Thiết kế bộ băm xung áp một chiều điều khiển động cơ truyền động trong ô tô

vận hành điều khiển động cơ ôtô. Mặc dù rất cố gắng trong việc thiết kế nhưng do kiến thức có hạn nên không thể tránh khỏi một số hạn chế nhất định, mong các thầy cô đóng góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện hơn. Cấu trúc và nội dung chính của đề tài: Chương1: Phân tích yêu cầu của hệ thống(mô tả khái quát nguyên lý hoạt động của ôtô du lịch 4 chỗ của hãng TOYOTA) Chương2: Tổng quan về động cơ điện một chiều (đặc tính truyền động và phương pháp điều chỉnh tốc độ) Chương3: Thiết kế hệ thống...... Chương4: Phân tích và hiệu chỉnh hệ thống...... CHƯƠNG1: PHÂN TÍCH YÊU CẦU CÔNG NGHỆ CỦA HỆ THỐNG Vai trò và ứng dụng của động cơ điện trong lĩnh vực giao thông. Vấn đề ứng dụng của động cơ điện nói chung trong truyền động điện sản xuất cũng như ở đầu máy kéo là được sử dụng rộng rãi. Hiện nay trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống, thì động cơ KĐB là loại động cơ được sử dụng rộng rãi nhờ tính kinh tế, dễ chế tạo, chi phí vận hành bảo dưỡng sửa chữa thấp ... Tuy nhiên, trong một số lĩnh vực nhất định đòi hỏi yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ, về khả năng quá tải, thì bản thân động cơ KĐB không thể đáp ứng được hoặc nếu thực hiện được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần ...) rất đắt tiền. Vì vậy, động cơ điện một chiều hiện tại vẫn là loại động cơ không thể thay thế được trong những lĩnh vực nói trên. Ứng dụng phổ biến của động cơ điện một chiều hiện nay trong các ngành sản xuất như hầm mỏ, khai thác quặng, máy xúc và đặc biệt là trong các đầu máy kéo tải ở lĩnh vực giao thông. Đó là nhờ hai đặc điểm quan trọng ưu việt của nó là : Khả năng điều chỉnh tốc độ tốt. Khả năng quá tải tốt. Đặc biệt ở loại động cơ kích thích nối tiếp và hỗn hợp. Ngoài hai đặc tính cơ bản trên, thì cầu trúc mạch lực và mạch điều khiển động cơ điện một chiều đơn giản hơn nhiều so với động cơ KĐB, đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao hơn trong dải điều chỉnh rộng. Thực tế là ở các nước phát triển, việc dùng động cơ điện thay thế cho các loại động cơ điêzen hoặc xăng là phổ biến. Đó cũng là xu thế chung đối với toàn thế giới trong tương lai. Một mặt là vì có nguồn điện rộng rãi, tiến bộ nhảy vọt về công nghệ bán dẫn cho phép chế tạo được nhiều bộ biến đổi điện năng gọn nhẹ, khả năng giới hạn dòng áp cao và tin cậy hơn. Mặt khác, là động cơ điện không gây ô nhiễm môi trường như các loại động cơ khác, đồng thời cho hiệu suất cao. Đây là một trong những đặc điểm quan trọng đưa đến việc đưa động cơ điện vào giao thông ngày càng rộng rãi hơn. Do cuộc khủng hoảng dầu mỏ từ đầu thập niên 70 của thế kỷ XX cùng với những vấn đề môi trường ngày càng nghiêm trọng do khí thải xe ô tô, con người đã phát minh ra xe ôtô sử dụng động cơ lai hay còn có tên gọi khác là động cơ Hybrid. 