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

; T max T 2 U 1 e E I R R 1 e              trong đó L R   Độ nhấp nhô dòng điện: max minI I U UI (2 1)(1 ) d 2fL 16fL2          Điện áp trung bình đặt trên động cơ: T T2 d d 0 0 2 2 U u dt Udt 2 U (2 1)U T T          Dòng điện trung bình dd U E (2 1)U E I R R      Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các phần tử là V Dòng trung bình qua các van S1, S2: 1 d (2 1)U E I I R       Dòng trung bình qua các diot: 2 d (2 1)U E I (1 )I (1 ) R         Chế độ hãm tái sinh (0 0.5   ) 24 Trong khoảng 0 t T   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: di Ri L E dt   (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: t t min E i(t) (1 e ) I e R       (1) Trong khoảng T T t 2    , 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 di Ri L E U dt    . Giải phương trình trong khoảng xét ta được: (t T) ( t T) max E U i(t) (1 e ) I e R           (2) Điện áp trung bình đặt lên động cơ: dk1u du dk2u di dU dI 25 T 2 T 2 d d 0 T 2 2 U u dt ( U)dt (2 1)U T T         Dòng điện trung bình là: dd U ( E) E (1 2 )U I R R        Dòng trung bình qua các van S1, S2 là: 1 dI I  Dòng trung bình qua các diot D1, D2là: 2 dI (1 )I   Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các van là: ng.maxU U 2.2.6 Bộ Chopper lớp E §©y lµ bé b¨m xung mét chiÒu cã ®¶o chiÒu 1. Sơ đồ nguyên lý 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 nhu 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. Cã c¸c ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn kh¸c nhau nh­ : §iÒu khiÓn ®éc lËp,®iÒu khiÓn kh«ng ®èi xøng vµ ®iÒu khiÓn ®èi xøng . 2. Các phương pháp điều khiển a.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 cho ®éng c¬ quay thuËn cho S1,S2 dÉn ,S3,S4 nghØ . +Muèn cho ®éng c¬ quay nghÞch cho S1,S2 nghØ ,S3,S4 dÉn . 26 b. Phương pháp điều khiển không đối xứng Gi¶ sö ®éng c¬ quay theo chiÒu thuËn (®éng c¬ sÏ lµm viÖc ë gãc phÇn t­ thø 1vµ thø 2) t­¬ng øng víi cÆp van S1,S2 lµm viÖc ,S3 lu«n bÞ kho¸ ,S4 ®­îc ®ãng më ng­îc pha víi S1. Bé BXMC cã 3 tr¹ng th¸i lµm viÖc : Tr¹ng th¸i 1:  E>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 0 t1 . +Trong kho¶ng t1 T :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:  E<Et : §éng c¬ lµm viÖc ë gãc phÇn t­ thø 2 (chÕ ®é h·m) +Trong kho¶ng 0  t1 :§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 t1T :S4 dÉn ,dßng t¶i khÐp m¹ch qua §2 ,S4 (I§2=IS4=It) Tr¹ng th¸i 3:  E=Et : +Trong kho¶ng 0 t0: Et > E :§éng c¬ tr¶ n¨ng l­îng vÒ nguån qua §1 vµ §2 (I§1=I§2=It) +Trong kho¶ng t0 t1 : E>Et : §éng c¬ lµm viÖc ë chÕ ®é ®éng c¬ N¨ng l­îng tõ nguån qua S1 ,S2 cÊp cho ®éng c¬ +Trong kho¶ng t1  t2: 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 +Trong kho¶ng t2 T :Khi n¨ng l­îng dù tr÷ trong ®iÖn c¶m hÕt ,suÊt ®iÖn ®éng ®éng c¬ sÏ ®¶o chiÒu dßng ®iÖn vµ dßng t¶i sÏ khÐp m¹ch qua S4 ,§2 §Ó ®éng c¬ lµm viÖc theo chiÒu ng­îc l¹i ,luËt ®iÒu khiÓn c¸c van sÏ thay ®æi theo chiÒu ng­îc l¹i C¸c biÓu thøc tÝnh to¸n: +Gi¸ trÞ dßng trung b×nh qua t¶i Ta cã UEiR dt di L t t  .. Do ®ã dtU T dtE T dtiR Tdt di L T T t T o T tt T t    000 1 . 1 . 1 .. 1 R.It +E= U R EU It    +Dßng trung b×nh qua van )1.( ).1)(1( . 1 11 1 1 aT babU R L IS     Víi  t ea  1  0 1 t eb  Rót gän ta cã IS = It +Dßng trung b×nh qua §i«t 27 tD I R E a bbaLU I )1()1( 1 )1)(1.(. 1 1 111       +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 c.Phương pháp điều khiển đối xứng Cách 1: Điện áp ra đơn cực tính (Unipolar Voltage Switching) Nguyên tắc điều khiển Chu kì đóng cắt của các van bán dẫn là 2T; S1 dẫn trong khoảng 0 t 2 T   , S2 dẫn trong khoảng 2 T t 2T   ;S3 dẫn trong khoảng T t (1 )T    , và S4 dẫn trong khoảng (1 )T t 2T    . +Chế độ làm việc ở góc phần tư 1(1 0,5   ) 28 * Trong khoảng 1, S1 và S2 được kích dẫn, động cơ được nối với nguồn U, dòng phần ứng tăng. * Trong khoảng2, S2 tắt, S3 được kích dẫn, do phần ứng có tính chất điện cảm nên dòng qua phần ứng ngắn mạch qua S1 và D3. Lúc này điện áp đặt lên động cơ là 0, dòng trong động cơ giảm. * Trong khoảng 3, S2 lại được kích dẫn, S3 tắt, do đó động cơ được cấp điện áp U từ nguồn, dòng qua phần ứng tăng. dk1u dk2u t t t 0 0 dk3u dk4u du di dU dI t t t 1 2 S S 1 3 S D 1 2 S S 4 2 D S T T 29 * Trong khoảng 4, S4 được kích dẫn, S1 tắt, do đó dòng qua phần ứng khép mạch qua S2 và D4, dòng qua phần ứng giảm do ngược chiều suất điện động E. Tính các thông số trong mạch Khảo sát trong một chu kì biến thiên T của dòng điện phần ứng. Trong khoảng 0 t T(2 1)    động cơ được nối với nguồn qua S1, S4; dòng qua phần ứng tăng từ minI tới maxI , ta có: di Ri L E U dt    . Giải phương trình trong khoảng xét ta được: t t min U E i(t) .(1 e ) I e R         Do đó T T max min U E I .(1 e ) I e R         với 2 1    . Trong khoảng (2 1)T t 2T    , động cơ được ngắn mạch qua S1 và D3,điện áp đặt lên động cơ là 0, dòng phần ứng giảm từ maxI tới minI ,ta có di Ri L E 0 dt    . Giải phương trình trên ta được: ( t T) ( t T) max E i(t) (1 e ) I e R          Do đó ( 1)T ( 1)T min max E I (1 e ) I e R        Giải ra ta được: T min T U e 1 E I R Re 1           ; T max T U 1 e E I R R1 e            trong đó L R   Độ nhấp nhô dòng điện: T T (1 )T max min d T I I U 1 e e e I 2 2R e 1                  Do 1  T nên sử dụng công thức tính gần đúng 2 x xe 1 x 2    ta được d VT ΔI (1 ) 2L     dmax U ΔI 16fL  . Điện áp trung bình trên động cơ: TT d d 0 0 1 1 U u dt Udt T T T       Dòng điện trung bình: dd U E U E (2 1)U E I R R R         Dòng điện trung bình qua S1, S4 là 1 dI I  30 Dòng điện trung bình qua D2, D3 là 2 dI (1 )I   +Chế độ làm việc ở góc phần tư 2( 0,5  ). Để chuyển từ chế độ động cơ sang chế độ hãm tái sinh bằng cách sthay đổi chiều dòng điện tức là U E (2 1)U EdI 0 d R R       tức là giảm γ hoặc tăng E.