Đồ án điện tử công suất thiết kế bộ băm điện áp mộtchiều điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Đồ án điện tử công suất
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
ĐỀ TÀI
THIẾT BỘ BĂM ÁP ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU CHO PHẦN ỨNG ĐỘNG
CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP.

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : NGUYỄN VĂN MINH TRÍ
SINH VIÊN THỰC HIỆN : NGUYỄN QUYẾT THẮNG
TRẦN XUÂN LỈNH
NGUYỄN HUY HOÀNG

SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

1


Đồ án điện tử công suất
MỤC LỤC
Trang
Mục lục

2

Lời mở đầu

4

Chương I Tổng quan về điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều

5

I.
II.
III.

Giới thiệu về động cơ điện một chiều
5
Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
6
Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều 7

+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ tông

8

+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf

9

+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.

10

IV.

11

Lựa chọn phương án điều khiển tốc độ

Chương II Phân tích hệ truyền động Bộ băm điện áp một chiều
Động cơ điện một chiều
I.
Chọn động cơ
II.
Tổng quan về bộ băm áp một chiều
+ Bộ băm áp nối tiếp
+ Bộ băm áp song song
+ Bộ băm hỗn hợp
III. Thiết kế bộ băm áp một chiều
+ Chọn bộ băm kiểu nối tiếp
+ Quá trình diễn biến dòng áp trong mạch
+ Tính chọn các phần tử trong mạch băm
Chương III Tính toán mạch động lực và chọn thiết bị bảo vệ
I.
Tính toán mạch động lực
+ Thông số động cơ
+ Phương trình đặc tính của động cơ điện một chiều
+ Tính chọn linh kiện động lực
SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

12
12
12
12
16
19
20

20
21
22
25
25
25
25
26
2


Đồ án điện tử công suất
II.

Chọn thiết bị bảo vệ

29

+ Bảo vệ quá nhiệt cho các thyristor

29

+ Bảo vệ quá dòng cho các thyristor

31

+ Bảo vệ quá áp cho các thyristor

32

Chương IV Tính chọn mạch điều khiển

35

I.
Nguyên lí điều khiển
II.
Sơ đồ mạch điều khiển
III. Lựa chọn mạch điều khiển
+ Khâu tạo tần số
+ Khâu so sánh
+ Khâu khuếch đại xung
IV. Tính chọn mạch điều khiển

35
36
37
37
38
39
40

+ Khâu tạo tần số

40

+ Khâu so sánh

41

+ Tạo điện áp điều khiển

41

+ Khâu khuếch đại công suất

42

+ Tạo nguồn nuôi

50

Kết luận

57

Tài liệu tham khảo

58
LỜI NÓI ĐẦU

Công nghiệp điện tử là ngành nghiên cứu, chế tạo ra các van bán dẫn; các bộ
biến đổi và ứng dụng của nó. Từ khi ra đời cho đến nay, ngành không ngừng
phát triển cả về qui mô lẫn chất lượng. Các van bán dẫn ngày càng có tốc độ
đóng cắt nhanh hơn, công suất lớn hơn (Điện tử công suất) như: diode, thyristor,
transistor, IGBT... chịu được điện áp cao và dòng lớn; và cả những thiết bị bán
SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

3

Đồ án điện tử công suất
dẫn cực nhỏ như vi mạch, vi mạch đa chức năng, vi xử lí là những phần tử thiết
yếu trong mạch điều khiển thiết bị bán dẫn công suất nói trên.
Ngày nay, không riêng gì ở các nước phát triển, ngay cả ở nước ta, các thiết
bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các nhành công nghiệp và cả trong lĩnh
vực sinh hoạt. Các xí nghiệp, nhà máy xi măng, thủy điện, giấy, đường, dệt, sợi,
đóng tàu.. đang sử ngày càng nhiều những thành tựu của công nghiệp điện tử,
đó là những minh chứng cho sự phát triển của ngành công nghiệp hiện nay.
Chính vì thế, việc học và nghiên cứu về Điện tử công suất là thực sự cần
thiết. Bên cạnh giờ học trên lớp thì nhóm em cũng được giao nhiệm vụ nghiên
cứu đề tài “Thiết kế bộ băm áp một chiều cho phần ứng động cơ điện một chiều
kích từ độc lập”
Chúng em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Văn Minh Trí đã hướng dẫn
chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Vì còn thiếu kinh nghiệm, cho nên trong quá trình thực hiện không tránh
khỏi thiếu sót, chúng em rất mong nhận được sự chỉ dẫn và góp ý từ quý thầy
cô.

