mạch băm xung áp điều khiển động cơ 1 chiều

Tuy nhiên, trong một số lĩnh vực nhất định đòi hỏi yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ, về khả năng quá tải, thì bản thân động cơ KĐB không thể đáp ứng đợc hoặc nếu thực hiện đợc thì phải c

Chơng I Khái quát công nghệ

1 Vai trò & ứng dụng của động cơ điện trong lĩnh vực giao thông.

Vấn đề ứng dụng của động cơ điện nói chung trong truyền động điện sản xuất cũng nh ở

đầu máy kéo là đợc sử dụng rộng rãi Hiện nay trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống, thì

động cơ KĐB là loại động cơ đợc sử dụng rộng rãi nhờ tính kinh tế, dễ chế tạo, chi phí vận hành bảo dỡng sửa chữa thấp Tuy nhiên, trong một số lĩnh vực nhất định đòi hỏi yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ, về khả năng quá tải, thì bản thân động cơ KĐB không thể đáp ứng đợc hoặc nếu thực hiện đợc thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (nh bộ biến tần ) rất đắt tiền Vì vậy,

động cơ điện một chiều hiện tại vẫn là loại động cơ không thể thay thế đợc trong những lĩnh vực nói trên

ứng dụng phổ biến của động cơ điện một chiều hiện nay trong các nghành sản xuất nh 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 u việt của nó là :

• 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 lợng điều chỉnh cao hơn trong dải điều chỉnh rộng

Thực tế là ở các nớc 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 tơng lai Một mặt là vì có nguồn điện rộng rãi; tiến bộ nhảy vọt về công nghệ bán dẫn cho phép chế tạo đợc nhiều bộ biến đổi điện năng gọn nhẹ, khả năng giới hạn dong áp cao & tin cậy hơn Mặt khác, là

động cơ điện không gây ô nhiễm môi trờng nh các loại động cơ khác, đồng thời cho hiệu suất cao

Đây là một trong những đặc điểm quan trọng đa đến việc đa động cơ điện vào giao thông ngày càng rộng rãi hơn Trong thực tế, ở các nớc phát triển nh Mỹ, Đức, Pháp, TQ đa số hệ thống đ-ờng sắt dùng động cơ điện kéo đầu máy đều đợc cung cấp bằng điện áp một chiều qua đờng dây trên không hoặc đờng ray thứ ba

Đối với hệ thống đờng sắt trong thành phố có đặc điểm là khoảng cách ngắn, mật độ giao thông cao thì việc dùng trực tiếp hệ thống đờng dây một chiều là thích hợp Nhng đối với trờng hợp khoảng cách xa hơn, nh giữa các thành phố với nhau, thì việc dụng hệ thống một chiều là không kinh tế Trong trờng hợp này ngời ta lấy t lới điện xoay chiều một pha có tần số 50Hz ữ

60Hz và có điện áp khoảng 25kV sau đó qua hạ áp cấp vào bộ chỉnh lu đợc nguồn một chiều Thông thờng cấp điện áp của hệ thống tầu kéo đờng sắt trong thành phố dùng điện một chiều từ

600 ữ 700V (với TH đờng ray thứ ba) hoặc 1500V (với TH đờng dây trên không) Trong cả hai ờng hợp trên thì ngời ta tạo dòng một chiều bằng cách chỉnh lu từ lới điện xoay chiều với hệ số

tr-đập mạch là 12 để có chất lợng cao

Đối với ôtô điện ngời ta cũng lấy từ đờng dây trên không nếu công suất động cơ truyền tải lớn Hiện nay, trong một số loại động cơ kéo tải giao thông có công suất nhỏ, thì ngời ta dùng nguồn ac-quy kèm theo bộ biến đổi gọn nhẹ thuận tiện cho tính linh hoạt trong vận tải Nhng nh-