2. Động cơ Hybrid Trong phạm vi đề tài này của chúng em đi nghiên cứu, thiết kế mạch điều khiển và mạch động lực cho động cơ điện một chiều trong xe hơi Hybrid 4 chỗ của hãng TOYOTA. Động cơ hybrid nghĩa là lai, ôtô hybrid là dạng ôtô sử dụng động cơ tổ hợp. Động cơ hybrid là sự kết hợp giữa động cơ đốt trong thông thường với một động cơ điện dùng năng lượng ăcquy. Bộ điều khiển điện tử sẽ quyết định khi nào thì dùng động cơ điện, khi nào thì dùng động cơ đốt trong, khi nào dùng vận hành đồng bộ và khi nào nạp điện cho ăcquy để sủ dụng về sau. Loại xe này sử dụng hai loại nguồn lực khác nhau là động cơ đốt trong và động cơ điện. Nhờ kết hợp 2 nguồn lực này với nhau mà động cơ Hybrid chẳng những tiết kiệm nhiên liệu mà còn giảm thiểu tối đa ô nhiễm môi trường. Hình vẽ bên dưới là sơ đồ mô tả cấu tạo động cơ hybrid của hãng TOYOTA cho loại xe du lịch 4 chỗ. Cấu tạo gồm có: Động cơ đốt trong (động cơ xăng) 1. Bộ đổi điện 2: Thông thường, năng lượng bị tiêu hao khi xe ô tô giảm tốc hay dừng lại nhưng trên Hybrid, phần năng lượng đó nhờ bộ đổi điện được chuyển thành điện và nạp vào pin. Quá trình này diễn ra tự động và không yêu cầu bất cứ sự can thiệp nào của người lái. Động cơ điện 3: Tạo ra năng lượng (động năng) để cho ô tô chuyển động. Bộ chuyển đổi 4: Làm nhiệm vụ truyền năng lượng (động năng) do động cơ điện tạo ra ra ngoài hệ thống truyền lực của ô tô. Ắc quy (pin): Làm nhiệm vụ tích trữ điện năng và cung cấp điện năng cho động cơ điện làm việc. Hình 1.1. Mô hình động cơ Hybrid Nguyên lý làm việc: Tùy theo cấu tạo của động cơ hybrid mà nguyên lý làm việc cũng như vai trò của động cơ khác nhau. Ta có sự so sánh hai hệ thống sau: Hệ thống song song (hybrid parallel system) 1. ắc quy 2. bộ đổi điện môtơ điện 4. bộ truyền lực động cơ xăng Hình 1.2. nguyên lý của hệ thống song song Trong hệ thống song song, cả động cơ và motor điện cùng truyền lực tới các trục xe, mức độ tuỳ theo các điều kiện khác nhau. Đó được gọi là hệ thống song song vì dòng năng lượng tới các bánh đi song song. Hệ thống này chỉ có một motor điện do vậy không thể cùng lúc vừa vận hành các bánh xe vừa nạp điện vào bình ăcquy. Khi nào motor làm nhiệm vụ một máy phát điện, dòng điện từ ăcquy sẽ thay thế vai trò của motor điện. Nhận xét: Hệ thống trên có nhược điểm là động cơ điện đóng vai trò vừa là máy phát nạp điện cho ăcquy vừa truyền lực tới trục bánh xe, vì vậy mà motor điện không truyền lực cho bánh xe được liên tục nên động cơ xăng vẫn giữ vai trò chính do đó tiêu tốn nhiều nhiên liệu (hình vẽ). Từ nhận xét ta thấy hệ thống liên hoàn đã khắc phục được những nhược điểm đó. ắc quy bộ đổi điện môtơ điện máy phát điện động cơ xăng Hệ thống liên hoàn(series hybrid system) Hình 1.2. nguyên lý của hệ thống liên hoàn Khi động cơ xăng (engine) hoạt động, nó truyền năng lượng cho một máy phát điện. Dòng điện sinh ra chia làm hai phần, một để sạc cho bình ắc quy và một để cung cấp điện cho một động cơ điện một chiều (motor), bộ phận sẽ truyền năng lượng tới các trục xe. Đó được gọi là hệ thống liên hoàn vì năng lượng truyền theo một quá trình liên tục. Một hệ thống Hybrid liên hoàn gồm có hai môto, một chính là môtơ điện và một là máy phát điện có cấu trúc tương tự. -Trong sơ đồ liên hoàn, động cơ đốt trong (động cơ xăng) kéo máy phát cung cấp điện cho ăcquy và động cơ điện, ở đây không có sự liên hệ cơ khí nào giữa nguồn động lực và bánh xe. Năng lượng được chuyển đổi từ hoá năng của nhiên liệu thành cơ năng là quay rotor của máy phát tạo ra điện và từ điện năng lại chuyển thành cơ năng làm quay bánh xe. Hình 1.3. Sơ đồ truyền động của động cơ Hybrid kiểu liên