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN
MỘT CHIỀU
I. Giới thiệu về động cơ một chiều

SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

4


Đồ án điện tử công suất

Hiện nay trong các ngành công nghiệp hiện đại, máy điện một chiều được xem
là một loại máy quan trọng, không thể thiếu trong sản xuất. Nó có thể dùng làm
động cơ điện, máy phát điện hay dùng trong những điều kiện làm việc khác
nhau tùy theo mục đích sử dụng. Động cơ điện một chiều có mặt trong các lĩnh
vực như trong công nghiệp giao thông vận tải, và ở các thiết bị cần điều khiển ở
tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán ép, máy công cụ
lớn, đầu máy điện,…).
Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ hay máy
phát tùy ý theo điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất của động
cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải, đông cơ điện một
chiều có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều
khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao. Nhược điểm của động cơ
một chiều có giá thành đắt hơn các động cơ xoay chiều khác do sử dụng nhiều
kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn.
Động cơ điện một chiều có công suất nhỏ khoảng 75%÷85%. Động cơ điện
một chiều có công suất trung bình và lớn khoảng85%÷94%. Công suất lớn nhất
của động cơ điện một chiều vào khoảng 1000KW, điện áp vào khoảng vài trăm
đến 1000V. Động cơ điện một chiều ngày càng được cải tiến các tính năng với
chất lượng tốt hơn, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những máy
có công suất lớn hơn.

SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

5


Đồ án điện tử công suất

Hình 1.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều
II. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Khi động cơ làm việc, roto mang cuộn ứng quay trong từ trường của cuộn
cảm nên trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức điện động cảm ứng (hay còn gọi
là sức phản điện động) có chiều ngược với chiều của điện áp đặt vào phần ứng
động cơ. Phương trình điện áp ở mạch roto sẽ là:

Trong đó :
• U là điện áp lưới (V).
• E là sức điện động của động cơ (V).
• là dòng điện phần ứng của động cơ (A).
• là điện trở toàn bộ mạch phần ứng (Ω).

• là điện trở mạch phần ứng (Ω).
• là điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω).
Với:


 là điện trở cuộn phần ứng. (Ω).
là điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp (Ω).
 là điện trở cuộn bù. (Ω).
 là điện trở cuộn phụ (Ω).

SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

6


Đồ án điện tử công suất
Sức điện động phần ứng là tỉ lệ với tốc độ quay của roto:
Trong đó:
•

•
•

là từ thông qua một cực từ (Wb).
là tốc độ góc của roto (rad/s).
k là hệ số phụ thuộc vào kết cấu của động cơ:
Với :
 p là số đôi cực từ chính .
 N là số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng.
 a là số mạch nhánh song song của cuộn ứng.

Nhờ lực từ trường tác dụng vào dây quấn ứng khi có dòng điện, roto quay
dưới tác dụng của momen quay.