ợc điểm rất rõ của loại dùng nguồn ac-quy là chỉ chạy đợc quãng đờng ngắn, điều này gây bất tiện cho ngới sử dụng Vì vậy loại này chỉ khả dụng trong trờng hợp công nghệ chế tạo ac-quy tiến bộ hơn nữa và thực tế loại dùng nguồn truyền tải hiện nay vẫn là chủ yếu trong truyền động giao thông

Trong khuôn khổ đồ án này với đề tài thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều trong ôtô, nên để làm rõ tính quan trọng của động cơ một chiều trong lĩnh vực này trớc hết

ta phân tích rõ đặc thù của truyền động trong lĩnh vực giao thông

2 Phân tích đặc thù về truyền động trong giao thông.

Có thể nêu ra đặc điểm quan trọng về truyền động trong lĩnh vực giao thông là:

+ Yêu cầu cao trong việc điều chỉnh tốc độ; bao gồm những yêu cầu về dải điều chỉnh rộng, độ trơn điều chỉnh, điều chỉnh phải êm, khởi động động cơ nhanh

+ Yêu cầu cao về khả năng quá tải, vì tải kéo của đầu máy là không cố định

Ngoài ra, truyền động trong giao thông còn đòi hỏi cao về độ an toàn khi vận hành Muốn vậy việc thiết kế phải đảm bảo đa ra đợc một sơ đồ điều khiển đơn giản tin cậy, dễ thao tác trong vận hành điều khiển động cơ ô - tô Vì thực tế trong lĩnh vực giao thông còn đòi hỏi truyền động

có đảo chiều, nên việc thiết kế cũng chú trọng đến vấn đề đảo chiều quay động cơ

Thực chất của việc điều khiển ô-tô cũng nh đầu máy kéo là việc điều khiển động cơ kéo tải Vì vậy, trớc tiên ta đi giới thiệu một vài đặc tính cơ bản của các loại động cơ điện một chiều,

ω0

MM

đm

rồi từ đó đa ra quyết định chọn loại động cơ thích hợp cho truyền động trong lĩnh vực đang đề cập tới

3 Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều.

Phơng trình đặc tính cơ: Biểu thị quan hệ giữa tốc độ (n)và mômen (M)

M K

R R K

.)

+

−Φ

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 : It= I=I Vậy trong phạm vi khá rộng có thể biểu thị:

Φ=KΦ.Itrong đó hệ số tỷ lệ KΦ chỉ là hằng số trong vùng I <0,8Iđm ; còn khi I >(0,8 ữ 0,9)Iđm

thì hơi giảm xuống do hiện tợng bão hoà mạch từ

=

K C

R M K Ce

U C n

e

u M

Nh vậy khi mạch từ cha bão hoà, đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp có dạng là đờng hypebol bậc hai

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 thờng chỉ cho phép

động cơ làm việc với tải tối thiều P2=(0,2 ữ

0,25)Pđm 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 u việt trong những nơi cần mở máy nặng nề và cần tốc độ thay đổi trong một vùng rộng

c Động cơ điện kích thích hỗn hợp

Loại này đợc chế tạo gồm hai cuộn dây nối tiếp và song song Tác dụng của dây quấn kích thích song song và nối tiếp bù nhau hoặc ngợc nhau Trên thực tế ngời ta chỉ sử dụng loại kích thích hỗn hợp bù vì động cơ ngợc không đảm bảo đợc điều kiện làm việc

ổn định Động cơ kích thích hỗn hợp bù có đặc tính cơ mang tính chất trung gian giữa hai loại kích thich song song và nối tiếp Khi tải tăng thì từ thông tăng, do đó đặc tính cơ của

động cơ kích thích hỗn hợp bù mềm hơn so với đặc tính cơ của động cơ kích thích song song Tuy nhiên mức độ tăng của từ thông không mạnh nh ở động cơ kích thích nối tiếp cho nên đặc tính cơ của động cơ điện kích thích hỗn hợp bù cứng hơn so với đặc tính cơ của động cơ kích thích nối tiếp

Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp đợc điều chỉnh

nh ở trờng hợp động cơ kích thích song song; dù rằng về nguyên tắc có thể áp dụng những phơng pháp điều chỉnh tốc độ dùng cho động cơ kích thích nối tiếp

Từ những tính chất của từng loại động cơ nh đã trình bày ở trên, so sánh với đặc tính tải và những yêu cầu của truyền động trong lĩnh vực giao thông ta thấy rằng loại động cơ kích thích nối tiếp và kích thích hỗn hợp kiều bù là đáp ứng đợc những yêu cầu về truyền động Ta có thể nêu u

điểm của hai loại động cơ này so với động cơ kích thích độc lập hoặc song song đứng trên quan

điểm xét sự phù hợp với đặc tính tải:

+ Đặc tính cơ mềm và độ cứng thay đổi theo phụ tải Điều này rất thích hợp trong giao thông có yêu cầu tốc độ thay đổi theo tải.

+ Có khả năng quá tải lớn về mômen và khả năng khởi động tốt hơn Nhờ vậy cho phép làm việc ở môi trờng kéo tải nặng nề

+ Vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng phần ứng I nên khả năng chịu tải của

động cơ không chịu ảnh hởng của sụt áp lới điện nên rất thích hợp cho những truyền động dùng trong nghành giao thông có đờng dây cung cấp điện đi kèm theo tải

Thực tế trong lĩnh vực này động cơ kích thích nối tiếp đợc sử dụng Tuy nhiên ngời ta cũng dùng cả động cơ kích thích hỗn hợp vì nó cho phép thực hiện hãm tái sinh năng lợng mà vẫn đảm bảo tốt các yêu cầu truyền động

4 Các ph ơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ

Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kéo tải trong giao thông có thể dùng phơng pháp điện kết hợp cả phơng pháp cơ qua cơ cấu bánh răng để tăng dải điều chỉnh Điều chỉnh bằng phơng 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 phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều:

 Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ; tức là thay đổi U

 Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ ; tức là thay đổi từ thông Φ

Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Φ có thể thay đổi đợc liên tục & giữ đợc 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 Nhng do bình thờng động cơ làm việc ở chế độ định mức, ứng với kích thích tối đa (Φ=Φđm=Φmax), nên chỉ có thể điều chỉnh theo hớng 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 phơng pháp này không thích hợp trong trờng hợp động cơ kéo tải giao thông

Phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay dới

phép điều chỉnh triệt để vì có những u điểm sau:

+ Hiệu suất điều chỉnh cao

+ Không có tổn hao trong máy điện khi điều chỉnh

+ Việc thay đổi điện áp phần ứng, cụ thể là giảm U ⇒ mômen ngắn mạch Mnm giảm, dòng ngắn mạch Inm 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 là nh nhau

+ Điều chỉnh trơn trong toàn bộ giải điều chỉnh

Tuy vậy, phơng pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao, và đòi hỏi phải có nguồn điện áp

điều chỉnh đợc

Từ những phân tích trên ta thấy việc chọn phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng là thích hợp cho động cơ kéo tải giao thông Mặc dù, dải điều chỉnh chỉ cho phép thấp hơn tốc độ định mức nh ta có thể mở rộng dải điều chỉnh nhờ kết hợp với cơ cấu cơ khí nh đã đề cập ở trên

5 Giới thiệu nguyên lý chung của bộ biến đổi điện áp một chiều

Nh ở trên đã đề cập, phơng pháp điều chỉnh điện áp đợc lựa chọn trong điều chỉnh tốc độ

động cơ Thực tế, để thay đổi điện áp phần ứng động cơ ô-tô ngời ta có thể thay đổi góc mở chậm