Để quá trình điều khiển được đơn giản ta chọn phương pháp giảm γ gần tới 0,5 mà do tính quán tính của động cơ nên E biến đổi chậm, do đó dI 0 , dòng qua phần ứng đổi chiều. dk1u dk2u t t t 0 0 dk3u dk4u du di dU dI t t t 1 2 D D 1 3 D S 1 2 D D 2 4 D S T T 31 * Trong khoảng 1: S1 và S3 nhận tín hiệu điều khiến, sức điện động sinh ra dòng điện chảy qua D1 và S3. Trong khoảng này, dòng qua phần ứng tăng và tích lũy năng lượng trong điện kháng mạch phần ứng. * Trong khoảng 2: S3 tắt, S1 và S4 được kích dẫn, do tính chất điện kháng nên dòng qua phần ứng sẽ qua D1, U và D4, năng lượng được đưa trả về nguồn, dòng qua phần ứng giảm. * Trong khoảng 3: S1 tắt, S2 và S4 được kích dẫn, khi đó dòng qua phần ứng khép mạch qua S2 và D4, dòng qua phần ứng tăng. * Trong khoảng 4: S1 và S4 được kích dẫn, S2 tắt,dòng phần ứng chảy qua D1, U và D4,năng lượng phần ứng trả về nguồn, dòng qua phần ứng giảm. Chế độ làm việc của động cơ ở các góc phần tư 3 và 4 ứng với 0 0,5   . Cách 2: Điện áp ra đảo cực tính (Bipolar Voltage Switching) Nguyên tắc điều khiển 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. Biểu đồ dạng sóng dòng, áp trên tải 32 t t t t t t Stu dkU dk1u dk2u du di dI dU di dI D ,D 1 2 S ,S 1 2 D 3 D 4 S3 S 4 D ,D 1 2 S ,S 1 2 D 3 D 4 S 3 S 4 1 2 3 4 T T 33 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 0 t T   , S1 và S2 dẫn hoặc khi D1 và D2 dẫn thì điện áp đặt lên động cơ là U,ta có phương trình: dd di U E Ri L dt    . Giải phương trình bằng phương pháp toán tử Laplace với sơ kiện đầu mini(0) I Ta có: t t min U E i(t) .(1 e ) I .e R         trong đó L R   . Trong khoảng T T    , S3 và S4 dẫn hoặc D3 và D4 dẫn, điện áp đặt lên động cơ là -U ta có: di Ri L E U dt     . Giải bằng phương pháp toán tử Laplace: (t T) (t T) max (E U) i(t) (1 e ) I e R            T min T 2U e 1 U E I R Re 1            T max T 2U 1 e U E I R R1 e             Điện áp trung bình trên động cơ 34 +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:  d 1 U T U (T T) ( U) (2 1)U T            -Dòng điện trung bình qua động cơ là: dd U E (2 1)U E I R R       -Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các Diode là Dng.maxU U -Gi¸ trÞ dßng trung b×nh qua t¶i lµ )12( U E R U It   -Dßng trung b×nh qua §i«t :     T D R E R U a bab TR U dtti T I 0 1 11 1 1 )1()1( 1 )1)(1(.2 )( 1   tI U E R U R EU R U )1()12()1()1( )1(..2        (Sö dông khai triÓn hµm ex theo khai triÓn Maclaurin ) -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 +Ta thÊy 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¬ II.3 Kết luận II.3.1 Chọn mạch lực Qua các mạch phân tích ở trên ta thấy để phù hợp đảo chiều động cơ (một cách chủ động) ta chọn bộ chopper lớp E (cầu BXDC), mạch này cho phép năng lượng đi theo 2 chiều Ud, Id có thể đảo chiều một cách độc lập. Hơn nữa mạch này rất thông dụng (dùng trong DC-DC, DC-AC converter) do đó việc tìm mua các phần tử cũng dễ dàng hơn II.3.2 Chọn phương pháp điều khiển Trong mạch này ta chọn cách điều khiển đối xứng cách 2 sẽ cho mạch điều khiển đơn giản hơn. Mặt khác cách điều khiển này cho phép chúng ta đảo chiều động cơ dễ dàng do khi đảo chiều (chuyển chế độ làm việc) ta chỉ việc điều chỉnh  II.3.3 Chọn van bán dẫn Trong sơ đồ chopper lớp E ta chọn van bán dẫn là IGBT vì: 35 - IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu quá tải lớn của transistor thường, tần số băm điện áp cao thì làm cho động cơ chạy êm hơn - Công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ nên làm cho đơn giản đáng kể thiết kế của các bộ biến đổi và làm cho kích thước hệ thống điều khiển nhỏ ,hơn nữa nó cũng làm tiết kiệm năng luợng (điều khiển) - IGBT là phần tử đóng cắt với dòng áp lớn, nó đang dần thay thế transistor BJT nó ngày càng thông dụng hơn do đó việc mua thiết bị cũng đơn giản hơn.Cùng với sự phát triển của IGBT thì các IC chuyên dụng điều khiển chúng (IGBT Driver) ngày càng phát triển và hoàn thiện do đó việc điều khiển cũng chuẩn xác và việc thiết kế các mạch điều khiển cũng đơn giản, gọn nhẹ. Chương 4 Thiết kế mạch điều khiển là minh chứng cho điều này Chương III THIẾT KẾ MẠCH LỰC Sơ đồ mạch lực như sau: 36 Chọn tần số băm xung f = 500 Hz III.1. Tính toán chọn van III.1.1 Chọn Diode công suất Qua phân tích các mạch lực trên ta thấy: +Dòng điện trung bình chạy qua Diode ID = (1- )It Với giá trị dòng điện định mức động cơ là Itđm =6(A) Chọn chế độ làm mát là van có cánh toả nhiệt với đủ diện tích bề mặt và có quạt thông gió, khi đó dòng điện làm việc cho phép chạy qua van lên tới 50 % v dmI . Lúc đó dòng điện qua van cần chọn : Iđmv = ki Imax =6/0.5=12(A) Qua các biểu đồ ta thấy :Điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi Diode (bỏ qua sụt áp trên các van ) là Ungmax=E=400(V) Chọn hệ số quá điện áp ku = 2.5  Ungv =ku.Ungmax = 2.5*400=1000(V). Từ hai thông số trên ta chọn 4 Diode loại CR20-100 với các thông số sau : Ký hiÖu Imax(A) Un(V) Ith(A) Ir(A) Tcp(A) U(V) 1N2455R 20 1000 20 10uA 200 1.1 Trong đó : Imax :dòng điện làm việc cực đại cho phép qua van Ungv : điện áp