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

III. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ tông
Hình 1.2Sự thay đổi của từ thông làm thay đổi tốc độ động cơ
n (vòng/phút)
n0’’’
n0’’

θδ’’’
θδ’’
θδ’
θδđm

n0’
n0đm

SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

Mđm(Iđm)

M(Iư)

7


Đồ án điện tử công suất
Muốn thay đổi từ thông động cơ, ta tiến hành thay đổi dòng kích từ của động
cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ. Phương pháp này cho phép
tăng điện trở vào mạch kích từ nghĩa là có thể giảm dòng điện kích từ (I kt ≤ Iktdm)
do đó chỉ có thể thay đổi về phía giảm từ thông. Khi giảm từ thông, các đặc tính
dốc hơn và có tốc độ không tải lơn hơn.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có đặc điểm :
− Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ càng
tăng, tốc độ đông cơ càng lớn
− Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông
− Chỉ có thể thay đổi được tốc độ về phía tăng theo phương pháp này.
− Với tải không lớn thì tốc độ tăng khi từ thông giảm còn với tải lớn tốc độ
có thể tăng hoặc giảm tùy theo tải
− Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chinh D ≈ 3÷1
− Tiết kiệm chi phí vì tổn hao điều chỉnh thấp
2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ R f trên mạch phần
ứng.
Nếu nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng thì phươn trình đặc tính cơ
trở thành:

Khi tăng điện trở mạch phần ứng, đặc tính cơ dốc hơn nhưng vẫn giữ
nguyên tốc độ không tải lý tưởng. Trên hình 1.3, ta có các đường đặc tính cơ
ứng với các trị số khác nhau của Rf0 =0 là đặc tính cơ tự nhiên.
n (vòng/phút)
n0

Rf0

Rf1

Rf2

SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

Mđm(Iđm)
Rf3

M(Iư)

8


Đồ án điện tử công suất

Hình 1.3 Sự thay đổi của điện trở phụ Rf làm thay đổi tốc độ động cơ
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf có đặc điểm :
− Điện trở mạch phần ứng càng tăng độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính
cơ càng mền và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn
− Phương pháp này chỉ cho phép thay đổi độ về phía giảm
− Tổn hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở khi điều chỉnh khá lớn

− Dải điều chỉnh phụ thuộc trị số moomen tải. tải càng nhỏ thì dải điều
chỉnh D cang nhỏ. Phương pháp này thường cho D ≈ 5÷1
3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.
Hình 1.4 Sự thay đổi của điện áp làm thay đổi tốc độ động cơ
n (vòng/phút)

4
1 (Uđm)
Uđm
2
3

Mđm(Iđm)

M(Iư)

Phương pháp này chỉ áp dụng được đối với động cơ điện một chiều kích từ độc
lập hoặc động cơ điện kích thích song song làm việc ở chế độ kích từ độc lập.
Khi thay đổi U ta có một họ đặc tính cơ cùng một độ dốc (hình 1.4).
SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

9


Đồ án điện tử công suất
Trên hình 1.4: đường 1 ứng với Uđm đường 2, 3 ứng với Uđm> U2 > U3 và
đường 4 ứng với U4 > Uđm.Vì không cho phép vượt quá điện áp định mức nên
phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh giảm tốc độ, việc điều chỉnh tốc độ
định mức không áp dụng hoặc được thực hiện trong một phạm vi rất hẹp.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp có đặc điểm :

− Lúc điều chỉnh tốc độ mômen không đổi vì và Iư đều không đổi.
− Có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng không đổi
− Tốc độ không tải lý tưởng tùy thuộc vào giá trị điện áp U đk của hệ thống
đó
− Dải điều chỉnh tốc độ của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tính
ứng với điện áp Uđm và đm
− Với một cơ cấu máy cụ thể có ω 0max, KM, Mđm xác định vì vậy phạm vi
điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng.

IV. Lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ
Theo đề bài của độ án là: “ Thiết kế bộ băm điện áp một chiều cho phần ứng
động cơ điện một chiều kích từ độc lập ” thì nhóm em lựa chọn phương pháp
điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
Bởi vì ưu điểm của phương pháp này so với hai phương pháp trên là:
• Hiệu suất điều chỉnh cao (phương trình điều khiển là tuyến tính, triệt để)
hơn, tổn hao công suất điêù khiển nhỏ.
• Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mômen
ngắn mạch giảm, dòng ngắn mạch giảm. Điều này rất có ý nghĩa trong
lúc khởi động động cơ.
• Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điều
chỉnh xác định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục.

SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

10


Đồ án điện tử công suất
Tuy vậy phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏi phải có
nguồn áp điều chỉnh được xong nó là không đáng kể so với vai trò và ưu điểm

của nó. Vậy nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi.

CHƯƠNG II : PHÂN TÍCH HỆ TRUYỀN ĐỘNG BỘ BĂM ÁP MỘT
CHIỀU - ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
I. Chọn động cơ có các số liệu ban đầu sau:
Động cơ điện một chiều kiểu ∏H có:
• Điện áp phần ứng : Uư.đm=220V
• Công suất động cơ: Pđm=6.6KW
• Dòng điện phần ứng : Iư.đm=35A
• Tốc độ động cơ : nđm=2200 vg/ph.
• Phạm vi điều chỉnh tốc độ dưới 1:2
• Nguốn một chiều E=240V
II. Tổng quan về bộ băm áp một chiều :
Bộ băm xung một chiều hay còn gọi bộ biến đổi DC-DC(công tắc tơ tĩnh ) là
thiết bị dùng để thay đổi điện áp một chiều ra tải từ một nguồn điện áp một
chiều cố định .Nhằm mục đích tạo ra điện áp một chiều biến đổi được để điều
chỉnh tốc độ động cơ . Nhờ đóng hay mở sớm góc α để tạo điện áp trung bình
lớn hay nhỏ mà động cơ thay đổi tốc độ nhanh hay chậm .
Các bộ băm áp một chiều có thể thực hiện theo sơ đồ mạch nối tiếp (phần tử
đóng cắt nối tiếp với tải ) hoặc theo sơ đồ mạch song song (phần tử đóng cắt
được mắc song song với tải ). Ta có hai bộ biến đổi sau:
1. Bộ băm áp một chiều kiểu nối tiếp:
SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

11


Đồ án điện tử công suất
a) Nguyên lý tổng quát
Sơ đồ nguyên lý băm áp một chiều nối tiếp được giới thiệu trên hình 2.1a. Theo

đó phần tử chuyển mạch tạo các xung điện áp mắc nối tiếp với tải. Điện áp một
chiều được điều khiển bằng cách điều khiển thời gian K trong chu kì đóng cắt.
Trong khoảng 0 ÷ t1 (hình 2.1b) khóa K đóng điện áp tải bằng điện áp nguồn
( Ud = U1 ), trong khoảng t1 ÷ t2 khóa K mở điện áp tải bằng 0.

K
U1

Ud

Zd
U1

Ud
t
t1

t2

Tck

Hình 2.1 Băm áp một chiều nối tiếp
a)Sơ đồ nguyên lý ; b) Đường cong điện áp
Trị số trung bình điện áp tải được tính:

Nếu coi = thì :

Trong đó:
Ud: Điện áp tải một chiều
U1 : Điện áp nguồn cấp một chiều

t1 : Khoảng thời gian đóng khóa K
TCK : Chu kì đóng cắt khóa K
: Độ rộng xung điện áp
SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

12


Đồ án điện tử công suất
Từ biểu thức trên thấy rằng, muốn điều khiển điện áp tải U d cần điều khiển
độ xung điện áp . Độ rộng xung điện áp này có thể được điều chỉnh bằng một
trong hai thông số: điều chỉnh thời gian đóng khóa K (t 1) giữ chu kì đóng cắt Tck
không đổi hoặc điều chỉnh chu kì đóng cắt (T ck ) giữ thời gian đóng khóa K (t 1)
không đổi . Tuy nhiên, việc thay đổi chu kì đóng cắt khóa K làm cho chất lượng
điều khiển của phương pháp này xấu, người ta ít dùng.

uc

b) Sơ đồ mạch

WL=Li2/2
id

Ud
Do

Hình 2.2 Sơ đồ mạch của băm áp nối tiếp
c) Đồ thị và dạng sóng
u

S

Do

S

Do

S

U1
Ud

Utb

t

SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

13


Đồ án điện tử công suất
i...............................................................................