α nếu dùng bộ biến đổi là hệ thống chỉnh lu, hoặc thay đổi tần số băm trong trờng hợp bộ biến đổi

là bộ băm xung áp một chiều

Việc sử dụng hệ thống chỉnh lu tiristor - động cơ chỉ ứng dụng trong trờng hợp tải của nó là loại động cơ công suất lớn, sử dụng sơ đồ chỉnh lu tiristor – động cơ một chiều luôn đi kèm theo việc đa 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 trờng vì tham số điều kiển là thời gian đóng mở; đặc biệt là có kích thớc 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 lợc về các yếu tố ảnh hởng đến chế độ làm việc của bộ băm xung - áp cũng nh vấn đề lựa chọn thiết bị đáp ứng đợc các yêu cầu về chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế

Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc nh một công tác tơ tĩnh (K) đóng mở liên tục 1 cách chu kì Nhờ vậy mà biến đổi đợc điện áp một chiều không đổi E thành các xung điện áp một chiều Utb có trị số có thể điều chỉnh đợc Điện áp Utb này đặt vào phần ứng động cơ sẽ làm thay

đổi tốc độ động cơ ô tô

Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp thì 0<Utb<E

Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp thì E<Utb<0

Trong sơ đồ trên L,C là bộ phận lọc để san bằng và giữ cho điện áp tải thực tế là không đổi ,mục đích là giảm hệ số đập mạch nâng cao chất lợng điều chỉnh

Điện áp trên tải thu đợc phụ thuộc vào tần số đóng cắt khoá K.Trong khi đó các hạn chế

về công nghệ và tổn hao của bộ biến đổi điện áp một chiều quyết định giới hạn tần số làm việc của bộ biến đổi Để tránh các sóng không mong muốn và từ đấy tránh đợc Momen đập mạch thì tần số phải lớn hơn một mức nào đó Tần số đóng cắt càng nhanh thì càng giảm đợc kích thớc của

bộ lọc ,nhng nếu quá lớn sẽ sinh ra nhiễu vô tuyến Vì vậy phải cân nhắc để lựa chọn đ ợc bộ biến

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,nhng Tiristor lại cho phép dễ bảo vệ chống lại các sự cố hơn Transistor Vì vậy ở những môi trờng 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 trờng hợp thì việc lựa chọn không rõ ràng

Ngoài sự ảnh hởng của các thông số kỹ thuật là tần số đóng cắt, giới hạn về các linh kiện thì chất lợng 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 đợc chất lợng điều chỉnh

Chơng II

Bộ băm xung áp một chiều

Nh đã giới thiệu ở chơng trớc, bộ băm xung áp một chiều có nhiều u điểm trong truyền

động giao thông Bộ băm xung áp biến đổi đợc điện áp một chiều từ 0 đến giá trị điện áp nguồn

US một cách trơn liên tục Phần trên cũng đã đề cập tới nguyên lý chung của bộ biến điện áp một chiều, ở chơng này ta đi chi tiết giới thiệu tổng quan nguyên lý điều chỉnh, các phơng pháp điều chỉnh và một số sơ đồ băm xung áp thực tế

I Nguyên lý

Nguyên lý chung là biến đổi giá trị của điện áp một chiều ở các mức khác nhau

Ura là một dãy xung vuông (lý tởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2 Điện áp ra bằng giá trị trung bình của điện áp xung Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi này là điều khiền các phần tử công suất bằng phơng 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 Ph ơng pháp điều chỉnh điện áp ra

Có hai phơng pháp:

 Thay đổi độ rộng xung (t1)

 Thay đổi tần số xung (T hoặc f)

1 Phơng pháp thay đổi độ rộng xung

Nội dung của phơng pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T ⇒ Giá trị trung bình của điện

áp ra khi thay đổi độ rộng là:

BBĐ

một chiều

1 t

2

T

ε là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ.

