Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu thiết kế hệ truyền động điện XA Đ cho xe buýt chạy điện có số liệu.Các thông số kỹ thuật Điện áp cung cấp U = 400VDC Trọng lượng xe: 4.103kg Tải định mức : 3.103kg Tốc độ lớn nhất Vmax = 80kmh Đường kính bánh xe : D =

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Số : Nhóm 8
Họ và tên SV : ………………………….

Lớp : TĐH3 –K9

Khoá : 9 Khoa : Điện
Giáo viên hướng dẫn : Th.s Nguyễn Hữu Hải
NỘI DUNG
Nghiên cứu thiết kế hệ truyền động điện XA- Đ cho xe buýt chạy điện có số liệu.
Các thông số kỹ thuật
Điện áp cung cấp U = 400VDC
Trọng lượng xe: 4.103kg
Tải định mức : 3.103kg
Tốc độ lớn nhất Vmax = 80km/h

Đường kính bánh xe
: D = 600mm
Đường kính trục
:
d = 80mm
Hệ số bám đường :
f = 0,02
Hệ số ma sát ổ trục :
0,05
T
T

Tên bản vẽ

Khổ giấy

Số lượng

1
2
PHẦN THUYẾT MINH
1.
2.
3.
4.
5.

Phân tích và lựa chọn phương án truyền động
Tính chọn mạch lực
Thiết kế và tính toán mạch điều khiển cho bộ biến đổi
Phân tích hoạt động của mạch điều khiển
Phương pháp điều chỉnh và ổn định tốc độ cho hệ thống truyền động điện
Ngày giao đề :
Ngày hoàn thành :
BỘ MÔN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
1



LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay khi mà xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu giao thông cũng càng được
đòi hỏi cao.Rất nhiều loại phương tiên giao thông hiện đại được sử dụng để phục vụ
nhu cầu đi lại của con người. Trong đó xe buýt giữ một vai trò quan trọng do những
đặc thù của nó.Với kích thước lớn, đây là phương tiện giao thông công cộng có thể
vận chuyển một khối lượng lớn hành khách,rất tiện lợi cho mọi người đi lại.
Đã có rất nhiều loại động cơ được sử dụng để truyền động trong lĩnh vực giao
thông vận tải.Dù hiện nay nguồn động lực chính dùng trên ô tô máy kéo vẫn là động
cơ đốt trong loại pittông thì ta vẫn có thể thấy truyền động bằng động cơ điện là một
xu hướng mới. Sở dĩ ta có thể nói như vậy vì những ưu điểm rõ ràng của động cơ
điện:Việc điều chỉnh tốc độ có thể thực hiện dễ dàng, êm và trơn tru,một yếu tố quan
trọng nữa là không gây ô nhiễm môi trường…
Xe buýt là một ôtô, một phương tiện vận tải phổ biến và rất quan trọng trong
giao thông. Dù hiện nay trong thực tế sản xuất xe buýt chạy điện không chiếm ưu thế
nhưng ta có thể dự báo một tương lai sẽ thuộc về nó.
Đứng trên quan điểm về loại động cơ truyền động ta phân xe buýt thành 2 loại:


Xe buýt chạy bằng động cơ xăng dầu.



Xe buýt chạy bằng động cơ điện.

Trong xe buýt chạy điện ta có thể tiêp tục phân thành 2 loại dựa theo nguồn cấp:


Xe buýt chạy bằng điện áp xoay chiều (lấy từ điện áp lưới qua thanh ray và
đường dây trên không)



Xe buýt chạy bằng điện áp một chiều (dùng ắc qui).

Việc thiết kế bất kì một hệ thống nào cũng cần xuất phát từ các yêu cầu cụ thể
về công nghệ. Phần trình bày sau sẽ mang lại các yêu cầu cho một hệ truyền động xe
buýt chạy điện.

2


CHƯƠNG I: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG:
Việc thiết kế hệ truyền động cho xe buýt chạy điện có thể dùng một trong 3
phương án sau:
1.

Xây dựng hệ truyền động động cơ xoay chiều không đồng bộ dùng phương

2.

pháp điều chỉnh tần số.
Hệ truyền động động cơ xoay chiều đồng bộ dùng phương pháp điều chỉnh

3.

tần số.
Hệ truyền động động cơ một chiều dùng phương pháp băm xung áp.

Ta có các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều cơ bản như sau:


Hệ truyền động máy phát - động cơ (F – Đ).



Hệ truyền động chỉnh lưu thysistor - động cơ (T – Đ).



Hệ truyền động xung áp - động cơ (ĐX – Đ).

Để có thể đưa ra được phương án tối ưu ta đi xem xét và phân tích ưu nhược
điểm của từng phương án cụ thể.
Hệ truyền động máy phát động cơ (F – D)
Nguyên lý hoạt động .
Hệ F – D là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi là máy phát điện một chiều
kích từ độc lập. Máy phát này thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ 3 pha điều
khiển quay và coi tốc độ quay của máy phát là không đổi.

Sơ đồ nguyên lý hệ F – D:

3


*Ưu điểm nổi bật của hệ F – D là sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt,
khả năng qúa tải lớn. Do vậy thường sử dụng hệ truyền động F – D ở các máy khai
thác trong hầm mỏ.
*Nhược điểm quan trọng nhất của hệ F – D là dùng nhiều máy điện quay trong đó
ít nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất gấp 3
lần công suất động cơ chấp hành. Ngoài ra các máy phát một chiều có từ dư, đặc
tính từ hoá có trễ nên khó khăn điều chỉnh sâu tốc độ.
Hệ truyền động chỉnh lưu điều khiển – động cơ một chiều có đảo chiều (T –
Đ)
Nguyên lý hoạt động.
Hệ truyền động T – Đ là hệ truyền động động cơ điện một chiều kích từ độc
lập, điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng hoặc
thay đổi điện áp đặt vào phần kích từ của động cơ thông qua các bộ biến đổi chỉnh
lưu dùng thyristor.

4


5


Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động T-Đ.
Trong hệ T – Đ, nguồn cấp cho phần ứng động cơ là bộ chỉnh lưu thyristor.
Dòng điện chỉnh lưu cũng chính là dòng điện phần ứng động cơ. Chế độ làm việc
của chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển và các tính chất của tải.
Trong truyền động điện, tải của chỉnh lưu thường là cuộn kích từ (L – R) hoặc
mạch phần ứng động cơ (L – R – E).
Ưu điểm:
*Ưu điểm nổi bật nhất của hệ T – Đ là sử dụng van bán dẫn nên độ tác động nhanh
cao, không gây ồn và dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công
suất rất cao. Điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự động điều
chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lượng các đặc tính tĩnh và các đặc tính động
của hệ thống.
*Là bộ biến đổi tĩnh kết cấu gọn nhẹ.
*Hệ thống T – Đ có khả năng điều chỉnh trơn với phạm vi điều chỉnh rộng. Hệ có
độ tin cậy cao, quán tính nhỏ, hiệu suất lớn.

Nhược điểm:
*Nhược điểm chủ yêu của hệ T – Đ là do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng
điện áp chỉnh lưu ra có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ trong máy điện và
ở các truyền động có công suất lớn còn làm xấu dạng điện áp của nguồn và lưới
xoay chiều.
*Hệ số công suất cosϕ của hệ nói chung là thấp nhất là khi điều chỉnh sâu.

6


*Khả năng chịu quá tải về dòng, áp nhỏ; khi có gia tốc dòng và áp du/dt, di/dt có
nguy cơ làm hỏng các lớp tiếp giáp.
Hệ truyền động điều chỉnh xung áp động cơ điện một chiều.



Nguyên lý hoạt động
iN

N

i

UN

∆UL
D0

∆UR



E

iđk
t
i

Imax

Imin

t

iđk
UN

t


T

Chế độ dòng liên tục

7


iđk
t
i

Imax

Imin

t

iđk
E
t


tx T

Chế độ dòng gián đoạn
Trong đó chế độ dòng liên tục là chế độ làm việc chủ yếu của mạch.
I max =

I min =

− tđ
Tu

U N (1 − e)
E

−T
R
R
(1 − e) Tu

Tu

U N (1 − e)
E

T
R
R
(1 − e) Tu

Đặc tính cơ của hệ
UĐ =

Ta có

1
[U N .t đ + (t − t x ) E ]
T

Trong chế độ dòng liên tục vì tx = T nên:

U N = ρU N
T
ρ .U N Ru
w=

I



UĐ =

Cũng giống như hệ T – Đ hệ ĐX – Đ khi t x < T thì cũng xảy ra chế độ dòng điện
gián đoạn. Để xác định biên giới giữa vùng dòng điện gián đoạn và liên tục ta giả thiết
8


rằng đồ thị dòng điện ở hai vùng này là hai đoạn thẳng. Giá trị dòng điện ở biên liên tục
là:
I blt =

1
I max
2
t đgh


1
=
(U N − E )(1 − e Tu )
2R
1
ρ
=
(U − Kφwblt )
1 N
2R
ρ+
σ

Vì chế độ biên liên tục thuộc vùng dòng điện liên tục cho nên:
I blt =

U N ρ (1 − ρ )
1
2
ρ+
σ

Đặc tính cơ hệ ĐX – Đ.
w

Biên liên tục
ρ=1

M
0

ρ=0

9


Ưu nhược điểm của hệ truyền động ĐX – Đ.
Nhược điểm
*Phải có nguồn một chiều hoặc kèm theo bộ nguồn xoay chiều - một chiều.
*Dạng điện áp ra có dạng xung gây tổn thất phụ trong động cơ.
*Bộ biến đổi này khi làm việc có thể rơi vào chế độ dòng gián đoạn.
Ưu điểm
*Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi không đáng kể so với các bộ biến
đổi liên tục.
*Độ chính xác cao cũng như ít chịu ảnh hưởng của môi trường, vì yếu tố điều chỉnh là
thời gian đóng cắt khóa mà không phải giá trị điện trở của các phần tử điều chỉnh thường
gặp trong các bộ điều chỉnh liên tục.
*Chất lượng điện áp tốt hơn các bộ biến đổi liên tục.
*Kích thước gọn nhẹ.
*Hệ thống này được dùng ở những nơi có nguồn một chiều có công suất lớn khi đó
trong sơ đồ thay thế có thể bỏ qua Rb và đặc tính cơ có độ cứng cao.
*Hệ thống này dùng ít van động lực.
*Dễ tự động hoá.
Sau khi phân tích các ưu nhược điểm của từng phương điều chỉnh cho động cơ một
chiều ta quyết định chọn phương pháp sử dụng sơ đồ băm xung áp để thực hiện hệ
truyền động này.

10


CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN MẠCH LỰC

2.1-TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ:
2.1.1-MOMEN MA SÁT:
Ta cần xét các lực cản tác dụng lên xe buýt trong quá trình di chuyển ổn định (chế
độ tĩnh). Vì đa phần trong quá trình di chuyển xe buýt chạy trên đường bằng ( 1 số
trường hợp phải lên dốc) và không xét đến các giai đoạn quá độ khi xe buýt thay
đổi tốc độ nên ta bỏ qua lực cản dốc và lực cản quán tính.
Các lực tác dụng lên xe buýt khi xe chuyển động:
-Lực cản lăn.
-Lực cản không khí.
A-Lực cản lăn:
Lực cản lăn bao gồm 2 thành phần: lực ma sát lăn trên đường (Ff ) và lực ma
sát ở ổ trục bánh xe(Fe )
Ff = f.G.cosα
Với:
-f là hệ số bám đường và có giá trị f=0.02
-G là trọng lượng định mức của tải G=G0+Gdm=4.103+3.103=7.103(kg)=70000(N)
=>Ff =0.02*70000*cos 00=1400 (N)
Ma sát ổ trục:
FE = G.m.(r/Rb)=70000*0.05*(40/300)=466.67(N)

Với :
-m là hệ số ma sát trục m=0.05
11


-r là bán kính trục r=d/2=40 mm
-Rb là bán kính bánh xe Rb=D/2=300 mm
B-Lực cản không khí:
Fkk=K.S.(v+vg)=0.3*5*(22,22+1.39)=880 (N)
Trong đó:
-K là hệ số cản không khí K=0.3
-S là tiết diện cản
-V=Vmax=80 km/h = 22.22 m/s
-Vg= 5 km/s =1.39 m/s
C-Công suất:
Thực tế cho thấy hiệu suất hệ thống truyền tải: h=0.93
Bên cạnh đó khi ôtô chuyển động trên mỗi loại đờng khác nhau thì có độ
bám khác nhau , trong trờng hợp này ta xét xe chuyển động trên đờng nhựa khô
với hệ số bám đờng là j =0,75



P===87.5(KW)

Ta có hệ số quá tải là:
Kqt=1.3


Công suất động cơ: Pđc=Kqt*P=1.3*87.5= 113.75 (KW)

Tốc độ quay của bánh xe:

Vmin(m/s)

nb/xe(vòng/phút)
69,5
12

Wb/xe(rad/s)
7,28


Vmax(m/s)

833,33

87,3

*Chọn động cơ
Do yêu cầu công nghệ đặt ra là thiết kế cho xe buýt chạy điện dùng động cơ điện
1 chiều. Đây là hệ truyền động kéo vì thế ta chọn loại động cơ là động cơ điện 1
chiều kích từ nối tiếp. Việc sử dụng động cơ một chiều kích từ nối tiếp rất phổ biến
trong các hệ truyền động giao thông như tà kéo, ôtô. Đặc tính cơ của nó là lí tưởng,
mềm và có độ cứng thay đổi theo phụ tải : mô men lớn ở tốc độ thấp và tốc độ lớn khi
mô men nhỏ, điều này rất phù hợp với các truyền động kéo. Chính nhờ sự thay đổi
theo phụ tải của độ cứng nên ta có thể biết được sự thay đổi của phụ tải thông qua tốc
độ của động cơ.
Hơn nữa động cơ kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về mômen. Nhờ cuộn kích
từ nên ở vùng dòng điện phần ứnglớn hơn định mức thì từ thông
động cơ lớn hơn định mức, do đó mô men của nó tăng nhanh hơn so với sự tăng của
dòng điện. Như vậy với mức độ quá dòng điện như nhau thì động cơ một chiều
kích từ nối tiếp có khả năng quá tải về mô men và khả năng khởi động tốt hơn động
cơ một chiều kích từ độc lập.
Một ưu điểm nữa khi dùng động cơ kích từ nối tiếp là khả năng chịu tải của
động cơ không bị ảnh hưởng bởi sự sụt áp của lới điện vì từ thông của động cơ chỉ
phụ thuộc vào dòng điện phần ứng và có độ tin cậy hơn các loại động cơ một chiều
khác, vì cuộn dây kích từ của nó có tiết diện lớn và điện áp giữa các vòng dây của
cuộn này không đáng kể.

Vậy ta chọn động cơ II-102 có các thông số kỹ thuật sau:

Mã hiệu

Pđm
Uđm
[KW] [V]

Iđm
[A]

Nđm
[v/p]

R∑
[Ω]

L∑
[H]

GD2
[kg.m2]

II-102

125

632

1500

0.0146

0.0013

12

220

13


2.2- TÍNH CHỌN MẠCH LỰC:

Nguyên lý hoạt động: mạch sử dụng van IGBT,mạch hoạt động dựa trên
nguyên lý đóng mở của van điều khiển. Khi cấp 1 nguồn điện DC Uv cho mạch,
ban đầu van chưa mở, sau khi nhận tín hiệu điều khiển phát xung van bắt đầu đóng
lại mạch khép qua động cơ lúc này động cơ có Uư= Uv dòng điện qua động cơ sẽ
tăng lên giá trị Imax, diode có tác dụng đảm bảo sẽ không có dòng điện ngược về
nguồn, sau 1 thời gian ngắt xung, van đóng lại mạch điện khép qua diode lúc này
điện áp trên tải bằng 0
2.2.1. Tổng quan về van IGBT
IGBT là sự kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu
tải lớn của transistor thường
1. Hình dạng cơ bản của IGBT

14


2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IGBT
- IGBT là sự kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn
của transistor thường. Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển bằng điện áp, do đó
công suất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ.
+ Cấu trúc bán dẫn của IGBT:

+ Cấu trúc tương đương của IGBT với 1 Transistor n-p-n và 1 Mosfet

15


+ Sơ đồ tương đương của IGBT:

+ Kí hiệu của IGBT:

- Về cấu trúc bán dẫn thì IGBT rất giống với Mosfet điểm khác nhau là có thêm lớp p nối
với colecto tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emito với colecto. có thể coi IGBT tương
đương với một transitor p-n-p với dòng bazo đươc điều khiển bởi một Mosfet.
- Dưới tác dụng của điện áp điều khiển Uge > 0 kênh dẫn với các hạt mang điện là các
điện tử được hình thành giống như ở cấu trúc Mosfet các điện tử di chuyển về phía
colecto vượt qua lớp tiếp giáp n-p như ở cấu trúc giữa bazo và colecto ở transistor thường
tạo nên dòng colecto.
3. Đặc tính đóng cắt của IGBT
- Do cấu trúc n-p-n mà điện áp thuận giữa C và E trong chế độ dẫn dòng ở IGBT thấp
hơn hẳn so với Mosfet. Tuy nhiên do cấu trúc này làm cho thời gian đóng cắt của IGBT
chậm hơn so với Mosfet, đặc biệt là khi khóa lại. Trên hình vẽ thể hiện cấu trúc tương
đương của IGBT với Mosfet và một Tranzitor p-n-p. Ký hiệu dòng qua IGBT gồm hai
thành phần: i1 dòng qua Mosfet, i2 dòng qua Tranzitor. Phần Mosfet trong IGBT có thể
khóa lại nhanh chóng nếu xả hết được điện tích giữa G và E, do đó dòng i1= 0, tuy nhiên
i2 sẽ không suy giảm nhanh chóng được do lượng điện tích lũy trong (tương đươngvới
bazo của cấu trúc p-n-p) chỉ có thể mất đi do quá trình tự trung hòa điện tích. Điều này
xuất hiện vùng dòng điện kéo dài khi khóa IGBT.
- Sơ đồ thử nghiệm một khóa IGBT:
16


a. Quá trình mở của IGBT
- Quá trình mở IGBT diễn ra giống với quá trình này ở Mosfet khi điện áp điều khiển vào
tăng tử 0 đến giá trị Ug. Trong thời gian trễ khi mở Io tín hiệu điều khiển nạp điện cho tụ
Cgc làm điện áp giữa cực điều khiển và emite tăng theo quy luật hàm mũ từ 0 đến giá trị
ngưỡn Uge( 3 đến 5v). Chỉ bắt đầu từ đó Mosfet trong cấu trúc của IGBT mới bắt đầu mở
ra. Dòng điện giữa colecto-emite tăng theo quy luật tuyến tính từ 0 đến dòng tải Io trong
thời gian Tr.Trong thời gian Tr điện áp giữa cực điểu khiển và emite tăng đến giá trị Uge
xác định giá trị dòng Io qua colecto. Do diode Do còn đang dẫn dòng tải Io nên điện áp
Uce vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn 1 chiều Udc. Tiếp theo quá trình mở diễn ra theo
2 giai đoạn T1 và T2. Trong suốt hai giai đoạn này điện áp giữa cực diều khiển giữ
nguyên Uge để duy trì dòng Io, do dòng điều khiển hoàn toàn là dòng phóng tụ Cgc.
IGBT vẫn làm việc trong chế đô tuyến tính. Trong giai đoạn đầu diễn ra quá trình khóa và
phục hổi của diode Do dòng phục hồi của diode Do tạo nên xung dòng trên mức dọng Io
của IGBT. Điện áp Uce bắt đầu giảm.IGBT chuyển điểm làm việc qua vùng chế độ tuyến
tính để sang vùng bão hòa. Giai đoạn 2 tiếp diễn quá trình giảm điện trở trong vùng thuần
trở của colecto dẫn đến điện trở colecto-emite về đến giá trị Ron khi bão hòa hoàn toàn
Uce= IoRon.
Sau thời gian mở Ton khi tụ Cgc đã phóng điện xong, điện áp giữa cực điều khiển và
emito tiếp tục tăng theo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian CgcRg đến giá trị cuối
cùng Ug.

17


b. Quá trình khóa IGBT

4. Yêu cầu với tín hiệu điều khiển IGBT
- IGBT là thiết bị điều khiển bằng điện áp giống như Mosfet nên yêu cầu điện áp có mặt
liên tục trên cực điều khiển và emito để xác định chế độ khóa, mở. Mạch điều khiển cho
IGBT có yêu cầu tối thiểu được biểu diễn qua sơ đồ dưới đây:

- Tín hiệu mở có biên độ Uge, tín hiệu khóa có biên độ -Uge cung cấp cho mạch GE qua
điện trở Rg. Mạch G-E được bảo vệ bởi diode ổn áp ở mức khoảng +-18V. Do có tụ kí
sinh giữa G và E nên kỹ thuật điều khiển như điều khiển Mosfet có thể được áp dụng tuy
nhiên điện áp khóa phải lớn hơn. Nói chung tín hiệu điều khiển thường được chọn là +15
và -5V là phù hợp. Mức điện áp âm khi khóa góp phần giảm tổn thất công suất trên mạch
điều khiển như hình dưới đây:
+ Điện trở Rg cũng làm tổn hao công suất điều khiển được mô tả ở hình dưới. Điện trở
Rg nhỏ, giảm thời gian xác lập tín hiệu điều khiển, giảm tổn thất năng lượng trong quá
trình điều khiển nhưng lại làm mạch điều khiển nhạy cảm hơn với điện áp ký sinh trong
mạch điều khiển.

18


Theo thông số lựa chọn động cơ điện 1 chiều, dòng điện định mức chạy qua
phần ứng dộng cơ là Iđm=632(A).ta lấy nó là giá trị tính toán cho các van là
Itt=632(A).
Chọn hệ số dự trữ là 1,2 ta có: Ilv= 1,2 *Itt=1,2*632=758.4(A)
Điện áp ngược lớn nhất dặt lên van trong 1 chu kỳ đóng ngắt là:
Un=400(V).
Chọn hệ số dự trữ điện áp là 1,6 ta có:Unv=1,6*400=640(V)
Giá trị dòng và áp để lựa chọn khóa và van như sau:
o
o



Ilv= =758.4(A)
Unv==640(V)

Chọn van IGBT:
Ký hiệu
FD800R17KF6

UCemax [v]
1700

Ic [A]
800

2.2.2.Tính chọn diode
19

UCebh [v]
2.7

R[kΩ/w]
0.02


Ungmax=Ku.Uđm
Trong đó:

- Ungmax là điện áp ngược max đặt trên diode
- Ku là hệ số dự trữ điện áp (1,6 – 2)

=> Ungmax=Ku.Uđm=2.400=800 (V)
Có Iđm=758,4 (A)


Chọn Diode:
Ký hiệu

Ilvmax [A]

Ungmax [V]

B3-800

800

1000

20


CHƯƠNG 3. MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.1.Sơ đồ khối và nguyên lý mạch điều khiển
Tạo tần số

Tạo xung khuếch đại

So sánh

Van động lực

Nguyên lý điều khiển: mạch điều khiển băm áp 1 chiều có nhiệm vụ xác định thời
điểm mở và khóa van bán dẫn trong 1 chu kì chuyển mạch. Chu kỳ đóng cắt van nên thiết
kế cố định. Điện áp tải khi điều khiển được tính:
U=U1*(td/T)
Trong đó :

td là thời gian van dẫn trong 1 chu kỳ
T là chu kỳ
U1 : điện áp nguồn 1 chiều

Nguyên tắc chung của mạch điều khiển là so
sánh một điện áp một nhiều UĐK thay đổi được với
một điện áp tam giác có tần số cao. Điểm cân bằng
giữa Utg và Uđk sẽ là thời điểm phát xung điều khiển
mở các van bán dẫn.
Thay đổi UĐK sẽ thay đổi được độ rộng xung
điều khiển trong khi vẫn giữ tần số điều khiển không
đổi.
Quá trình biến đối từ khâu tạo dao động đến
điện áp ra khỏi bộ so sánh được thể hiện bằng hình
vẽ bên

Mạch điều khiển băm áp 1 chiều gồm 3 khâu cơ bản:
-Khâu tạo tần số:có nhiệm vụ tạo điện áp rang cưa với tần số theo ý muốn của người thiết
kế. Tần số của bộ băm áp 1 chiều thường chọn khá lớn (hang chục KHz). Tần số lớn hay
bé là do khả năng chịu tần số của van bán dẫn( ở đây ta chọn van là IGBT tần số có thể là
hang chục KHz).
-Khâu so sánh có nhiệm vụ xác định thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển. Tại
các thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển thì phát lệnh mở hoặc khóa van bán
21


dẫn. Điện áp tựa dạng tam giác có hai sườn lên và xuống, lệnh mở van động lực ở giao
điểm sườn lên, thì giao điểm sườn xuống sẽ phát lệnh khóa van.
-Khâu tạo xung, khuếch đại có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở van bán dẫn. Một xung
được coi là phù hợp là xung có đủ dòng điện và điện áp điều khiển, cách ly giữa mạch
điều khiển và mạch động lực khi nguồn động lực hang chục vôn trở lên. Hình dạng xung
điều khiển phụ thuộc vào loại van động lực được sử dụng. với van động lực là Tranzitor,
xung điều khiển có dạng xung chữ nhật độ rộng các xung này bằng độ rộng xung điện áp
tải.

3.2. Thiết kế mạch điều khiển

3.2.1. khâu tạo tần số
ở đây ta tạo điện áp tựa tam giác bằng tích phân sóng vuông: tích phân xung chính là quá
trình nạp xả tụ, nếu điện áp vào khâu tích phân không đối xứng có thể xuất hiện sai số
đáng kể

22


Dạng điện áp động hình chữ nhật và răng cưa
Từ hình vẽ ta thấy thời gian nạp phóng bằng nhau( với hằng số thời gian RC) và
điện áp cuối quá trình phóng nạp có độ lớn bằng nhau. Do đó xung ra là đối xứng. Chu kì
dao động:
T = t1 + t2 = 2 . t1 = 4. RC.(R1 / R2 )
Hay tần số xung f = =

T = 4RC= 2,5 ms
Điện áp của khâu tạo dao động và tạo răng cưa có dạng răng cưa và có điện
áp đỉnh bằng điện áp bão hòa của IC. Với nguồn cấp cho OA là 12 V thì điện áp
bão hòa của IC khoảng (80% ÷90%).12V ≈ 10V. Ta tính chọn R1 , R2 , R, C để điện
áp ra max của điện áp răng cưa là 10V. Khi đó ta có
= = =1,2
→ R1 =1,2. R2
Chọn R2=10kΩ => R1=12kΩ
→RC= RC = 2,5.10-3.=5,2.10-4
Chọn C=0,1 µF→R=5,2kΩ
Tần số dao động phụ thuộc vào tần số băm xung của mạch lực, có thể từ vài trăm Hz
đến vài chục KHz. ( thường lấy chuẩn là 400 Hz).
Giá trị C1 thường được chọn theo tần số cao hay thấp. Khi tần số khoảng vài trăm Hz
thì tụ C1 có giá trị khoảng 0,1µF. Khi tần số khoảng vài chục KHz thì tụ C1 có giá trị nhỏ
đi nhiều

3.2.2. khâu so sánh
23


Khâu so sánh dùng mạch so sánh 2 cửa để so sánh 2 tín hiệu URC với Uđk để quyết
định thời điểm mở van IGBT. Cho Uđk và URC tới 2 cực khác nhau của OA.
Điện áp ra tuân theo quy luật: Ura= Ko. (U+ - U- )

Với Ko là hệ số khuếch đại của của OA. Tùy thuộc vào điện áp răng cưa và điều
khiển đưa vào cửa nào của OA mà điện áp ra xuất hiện sườn xung âm hoặc đương ở thời
điểm cân bằng giá trị giữa chúng. Ở đây ta đưa Urc vào đầu âm còn Uđk vào đầu dương
(hình vẽ). Khi đó điện áp ra là: Ura = Ko.(Uđk – Urc)
Điểm lật trạng thái ứng với URC = Uđk.
+ Khi URC > Uđk thì ΔU = Uđk - URC < 0 → Uso sánh = âm điện áp bão hòa.
+ Khi URC < Uđk thì ΔU > 0 → Uso sánh = dương điện áp bão hòa.
Như vậy các điện áp đưa vào so sánh phải cùng dấu thì mới có hiện tượng thay đổi
trạng thái đầu ra. Và độ chênh lệch tối đa giữa 2 cửa trạng thái khi làm việc không được
vượt quá giới hạn cho phép của loại OA đã chọn.

Nguyên lý hoạt động của sơ đồ: điều chỉnh Uđk, sẽ điều chỉnh được Uss1 tức là
điều chỉnh được độ rộng xung. Từ đó sẽ điều chỉnh được điện áp tải.
-Khâu so sánh của băm áp 1 chiều sẽ xác định thời điểm mở và khóa van bán dẫn. Đầu
vào khâu này gồm có 2 tín hiệu, điện áp tựa( điện áp tam giác) và điện áp 1 chiều (điện
áp điều khiển).
-Khi sườn xuống của xung tam giác bằng điện điều khiển thì phát tín hiệu mở van, khi
sườn lên bằng với điện áp điều khiển thì phát lệnh khóa van.

Đồ thị điện áp so sánh

3.2.3. Khâu tạo điện áp đóng mở van IGBT
Vì IGBT là phần tử điều khiển bằng điện áp, giống như MOSFET nên yêu cầu cần
phải tạo ra điện áp để điều khiển việc đóng mở của van. Sơ đồ mạch IGBT:

24


Khâu tạo điện áp mở van
Tín hiệu mở có biên độ UGE , tín hiệu khóa có biên độ - UGE cung cấp cho mạch GE thông
qua các điện trở R22 và R23 . Mạch G-E được bảo vệ bằng Điot ổn áp ở mức khoảng [-18V,
+18V]. Do có tụ khí sinh giữa G và E nên kĩ thuật điều khiển MONSFET có thể được áp
dụng, tuy nhiên điện áp khóa phải lớn hơn. Điện áp đóng mở ±UGE phụ thuộc vào IGBT
đã chọn. Điện trở R22 ảnh hướng đến tổn hao công suất điều khiển. Điện trở R22 nhỏ, giảm
thời gian xác lập tín hiệu điều khiển, giảm ảnh hưởng của , giảm tổn thất năng lượng
trong quá trình điều khiển nhưng lại làm mạch điều khiển nhạy cảm hơn với điện cảm ký
sinh trong mạch điều khiển. Van IGBT có thể được mắc thêm điện trở C S và RS song song
để trợ giúp giảm thời gian đóng mở van và bảo vệ các xung áp trên van
CS có trị số 0.1 đến 2µF ; RS = vài chục đến trên 100 Ω;
R23 = 2,2KΩ; R22 = có giá trị vài trăm Ω = 500 Ω
DZ1 , DZ2 có điện áp ổn khoảng 18V

25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×