ngược cực đại cho phép đặt lên van Ipik : đỉnh xung dòng điện ΔU :tổn hao điện áp ở trạng thái mở của Diode 37 Ith : dòng điện thử cực đại Ir :dòng điện rò ở nhiệt độ 25 0 C Tcp : nhiệt độ cho phép làm việc. III.1.2 Chọn các van bán dẫn Xuất phát từ yêu cầu về công nghệ ta phải chọn van bán dẫn là loại van điều khiển hoàn toàn là IGBT. +Tính dòng trung bình chạy qua van: Qua phân tích các mạch lực trên ta thấy: Dòng điện trung bình chạy qua van lµ : IS = It Với giá trị dòng điện định mức động cơ là Itđm =6(A) + Chọn chế độ làm mát là van có cánh toả nhiệt với đủ diện tích bề mặt và có quạt thông gió, khi đó dòng điện làm việc cho phép chạy qua van lên tới 50 % v dmI . Lúc đó dòng điện qua van cần chọn : Iđmv = ki Imax =6/0.5=12(A) Qua các biểu đồ ta thấy :Điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi Diode (bỏ qua sụt áp trên các van ) là Ungmax=E=400(V) Chọn hệ số quá điện áp ku = 2.5  Ungv =ku.Ungmax = 2.5*400=1000(V). Từ các tính toán trên ta chọn 4 van IGBT …có các thông số sau: Chủng loại Nhà sản xuất Loại vỏ(chân) Icmax A Vce Pd max(W ) Vce(sat Ices A Internal Diode IRG4PH30 K IR TO247(A) 20,00 120 0,00 100,00 4,00 250,00 No IV.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=400 (V) +Dßng ®iÖn ®Þnh møc phÇn øng ®éng c¬ I®m=6(A) 1.TÝnh to¸n m¸y biÕn ¸p chØnh l­u . 38 +)Chän m¸y biÕn ¸p 3 pha 3 trô s¬ ®å ®Êu d©y /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 2 §i«t kho¶ng 2V +)TÝnh c¸c th«ng sè c¬ b¶n : 1-TÝnh c«ng suÊt biÓu kiÕn cña M¸y biÕn ¸p : S = Ks . Pd 2-§iÖn ¸p pha s¬ cÊp m¸y biÕn ¸p : Up =127 (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 =Ud +2. Uv +Udn + Uba Trong ®ã : 2.Uv =2 (V) lµ sôt ¸p trªn 2 §i«t m¾c nèi tiÕp Udn 0 lµ sôt ¸p trªn d©y nèi Uba = Ur + Ux lµ sôt ¸p trªn ®iÖn trë vµ ®iÖn kh¸ng m¸y biÕn ¸p . Chän s¬ bé : Uba =6 .Ud =6 .400 = 24.0 (V) Tõ ph­¬ng tr×nh c©n b»ng ®iÖn ¸p khi cã t¶i ta cã : Ud0 = 1 .2.2 badnvd UUU  =400+2+0+24.0 =424.0 (V) §iÖn ¸p pha thø cÊp pha m¸y biÕn ¸p : U2= u d k U =424.0/2.34=181.2 (V) 4-Dßng ®iÖn hiÖu dông thø cÊp cña m¸y biÕn ¸p : 39 I2 = Id. 3 2 = 6. 3 2 = 4.90 (A) 5-Dßng ®iÖn hiÖu dông s¬ cÊp m¸y biÕn ¸p : I1 = KbaI2 = 1 2 U U .I2 = 127 2.181 . 4.90 = 6.99 (A) *)TÝnh s¬ bé m¹ch tõ (X¸c ®Þnh kÝch th­íc b¶n m¹ch tõ) 6-TiÕt diÖn s¬ bé trô . QFe =kQ . fm Sba . Trong ®ã : kQ lµ hÖ sè phô thuéc ph­¬ng thøc lµm m¸t ,lÊy kQ = 6 . m lµ sè trô cña m¸y biÕn ¸p f lµ tÇn sè xoay chiÒu , ë ®©y f = 50 (Hz) Ta cã c«ng suÊt biÓu kiÕn cña m¸y biÕn ¸p lµ : S2= 3.U2.I2=3.181,2.4,90=2664(VA) S1=3.U1.I1=3.127.6,99=2664(VA) )(2664 2 26642664 2 21 VA SS Sba      Thay sè ta ®­îc : QFe=6 . 50.3 2664 =25,29(cm2) 7-§­ßng kÝnh trô : d =  eF Q.4 =  29,25.4 = 5,67 (cm) ChuÈn ho¸ ®­êng kÝnh trô theo tiªu chuÈn d = 6 (cm) 8-Chän lo¹i thÐp 330 c¸c l¸ thÐp cã ®é dµy 0,5 mm Chän mËt ®é tõ c¶m trong trô Bt =1 (T) 9-Chän tû sè m= d h = 2,3 , suy ra h = 2,3 . d = 2,3.6 = 13,8 (cm) Ta chän chiÒu cao trô lµ 14( cm) *)TÝnh to¸n d©y quÊn . 10- Sè vßng d©y mçi pha s¬ cÊp m¸y biÕn ¸p . W1= TFe BQf U ...44,4 1 = 0,1.10.29,25.50.44,4 117 4 = 208 (vßng) 11- Sè vßng d©y mçi pha thø cÊp m¸y biÕn ¸p : 40 W2 = 1 2 U U .W1= 127 2,181 .208 = 297 (vßng) 12- Chän s¬ bé mËt ®é dßng ®iÖn trong m¸y biÕn ¸p . Víi d©y dÉn b»ng ®ång ,m¸y biÕn ¸p kh« ,chän J1= J2= 2 (A/mm 2) 13- TiÕt diÖn d©y dÉn s¬ cÊp m¸y biÕn ¸p . S1 = 1 1 J I = 2 99.6 = 3.50 (mm2) Chän d©y dÉn tiÕt diÖn h×nh ch÷ nhËt ,c¸ch ®iÖn cÊp B . ChuÈn ho¸ tiÕt diÖn theo tiªu chuÈn : S1 = 3.56 (mm 2) KÝch th­íc d©y dÉn cã kÓ c¸ch ®iÖn S1c® = a1.b1= 1,45.2,63 =3.81(mm x mm) 14- TÝnh l¹i mËt ®é dßng ®iÖnk trong cuén s¬ cÊp . J1= 1 1 S I = 56,3 99,6 = 1,96 (A/mm2) 15- TiÕt diÖn d©y dÉn thø cÊp cña m¸y biÕn ¸p . S2 = 2 2 J I = 2 90,4 = 2.45 (mm2) Chän d©y dÉn tiÕt diÖn h×nh ch÷ nhËt ,c¸ch ®iÖn cÊp B . ChuÈn ho¸ tiÕt diÖn theo tiªu chuÈn : S2= 2,43 (mm 2) KÝch th­íc d©y dÉn cã kÓ c¸ch ®iÖn : S2c® = a2.b2 = 1,08.2,44=2,64 (mm x mm) 16- TÝnh l¹i mËt ®é dßng ®iÖn trong cuén thø cÊp . J2= 2 2 S I = 43,2 09,4 =1,68 (A/mm2) *)KÕt cÊu d©y dÉn s¬ cÊp : Thùc hiÖn d©y quÊn kiÓu ®ång t©m bè trÝ theo chiÒu däc trôc 18- TÝnh s¬ bé sè vßng d©y tren mét líp cña cuén s¬ cÊp . W11= 1 .2 b hh g . kc= 263,0 5,1.214  .0,95 = 40 (vßng) Trong ®ã : kc= 0,95 lµ hÖ sè Ðp chÆt . h lµ chiÒu cao trô . hg lµ kho¶ng c¸ch tõ g«ng ®Õn cuén d©y s¬ cÊp . Chän s¬ bé kho¶ng c¸ch c¸ch ®iÖn g«ng lµ 1,5 cm . 19- TÝnh s¬ bé sè líp d©y ë cuén s¬ cÊp : 41 n11= 11 1 W W = 40 208 =5.2 (líp) 20- Chän sè líp n11=6 líp .5 líp x 40 vßng vµ 1 líp x 8 vßng 21- ChiÒu cao thùc tÕ cña cuén s¬ cÊp : h1= ck bW .11 = 95,0 263,0.40 = 11,07 (cm) 22- Chän èng quÊn d©y lµm b»ng vËt liÖu c¸ch ®iÖn cã bÒ dÇy : S01= 0,1 cm. 23- Kho¶ng c¸ch tõ trô tíi cuén d©y s¬ cÊp a01= 1,0 cm . 24- §­êng kÝnh trong cña èng c¸ch ®iÖn . Dt= dFe + 2.a01- 2.S01 =6+ 2.1 - 2.0,1 = 7,8 (cm) 25- §­êng kÝnh trong cña cuén s¬ cÊp . Dt1= Dt + 2.S01=7,8 + 2.0,1= 8 (cm) 26- Chän bÒ dÇy gi÷a hai líp d©y ë cuén s¬ cÊp : cd11= 0,1 mm 27- BÒ dÇy cuén s¬ cÊp . Bd1= (a1+cd11).n11= (0,145 + 0,1).6 = 1,47 (cm) 28- §­êng kÝnh ngoµi cña cuén s¬ cÊp . Dn1= Dt1+2.Bd1=8 + 2.1,47= 10,94 (cm) 29- §­êng kÝnh trung b×nh cña cuén s¬ cÊp . Dtb1= 2 11 nt DD  = 2 94,108  = 9,47 (cm) 30- ChiÒu dµi d©y quÊn s¬ cÊp . l1 = W1..Dtb= .208.9,47 =6188,2 (cm) 31- Chän bÒ dµy c¸ch ®iÖn gi÷a cuén s¬ cÊp vµ thø cÊp :cd01= 1,0 cm *) KÕt cÊu d©y quÊn thø cÊp . 