Bài giảng tổng hợp hệ điện cơ (chương 5)

Chơng 5:
Hệ thống truyền động động cơ một chiều sử
dụng BBĐ một chiều - một chiều (Xung điện áp)
5.1. Khái niệm chung
Trong nhiều năm lại đây, hệ thống điều tốc sử dụng
BBĐ một chiều- một chiều (xung điện áp) áp dụng ph$ơng
pháp điều chỉnh độ rộng xung, th$ờng gọi là hệ thống điều tốc
điều chế độ rộng xung một chiều kiểu PWM, sử dụng các linh
kiện bán dẫn transitor GTO, P-MOSFET v IGBT đ$ợc sử
dụng khá nhiều, so sánh với hệ thống T-Đ, chúng có rất nhiều
$u điểm:
Chơng 5:
5.1. Khái niệm chung
(1) Mạch lực (mạch điện chính) đơn giản, sử dụng ít dụng cụ công suất;
(2) Tần số đóng cắt cao, dễ duy trì dòng điện liên tục, sóng hài ít, tổn
hao và phát nhiệt của động cơ khá nhỏ;
(3) Có khả năng vận hành ở tốc độ thấp, độ chính xác cao, cho phạm vi
điều tốc rộng;
(4) Độ tác động nhanh cao, khả năng chống nhiễu trạng thái động tốt;
(5) Tổn hao trên các linh kiện của mạch lực nhỏ nên hiệu suất thiết bị
khá cao;
(6) Để cấp nguồn cho BBĐ sử dụng sơ đồ chỉnh l$u cầu ba pha không
điều khiển nên có hệ số công suất cao.
Vì vậy, ch$ơng này tập trung nghiên cứu loại hệ thống này.
5.1. Khái niệm chung
(5) Tổn hao trên các linh kiện của mạch lực nhỏ nên hiệu suất
thiết bị khá cao;
(6) Để cấp nguồn cho BBĐ sử dụng sơ đồ chỉnh l$u cầu ba pha
không điều khiển nên có hệ số công suất cao.
Vì vậy, ch$ơng này tập trung nghiên cứu loại hệ thống này.
Do sự hạn chế về công suất, hệ điều tốc PWM một chiều hiện

nay th$ờng dùng ở hệ thống công suất nhỏ và vừa, theo đà phát triển
của công nghiệp bán dẫn công suất, lĩnh vực ứng dụng của nó ngày một
mở rộng.
Bộ biến đổi PWM có hai loại đảo chiều và không đảo chiều, bộ
biến đổi đảo chiều lại có kiểu điôt, một cực và kiểu một cực bị hạn chế.
D$ới đây sẽ trình bày nguyên lý làm việc và đặc tính của các loại đó.
5.2. Bộ biến đổi điều chế độ rộng xung (PWM)
5.2.1. Bộ biến đổi PWM không đảo chiều
Hình 5.1: Mạch điện của bộ biến đổi PWM không đảo chiều đơn giản
(xung điện áp một chiều)
a) sơ đồ nguyên lý b) đồ thị dòng điện và điện áp
CKĐ
+
-
CK
Tr
U
d
Đ
D
0
+
-
C
0
u
B
i
d
u

t
U
d
t
E
Đ
0 t
đ
T
ck
a b
i
d

TB d d
ck
t
U U U
T
= =
5.2. Bộ biến đổi điều chế độ rộng xung (PWM)
5.2.1. Bộ biến đổi PWM không đảo chiều
Hình 5.2: Mạch điện bộ biến đổi PWM không đảo chiều có mạch h m ã
a) Sơ đồ nguyên lý; b) Đồ thị điện áp và dòng điện trạng thái động cơ;
a
b
CK
Tr
2
1

-
+
u
B2
u
B1
Tr
1
D
2
D
1
Đ
C
0
U
d
4
2
3
i
d
u
t
U
d
t
E
Đ
0

t
đ
T
ck
u
B1
= - u
B2
t
0
t
đ
T
ck
U
TB
u
t
i
d
1 2 1 2 1
Tr
1
Tr
1
Tr
1
D
2
D

2
5.2. Bộ biến đổi điều chế độ rộng xung (PWM)
5.2.1. Bộ biến đổi PWM không đảo chiều
Hình 5.2: Mạch điện bộ biến đổi PWM không đảo chiều có mạch h m ã
c) Đồ thị điện áp và dòng điện trạng thái h m; d) Đồ thị điện áp và dòng điện ã
trạng thái động cơ tải nhẹ
t
u
B1
= - u
B2
0
t
đ
T
ck
u
B1
= - u
B2
t
D
1
Tr
2
D
1
Tr
2
u

t
U
d
t
0
t
đ
T
ck
u
t
i
d
i
d
E
Đ
U
TB
d
i
d
u
t
U
d
t
E
Đ
0

t
đ
T
ck
U
TB
u
t
i
d
4
3 4 3
1
2
3 4
1
2
3 4
1
c
4
t
1
t
2
t
3
5.2. Bé biÕn ®æi ®iÒu chÕ ®é réng xung (PWM)
5.2.2. Bé biÕn ®æi PWM cã ®¶o chiÒu
5.2.2.1. Bé biÕn ®æi PWM ®¶o chiÒu kiÓu ®i«t