Nh vậy theo phơng pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 < ε≤ 1)

2 Phơng pháp thay đổi tần số xung

Nội dung của phơng pháp này là thay đổi T, còn t1=const Khi đó:

S S

Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phơng pháp trên Thực tế phơng pháp biến đổi độ rộng xung

đ-ợc dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bị biến tần đi kèm

III Các dạng cơ 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 nh sau:

Phần tử điều chỉnh quy ớc là khoá K ( thực tế là Tiristor hoặc Tranzitor)

Đặc điểm của sơ đồ này là khoá K, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp Tải có tính chất cảm kháng hoặc dung kháng Bộ lọc L & C Đi-ôt mắc ngợc với Ura để thoát dòng tải khi khoá K ngắt

L1

US U

+ K đóng ⇒ US đợc đặt vào đầu của bộ lọc Lý tởng thì Utải = US (nếu bỏ qua sụt áp trên các van trong bộ biến đổi).

+ K mở ⇒ hở mạch giữa nguồn và tải, nhng vẫn có dòng Itải do năng lợng tích luỹ trong cuộn L và Ltải, dòng chạy qua D, do đó Ura=Utải’ =0

Nh vậy, Utải tb ≤ US Tơng ứng ta có bộ biến đổi hạ áp

U

U W

+ K ngắt, dòng điện chạy từ +US qua L1 → D → Tải Vì từ thông trong L1 không giảm tức

thời về không do đó trong L1 xuất hiện suất điện động tự cảm eL

dt

d

Do đó tổng điện áp: U=US+eL→ làm D thông → Utải=US+eL Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp

Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lợng từ nguồn US ở chế độ liên tục và năng lợng truyền ra tải dới dạng xung nhọn

Đặc tính truyền đạt:

US U

U W

3 Biến đổi đảo cực:

+ K ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra sức điện động ngợc chiều với trờng hợp đóng ⇒ D thông ⇒

năng lợng từ trờng nạp và C, tụ C tích điện; Utải sẽ ngợc chiều với US

Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với US Giá trị tuyệt đối |Utải| có thể lớn hơn hay nhỏ hơn

US

4 Biến đổi công suất lớn theo nguyên lý nhiều nhịp:

Đặc điểm: Mắc song song n bộ biến đổi riêng làm việc cùng một tải và nguồn US

Để giảm độ gợn sóng của Itải và Utải , các khoá K1, K2, K3, … làm việc lệch pha nhau một góc 2π/n Khi đó mỗi bộ biến đổi chịu dòng điện Itải/n ; tần số làm việc f=fΣ/n

Có thể làm việc ở hai chế độ : lần lợt và đồng thời

Nhận xét: Các bộ biến đổi (3 & 4) có u điểm ở chỗ là cho phép nhận đợc điện áp ra tải Utải

cao hơn điện áp nguồn cung cấp US, song chúng chỉ thích hợp với dải công suất nhỏ nên ít thông dụng

IV Một số sơ đồ băm xung 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

nh đã giới thiệu ở mục trên

Dới đây xin giới thiệu hai sơ đồ băm xung áp:

 Một loại cho phép tái sinh năng lợng và cho dòng tải liên tục

 Một loại cho phép đảo chiều dòng tải, thực hiện đợc hãm tái sinh năng lợng và có thể

áp dụng đợc nhiều chế độ điều khiển khác nhau

1 Sơ đồ băm xung áp mạch đơn (loại A).

Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp loại này nh sau:

Giải thích:

+ S1,S2 là loại điều khiển hoàn toàn

+ Tải của bộ băm xung áp là động cơ kích từ nối tiếp có thể thay thế bằng R-L-E; trong đó

E là sức phản điện động của động cơ

+ D1là Diod hoàn năng lợng ;D2 là diod có tác dụng trả năng lợng tái sinh cho nguồn

1.1 Hoạt động của sơ đồ :

không làm việc Khi S1 mở dòng điện từ nguồn chảy qua S1 qua tải và trở về âm nguồn Khi S1

khoá dòng tảI đợc khép mạch qua điod D1 đảm bảo dòng tảI là liên tục ngay cả khi S1 khoá