hoàn - Trong sơ đồ này động cơ đốt sẽ không khi nào hoạt động ở chế độ không tải nên giảm được ô nhiễm môi trường. Động cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ hoạt động tối ưu phù hợp với các loại ôtô, sơ đồ này có thể không cần hộp số. - Tỷ lệ sử dụng động cơ xăng và môtơ điện trong hệ thống trên là. vì hệ thống liên hoàn sử dụng động cơ để sinh ra điện cho mô-tơ vận hành bánh xe, chúng có cùng lượng công việc như nhau. 3. Ứng dụng của động cơ điện một chiều trong ôtô điện Có thể nêu ra đặc điểm quan trọng về truyền động trong xe Hybrid (xe 4 chỗ của TOYOTA) là: + Yêu cầu cao trong việc điều chỉnh tốc độ, bao gồm những yêu cầu về dải điều chỉnh rộng, độ trơn điều chỉnh, điều chỉnh êm, khởi động động cơ nhanh. + Yêu cầu cao về khả năng quá tải, vì tải kéo của đầu máy là không cố định. Ngoài ra, truyền động xe hơi 4 chỗ còn đòi hỏi cao về độ an toàn khi vận hành. Muốn vậy việc thiết kế phải đảm bảo đưa ra được một sơ đồ điều khiển đơn giản tin cậy, dễ thao tác trong vận hành điều khiển động cơ ôtô. Vì thực tế trong lĩnh vực giao thông còn đòi hỏi truyền động có đảo chiều, nên việc thiết kế cũng chú trọng đến vấn đề đảo chiều quay động cơ. *) Những truyền động của động cơ điện một chiều trong xe Hybrid. - Có khả năng tăng tốc và giảm tốc dễ dàng. - Nhanh chóng ổn định tốc độ. - Đảo chiều quay. - Có phản hồi tốc độ. Để đưa ra được mạch điều khiển của động cơ điện một chiều. Trước tiên ta đi giới thiệu một vài đặc tính cơ bản của các loại động cơ điện một chiều, rồi từ đó đưa ra quyết định chọn loại động cơ thích hợp cho truyền động trong ôtô Hybrid. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1. Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều. Động cơ điện kích thích độc lập hoặc song song. Phương trình đặc tính cơ: Biểu thị quan hệ giữa tốc độ (n)và mômen (M) w w0 M Mđm Hình 2.1. đường đặc tính cơ của dộng cơ điện kích từ song song Với những điều kiện U=const, It=const thì từ thông của động cơ hầu như không đổi. Vì vậy quan hệ trên là tuyến tính và đường đặc tính cơ của động cơ là đường thẳng. Do Rư rất nhỏ, nên khi tải thay đổi từ không đến định mức thì tốc độ giảm rất ít cho nên đặc tính cơ của động cơ điện kích thích song song rất cứng. Với đặc điểm như vậy, động cơ điện kích thích song song được dùng trong những trường hợp tốc độ hầu như không đổi khi tải thay đổi. Động cơ điện kích thích nối tiếp. Ở động cơ điện kích thích nối tiếp, dòng điện kích thích chính là dòng điện phần ứng : It= Iư=I. Vậy trong phạm vi khá rộng có thể biểu thị: F=KF.I trong đó hệ số tỷ lệ KF chỉ là hằng số trong vùng I (0,8 ¸ 0,9)Iđm thì hơi giảm xuống do hiện tượng bão hoà mạch từ. Như vậy, biểu thức đặc tính cơ có dạng: M=CM.F.Iư=CM. Þ nếu bỏ qua Rư thì: hay: M= Như vậy khi mạch từ chưa bão hoà, đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp có dạng là đường hypebol bậc hai. w* M* Mđm Hình 2.2 đường đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp Ta thấy, ở động cơ một chiều kích thích nối tiếp, tốc độ quay n giảm rất nhanh khi M tăng. Và khi mất tải (M=0, I=0) thì n có trị số rất lớn. Vì vậy thường chỉ cho phép động cơ làm việc với tải tối thiều P2=(0,2 ¸ 0,25)Pđm. Từ dạng đặc tính cơ ta cũng có nhận xét là đặc tính cơ của động cơ kích