Thiết kế bộ băm xung một chiều cho đọng cơ điện 1 chiều kích từ song song

Mục lục Chương I - Giới thiệu động cơ điện một chiều kích từ song song ……….....3 I.1) Cấu tạo…………………………………………………………3 I.2) Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song song …………………………………………...4 I.3) Mở máy và hãm động cơ điện một chiều…………………........5 I.4) Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song.....7 I.5) Lựa chọn phương án mạch lực………….……………………...9 Chương II - Các phương án tổng thể…….…………………………….........10 II.1) Giới thiệu chung về bộ băm xung một chiều………….….......10 II.2) Bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều cả dòng điện và điện áp……………………………………………….......11 1) Điều khiển đối xứng……………………………….……….12 2) Điều khiển không đối xứng ……………….……….…..…..16 II.3) Giới thiệu một số loại van dùng trong mạch băm xung….........21 Chương III - Tính toán mạch lực…………………………………………....27 Chương IV - Sơ đồ nguyên lí mạch thiết kế…………………………….......28 III.1) Khâu tạo dao động………………………………………........28 III.2) Khâu tạo điên áp răng cưa………………………………........31 III.3) Khâu so sánh………………………………………………....32 III.4) Khâu chọn van……………………………………………......33 III.5) Khâu tạo trễ………………………………………………......34 III.6) Khâu khuếch đại xung….…….………….……………….......35 III.7) Khối phản hồi…………………………………………….......36 III.8) Khối tạo điện áp nguồn …………………………………........37 Chương V - Tính toán mạch điều khiển……….………………………........37 Bảng trị số toàn bộ các phần tử và linh kiện được sử dụng…………............40 KÕt luËn...........................................................................................................41 Tài liệu tham khảo……………………………………………………….......43 Lời nói đầu Trong thùc tÕ ngµy nay, chóng ta cã rÊt nhiÒu c¸c lo¹i ®éng c¬ nh­ ®éng c¬ ®iÖn ®ång bé, kh«ng ®ång bé, ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu..., trong ®ã ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu cã nh÷ng ­u ®iÓm riªng vµ rÊt nhiÒu c¸c øng dông trong thùc tÕ. §éng c¬ ®iÖn mét chiÒu ®· ra ®êi tõ rÊt l©u vµ cïng víi sù ph¸t triÓn cña tr×nh ®é khoa häc kü thuËt, nh÷ng ­u ®iÓm cña chóng ngµy cµng ®­îc tËn dông mét c¸ch triÖt ®Ó, tinh vi vµ s¸ng t¹o. §Ó ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu ho¹t ®éng ®óng theo yªu cÇu c«ng nghÖ, ta cÇn rÊt nhiÒu yÕu tè nh­ c«ng nghÖ chÕ t¹o, ng­êi vËn hµnh... trong ®ã, bé ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p mét chiÒu (b¨m xung ¸p mét chiÒu - BXMC) cã vai trß ®Æc biÖt quan träng, bé BXMC cµng tèi ­u th× cµng dÔ vËn hµnh, t¨ng chÊt l­îng lµm viÖc vµ t¨ng tuæi thä cña ®éng c¬. Ngµy nay, sö dông ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu lu«n lu«n g¾n liÒn víi, kh«ng thÓ thiÕu mét yÕu tè rÊt quan träng ®ã lµ bé ®iÒu chØnh BXMC. VËy thiÕt kÕ bé BXMC nh­ thÕ nµo ? XuÊt ph¸t tõ yªu cÇu thùc tÕ ®ã, chóng em ®­îc giao ®å ¸n m«n häc ®iÖn tö c«ng suÊt víi ®Ò tµi: ThiÕt kÕ bé b¨m xung mét chiÒu ®Ó ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kÝch tõ song song lÊy nguån cung cÊp tõ acqui. Víi sù cè g¾ng cña b¶n th©n nãi riªng vµ cña nhãm nãi chung cïng víi sù h­íng dÉn cña c¸c thÇy c« gi¸o trong bé m«n vµ ®Æc biÖt lµ TS. Vâ Minh ChÝnh ®· trùc tiÕp h­íng dÉn gióp ®ì chóng em hoµn thµnh ®å ¸n nµy. §å ¸n ®­îc gåm ba phÇn chÝnh sau: Giíi thiÖu s¬ l­îc vÒ ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kÝch tõ song song. ThiÕt kÕ vµ tÝnh to¸n m¹ch lùc. ThiÕt kÕ vµ tÝnh to¸n m¹ch ®iÒu khiÓn. Do lÇn ®Çu lµm ®å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt ch­a cã kinh nghiÖm nªn em kh«ng tr¸nh khái nh÷ng sai sãt, mong c¸c thÇy gióp ®ì, h­íng dÉn , chØ b¶o ®Ó kiÕn thøc cña em vÒ b¶n ®å ¸n ®­îc hoµn thiÖn h¬n. Cuèi cïng em xin ch©n thµnh c¶m ¬n ! Hµ néi, ngµy 23 th¸ng 11 n¨m 2004 Sinh viªn : L· ngäc S¬n Líp T§H T2 - K41 Chương I - Giới thiệu về động cơ điện một chiều kích từ song song I.1) Cấu tạo: Máy điện một chiều cấu tạo gồm hai thành phần chính: gồm phần tĩnh và phần quay. 1) Phần cảm (stator): Phần cảm là phần tạo ra từ trường tĩnh của động cơ gồm có các phần sau đây: - Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường, nó gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ + Lõi sắt kích từ được làm bằng lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon ghép lại và tán chặt. + Dây quấn kích từ: được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối và và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. - Cực từ phụ: được đặt giữa các cực chính và dùng để cải thiện đổi chiều, lõi thép thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn giống như cực từ chính. - Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy. - Chổi than : là các thanh Cacbon được tiếp xúc với cổ góp để đưa dòng điện từ nguồn một chiều vào rôto . Chổi than được đặt ở trung tính hình học của động cơ. 2) Phần ứng (rotor): Phần ứng là phần cho dòng điện một chiều chạy trong nó, tương tác giữa dòng điện I và từ thông F sinh ra mômen quay. Nó gồm ba phần chính: - Lõi thép : là các lá thép kĩ thuật điện (Fe - Si) mỏng ghép lại với nhau, trên có xẻ rãnh để đặt các bối dây. - Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua, nó được cấu tạo gồm các dây đồng tròn được ghép thành các phần tử (bối dây), các bối dây được ghép theo kiểu dây quấn xếp đơn hay dây quấn phức tạp tuỳ yêu cầu mômen lớn hay nhỏ. - Cổ ghóp : gồm các phiến góp được cách điện với nhau, các phiến góp được nối với các đầu mút của các bối dây để đưa dòng điện vào phần ứng. Ngoài ra còn có các bộ phận khác gồm cánh quạt dùng để làm ngội máy, trục máy... Tùy theo phương pháp kích từ người ta chia động cơ một chiều thành các dạng kích từ nối tiếp, kích từ song song, kích từ hỗn hợp, kích từ độc lập. Hình I- Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (a), kích từ song song(b), kích từ hỗn hợp(c), và kích từ độc lập(d). Khi nguån ®iÖn mét chiÒu cã c«ng suÊt v« cïng lín vµ ®iÖn ¸p kh«ng ®æi th× m¹ch kÝch tõ th­êng m¾c song song víi m¹ch phÇn øng, lóc nµy ®éng c¬ ®­îc gäi lµ ®éng c¬ kÝch tõ song song. I.2) Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song song: 1) Định nghĩa: Phương trình đặc tính cơ là đồ thị miêu tả mối quan hệ giữa mô men điện từ Mđt và tốc độ góc w của động cơ. 2) Đặc tính cơ: Từ phương trình cân bằng điện áp : Þ Độ cứng đặc tính cơ: TN M n MC MC1 n0 nyc n1 b càng lớn đặc tính cơ càng cứng Đồ thị: : tốc độ không tải lí tưởng. Mmm= : Mômen mở máy. I.3) Mở máy và hãm động cơ điện một chiều: 1) Mở máy: Từ phương trình điện áp phần ứng : U=Eu+Ru.Iu Khi mở máy n=0 Þ Eu==0 Dòng điện phần ứng lúc mở máy là: Iumở = vì Ru nhỏ Iumở lớn khoảng (20 ¸ 30) Iđm làm hỏng chổi than và cổ góp. Để dảm dòng điện mở máy ta dùng các biện pháp sau: + Dùng biến trở mở máy R mở: Mắc biến trở này vào mạch phần ứng lúc có biến trở này : Iưmở =U/(Rư+Rmở ) Lúc đầu để Rmở max, trong quá trình mở này tốc độ tăng lên Eư tăng lên và điện trở này giảm dần đến 0, máy làm việc đúng điện áp định mức. + Giảm điện áp đặt vào phần ứng: Phương pháp là phương pháp thường dùng hơn cả nó dòi hỏi có một nguồn điện có thể điều chỉnh được điện áp như nguồn chỉnh lưu, hệ máy phát động cơ hay bộ băm xung một chiều. Phương pháp này dùng kết hợp với việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng rất tiện lợi. 2) Các trạng thái hãm động cơ: Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mô men quay ngược chiều tốc độ quay .Trong tất cả các trạng thái hãm động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát. Tùy theo cách biến đổi năng lượng cơ trong khi hãm người ta chia làm 3 trạng thái hãm: a) Hãm tái sinh: Năng lượng động cơ trả vể nguồn xẩy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng . Khi hãm tái sinh Eu>Uu, động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới , so với chế độ động cơ dòng điện và mô men hãm đã đổi chiều . Đường đặc tính cơ trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần tư thứ II và thứ IV của mặt phẳng toạ độ.Trong trạng thái hãm tái sinh dòng điện hãm đổi chiều và công suất đưa trả về lưới điện có giá trị P = (E –U) .I b) Hãm ngược: Năng lượng của nguồn và động cơ bị tiêu tán dưới dạng nhiệt. Xẩy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động