1
Đồ án môn học
Điện tử công suất
Nội d ung :
sau:
Thiết kế bộ băm xung áp cho động cơ ôtô một chiều với các thông số
+ P = 1 kW.
+ U = 48 VDC.
+ n = 1000 v/ph.
Giáo viên h ướng d ẫ n: T.S Dương Văn Nghi.
Nhó m sinh viên thực hiện:
Nguyễn Tuấn Nghĩa.
Trần Bình Dương.
Nguyễn Công Chiến.
Nguyễn Hữu Nam.
LỜI NÓI ĐẦU
Trong giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại hoá nền kinh tế đất nước, ngày
càng có nhiều thiết bị bán dẫn công suất hiện đại được sử dụng rộng rãi trong
trong tất cả các lĩnh vực sản xuất, phục vụ đời sống con người. Đặc biệt trong
lĩnh vực điều chỉnh tự động sử dụng van bán dẫn.
Trong các lĩnh vực điều chỉnh tự động nói chung cũng như trong lĩnh vực
giao thông nói riêng việc đòi hỏi cần có các bộ điều chỉnh nhằm tiết kiệm năng
lượng ngày càng được đòi hỏi và thay thế .
Bên cạnh đó trong lĩnh vực giao thông việc sử dụng các động cơ
xăng,diezen ngày càng có xu hướng giảm vì các nhược điểm như: Tiêu
hao nhiều năng lượng, ô nhiễm môi trường ... Đồng thời với các thành tựu của
khoa học kỹ thuật thì việc chế tạo các động cơ điện ngày càng được hoàn thiện .
Song song với sự phát triển đó là sự đòi hỏi phải có bộ điều khiển các loại động
cơ đó
với chất lượng tốt nhất, thoả mãn các yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật nhằm sử
các nghành sản xuất như hầm mỏ, khai thác quặng, máy xúc và đặc biệt là trong
các đầu máy kéo tải ở lĩnh vực giao thông. Đó là nhờ hai đặc điểm quan
trọng ưu việt của nó là :
• Khả năng điều chỉnh tốc độ tốt
• Khả năng quá tải tốt. Đặc biệt ở loại động cơ kích thích nối tiếp và hỗn
hợp.
Ngoài hai đặc tính cơ bản trên, thì cầu trúc mạch lực và mạch điều khiển
động cơ điện một chiều đơn giản hơn nhiều so với động cơ KĐB, đồng thời lại
đạt chất lượng điều chỉnh cao hơn trong dải điều chỉnh rộng.
Thực tế là ở các nước phát triển, việc dùng động cơ điện thay thế cho các
loại động cơ điêzen hoặc xăng là phổ biến. Đó cũng là xu thế chung đối với toàn
thế giới trong tương lai. Một mặt là vì có nguồn điện rộng rãi; tiến bộ nhảy vọt
về công nghệ bán dẫn cho phép chế tạo được nhiều bộ biến đổi điện năng gọn
nhẹ, khả năng giới hạn dòng áp cao & tin cậy hơn. Mặt khác, là động cơ điện
không gây ô nhiễm môi trường như các loại động cơ khác, đồng thời cho hiệu
suất cao. Đây là một trong những đặc điểm quan trọng đưa đến việc đưa động cơ
điện vào giao thông ngày càng rộng rãi hơn. Trong thực tế, ở các nước phát triển
như Mỹ, Đức, Pháp, TQ.. . đa số hệ thống đường sắt dùng động cơ điện kéo đầu
máy đều được cung cấp bằng điện áp một chiều qua đường dây trên không hoặc
đường ray thứ ba.