thích nối tiếp rất mềm Þ động cơ nối tiếp rất ưu việt trong những nơi cần mở máy nặng nề và cần tốc độ thay đổi trong một vùng rộng. c. Động cơ điện kích thích hỗn hợp: Loại này được chế tạo gồm hai cuộn dây nối tiếp và song song. Tác dụng của dây quấn kích thích song song và nối tiếp bù nhau hoặc ngược nhau. Trên thực tế người ta chỉ sử dụng loại kích thích hỗn hợp bù vì động cơ ngược không đảm bảo được điều kiện làm việc ổn định. Động cơ kích thích hỗn hợp bù có đặc tính cơ mang tính chất trung gian giữa hai loại kích thich song song và nối tiếp. Khi tải tăng thì từ thông tăng, do đó đặc tính cơ của động cơ kích thích hỗn hợp bù mềm hơn so với đặc tính cơ của động cơ kích thích song song. Tuy nhiên mức độ tăng của từ thông không mạnh như ở động cơ kích thích nối tiếp cho nên đặc tính cơ của động cơ điện kích thích hỗn hợp bù cứng hơn so với đặc tính cơ của động cơ kích thích nối tiếp. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp được điều chỉnh như ở trường hợp động cơ kích thích song song; dù rằng về nguyên tắc có thể áp dụng những phương pháp điều chỉnh tốc độ dùng cho động cơ kích thích nối tiếp. Từ những tính chất của từng loại động cơ như đã trình bày ở trên, so sánh với đặc tính tải và những yêu cầu của truyền động trong lĩnh vực giao thông ta thấy rằng loại động cơ kích thích nối tiếp và kích thích hỗn hợp kiều bù là đáp ứng được những yêu cầu về truyền động. Ta có thể nêu ưu điểm của hai loại động cơ này so với động cơ kích thích độc lập hoặc song song đứng trên quan điểm xét sự phù hợp với đặc tính tải: + Đặc tính cơ mềm và độ cứng thay đổi theo phụ tải. Điều này rất thích hợp trong giao thông có yêu cầu tốc độ thay đổi theo tải. + Có khả năng quá tải lớn về mômen và khả năng khởi động tốt hơn. Nhờ vậy cho phép làm việc ở môi trường kéo tải nặng nề. + Vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng phần ứng Iư nên khả năng chịu tải của động cơ không chịu ảnh hưởng của sụt áp lưới điện nên rất thích hợp cho những truyền động dùng trong ngành giao thông có đường dây cung cấp điện đi kèm theo tải. Thực tế trong lĩnh vực này động cơ kích thích nối tiếp được sử dụng. Tuy nhiên người ta cũng dùng cả động cơ kích thích hỗn hợp vì nó cho phép thực hiện hãm tái sinh năng lượng mà vẫn đảm bảo tốt các yêu cầu truyền động. 2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kéo tải trong giao thông có thể dùng phương pháp điện kết hợp cả phương pháp cơ qua cơ cấu bánh răng để tăng dải điều chỉnh. Điều chỉnh bằng phương pháp điện càng tốt bao nhiêu càng giảm độ phức tạp & cồng kềnh của cơ cấu cơ khí bấy nhiêu. Thực tế tồn tại hai phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều: Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ, tức là thay đổi Uư. Điều chỉnh 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. 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. Hình 3.9. đặc tính cơ của sơ đồ băm xung áp loại B kép w M 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 Động cơ được đặt điện áp 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 - · C · · · 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: (Điền rõ các khoảng van nào dẫn dòng) 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 + 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: ( thay bằng nét chấm chấm trên tụ ) · · + · · L1 · R E id · · · · D1 D4 S1 S4 ud US - · C · · · D2 D3 S2 S3 · · · · · Hình 3.14. Sơ đồ nguyên lý của điều khiển không đối xứng khi quay ngược 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=83%. (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. 