32- Chän s¬ bé chiÒu cao cuén thø cÊp . h1= h2 = 11,07 (cm) 33- TÝnh s¬ bé sè vßng d©y trªn mét líp . W12= ck b h 2 2 = 95,0 244,0 07,11 = 43.1(vßng) 34- TÝnh s¬ bé sè líp d©y quÊn thø cÊp . n12= 12 2 W W = 1.43 297 = 6,89 (líp) 35- Chän sè líp d©y quÊn thø cÊp n12= 7 líp .Chän 6 líp x 43vßng vµ 1líp x 39 vßng. 36- ChiÒu cao thùc tÕ cña cuén thø cÊp 42 h2= b k W c .12 = 244,0. 95,0 43 = 11,04 (cm) 37- §­êng kÝnh trong cña cuén thø cÊp. Dt2 = Dn1+ 2.a12 = 10,94 + 2.1 = 12,94 (cm) 38- Chän bÒ dÇy c¸ch ®iÖn gi÷a c¸c líp d©y ë cuén thø cÊp : cd22= 0,1 (mm) 39- BÒ dÇy cuén thø cÊp . Bd2 = (a2+cd22).n12 = (0,108 + 0,01).7= 0,826 (cm) 40- §­êng kÝnh ngoµi cña cuén thø cÊp . Dn2= Dt2+ 2.Bd2= 12,94 + 2.0,826 =14,59 (cm) 41- §­êng kÝnh trung b×nh cña cuén thø cÊp . Dtb2= 2 22 nt DD  = 2 59,1494,12  = 13,77 (cm) 42- ChiÒu dµi d©y quÊn thø cÊp . l2 = .W2.Dtb2 = .297.13,77 = 12848 (cm) 43- §­êng kÝnh trung b×nh c¸c cuén d©y . D12= 2 21 nt DD  = 2 59,148  =11,3 (cm)  r12= 2 12D = 5,65 (cm) 44- Chän kho¶ng c¸ch gi÷a hai cuén thø cÊp :a22= 2 (cm) *)TÝnh kÝch th­íc m¹ch tõ . 45- Víi ®­êng kÝnh trô d= 6 cm ,ta cã sè bËc lµ 3 trong nöa tiÕt diÖn trô . 46- Toµn bé tiÕt diÖn bËc thang cña trô . Qbt= 2.(1,6.5,5+1,1.4,5+0,7.3,5) = 32,4 (cm 2) 47- TiÕt diÖn hiÖu qu¶ cña trô . QT= khq.Qbt = 0,95.32,4 = 30,78 (cm 2) 48- Tæng chiÒu dµy c¸c bËc thang cña trô . dt = 2.(1,6+1,1+0,7)= 6,8 (cm) 49- Sè l¸ thÐp dïng trong c¸c bËc . BËc 1 n1= 2. 5,0 16 = 64 l¸ BËc 2 n2= 2. 5,0 11 = 44 l¸ BËc 3 n3= 2. 5,0 7 = 28 l¸ 43 *)§Ó ®¬n gi¶n trong viÖc chÕ t¹o g«ng tõ ,ta chän g«ng cã tiÕt diÖn h×nh ch÷ nhËt cã c¸c kÝch th­íc sau . ChiÒu dµy cña g«ng b»ng chiÒu dµy cña trô : b = dt = 6,8 cm ChiÒu cao cña g«ng b»ng chiÒu réng tËp l¸ thÐp thø nhÊt cña trô : a = 5,5 cm TiÕt diÖn g«ng Qbg= a x b = 37,4 (cm 2) 50- TiÕt diÖn hiÖu qu¶ cña g«ng . Qg= khq.Qbg = 0,95 .37,4 = 35,53 (cm 2) 51- Sè l¸ thÐp dïng trong mét g«ng . hg = 5,0 b = 5,0 68 = 136 (l¸) 52- TÝnh chÝnh x¸c mËt ®é tõ c¶m trong trô . BT = TQWf U ...44,4 1 1 = 410.78,30.208.50.44,4 127  = 0,8935 (T) 53- MËt ®é tõ c¶m trong g«ng . Bg = BT. g T Q Q = 0,8935 . 53,35 78,30 = 0,774(T) 54- ChiÒu réng cöa sæ . c= 2.(a01+Bd1+a12+Bd2) + a22 = 2.(1+1,47+1+0,826) + 2 = 10,6 (cm) 55- TÝnh kho¶ng c¸ch gi÷a hai t©m trôc . c’ = c+d = 10,6 + 6 = 16,6 (cm) 56- ChiÒu réng m¹ch tõ . L= 2.c +3.d = 2.10,6 + 3.6 = 39,2 (cm) 57- ChiÒu cao m¹ch tõ . H = h + 2.a = 14 + 2.5,5 = 25 (cm) *) TÝnh khèi l­îng cña s¾t vµ ®ång . 58- ThÓ tÝch cña trô . VT = 3.QT.h = 3.30,78.14 =1292,76 (cm 3) 59- ThÓ tÝch cña g«ng . Vg = 2.Qg.L = 2.35,53.39,2 = 2785,55 (cm 3) 60- Khèi l­îng cña trô . MT= VT . mFe = 1,29276 . 7,85 = 10,15 (Kg) 61- Khèi l­îng cña g«ng . Mg = Vg . mFe = 2,7856.7,85 = 21,87 (Kg) 62- Khèi l­îng cña s¾t . MFe= MT+Mg = 10,15+ 21,87= 32,02 (Kg) 44 63- ThÓ tÝch ®ång . VCu = 3.(S1.L1 + S2.L2) = 3.(3,56.10 -4.618,82+ 2,43.10-4.1284,8) = 1,563 (dm3) 64- Khèi l­îng cña ®ång . MCu = VCu . mCu = 1,563.8,9 =13,91 (Kg) *) TÝnh c¸c th«ng sè cña m¸y biÕn ¸p . 65- §iÖn trë cña cuén s¬ cÊp m¸y biÕn ¸p ë 75 0 C . R1= . 1 1 S l = 0,02133. 56,3 882,61 = 0,371 () Trong ®ã 75 = 0,02133 () 66- §iÖn trë cuén thø cÊp m¸y biÕn ¸p ë 750C . R2= . 2 2 S l = 0,02133. 43,2 48,128 = 1,128 () 67- §iÖn trë cña m¸y biÕn ¸p qui ®æi vÒ thø cÊp . RBA = R2 + R1 2 1 2       W W =1,128+ 0,371 2 208 297       =1,88 () 68- Sôt ¸p trªn ®iÖn trë m¸y biÕn ¸p . Ur = RBA.Id = 1,88 . 6 = 11,28 (V) 69- §iÖn kh¸ng m¸y biÕn ¸p qui ®æi vÒ thø cÊp . XBA= 8 . 2.(W)2.                 3 . 2112 dd qd BB a h r ..10-7 = 8 .2.2972.                 3 826.047,1 01,0. 07,11 6,47 . 10-2.314.10-7 = 0,991 () 70- §iÖn c¶m m¸y biÕn ¸p qui ®æi vÒ thø cÊp . LBA =  BAX = 314 991,0 = 0,00316 (H) = 3,16 (mH) 71- Sôt ¸p trªn ®iÖn kh¸ng m¸y biÕn ¸p . Ux =  3 XBA.Id =  3 0,991.6 = 5,68 (V) Rdt =  3 .XBA = 0,95 () 72- Sôt ¸p trªn m¸y biÕn ¸p . 45 UBA= 22 xr UU  = 22 68,511,28  =12,63 (V) 73- Tæng trë ng¾n m¹ch qui ®æi vÒ thø cÊp . ZBA = 22 BABA XR  = 22 991,01,88  = 2,13 () 74- Tæn hao ng¾n m¹ch trong m¸y biÕn ¸p . Pn = 3.RBA .I 2 = 3.1,88.4,902 = 135,42(W) I:dßng ®iÖn thø cÊp biÕn ¸p P% = S Pn .100 = 2664 42,135 .100 = 5,08 % 75- §iÖn ¸p ng¾n m¹ch t¸c dông . Unr= 2 2. U IRBA .100 = 2,181 90,4.88,1 .100 = 5,08 % 76- §iÖn ¸p ng¾n m¹ch ph¶n kh¸ng . Unx = 2 2. U IxBA .100 = 2,181 90,4.91,0 .100 =2,46 % 77- §iÖn ¸p ng¾n m¹ch phÇn tr¨m . Un= 22 nxnr UU  = 22 46,208,5  = 5,64(%) 78- Dßng ®iÖn ng¾n m¹ch x¸c lËp . I2nm= BAZ U2 = 13,2 2,181 = 85,07 (A) 79- HiÖu suÊt thiÕt bÞ chØnh l­u .  = S IU dd . = 2664 6.400 = 90,1 % 2.TÝnh chän Diode : 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 Diode ph¶i chÞu : Unmax=Knv.U2 =Knv . u d K U = 3  .400 = 418,88 (V). Trong ®ã : Knv = 6 Ku=  6.3 §iÖn ¸p ng­îc cña van cÇn chän : Unv = KdtU . Un max =2,5 . 418,88 = 1047,20 Trong ®ã : 46 KdtU - hÖ sè dù tr÷ ®iÖn ¸p ,chän KdtU =2,5 . +) Dßng lµm viÖc cña van ®­îc tÝnh theo dßng hiÖu dông : Ilv = Ihd = Khd .Id = 3 dI = 3 6 =3,46 (A) (Do trong s¬ ®å cÇu 3 pha ,hÖ sè dßng hiÖu dông :Khd = 3 1 ) . 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 .3,46 = 11,07 (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 Diode lo¹i SKR20/12 do nhµ s¶n xuÊt IR s¶n xuÊt cã c¸c th«ng sè sau : §iÖn ¸p ng­îc cùc ®¹i cña van : Un = 1200 (V) Dßng ®iÖn ®Þnh møc cña van : I®m =20 (A) Dßng ®iÖn thö cùc ®¹i : Ith =60 (A) Dßng ®iÖn rß : Ir =4 (mA) Sôt ¸p lín nhÊt cña Diode ë tr¹ng th¸i dÉn lµ : U = 1,55 (V) NhiÖt ®é lµm viÖc cùc ®¹i cho phÐp :Tmax=180 oC Ch­¬ng IV: ThiÕt kÕ m¹ch ®iÒu khiÓn IV.1. Yªu cÇu chung cña m¹ch ®iÒu khiÓn Mạch điều khiển điều khiển băm xung áp một chiều cần được xây dựng theo các nguyên tắc và yêu cầu sau:  Tạo được xung mở IGBT có biên độ điện áp là +15V, độ rộng theo yêu cầu điều khiển.  