do mômen thế năng quay ngược chiều với mômen điện từ của động cơ. Mômen sinh ra bởi động cơ chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản suất có hai trường hợp hãm ngược : + Đưa điện trở vào mạch phần ứng. + Đảo chiều điện áp phần ứng. c) Hãm động năng: Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học của động cơ đã tích luỹ được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt. Như vậy ta thấy hãm tái sinh là phương pháp hãm tiết kiệm được năng lượng nhất, và điều này là rất cần thiết, nhất là đối với các động cơ chạy bằng acqui. Vì vậy, trong khi thiết kế bộ băm điện áp, ta cố gắng điều khiển động cơ hãm tái sinh. I.4) Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song: Động cơ điện một chiều có đặc điểm là: Ưu điểm : điều chỉnh tốc độ dễ dàng, nhiều kênh điều khiển. Nhược điểm: sử dụng nguồn điện một chiều. Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn như hiện nay máy điện một chiều dã trở thành một cơ cấu không thể thiếu trong truyền động điện. Từ phương trình về vận tốc: . Ta có các phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều như sau : U1 U2 U3 TN ( Udm ) n0 ncb n1 n2 n3 M n MC Udm > U1 > U2 > U3 ncb > n1 > n2 > n3 1) Thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp: Đặc điểm : - Đặc tính cơ là các đường song song với đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, do đó độ cứng của đặc tính cơ không thay đổi. - Do U chỉ có thể giảm do đó chỉ có thể điều chỉnh giảm tốc độ của động cơ. - Có thể thay đổi U băng các van bán dẫn. 2) Thay đổi điện trở phần ứng Ru: TN Rf1 Rf2 Rf3 0 MC n3 n2 n1 ncb n0 n M, I 0 < Rf1 < Rf2 < Rf3 ncb > n1 > n2 > n3 Đặc điểm : - Khi thêm Ruf vào phần ứng động cơ thì độ cứng của đặc tính cơ giảm hay đặc tính cơ của động cơ giảm đi có nghĩa là với một sự thay đổi rất nhỏ của tải sẽ dẫn đến một sự thay đổi rất lớn của w nên không ổn định do đó trên thực tế điều chỉnh tốc độ băng Ru ít được sử dụng. - Ngoài ra khi thêm Ru vào phần ứng cũng có nghĩa là tăng tổn hao làm nóng động cơ. Phương pháp này chỉ sử dụng để giảm dòng mở máy khi khởi động động cơ. F1 F2 Fñm 0 MC M2 M1 Mn ncb n1 n2 n M fñm > f1 > f2 ncb < n1 < n2 3) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông: Đặc điểm : - Vì từ thông trong lõi thép rất dễ bão hoà nên người ta thường chỉ điều chỉnh giảm từ thông trong động cơ. - Khi từ thông Fdm giảm đến Fi thì có một Mik nào đó, khi McMik việc giảm F sẽ làm tốc độ động cơ. Trên thực tế điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là rất khó thực hiện vì quan hệ F(w) là phi tuyến. I.5) Lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ: Từ các phân tích trên, ta thấy trong các phương pháp điều chỉnh tốc độ trên thì phương pháp điều chỉnh tốc độ nhờ thay đổi điện áp phần ứng là khả thi và tin cậy nhất, bởi vì dễ điều chỉnh và có đặc tính cơ cứng. Với sự phát triển của kĩ thuật bán dẫn ngày nay thì phương pháp điều chỉnh này hoàn toàn dễ dàng thực hiện được và đem lại hiệu quả cao. Trong khuôn khổ đồ án này, ta sẽ thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, ngoµi ra nã cßn có thể thực hiện chức năng mở lại máy (reset) và hãm tái sinh động cơ. CHƯƠNG II - TÍNH CHỌN MẠCH LỰC II.1) Giới thiệu chung về bộ băm xung một chiều: 1) Nguyên lý: Bộ băm điện áp một chiều cho phép từ nguồn điện một chiều Us tạo ra điện áp tải Ura cũng là điện áp một chiều nhưng có thể điều chỉnh được. Ura t t1 t2 T Utb BB§BB§ mét chiÒu US Ura BB§ 0 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: Ura = γ .Us (γ=t1/T). Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi này là dùng quy luật đóng mở các van bán dẫn công suất một cách có chu kỳ để điều chỉnh hệ số γ đảm bảo thay đổi được giá trị điện áp trung bình trên tải. 2) Các phương pháp điều chỉnh điện áp ra: Có 3 phương pháp điều chỉnh điện áp ra: a) 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: 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). b) Phương pháp xung - tần: 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. c) Phương pháp xung - thời gian: Vừa thay đổi độ rộng xung vừa thay đổi tần số theo nguyên tắc giữ DI min Trong 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. II.2) S¬ ®å bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều cả dòng điện và điện áp: Do yêu cầu của đồ án là thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song, Thoả mãn các yêu cầu trên ta chỉ có thể chọn mạch lực là bộ băm xung ¸p mét chiÒu víi Sơ đồ nguyên lý nh­ sau : Trong đó :V1,V2 là các van điều khiển hoàn toàn. D1,D2, là các diot. Sơ đồ trên cho phép điều chỉnh tốc độ quay cña ®éng c¬, đặc tính làm việc của động cơ có thể ë gãc phÇn t­ thø nhÊt vµ góc phần tư thø 2. US idk1 idk2 ud US uS1,iS1 iS uD1, iD1 Biểu đồ dạng sóng dòng, áp trên các phần tử b) Các biểu thức tÝnh to¸n: - Tìm biểu thức của dòng tải : + Khi (D1, D2) và (V1, V2) dẫn: Trong giai đoạn này điện áp trên tải là UT=US, do đó phương trình mạch tải sẽ là: Giải phương trình vi phân, ta có: - Giá trị trung bình của điện áp trên tải: Trong đó: là tỷ số chu kỳ. Vậy nếu ta thay đổi được e ta sẽ điều chỉnh được Ud. Cụ thể: e=0,5® Ud=0Þ Động cơ không được đặt điện áp. e>0,5® Ud>0ÞĐộng cơ quay ngược. e<0,5® Ud<0ÞĐộng cơ quay thuận. - Giá trị trung bình của dòng qua diod D1 và D2: - Giá trị trung bình dòng qua van: - Giá trị trung bình dòng tải: 2) Điều khiển a) Nguyên lý làm việc của mạch trên như sau: + Ở thời điểm t0 =0 phát xung điều khiển V1 do Id=Imin<0 D1 vẫn dẫn ud =UN Id tăng dần đến thời điểm t= t1 Id =0 V1 bắt đầu dẫn Id tiếp tục tăng dần đạt đến Id =Imax tại thời điểm t=t2. + t = t2 =e.T phát xung điều khiển V2 , khoá van V1 do Id >0 tải điện cảm dòng id tiếp tục chảy theo chiều cũ qua ,D2 ud =UN ;V2 chưa dẫn, dòng dòng id>0 giảm dần làm xuất hiện suất điện động tự cảm trên cuộn dây L đến t=t3 id=0 UV2 >0 van V2 dẫn id chảy theo chiều ngược lại và tăng dần đến thời điểm t=t4 I=Imin khoá van V2, phát xung điều khiển V1 dòng id tiếp tuc chảy theo chiều cũ qua D1,D2 trả năng lượng về nguồn… udk1 udk2 t0 t1 t2 t3 t4= T id Imax Imin ud UN Id Ud D1D4 V1V4 D2V4 V2D4 b) Các biểu thức tÝnh to¸n: - Dòng lớn nhất và nhỏ nhất qua tải: Trong ®ã: . - Giá trị dòng trung bình qua tải: - Dòng trung bình qua van: IT = - Dòng trung bình qua diod: - Giá trị trung bình của điện áp trên tải: Nh­ vËy, ®Ó điều khiển tốc độ động cơ, ta chỉ cần điều khiển ε để điều chỉnh điện áp ra tải.có những ưu điểm sau: + Điện áp ra tải chỉ có 1 dấu ở chiều xác định. + Cho phép giảm độ đập mạch dòng điện + 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. II.3) Giới thiệu một số loại van dùng trong mạch băm xung: 1) Trasistor công suất: E IC B UBE IE C IB UCE Transistor công suất có cấu trúc và ký hiệu như sau: ( a ) - Nguyên lí hoạt động: Tranzitor hoạt động như một phần tử chuyển mạch ta quan tâm đến 2 trạng thái dấn dòng và.trạng thái khoá + Trạng thái dẫn: UBE>0 Điều kiện để đưa van vào vùng dẫn bão hoà IB≥IC/β Thực tế IB=s.IC/β + Trạng thái khóa: UBE≤0, ic≈0. Trong quá trình van dẫn hoặc khoá công suất tiêu tán pc=UCE.IC=0. Để chuyển trạng thái phải đi qua vùng khuyếch đại IC≠0, UCE≠0 ,tổn thất trên van chủ yếu là khi van chuyển trạng thái và tỉ lệ thuận với tần số hoạt động của van.Khi làm việc với tần số f>5 kHz hoặc VCEO≥60V, IC>5A phải có mạch trợ giúp để tránh cho van bị quá nhiệt gây hỏng van. - Các thông số của transistor công suất: + IC: Dòng colectơ mà transistor chịu được. + UCEsat: Điện áp UCE khi transistor dẫn bão hòa. + UCEO: Điện áp UCE khi mạch badơ để hở, IB = 0 . + UCEX: Điện áp UCE khi badơ bị khóa bởi điện áp âm, IB < 0. + ton : Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị điện áp nguồn U giảm xuống 0V. + tf : Thời gian cần thiết để iC từ giá trị IC giảm xuống 0. + tS : Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị UCESat tăng đến giá trị điện áp nguồn U. + P : Công suất tiêu tán bên trong transistor. Công suất tiêu tán bên trong transistor được tính theo công thức: P = UBE.IB + UCE.IC. + Khi transistor ở trạng thái mở: IB = 0, IC = 0 nên P = 0. + Khi transistor ở trạng thái đóng: UCE = UCESat. ( b ) ( a ) IC UCE b a UCE IC IC · Trạng thái dẫn và trạng thái bị khóa a) Trạng thái đóng mạch hay ngắn mạch IB lớn, IC do tải giới hạn. b) Trạng thái hở mạch IB = 0. - Đặc tính tĩnh của transistor: UCE = f (IC). Đặc tính tĩnh của transistor: UCE = f ( IC ). Vùng tuyến tính Vùng gần bão hòa Vùng bão hòa UCE IC - Ứng dụng của transistor công suất: Transistor công suất dùng để đóng cắt dòng điện một chiều có cường độ lớn. Tuy nhiên trong thực tế transistor công suất thường cho làm việc ở chế độ khóa. IB = 0, IC = 0: transistor coi như hở mạch. 2) Transistor Mos công suất: Transistor trường FET (Field - Effect Transistor) được chế tạo theo công nghệ Mos (Metal - Oxid - Semiconductor), thường sử dụng như những chuyển mạch điện tử có công suất lớn. Khác với transistor lưỡng cực được điều khiển bằng dòng điện, transistor Mos được điều khiển bằng điện áp. Transistor Mos gồm các cực chính: cực máng (drain), nguồn (source) và cửa (gate). Dòng điện máng - nguồn được điều khiển bằng điện áp cửa - nguồn. · Cöûa · · Nguoàn · Maùng ( b ) ( a ) = 3V = 4,5V = 6V = 9V = 7,5V Doøng ñieän maùng Ñieän trôû haèng soá Ñieän aùp maùng – nguoàn H×nh a) Họ đặc tính ra. H×nh b) Ký hiệu thông thường kênh n. Transistor Mos là loại dụng cụ chuyển mạch nhanh. Với điện áp 100V tổn hao dẫn ở chúng lớn hơn ở transistor lưỡng cực và tiristor, nhưng tổn hao chuyển mạch nhỏ hơn nhiều. Hệ số nhiệt điện trở của transistor Mos là dương. Dòng điện và điện áp cho phép của transistor Mos nhỏ hơn của transistor lưỡng cực và tiristor. 3) Tiristor: a) Cấu tạo: Tiristor là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn PNPN liên tiếp tạo nên anốt, katốt và cực điều khiển. P1 N1 P2 N2 ( a ) ( b ) A J1 J2 J3 A K G G K H×nh a) Cấu tạo của tiristor. H×nh b) Ký hiệu của tiristor. Trong ®ã: + A: anốt. + K: katốt. + G: cực điều khiển. + J1, J2, J3: các mặt ghép. Khi không tác động vào cực điều khiển G Thyristor không phải là phần tử dẫn điện. Đặc tính Vôn ampe nằm hoàn toàn trên trục hoành. - Thyristor dẫn dòng khi: + UAK>0. + IG đủ lớn (Cỡ 0,1-1A) Khi Thyristor đã dẫn dòng thì nó vẫn tiếp tục dẫn dòng mà không cần dòng điều khiển.Dòng điều khiển là dòng xung ,thời gian xung mở(tx) phải đủ lớn để dòng qua van tăng lên giá trị dòng duy trì (IA≥Idt) lúc đó Thyristor mở hẳn (tx cỡ vài trăm μs). Do dòng điều khiển chỉ tác động trong thời gian ngắn nên công suất tiêu tán trên van là rất nhỏ. - Thyristor kho¸ dßng khi: + Làm giảm dòng điện làm việc I xuống dưới giá trị dòng duy trì IH ( Holding Current ). + Đặt một điện áp ngược lên tiristor. Khi đặt điện áp ngược lên tiristor: UAK < 0, J1 và J3 bị phân cực ngược, J2 phân cực thuận, điện tử đảo chiều hành trình tạo nên dòng điện ngược chảy từ katốt về anốt, về cực âm của nguồn điện ngoài. Thời gian khóa toff: Thời gian từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược đến dòng điện ngược bằng ,toff kéo dài khoảng vài chục μs. IH U I UZ 0 Uch Đặc tính volt-ampe của tiristor. - Ứng dụng: Tiristor được sử dụng trong các bộ nguồn đặc biệt: trong mạch chỉnh lưu, bộ băm và trong bộ biến tần trực tiếp hoặc các bộ biến tần có khâu trung gian một chiều. 4) GTO - gate turn off thyristor: Một Thyristor thông thường khi đã được kích mở cho dòng điện chảy qua vẫn tiếp tục ở trạng thái mở chừng nào dòng điện chảy qua nó hãy còn lớn hơn hay bằng dòng điện duy trì. Khóa Thyristor để khóa thì dòng điều khiển có trị số gần ngang dòng qua GTO tuy nhiên thời gian tồn tại dòng này rất nhỏ nhưng nhìn chung việc khóa GTO làm mạch phức tạp vì vậy không tiện sử dụng. Dưới đây là một bảng so sánh về các van bán dẫn trong các ứng dụng thực tế: Thyristor BJT FET GTO IGBT Availabilty Early 60s Late 70s Early 80s Mid 80s Late 80s Voltageratings 5 kV 1 kV 0,5 kV 5 kV 3,3 kV Curentratings 4 kA 400 A 200 A 5 KA 1,2 kA Switch Freg na 5 kHz 1 MHz 2 kHz 100 kHz Drive Circuit Simple Difficult Very simple Very difficult Very simple Từ các phân tích và bảng so sánh trên, ta thấy với đối với bộ băm xung một chiều dùng cho động cơ có điện áp định mức 12V dòng điện định mức 50A thì sử dụng van