5. Thiết kế mạch điều khiển. Các khối cơ bản của mạch điều khiển 5.1. 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 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: Vcc R1 R2 C Hình 3.19. sơ đồ thay thế của timer 555 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 ,tụ dẫn điện qua Transistor nên điện áp trên tụ Uc giảm U t1 t2 T t t Hình 3.20.Biểu đồ dạng sóng của Timer555 ở chế độ đa hài phiếm định Khi tụ Uc giảm tới Uc= thì =0. Khi Uc tăng tới Uc= thì =1 Transistor lại dẫn bão hoà. Khoảng thời gian t1 phụ thuộc vào tnạp,với tnạp=(R1+R2)C Khoảng thời gian t2 phụ thuộc vào tphóng ,với tphóng=R2C Qua tính toán ta được t1 = (R1+R2)Cln2 t2 = R2Cln2 Chọn C=0,067mF; R2=0,4kW ÞR1=52kW; ta sẽ được tần số dao động của Timer là f=400Hz 5.2. Mạch tạo xung răng cưa: t t U U Urc Hình 3.21. đồ thị của điện áp răng cưa Ta sử dụng mạch như sau: Hình 3.22.Bộ tạo xung răng cưa ZY18 +V 15V PNP 1k 0.6k C2 0.8uF Q1 MSD601-ST1 T1 T2 Với các thông số được chọn như sau: Transistor: Chọn loại NPN:MSD601_ST1 Diod Zener DZ: Chọn loại ZY18; Zener Silic ; Uz=18V;P=2W Trong sơ đồ này thì T1 ,Dz R tạo ra nguồn dòng và nguồn dòng này được nạp cho tụ C I= Trong đó: Uz: Điện áp ổn định của Diod Zener Dz. b: Hệ số khuyếch đại của Transistor T1. Nguyên lý hoạt động: -Khi T2 bị khoá (Không có điện áp đặt vào cực gốc):Tụ C được nạp điện Uc= điện áp đồng bộ răng cưa tuyến tính với thời gian -Khi T2 thông (Có điện áp đặt vào cực gốc):Lúc này tụ C phóng điện qua T2 nên Uc nhanh chóng giảm về 0 (Coi R@0) 5.3. Khâu khuyếch đại : Sử dụng khuyếch thuật toán không đảo TL084 với sơ đồ như sau: +V 15V + TL084 +V -15V R1 R2 Uvào Ura Hình 3..23.Bộ khuếch đại Với khuyếch thuật toán trên ta dễ dàng tính được hệ số khuyếch đại của mạch K= Thay đổi các thông số R1 và R2 của mạch ta sẽ có tương ứng với 1 điện áp đầu vào sẽ có một điện áp đầu ra có độ lớn gấp K (tuỳ ý)lần điện áp đầu vào . 5.4. Khâu so sánh : Ta sử dụng vi mạch LMC6762A/NS với sơ đồ như sau: +V -10V +V 10V Rvar +V -15V +V 15V LMC6762A/NS Urc Ura Hình 3.24. Khâu so sánh Mạch so sánh là mạch báo hiệu sự bằng nhau giữa điện áp cần so sánh Uv và điện áp chuẩn Uref . Đầu ra của mạch so sánh là mức logic cao hoặc thấp (điện áp ra dạng xung vuông có độ lớn phụ thuộc vào điện áp bão hoà của vi mạch so sánh và có độ rỗng xung phụ thuộc vào điện áp chuẩn). Nguyên lý hoạt động: -Khi Uv > Uref thì Ur = Ubh Vcc Uv + - +Vcc -Vcc Ur Uref +Ubh Uv Ur +Ubh -Ubh Uref Hình 3.25 đồ thị của khâu so sánh - Khi UV < Uref thì Ur = - Ubh » -VCC 5.5. Mạch phản hồi âm dòng điện có ngắt và phản hồi âm tốc độ: - Để phản hồi âm dòng điện có ngắt : Ta dùng Sensor dòng S1 để nhận biết dòng điện phần ứng của động cơ, sau đó cho qua bộ khuyếch đại với hệ số K. Mạch sẽ phản hồi âm dòng điện về bộ điều chỉnh dòng điện R(I), đây là mạch dùng để bảo vệ hệ thống khi dòng điện bị quá tải hoặc xảy ra sự cố ngắn mạch. - Để phản hồi âm tốc độ: Ta sử dụng máy phát tốc nối cùng trục với trục động cơ, điện áp đầu ra của máy phát tốc tỷ lệ với tốc độ theo biểu thức sau:U=g.w và được phản hồi trở lại vào bộ điều chỉnh tốc độ. + Khi dùng mạch phản hồi âm tốc độ để giảm sai số tốc độ, tức là làm tăng độ cứng của đặc tính cơ như vậy sẽ làm tăng giá trị của dòng điện ngắn mạch và momen ngắn mạch, gây nguy hiểm cho động cơ khi bị quá tải và gây hỏng hóc cho các bộ phận truyền lực. + Để giải quyết mâu thuẫn giữa yêu cầu về ổn định tốc độ và yêu cầu về hạn chế dòng điện người ta thường dùng phương pháp phân vùng tác dụng. Trong vùng biến thiên cho phép của mômen và dòng điện phần ứng, đặc tính cơ cần có độ cứng thích hợp để đảm bảo sai số là nhỏ. + Khi dòng điện và momen quá phạm vi cho phép này thì ta phải giảm mạnh độ cứng cơ của đặc tính cơ để hạn chế dòng điện . + Mặt khác, trong quá trình khởi động, hãm, điều chỉnh tốc độ động cơ thường có yêu cầu giữ cho gia tốc không đổi để đạt được tối ưu về thời gian quá độ cần có đoạn đặc tính cơ có độ cứng bằng không. + Như vậy các mạch vòng điều chỉnh được nối theo cấp độc lập với nhau, việc phân vùng tác dụng giữa ổn định tốc độ và hạn chế dòng điện. 5.6. Một số mạch phụ trợ khác: Hình 3.26.Mạch lặp a. Mạch lặp : Sử dụng khuyếch thuật toán không đảo TL084 với sơ đồ như sau: Có chức năng cách ly về điện đối với Transistor nhằm bảo vệ Transistor. b. Vi mạch AND: Sử dụng vi mạch 4093 họ CMOS. Đây là mạch Và, đầu ra của mạch có mức logic cao nếu mọi đầu vào của mạch đều có mức logic cao c. Trigơ loại JK: Hình 3.27.Trigơ JK Có 2 đầu vào, 2 đầu ra . - Khi có tín hiệu ở chân J thì đầu ra Q có tín hiệu (mức lôgic 1) - Khi có tín hiệu ở chân K thì đầu ra Q có tín hiệu(mức lôgic 1) Như vậy ta có sơ đồ kết nối mạch điều khiển: · · · E id · · · · D1 D4 T1 T4 ud US · · · C · · · D2 D3 T2 T3 · SS RC SS D Đ · · · K & T1 T4 T2 T3 & R(w) R(I) Hình 3.28.Sơ đồ khối tổng quát của mạch điều khiển D T N S J CP K R Q _ Q T3 T4 NPN NPN 1RTr 2RTr 1RTr 2RTr + VCC (-) (-) FT RP1 RP2 · S1 S2 II. Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển - Sensor dòng S2 được gắn để đo dòng của máy phát tốc cho ta tín hiệu dòng điện tỷ lệ với tốc độ động cơ, khi động cơ có tốc độ nhỏ thì S2 có tín hiệu ra là tín hiệu D . - Ban đầu khi mở máy, người vận hành đặt tốc độ cho động cơ là Uwđ, sau đó ấn nút mở máy T, khi đó đầu vào J =1 nên đầu ra thuận Q =1 làm cho Rơle trung gian 1RTr tác động-> tiếp điểm thường mở 1RTr đóng vào làm cho điện áp điều khiển Uđk được đưa vào bộ so sánh là ±15V. Lúc đó khi U=15V thì T1 thông, T4 khoá và khi U=-15V thì T1 khoá T4 thông, như vậy T3 luôn thông, T1 và T4 thay nhau thông nên động cơ được đặt điện áp thuận và quay thuận . - Khi muốn điều chỉnh tốc độ động cơ, người vận hành thay đổi lại Uwđ bằng cách điều chỉnh lại giá trị của Uđk tức là làm thay đổi nên U= thay đổi theo, điều chỉnh e trơn được thì ta sẽ có một dải tốc độ trơn. - Khi muốn động cơ quay ngược (đảo chiều chuyển động): Lúc này người vận hành ấn nút mở máy ngược N, tuy nhiên vì tốc độ của động cơ đang lớn nên Sensor dòng S2 chưa có giá trị tín hiệu điện áp D nên đầu vào R không có tín hiệu. Khi đó người vận hành cần phải giảm tốc độ của động cơ (Chúng ta có thể kết hợp với hệ thống phanh cơ khí), khi tốc