Tạo được xung khóa IGBT có biên độ điện áp là -5V, độ rộng theo yêu cầu.  Tạo được 2 kênh điều khiển 2 nhóm van IGBT theo luật điều khiển đối xứng.  Đảm bảo phạm vi điều chỉnh γ của các IGBT tương ứng với phạm vi thay đổi tốc độ của PMDM là 25:1.  Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt.  Đảm bảo các van đóng, mở an toàn tức là nhóm van này khóa chắc chắn thì nhóm van còn lại mới được mở.  Tần số làm việc của mạch điều khiển là 2kHz 47 Sơ đồ khối mạch điều khiển: IV.2.Nguyªn lý cña m¹ch ®iÒu khiÓn - Khâu tạo điện áp tam giác sẽ cho ta một điện áp tựa có dạng tam giác thuận tiện cho khâu so sánh tiếp theo. Khâu tạo điện áp tựa này thực chất bao gồm 2 khâu là khâu phát xung đồng bộ và khâu tạo xung răng cưa (dạng tam giác). Khâu này sẽ quyết định luôn tần số điều khiển các IGBT. Sở dĩ ta chọn điện áp tựa dạng này là vì có 2 ưu điểm sau: » Đảm bảo an toàn cho việc đóng mở các van bán dẫn. Với 2 điện áp điều khiển lệch nhau cỡ 0.2V đưa vào 2 mạch so sánh tương ứng 2 kênh điều khiển 2 nhóm IGBT ta có thể tin tưởng rằng trong toàn bộ quá trình hoạt động, nhóm van này khóa chắc chắn thì nhóm van còn lại mới được phát xung mở. Giải pháp này ưu điểm hơn cách sử dụng khâu trễ để đảm bảo an toàn cho các van bán dẫn. » Điện áp tựa dạng tam giác gồm cả miền âm lẫn miền dương cho phép ta đảo chiều động cơ đơn giản bằng cách đảo dấu điện áp điều khiển đưa vào mạch so sánh. - Điện áp tựa được đưa vào các bộ so sánh (Comparator) cùng với điện áp điều khiển để thu được điện áp dạng xung ±Ubh thích hợp với các kênh điều khiển mà luật đóng mở và luật điều khiển đối xứng đặt ra. Để đảm bảo phạm vi điều chỉnh tốc độ là 25:1 ta cần đưa điện áp điều khiển vào với biên độ biến thiên 25 lần. Công việc này được thực hiện nhờ bộ ổn áp dùng IC LM317. Ở đây ta cần dùng 2 bộ ổn áp LM317 để đưa vào 2 điện áp điều khiển chênh lệch nhau cỡ 0.2V. Tạo điện áp tam giác So sánh Phân kênh Tạo xung chùm Khuếch đại xung chùm Biến áp xung Cực điều khiển IGBT Khâu tạo điện áp điêu khiển 48 - Việc đảo chiều quay động cơ đựợc thực hiện nhờ bộ đảo dấu điện áp điều khiển. Nguyên lý của bộ đảo dấu này thực chất là mạch tổ hợp tuyến tính một thành phần dùng khuếch thuật toán. - Ta sử dụng phương pháp cách ly từ để cách ly mạch lực và mạch điều khiển bằng biến áp xung. Tuy nhiên do tính chất vi phân của máy biến áp nên không cho phép truyền các xung rộng vài ms. Chính vì tính chất này mà người ta phải truyền xung rộng dưới dạng xung chùm để biến áp xung hoạt động được bình thường. Nguyên tắc ở đây là tín hiệu (hay xung có độ rộng cỡ ms) sau bộ so sánh đi ra được coi là các tín hiệu cho phép hay cấm xung chùm với tần số cao đi vào BAX. Để làm như vậy ta sẽ dùng các phần tử logic AND. - Xung chùm được tạo ra bởi Khâu tạo xung chùm với tần số 20 kHz, sau khi được trộn với điện áp so sánh sẽ có dạng các chùm xung đi ra từ mạch logic với công suất nhỏ. Do đó để đảm bảo mở được các van lực nó phải đi qua Khâu khuếch đại xung. Khâu khuếch đại xung phổ biến nhất và cũng được sử dụng trong đồ án này là phương pháp dùng tầng khuếch đại Dalinton. Khâu tạo điện áp tam giác: Để mạch điều khiển hoạt động tốt với luật điều khiển đối xứng ta chọn phương pháp tạo điện áp tựa là điện áp tam giác bằng tích phân sóng vuông. Sơ đồ: Giải thích nguyên tắc hoạt động: Khuếch thuật toán U1 có hồi tiếp dương bằng điện trở R1, đầu ra có trị số điện áp bão hòa và dấu phụ thuộc hiệu điện áp hai cổng (+) và (-) . Đầu vào (+) có 2 49 tín hiệu, một tín hiệu không đổi lấy từ đầu ra của U1, một tín hiệu biến thiên lấy từ đầu ra của khuếch thuật toán U2. Điện áp chuẩn so sánh để quyết định đổi dấu điện áp ra của U1 là trung tính vào (-). Giả sử đầu ra của U1 âm, khuếch thuật toán U2 tích phân đảo dấu cho điện áp có sườn đi lên của điện áp tựa. Điện áp vào của (+) lấy từ R1 và R2, hai điện áp này trái dấu nhau. Điện áp vào qua R2 biến thiên theo đường nạp của tụ, còn điện áp vào qua R1 không đổi, tới khi nào U(+) = 0 thì đầu ra của U1 đổi dấu thành dương. Chu kỳ điện áp của U1 cứ luân phiên đổi dấu như vậy cho ta điện áp tựa như có dạng tam giác như hình vẽ. Tần số của điện áp tựa được tính dựa vào công thức sau: 1 2 13 ...4 1 R R CR f  Do tần số làm việc yêu cầu của mạch điều khiển là 2kHz nên tần số làm việc của mạch tạo xung tam giác cũng phải là 2 kHz. Điều đó làm nảy sinh vấn đề là khuếch thuật toán không thể chọn loại bình thường mà ta phải chọn loại có tốc độ làm việc nhanh. Tính toán: - Chọn khuếch thuật toán là loại IC LM318 có tốc độ làm việc nhanh. - Để tần số làm việc là 2 kHz ta chọn: R1=R2=0.47kΩ R2=4.7kΩ → C1=0.0266μF Chú thích về IC LM318: Ta chọn IC LM318 của hãng Texas Instrument với data sheet tóm tắt như sau: - Sơ đồ chân: - Ký hiệu khuếch thuật toán tương ứng với chân của IC: 50 - Thông số cơ bản: Nguồn cung cấp (Vcc) ± 20V Dải thông 15 MHz Slew rate 70 V/μs Khâu tạo điện áp điều khiển: Sơ đồ: Ui R2 10k 10% IN COM OUT LM317 C3 1u C2 1u C1 1u R1 1k Giải thích nguyên tắc hoạt động: Việc thay đổi giá trị điện áp điều khiển quyết định hệ số γ của mạch điều khiển xung áp. - Khi Uđk=0 thì γ=0.5 - Khi Uđk=Uđỉnh thì