IGBT làm khóa đóng cắt là hợp lí nhất. Vậy ta có sơ đồ mạch lực như sau: III.4) Tính chän m¹ch lùc: a) §Æt vÊn ®Ò: §Ó tÝnh to¸n m¹ch lùc, tr­íc hÕt ta chän chÕ ®é lµm m¸t cho van. -ChÕ ®é lµm viÖc cña c¸c van rÊt kh¾c nhiÖt, rÊt nh¹y c¶m víi nhiÖt ®é. NhiÖt ®é cña van t¨ng lªn do c«ng suÊt tæn hao trªn van g©y ra. Khi nhiÖt ®é cña van cao h¬n nhiÖt ®é m«i tr­êng xung quanh nhiÖt l­îng ®­îc truyÒn vµo m«i tr­êng, nÕu nhiÖt ®é cña van v­ît qu¸ giíi h¹n cho phÐp sÏ ph¸ hñy van, v× vËy lµm m¸t cho van lµ mét vÊn ®Ò rÊt quan träng. Th«ng th­êng van ®­îc g¾n lªn mét c¸nh t¶n nhiÖt víi th«ng sè phï hîp. Cã c¸c biÖn ph¸p lµm m¸t th­êng gÆp : + Lµm m¸t tù nhiªn : chØ dùa vµo sù ®èi l­u kh«ng khÝ xung quanh van, hiÖu suÊt lµm viÖc cña van thÊp chØ kho¶ng 25%. + Lµm m¸t b»ng giã c­ìng bøc : t¹o luång kh«ng khÝ víi tèc ®é lín qua van ®Ó ®Èy nhanh qóa tr×nh truyÒn nhiÖt cña van vµo kh«ng khÝ, hiÖu suÊt lµm viÖc cña van tõ 30%60%. + Lµm m¸t b»ng n­íc : van ®­îc g¾n thªm tÊm ®ång rçng cho n­íc ch¶y qua. §©y lµ biÖn ph¸p lµm m¸t rÊt hiÖu qu¶, hiÖu suÊt lµm viÖc cña van ®¹t ®Õn 80%, tuy nhiªn hÖ thèng lµm m¸t phøc t¹p chØ phï hîp víi yªu cÇu c«ng suÊt lín vµ cã nguån n­íc t¹i vÞ trÝ l¾p ®Æt thiÕt bÞ. - Qua nh÷ng ph©n tÝch trªn, v× ®Æc diÓm cña dßng hµn lµ dßng t¸c ®éng nhanh nªn ta chän c¸ch lµm m¸t b»ng b»ng giã c­ìng bøc víi hiÖu suÊt lµm viÖc cña van tiristor lµ 40%. §©y lµ biÖn ph¸p phï hîp h¬n c¶. b) TÝnh to¸n c¸c th«ng sè ®Ó chän van: - §Ó chän van IGBT, ta cần tính toán IC MAX (dòng trung bình lớn nhất qua van) và điện áp ng ược lớn nhất UCES để chọn van IGBT. - §Ó chän Diode, ta cÇn tÝnh điện áp ngược cực đại trên Diode để chọn diode. - Vì mỗi van IGBT đều có một diode nối ngược chiều nên nó không phải chịu điện áp ngược. Các giá trị dòng áp lớn nhất sẽ đạt được khi mạch hoạt động ở các chế độ khắc nghiệt nhất đối với từng van, do vËy ta sÏ xÐt tr­êng hîp van lµm viÖc ë chÕ ®é nÆng nÒ nhÊt. - Ta cã: dßng ®iÖn lín nhÊt qua van lµ dßng ®Þnh møc qua t¶i: Imax = I®m = 60 (A). - V× van lµm viÖc víi hiÖu suÊt 30%, nªn dßng ®iÖn IC MAX cÇn tÝnh lµ: IC MAX = ==150 (A). Ta chän van IBGT lµ lo¹i IR MG300Q1US51 víi c¸c th«ng sè sau: 1) ICMAX = 400( A) 2) VCES=1200 (V) 3) Pd max =2500(W) 4) VCE = 3,6 (sat) 5) ICES =4000 (mA) - Chän Diode nh­ sau: +Điện áp UDS trên van T1 , T2 và điện áp ngược trên D1 , D2 bằng UN - 2DUDS ( với DUDS là điện áp rơi trên MOSFET khi dẫn ) => UDS T2 max = UDS T3 max = UN D2 max = UN D1 max =UN - 2DUDS ≈ UN ITB T1 max = ITB T2 max =Iđm = 60 A UDS T1 max = UDS T2 max = UN D1 max = UN D2 max = UN §iode còng lµm viÖc víi hiÖu suÊt 40%, do ®ã: ID MAX = ==150 (A). Ta chän lo¹i Diode lSkr240/04 víi c¸c th«ng sè: 1) Itb max= 150 (A) 2) I® = 6000 (A) 3) Ung max =400 (V). CH¦¥NG III - tÝNH TO¸N M¹CH §IÒU KHIÓN Sơ đồ khèi m¹ch ®iÒu khiÓn: phản hồi Tạo dao đkhộng Tạo điện áp răng cưa So sánh Chọn van f=const Udk KĐX Mạch van Uph Ud (điều khiển tốc độ) u1 u2 u3 Tạo trễ (chống ngắn mạch) Chọn chiều quay, Lệnh hãm III.1) Chän c¸c kh©u cña m¹ch ®iÒu khiÓn: 1) Khâu tạo dao động: ë kh©u nµy ng­êi ta th­êng sö dông m¹ch ®a hµI hay dïng khuÕch ®¹i thuËt to¸n hoÆc sö dông vi m¹ch 555. a) M¹ch ®a hµi xung ®èi xøng (h×nh a) vµ m¹ch ®a hµi ®èi xøng (h×nh b): Chu kú cña xung ra lµ: + víi bé dao ®éng ®a hµi ®èi xøng: T = 2.R3.C.ln(1+) + víi bé dao ®éng ®a hµi kh«ng ®èi xøng: T = T1+T2 = R3.C.ln(1+)+ R4.C.ln(1+) T = (R3+R4).C.ln(1+). ë kh©u nµy ta chän s¬ ®å sö dông vi m¹ch ®a hµi - Hoạt động của sơ đồ: Ta có đồ thị điện áp ra: E/3 2E/3 Uc U3 T1 T2 0 0 T t t Ban đầu Uc = E/3 thì U(3) = ‘1’ , tụ điện C nạp cho Uc tăng theo hàm mũ đến khi Uc = 2E/3 thì tụ C phóng điện qua R2và T . Khi đó điện áp Uc giảm dần U(3) = ‘0’ . Khi Uc = E/3 thì T bị khoá lại , Uc = ‘1’ - Chu kì xung : + Khi C1 nạp ta có phương trình : R1i + Uc = E , i = C R1C Chuyển sang toán tử laplace : pUc(p) – Uc(0) + aUc(p) = aE/p với Uc(0) = E/3 Þuc(p)= Þuc(p)=E(1-e-at)+E/3.e-at . Thay t=T1Þ uc(T1)= E/3 ÞT1=0,693CR1 + Khi tụ C phóng ta có phương trình: uc(t)= khi t=T2 thì uc(T2)=E/3 ÞT2=2.0,693CR2. Vậy, chu kỳ xung là: T=T1+T2=0,693C(R1+2.R2). III.2) Khâu tạo điên áp răng cưa: Nguyªn t¾c cña viÖc t¹o ®iÖn ¸p r¨ng c­a lµ dùa vµo sù phãng n¹p cña tô C qua mét m¹ch nµo ®ã. Quan hÖ dßng vµ ¸p trªn tô C cã d¹ng: ic(t) = C. §Ó Uc (t) tuyÕn tÝnh ph¶i cã ®iÒu kiÖn lµ : C vµ ic(t) lµ c¸c h»ng sè. C¸c m¹ch th«ng dông dïng dïng trandito: a) M¹ch h×nh a : R¨ng c­a nµy cã d¹ng phi tuyÕn lµm cho sù thay ®æi cña gãc a phô thuéc vµo U®k kh«ng tuyÕn tÝnh. b) M¹ch h×nh b: Khi u®f > 0 Þ T th«ng nªn Utùa= Uc = 0. Khi u®f < 0 Þ T kho¸, cã s¬ ®å thay thÕ nh­ sau: Tõ s¬ ®å thay thÕ ta cã : ie = ic + ib » ic ie = iR3 = Þ UC(t) = Ta thu ®­îc d¹ng r¨ng c­a tuyÕn tÝnh nh­ h×nh vÏ. c) M¹ch t¹o xung sö dông K§TT h×nh c, ®©y lµ s¬ ®å t¹o ®iÖn ¸p r¨ng c­a tuyÕn tÝnh hai nöa chu kú cã ®é æn ®Þnh vµ ®é tin cËy cao. ë kh©u nµy ta chän s¬ ®å c. III.3) Khâu so sánh: §Ó x¸c ®Þnh thêi ®iÓm më Thyristor ta cÇn so s¸nh 2 tÝn hiÖu lµ U®k vµ Utùa. ViÖc so s¸nh 2 tÝn hiÖu nµy th­êng ®­îc thùc hiÖn b»ng khuÕch ®¹i thuËt to¸n. a) So s¸nh 1 cöa: thêi ®iÓm lËt tr¹ng th¸i lµ lóc UN=UP =0 Ta cã: UN = UP = 0 b) So s¸nh 2 cöa: thêi ®iÓm lËt tr¹ng th¸i lµ lóc Utùa=U®k: Lóc Utùa > U®k th× DU = Utùa – U®k > 0 Þ Uss = +Uramax (Uramax). Lóc Utùa < U®k th× DU < 0 Þ Uss = -Uramax. Trong 2 s¬ ®å trªn th× s¬ ®å so s¸nh mét cöa dïng cho tÝn hiÖu kh¸c dÊu cßn s¬ ®å so s¸nh 2 cöa ®­îc dïng cho hai tÝn hiÖu cïng dÊu. Do ®ã ta sÏ sö dông s¬ ®å 1 - so s¸nh 2 cöa. Nguyên lý hoạt động cña so s¸nh 2 cöa nh­ sau: Đây là bộ so sánh đầu vào đảo Khi u2>udk à u3 = 0 Khi u2< udk à u3 =10 (V) = Umax Như vậy khi điều chỉnh udk ta sẽ điều chỉnh được góc γ tức điều chỉnh được độ rộng xung, từ đó ta cã thÓ ®iÒu chØnh được điện áp ra tải. Ta có quan hệ giữa γ > α nên muốn có dải điều chỉnh rộng ta phải giảm α nghĩa là giảm độ rộng xung ở khâu tạo dao động (u1). III.4) Khâu chọn van: Qua khâu so sánh ta đã thu được dạng xung vuông đã điều chỉnh độ rộng xung tương ứng với Udk Khâu chọn van có nhiệm vụ đưa xung và van để có thể điều khiển cả mạch lực hoạt động theo phương pháp điều khiển đã được lựa chọn . mà ở đây là khi có tín hiệu điều khiển quay thuận thì mạch logic cho phép xung u3 được đưa vào V1 điện áp nghịch đảo u3 được đưa vào V2 , tín hiệu điều khiển V2 có giá trị 0 điều khiển V1 có giá trị 1 để : V1 , V2 đóng mở ngược pha nhau . Mạch thực hiện nhiệm vụ đó như sau: III.5) Khâu tạo trễ: Như ở các phần trên ta đã phân tích thì các van thẳng hàng (V1 và V2, ) được đóng mở ngược pha nhau, để chống ngắn mạch do van này chưa kịp khóa mà van kia đã có lệnh mở thì ta phải thêm vào trước mỗi van một khâu tạo trễ. Sơ đồ và nguyên lí làm việc: uv5 Ur5 ttr γT T Thời gian trễ vào kho¶ng ttrÔ = 0,693R5.1.C5.1 Để mạch làm việc an toàn ta phải có ttr > toff của van thời gian này sẽ được tính toán sau khi chọn van mạch lực. III.6) Khâu khuếch đại xung: Mạch khuyếch đại xung nhận đầu vào là xung từ mạch điều khiển có biên độ nhỏ đầu ra là xung có cùng dạng nhưng biên độ lớn hơn để điều khiển các van IGBT tuy nhiên nó không chỉ làm nhiệm vụ khuếch đại mà còn phải cách li giữa mạch điều khiển và mạch lực. Biến áp xung có thể thực hiện cả hai nhiệm vụ đó đối với các xung có độ rộng nhỏ. Ở đây xung u3 có độ rộng thay đổi và khuyếch đại xung còn phải khuyếch đại tín hiệu liên tục để điều khiển van luôn đóng hoặc luôn mở, nên ta dùng tranzito BT để khuyếch đại xung , phần tử Opto-Isolator để cách li. Mạch cụ thể như sau: III.7) Khối phản hồi: Ở đây ta sẽ nhận tín hiệu phản hồi điện áp tải , so sánh với điện áp đặt ud ( tín hiệu điều chỉnh tốc độ) để hiệu chỉnh udk sao cho khi uph=ud thì udk=ud. Nếu vì một lí do nào đó (động cơ có tải thay đổi nhỏ ) điện áp ra động cơ tăng (uph tăng theo) ta phải giảm udk để giảm điện áp ra động cơ do đó ổn định được tốc độ động cơ. Sơ đồ mạch ở trang sau. Nguyªn lý ho¹t ®éng cña m¹ch nh­ sau: M¹ch ho¹t ®éng dùa trªn kh©u ph©n ¸p ®iÖn ¸p ®Æt lªn hai ®Çu ®éng c¬ vµ bé trõ dïng khuÕch ®¹i thuËt to¸n. Qua kh©u ph©n ¸p ta cã ®iÖn ¸p ph¶n håi Uph. Qua bé trõ ta cã ®iÖn ¸p ®Çu ra e = U® - Uph. Sau ®ã qua bé céng, ®iÖn ¸p ®Çu ra cña bé céng chÝnh lµ ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn: U®k = U® + e. Khi ®iÖn ¸p trªn t¶i t¨ngUph gi¶m e t¨ng U®k t¨ng ®iÖn ¸p trªn t¶i gi¶m ®i. Vậy ta có sơ đồ tổng thể m¹ch ®iÒu khiÓn nh­ sau: IV) TÝnh to¸n m¹ch ®iÒu khiÓn: 1) Khâu tạo dao động: Theo phân tích ở trên ta có T1=0,693C1.1 R1.1 T2=0,693C1.1 R1.2 Chu kỳ xung là: T=T1+T2=0,693C1.1 (R1.1+R1.2) Ở đây ta cần dãy xung vuông có tần số f=500Hz phù hợp với yêu cầu của tải động cơ . Dải điều chỉnh tốc độ là 15:1 à dải điều chỉnh điện áp vào khoãng 15:1 à γ = 1/15 ÷ 1 à α T=2ms , T1 =0,1ms Chọn C1.1=0,1mF => R1.1=1,44 kW ,R1..2 = 28,86-1,44=27,42 kW C1.2 dùng để lọc nhiễu chọn C1.2 =10nF R1.3 dùng để khóa chọn R1.3=2kΩ. 2) Khâu tạo xung răng cưa: - Víi DUD3 lµ ®iÖn ¸p r¬i trªn D3. Chän DUD3 = 0,5 (V). UdII= (E- 2)= 13 (V). §iÖn ¸p UIII chÝnh lµ ®iÖn ¸p trªn tô C1 Ur = UC = Ur = UC = - Diot æn ¸p DZ cã nhiÖm vô kh«ng cho ®iÖn ¸p trªn tô n¹p qu¸ UDZ. Chän lo¹i Diod cã UDZ = 10(V) NÕu gäi tn lµ thêi gian n¹p cña tô th× ta cã ph­¬ng tr×nh sau: UZ = (1) Khi UII >0 ® D3 kho¸ ® Ura = 0 ® tô C sÏ phãng ®iÖn vÒ ©m nguån cña OP2 Víi dßng ®iÖn phãng Ip = §iÖn ¸p trªn tô gi¶m dÇn theo hµm : Ur = UZp = Gäi t lµ thêi gian phãng cña tô ®iÖn ta cã : Ur = (2) víi UDZ =10(V) vµ chän tn=9,5(ms), t=0,5(ms), tõ (2) ta cã: Û Þ (R4 + Rx2)C1 = 14,25.10-3 (3) tõ (1) ta cã: . Thay (3) vµo (1) ta cã: Û Û R5C1 = 0,675.10-3 chän C7 = 0,47mF ® R5 = 1,43(KW) , chän R5 = 1,5(KW) tõ (3) chän R4 = 10(KW) ta cã: (10.103 + RX2) = 30,3(KW) ® RX2 = 20,3(KW) ® ®iÒu chØnh biÕn trë ®Ó cã RX2 = 20,3(KW) - Dßng qua Diod D3: I2’ = (mA) Chän linh kiÖn : OA2 : mA741 cã c¸c th«ng sè: Ung= ±3¸22(V); UnF= ±15 (V); UdF= ±30 (V); Ko=5.106; P1=100 (mW); [t]=55¸1250C; Ira=±25 (mA); En=±15 (V); Zra=60 W; Zvµo=300 KW; (V). D3 : D-1001 cã c¸c th«ng sè : I = 1A ; Ung = 200(V) ; DU = 0,5(V) 3) Khâu so sánh: Thực chất là bộ so sánh đảo dùng IC thuật toán R3.1,R3.2 là các điện trở hạn chế dòng vào IC Chọn điện trở của chúng là 1kΩ. IC thuật toán là μA741 4) Khâu chọn van: Trong khâu này ta sử dụng các cổng lôgic AND , NOT và RSFF. 5) Khâu tạo trễ: Thời gian trễ ttr = 0,693R5.1 C5.1 thời gian khóa IGBT là rất nhỏ IGBT có thể đóng mở với tần số trên 100kHz chỉ cần chọn R5.1=100Ω C5.1=0,1μF là có đủ thời gian trễ cần thiết. 6) Kh©u ph¶n h åi Kh©u ph¶n håi gåm kh©u ph©n ¸p, mét bé trõ vµ mét bé céng. - Kh©u ph©n ¸p : Chän Rp1 = Rp2 = 10 MW, chän R1.1 = 100(kW), R1.2 =1 (kW). - Bé trõ: ta chän R19=R20 = R21 =1(kW), ta cã: e=Ura = U® - Uph. - Bé céng: Ta chän R22 = R23 = R24 =R25 = 1(kW), ta cã: U®k = U® + e. Bảng trị số toàn bộ các phần tử và linh kiện được sử dụng Tên linh kiện Loại phần tử Các thông số T1àT4 IGBT IRGA125TS120U VCES 1200V – IC MAX 130A D1àD4 DIODE SKR130/04 UN 400V – ITB 130A R0 Điện trở 500Ω Rx0 2kΩ IC1.1 IC 555 R1.1 1,44kΩ R1.2 27,42kΩ R1.3 2kΩ C1.1 Tụ điện 0,1μF C1.2 10nF T2.1 JFET 2N5670 UCESmax 25V IDmax 20mA T2.2 NPN BT MPS6595 UCEmax 12V IEmax 50mA 1.5GHz R2.1 800Ω C2,1 1μF R3.1 ,R3.2 1kΩ IC3.1 IC tt μA741 IC4.1..IC4.6 IC AND 4081 IC4.7 IC4.8 IC NOT 7406 2 RSFF 4x R5.1 100Ω 4x C5.1 0,1μF 4x IC5.1 CMOS NAND 4093 4x IC5.2 CMOS AND 1081 4x IC6.1 OP 4N25 4xR6.1.1,2,3 1kΩ 4x R6.1.4 1kΩ 4x R6.1.5 5kΩ 4x T6.1 PNP BT BC308C IC7.1IC7.2 μA 741 R7.1…R7.5 1kΩ Rp1, Rp2 10 MΩ R1.1 100 kΩ R1.2 1 kΩ R19...R25 1kΩ Hướng phát triển của đồ án tập trung vào việc phát triển sơ đồ điều khiển - ứng dụng các tiến bộ của kĩ thuật mạch tích hợp điện tử, vi xử lí để thành lập hệ điều khiển số động cơ. Trong quá trình thực hiện đồ án nhóm thực hiện đã có tinh thần tự giác cao và nhận được sự hướng dẫn tận tình của TS.Võ Minh Chính. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy ! Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2004 Sinh viên L· Ngäc S¬n Tài liệu tham khảo Điện tử công suất Nguyễn Bính – nxb KHKT Điện tử công suất TS. Võ Minh Chính - NXB KHKT Phạm Quốc Hải Trần Trọng Minh Phân tích và giải mạch điện tử công suÊt Phạm Quốc Hải Dương Văn Nghi Bài giảng điện tử công suất của thầy Phạm Quốc Hải Truyền Động Điện ĐHBK HN