Hệ truyền động xung áp một chiều

BỘ CƠNG
THƯƠNGTRƯỜNGĐHCƠNGNGHIỆ
PHÀNỘI

NỘI DUNG

- Động cơ một chiều kích từ độc lập Π - 32 có số liệu sau: Pđm= 2.2Kw; Uưđm= 220V;Iđm= 24A; nđm= 1500v/p; jĐC= 0,105kg.m2; Rư= 0,285(Ω); LΩ); L); Lư= 0,0247(Ω); LH); Ukt= 220V;
Ikt=0,3A

- Mạch xung áp đảochiều
- u cầu bài tốn: Xây dựng hệ truyền động có tốc độ động cơ điều chỉnh từ 0v/p đến
1500v/p khi mang tải địnhmức

PHẦN THUYẾT MINH
1. Khái quát chung về hệ truyền động xung áp động cơ mộtchiều
2. Tính chọn mạch lực và các thiết bị liênquan
3. Thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển cho bộ xungáp
4. Phân tích hoạt động của mạch điềukhiển
5. Phương pháp điều chỉnh và ổn định tốc độ cho hệ thống truyền độngđiện.

1

10


I Khái quát chung về hệ truyền động xung áp một chiều 1
Tổng quan động cơ một chiều
1.1. Cấu tạo và đặc tính cơ của động cơ một chiều
Động cơ một chiều bao gồm 2 phần phần cảm (Ω); L phần t ĩnh) và phần ứng(Ω); Lphần
quay).
* Phần cảm (stator)

Phần cảm gọi là stator, gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừalà vỏ máy
vàcáccựctừchínhcódâyquấn kíchtừ(Ω); Lh ình1 . 1 ) ,dịng điện
chạytrongdâyquấnkíchtừsao cho các cựctừtạoracócựctính liên tiếp luân
phiênnhau. Cực từ chính gắn với vỏ máy nhờ các bulơng. Ngồi ra máy điện một
chiềucịn có nắp máy, cực từ phụ và cơ cấu chổithan.

Hình 1.1
Cực từ chính


* Phầnứng(rotor)
Rôto gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp và trục máy.

Hình 1.2 Láthép rơto

Hình 1.3 Dây quấn phần ứng máy điện 1 chiều

1. Lõithép phần ứng: Hìnhtrụ làmbằngcácláthépkĩthuậtđiện dày0,5mm, phủ sơn
cách điện ghép lại. Các lá thép được dập các lỗ thơng gió và rãnh để đặt dây quấn
phần ứng (Ω); Lhình1.2).
2. Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt
trongcácrãnhcủaphầnứng tạothànhmộthoặcnhiềuvịng kín.
Phầntửcủadâyquấnlàmộtbối
dâygồmmộthoặcnhiềuvịngdây,haiđầunốivớihaiphiếngóp
củavành góp (Ω); Lhình 1.3a). hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới haicực
từ khác tên (Ω); Lhình 1.3b).
3. Cổgóp(Ω); L vànhgóp) haycịngọilàvànhđổichiềugồmnhiều phiếnđồnghìnhđi
nhạnđượcghép thànhmột khối hìnhtrụ, cách điệnvớinhauvàcáchđiện với trục
máy.Các bộ phận khác như trục máy, quạt làm mátmáy…
1.2- Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Trên hình 1.4 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trongdây quấn
phần ứng có dịng điện. Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện


nằmtrong từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mômen tác


dụnglên rôto, làm quay rôto. Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay

trái(Ω); Lhình 1.4a).
Hình 1.4 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khiphầnứngquay đượcnửavịng,vịt r íthanhdẫn ab,cdđổi chỗ
nhau(Ω); Lhình1.4b),nhờcóphiếngóp đổichiều dịng điện,nêndòng
điệnmộtchiềubiếnđổithành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho
chiều lực tácdụng khơng đổi,dođólực tácdụnglênrơto cũng theomộtchiều nhất
định,đảmbảo động cơ có chiều quay khơngđổi.Chếđộlàmviệcđịnh
mứccủamáyđiệnnóichungvàcủađộngcơđiệnmộtchiềunói riêng là chế độ làm việc trong
những điều kiện mà nhà chế tạo quyđịnh.Chếđộ đóđược đặctrưngbằng
nhữngđạilượngghitrên nhãnmáy gọilànhữngđạilượngđ ị n h m ứ c .
1.Công suất định mức Pđm(Ω); LkW hay W).
2.Điện áp định mức Uđm(Ω); LV).
3.Dòng điện định mức Iđm(Ω); LA).
4.Tốc độ định mứcnđm(Ω); Lvịng/ph).
Ngồi ra cịn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dịng điện kích từ…
Chúý:Cơngsuất địnhmức chỉcơngsuấtđưaracủa máyđiện.Đốivớimáy phát điện
đó là cơng suất đưa ra ở đầu cực máy phát, cịn đối với động cơ đó làcơngsuấtđưaratrênđầutrục
độngcơ


2 Tổng quan về bộ biến đổi xung áp

2 .1.Cấutrúcvàphânloạibộbiếnđổixungá p
* Bộbiếnđổixungápgiảmáp
Sơ đồ nguyên lý

Nguyên lý hoạt động :

Phần tử điều chỉnh quy ước là khóa S (Ω); L van bán dẫn điều khiển được )Đặc điểm của sơ
đồ này là khóa S, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp. Tải có tính chấtcảm kháng hoặc dung
kháng. Bộ lọc L & C. Điơt mắc ngược với Ud để thốt dịngtải khi ngắt khóa K.+ S đóng
thì U được đặt vào đầu của bộ lọc. Nếu bỏ qua tổn thất trong cácvan và các phần tử thì
Ud=U+ S mở thì hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dịng id do năng lượngtích
lũy trong cuộn L và cảm kháng của tải, dịng khép kín qua D, do vậy
Ud=0 Như vậy, Ud ≤ U. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.

* Bộbiếnđổixungáptăngáp


Đặc điểm:
L nối tiếp với tải, khoá S mắc song song với tải. Cuộn cảm L không tham gia vào q
trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trị này.+ S đóng, dịng điện từ +U qua L → S
→ -U. Khi đó D tắt vì trên tụ có UC (Ω); Lđã được tích điện trước đó).+ S ngắt, dòng điện
chạy từ +U qua L → D → Tải. Vì từ thơng trong L khơng giảm tức thời về khơng do đó
trong L xuất hiện suất điện động tự cảm có cùng cực tính với U. Do đó tổng điện áp: ud
=U + eL. Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp.Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ
nguồn U ở chế độ liên tụcvà năng lượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn.


* Bộbiếnđổixungáptăng-giảmáp
Sơ đồ nguyên lý:

Tải là động cơ mmột chiều được thay bởi mạch tương đương R-L-E. L1 chỉđóng vai trị
tích luỹ năng lượng. C đóng vai trị lọc.
Ngun lý hoạt đợng :
+ S đóng, trên L1 có U, dịng chạy từ +U → S → L1 → -U. Năng lượng tích luỹ trong
cuộn cảm L1; đi-ơt D tắt; Ud =UC, tụ C phóng điện qua tải.+ S ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra
sức điện động ngược chiều với trường hợp đóng⇒D thơng⇒năng lượng từ trường nạp và
C, tụ C tích điện; ud sẽ ngược chiềuvới U.Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với U. Giá trị
tuyệt đối |Ud| có thể lớn hơnhay nhỏ hơn U nguồn
* Bộbămxungmộtchiềucóđảochiều


Ở đây ta sử dụn van bán dẫn IGBT Bộ BXM dùng van điều khiển hồn tồnIGBT có khả
năng thực hiện điều chỉnh điện áp và đảo chiều dòng điện tải
Trong các hệ truyền động tự động có yêu cầu đảo chiều động cơ do
đóbộ biến đổi này thường hay dùng để cấp nguồn cho động cơ một chiều kích từ độc lập
có nhu cầu đảo chiều quay.Các van IGBT làm nhiệm vụ khố khơng tiếp điểm .Các Điơt
Đ1,Đ2,Đ3,Đ4dùng để trả năng lượng phản kháng về nguồn và thực hiện q trình hãm
tái sinh.Cócácphhươngpháp điều khiển khác nhau
như:Điềukhiểnđộclập,điềukhiểnkhơng đối xứng và điều khiển đốixứng
* Lựachọnbộbiếnđổi
- Lựa chọn mạchlực
Qua các mạch phân tích ở trên ta thấy để phù hợp đảo chiều động
cơ(Ω); Lmộtcáchchủđộng)tachọnbộbămxungmộtchiềucóđảochiều(Ω); Lc ầuBXDC),mạchnày
chophép nănglượngđitheo2chiềuUd,Id cóthể đảochiềumộtcách
độclập.Hơnnữamạchnàyrấtthơngdụng(Ω); LdùngtrongDC-DC,DC-ACconverter)dođó việc tìm
mua các phần tử cũng dễ dànghơn.
-Lựa chọn van bán dẫnChọn van IGBT bởi:
+ IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khảnăng chịu
quá tải lớn của transistor thường, tần số băm điện áp cao thì làm cho động cơ chạy
êm hơn.

+ Cơng suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ nên làm cho đơn giản đáng kể thiếtkế của các bộ
biến đổi và làm cho kích thước hệ thống điều khiển nhỏ, hơn nữa nócũng làm tiết kiệm
năng luợng (Ω); Lđiều khiển).
+ IGBT là phần tử đóng cắt với dịng áp lớn, nó đang dần thay thế transistor B J T n ó
n g à y c à n g t h ô n g d ụ n g h ơ n d o đ ó v i ệ c m u a t h i ế t b ị c ũ ng
đ ơ n g i ả n hơn.Cùng với sự phát triển của IGBT thì các IC chuyên dụng điều


khiển chúng(Ω); L IGBT Driver) ngày càng phát t r iển và hồn thiện do đó việc điều khiển
cũng chuẩn xác và việc thiết kế các mạch điều khiển cũng đơn giản, gọn nhẹ.
1.1.3. Phânloại
Có nhiều cách phân loại các bộ biến đổi xung áp môt chiều, tuỳ thuộc vào
cách mắc khoá điện từ song song hay nối tiếp mà người ta chia các bộ biến đổi xung
áp thành nối tiếp hay song song (Ω); Lhình 1.3 và 1.4). Cũng có thể phân biệt bộ biến đổi
tuỳ thuộc vào điện áp ra, ví dụ như bộ biến đổi xung áp ở hình 1.4a là bộ biến đổi
xung áp có điện áp ra nhỏ hơn điện áp vào, còn bộ biến đổi xung áp ở hình 1.4b là bộ
biến đổi xung áp có điện áp ra lớn hơn điện ápvào.
Tuỳ thuộc vào dấu điện áp mà người ta chia ra: bộ biến đổi xung áp khơng đảo
chiều (Ω); Lhình 1.3 và 1.4) hoặc bộ biến đổi xung áp có đảo chiều (Ω); Lhình 1.6)
Trong giao thơng, để cấp điện cho nhiều động cơ của một dồn tàu người ta có
thể mắc song song nhiều phụ tải (Ω); Lhình 1.5b) hoặc bộ biến đổi xung áp có thể có nhiều
mạch nhánh song song (Ω); Lhình 1.5b), và trong trường hợp này có bộ biến đổi xung áp
cong được gọi bộ biến đổi xung áp nhiều pha, so với các bộ biến đổi xung áp nêu trên
hình (Ω); Lhình 1.3 và 1.4)


Hình 1.3. Bộ biến đổi xung áp nối tiếp: a, b, c,d

Hình 1.4. Bộ biến đổi xung áp song song: a vàb

Do cách ghép nối khác nhau để nhận được những đặc tính mong muốn, bộ biến đổi
xung áp cịn có những tên gọi khác nhau tuỳ thuộc vào các đặc điểm phân loại đãnếu
trên.


Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi xung áp với các mạch phụ tải mắc song song

Hình 1.6 Bộ biến đổi xung áp có đảo chiều


1.1.4. Sơ đồ cấutrúc
Cấu trúc của bộ biến đổi xung áp một chiều thường có dạng như ở hình1.7.

Hình 1.7


II.Tính chọn mạch lực và các thiết bị liên quan
2.1 Tính chọn động cơ mộtchiều
Để thiết kế hệ truyền động phù hợp với yêu cầu người ta đưa ra nhiều phương án khác
nhau, rồi sau đó so sánh các phương án trên phương diện kinh tế và kỹ thuật để chọn ra
phương án tối ưu.
Đây là động cơ sử dụng năng lượng điện 1 chiều.Gồm động cơ điện 1 chiều kích từ
độc lập,kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp.
Với động cơ 1 chiều kích từ hỗn hợp là lọai động cơ có kết cấu phức tạp,giá thành cao
nên ta loại bỏ vì khơng phù hợp chỉ tiêu kinh tế.
2.1.1 Động cơ 1 chiều kích từ nốitiếp
Ta thấy loại này có cuộn kích từ nối tiếp với phần ứng động cơ nên dịng kích từ chính là
dịng phần ứng động cơ .
DovậykhiIưbiếnđổithìtừthơngɸcũngbiếnđổisẽgâyrahiệntượngt ừ dư(Ω); Ltổnthấtphụ)lớn.
ɸdư = ɸđm /5

Mà động cơ một chiều kích từ nối tiếp có đặc tính cơ ở dạng phi tuyến (Ω); Lhypecbol ), nên
đặc tính cơ mềm và độ cứng lại thay đổi theo phụ tải.
Mặt khác, từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng phần ứng nên khả năng chịu tải của
động cơ bị ảnh hưởng rất lớn của điện áp lưới. Điều này gây khó khăn trong q trình
điều chỉnh và ổn định tốc độ, q trình này chỉ có hiệu quả ở tốc độ rất thấp và hiệu quả
không cao, ở tốc độ cao đạt được điều này là rất khó khăn.
Do vậy, động cơ này không phù hợp với yêu cầu.
2.1.2 Đợng cơ 1 chiều kích từ đợclập
Domạchkíchtừnằmđộclậpvớimạchphầnứngnêntừthơngkíchtừɸ=constkhitảithayđổi.
Phương trình đặc tính cơ:
w = U/(Ω); LK ɸ) – RI/(Ω); LK ɸ) = U/(Ω); LK ɸ) – RM(Ω); LK ɸ)2


Vìɸ=constnênquanhệw(Ω); LM)làquanhệđườngthẳng.Độcứngđặctínhcơ:
β = - (Ω); LKɸ)2/R = const

Đặc tính động cơ một chiều kích từ độc lập

Nhận xét: Loại động cơ này cho phép quá tải lớn, dải điều chỉnh rộng và
dễ điều chỉnh. Từ phương trình đặc tính cơ cho thấy loại động cơ này có thể điều
chỉnh tốc độ tới 3 cách là điêù chỉnh Uư, Rf, và ik.

Tính chọn van bán dẫn công suất


-Tính chọn Điơt mạch van
Qua phân tích các mạch lực ta thấy+ Dịng điện trung bình chạy qua diode Với giá trị
dòng định mức động cơ Iđm = 6A
Chọn chế độ làm mát là van có cánh tỏa nhiệt với đủ điẹn tích bề mặtvà có quạt thơng
gió, khi đó cho dòng điện làm việc cho phép chạy qua van tới 50% Iđm

Lúc đó dịng chạy qua van cần chọn :
Iđmv = Ki /Imax = 6/0.5 = 12(Ω); LA)
Qua các biểu đồ ta thấy : Điện áp ngược cực đại đặt trên mỗi van (Ω); L bỏ qua sụt áp trên
mỗi van là U = 400V
Chọn hệ số quá điện áp Ku= 2.5Ungv= 2.5.400 = 1000(Ω); LV)
Chọn 4 diode loại CR20-100 có các thơng số sau
Ký hiệu
1N2445

Imax(Ω); LA)
20

Un(Ω); LV)
1000

Ỉ(Ω); LA)
20

Ith(Ω); LA)
10u

Trong đó :
Imax :dịng điện làm việc cực đại cho phép quavan
Ungv : điện áp ngược cực đại cho phép đặt lên van Ipik : đỉnh
xung dòngđiện
ΔU(V)U :tổn hao điện áp ở trạng thái mở củaDiode Ith :
dòng điện thử cựcđại
Ir :dòng điện rò ở nhiệt độ 250 C
Tcp : nhiệt độ cho phép làm việc.

-Tính chọn IGBTTính dịng trung bình chạy qua van:

Tep
20

ΔU(V)U(Ω); LV)
1.1


Qua phân tích các mạch lực trên ta thấy:
Dịng điện trung bình chạy qua van lμ : IS =γ It
Với giá trị dòng điện định mức động cơ là Itđm =6(Ω); LA)
+Chọnchếđộlàmmátlàvancócánh toảnhiệtvớiđủdiện tíchbềmặtvàcóquạt thơng
gió, khi đó dịng điện làm việc cho phép chạy qua vanlêntới

50 %Idm

.Lúc đó dịng điện qua van cần chọn :
Iđmv = Ki / Imax =6/0.5=12(Ω); LA)
Qua các biểu đồ ta thấy :Điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi van (Ω); Lbỏ qua sụt áp trên các
van ) là Ungmax=E=400(Ω); LV)
(Ω); LV).Từ các tính tốn trên ta chọn 4 van IGBT …có các thơng số sau

Loại
ỈG4PH30K

Loại vỏ

Ic max

Vce

Pdm

Vce(Ω); Lsat)

Uce(Ω); LuA)

In.Diode

TO247A

20

120

100W

4

250

NO

Tính chọn Điơt mạch chỉnh lưu
Tính chọn dựa vào các yếu tố cơ bản dòng tải ,điều kiện toả nhiệt ,điện áplàm
việc, các thông số cơ bản của van được tính như sau :
+) Điện áp ngược lớn nhất mà Diode phải chịu :
Unmax=Knv.U2 =418,88 (Ω); LV).
Điện áp ngược của van cần chọn :

Unv = KdtU . Un max =2,5 . 418,88 = 1047,20
Trong đó :KdtU - hệ số dự trữ điện áp ,chọn KdtU =2,5 .
+) Dịng làm việc của van được tính theo dịng hiệu dụng :Ilv =3,46 (Ω); LA)
(Ω); LDo trong sơ đồ cầu 3 pha ,hệ số dòng hiệu dụng :Khd =0,57)


Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ diện tích toả nhiệt ;
Khơng có quạt đối lưu khơng khí ,với điều kiện đó dòng định mứccủa van cần chọn :
Iđm =Ki . Ilv =3,2 .3,46 = 11,07 (Ω); LA)
(Ω); LKi là hệ số dự trữ dịng điện và chọn Ki =3,2)từ các thơng số Unv ,Iđmv ta chọn 6 Diode
loại SKR20/12 do nhà sản xuấtIR sản xuất có các thơng số sau :
Điện áp ngược cực đại của van : Un = 1200 (Ω); LV)
Dòng điện định mức của van : Iđm =20 (Ω); LA)
Dòng điện thử cực đại : Ith =60 (Ω); LA)
Dòng điện rò : Ir =4 (Ω); LmA)
Sụt áp lớn nhất của Diode ở trạng thái dẫn là : ΔU(V)U = 1,55 (Ω); LV)
Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép :Tmax=1800C

III. Thiết kế mô phỏng mạch điều khiển cho bộ xungáp

3.1.Sơ đồ cấu trúc mạch điềukhiển
* Yêucầuchungcủamạchđiềukhiển
Mạch điều khiển điều khiển băm xung áp một chiều cần được xây dựngtheo các
nguyên tắc và yêu cầu sau:
-Tạo được xung mở IGBT có biên độ điện áp là +15V, độ rộng theo yêucầu điều khiển.
-Tạo được xung khóa IGBT có biên độ điện áp là -5V, độ rộng theo yêucầu.
-Tạo được 2 kênh điều khiển 2 nhóm van IGBT theo luật điều khiển đối xứng.
- Đảm bảo các van đóng, mở an tồn tức là nhóm van này khóa chắc chắnthì nhómvan
cịnlạimớiđượcmở.

- Tầnsốlàmviệccủamạchđiềukhiểnlà2kHz

Sơ đồ

*Khâu tạo điện áp tam giác


Đểmạch điềukhiểnhoạt độngtốt vớiluậtđiềukhiểnđốixứngtachọnphương
pháp tạo điện áp tựa là điện áp tam giác bằng tích phân sóngvng
Giải thíc ngun tắc hoạt động

Khuếch thuậttốnU1 cóhồitiếpdương bằngđiệntrởR1,đầuracót r ị s ố đ i ệ n á p b
ã o hòa và dấu p h ụ t h u ộ c h i ệ u đ iệná p h a icổn g (Ω); L + )và(Ω); L - ) . Đầu vào (Ω); L+)
có 2 tín hiệu, một tín hiệu khơng đổi lấy từ đầu ra của U1, mộttín hiệu biến thiên lấy từ
đầu

ra

của

khuếch

thuật

tốn

U2.

Điện

áp

chuẩn

sosánhđểquyếtđịnhđổidấuđiệnápracủaU1làtrungtính
vào(Ω); L - ).GiảsửđầuracủaU1âm,khuếch

thuậttốnU2tích

phânđảodấuchođiệnápcósườnđilêncủađiệnáptựa.Điệnápvàocủa (Ω); L + ) lấytừR1vàR2,
haiđiệnáp này trái dấu nhau. Điệná p
đường

nạp

vào

qua

R2

c ủ a tụ,cịnđiệnápvàoquaR1khơng

biến

thiên

đổi,tớikhinàoU(Ω); L + )=

theo
0thì

đầuracủaU1đổi dấu thành dương. Chu kỳ điện áp của U1 cứ luân phiên đổi dấu như
vậycho ta điện áp tựa như có dạng tam giác như hình vẽ.Tần số của điện áp tựa được tính
dựa vào cơng thứcsau
F = 1/(Ω); L4.R3C1R1/R2)
Dotầnsốlàmviệcyêucầucủamạchđ iềuk hiểnlà2kHznênt ầnsố
xungtamgiáccũngphảilà2kHz.Điều đólàmnảysinhvấnđề

làmviệccủa

mạchtạo