độ của động cơ giảm đến một ngưỡng nào đó thì chúng ta sẽ có được tín hiệu D, lúc này ta mới có thể ấn nút N để nhận được tín hiệu K=1 đặt vào Flip-flop làm N = 1, T = 0, bộ so sánh thuận được tách ra đồng thời bộ so sánh ngược được đưa vào, lúc này T2 và T3 thay nhau dẫn còn T4 luôn thông . Khi tốc độ động cơ giảm dần, động cơ được hãm ngược. Khi tốc độ của động cơ giảm tới giá trị không thì động cơ được khởi động ngược và bắt đầu quay ngược. FT · T3 T2 D3 D2 · · · · ud T4 T1 D4 D1 · · id E CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG Ở CHẾ ĐỘ TĨNH 1. Khảo sát chất lượng tĩnh của hệ hở: Từ thông số của động cơ đã cho: U = 48V; Rư = 0,2 W , nđm = 1000vg/ph ; Lư = 0,1mH; h=83%. Ta có : Eưđm= Uđm- Rư.Iđm= 48 - 0,2 ´ 24,5 = 43V. w = (rad/s) Mà E = KF.w Þ KF = == 0,41 (Vs/rad) 117 105 w0 wđm w w0min Mđm M 4 10 0 Hình 4-1. Đặc tính cơ của động cơ khi chưa có phản hồi tốc độ Ta vẽ được đường đặc tính cơ khi chưa có khâu phản hồi tốc độ (hình 4-1). Lượng giảm tốc độ ở phụ tải định mức là: Dwđm = =12(rad/s) Độ cứng: b = - = - 0,84 Sai lệch tĩnh lớn nhất: ( Xem lại,xét trên đường đặc tính cơ thấp nhất)) St = 0,1025 = 10,25% So với đề bài yêu cầu St = 3% thì nó đã vượt quá. Nhận xét: ( Xem lại) + Với dải điều chỉnh D = 30/1 thì hệ thống làm việc có đường đặc tính cơ mềm (với w0 < 0 ). Vì vậy mà ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển của hệ thống. + Sai lệch tĩnh: theo bài ra Scp = 3% , nhưng thực tế hệ thống khi chưa có hệ thống phản hồi tốc độ thì St = 10,25 % đã lớn hơn rất nhiều so với Scp nên chất lượng ……. + Khả năng quá tải: KM KMđm = KMmin = Ta thấy khả năng quá tải của hệ thống là không thoả mãn, nên hệ thống làm việc không ổn định. Dòng khởi động bằng bao nhiêu? *) Phản hồi âm tốc độ: Để thoả mãn yêu cầu của hệ thống về dải điều chỉnh D = 30/1 và St = 3% cần dùng hệ có phản hồi âm tốc độ. Ổn định tốc độ trong truyền động điện có ý nghĩa rất lớn trong việc cải thiện các chỉ tiêu chất lượng của truyền động điện. Biện pháp chủ yếu để ổn định tốc độ làm việc là tăng độ cứng của đặc tính cơ bằng điều khiển theo mạch kín. Kw Ki 1/Cu ỏ Uđk DUđk Uct Udo Id.R E w (-) Uw Hình 4-2. Sơ đồ cấu trúc ổn định tốc độ - Khi có phản hồi tốc độ: ( Xem lại) Các đặc tính cơ của hệ hở có giá trị: b = (Kf)2 / R không đổi trong toàn dải điều chỉnh. Ở tốc độ thấp nhất ứng với đặc tính thấp nhất, nếu cho mômen tải Mc = Mđm thì tốc độ làm việc sẽ là w = wmin và sai số tĩnh thường lớn hơn giá trị cho phép: St = > Stcp Để cho sai số tĩnh có thể đạt được St = Stcp cần tìm biện pháp tăng tốc độ đến 117 w0 w w0min Mđm M 4 10 0 Hình 4-3. Đặc tính cơ của động cơ khi có phản hồi âm tốc độ. w = w’min. . Để có độ cứng mong muốn bm và w = w’min = w0min - với bm = Þ w = w’min.  = 4 - = 3,8 (rad/s) Vậy ta có được họ các đường đặc tính cơ sau khi có phản hồi âm tốc độ như hình bên (hình 4-3). Kiểm tra khả năng quá tải khi đó. Nhận xét: Nhìn vào họ các đường đặc tính cơ khi hệ thống có phản hồi âm tốc độ ta thấy độ cứng của các đường đặc tính cơ đã tăng. *) Phản hồi âm dòng có ngắt: Biện pháp phân vùng bằng các mạch ngắt dòng thường dùng cho các truyền động điện hay bị quá tải ngẫu nhiên trong thời gian ngắn. Khi bị quá tải hệ vẫn làm việc bình thường nhưng tốc độ phải giảm để