H×nh 5.3: M¹ch ®iÖn bé biÕn ®æi PWM cã ®¶o chiÒu d¹ng H kiÓu ®i èt
1
+
D
1
D
4
§
U
d
Tr
1
u
B1
u
B4
Tr
4
Tr
3
u
B3
u
B2
Tr
2
D
3
D
2

4
2
3
u
t
i
d
5.2.2.1. Bé biÕn ®æi PWM ®¶o chiÒu kiÓu ®i«t
H×nh 5.4: §å thÞ dßng ¸p cña hÖ truyÒn ®éng ®¶o chiÒu dïng bé biÕn ®æi PWM
d¹ng H kiÓu ®i èt
0
t
®
T
ck
u
B3
= u
B4
t
D
1
, D
2
Tr
3
, Tr
4
D
1

, D
2
Tr
3
, Tr
4
D
1
, D
2
0
t
®
T
ck
u
B1
= u
B2
t
Tr
1
, Tr
2
D
3
, D
4
Tr
1

, Tr
2
D
3
, D
4
Tr
1
, Tr
2
i
d1
t
0
t
®
T
ck
4
2
1
2
1
i
d2
1
2
3
4
1

2
3
4
1
i
d

u
t
U
d
U
TB
u
t

t
-U
d
5.2.2.1. Bộ biến đổi PWM đảo chiều kiểu điôt
Điện áp trung bình đầu ra của bộ biến đổi PWM (điện áp trên động
cơ) đảo chiều kiểu điôt đ$ợc biểu thị bằng công thức:
Vẫn lấy

= UTB/Ud là hệ số phân áp của PWM, quan hệ giữa

và
tđ sẽ khác với tr$ớc kia, cụ thể, trong tr$ờng hợp này:
ck
TB d d d

ck ck ck
t T t 2t
U U U ( 1)U
T T T

= =

2t
1
T
=
Khi điều tốc, phạm vi thay đổi của

trở thành 1 <

<1. Khi

> 0
động cơ quay theo chiều thuận, khi

< 0 động cơ quay theo chiều ng$ợc,
khi

= 0 động cơ ngừng quay. Tr$ờng hợp

= 0, điện áp trung bình đặt vào
động cơ bằng không, nh$ng điện áp tức thời ở hai đầu mạch rotor và dòng
điện không phải bằng 0 mà chỉ có thành phần xoay chiều, nên tổn hao
công suất trên động cơ vẫn còn.
5.2.2.1. Bộ biến đổi PWM đảo chiều kiểu điôt

Ưu điểm của bộ biến đổi PWM kiểu điôt nh sau:
(1) Dòng điện động cơ liên tục;
(2) Cho phép cho động cơ có thể làm việc ở 4 góc phần t$ hệ toạ độ;
(3) Lúc động cơ ngừng quay vẫn có dao động nhỏ của dòng điện, có thể
loại bỏ vùng chết ma sát tĩnh;
(4) Khi làm việc ở tốc độ thấp, xung khống chế cực gốc của các transitor
đều khá rộng, tạo thuận lợi cho các transitor chắc chắn đ$ợc mở;
(5) Tính ổn định tốt ở tốc độ thấp, phạm vi điều tốc đạt tới khoảng 20000:1.
Nhợc điểm của bộ PWM là:
Trong quá trình làm việc, 4 transitor công suất thay nhau làm việc, tổn hao
công suất mở khóa lớn, dễ sinh ra sự cố hai transitor cùng phía (ví dụ Tr
1
và
Tr
3
đồng thời mở gây ngắn mạch nguồn, làm giảm độ tin cậy của thiết bị.
Để khắc phục sự cố này th$ờng phải bố trí thêm thiết bị logic.
5.2.2.2. Bộ biến đổi PWM đảo chiều kiểu một cực
Để khắc phục khuyết điểm trên đây của bộ biến đổi kiểu điôt, đối
với những hệ thống có yêu cầu chất l$ợng động và tĩnh t$ơng đối thấp, có
thể dùng bộ biến đổi PWM kiểu một cực. Sơ đồ mạch điện của nó cũng
gống nh$ kiểu điôt (hình 5.3), chỉ khác nhau ở chỗ tín hiệu xung điều khiển
cực gốc các transitor. Trong bộ biến đổi kiểu một cực, xung điều khiển cực
gốc hai transitor phía trái u
B1
= - u
B4
, có đồ thị xung cực tính thay đổi ng$ợc
nhau nh$ kiểu điôt, làm cho Tr
1

và Tr
4
thay nhau mở; còn tín hiệu điều khiển
cực gốc của hai transitor phía phải Tr
3
và Tr
2
thì đ khác, chuyển thành tín ã
hiệu một chiều khác nhau tuỳ thuộc yêu cầu chiều quay của động cơ. Lúc
động cơ quay thuận, điện áp u
B3
luôn âm, còn u
B2
luôn d$ơng, khi đó Tr
3

khoá lại, còn Tr
2
luôn mở. Khi cần động cơ quay theo chiều ng$ợc thì cho
u
B3
luôn d$ơng, còn u
B2
luôn âm, nên Tr
3
luôn mở, còn Tr
2
khoá lại.
Lúc non tải, dòng điện trong một chu kỳ cũng sẽ đổi chiều và vẫn
đảm bảo tính liên tục của dòng động cơ.