Idmax

id
Idmin
t

.................................................................................
Hình 2.3Dạng sóng của điện áp và dòng điện trong bộ băm áp nối tiếp
Trong đó :

•

• U :Nguồn một chiều không đổi
• Công tắc S mắc nối tiếp tải RLEư
Do: Diode hoàn năng lượng
d) Nguyên lý làm việc

Ban đầu ta giả thiết nguồn và tải là lý tưởng ta có:
• Nhịp S (0− Khóa S cho dòng điện khép kín chạy qua mạch LREư
− Năng lượng một phần tích lũy trong L , phần lớn nạp cho nguồn E ư, phần
còn lại tiêu tốn trên R .
− Điện áp và dòng điện :
Khi S dẫn Ldid/dt + id.R+E=U hay did/dt +
− Giải các phương trình vi phân (1-1) ta có nghiệm:

id =

U −E
R

R
L

id =

U −E R
.
R L

(1-1)

(1-e(-t/τ)) + Idbđ. e(-t/τ)

Với Idbđ : dòng điện ban đầu của chu kì đang xét

τ=

L
R

: hằng số thời gian điện từ của mạch

SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

14


Đồ án điện tử công suất
U −E
R

⇒

Dòng điện trên tải tăng theo hàm mũ về giá trị
• Nhịp Do (t1

− Khóa S khóa , Do mở dòng khép kín qua mạch RLEư và Do
− Năng lượng được tích lũy trong L giải phóng , một phần nạp cho E ư phần
còn lại tiêu tốn trên R.
− Điện áp và dòng điện :
+ Khi khóa S khóa (hở mạch): Ldid/dt + R.id+E=0 hay
+ Dưới dạng toán tử Laplace: p.id(p)- id(0)+(R/L).id=
− Nghiệm của phương trình thời điểm t’=t-t1: id=

⇒

Dòng tải tang theo hàm mũ với giá trị

− Giá trị trung bình áp trên tải: Ud=

t1

1 Udt
∫
T 0

− Giá trị trung bình của dòng điện tải:Id=
2. Bộ băm áp một chiều mắc song song

−E
R

−E
R

t1

T

=

+

R
L

id=

−E
L

−E 1
L p

.

(1-e(t-t1)/τ)+Id.e(t-t1)/τ)

= U(với γ=

Ud − E
R

did
dt

t1

T

γ .U − E
R

là tỷ số chu kỳ)

Trong những trường hợp tải có một nguồn năng lượng nào đó (ví dụ động cơ
điện làm việc ở chế độ máy phát), việc xả năng lượng của tải là cần thiết . Nhằm
trả năng lượng từnguồn điện áp thấp(E ư) sang nguồn điện áp cao hơn (nguồn
điện 1 chiều U)
a) Sơ đồ mạch

SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

15


Đồ án điện tử công suất
iN
id
Do

iS

id
iS
Ud

Ud

uc

Hình 2.4 Sơ đồ mạch điện băm áp một chiều song song
b) Dạng sóng
Ud
U ............