tránh va đập trong các cơ cấu truyền lực, tốc độ giảm nhiều hay ít tuỳ thuộc vào mức độ quá tải lớn hay nhỏ. Khâu phản hồi âm dòng có ngắt chỉ có tác dụng bảo vệ động cơ vì vậy mà trong quá trình điều chỉnh tốc độ không bị ảnh hưởng bởi dòng phản hồi này. BBĐ Uđ U’đk Uđk Ui (-) Rd V0 Đ I Hình 4-4. Phản hồi âm dòng có ngắt B w0 w M,I 0 Hình 4-5. Đặc tính cơ của động cơ khi có phản hồi âm dòng có ngắt A C Iđm Ing w0ng A’ Khi làm việc bình thường tức là không có hiện tượng quá tải thì dòng điện làm việc I < Ing thì tín hiệu ra –Ui = 0, hệ làm việc với khâu phản hồi âm tốc độ, ứng với đặc tính cơ AB có độ cứng cao (bm). Khi dòng điện phần ứng tăng lên quá dòng điện ngắt I > Ing , điện áp trên Rd.I làm thông van ổn áp Vo, xuất hiện phản hồi dòng điện so sánh với tín hiệu điều khiển: Ui = aRd(I - Ing) Uđk = U’đk - aRd(I - Ing). Eb = Kb[U’đk - aRd(I - Ing)] Kfđm .w = Kb (U’đk - aRd Ing) – [R + (1 + ỏKb)Rd] w = w0ng - trong đó: w0ng = ; bng = Kb : hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi dòng điện. Đặc tính cơ khi có phản hồi âm dòng có ngắt là đường nét đứt A’- B – C có tốc độ không tải w0ng rất cao, độ cứng rất nhỏ và mômen ngắt mạch là Md, thực té miền xác định (miền làm việc) của đặc tính này chỉ là đoạn BC, còn đoạn A’B không tồn tại do lúc đó I Ing nên đoạn BC không thể đạt được độ cứng tùy ý. Ta chọn: Ing = 1,5Iđm = 1,5.24,5 = 36,75 (A) và chọn giá trị mà tại đó tốc độ bằng 0: Inm = 2,5.Iđm = 61,25 (A). Khi dòng điện tăng đến giá trị I = Ing thì khâu phản hồi âm dòng bắt đầu tác động (tại điểm B). - Ta chọn máy phát tốc có các thông số sau: máy phát tốc kiểu từ vĩnh cửu, dạng ZYS231/110; các số liệu định mức: P = 23,1 W; U = 110V; I = 0,21 A; n = 1900vg/ph (hoặc 199 rad/s). Dựa vào số liệu của máy phát tốc: ta có: Cetg = (Vs/rad). Giả thiết lấy ỏ2 = 0,2; nếu máy phát tốc lắp trực tiếp vào rôto của động cơ; thì với tốc độ quay cao nhất của động cơ điện 1000vg/ph (hoặc 105 rad/s), điện áp phản hồi sẽ là: Uw = 105 . 0,553 . 0,2 = 11,6 V - Phương pháp để chọn chiết áp RP2: lúc xét tới điện áp tối đa ở đầu ra hộp giảm tốc, mà dòng điện của nó chiếm khoảng 20% giá trị định mức, thật vậy, lượng sụt áp của rôto sensin gây ảnh hưởng về độ tuyến tính đối với tín hiệu đo kiểm là khá nhỏ, vì vậy: RP2 = =1383 W Công suất tiêu hao trên RP2 là: Cetg.nđm .20%.Iđmtg = 0,553.105.0,2.0,21 = 2,43 W Trên thực tế ta chọn RP2 là bộ chiết áp có điều khiển 10W; 1,5kW Þ ỏ = ỏ2.Cetg = 0,2. 0,553 = 0,11 Mà ta có : Un = ỏ . m = 11,6 V Þ m = LỜI KẾT Sau một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu và dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của cô giáo Nguyễn Phương Thảo. Đến nay đề tài của chúng em đã được hoàn thành. Trong quá trình thực hiện đề tài này do hiểu biết còn hạn chế, đồng thời kinh nghiệm còn chưa vững nên đồ án của chúng em không tránh khỏi những thiếu sót. Mong các thầy cô giáo trong khoa và các bạn sinh viên thông cảm và có những đóng góp cho đề tài để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn. Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của các thầy cô giáo trong khoa, đặc biệt cô giáo hướng dẫn Nguyễn Phương Thảo để đồ án của chúng em hoàn thành đúng thời hạn. Hưng Yên, ngày 7 tháng 6 năm 2006 Nhóm sinh viên thực hiện: