëi yªu cÇu vÒ sai sè tèc ®é vµ m« men khëi ®éng. +Víi mét c¬ cÊu m¸y cô thÓ cã x¸c ®Þnh v× vËy ph¹m vi ®iÒu chØnh D phô thuéc tuyÕn tÝnh vµo gi¸ trÞ ®é cøng Ph­¬ng ph¸p ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p phÇn øng cã c¸c ­u ®iÓm nh­ sau: - HiÖu suÊt ®iÒu chØnh cao (ph­¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn lµ tuyÕn tÝnh, triÖt ®Ó) nªn tæn hao c«ng suÊt ®iªï khiÓn nhá. - ViÖc thay ®æi ®iÖn ¸p phÇn øng cô thÓ lµ lµm gi¶m U dÉn ®Õn m«men ng¾n m¹ch gi¶m, dßng ng¸n m¹ch gi¶m. §iÒu nµy rÊt cã ý nghÜa trong lóc khëi ®éng ®éng c¬. - §é sôt tèc tuyÖt ®èi trªn toµn d¶i ®iÒu chØnh øng víi mét m«men ®iÒu chØnh x¸c ®Þnh lµ nh­ nhau nªn sai sè tèc ®é t­¬ng ®èi (sai sè tÜnh) cña ®Æc tÝnh c¬ thÊp nhÊt kh«ng ®­îc v­ît qu¸ sai sè cho phÐp cho toµn d¶i ®iÒu chØnh. Ph­¬ng ph¸p nµy cã thÓ ®iÒu chØnh tr¬n trong toµn bé d¶i ®iÒu chØnh. Tuy vËy ph­¬ng ph¸p nµy ®ßi hái c«ng suÊt ®iÒu chØnh cao vµ ®ßi hái ph¶i cã mét bé nguån cã thÓ thay ®æi tr¬n ®iÖn ¸p ra, xong nã lµ kh«ng ®¸ng kÓ so víi vai trß vµ ­u ®IÓm cña nã. VËy nªn ph­¬ng ph¸p nµy ®­îc sö dông réng r·i. C¸c chÕ ®é lµm viÖc cña ®éng c¬. C¸c gãc phÇn t­ lµm viÖc. MC I: §éng c¬ II: H·m III: §éng c¬ IV: H·m MC MC MC Pc = Mdω < 0 Pc = Mdω > 0 Pc = Mdω > 0 Pc = Mdω < 0 ω M Tr¹ng th¸i h·m vµ tr¹ng th¸i ®éng c¬ ®­îc ph©n bè trªn ®Æc tÝnh c¬ ë gãc phÇn t­ t­¬ng øng víi chiÒu m«men vµ tèc ®é nh­ h×nh vÏ. I; III: tr¹ng th¸i ®éng c¬ ( cïng chiÒu víi M). II; IV: tr¹ng th¸i h·m ( ng­îc chiÒu víi M). C«ng suÊt c¬ Pc¬ = M®. C«ng suÊt ®iÖn cña ®éng c¬: P® = Pc¬ + P Trong ®ã: P lµ tæn hao c«ng suÊt. c¸c chÕ ®é lµm viÖc cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kÝch tõ ®éc lËp. - Khëi ®éng. XuÊt ph¸t tõ ph­¬ng tr×nh ®Æc tÝnh c¬ cña ®éng c¬ ®iÖn 1 chiÒu: Khi khëi ®éng cã t­¬ng ®èi lín. §èi víi ®éng c¬ cã c«ng suÊt cµng lín th× R­ th­êng cã gi¸ trÞ cµng nhá vµ dßng Inm cµng lín. §iÒu nµy lµm xÊu chÕ ®é chuyÓn m¹ch trong ®éng c¬, ®èt nãng m¹nh ®éng c¬ vµ g©y sôt ¸p l­íi ®iÖn. T×nh tr¹ng nµy cµng xÊu h¬n nÕu hÖ T§§ th­êng ph¶i më m¸y, ®¶o chiÒu, h·m ®iÖn th­êng xuyªn nh­ m¸y trôc, m¸y c¸n ®¶o chiÒu, thang m¸y lªn xuèng…VËy ®Ó ®¶m b¶o an toµn cho ®éng c¬ vµ c¸c c¬ cÊu truyÒn ®éng còng nh­ tr¸nh ¶nh h­ëng xÊu tíi l­íi ®iÖn, ph¶i h¹n chÕ dßng ®iÖn khi më m¸y, kh«ng cho v­ît qu¸ gi¸ trÞ: Imm = (1,5 2,5).I®m Ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn gi¶m ®iÖn ¸p phÇn øng kh«ng chØ gióp khèng chÕ dßng ng¾n m¹ch ë chÕ ®é khëi ®éng cßn h¹n chÕ ®­îc ®iÖn ¸p khëi ®éng. ChÕ ®é h·m: H·m lµ tr¹ng th¸i mµ ®éng c¬ sinh ra m«men quay ng­îc chiÒu tèc ®é quay. §éng c¬ ®iÖn 1 chiÒu cã 3 tr¹ng th¸i h·m: h·m t¸i sinh, h·m ng­îc vµ h·m ®éng n¨ng. + H·m t¸i sinh: X¶y ra khi tèc ®é quay cña ®éng c¬ lín h¬n tèc ®é kh«ng t¶i lý t­ëng. Khi ®ã U­ > E­ . §éng c¬ lµm viÖc nh­ mét m¸y ph¸t ®iÖn song song víi l­íi. So víi chÕ ®é ®éng c¬, dßng ®iÖn vµ m«men h·m ®· ®æi chiÒu x¸c ®Þnh theo biÓu thøc: . TrÞ sè h·m sÏ lín dÇn cho ®Õn khi c©n b»ng víi m«men phô t¶i th× hÖ thèng lµm viÖc æn ®Þnh víi tèc ®é . V× s¬ ®å ®Êu d©y cña m¹ch ®éng c¬ kh«ng ®æi nªn ph­¬ng tr×nh ®Æc tÝnh c¬ t­¬ng tù nh­ng m«men cã gi¸ trÞ ©m. §­êng ®Æc tÝnh c¬ n»m trong gãc phÇn t­ thø hai vµ thø t­ (h×nh vÏ trªn). Trong h·m t¸i sinh, dßng ®iÖn h·m ®æi chiÒu vµ c«ng suÊt ®­îc ®­a tr¶ vÒ l­íi ®iÖn cã gi¸ trÞ P = (E - U).I. §©y lµ ph­¬ng ph¸p h·m kinh tÕ nhÊt v× ®éng c¬ sinh n¨ng l­îng h÷u Ých. + H·m ng­îc. X¶y ra khi phÇn øng d­íi t¸c dông cña ®éng n¨ng tÝch luü trong c¸c bé phËn chuyÓn ®éng hoÆc do thÕ n¨ng quay ng­îc chiÒu víi m« men ®iÖn tõ cña ®éng c¬, m«men cña ®éng c¬ khi ®ã chèng l¹i sù chuyÓn ®éng cña c¬ cÊu s¶n xuÊt. H·m ng­îc khi ®­a ®iÖn trë phô vµo m¹ch phÇn øng (t¨ng t¶i): §Æc tÝnh h·m ng­îc s®® t¸c dông cïng chiÒu víi ®iÖn ¸p l­íi, ®éng c¬ lµm viÖc nh­ mét m¸y ph¸t nèi tiÕp víi l­íi ®iÖn, biÕn ®iÖn n¨ng nhËn tõ l­íi ®iÖn vµ c¬ n¨ng thµnh nhiÖt ®èt nãng ®iÖn trë tæng m¹ch phÇn øng, v× vËy tæn thÊt lín. §¶o chiÒu ®iÖn ¸p phÇn øng: Dßng ®iÖn Ih ng­îc chiÒu víi chiÒu lµm viÖc cña ®éng c¬ vµ cã thÓ kh¸ lín Nªn ph¶i h¹n chÕ dßng trong ph¹m vi cho phÐp: Imm = (1,5 2,5).I®m + H·m ®éng n¨ng. Lµ tr¹ng th¸i ®éng c¬ lµm viÖc nh­ mét m¸y ph¸t mµ n¨ng l­îng c¬ häc cña ®éng c¬ ®­îc tÝch luü trong qu¸ tr×nh lµm viÖc tr­íc ®ã biÕn thµnh ®iÖn n¨ng tiªu t¸n d­íi d¹ng nhiÖt. H·m ®éng n¨ng tù kÝch tõ ®éc lËp: Khi ta c¾t phÇn øng ®éng c¬ khái l­íi ®iÖn mét chiÒu vµ ®ãng vµo mét ®iÖn trë h·m: Chøng tá Ihdvµ Mhd ng­îc chiÒu víi tèc ®é ban ®Çu. N¨ng l­îng chñ yÕu ®­îc t¹o ra do ®éng n¨ng tiªu tèn chØ n»m trong m¹ch kÝch tõ. § § M 0 Nh­îc ®iÓm lµ nÕu mÊt ®iÖn th× kh«ng thùc hiÖn h·m ®­îc do cuén d©y kÝch tõ vÉn ph¶i nèi víi nguån. Muèn kh¾c phôc ng­êi ta sö dông ph­¬ng ph¸p h·m ®éng n¨ng tù kÝch tõ. Nã x¶y ra khi ta c¾t c¶ phÇn øng lÉn cuén kÝch tõ ra khái l­íi ®iÖn khi ®éng c¬ quay ®Ó ®ãng vµo mét ®iÖn trë h·m. Trong qu¸ tr×nh h·m tèc ®é gi¶m dÇn, dßng kÝch tõ gi¶m dÇn vµ do ®ã tõ th«ng gi¶m dÇn vµ lµ h·m tèc ®é v× vËy ®Æc tÝnh c¬ còng nh­ ®Æc tÝnh kh«ng t¶i cña m¸y ph¸t ®iÖn tù kÝch thÝch lµ phi tuyÕn so víi ph­¬ng ph¸p h·m ng­îc. H·m ®éng n¨ng cã hiÖu qu¶ kÐm h¬n khi chóng cã cïng tèc ®é vµ m«men c¶n, tuy nhiªn h·m ®éng n¨ng ­u viÖt h¬n vÒ mÆt n¨ng l­îng ®Æc biÖt h·m ®éng n¨ng tù kÝch v× kh«ng tiªu thô n¨ng l­îng tõ l­íi vµ ®Æc biÖt cã thÓ sö dông ®­îc kÓ c¶ khi mÊt ®iÖn. §¶o chiÒu quay ®éng c¬. ChiÒu tõ lùc t¸c dông vµo dßng ®iÖn ®­îc x¸c ®Þnh theo quy t¾c bµn tay tr¸i. Khi ®¶o chiÒu tõ th«ng hay ®¶o chiÒu dßng ®iÖn th× tõ lùc cã chiÒu ng­îc l¹i. VËy muèn ®¶o chiÒu quay cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu cã thÓ thùc hiÖn 1 trong 2 c¸ch sau: + HoÆc ®¶o chiÒu tõ th«ng (qua viÖc ®¶o chiÒu dßng kÝch tõ). + HoÆc ®¶o chiÒu dßng ®iÖn phÇn øng. §­êng ®Æc tÝnh c¬ cña ®éng c¬ khi quay thuËn vµ quay ng­îc lµ ®èi xøng nhau qua gèc täa ®é. (h×nh vÏ) Ph­¬ng ph¸p ®¶o chiÒu tõ th«ng thùc hiÖn nhÑ nhµng v× m¹ch tõ th«ng cã c«ng suÊt nhá h¬n m¹ch phÇn øng. Tuy vËy, v× cuén kÝch tõ cã sè vßng d©y lín, hÖ sè tù c¶m lín, do ®ã thêi gian ®¶o chiÒu t¨ng lªn nªn ph­¬ng ph¸p nµy Ýt dïng. Ngoµi ra, dïng ph­¬ng ph¸p ®¶o chiÒu tõ th«ng th× khi tõ th«ng qua trÞ sè 0 cã thÓ lµm tèc ®é t¨ng qu¸, kh«ng tèt. VÊn dÒ phô t¶i. §Æc tÝnh cña phô t¶i còng lµ vÊn ®Ò cÇn ph¶i quan t©m khi ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu. ë ®©y ta sÏ chØ xÐt tr­êng hîp phô t¶i cã m«men lµ h»ng sè trong toµn d¶i ®iÒu chØnh vµ ®Æc tÝnh phô t¶i lµ tuyÕn tÝnh. Qua ph©n tÝch trªn ®©y, viÖc ®iÒu khiÓn ®iÖn ¸p phÇn øng ®­îc chän lµ phï hîp. gi¶i ph¸p mµ ng­êi ta th­êng dïng hiÖn nay lµ b¨m xung ¸p ®iÒu khiÓn b»ng bé b¨m xung ¸p mét chiÒu mµ ta sÏ ®Ò cËp ë vÊn ®Ò tiÕp theo. Ch­¬ng II M¹ch b¨m xung mét chiÒu (cßn gäi lµ m¹ch ®iÒu ¸p mét chiÒu) §iÒu ¸p mét chiÒu lµ thiÕt bÞ nh»m ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p mét chiÒu ra t¶i tõ mét nguån ®iÖn ¸p mét chiÒu cè ®Þnh.§Ó ®ãng c¾t ®iÖn ¸p nguån, ng­êi ta th­êng dïng c¸c kho¸ ®iÖn tö c«ng suÊt v× chóng cã ®Æc tÝnh t­¬ng øng víi kho¸ lý t­ëng, tøc lµ khi kho¸ dÉn ®iÖn (®ãng) ®iÖn trë cña nã kh«ng ®¸ng kÓ; cßn khi kho¸ bÞ ng¾t (më ra) ®iÖn trë cña nã lín v« cïng (®iÖn ¸p trªn t¶i sÏ b»ng kh«ng). Nguyªn lý c¬ b¶n cña bé biÕn ®æi xung ¸p 1 chiÒu ®­îc m« t¶ nh­ sau:K R E UR E 0 T t1 UR t UR Trong kho¶ng thêi gian , kho¸ K ®ãng l¹i, ®iÖn ¸p trªn t¶i UR sÏ cã gi¸ trÞ b»ng ®iÖn ¸p nguån (UR = E); cßn kho¶ng t1 T, kho¸ K më ra vµ UR = 0. Gi¸ trÞ trung b×nh cña ®iÖn ¸p trªn t¶i sÏ lµ: Trong ®ã: - thêi gian kho¸ K ®ãng. - hÖ sè ®iÒu chØnh. T – chu kú ®ãng c¾t cña kho¸ K. NhËn xÐt: nguån E cã thÓ kh«ng ®æi nh­ng cã thÓ thay ®æi ®­îc Ut nhê thay ®æi . Cã 3 ph­¬ng ph¸p ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p trªn t¶i: Gi÷ chu kú ®ãng c¾t kh«ng ®æi T = const; thay ®æi thêi gian ®ãng kho¸ K: t1 (hay ). Ph­¬ng ph¸p nµy gäi lµ ph­¬ng ph¸p ®iÒu chØnh ®é réng xung PWM (pulse width modulation). §©y lµ ph­¬ng ph¸p th«ng dông nhÊt hiÖn nay vµ ®­îc øng dông réng r·i nhÊt. ­u ®iÓm: lµm viÖc víi tÇn sè kh«ng ®æi (do chu kú kh«ng ®æi) nªn tham sè cña hÖ thèng còng Ýt thay ®æi. Khi kh«ng thay ®æi th× ®iÖn ¸p còng kh«ng thay ®æi. Gi÷ nguyªn thêi gian ®ãng khãa K: t1 = const; thay ®æi tÇn sè ®ãng c¾t T. Ph­¬ng ph¸p nµy gäi lµ ph­¬ng ph¸p b¨m xung kiÓu ®iÒu chØnh f (ph­¬ng ph¸p xung tÇn); ph­¬ng ph¸p nµy Ýt dïng. Thay ®æi c¶ tÇn sè ®ãng c¾t vµ thêi gian ®ãng kho¸ K. thay ®æi th­êng theo quy luËt: dßng ®iÖn cã c­êng ®é ®Ëp m¹ch Ýt nhÊt. Ph­¬ng ph¸p nµy gäi lµ ph­¬ng ph¸p b¨m xung theo kiÓu thêi gian. Ph­¬ng ph¸p nµy Ýt ®­îc sö dông nhÊt trong c¶ 3 ph­¬ng ph¸p. Nh­ vËy, bé biÕn ®æi xung ¸p cã kh¶ n¨ng ®iÒu chØnh vµ æn ®Þnh ®iÖn ¸p ra trªn phô t¶i. Nã cã nh÷ng ­u ®iÓm c¬ b¶n sau: HiÖu suÊt cao v× tæn hao c«ng suÊt trong bé biÕn ®æi kh«ng ®¸ng kÓ so víi c¸c bé biÕn ®æi liªn tôc. §é chÝnh x¸c cao còng nh­ Ýt chÞu ¶nh h­ëng cña nhiÖt ®é m«i tr­êng, v× yÕu tè ®iÒu chØnh lµ thêi gian ®ãng kho¸ K mµ kh«ng ph¶i gi¸ trÞ ®iÖn trë cña c¸c phÇn tö ®iÒu chØnh th­êng gÆp trong c¸c bé ®iÒu chØnh liªn tôc. ChÊt l­îng ®iÖn ¸p tèt h¬n so víi c¸c bé biÕn ®æi liªn tôc. KÝch th­íc gän, nhÑ. Nh­îc ®iÓm c¬ b¶n cña c¸c bé biÕn ®æi xung ¸p lµ: CÇn cã bé läc ®Çu ra, do ®ã lµm t¨ng qu¸n tÝnh cña bé biÕn ®æi khi lµm viÖc trong hÖ thèng kÝn. TÇn sè ®ãng c¾t lín sÏ t¹o ra nhiÒu cho nguån còng nh­ c¸c thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn. Tuy nhiªn, bé biÕn ®æi xung ¸p vÉn ®­îc øng dông réng r·i, nhÊt lµ khi c¸c yÕu tè vÒ ®é tin cËy, dÔ ®iÒu chØnh, ®é æn ®Þnh còng nh­ kÝch th­íc lµ nh÷ng tiªu chÝ ®­îc ®Æt lªn hµng ®Çu. §èi víi c¸c bé biÕn ®æi c«ng suÊt trung b×nh (hµng chôc kW) vµ nhá (vµi kW), ng­êi ta th­êng dïng c¸c kho¸ ®iÖn tö lµ c¸c bãng b¸n dÉn l­ìng cùc IGBT. Trong tr­êng hîp c«ng suÊt lín (vµi tr¨m kW trë lªn) ng­êi ta sö dông GTO hoÆc tiristo. Cã nhiÒu c¸ch ph©n lo¹i c¸c bé biÕn ®æi xung ¸p mét chiÒu , tuú thuéc vµo c¸ch m¾c kho¸ ®iÖn tö song song hay nèi tiÕp mµ ng­êi ta chia c¸c bé biÕn ®æi xung ¸p thµnh nèi tiÕp hay song song. Còng cã thÓ ph©n biÖt bé biÕn ®æi tuú thuéc vµo ®iÖn ¸p ra: bé biÕn ®æi xung ¸p cã ®iÖn ¸p ra nhá h¬n ®iÖn ¸p vµo; bé biÕn ®æi xung ¸p cã ®iÖn ¸p ra lín h¬n ®iÖn ¸p vµo. Tuú thuéc vµo dÊu ®iÖn ¸p mµ ng­êi ta chia ra: bé biÕn ®æi xung ¸p kh«ng ®¶o chiÒu hoÆc bé biÕn ®æi ®iÖn ¸p cã ®¶o chiÒu. S¬ ®å cÊu tróc cña bé biÕn ®æi xung ¸p mét chiÒu. S¬ ®å cÊu tróc gåm c¸c phÇn tö chñ yÕu nh­ nguån N, bé läc ®Çu vµo L, kho¸ ®iÖn tö (K§T), bé läc ®Çu ra (LO) vµ phô t¶i (PT) (cô thÓ lµ ®éng c¬ mét chiÒu). E N L K§T LO PT § i Nguån 1 chiÒu cã thÓ lµ ¨cquy hoÆc bé chØnh l­u. Bé läc ®Çu vµo th­êng dïng m¹ch LC hoÆc chØ dïng ®iÖn c¶m. tô C cã thÓ ®­îc thay thÕ b»ng c¸c phÇn tö tÝch tr÷ n¨ng l­îng nh­ ¨cquy. Kho¸ ®iÖn tö (K§T) ngµy nay ®­îc dïng chñ yÕu lµ c¸c van b¸n dÉn ®iÒu khiÓn hoµn toµn. Bé läc ®Çu ra (LO) cã t¸c dông san ph¼ng dßng ®iÖn ë ®Çu ra cña bé biÕn ®æi. C¸c bé biÕn ®æi xung ¸p mét chiÒu ®­îc nªu ra ë ®©y chØ sö dông van ®iÒu khiÓn hoµn toµn GTO, IGBT, BT. Bé biÕn ®æi xung ¸p nèi tiÕp. S¬ ®å nguyªn lý nh­ sau: PhÇn tö ®iÒu chØnh quy ­íc lµ kho¸ S §Æc ®iÓm cña s¬ ®å nµy lµ kho¸ S, cuén c¶m vµ t¶i m¾c nèi tiÕp. T¶i cã tÝnh chÊt c¶m kh¸ng hoÆc dung kh¸ng. Bé läc LC. §i-«t m¾c ng­îc víi Ud ®Ó tho¸t dßng t¶i khi kho¸ S ng¾t. + S ®ãng Þ U ®­îc ®Æt vµo ®Çu cña bé läc. Lý t­ëng th× ud = U (nÕu bá qua sôt ¸p trªn c¸c van trong bé biÕn ®æi). + S më Þ hë m¹ch gi÷a nguån vµ t¶i, nh­ng vÉn cã dßng id do n¨ng l­îng tÝch luü trong cuén L vµ Lt¶i, dßng i ch¹y qua D, do ®ã ud = 0. Nh­ vËy, Ud £ U. T­¬ng øng ta cã bé biÕn ®æi h¹ ¸p. §Æc tÝnh truyÒn ®¹t: Bé biÕn ®æi xung ¸p song song. S¬ ®å nh­ sau: §Æc ®iÓm: L nèi tiÕp víi t¶i, kho¸ S m¾c song song víi t¶i. Cuén c¶m L kh«ng tham gia vµo qu¸ tr×nh läc gîn sãng mµ chØ cã tô C ®ãng vai trß nµy. + S ®ãng: Dßng ®iÖn tõ +U qua L ® S ® – U. Khi ®ã D t¾t v× trªn tô cã UC (®· ®­îc tÝch ®iÖn tr­íc ®ã). + S ng¾t: dßng ®iÖn ch¹y tõ +U qua L ® D ® T¶i. V× tõ th«ng trong L kh«ng gi¶m tøc thêi vÒ kh«ng do ®ã trong L xuÊt hiÖn suÊt ®iÖn ®éng tù c¶m eL, cã cïng cùc tÝnh U. Do ®ã tæng ®iÖn ¸p: ud =U + eL. VËy ta cã bé biÕn ®æi t¨ng ¸p. §Æc tÝnh cña bé biÕn ®æi lµ tiªu thô n¨ng l­îng tõ nguån U ë chÕ ®é liªn tôc vµ n¨ng l­îng truyÒn ra t¶i d­íi d¹ng xung nhän. §Æc tÝnh truyÒn ®¹t: Bé biÕn ®æi xung ¸p 1 chiÒu cã ®iÖn ¸p ra lín h¬n hoÆc nhá h¬n ®iÖn ¸p vµo. Tải là động cơ một chiều được thay bởi mạch tương đương RLE. L1 ®ãng vai trß tÝch luü n¨ng l­îng. C ®ãng vai trß läc. Ho¹t ®éng. + S ®ãng, trªn L1 cã U, dßng ch¹y tõ +U ® S ® L1 ® -U. N¨ng l­îng tÝch luü trong cuén c¶m L1; ®i-«t D t¾t; Ud =UC, tô C phãng ®iÖn qua t¶i. + S ng¾t, cuén c¶m L1 sinh ra søc ®iÖn ®éng ng­îc chiÒu víi tr­êng hîp ®ãng lµm D th«ng vµ n¨ng l­îng tõ tr­êng n¹p vµo C, tô C tÝch ®iÖn; ud sÏ ng­îc chiÒu víi U. VËy ®iÖn ¸p ra trªn t¶i ®¶o dÊu so víi U. Gi¸ trÞ tuyÖt ®èi |Ud| cã thÓ lín h¬n hay nhá h¬n U nguån. Bộ Chopper lớp C (Bộ đảo dòng). Tải là phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập đã được thay bởi mạch tương đương R-L-E. Nguyªn lý ho¹t ®éng. Chế độ động cơ: Trong khoảng , động cơ được nối nguồn qua , điện áp đặt lên động cơ là U. Trong khoảng , ngắt, động cơ được nối ngắn mạch qua , điện áp đặt lên động cơ là 0. Chế độ hãm tái sinh: Trong khoảng , ngắt, động cơ được nối nguồn qua , điện áp đặt lên động cơ là U. Trong khoảng , dẫn, động cơ được nối ngắn mạch qua , điện áp đặt lên động cơ là 0. TÝnh to¸n c¸c th«ng sè trªn s¬ ®å. Trong khoảng () dẫn, điện áp đặt lên động cơ là U, ta có: . Giải bằng phương pháp toán tử Laplace: Trong khoảng () dẫn, điện áp đặt lên động cơ là 0, ta có: . Suy ra: ; trong đó Điện áp trung bình trên động cơ: Dòng điện trung bình: Độ nhấp nhô dòng điện: Do nên sử dụng công thức tính gần đúng ta được Dòng trung bình qua () là: Dòng trung bình qua () là: Bộ đảo áp. S¬ ®å nguyªn lý. b. Nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn. Chu kì đóng cắt của mỗi van là T, S1 và S2 được kích dẫn lệch pha một khoảng thời gian T/2, mỗi van S1, S2 được kích với góc dẫn γ. c. Nguyªn lý ho¹t ®éng. Chế độ động cơ ()Trong các khoảng và thì S1 và S2 cùng dẫn, điện áp đặt lên phần ứng động cơ là U, dòng điện qua động cơ tăng từ tới Imax ta có phương trình: . Trong các khoảng và thì S1 và S2 không đồng thời dẫn,do đó động cơ được nối ngắn mạch qua các diot D1 hoặc D2,điện áp dặt lên động cơ là 0,dòng điện qua động cơ giảm từ xuống , ta có phương trình . 0 Các thông số của mạch Biểu thức dòng tải Trong khoảng : §iện áp đặt lên động cơ là U. Dòng qua động cơ tăng từ Imin tới Imax. Phương trình dòng qua động cơ: Giải phương trình bằng phương pháp toán tử Laplace ta có: . Trong khoảng : dòng id ngắn mạch qua S1 và D2 điện áp đặt lên động cơ là 0, id giảm từ Imax về Imin. Phương trình dòng qua động cơ: . Giải phương trình bằng phương pháp toán tử Laplace ta có: trong đó Với điều kiện , dựa vào hai phương trình trên ta có: ; trong đó Độ nhấp nhô dòng điện: Điện áp trung bình đặt trên động cơ: Dòng điện trung bình Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các phần tử là V Dòng trung bình qua các van S1, S2: Dòng trung bình qua các diot: Chế độ hãm tái sinh () Trong khoảng động cơ được ngắn mạch qua S1 và D2, dòng điện qua động cơ tăng từ Imin tới Imax, điện áp đặt lên động cơ là 0, ta có phương trình:(đối với sơ đồ này thì khi làm việc ở chế độ hãm tái sinh phải đảo chiều quay của động cơ). Giải phương trình trong khoảng xét ta được: (1) Trong khoảng , động cơ trả năng lượng về nguồn qua các diot D1 và D2, dòng qua động cơ giảm từ Imax xuống Imin, Ta có phương trình . Giải phương trình trong khoảng xét ta được: (2) Điện áp trung bình đặt lên động cơ: Dòng điện trung bình là: Dòng trung bình qua các van S1, S2 là: Dòng trung bình qua các diot D1, D2là: Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các van là: Bộ b¨m xung 1 chiÒu cã ®¶o chiÒu. ë ®©y ta sö dông van b¸n dÉn IGBT. Bé BXMC dïng van ®iÒu khiÓn hoµn toµn IGBT cã kh¶ n¨ng thùc hiÖn ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p vµ ®¶o chiÒu dßng ®iÖn t¶i. Trong c¸c hÖ truyÒn ®éng tù ®éng cã yªu cÇu ®¶o chiÒu ®éng c¬, do ®ã bé biÕn ®æi nµy th­êng hay dïng ®Ó cÊp nguån cho ®éng c¬ mét chiÒu kÝch tõ ®éc lËp cã yªu cÇu ®¶o chiÒu quay. C¸c van IGBT lµm nhiÖm vô kho¸ kh«ng tiÕp ®iÓm. C¸c §i«t §1, §2, §3, §4 dïng ®Ó tr¶ n¨ng l­îng ph¶n kh¸ng vÒ nguån vµ thùc hiÖn qu¸ tr×nh h·m t¸i sinh. C¸c ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn lµ: §iÒu khiÓn ®éc lËp, ®iÒu khiÓn ®èi xøng, ®iÒu khiÓn kh«ng ®èi xøng. Ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn ®éc lËp. NÕu ta muèn ®éng c¬ ch¹y theo chiÒu nµo th× ta sÏ chØ cho mét cÆp van ch¹y, cÆp cßn l¹i sÏ kho¸. + Muèn ®éng c¬ quay thuËn cho S1, S2 dÉn, S3, S4 nghØ. + Muèn ®éng c¬ quay nghÞch cho S1, S2 nghØ, S3, S4 dÉn. Ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn ®èi xøng. §iÒu khiÓn ®èi xøng lµ kiÓu ®iÒu khiÓn c¸c van theo cÆp. Theo phương pháp điều khiển này các cặp van S1 và S2; S3 và S4 lập thành hai cặp van mà trong mỗi cặp thì hai van được điều khiển đóng cắt đồng thời. Tín hiệu điều khiển được tạo ra bằng cách so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa (thường là dạng xung tam giác): - Nếu Udk > utua thì S1 và S2 được kích dẫn; S3 và S4 được kích tắt. - Nếu Udk < utua thì S1và S2 được kích tắt; S3 và S4 được kích dẫn. Chế độ hoạt động: + Trong khoảng 1: S1 và S2 được kích dẫn, S3 và S4 được kích tắt, động cơ được nối với nguồn U, dòng qua phần ứng tăng đến giá trị Imax. + Trong khoảng 2: S1và S2 được kích tắt, S3 và S4 được kích dẫn, nhưng do tải có tính cảm kháng nên dòng điện phần ứng khép mạch qua D3 và D4 về nguồn, S3 và S4 bị đạt điện áp ngược bởi hai diode D3 và D4 nên khoá, dòng id giảm từ Imax về 0. + Trong khoảng 3: S3 và S4 được kích dẫn, điện áp đặt lên động cơ là –U, dòng id tăng theo chiều ngược lại (giảm từ 0 về Imin theo chiểu dương). + Trong khoảng 4: S3 và S4 được kích tắt, S1 và S2 được kích dẫn, nhưng do trước đó dòng id chạy theo chiều ngược lại nên dòng id tiềp tục chảy theo chiều cũ, khép mạch qua các diode D1 và D2 về nguồn; S1 và S2 bị đặt điện áp ngược bởi hai diode D1 và D2 phân cực thuận nên khoá, do đó id giảm theo chiều ngược lại từ Imin về 0. Tính toán các thông số của mạch: + Trong khoảng , S1 và S2 dẫn hoặc khi D1 và D2 dẫn thì điện áp đặt lên động cơ là U, ta có phương trình: . với sơ kiện đầu Ta có: trong đó . Trong khoảng, S3 và S4 dẫn hoặc D3 và D4 dẫn, điện áp đặt lên động cơ là -U ta có: . Giải bằng phương pháp toán tử Laplace: Điện áp trung bình trên động cơ + Trong khoảng 0<t<γT điện áp đặt lên động cơ là U; và trong khoảng γT<t<T điện áp đặt lên động cơ là –U nên điện áp trung bình đặt lên động cơ là: -Dòng điện trung bình qua động cơ là: -Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các Diode là -Gi¸ trÞ dßng trung b×nh qua t¶i lµ -Dßng trung b×nh qua §i«t : - Dßng trung b×nh qua van: T­¬ng tù ta cã IS = γIt - §iÖn ¸p ra t¶i cã gi¸ trÞ trung b×nh lµ Ut=(2γ-1)U +NÕu γ = 0.5 th× Ut = 0 +NÕu γ > 0.5 th× Ut >0 +NÕu γ < 0.5 th× Ut <0 Nh­ vËy b»ng c¸ch thay ®æi gi¸ trÞ γ mµ ta thay ®æi ®­îc gi¸ trÞ ®iÖn ¸p ra t¶i vµ c¶ dÊu cña nã. Do ®ã sÏ ®¶o chiÒu quay cña ®éng c¬. Ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn kh«ng ®èi xøng. §©y lµ ph­¬ng ph¸p th«ng dông nhÊt v× chÊt l­îng ®iÖn ¸p ra tèt h¬n. Gi¶ sö ®éng c¬ quay theo chiÒu thuËn, t­¬ng øng víi c¸c cÆp van S1, S2 lµm viÖc; van S3 lu«n kho¸, cßn van S4 sÏ ®­îc ®ãng më ng­îc pha víi S1. (h×nh vÏ a, b, c, d). Et s®® cña ®éng c¬. §iÖn ¸p ra t¶i cã d¹ng Ut = U (h×nh vÏ e). Bé BXMC cã 3 tr¹ng th¸i lµm viÖc: Tr¹ng th¸i 1: (®å thÞ dßng ®iÖn lµ h×nh vÏ f) U > Et: §éng c¬ lµm viÖc ë gãc phÇn t­ thø nhÊt. N¨ng l­îng cÊp cho ®éng c¬ ®­îc cÊp tõ nguån th«ng qua c¸c van S1, S2 dÉn trong kho¶ng 0t1. +Trong kho¶ng t1T: N¨ng l­îng tÝch tr÷ trong ®iÖn c¶m sÏ duy tr× cho dßng ®iÖn theo chiÒu cò vµ khÐp m¹ch qua S2, §4. Tr¹ng th¸i 2: U < Et: (®å thÞ g) ChÕ ®é lµm viÖc ë gãc phÇn t­ thø 2 ( h·m) +Trong kho¶ng 0t1: §éng c¬ tr¶ n¨ng l­îng vÒ nguån th«ng qua c¸c §i«t §1, §2 (I§1 = I§2 = It) +Trong kho¶ng t1T: Dßng t¶i sÏ khÐp m¹ch qua S4 (S4 dÉn) vµ §2 (I§2 = I§4 = It) Tr¹ng th¸i 3: U = Et: (®å thÞ h) +Trong kho¶ng 0t0: Do Et > U nªn ®éng c¬ sÏ h·m tr¶ n¨ng l­îng vÒ nguån qua §1 vµ §2 (i§1 = i§2 = it); +Trong kho¶ng t0t1 : U > Et : §éng c¬ chuyÓn sang lµm viÖc ë chÕ ®é ®éng c¬. N¨ng l­îng tõ nguån qua S1, S2 cÊp cho ®éng c¬ (iS1 = iS2 = it) +Trong kho¶ng t1t2: S1 khãa, S4 më. N¨ng l­îng tÝch luü trong ®iÖn c¶m sÏ cÊp cho ®éng c¬ vµ duy tr× dßng ®iÖn qua §2, §4 (i§2 = i§4 = it) +Trong kho¶ng t2T: Khi n¨ng l­îng dù tr÷ trong ®iÖn c¶m hÕt, søc ®iÖn ®éng cña ®éng c¬ sÏ ®¶o chiÒu dßng ®iÖn vµ dßng t¶i khÐp m¹ch qua S4, §2 (it =i§2 =iS4). Qu¸ tr×nh nµy t¹o ra sù tÝch luü n¨ng l­îng trong ®iÖn c¶m vµ khi S4 bÞ khãa th× ®iÖn ¸p trªn t¶i > E vµ qu¸ tr×nh l¹i lÆp l¹i nh­ ban ®Çu. MÆc dï dßng ®iÖn t¶i ®æi chiÒu, nh­ng do cã sù tham gia cña S4 vµ §4 vµo qu¸ tr×nh lµm viÖc nªn trong kho¶ng t1T, ®iÖn ¸p trªn t¶i lu«n b»ng kh«ng. Do ®ã d¹ng ®iÖn ¸p trªn t¶i sÏ kh«ng bÞ biÕn d¹ng vµ thµnh phÇn sãng ®iÒu hoµ bËc cao trong ®iÖn ¸p phô t¶i sÏ lµ nhá nhÊt. Muèn ®éng c¬ lµm viÖc theo chiÒu ng­îc l¹i, luËt ®iÒu khiÓn c¸c van sÏ ®­îc thay ®æi ng­îc l¹i.Trong tr­êng hîp nµy, van S3 vµ S2 dÉn ng­îc nhau, van S4 lu«n dÉn, van S1 lu«n kho¸. C¸c biÓu thøc tÝnh to¸n: + Gi¸ trÞ dßng trung b×nh qua t¶i Ta cã Do ®ã R.It + E =U +Dßng trung b×nh qua van Víi Rót gän ta cã IS =It +Dßng trung b×nh qua §i«t +Gi¸ trÞ trung b×nh ®iÖn ¸p ra t¶i Ut =U VËy ®Ó ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ta chØ cÇn ®iÒu khiÓn ®Ó ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p ra t¶i. KÕt luËn: Theo yªu cÇu cña ®å ¸n: ta sö dông bé b¨m xung 1 chiÒu cã ®¶o chiÒu vµ ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn lµ ®iÒu khiÓn kh«ng ®èi xøng. Ta chän van b¸n dÉn IGBT dïng trong m¹ch b¨m xung 1 chiÒu cã ®¶o chiÒu. V×: IGBT cã thÓ kÕt hîp kh¶ n¨ng ®ãng c¾t nhanh cña MOSFET vµ kh¶ n¨ng chÞu qu¸ t¶i lín cña c¸c tranzitor th­êng, tÇn sè b¨m ®iÖn ¸p cao còng lµm cho ®éng c¬ ch¹y ªm h¬n. C«ng suÊt ®iÒu khiÓn yªu cÇu cùc nhá nªn lµm ®¬n gi¶n ®¸ng kÓ thiÕt kÕ cña c¸c bé biÕn ®æi vµ lµm cho kÝch th­íc hÖ thèng ®iÒu khiÓn nhá, h¬n n÷a nã còng lµm tiÕt kiÖm n¨ng l­îng ®iÒu khiÓn. IGBT lµ phÇn tö ®ãng c¾t dßng ¸p lín, nã ®ang dÇn thay thÕ tranzitor BJT vµ ngµy cµng trë nªn th«ng dông. Ch­¬ng III M¹ch ®iÒu khiÓn cho m¹ch b¨m xung mét chiÒu Yªu cÇu chung cña m¹ch ®iÒu khiÓn. M¹ch ®iÒu khiÓn cÇn tho¶ m·n nh÷ng yªu cÇu sau: - Yªu cÇu vÒ ®é réng xung ®iÒu khiÓn ®ã lµ ph¶i thay ®æi ®­îc ®é réng xung ®iÒu khiÓn . - Yªu cÇu vÒ ®é lín xung ®iÒu khiÓn. - Yªu cÇu vÒ ®é dèc s­ên tr­íc cña xung (cµng cao th× viÖc më cµng tèt) th«ng th­êng - Ph¸t xung ®iÒu khiÓn ®Õn c¸c van lùc theo ®óng pha vµ víi gãc ®iÒu khiÓn cÇn thiÕt. - §¶m b¶o ph¹m vi ®iÒu chØnh gãc ®iÒu khiÓn tõ min ®Õn max t­¬ng øng víi ph¹m vi thay ®æi ®iÖn ¸p ra t¶i cña m¹ch lùc. - Cho phÐp ®éng c¬ lµm viÖc víi c¸c chÕ ®é ®· tÝnh to¸n nh­ chÕ ®é khëi ®éng, h·m t¸i sinh, ®¶o chiÒu quay... - Cã ®é ®èi xøng ®iÒu khiÓn tèt, tøc lµ gãc ®iÒu khiÓn víi mäi van kh«ng v­ît qu¸ 10 ®Õn 30 ®iÖn. - Cã kh¶ n¨ng chèng nhiÔu c«ng nghiÖp tèt: kh«ng ®­îc g©y ra c¸c nhiÔu v« tuyÕn. - M¹ch ®iÒu khiÓn t¸c ®éng nhanh. - Thùc hiÖn c¸c yªu cÇu b¶o vÖ c¸c van (nÕu cÇn) nh­ ng¾t c¸c xung ®iÒu khiÓn khi cã sù cè, th«ng b¸o c¸c hiÖn t­îng kh«ng b×nh th­êng cña l­íi vµ b¶n th©n m¹ch ®iÒu khiÓn . - Cã ®é tin cËy cao. U®k t2 t1 T t0 T Ud® URC USS1 Nguyªn t¾c chung cña m¹ch ®iÒu khiÓn. Nguyªn t¾c chung cña m¹ch ®iÒu khiÓn lµ so s¸nh mét ®iÖn ¸p mét chiÒu U§K thay ®æi ®­îc víi mét ®iÖn ¸p d¹ng tam gi¸c cã tÇn sè cao. §iÓm c©n b»ng gi÷a Utg vµ U®k sÏ lµ thêi ®iÓm ph¸t xung ®iÒu khiÓn më c¸c van b¸n dÉn. Thay ®æi U§K sÏ thay ®æi ®­îc ®é réng xung ®iÒu khiÓn trong khi vÉn gi÷ tÇn sè ®iÒu khiÓn kh«ng ®æi. Qu¸ tr×nh biÕn ®æi tõ kh©u t¹o dao ®éng ®Õn ®iÖn ¸p ra khái bé so s¸nh ®­îc thÓ hiÖn b»ng h×nh vÏ bªn TÝnh to¸n m¹ch ®iÒu khiÓn. S¬ ®å chung: C¸ch ly quang U§ T¹o xung r¨ng c­a R So s¸nh U§K FXC§ L«gic ph©n xung Kh©u xö lý tÝn hiÖu Kh©u t¹o trÔ IGBT 1) Kh©u t¹o dao ®éng vµ kh©u t¹o ®iÖn ¸p tam gi¸c. Ng­êi ta th­êng dïng khuÕch ®¹i thuËt to¸n ®Ó t¹o ra xung ch÷ nhËt vµ xung gi¸c. B»ng viÖc nèi m¹ch Trigger Smith nèi tiÕp víi m¹ch tÝch ph©n cã ph¶n håi sÏ t¹o nªn dao ®éng: xung ch÷ nhËt ë ®Çu ra m¹ch Trigger Smith vµ xung tam gi¸c ë ®Çu ra OA2. D¹ng cña ®iÖn ¸p dao ®éng h×nh ch÷ nhËt vµ ®iÖn ¸p r¨ng c­a Tõ h×nh vÏ ta thÊy thêi gian n¹p phãng b»ng nhau( víi h»ng sè thêi gian RC) vµ ®iÖn ¸p cuèi qu¸ tr×nh phãng n¹p cã ®é lín b»ng nhau. Do ®ã xung ra lµ ®èi xøng. Chu k× dao ®éng: T= t1 + t2 = 2. t1 = 4. RC.(R1 / R2) Hay tÇn sè xung f = = TÇn sè dao ®éng phô thuéc vµo tÇn sè b¨m xung cña m¹ch lùc, cã thÓ tõ vµi tr¨m Hz ®Õn vµi chôc KHz. (th­êng lÊy chuÈn lµ 400 Hz). Gi¸ trÞ C1 th­êng ®­îc chän theo tÇn sè cao hay thÊp. Khi tÇn sè kho¶ng vµi tr¨m Hz th× tô C1 cã gi¸ trÞ kho¶ng 0,1. Khi tÇn sè kho¶ng vµi chôc KHz th× tô C1 cã gi¸ trÞ nhá ®i nhiÒu. 2) Kh©u so s¸nh: Kh©u so s¸nh dïng m¹ch so s¸nh 2 cöa ®Ó so s¸nh 2 tÝn hiÖu URC víi U®k ®Ó quyÕt ®Þnh thêi ®iÓm më van IGBT. Cho U®k vµ URC tíi 2 cùc kh¸c nhau cña OA. §iÖn ¸p ra tu©n theo quy luËt: Ura = Ko. (U+ – U– ) Víi Ko lµ hÖ sè khuÕch ®¹i cña OA. Tuú thuéc vµo ®iÖn ¸p r¨ng c­a vµ ®iÒu khiÓn ®­a vµo cöa nµo cña OA mµ ®iÖn ¸p ra xuÊt hiÖn s­ên xung ©m hoÆc d­¬ng ë thêi ®iÓm c©n b»ng gi¸ trÞ gi÷a chóng. ë ®©y ta ®­a Urc vµo ®Çu ©m cßn U®k vµo ®Çu d­¬ng (h×nh vÏ). Khi ®ã ®iÖn ¸p ra lµ: Ura = Ko. (U®k – Urc ) §iÓm lËt tr¹ng th¸i øng víi URC = U®k. + Khi URC > U®k th× DU = U®k – URC < 0 Uso s¸nh = ©m ®iÖn ¸p b·o hoµ. + Khi URC 0 Uso s¸nh = d­¬ng ®iÖn ¸p b·o hoµ. Nh­ vËy c¸c ®iÖn ¸p ®­a vµo so s¸nh ph¶i cïng dÊu th× míi cã hiÖn t­îng thay ®æi tr¹ng th¸i ®Çu ra. Vµ ®é chªnh lÖch tèi ®a gi÷a 2 cöa tr¹ng th¸i khi lµm viÖc kh«ng ®­îc v­ît qu¸ giíi h¹n cho phÐp cña lo¹i OA ®· chän. Nguyªn lý ho¹t ®éng cña s¬ ®å: ®iÒu chØnh U®k, sÏ ®iÒu chØnh ®­îc Uss1 tøc lµ ®iÒu chØnh ®­îc ®é réng xung. Tõ ®ã sÏ ®iÒu chØnh ®­îc ®iÖn ¸p ra t¶i. 3) Kh©u xö lý tÝn hiÖu. USS2 USS1 EN USS1 Kh©u xö lý tÝn hiÖu TÝn hiÖu USS1 tõ bé so s¸nh ®­îc ®­a vµo kh©u xö lý tÝn hiÖu ®Ó trë thµnh 2 tÝn hiÖu USS1 vµ USS2 sÏ ®­îc ®­a vµo bé l«gic ph©n xung ®Ó ®iÒu khiÓn c¸c van IGBT. Kh©u xö lý tÝn hiÖu bao gåm mét phÇn tö NAND cã tÝn hiÖu ra cã thÓ ®iÒu chØnh nhê tÝn hiÖu vµo EN ®Ó quyÕt ®Þnh tr¹ng th¸i ra cña USS2. TÝn hiÖu EN ®iÒu khiÓn lóc nµo th× cÇn ®æi dÊu cña USS1 lóc nµo th× gi÷ nguyªn. PhÇn tö NAND trong kh©u xö lý tÝn hiÖu cã thÓ ®­îc chän lµ mét vi m¹ch cña hä CMOS 74Cxx. 4) Kh©u logic ph©n xung. Lµ kh©u quyÕt ®Þnh d¹ng xung ®­a tíi c¸c IGBT vµ ®iÒu khiÓn ®ãng më c¸c van nµy ®Ó t¹o thµnh c¸c chÕ ®é quay thuËn vµ quay nghÞch cña ®éng c¬. Ta lËp b¶ng tr¹ng th¸i sau: USS1 USS2 S1 S2 S3 S4 Tr¹ng th¸i ®éng c¬ 1 0 1 1 0 0 Quay thuËn 1 1 0 1 0 1 H·m 0 1 0 0 1 1 Quay ng­îc (®¶o chiÒu quay) 1 1 0 1 0 1 H·m Tõ b¶ng tr¹ng th¸i trªn, ta dïng mét bé NAND hä CMOS GD75188 dïng 4 phÇn tö NAND. S¬ ®å tæng hîp cña m¹ch logic ph©n xung: Do c¸c OA dïng nguån nu«i hai cùc tÝnh nªn sÏ xuÊt hiÖn c¸c xung ©m. V× vËy ta ph¶i chÆn c¸c xung ©m tõ ®Çu ra bé so s¸nh vµ bé ®¶o dÊu b»ng c¸c §iot. 5) Kh©u t¹o trÔ. §Ó ®¶m b¶o ch¾c ch¾n r»ng hai van th¼ng hµng kh«ng cïng dÉn, ta sÏ thªm vµo tr­íc cÆp van T1,T2 mét kh©u t¹o trÔ. C¸c cæng logic ch¹y hä CMOS víi nguån cung cÊp lµ 12V, cæng AND chän lo¹i CD4081. Riªng cæng NAND ph¶i chän hä cã ng­ìng Trigger Smith,VD: lo¹i GD4093B. Thêi gian trÔ ®­îc x©y dùng bëi ttrÔ = 0,693.R11.1.C1.1. §Ó m¹ch lµm viÖc an toµn th× ta ph¶i cã ttrÔ > toff cña van. Dùa vµo Datasheet cña lo¹i IGBT ®· chän ta sÏ x¸c ®Þnh R13.1, C1.1. Tô C vµ R t¹o thµnh nh÷ng xung kim, ®é réng cña xung kim nµy chÝnh lµ thêi gian trÔ cña tÝn hiÖu vµo. S¬ ®å nguyªn lý ho¹t ®éng 6) Kh©u c¸ch ly. §Ó ®¶m b¶o c¸ch ly gi÷a m¹ch ®iÒu khiÓn vµ m¹ch lùc ta sö dông kh©u c¸ch ly quang. ¦u ®iÓm næi bËt cña kh©u c¸ch ly quang lµ: §¶m b¶o c¸ch ly an toµn gi÷a m¹ch lùc vµ m¹ch ®iÒu khiÓn (®é c¸ch ®iÖn ®Õn vµi KV) vµ truyÒn ®­îc xung cã ®é réng tuú ý. Tuy nhiªn do dßng ®iÖn t¶i mµ nã chØ chÞu ®­îc vµi chôc mA nªn kh«ng thÓ g¸nh trùc tiÕp më van lùc, v× vËy trong m¹ch ®iÒu khiÓn, nã ph¶i ë tr­íc tÇng khuÕch ®¹i cuèi. TÇng khuÕch ®¹i nµy cã t¸c dông khuÕch ®¹i tÝn hiÖu lªn ®Ó ®­a vµo kh©u t¹o ®iÖn ¸p më van IGBT. H×nh vÏ ®¹i diÖn cho 1 dßng ®Õn van S1 7) Kh©u t¹o ®iÖn ¸p ®ãng më van. V× IGBT lµ phÇn tö ®iÒu khiÓn b»ng ®iÖn ¸p, gièng nh­ MOSFET nªn yªu cÇu cÇn ph¶i t¹o ra ®iÖn ¸p ®Ó ®iÒu khiÓn viÖc ®ãng më cña van.S¬ ®å m¹ch IGBT: TÝn hiÖu më cã biªn ®é UGE, tÝn hiÖu kho¸ cã biªn ®é – UGE cung cÊp cho m¹ch GE th«ng qua c¸c ®iÖn trë R22 vµ R23. M¹ch G – E ®­îc b¶o vÖ b»ng §iot æn ¸p ë møc kho¶ng [-18V, +18V]. Do cã tô kÝ sinh gi÷a G vµ E nªn kÜ thuËt ®iÒu khiÓn MOSFET cã thÓ ®­îc ¸p dông, tuy nhiªn ®iÖn ¸p kho¸ ph¶i lín h¬n. §iÖn ¸p ®ãng më UGE phô thuéc vao IGBT ®· chän. §iÖn trë R22 ¶nh h­ëng ®Õn tæn hao c«ng suÊt ®iÒu khiÓn. §iÖn trë R22 nhá, gi¶m thêi gian x¸c lËp tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn, gi¶m ¶nh h­ëng cña , gi¶m tæn thÊt n¨ng l­îng trong qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn nh­ng l¹i lµm m¹ch ®iÒu khiÓn nh¹y c¶m h¬n víi ®iÖn c¶m ký sinh trong m¹ch ®iÒu khiÓn. Van IGBT cã thÓ ®­îc m¾c thªm ®iÖn trë CS vµ RS song song ®Ó trî gióp gi¶m thêi gian ®ãng më van vµ b¶o vÖ c¸c xung ¸p trªn van. CS cã trÞ sè 0.1 ®Õn 2mF ; RS = vµi chôc ®Õn trªn 100 W; R23 = 2,2 KW; R22 = cã gi¸ trÞ vµi tr¨m W = 500 W. DZ1 , DZ2 cã ®iÖn ¸p æn ¸p kho¶ng 18V. 8) Kh©u ph¶n håi Trong c¸c hÖ truyÒn ®éng hiÖn ®¹i th× m¹ch vßng ®iÒu khiÓn lµ mét phÇn kh«ng thÓ thiÕu. C¸c m¹ch vßng nµy ®­îc nèi theo cÊp, ®éc lËp t­¬ng ®èi víi nhau. ViÖc ph©n vïng t¸c dông gi÷a æn ®Þnh tèc ®é vµ h¹n chÕ dßng ®iÖn ®­îc thùc hiÖn b»ng d¹ng phi tuyÕn cña ®Æc tÝnh ®iÒu chØnh. S¬ ®å khèi cña d¹ng truyÒn ®éng: S¬ ®å gåm hai vßng ®iÒu chØnh. Vßng ®iÒu chØnh dßng ®iÖn ë trong cã bé ®iÒu chØnh dßng ®iÖn RI, vßng ®iÒu chØnh tèc ®é cã bé ®iÒu chØnh tèc ®é Rw, bé ®iÒu chØnh nµy cã ®Æc tÝnh khuÕch ®¹i cã vïng b·o hoµ. §iÖn ¸p ®Çu ra cña Rw lµ ®iÖn ¸p ®Æt cña dßng ®iÖn phÇn øng Ui®, gi¸ trÞ b·o hßa Ui®max chÝnh lµ gi¸ trÞ ®¹t cùc ®¹i cña dßng ®iÖn phÇn øng. Bé ®iÒu chØnh dßng ®iÖn RI trong m¹ch vßng cã nhiÖm vô duy tr× dßng ®iÖn phÇn øng lu«n b»ng gi¸ trÞ ®Æt (Ui®), bÊt kÓ hÖ thèng ®ang lµm viÖc æn ®Þnh hay ®ang trong qu¸ tr×nh qu¸ ®é. RI lµ mét bé tØ lÖ tÝch ph©n PI. Khi b¾t ®Çu qu¸ tr×nh thay ®æi tèc ®é nh­ khëi ®éng ®éng c¬, do cã sù thay ®æi ®ét ngét cña Uw®, trong khi w ch­a khi thay ®æi kÞp do qu¸n tÝnh c¬ häc cña hÖ, nªn sai lÖch ®Çu vµo w = Uw® - Uw cã gi¸ trÞ lín. §iÓm lµm viÖc cña Rw ë rÊt s©u trong vïng b·o hßa cña ®Æc tÝnh ®iÒu chØnh, tÝn hiÖu ra cña Rw lµ Ui® = Ui®max = const, m¹ch vßng tù c¾t ra khái s¬ ®å. Do ho¹t ®éng cña m¹ch vßng dßng ®iÖn mµ dßng ®iÖn ®­îc duy tr× ë gi¸ trÞ I = I®max. T­¬ng øng tÝn hiÖu vµo cña m¹ch vßng lµ Ui®max. §éng c¬ b¾t ®Çu ®­îc t¨ng tèc víi gia tèc: Sau ®ã tèc ®é ®éng c¬ t¨ng dÇn lªn nh­ng dßng ®iÖn phÇn øng vÉn ®­îc duy tr× ë gi¸ trÞ I = I®max, chõng nµo mµ bé ®iÒu chØnh tèc ®é Rw ch­a ra khái vïng b·o hßa, tøc lµ ch­a ®­îc nèi l¹i vµo s¬ ®å. Khi ®iÓm lµm viÖc cña Rw b¾t ®Çu ra khái vïng b·o hßa vµ lät vµo vïng tuyÕn tÝnh cñ© ®Æc tÝnh, m¹ch vßng tèc ®é b¾t ®Çu ph¸t huy t¸c dông ®iÒu chØnh cïng víi m¹ch vßng dßng ®iÖn. B – TÝnh to¸n thiÕt kÕ Ch­¬ng IV ThiÕt kÕ m¹ch lùc Theo yªu cÇu cña ®å ¸n, ta sö dông m¹ch b¨m xung 1 chiÒu cã ®¶o chiÒu dïng c¸c van IGBT Nh¾c l¹i yªu cÇu: ThiÕt kÕ bé b¨m xung mét chiÒu cã ®¶o chiÒu (theo nguyªn t¾c kh«ng ®èi xøng) ®Ó ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kÝch tõ nam ch©m vÜnh cöu víi c¸c sè liÖu cho tr­íc nh­ sau: Ph­¬ng ¸n §iÖn ¸p l­íi ®iÖn (VAC) Dßng ®iÖn ®Þnh møc (A) §iÖn ¸p phÇn øng (V) Ph¹m vi ®iÒu chØnh tèc ®é 2 220 18 48 15:1 TÝnh chän diode c«ng suÊt. §iot c«ng suÊt ®­îc lùa chän dùa vµo c¸c yÕu tè c¬ b¶n: dßng t¶i, s¬ ®å ®· chän, ®iÒu kiÖn t¶n nhiÖt, ®iÖn ¸p lµm viÖc. C¸c th«ng sè c¬ b¶n cña van ®i«t ®­îc tÝnh to¸n nh­ sau: khi bá qua sù sôt ¸p trªn c¸c van §iÖn ¸p ng­îc ®Æt lªn ®i«t: Ung max = kdtU. U Trong ®ã: Ungmax - ®iÖn ¸p ng­îc ®Æt lªn ®ièt. kdtU – hÖ sè dù tr÷ ®iÖn ¸p = 1,6 2, chän kdtU = 2. U - ®iÖn ¸p 1 chiÒu cung cÊp cho bé biÕn ®æi. Nh­ ®· ph©n tÝch trong phÇn lý thuyÕt vÒ sù ho¹t ®éng cña bé b¨m xung 1 chiÒu cã ®¶o chiÒu, ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn kh«ng ®èi xøng, khi S1, S2 dÉn, ®iÖn ¸p ng­îc ®Æt lªn ®ièt (D4) lµ U. Do ®ã: Ungmax = kdtU .U = 2*48 = 96 V. Chän chÕ ®é lµm viÖc cña van lµ cã c¸nh t¶n nhiÖt víi ®ñ diÖn tÝch t¶n nhiÖt vµ cã qu¹t th«ng giã, cho phÐp van lµm viÖc ®Õn 60% I®mv. Dßng trung b×nh ®i qua ®ièt lµ ID = (1 - )It. Do ®ã gi¸ trÞ dßng ®Þnh møc cña ®éng c¬ lµ I®m = 18A còng chÝnh b»ng gi¸ trÞ dßng ®iÖn lín nhÊt qua ®i«t. Khi ®ã dßng ®iÖn lµm viÖc qua van cÇn chän lµ: Ta chän ®ièt lo¹i 7721 cã c¸c th«ng sè sau: Ký hiÖu Imax (A) Un (V) Ipik (A) U (V) Ith (A) Ir (A) Tcp(o C) 7721 30 100 200 1.3 80 1mA 175 Trong ®ã: Imax – dßng ®iÖn chØnh l­u cùc ®¹i. Un - ®iÖn ¸p ng­îc cùc ®¹i cña ®ièt. Ipik - ®Ønh xung dßng ®iÖn. U – tæn hao ®iÖn ¸p ë tr¹ng th¸i më cña ®ièt. Ith – dßng ®iÖn thö cùc ®¹i. Ir – dßng ®iÖn rß ë nhiÖt ®é 25o C. Tcp – nhiÖt ®é cho phÐp. Chän van IGBT. Nh­ ®· ph©n tÝch ë trªn, ta chän van ®ãng c¾t trong m¹ch biÕn ®æi lµ c¸c van IGBT v× nhiÒu ­u ®iÓm cña IGBT so víi c¸c van ®ãng c¾t kh¸c. Dßng trung b×nh qua van IGBT lµ: IS =It víi gi¸ trÞ ®Þnh møc qua ®éng c¬ =18A th× dßng lín nhÊt qua van cÇn biÕt lµ: TÝnh to¸n t­¬ng tù nh­ phÇn tÝnh ®ièt, ®iÖn ¸p ng­îc cùc ®¹i ®Æt lªn van IGBT còng cã gi¸ trÞ b»ng Ungmax = kdtU .U = 2*48 = 96 V. Tõ ®ã ta chän ®­îc c¸c van IGBT ®Ó l¾p vµo m¹ch lùc cña bé biÕn ®æi cã c¸c th«ng sè nh­ sau: Lo¹i NSX §iÖn ¸p Vcemax (V) Dßng ®iÖn ICmax (A) ë 25oC §iÖn ¸p Vgeth (V) §iÖn ¸p Uce(on) typ C«ng suÊt Ptotmax (W) Thêi gian t1/t1max (s) IRGP450UD2 IR 500 59 5,5 2,6 200 0,11/0,29 III. ThiÕt kÕ bé nguån chØnh l­u mét chiÒu cÊp ®iÖn cho ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kÝch tõ ®éc lËp . Th«ng sè ®éng c¬ : +§iÖn ¸p ®Þnh møc phÇn øng ®éng c¬ U®m = 48 (V) +Dßng ®iÖn ®Þnh møc phÇn øng ®éng c¬ I®m = 18(A) TÝnh to¸n m¸y biÕn ¸p chØnh l­u . +) Chän m¸y biÕn ¸p 3 pha 3 trô s¬ ®å ®Êu d©y D/Y lµm m¸t b»ng kh«ng khÝ tù nhiªn M¸y biÕn ¸p c«ng suÊt nhá, chØ cì chôc KVA trë l¹i, sôt ¸p trªn ®iÖn trë lín kho¶ng 4%, sôt ¸p trªn cuén kh¸ng Ýt h¬n kho¶ng 2%. §iÖn ¸p sôt trªn 1 tiristo kho¶ng 1,6V +)TÝnh c¸c th«ng sè c¬ b¶n : 1-TÝnh c«ng suÊt biÓu kiÕn cña M¸y biÕn ¸p : S = Ks . Pd = 1,05. Ud. Id = 1,05. 48.18 = 907,2 VA 2- §iÖn ¸p pha s¬ cÊp m¸y biÕn ¸p : Up = 220 (V) 3- §iÖn ¸p pha thø cÊp cña m¸y biÕn ¸p Ph­¬ng tr×nh c©n b»ng ®iÖn ¸p khi cã t¶i: Udo cos = Ud + 2. DUv +DUdn + DUba Trong ®ã : cos= 10o lµ gãc dù tr÷ khi cã suy gi¶m ®iÖn ¸p l­íi. 2.DUv = 1,6.2 = 3,2 (V) lµ sôt ¸p trªn 2 tiristo m¾c nèi tiÕp. DUdn 0 lµ sôt ¸p trªn d©y nèi DUba = DUr + DUx lµ sôt ¸p trªn ®iÖn trë vµ ®iÖn kh¸ng m¸y biÕn ¸p . Chän s¬ bé: DUba = 6%.Ud = 6% .48 = 2,88 (V) Tõ ph­¬ng tr×nh c©n b»ng ®iÖn ¸p khi cã t¶i ta cã : Ud0 = = = 54,91 (V) §iÖn ¸p pha thø cÊp cña m¸y biÕn ¸p : U2 = = = 23,47 (V) 4-Dßng ®iÖn hiÖu dông thø cÊp cña m¸y biÕn ¸p: I2 == 0,816. 18 = 14,688 (A) 5-Dßng ®iÖn hiÖu dông s¬ cÊp m¸y biÕn ¸p: I1 = kBA. I2 = .I2 = =1,54 A 6- HiÖu suÊt thiÕt bÞ chØnh l­u . h = = = 95% 7- C«ng suÊt biÓu kiÕn cña m¸y biÕn ¸p lµ : S2 = 3.U2.I2 = 3.23,17. 14,688 = 1021 (VA) S1 = 3.U1.I1 = 3.220.1,54 = 1016 (VA) (VA) TÝnh chän §ièt : TÝnh chän dùa vµo c¸c yÕu tè c¬ b¶n dßng t¶i, ®iÒu kiÖn to¶ nhiÖt, ®iÖn ¸p lµm viÖc. C¸c th«ng sè c¬ b¶n cña van ®­îc tÝnh nh­ sau : +) §iÖn ¸p ng­îc lín nhÊt mµ ®ièt ph¶i chÞu : Unmax = Knv.U2 = Knv .=. 48 = 50,26 (V). Trong ®ã : Knv = vµ Ku= §iÖn ¸p ng­îc cña van cÇn chän : Unv = KdtU . Un max = 2.50,26 = 100,53 V Trong ®ã : KdtU - hÖ sè dù tr÷ ®iÖn ¸p , chän KdtU =2. +) Dßng lµm viÖc cña van ®­îc tÝnh theo dßng hiÖu dông : Ilv = Ihd = Khd .Id = = = 10,39 (A) (Do trong s¬ ®å cÇu 3 pha, hÖ sè dßng hiÖu dông: Khd =) . Chän ®iÒu kiÖn lµm viÖc cña van lµ cã c¸nh to¶ nhiÖt vµ ®Çy ®ñ diÖn tÝch to¶ nhiÖt; Kh«ng cã qu¹t ®èi l­u kh«ng khÝ, víi ®iÒu kiÖn ®ã dßng ®Þnh møc cña van cÇn chän: I®m = Ki . Ilv = 3,2.10,39 = 33,25 (A) Ki – lµ hÖ sè dù tr÷ dßng ®iÖn vµ chän Ki =3,2 tõ c¸c th«ng sè Unv ,I®mv ta chän 6 §i«t lo¹i C228B cã c¸c th«ng sè sau : §iÖn ¸p ng­îc cùc ®¹i cña van : Un = 200 (V) Dßng ®iÖn ®Þnh møc cña van : I®m = 35 (A) §Ønh xung dßng ®iÖn: : Ipik = 300 (A) Dßng ®iÖn cña xung ®iÒu khiÓn : I®k = 40 mA §iÖn ¸p cña xung ®iÒu khiÓn : U®k = 2,5 V Dßng ®iÖn rß : Ir = 3 mA Sôt ¸p lín nhÊt cña tiristo ë tr¹ng th¸i dÉn : DU = 1,9 V Tèc ®é biÕn thiªn ®iÖn ¸p : du/dt = 50 V/s Thêi gian chuyÓn m¹ch : tcm = 20s NhiÖt ®é lµm viÖc cho phÐp : Tmax = 125 oC Ch­¬ng V ThiÕt kÕ m¹ch ®iÒu khiÓn Trong m¹ch ®iÒu khiÓn, ta sö dông 4 IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n, chän lo¹i TL084 do h·ng Texas Instruments chÕ t¹o, c¸c IC nµy cã khuÕch ®¹i thuËt to¸n. C¸c th«ng sè cña TL084: §iÖn ¸p nguån nu«i : Vcc = ± 12 (V) HiÖu ®iÖn thÕ gi÷a hai ®Çu vµo : ± 30 (V) NhiÖt ®é lµm viÖc : T = - 25 ¸ 850 C C«ng suÊt tiªu thô : P = 680 (mW) = 0,68 (W) Tæng trë ®Çu vµo : Rin = 10 6 ( MW) Dßng ®iÖn ®Çu ra : Ira = 30 ( pA). Tèc ®é biÕn thiªn ®iÖn ¸p cho phÐp : du/dt = 13 (V/ms) Dßng ®iÖn vµo ®­îc h¹n chÕ ®Ó Ilv < 1 (m A). Kh©u t¹o dao ®éng vµ kh©u t¹o r¨ng c­a. KhuÕch ®¹i thuËt to¸n ®· chän lµ lo¹i TL084. Víi ®iÖn ¸p cung cÊp lµ ± 12V. Chu kú dao ®éng: Chän tÇn sè b¨m xung f = 400 Hz Ta cã: . Suy ra: = 2,5 ms §iÖn ¸p ra cña kh©u t¹o dao ®éng vµ t¹o r¨ng c­a cã d¹ng r¨ng c­a vµ cã ®iÖn ¸p ®Ønh b»ng ®iÖn ¸p b·o hoµ cña IC. Víi nguån cÊp cho OA lµ 12 V th× ®iÖn ¸p b·o hoµ cña IC kho¶ng (80% 90%).12V 10V. Ta tÝnh chän R1, R2, R, C ®Ó ®iÖn ¸p ra max cña ®iÖn ¸p r¨ng c­a lµ 10V. Khi ®ã ta cã: R2 = 1,2.R1 Chän R1 = 33 k th× R2 = 1,2.R1 = 1,2.33 = 39,6 k, lÊy gi¸ trÞ chuÈn lµ 39 k = 0,75.10-3 chän C = 0,1 suy ra R = 7,5 k Kh©u so s¸nh. §iÖn ¸p r¨ng c­a cã gi¸ trÞ max = 10V sau khi ®­îc t¹o thµnh tõ kh©u t¹o dao ®éng vµ r¨ng c­a ®­îc ®­a vµo kh©u so s¸nh vµ ®­îc so s¸nh víi ®iÖn ¸p U®k ®Ó t¹o thµnh ®iÖn ¸p Uss1. §iÖn ¸p ®iÒu khiÓn ®­a vµo kh©u so s¸nh lµ ®iÖn ¸p mét chiÒu cã thÓ ®iÒu chØnh gi¸ trÞ trong kho¶ng – 10V ®Õn + 10V. Kh©u xö lý tÝn hiÖu. Kh©u xö lý tÝn hiÖu bao gåm 1 phÇn tö NAND lµm nhiÖm vô ®¶o dÊu tÝn hiÖu USS1 thµnh USS2. PhÇn tö NAND trong kh©u xö lý tÝn hiÖu cã thÓ ®­îc chän lµ mét vi m¹ch cña hä CMOS 74Cxx. TÝn hiÖu vµo EN ®­îc ®­a vµo tõ bªn ngoµi trªn c¬ së nh÷ng th«ng tin thu thËp ®­îc tõ kh©u ph¶n håi.TÝn hiÖu EN dïng ®Ó ®iÒu khiÓn lóc nµo th× cÇn ®æi dÊu cña USS1 lóc nµo th× gi÷ nguyªn. quy t¾c ®iÒu khiÓn cña EN: USS2 USS1 EN USS1 Kh©u xö lý tÝn hiÖu TÝn hiÖu vµo TÝn hiÖu ra EN USS1 USS1 USS2 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 Møc 1, 0 thÓ hiÖn ë gi¸ ®iÖn ¸p vµo t­¬ng øng ë møc cao, thÊp. Khi EN = 1: Kh©u cã 2 tÝn hiÖu ra tr¸i dÊu nhau: USS1 vµ USS2 = - USS1 Khi EN = 0 : Kh©u cã 2 tÝn hiÖu ra b»ng nhau: USS1 vµ USS2 = USS1 Nãi c¸ch kh¸c: tÝn hiÖu EN sö dông khi cÇn cho ®éng c¬ h·m vµ khi ®ã EN = 0. Kh©u l«gic ph©n xung. Kh©u l«gic ph©n xung dïng tÝn hiÖu USS1 vµ USS2 ®· qua kh©u xö lý tÝn hiÖu ®Ó lµm tÝn hiÖu vµo. Kh©u nµy sö dông mét IC GD75188 hä CMOS gåm 4 phÇn tö NAND cã cÊu t¹o nh­ h×nh vÏ bªn. Th«ng sè: X1 X2 Y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 §iÖn ¸p cung cÊp: ± 12V D¶i nhiÖt ®é lµm viÖc 0 ®Õn 75o C«ng suÊt tiªu thô ë 25oC víi ®iÖn ¸p cung cÊp ± 12V lµ 576 mW §iÖn ¸p vµo nhá nhÊt ë møc cao lµ 1,9 V §iÖn ¸p vµo lín nhÊt ë møc thÊp lµ 0,8 V Dßng vµo ë møc cao lµ 10 A Dßng vµo ë møc thÊp lµ - 1,6 mA Chän 2 Diode lo¹i D10D1 ®Ó lµm nhiÖm vô chÆn c¸c xung ©m. C¸c ®iÖn trë R7 ®Õn R12 trong m¹ch chän kho¶ng 10 k. S¬ ®å tæng hîp cña kh©u l«gic ph©n xung nh­ sau: B¶ng tr¹ng th¸i thÓ hiÖn quy luËt ®iÒu khiÓn kh«ng ®èi xøng nh­ sau: USS1 USS2 S1 S2 S3 S4 Tr¹ng th¸i ®éng c¬ 1 0 1 1 0 0 Quay thuËn 1 1 0 1 0 1 H·m 0 1 0 0 1 1 Quay ng­îc (®¶o chiÒu quay) 1 1 0 1 0 1 H·m NhËn xÐt: kh«ng ®­îc ®Ó chÕ ®é c¶ USS1 vµ USS2 ®Òu cã gi¸ trÞ 0 v× sÏ x¶y ra ng¾n m¹ch g©y ch¸y háng, chËp m¹ch. Tuy nhiªn víi quy luËt ®iÒu chØnh cña tÝn hiÖu EN ë kh©u xö lý tÝn hiÖu, th× khã x¶y ra tr­êng hîp c¶ USS1 vµ USS2 ®Òu b»ng 0 Kh©u t¹o trÔ. Ta cã thêi gian trÔ Ttr = 0,693.R13.1C1.1 = 0,693.R13.2C1.2 = 0,693.R13.3C1.3 = 0,693.R1.4C1.4 V× thêi gian khãa cña IGBT rÊt nhá (~200ns) nªn ë ®©y ta chØ cÇn chän Ttr = 7s = 0,693.R13.1C1.1 = 0,693.R13.2C1.2 = 0,693.R13.3C1.3 = 0,693.R13.4C1.4 Chän C1.1 = C1.2 = C1.3 = C1.4 = 0,01F => R13.1 = R13.2= R13.3 = R13.4 = = 1010 = 1k Chän cæng NAND trigger smith lµ lo¹i GD4093B Chän cæng AND lµ lo¹i CD4081 Toµn bé m¹ch ®iÖn ph¶i dïng 4 cæng AND nªn ta chän mét IC 4081 hä CMOS. Mét IC 4081 cã 4 cæng ADN, cã c¸c th«ng sè: +Nguån nu«i IC: Vcc = 3¸15 (V), chän: Vcc = 12 (V). +NhiÖt ®é lµm viÖc: - 40o C ¸ 80o C +§iÖn ¸p øng víi møc logic “1”: 12(V). +Dßng ®iÖn nhá h¬n 1mA +C«ng suÊt tiªu thô P = 2,5 (mW/1 cæng). IC GD4093B cã c¸c th«ng sè nh­ sau: + Nguån nu«i: Vcc = 5 ®Õn 15V, chän Vcc = 12V + §iÖn ¸p vµo lín nhÊt ë møc thÊp lµ: 5V + §iÖn ¸p vµo nhá nhÊt ë møc cao lµ: 7V + Thêi gian trÔ truyÒn tÝn hiÖu lµ 50s Kh©u c¸ch ly. Chän bé ghÐp quang lo¹i 4N35 cã c¸c th«ng sè: Dßng vµo ch¹y qua Diode cùc ®¹i 60 mA, Dßng ra cùc ®¹i trªn collector Tranzito quang: 150 mA, §iÖn ¸p Tranzito 30V §iÖn ¸p c¸ch ly 3350V Trong ®ã dßng ®iÖn ch¹y qua Diode quang cã trÞ sè trong kho¶ng (5 - 20mA), chän 10mA Chän R15.i = = 1,2 k §Ó tranzitor Q1 th«ng b·o hoµ cÇn IB > , mµ IC ®· chän = 10 mA (ë trªn) Do ®ã IB > = 0,05 mA VËy §iÖn trë R14.i ®­îc chän sao cho R14.i < k Chän R14.i = 100 k Chän R16.i = R17.i = R18.i cã gi¸ trÞ 100() TÇng Darlington chän lo¹i QM50HA-H Tranzito ®Öm cho QM50HA-H chän lo¹i D163 cã th«ng sè Ic = 6A; UCE = 100V Kh©u t¹o ®iÖn ¸p ®ãng më IGBT Ta sö dông Tranzito C828 cã =300 lµm viÖc nh­ mét khãa ®iÖn tö vµ ®ãng më theo chu kú cña xung ®­a vµo qua kh©u c¸ch ly. - §Ó Tranzito lµm viÖc ë chÕ ®é më th«ng b·o hßa cÇn IB > IC/ Khi Tranzito më th«ng b·o hßa IC = Chän R20.i = R21.i = 50 IC =30/100 = 0,3(A) => IB > = 1 (mA) VËy R19.i < =10 Chän R19 =3.3 . T­¬ng tù cã R19.i = 3.3 () Kh©u ph¶n håi tèc ®é vµ dßng ®iÖn. Nh­ ta ®· ph©n tÝch ë phÇn m¹ch lùc th× ta ®· biÕt, quy luËt ®iÒu khiÓn kh«ng ®èi xøng cã 2 c¸ch: øng víi mçi c¸ch th× ®éng c¬ quay theo mét chiÒu kh¸c nhau, muèn ®¶o chiÒu ®éng c¬ th× ph¶i ®æi c¸ch ®iÒu khiÓn c¸c van IGBT. TÝn hiÖu USS1 vµ USS2 ®­îc t¹o ra vµ ®­îc ®iÒu chØnh tõ kh©u xö lý tÝn hiÖu vµ kh©u so s¸nh. TÝn hiÖu USS1 ®­îc t¹o ra tõ kh©u so s¸nh vµ sÏ ®­îc ®iÒu chØnh th«ng qua viÖc ®iÒu chØnh U®k ®· ®­îc tÝnh to¸n tõ tr­íc. §iÒu chØnh U®k sÏ thay ®æi ®­îc gi¸ trÞ cña USS1 vµ USS2 ®Ó ®iÒu khiÓn chÕ ®é lµm viÖc cña c¸c van IGBT theo quy luËt l«gic ®Æt ra trong kh©u l«gic ph©n xung. TÝn hiÖu EN trong kh©u xö lý tÝn hiÖu sÏ quyÕt ®Þnh chÕ ®é lµm viÖc cña ®éng c¬ (chiÒu quay ®éng c¬) lµ thuËn hay nghÞch, hay h·m. ViÖc ®iÒu chØnh Uss1 vµ Uss2 b»ng U®k cßn cã nghÜa lµ ®iÒu chØnh gi¸ trÞ . §iÖn ¸p ®Æt lªn phÇn øng cña ®éng c¬ tØ lÖ víi , nªn ®iÒu chØnh cã thÓ ®iÒu chØnh ®­îc gi¸ trÞ ®iÖn ¸p ®Æt lªn phÇn øng cña ®éng c¬. Khi ®ã sÏ ®iÒu chØnh ®­îc tèc ®é cña ®éng c¬. Nh­ vËy, ph¶i ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p U®k vµ tÝn hiÖu EN thu ®­îc tõ kh©u ph¶n håi tèc ®é ®Ó ®iÒu chØnh ®­îc chÕ ®é lµm viÖc cña ®éng c¬ vµ øng víi tõng chÕ ®é quay thuËn vµ quay ng­îc th× d¶i ®iÒu chØnh tèc ®é lµ 15:1 TÝn hiÖu EN lu«n ë møc cao (+12V) khi ®éng c¬ lµm viÖc ë chÕ ®é thuËn vµ nghÞch vµ tÝn hiÖu EN ë møc thÊp (0V) khi ®éng c¬ ë chÕ ®é h·m. XÐt chÕ ®é quay thuËn. (Uss1 =1; USS2 = 0) Van S1 vµ S4 lµm viÖc ng­îc nhau, van S2 lu«n më, van S3 lu«n kho¸. Theo phÇn lý thuyÕt Ta cã: Ut = U mµ cã gi¸ trÞ tõ 0 ®Õn 1. Khi = 1, ®iÖn ¸p ®Æt lªn ®éng c¬ cã gi¸ trÞ lín nhÊt. ta cã Ut = U = U®m = 48V t­¬ng øng víi tèc ®é lín nhÊt max. V× d¶i ®iÒu chØnh tèc ®é cña ®éng c¬ lµ 15 : 1. Do ®ã d¶i ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p ra t¶i t­¬ng øng cña ®éng c¬ sÏ lµ 15 :1. Khi ®ã, tèc ®é min sÏ t­¬ng øng víi ®iÖn ¸p ®Æt lªn phÇn øng ®éng c¬ lµ nhá nhÊt. V Vµ Utmin = U®m = = 0,067 Nh­ vËy d¶i ®iÒu chØnh cña lµ = 0,067 ®Õn 1 + Ta cã t0max=T = 2,5 ms (gi¸ trÞ t¹o thµnh ë kh©u t¹o dao ®éng). Mµ khi U®k > URC th× tÝn hiÖu USS t¹o thµnh cã gi¸ trÞ max, h×nh thµnh gi¸ trÞ thêi gian to cho ®éng c¬ quay thuËn. Nh­ vËy khi tomax = T tøc lµ U®k cã gi¸ trÞ lín nhÊt = gi¸ trÞ ®Ønh trªn cña xung r¨ng c­a = + 12V VËy U®kmax = 12V cho ®iÖn ¸p phÇn øng lín nhÊt do ®ã tèc ®é cña ®éng c¬ lín nhÊt. +Ta cã tomin = 0,067. 2,5 = 0,1675 ms Do ®ã U®kmin = = 0,067.12 = 0,8 V khi ®ã tèc ®é ®éng c¬ nhá nhÊt. Nh­ vËy b»ng c¸ch thay ®æi Udk trong kho¶ng 0,8(V) ®Õn 12(V) ta sÏ ®iÒu chØnh ®­îc tèc ®é ®éng c¬ ë chÕ ®é thuËn trong d¶i ®iÒu chØnh lµ 15 :1 XÐt chÕ ®é quay ng­îc. (Uss1 =0; USS2 = 1) Van S3 vµ S2 lµm viÖc ng­îc nhau, van S4 lu«n më, van S1 lu«n kho¸. Theo phÇn lý thuyÕt Ta cã: Ut = U mµ cã gi¸ trÞ tõ 0 ®Õn 1. Khi = 1, ®iÖn ¸p ®Æt lªn ®éng c¬ cã gi¸ trÞ lín nhÊt. ta cã Ut = U = U®m = - 48V t­¬ng øng víi tèc ®é lín nhÊt max vµ lóc nµy ®iÖn ¸p ®Æt lªn ®éng c¬ ng­îc víi chiÒu ®iÖn ¸p cung cÊp . V× d¶i ®iÒu chØnh tèc ®é cña ®éng c¬ lµ 15 : 1. Do ®ã d¶i ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p ra t¶i t­¬ng øng cña ®éng c¬ sÏ lµ 15 :1. Khi ®ã, tèc ®é min sÏ t­¬ng øng víi ®iÖn ¸p ®Æt lªn phÇn øng ®éng c¬ lµ nhá nhÊt. V Vµ Utmin = U®m = = 0,067 Nh­ vËy d¶i ®iÒu chØnh cña lµ = 0,067 ®Õn 1 + Ta cã t0max=T = 2,5 ms (gi¸ trÞ t¹o thµnh ë kh©u t¹o dao ®éng). Mµ khi U®k < URC th× tÝn hiÖu USS t¹o thµnh cã gi¸ trÞ b»ng 0, h×nh thµnh gi¸ trÞ thêi gian to cho ®éng c¬ quay ng­îc. Nh­ vËy khi tomax = T tøc lµ U®k cã gi¸ trÞ nhá nhÊt = gi¸ trÞ ®Ønh d­íi cña xung r¨ng c­a = - 12V VËy U®kmin = - 12V cho ®iÖn ¸p phÇn øng lín nhÊt do ®ã tèc ®é cña ®éng c¬ lín nhÊt theo chiÒu ng­îc. +Ta cã tomin = 0,067. 2,5 = 0,1675 ms Do ®ã U®kmin = = 0,067.12 = - 0,8 V khi ®ã tèc ®é ®éng c¬ nhá nhÊt theo chiÒu ng­îc. Nh­ vËy b»ng c¸ch thay ®æi Udk trong kho¶ng - 12(V) ®Õn – 0,8 (V) ta sÏ ®iÒu chØnh ®­îc tèc ®é ®éng c¬ ë chÕ ®é ng­îc trong d¶i ®iÒu chØnh lµ 15 :1 Ch­¬ng VI ThiÕt kÕ nguån cÊp cho m¹ch ®iÒu khiÓn Ta cÇn t¹o ra nguån ®iÖn ¸p 12V ®Ó cÊp cho c¸c kh©u trong hÖ thèng, nu«i IC, c¸c bé biÕn ®æi, tèc ®é ®iÖn ¸p ®Æt tèc ®é. Dïng m¹ch chØnh l­u cÇu 3 pha dïng ®ièt. Chän kiÓu m¸y biÕn ¸p 3 pha, 3 trô, trªn mçi trô cã 3 cuén d©y: mét cuén s¬ cÊp vµ 2 cuén thø cÊp. Vµ ta cÇn ®iÖn ¸p ± 15 (V) ®Ó cÊp cho c¸c c¸ch ly quang, c¸c nguån ®iÖn ¸p ®ãng më IGBT ..... Ta dïng m¹ch chØnh l­u cÇu 3 pha dïng ®i«t. Chän kiÓu m¸y biÕn ¸p 3 pha ,3 trô, trªn mçi trô cã 3 cuén d©y: mét cuén s¬ cÊp vµ 2 cuén thø cÊp . tÝnh to¸n tham sè cho m¹ch nguån nu«i. Cuén thø cÊp thø nhÊt Ta chän m¹ch chØnh l­u cÇu 3 pha dïng ®ièt, ®iÖn ¸p thø cÊp m¸y biÕn ¸p nguån nu«i: V, ta chän U2 = 9V. §Ó æn ®Þnh ®iÖn ¸p ra cña nguån nu«i ta dïng 2 vi m¹ch æn ¸p 7812 vµ 7912. cã c¸c th«ng sè chung nh­ sau: ®iÖn ¸p ®Çu vµo: Uv = 7 ®Õn 35 V ®iÖn ¸p ®Çu ra: Ura = 12 V víi IC 7812; Ura = - 12V víi IC 7912. Dßng ®iÖn ®Çu ra: Ira = 0 ®Õn 1 A. Tô ®iÖn C1, C3 dïng ®Ó läc thµnh phÇn sãng hµi bËc cao. Chän C1 = C2 = C3 = C4 = 470 mF ; U = 35 V. Cuén thø cÊp thø hai. Ta cÇn t¹o ra nguån ®iÖn ¸p ± 15 (V) ®Ó cÊp cho c¸c c¸ch ly quang, c¸c nguån ®iÖn ¸p ®ãng më IGBT... §Ó æn ®Þnh ®iÖn ¸p ra cña nguån nu«i ta dïng 2 vi m¹ch æn ¸p 7815 vµ 7915. §iÖn ¸p ®Çu ra cña c¸c IC nµy chän 15V. §iÖn ¸p ®Çu vµo chän 20V. §iÖn ¸p thø cÊp cña c¸c cuén a1,b1,c1 lµ : V, ta chän U2 = 9V. §Ó æn ®Þnh ®iÖn ¸p ra cña nguån nu«i ta dïng 2 vi m¹ch æn ¸p LM7815 vµ LM7915. C¸c th«ng sè chung cña vi m¹ch nµy: §iÖn ¸p ®Çu vµo : UV = 7¸35 (V). §iÖn ¸p ®Çu ra : Ura= 15(V) víi IC 7815. Ura= -15(V) víi IC 7915 Dßng ®iÖn ®Çu ra: Ira = 0¸1 (A). Tô ®iÖn C5, C7 dïng ®Ó läc thµnh phÇn sãng dµi bËc cao. Chän C5 = C6 = C7 = C8 = 470 (mF) TÝnh to¸n m¸y biÕn ¸p nguån nu«i . 1- Ta thiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p dïng cho t¹o nguån nu«i, chän kiÓu m¸y biÕn ¸p 3 pha 3 trô, trªn mçi trô cã 3 cuén d©y, mét cuén s¬ cÊp vµ hai cuén thø cÊp. 2- §iÖn ¸p lÊy ra ë thø cÊp m¸y biÕn ¸p lµm ®iÖn ¸p ®ång pha lÊy ra thø cÊp lµm nguån nu«i: U2= 2U2®pha = UN = 9 V. 3- Dßng ®iÖn thø cÊp m¸y biÕn ¸p ®ång pha: I2®pha = 1 ( m A) 4- C«ng suÊt nguån nu«i thø cÊp cho c¸ch ly quang: P2 = 4.U2 . I2d = 4.9.1.10-3 = 0,036 (W) 5- C«ng suÊt tiªu thô ë 4 IC TL 084 sö dông lµm khuÕch thuËt to¸n vµ 1 bé GD75188, 1 phÇn tö hä CMOS 74Cxx vµ 1 bé CD4081; 1 bé GD4093B P1 = 8. PIC = 8. 0,68 = 5,12 (W) 6 - C«ng suÊt sö dông cho viÖc t¹o nguån nu«i. PN = P1 + P2 = 0,036 + 5,12 = 5,15 (W) . 7- C«ng suÊt cña m¸y biÕn ¸p cã kÓ ®Õn 5% tæn thÊt trong m¸y: S = 1,05. PN = 1,05. 5,15 = 5,4 ( VA). 8- Dßng ®iÖn thø cÊp m¸y biÕn ¸p: I2 = S/ 6.U2 = 5,4/ (6.9) = 0,1 (A) 9- Dßng ®iÖn s¬ cÊp m¸y biÕn ¸p : I1 = S/ (3.U2 ) = 5,4/(3. 220) = 0,0081 (A) 10- TiÕt diÖn trô cña m¸y biÕn ¸p ®­îc tÝnh theo c«ng thøc kinh nghiÖm : Qt= kQ. =1,14( cm2) Trong ®ã: kQ= 6- hÖ sè phô thuéc ph­¬ng thøc lµm m¸t. m= 3- sè trô cña biÕn ¸p . f = 50- tÇn sè ®iÖn ¸p l­íi. 11- Chän mËt ®é tõ c¶m B =1T ë trong trô ta cã sè vßng d©y s¬ cÊp : w1 = = 8693 ( vßng) 12- Chän mËt ®é dßng ®iÖn J1= J2= 2,75 (A/mm2) TiÕt diÖn d©y quÊn s¬ cÊp: S1= = 0,003 (mm2) ®­êng kÝnh d©y quÊn s¬ cÊp : d1= = 0,062 (mm) Chän d1= 0,1 mm ®Ó ®¶m b¶o ®é bÒn c¬. §­êng kÝnh cã kÓ c¸ch ®iÖn: dlcd= 0,12 (mm). 13- Sè vßng d©y quÊn thø cÊp : W2 =W3 = W1. U2/ U1= 474 ( vßng) TÝnh chän ®i«t cho bé chØnh l­u nguån nu«i : + Dßng ®iÖn hiÖu dông qua ®i«t : ID.HD = = 0,071 (A) + §iÖn ¸p ng­îc lín nhÊt mµ ®i«t ph¶i chÞu : UNmax= .U2 =.9 = 22 (v) + Chän ®i«t cã dßng ®Þnh møc: Idm ³ Ki .IDMD = 10. 0,1 =1,1 (A) Chän ®i«t cã ®iÖn ¸p ng­îc lín nhÊt : Un = ku.UNmax = 2 . 22 = 44 (V) Chän ®i«t lo¹i KII208A cã c¸c th«ng sè: + dßng ®iÖn ®Þnh møc: Idm = 1,5 (A) + ®iÖn ¸p ng­îc cùc ®¹i cña ®i«t: UN = 100 (v). Ch­¬ng VIII M« pháng hÖ thèng trªn m¸y tÝnh Sö dông phÇn mÒm Microsim Eval 7.1 m« pháng kÕt qu¶ cña m¹ch ®iÒu khiÓn vµ m¹ch lùc cña hÖ thèng. I. M« pháng kÕt qu¶ m¹ch thiÕt kÕ A. §iÖn ¸p ra sau kh©u ph¸t xung h×nh ch÷ nhËt. Chu kú: T = 2,5 ms B. §iÖn ¸p r¨ng c­a. C. §iÖn ¸p xung ch÷ nhËt vµ xung r¨ng c­a. D. ®iÖn ¸p so s¸nh Uss1 E. ®iÖn ¸p so s¸nh Uss2 NhËn xÐt: kÕt qu¶ m« pháng cña m¹ch thiÕt kÕ t­¬ng ®èi gièng víi kÕt qu¶ tÝnh to¸n.