t

T

t1
IN
Id

t

IS

t
γT
T

Hình 2.5Đồ thị điện áp và dòng điện

SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

16

Đồ án điện tử công suất
c) Nguyên lý làm việc
Tải là một máy điện một chiều (R+L+E) . Sơ đồ bộ băm song song cho phép
thực hiện hãm tái sinh . Trong chế độ hãm tái sinh máy điện làm việc như một
máy phát trả năng lượng về nguồn .
L là điện cảm phần ứng giả thiết đủ lớn để giữ cho i d=Id =const trong quá trình
chuyển mạch
Ta có:
− Trong khoảng 0÷t1 khóa S mở , dòng khép kín qua mạch RLE ư đồng thời
diot Do bị khóalại ( tránh ngắn mạch nguồn ) iN=0,is=id,U=0.Năng lượng
từ nguồn E ( công suất trên trục động cơ) biến thành năng lượng từ
trường tích cho cuộn L , và khi S khóa hở mạch trả năng lượng về nguồn
qua diode Do.
− Trong khoảng t1÷T khóa S khóa lại đồng thời mở Do dẫn iN=id,U=Ud,iS=0.
− Phương trình mạch tải có dạng : E-R.id-Ldid/dt=U
− Giá trị trung bình của điện áp tải một chiều:
Ud =

− Giá trị trung bình của dòng điện tải trả về nguồn.
IN = ( 1−). Id
− Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua khóa S.
IS = γ . I

− Phương trình của mạch tải khi máy điện thực hiện hãm tái sinh:
E-R.iz-Ldiz/dt =U
SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

17

Đồ án điện tử công suất
Giá trị trung bình của dòng điện tải .
Id =
∗ Nhận xét:Muốn hãm tái sinh , trả năng lượng về nguồn => I d>0 thì E>U có
thể không chế dòng điện bang cách tác dụng vào tỷ số chu kỳγQua các
biểu thức trên ta thấy muốn điều chỉnh dòng dòng điện tải càn điều chỉnh
độ rộng xung () đóng khóa
3. Bộ biến đổi điện áp một chiều mắc nối tiếp và song song kết hợp
Hình 2.6 Sơ đồ mạch điện băm áp mắc nối tiếp và song song kết hợp

S1
S2

− Sơ đồ phối hợp nối tiếp và song song được sử dụng trong trường hợp tải
làm việc ở 2 trường hợp nạp năng lượng và trả năng lượng về nguồn
− Hai van S1 và S2 được điều khiển độc lập :
• Điều khiển S1 khi nhận năng lượng từ nguồn
• Điều khiển S2 khi trả năng lượng về nguồn .
III.

Thiết kế bộ băm áp một chiều
1. Chọn bộ băm kiểu nối tiếp
Tp

+

iS
uc

C

ic
Ta

U
SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

id
iDo

R

Do

L

18


Đồ án điện tử công suất

L1

+
_

D1

E

_
Bộ chuyển mạch LC
Hình 3.1 Sơ đồ mạch điện của bộ băm nối tiếp
Nguyên lý cơ bản của hình 3.1:
− Trạng thái ban đầu Tp và Ta đều bị khóa , tụ C được nạp điện , bản cực
dương ở bên trên . Cho xung kích mở T p . Thyristor này mở cho dòng
chạy qua .Dòng điện từ nguồn U chảy qua tải và trở về nguồn . Đồng
thời tụ C phóng điện theo mạch C-Tp-D1-L1-C và được nạp ngược lại
.Điện áp trên tải Ud=U
− Bây giờ ta cho xung kích mở Ta , thyristor này mở đặt điện áp giữa 2 bản
tụ điện C lên Tp khiến Tp bị khóa lại =>Ud=0
∗ Ưu điểm :
• Chịu được công suất tải lớn bằng cách kết hợp Thyristor(SCR) và bộ
chuyển mạch L1C
• Đơn giản và gọn

Khi ta thay đổi γ (tỷ số chu kỳ xung) thì có thể điều chỉnh được Utb ra tải
Có hai phương pháp thay đổi điện áp ra tải :
− Phương pháp thay đổi độ rộng xung:
Thay đổi t1 và giữ nguyên T => Giá trị trung bình điện áp khi thay đổi

độ rộng : Utải=

t1.U
T

= γU Với γ=

SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

t1
T

là hệ số lấp đầy hay tỉ số chu kỳ
19


Đồ án điện tử công suất

⇒ Có dải điều chỉnh điện áp ra 0<γ≤1

− Phương pháp xung – tần :

Nội dung phương pháp thay đổi T , t1=const . Khi đó: Utải =

t1.U
T

=t1.f.U

1
t1

=>Utải=U khi f=
− Trên thực tế phương pháp biến đổi độ rộng xung phổ biến hơn vì đơn
giản không cần thiết bị biến tần đi kèm .
Trong đồ án này ta sử dụng phương pháp điều khiển thay đổi độ rộng xung .
2. Quá trình diễn biến dòng áp trong mạch
a) Quá trình khi H đóng
Ban đầu Tp và Ta đều ở trạng thái khóa

− Khi t=0 cấp xung mồi cho Tp xuất hiện hai dòng điện :
Dòng điện nguồn is chảy theo mạch U-Tp-tải-U → Ud=U

− Ta có phương trình : L

did
dt

+R.id+ Eư = U (1-2)

Để xác định biểu thức của Id một cách đơn giản với sai số nhỏ => id=Id (1-3)
T

Từ (1.2) và (1-3):

⇒

id =

0

(1 − γ ).U
.T
L

(1 − γ ).U
L
0

T

∫ dId

∫

=

+A

Cáchxác định A:

− Khi t=0, thì id=Idmin => A=Idmin Nên :id=
SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

(1 − γ ).U
.T
L

+Idmin
20


Đồ án điện tử công suất
Xác định giá trị lớn nhất của dòng điện : (Idmax)

− Khi t=t1= γT thì id=Idmax : Idmax=
b) Quá trình khi H mở
− Ta có: L
−

did
dt

+R.id+ Eư =0 =>

(1 − γ ).U
.γ .T
L

did
dt

=

(1 − γ ).U
.γ .T
L

Tại thời điểm t’=T-t1 : id=− Khi t’=0 tức t=t1 => B=id=Idmax

+Idmin (1-4)

αU
L

+B

(1 − γ ).U
.γ .T
L

− Nên Idmin==+ Idmax (1-5)
− Giá trị trung bình của dòng điện tải:

Id=

Id min + Id max
2

=

(1 − γ ).γ U .T γ .U − E
2.L
R

− Độ nhấp nhô dòng điện tải (tính gần đúng ):

∆Id=

Id max − Id min
2

3.
a)
−
−

=

(1 − γ ).γ U .T

2.L

Tính chọn các phần tử trong mạch băm xung 1 chiều
Tính chọn Thyristor Ta và Tp:
Ta dựa vào đồ thị để tính chọn Tp và Ta
Ta tính các giá trị định mức của tải :Udm ,Idm

=> Điện áp ngược cực đại đặt lên T a và Tp(Ungmax) và Dòng điện trung bình lớn
nhất qua thyristor (Itbmax)
Ungmax=ku.Udm ( ku:hệ số dự trữ điện áp )
Itbmax=ki.Idm (ki:hệ số dự trữ dòng điện )
− Ta tính chọn diode theo các thông số tương tự thyristor
SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

21


Đồ án điện tử công suất
− Tính C:
+ Ta có: L1 và C được chọn để đảm bảo thời gian cần thiết để các
thyristor khôi phục khả năng ngắt (hay điều kiện ngắt an toàn các
thyristor)
Trong đó:
• tq: thời gian khóa cho từng thyristor
• t0:Thời gian bảo vệ mà thyristor bị ngắt cần để khôi phục khả năng
khóa .
− Để tính toán tụ C cần dựa vào điều kiện ngắt Tp :
t0(Tpmin)=(t5-t4)min>tq(Tp)
− Công thức tính điện áp tụ C trong mạch theo hệ thức:
t

uC=uC(t4)+

1
. Iddt
C t∫4

Bởi vì uC(t3)=uC(t4)=–K1.U . sau khi lấy tích phân ,ta có:

uC=

Id
C

.(t-t4)–K1.U

Tại t=t5: uC(t5)=

Id
C

.(t5-t4) –K1.U=0 => t5-t4=

K1.U .C
Id

tq(Tp) đạt giá trị nhỏ nhất khi I d (dòng xả và nạp tụ trong khoản t 4→t5) đạt giá trị
lớn nhất .

C≥

Id
K1.U

.tq(Tp) .Người ta thường lấy t5= (1.2÷1.5).toffp ( toffp: thời gian khóa

Tp):

SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

22


Đồ án điện tử công suất

•

C=(1.2÷1.5).

Id
U

.toffp

− Tính L:
+ Ta sử dụng khoản (t1,t2) để phục hồi trạng thái khóa (lúc này Tp được
kích dẫn ,điện áp tụ C đặt lên Tq là điện áp ngược )
(t2-t1) ≥ tq(Ta)
+ t2 – t1 bằng 1/4 chu kỳ dao động của mạch L1C ký hiệu Tr:

t2 –t1 =

Tr
4

π
2

= .

t
L1.C

=>

L1≥

2
q

(Ta ).4

π

2

.C

Nếu thời gian khóa của Ta là toffa thì ta có thể viết lại: L1=

0.4
C

. (toffa)2

CHƯƠNG III : TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ CHỌN THIẾT BỊ
BẢO VỆ

I. Tính toán mạch động lực
1. Thông số động cơ
• Pđm= 6.6kW.
SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

23


Đồ án điện tử công suất
• U.ưđm= 220V
• nđm= 2200(v/p)  Ωđm=230 (rad/s)
• = 0.54 (Vb) // Từ thông trên một cực từ.
• kM = 166.24
• kE = 17.4
• Eđm = 206.24
• Mđm = 31.4(N.m)
• Rm.ư = 0.26 (Ω)
2. Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều:
Theo đề tài điều chỉnh tốc độ dưới 1:2 ta có:

(V)



3. Tính chọn linh kiện mạch động lực:
a) Tính chọn Thyritor Tp
Dòng trung bình qua thyristor Tp:
Áp ngược max đặt lên Tp:
Upng.max = E=240 (V)
Ta có
•

Chọn thyristor HTS80/06UG1 có thông số như sau:

SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

24


Đồ án điện tử công suất
Ung.max
(V)

Id
(A
)

Ipik
A)

Igmax
(mA)

Ugmax
(V)

Ihmax
(mA)

Ir
(mA
)

∆Umax
(V)

du/dt
(V/s)

Tcm
(µs)

T◦cp
(ºC)

600

80

130
0

150

3

100

15

2.13

200

20

125

•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•

Trong đó:
Ung.max: Điện áp ngược lớn nhất đặt lên Thyristor

Id: Dòng trung bình lớn nhất qua thyristor
Ipik :Dòng điện đỉnh qua thyristor
Igmax: Dòng kích lớn nhất đặt vào cực cổng thyristor
Ugmax: Áp lớn nhất đặt lên GK của thyris tor
Ihmax: Dòng dự trữ hay ngưỡng kích mở thyristor
Ir: Dòng rò
∆Umax: Rơi áp thuận qua thyristor khi dẫn bão hòa.
du/dt: đạo hàm điện áp
tcm: thời gian chuyển mạch (mở và khóa)
Tºcp : Nhiệt độ làm việc cực đại tại lớp tiếp giáp.

b) Tính chọn Thyritor Ta
Chọn tần số băm áp là 200Hz  chu kì băm T=5 (ms)
Dòng trung bình lớn nhất qua Ta:

Áp ngược lớn nhất đặt lên Ta:
Ung.max= E= 240 (V)
Ta có
Ung.max
(V)

Id
(A)

Ipik
A)

Igmax
(mA)

Ugmax
(V)

Ihmax
(mA)

Ir
(mA
)

∆Umax
(V)

du/dt
(V/s)

Tcm
(µs)

T◦cp
(ºC)

400

1.5

160

200

0.8

5

200

1.7

25

40

125

SVTH: Nguyễn Huy Hoàng

25