γ=1 - Khi Uđk= - Uđỉnh thì γ=0 Do điện áp tựa có dạng tuyến tính nên việc điều chỉnh tốc độ động cơ một cách tuyến tính với phạm vi 25:1 có thể đưa về việc điều chỉnh điện áp điều khiển tuyến tính trong phạm vi 25 lần. Khâu tạo điện áp điều khiển sử dụng IC LM317 có tác dụng tạo ra nguồn ổn áp thay đổi từ 1.2 đến 37V. IC LM317: - Hình vẽ: - Thông số chính: Dải điện áp ra 1.2V đến 37V 51 Dòng ra giới han 1.5A Sai số 0.5% Tính toán: Công thức tính điện áp ra:        1 21*25.1 R R UOUT Các tụ C1, C2, C3 có tác dụng ổn định điện áp đầu vào và đầu ra, để đảm bảo nguồn áp có dạng và giá trị không đổi. Ta chọn C1 = C2 = C3 = 1(μF). Điện trở R1 và biến trở R2 được chọn sao cho có thể tạo ra một Uout biến thiên trong dải từ 1.25 đến 1.25*25=31.25 (V). Điện áp này được lấy ra phù hợp với điện áp tựa trong bộ so sánh nhờ vào 2 điện trở R3, R4 mắc nối tiếp như sau: Vi R2 C3 IN COM OUT VoutLM317 C2C1 R4 R3R1 Chọn R1=0.24kΩ thế thì: khi Uout 1.25V thì R2 0 khi Uout 31.25V thì R2 5760        như vậy ta có thể chọn R2 là loại biến trở 6kΩ Để đưa điện áp điều khiển thích hợp với Utựa tại bộ so sánh ta dùng 2 điện trở mắc nối tiếp là R3 và R4. outđk U RR R U . 43 4   (*) để có thể tận dụng tốt nhất công suất động cơ, thỏa mãn nhu cầu của γ (0.526 < γ < 0.9) đã đặt ra ở phần mạch lực, ta cần tính toán để Uđk như sau: - Phương trình của Utựa theo thời gian: khi t=0 → Utựa (0) = 0V khi t=T/4 = 0.125ms → Utựa (0.125*10 -3) = 10V  Utựa = 8*10 4.t (V) - Phương trình của γ theo thời gian (chỉ mang tính chất toán học): khi t=0 thì Uđk = 0 (Uđk cắt Utựa tại t=0) → γ = 0.5 khi t=T/4 = 0.125ms thì Uđk = 10V (Uđk cắt Utựa tại t=0.125ms) → γ= 1  γ = 0.125*10-3.t + 0.5 - Khi γ = 0.526 thì t=6.5*10-6s → Utựa = 0.52(V) → Uđk = 0.52V 52 - Khi γ = 0.9 thì t=10-4s → Utựa = 8V → Uđk = 8V. - Dựa vào kết quả tính toán ở trê - n, ta cần tìm R3 và R4 sao cho Uđk biến thiên từ 0.52V đến 8V. Áp dụng (*) ta tìm được 43 4 RR R  = 25.1 52.0 = 125 52 ta chọn R4=52kΩ và R3=73kΩ Tạo trễ đối với mạch điểu khiển Như đã trình bày ở trên, ta sẽ đảm bảo an toàn đóng cắt cho các nhóm IGBT bằng cách đưa các giá trị Uđk khác nhau vào các bộ so sánh ứng với mỗi kênh điều khiển tương ứng với mỗi nhóm IGBT. Bằng cách làm như vậy ta vừa có thể giản ước được khâu tạo trễ lại vừa đảm bảo an toàn đóng cắt cho tất cả các lần chuyển đổi giữa các nhóm van. Việc tạo ra các giá trị Uđk khác nhau được thực hiện bằng 2 cặp điện trở R31, R41 và R32, R42 như trong sơ đồ mạch sau: Trong phần trên ta đã tính toán được cặp điện trở R3 và R4 thỏa mãn yêu cầu của γ. Trong phần này ta giữ nguyên các giá trị đó cho cặp R31 và R41; còn cặp điện trở R32 và R42 được tính toán sao cho thỏa mãn yêu cầu an toàn cho đóng mở van. Với IGBT đã chọn trong phần mạch lực, ta cần tính thời gian trễ ttrễ > toff . Dựa vào phương trình của Utựa theo thời gian, ta có: Utựa = 8*10 4.t (V) Thời gian trễ cần thiết là ttrễ =1μs nên điểm chuyền đổi trên điện áp tựa phải chênh nhau giá trị: 8*104 * 1* 10-6 = 0.08 (V) Cặp điện trở R32, R42 cần chọn sao cho Uđk2 biến thiên trong khoảng 4232 42 RR R  = 25.1 44.0 = 125 44 Chọn R42=44kΩ và R32=81kΩ Khâu đảo chiều động cơ (dùng công tắc 2 vị trí): Nguyên tắc đảo chiều động cơ là : - Đầu tiên giảm tốc độ động cơ về không. 53 - Ấn nút để chuyển tốc độ theo chiều ngược lại. Nút bấm ở đây được thiết kế là một công tắc liên động để thực hiện chuyển mạch 2 tín hiệu điều khiển. - Theo tính chất Uđk đã được trình bày ở trên, bộ phận tạo trễ đảm bảo an toàn cho van được quyết định bởi bộ phân áp nhờ 2 cặp điện trở R31, R41 và R32, R42. Do đó, khi điện áp điều khiển đổi chiều thì đường cấp Uđk1 biến thành đường cấp Uđk2 thì mới đảm bảo nhóm van này đóng thì nhóm van kia mới mở. - Khâu đảo chiều điện áp Uđk là một bộ đảo dấu sử dụng khuếch thuật toán. Bộ đảo dấu này chỉ đảo dấu một giá trị không đổi và không đòi hỏi tần số làm việc cao. Tuy nhiên, để đồng bộ các thiết bị yêu cầu tần số cao, ta chọn bộ đảo dấu là khuếch thuật toán LM7131A/NS. Sơ đồ bộ đảo dấu như sau: + U1 LM7131A/NS V1 V2 R2 R1 Rcb Thực chất của bộ đảo dấu là một bộ khuếch đại đảo, do đó ta chọn R1=R2=1kΩ, Rcb có tác dụng cân bằng điện trở vào nên ta chọn là 0.5kΩ. Khâu so sánh và phân kênh: Sơ đồ: R7 R8 R9 R12 R11 R10 +U4 LM7131A/NS Vmo1 -12 Vmo2 12 D4 DIODE D3 DIODE Vkhoa2 12 Vkhoa1 -12+U3 LM7131A/NS +U2 LM7131A/NS -12Vdk2 12 D2 DIODE D1 DIODE Vdk1 12 Vtua -12+U1 LM7131A/NS R4 R5 R6 R3 R2 R1 54 Giải thich nguyên lý hoạt động: Với 2 giá trị Uđk ta đem so sánh với giá trị Utựa để tạo ra 4 xung đưa đến bộ trộn xung phía sau. Hai xung Umở1 và Ukhóa1 đồng bộ với nhau, xung này ở mức cao thì xung kia ở mức thấp. Trễ hơn một khoảng là hai xung Umở2 và Ukhóa2 cũng đồng bộ với nhau. Khuếch thuật toán được sử dụng là loại có thời gian tác động nhanh tạo điều kiện cho xung ra có sườn lên, sườn xuống dốc. Ta dùng loại LM7131A/NS của hãng National Semiconductor sản xuất. - Sơ đồ chân: - Thông số chính: Nguồn cung cấp 2.7V đến 12V Điện áp offset 7mV Dòng vào offset 3.5μA Dòng Bias 35μA Tần số làm việc 70Mhz - Bốn Diode có tác dụng cắt xung âm. Tính toán: - Các điện trở R1, R2, R4, R5, R7, R8, R10, R11 có tác dụng hạn chế dòng vào khuếch thuật toán nên ta chọn đồng bộ là 1kΩ. - Các Diode chọn loại làm việc được ở tần số cao như FJT1100 có các chỉ tiêu chất lượng sau: Điện áp ngược cực đại 25V Dòng qua van cực đai 150mA Tần số làm việc 1MHz Công suất tiêu tán 250mW 55 Khâu tạo xung chùm: Sơ đồ mạch: D1 DIODE R3 R1 R2 R V8 12 -12 C2 + LM318 Giải thích nguyên lý hoạt động: Đây là mạch tạo dao động dùng khuếch thuật toán, rất thông dụng hiện nay. Khuếch thuật toán được sử dụng như bộ so sánh hai cửa. Tụ C liên tục phóng, nạp làm cho khuếch thuật toán đảo trạng thái mối lần điện áp trên tụ đạt trị số bộ chia điện áp R1, R2. Chu kỳ dao động được tính theo công thức sau: T=2RCln( 2 121 R R  ) Tính toán: - Khuếch thuật toán dùng loại có tốc độ cao là LM318 đã nêu ở trên. - Ta chọn sao cho (R2 + R1) cỡ 20 (kΩ). Thông thường ta chọn R2 < R1. Vậy ta chọn các giá trị như sau: R1=15kΩ và R2=4.7kΩ Từ công thức ràng buộc ở trên ta có R . C2 = 12.5 * 10 -6. Ta chọn R=5.6kΩ và C2 = 0.0022μF - Chọn D1 là Diode FJT1100 Khâu trộn xung: Mạch trộn xung dùng các cổng logic AND, có 4 tín hiệu cần trộn xung nên mạch cần 4 cổng AND, ta dùng 1 IC 7408 do hãng Texas Instrument sản xuất có tích hợp 4 cổng AND trong một IC 56 Đặc tính kỹ thuật của IC như sau: Khâu khuếch đại xung: +15V C6 R20 D7 R21 T1 T2 R19 Nguyên tắc: Để cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển ta dùng biến áp xung. Tuy nhiên do tính chất vi phân của biến áp xung nên không cho phép truyền các xung rộng vài miligiây. Chính vì tính chất này mà ta phải truyền xung rộng dưới dạng xung chùm để biến áp xung hoạt động bình thường. Để đơn giản mạch dồng 57 thời bảo đảm hệ số khuếch đại dòng cần thiết tầng khuếch đại ta dùng là kiểu Dalinton. Sơ đồ mạch như hình vẽ trên. Để đảm bảo điện áp bên cuộn sơ cấp của BAX là 15(V) ta chọn nguồn nuôi có giá trị Vcc = 20 (V). (Vì còn phải tính đến sụt áp trên điện trở). Khi có tín hiệu xung đi vào thì bóng T2 sẽ mở đồng thời làm mở luôn T1. Lúc này xuất hiện dòng điện chạy từ nguồn nuôi qua R20, qua cuộn sơ cấp và T1 rồi đi xuống đất và thành lập trên cuộn sơ cấp một điện áp U1. Điện trở R20 có tác dụng bảo vệ T1 tránh dòng I1 vượt quá giá trị IC1max. Tính toán: Transistor T1: Từ tính toán của máy biến áp xung ta có I1 = IC1 = 1 (mA). Điện áp ngược đặt lên T1 là 20 (V). Vậy ta chọn T1 là loại BC108 có các thông số như sau: ICmax = 0.1 (A) PCmax = 0.3 (W) UCmax = 20 (V) Βmax = 110 (lần). Ta có )(200 1.0 20 20 max  C CC I V R  chọn R20 = 250 (Ω). Kiểm tra lại sụt áp do R20 gây ra: UR20 = 250 * I1 = 250 * 1 * 10 -3 = 0.25(V)  U1 = 20- UR20 = 19.75 > 15 (V)  R20 lựa chọn như trên là phù hợp để đảm bảo điện áp trên sơ cấp đặt được 15 (V). Tuy nhiên do R20 mắc nối tiếp cuộn sơ cấp với biến áp xung nên khi dẫn, nó sẽ làm giảm điện áp đặt vào biến áp xung, để vẫn giữ điện áp ban đầu trên biến áp xung bằng nguồn VCC ta đưa thêm tụ C6 vào. Lúc đó trong giai đoạn T1 khóa thì tụ điện sẽ kịp nạp đến trị số nguồn. Ta có: )(033.0 2503 1025 .3.3 6 2020 6 F R t R t C xn      Chọn C6 = 33(nF). Diode D7 có tác dụng bảo vệ quá tải cho các bóng bán dẫn. Khi T1 khóa, điện áp trên cuộn sơ cấp tăng cao ( ;.1 dt di LU  i biến thiên nhanh nên U1 sẽ lớn), nếu không có D7 nó sẽ cảm ứng sang thứ cấp U2 gây hỏng cực điều khiển của bóng. Nếu có D7 thì sẽ xuất hiện dòng khép mạch vòng qua D7, R20 vì vậy bảo vệ được bóng. Ta có Uđkmax = 20 (V) (tra từ datasheet của bóng IGBT đã chọn) . Vậy điện áp sơ cấp lớn nhất cho phép là: 20 * 3 = 60 (V). Dòng và áp dùng tính toán cho D7 là:       )(15 )(3.0 200 60 7 7 VU AI D D 58 Chọn D7 là loại 2N3903 có các thông số là            .50 )(35.0 )(40 )(2.0 min max max max  WP VU AI C ng tb Transistor T2: Ta có IC2 = )(103 110 1033.0 6 3 1 1 A IC       rất nhỏ. Vậy chọn T2 là BC108. Điện trở R19 có nhiệm vụ hạn chế dòng vào T2. max1 21 19 max max . .. IS V R I U cc v v  với S là hệ số bão hòa từ, ta lấy S = 1.2. )(917 1.02.1 2050110 19     kR Vậy chọn R19 = 900 (kΩ). Như vậy ta đã tính xong khâu khuyếch đại xung trùm. Ở đây ta không cần các diode chống xung âm vì các xung điều khiển của ta khi đi vào bộ phận KĐX đều đã được loại bỏ phần bị âm ở các mạch so sánh và tạo xung chùm. Máy biến áp xung: BAX1 Máy biến áp xung thực hiện các nhiệm vụ: - Cách li mạch lực và mạch điều khiển. - Phối hợp trở kháng. - Nhân thành nhiều xung (BAX nhiều cuộn thứ cấp) cho van cần mở đồng thời. Mạch điều khiển gồm có 4 biến áp xung, trong đó 2 cái tạo xung mở cho các van, 2 cái tạo xung khóa cho các van. Biến áp xung dùng để mở van: Chọn vật liệu làm lõi sắt. Do các van của ta làm việc tần số cao (cỡ kHz) nên ta chọn vật liệu là lõi Ferit dạng xuyến, hình trụ. Ở đây miền từ hóa của lõi sắt là một phần. Tính toán kích thước tổng. Thể tích lõi sắt. )(0125.0)(100125.0 302.0 2.0102510151 . .... 336 63 22 cmm HB UtIUk V xxba          Với: 59                   30 2.0 1025 .2 1 )(1 )(15 1 6 2 2 H B f t mAII VUU k xc x G G ba Vậy ta chọn lõi thép Ferit trong miền từ hóa một phần dạng trụ có các tham số sau: Loại lõi sắt 905. Đường kính ngoài 9 (mm). Đường kính trong 5 (mm). Diện tích lõi từ: 0.101 (cm2) Diện tích cửa sổ: 0.034 (cm2) Điện áp và dòng bên sơ cấp:       )(1 3 )(15 2 1 21 mA I I VUU Số vòng cuộn sơ cấp và thứ cấp: )(185 1 185 )(185 10101.02.0 102515 . . 1 2 4 6 1 1 vong k W W vong SB tU W ba ba x          Biến áp xung dùng để khóa van: Thể tích lõi sắt. )(17.4)(10.17.4 302.0 2.010251051 . .... 339 63 22 mmm HB UtIUk V xxba          Với:                   30 2.0 1025 .2 1 )(1 )(5 1 6 2 2 H B f t mAII VUU k xc x G G ba Vậy ta chọn lõi thép Ferit trong miền từ hóa một phần dạng trụ có các tham số sau: 60 Loại lõi sắt 905. Đường kính ngoài 9 (mm). Đường kính trong 5 (mm). Diện tích lõi từ: 0.101 (cm2) Diện tích cửa sổ: 0.034 (cm2) Điện áp và dòng bên sơ cấp:       )(1 3 )(5 2 1 21 mA I I VUU Số vòng cuộn sơ cấp và thứ cấp: )(185 1 185 )(185 10101.02.0 102515 . . 1 2 4 6 1 1 vong k W W vong SB tU W ba ba x          Khâu chuẩn hóa tín hiệu điều khiển: Khâu này đặt sau biến áp xung, có nhiệm vụ biến đổi các tín hiệu từ biến áp xung thành các tín hiệu điện áp phù hợp để đóng mở các van. Để đóng mở được các van, yêu cầu điện áp mở là +15V và điện áp khóa là -5V. Ta điều chế bằng cách đảo dấu điện áp +5V thành -5V bằng một mạch đảo dấu như đã trình bày ở trên, sau đó dùng một mạch cộng tương ứng để cộng điện áp +15V với -5V tương ứng. Sơ đồ mạch cộng như sau: V1 V31 V2 V29 + Vra LM7131A/NS R55 R54 R53 R47 R51 Ta có: Ura= (U1 + U2). 53 5551 .2 R RR  với R53 = R54 Chọn R51 = R55 = R53 = R54 = 1kΩ Khuếch thuật toán vẫn chọn loại có tốc độ nhanh là LM7131A/NS Tín hiệu điện áp từ sau khâu chuẩn hóa này sẽ được đưa vào cực điều khiển của IGBT. 61 Mô phỏng Mạch điều khiển: Động cơ quay thuận: Lúc này chưa tác động vào nút ấn. Đồ thị điện áp khâu so sánh: 1.000ms 1.500ms 2.000ms 2.500ms 3.000ms 3.500ms 12.50 V 7.500 V 2.500 V -2.500 V -7.500 V -12.50 V A: u2_6 B: s1_1 C: u4c_10 Hinh 1 Điện áp so sánh cho nhóm van 1,2 1.000ms 1.500ms 2.000ms 2.500ms 3.000ms 3.500ms 12.50 V 7.500 V 2.500 V -2.500 V -7.500 V -12.50 V A: u2_6 B: u9_2 C: u4d_12 Hinh 2 Điện áp so sánh cho nhóm van 3,4 Đồ thị điện áp sau khâu trộn xung: 1.000ms 1.250ms 1.500ms 1.750ms 2.000ms 2.250ms 2.500ms 2.750ms 3.000ms 3.250ms 3.500ms A: u4c_10 B: u4c_8 12.50 V -12.50 V C: u4d_12 D: u4d_11 12.50 V -12.50 V Hinh 3 Trộn xung mở van 62 1.000ms 1.250ms 1.500ms 1.750ms 2.000ms 2.250ms 2.500ms 2.750ms 3.000ms 3.250ms 3.500ms A: u4c_10 B: u4c_8 12.50 V -12.50 V C: u4d_12 D: u4d_11 12.50 V -12.50 V Hinh 4 Tron xung khóa van Đồ thị điện áp sau biến áp xung: 1.000ms 1.250ms 1.500ms 1.750ms 2.000ms 2.250ms 2.500ms 2.750ms 3.000ms 3.250ms 3.500ms A: bax1_3 17.50 V -2.500 V B: bax4_3 17.50 V -2.500 V Hinh 5 Đồ thị điện áp dùng để mở van (15V) 1.000ms 1.250ms 1.500ms 1.750ms 2.000ms 2.250ms 2.500ms 2.750ms 3.000ms 3.250ms 3.500ms A: bax2_3 7.000 V -1.000 V B: bax3_3 7.000 V -1.000 V Hinh 6 Đồ thị điện áp dùng để khóa van (5V) Đồ thị điện áp sau khâu chuẩn hóa tín hiệu: 1.000ms 1.250ms 1.500ms 1.750ms 2.000ms 2.250ms 2.500ms 2.750ms 3.000ms 3.250ms 3.500ms A: u14_6 17.50 V -7.500 V B: u13_6 17.50 V -7.500 V Hinh 7 Mở van tại +15V và khóa van tại -5V 63 Động cơ quay ngược: Sau khi ấn nút đảo chiều động cơ Đồ thị điện áp khâu so sánh: 1.000ms 1.500ms 2.000ms 2.500ms 3.000ms 3.500ms 12.50 V 7.500 V 2.500 V -2.500 V -7.500 V -12.50 V A: u2_6 B: s1_1 C: u4c_10 Hinh 8 Đồ thị điện áp khâu so sánh nhóm van 1, 2 1.000ms 1.500ms 2.000ms 2.500ms 3.000ms 3.500ms 12.50 V 7.500 V 2.500 V -2.500 V -7.500 V -12.50 V A: u2_6 B: s2_1 C: u4d_12 Hinh 9 Đồ thị điện áp khâu so sánh nhóm van 3, 4 Đồ thị điện áp sau khâu trộn xung: 1.000ms 1.250ms 1.500ms 1.750ms 2.000ms 2.250ms 2.500ms 2.750ms 3.000ms 3.250ms 3.500ms A: u4c_10 B: u4c_8 12.50 V -12.50 V C: u4d_12 D: u4d_11 12.50 V -12.50 V Hinh 10 Đồ thị điện áp sau trộn xung để mở van 1.000ms 1.250ms 1.500ms 1.750ms 2.000ms 2.250ms 2.500ms 2.750ms 3.000ms 3.250ms 3.500ms A: u3_6 B: u4a_3 12.50 V -12.50 V C: u4b_4 D: u4b_6 12.50 V -12.50 V Hinh 11 Đồ thị điện áp sau trộn xung để khóa van 64 Đồ thị điện áp sau biến áp xung: 1.000ms 1.250ms 1.500ms 1.750ms 2.000ms 2.250ms 2.500ms 2.750ms 3.000ms 3.250ms 3.500ms A: bax1_3 17.50 V -2.500 V B: bax4_3 17.50 V -2.500 V Hinh 12 Điện áp sau biến áp xung để mở van (15V) 1.000ms 1.250ms 1.500ms 1.750ms 2.000ms 2.250ms 2.500ms 2.750ms 3.000ms 3.250ms 3.500ms A: bax2_3 7.000 V -1.000 V B: bax3_3 7.000 V -1.000 V Hinh 13 Điện áp sau biến áp xung để khóa van (5V) Đồ thị điện áp sau khâu chuẩn hóa tín hiệu: 1.000ms 1.250ms 1.500ms 1.750ms 2.000ms 2.250ms 2.500ms 2.750ms 3.000ms 3.250ms 3.500ms A: u14_6 17.50 V -7.500 V B: u13_6 17.50 V -7.500 V Hinh 14 Mở van tại +15V và khóa van tại -5V 65 Tµi liÖu tham kh¶o 1.Ph¹m Quèc H¶i,D­¬ng V¨n Nghi.Ph©n tÝch vµ gi¶i m¹ch ®iÖn tö c«ng suÊt Nhµ xuÊt b¶n Khoa häc vµ kÜ thuËt Hµ Néi ,1997 2.Ph¹m Quèc H¶i,TrÇn Träng Minh ,Vâ Minh ChÝnh.§iÖn tö c«ng suÊt Nhµ xuÊt b¶n Khoa häc vµ kÜ thuËt Hµ Néi ,2004 3.NguyÔn BÝnh .§iÖn tö c«ng suÊt Nhµ xuÊt b¶n Gi¸o dôc ,2000 4.NguyÔn V¨n LiÔn ,NguyÔn ThÞ HiÒn .TruyÒn ®éng ®iÖn Nhµ xuÊt b¶n Khoa häc vµ kÜ thuËt Hµ Néi ,2000 5.Ph¹m Quèc H¶i ,D­¬ng V¨n Nghi,NguyÔn V¨n LiÔn,NguyÔn ThÞ HiÒn . §iÒu chØnh tù ®éng truyÒn ®éng ®iÖn 6.B¸o Tù ®éng ho¸ Ngµy nay- Sè th¸ng 1&2 7.Lª V¨n Doanh ,TrÇn V¨n ThÞnh .§iÖn tö c«ng suÊt –Lý thuyÕt vµ øng dông Nhµ xuÊt b¶n Khoa häc vµ kÜ thuËt Hµ Néi ,2005 8.TrÇn Träng Minh .Bµi gi¶ng ®iÖn tö c«ng suÊt Nhµ xuÊt b¶n Gi¸o dôc ,2002 9. NguyÔn Phïng Quang. Matlab vµ Simulink cho kÜ s­ ®iÒu khiÓn tù ®éng Nhµ xuÊt b¶n Khoa häc vµ kÜ thuËt Hµ Néi ,2004 10.Nhãm ph¸t triÓn phÇn mÒm tin häc vµ ®iÖn tö EDA. H­íng dÉn sö dông ORCAD 9.2 Nhµ xuÊt b¶n trÎ 2000 11.Matlab.User’s guide. Prentice Hall,1995 12.Bïi §×nh Tiªu .C¬ së truyÒn ®éng ®iÖn Nhµ xuÊt b¶n Khoa häc vµ kÜ thuËt Hµ Néi 13.Lª V¨n Doanh ,Cyril Lander .§iÖn tö c«ng suÊt vµ ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ®iÖn Nhµ xuÊt b¶n Khoa häc vµ kÜ thuËt Hµ Néi ,2004 Vµ c¸c trang Web : 14.Alldatasheet.com 15.INF.com 16.IGBT.com 17.IGBT-scaledriver.com