Đối với hệ thống đường sắt trong thành phố có đặc điểm là khoảng cách
ngắn, mật độ giao thông cao thì việc dùng trực tiếp hệ thống đường dây
một chiều là thích hợp. Nhưng đối với trường hợp khoảng cách xa hơn, như
giữa các thành phố với nhau, thì việc dụng hệ thống một chiều là không kinh
tế. Trong trường hợp này người ta lấy tư lưới điện xoay chiều một pha có tần
số 50Hz ÷
60Hz và có điện áp khoảng 25kV sau đó qua hạ áp cấp vào bộ chỉnh lưu được
nguồn một chiều. Thông thường cấp điện áp của hệ thống tầu kéo đường
sắt trong thành phố dùng điện một chiều từ 600 ÷ 700V (với TH đường ray thứ
ba) hoặc 1500V (với TH đường dây trên không). Trong cả hai trường hợp
điều khiển động cơ kéo tải. Vì vậy, trước tiên ta đi giới thiệu một vài đặc tính
cơ bản của các loại động cơ điện một chiều, rồi từ đó đưa ra quyết định chọn
loại động
cơ thích hợp cho truyền động trong lĩnh vực đang đề cập tới.
3. Giới thiệu m ộtsố loạiđộng cơ điện m ộtchiều.
a. Động cơ điện kích thích độc lập hoặc song song.
Phương trình đặc tính cơ: Biểu thị quan hệ giữa tốc độ (n)và mômen (M)
K
ω
=
U
u
KΦ
−
R
u
+
R
f
.M
(KΦ)
2
Với những điều kiện U=const, I
t
=const thì từ thông của động cơ hầu như
không đổi. Vì vậy quan hệ trên là tuyến tính và đường đặc tính cơ của động cơ
là đường thẳng.
tải thay đổi.
b. Động cơ điện kích thích nối tiếp.
Ở động cơ điện kích thích nối tiếp, dòng điện kích thích chính là dòng điện
phần ứng : I
t
= I
ư
=I. Vậy trong phạm vi khá rộng có thể biểu thị:
Φ=K
Φ
.I
trong đó hệ số tỷ lệ K
Φ
chỉ là hằng số trong vùng I <0,8I
đm
; còn khi I >(0,8
÷ 0,9)I
đm
thì hơi giảm xuống do hiện tượng bão hoà mạch từ.
Như vậy, biểu thức đặc tính cơ có dạng:
Φ
2
M=C
M
.
Φ
C
e
.K
Φ
M
n
Như vậy khi mạch từ chưa bão hoà, đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
kích thích nối tiếp có dạng là đường hypebol bậc hai.
ω
*
Ta thấy, ở động cơ một chiều kích
thích nối tiếp, tốc độ quay n giảm
rất nhanh khi M tăng. Và khi mất tải
(M=0, I=0) thì n có trị số rất lớn. Vì vậy
thường
M
*
chỉ cho phép động cơ làm việc với tải tối
M
đ
m
thiều P
2
=(0,2
÷
0,25)P
đm
. Từ dạng đặc
tính cơ ta cũng có nhận xét là đặc tính cơ của động cơ kích thích nối tiếp rất
mềm ⇒ động cơ nối tiếp rất ưu việt trong những nơi cần mở máy nặng nề và
nên
khả năng chịu tải của động cơ không chịu ảnh hưởng của sụt áp lưới điện
nên rất thích hợp cho những truyền động dùng trong nghành giao thông có
đường dây cung cấp điện đi kèm theo tải.
Thực tế trong lĩnh vực này động cơ kích thích nối tiếp được sử dụng. Tuy
nhiên người ta cũng dùng cả động cơ kích thích hỗn hợp vì nó cho phép thực
hiện hãm tái sinh năng lượng mà vẫn đảm bảo tốt các yêu cầu truyền động.
4. Các phươngphápđiều chỉnh tốc độ động cơ.
Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kéo tải trong giao thông có
thể dùng phương pháp điện kết hợp cả phương pháp cơ qua cơ cấu bánh răng để
tăng dải điều chỉnh. Điều chỉnh bằng phương pháp điện càng tốt bao nhiêu càng
giảm độ phức tạp & cồng kềnh của cơ cấu cơ khí bấy nhiêu.
Thực tế tồn tại hai phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều:
Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ; tức là thay đổi U
ư
.
Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ ; tức là thay đổi từ thông Φ.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Φ có thể thay đổi được
liên tục & giữ được hiệu suất của động cơ là không đổi vì sự điều chỉnh dựa trên
việc tác dụng lên mạch kích thích có công suất nhỏ so với công suất động cơ.
Nhưng do bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức, ứng với kích thích
tối đa (Φ=Φ
đm
=Φ
max
), nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông; tức là
điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ & giới hạn điều chỉnh tốc độ bị hạn chế
bởi các điều kiện cơ khí và đảo chiều quay nên phương pháp này không thích
hợp trong trường hợp động cơ kéo tải giao thông.
Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ chỉ cho phép điều chỉnh
người ta có thể thay đổi góc mở chậm α nếu dùng bộ biến đổi là hệ thống chỉnh
lưu, hoặc thay đổi tần số băm trong trường hợp bộ biến đổi là bộ băm xung áp
một chiều.
Việc sử dụng hệ thống chỉnh lưu tiristor - động cơ chỉ ứng dụng
trong trường hợp tải của nó là loại động cơ công suất lớn, sử dụng sơ đồ
chỉnh lưu tiristor – động cơ một chiều luôn đi kèm theo việc đưa thêm bộ lọc
kồng kềnh nên chỉ khả dụng cho truyền động đầu máy tầu điện kéo tải lớn.
Với loại động cơ công suất nhỏ thì việc dùng bộ băm xung áp một chiều là
phù hợp. Vì thiết bị băm xung làm việc với hiệu suất cao (theo tính toán là xấp
xỉ bằng 1); ít nhạy cảm với nhiệt độ và điều kiện môi trường vì tham số điều
kiển là thời gian đóng mở; đặc biệt là có kích thước nhỏ gọn (tính cả lọc), nên
rất phù hợp với ôtô điện.
Sau đây giới thiệu nguyên lý chung của bộ băm xung, đồng thời phân tích
khái lược về các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ làm việc của bộ băm xung - áp
cũng như vấn đề lựa chọn thiết bị đáp ứng được các yêu cầu về chỉ tiêu kỹ thuật
và kinh tế.
D
Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc như một công tác tơ tĩnh (K) đóng
K
L
• •
•
C
Chỉnh lưu
1
không điều
khiển
•
C
2
Thực tế khoá K trên sơ đồ nguyên lý được thay bằng khoá điện tử cụ thể
là Tiristor hoặc Transistor(Công suất hoặc MOS).
Dùng Tiristor có ưu điểm là trị số giới hạn cao ,làm việc chắc chắn
rẻ tiền,tổn hao khi dẫn nhỏ nhưng có nhược điểm là mở chậm nên chỉ sử dụng rộng
rãi ở tần số đóng mở thấp (dưới 500Hz).
Transistor MOS thích hợp với dải tần số chuyển mạch cao hơn 100KHz.
Transistor công suất thích hợp với dải tần từ 20->100Khz,có giá thành rẻ
hơn,tổn hao ít hơn MOS.
Với hệ thống dùng Transistor thì yêu cầu làm mát không cao bằng
Tiristor,nhưng Tiristor lại cho phép dễ bảo vệ chống lại các sự cố hơn Transistor
.Vì vậy ở những môi trường làm việc nặng nề việc sử dụng Transistor là hạn
chế.
Việc sử dụng loại linh kiện nào dùng trong bộ biến đổi trong thực tế
là dựa vào khả năng kinh tế kỹ thuật và trong nhiều trường hợp thì việc lựa
chọn không rõ ràng .
Ngoài sự ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật là tần số đóng cắt, giới hạn
về các linh kiện thì chất lượng điều chỉnh tốc độ ôtô còn phụ thuộc vào cả cơ
cấu điều chỉnh là kín hay hở. Dùng sơ đồ điều chỉnh kín (có vòng phản hồi) sẽ
tăng thêm tính ổn định tốc độ với một tần số đóng cắt nhất định, nâng cao được
chất lượng điều chỉnh.
Trên đây giới thiệu những nét khái quát nhất về công nghệ. Việc thiết kế
chi tiết xin dành cho các mục dưới đây.
U
CHƯƠNG II
BỘ BĂM XUNG ÁP MỘT CHIỀU
Như đã giới thiệu ở chương trước, bộ băm xung áp một chiều có nhiều ưu
điểm trong truyền động giao thông. Bộ băm xung áp biến đổi được điện áp một
chiều từ 0 đến giá trị điện áp nguồn U
S
này là điều khiền các phần tử công suất bằng phương pháp xung. Để có
hiệu suất lớn thì điện áp sụt trên các phần tử công suất ở trạng thái mở phải nhỏ,
dòng qua nó ở trạng thái mở rất nhỏ.
II. Phương pháp điều chỉnh điện áp ra
Có hai phương pháp:
Thay đổi độ rộng xung (t
1
).
Thay đổi tần số xung (T hoặc f).
1. Phương pháp thay đổi độ rộng xung
Nội dung của phương pháp này là thay đổi t
1
, giữ nguyên T ⇒ Giá
trị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:
U
tai
=
t
1
.U
S
T
=
ε
.U
S
trong đó đặt:
ε
=
khi
f
=
1
t
1
và U
ra=0
khi f=0.
Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phương pháp trên. Thực tế phương pháp biến
đổi độ rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bị
biến tần đi kèm.
D1
III. Các dạngcơ bản
Dựa vào cách mắc khoá xung, các bộ lọc và nguồn cung cấp mà có
các
dạng sơ đồ sau:
1. Biến đổi hạ áp:
Sơ đồ nguyên lý như sau:
L1
U
U
r
C
Tả
i
Phần tử điều chỉnh quy ước là khoá K ( thực tế là Tiristor hoặc Tranzitor).
≤ U
S
. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.
Đặc tính truyền đạt:
W
=
U
tai
=
α
I
U
S
I
2. Biến đổi tăng áp:
Sơ đồ như sau:
L1
D1
U
U
r
K
C
Tả
i
Đặc điểm: L
1
w
d
Φ
e
L
, có cùng cực tính U
S
. Do đó tổng điện áp: U=U
S
+e
L
→
làm D thông
dt
→ U
tải
=U
S
+e
L
. Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp.
Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U
S
ở chế độ liên
tục và năng lượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn.
Đặc tính truyền đạt:
W
=
, dòng chạy từ +U
S
→ K → L
1
→ -U
S
. Năng lượng
tích luỹ trong cuộn cảm L
1
; đi-ôt D tắt; U
tải
=U
C
, tụ C phóng điện qua tải.
+ K ngắt, cuộn cảm L
1
sinh ra sức điện động ngược chiều với trường hợp
đóng ⇒ D thông ⇒ năng lượng từ trường nạp và C, tụ C tích điện; U
tải
sẽ
ngược chiều với U
S
.
Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với U
S
. Giá trị tuyệt đối |U
D
S
Nh ận xét : Các bộ biến đổi (3 & 4) có ưu điểm ở chỗ là cho phép
nhận được điện áp ra tải U
tải
cao hơn điện áp nguồn cung cấp U
S
, song
chúng chỉ thích hợp với dải công suất nhỏ nên ít thông dụng.
IV. Một sốsơ đồ bămxung áp
Thực tế có rất nhiều sơ đồ băm xung áp một chiều với nhiều đặc điểm
khác nhau tuỳ mục đích sử dụng, song chúng đều làm việc dựa trên những
nguyên lý của các dạng cơ bản như đã giới thiệu ở mục trên.
Dưới đây xin giới thiệu hai sơ đồ băm xung áp:
Một loại cho phép tái sinh năng lượng và cho dòng tải liên tục.
Một loại cho phép đảo chiều dòng tải, thực hiện được hãm tái sinh
năng lượng và có thể áp dụng được nhiều chế độ điều khiển
khác nhau.
1. Sơ đồ băm xung áp loại B.
Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp loại này như sau:
• • •
S
1
C
D
2
L1
R
U
khoá dòng tảI được khép mạch qua điod
D
1
đảm bảo dòng tảI là liên tục ngay cả khi S
1
khoá .
Để đảo chiều dòng điện phần ứng động cơ (dòng i
d
) ta cho S
2
và D
2
vào
vận hành còn S
1
ngắt. Khi đó ,do quán tính động cơ vẫn quay theo chiều cũ
mặc dù bị ngắt ra khỏi nguồn → E > 0. Lúc này mạch tải chỉ có nguồn duy
nhất E khép mạch qua S
2
→ xuất hiện dòng điện chạy ngược lại chiều ban đầu
.Công suất điện từ của động cơ là:P
đt
= I
d
Copyright: Tài liệu đại học ©