5.2.2.2. Bộ biến đổi PWM đảo chiều kiểu một cực
Do trong hai transitor Tr
3
và Tr
2
của bộ biến đổi một cực bao giờ
cũng có một luôn mở, một luôn khóa, do đố tổn hao do mở khóa ở đây đ ã
giảm so với ở bộ biến đổi hai cực.
Bảng 5.1: So sánh bộ biến đổi PWM đảo chiều hai cực và một cực (khi chịu tải lớn)
5.2.2.3. Bộ biến đổi PWM một cựcbị hạn chế
Bộ biến đổi một cực so với bộ biến đổi hai cực về mặt tiêu hao công
suất đóng cắt và độ tin cậy có nhiều $u điểm, nh$ng vẫn còn yêu cầu hai
transitor Tr
1
và Tr
4
thay nhau mở khóa, vẫn có thể gây ra ngắn mạch nguồn
điện. Bây giờ h y xem xét tình trạng đóng mở của các transitor trong hình ã
5.3, có thể phát hiện ra rằng, lúc động cơ quay chiều thuận, trong khoảng
thời gian 0

t < t
đ
, Tr
4
bị khoá lại, trong khoảng thời gian t
đ


t < T

ck
, do
dòng điện đi qua D
4
, Tr
4
cũng không dẫn dòng. Do vậy, có thể để cho u
B4

luôn âm, khiến cho Tr
4
luôn bị khoá. T$ơng tự nh$ vậy, khi động cơ quay
theo chiều ng$ợc, cho u
B1
luôn âm, Tr
1
luôn bị khoá. Nh$ thế sẽ không sinh
ra sự cố làm cho Tr
1
, Tr
4
cùng mở. Ph$ơng pháp điều khiển này đ$ợc gọi là
điều khiển kiểu một cực bị hạn chế.
Lúc dòng điện gián đoạn, việc nâng cao điện áp mạch rotor đ làm ã
tăng điện áp trung bình theo quan hệ:
ck n
TB d
ck
T t
U U E

T

= +
5.2.2.3. Bé biÕn ®æi PWM mét cùcbÞ h¹n chÕ
H×nh 5.5: §å thÞ ®iÖn ¸p, dßng ®iÖn khi t¶i nhÑ
cña hÖ thèng ®iÒu tèc PWM mét cùc bÞ h¹n chÕ
i
d
U
d
E
§
0
t
®
T
ck
t
u
t
u
t
t
n
u
B
t
u
B1
u

B2
u
B3
=u
B4
0
5.3. §Æc tÝnh c¬ vßng hë cña hÖ thèng ®iÒu tèc ®iÒu chÕ ®é
réng xung
5.4. Hàm số truyền của bộ biến đổi PWM
Quy luật điều khiển và mô hình toán học trạng thái động của
hệ thống điều chế độ rộng xung so với hệ thống tiristor - động cơ
một chiều không có gì khác nhau, duy chỉ có một chỗ đặc biệt là
hàm số truyền của bộ điều chế độ rộng xung và bản thân bộ biến đổi
PWM. Dựa vào nguyên lý làm việc của chúng, khi thay đổi điện áp
điều khiển u
đk
, điện áp ra của bộ biến đổi PWM phải chờ đến chu kỳ
sau mới thay đổi đ$ợc. Vì vậy, bộ biến đổi PWM có đặc tính của một
khâu trễ. Thời gian trễ lớn nhất của nó không v$ợt quá một chu kỳ
T
ck
.
5.4. Hàm số truyền của bộ biến đổi PWM
Cũng xử lý t$ơng tự nh$ hàm số truyền bộ chỉnh l$u điều khiển bằng tiristor,
khi tần số cắt của đặc tính tần số của cả hệ thống mạch hở thoả m n công ã
thức:
có thể coi khâu trễ gần đúng là khâu quán tính cấp bậc nhất. Vì thế, hàm số
truyền của bộ biến đổi PWM có thể viết thành:
c
ck

1
3T

PWM
PWM
ck
K
W (s)
T s 1
=
+
trong đó: hệ số khuếch đại của bộ biến đổi PWM;
U
TB
là điện áp trung bình đầu ra của bộ biến đổi PWM;
u
đk
là điện áp điều khiển mạch điều chế độ rộng xung của bộ biến
đổi PWM.
TB
PWM
k
U
K
u
=