bài giảng điện tử công suất

Chương ba: Hệ thống điều khiển động cơ một chiều dùng bộ biến đổi Các vấn đề của truyền động điện tự động dùng bộ biến đổi Sơ đồ hệ thống chỉnh lưu động cơ và các chế độ làm việc – Giới

Môn học ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT II A

THIẾT KẾ - ĐIỀU KHIỂN - ỨNG DỤNG)

TÀI LIỆU THAM KHAŒO

- Power Electronics : Converters , Applications , and Design , NED MOHAN ,

New York, John Wiley, 3 rd edition 2003

- Electric drives, Ion Boldea, CRC, 2nd edition 2005

- Modern Power Electronics and AC Drives, B.K.Bose, Prentice Hall,

Englewood Cliffs, N J., 2003

- Điều chỉnh Tự động Truyền động điện, Bùi Quốc Khánh và một số tác giả khác,

NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà nội, in lần 2, 2001

- Điều khiển số động cơ điện, Vũ văn Doanh, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà nội,

1999

CHƯƠNG TRÌNH Chương một : Các ngắt điện bán dẫn

Tính chọn và bảo vệ – Mạch lái ngắt điện

Chương hai : Bộ nguồn một chiều bán dẫn

Các bộ nguồn một chiều điều khiển pha : Sơ đồ khối - phạm vi ứng dụng – Các bước thiết kế – Tính toán mạch lọc

Mạch phát xung điều khiển pha Hệ thống điều khiển nhiều vòng

Cấp điện đóng ngắt: Sơ đồ khối – Khảo sát cấp điện dùng bộ biến đổi loại Flyback –

Mạch điều khiển

Chương ba: Hệ thống điều khiển động cơ một chiều dùng bộ biến đổi

Các vấn đề của truyền động điện tự động dùng bộ biến đổi

Sơ đồ hệ thống chỉnh lưu động cơ và các chế độ làm việc – Giới thiệu bộ biến đổi đảo chiều và truyền động điện đảo chiều quay

Hệ thống dùng bộ biến đổi áp một chiều (Chopper) – Hệ thống điều khiển động cơ chấp hành một chiều

HT điều khiển động cơ bước

Chương bốn : Hệ thống điều khiển động cơ xoay chiều dùng bộ biến đổi

Đặc tính động cơ xoay chiều : Phương trình đặc tính cơ - sự làm việc ở nguồn không hình sin

Điều chỉnh áp động cơ xoay chiều : sơ đồ khởi động động cơ KĐB

Điều chỉnh tần số động cơ xoay chiều : các nguyên tắc thay đổi điện áp , hạn chế sóng hài - sơ đồ điều khiển nghịch lưu nguồn áp - sơ đồ điều khiển biến tần V/F Điều khiển vecto Điều khiển động cơ đồng bộ

Chương năm: Bộ nguồn xoay chiều bán dẫn

Nguồn tần số công nghiệp : Nguyên lý Ổn áp AC và UPS

Nguồn tần số cao và gia nhiệt cảm ứng : nguyên tắc gia nhiệt cảm ứng - nghịch lưu nối tiêp - nghịch lưu song song Các bộ nguồn tần số cao dùng thyristor

***********************************************************************************

I TÍNH CHỌN NĐBD :

1 Loại linh kiện công suất:

a Diod: - Chỉnh lưu (+ tần số thấp),

phục hồi nhanh (fast recovery) làm việc ở tần số cao

- công nghệ thường – sụt áp mối nối pn ≈ 0.7 V, Schotty – sụt áp mối nối pn ≈ 0.3 V, chỉnh lưu tần số cao nhưng áp khóa thấp

b SCR: - Chỉnh lưu, Nghịch lưu

- Đặc tính cực cổng: amplified: dòng kích bé, LASCR: kích bằng quang

c GTO và Thyristor-có-cấu-trúc-phức-tạp: Sử dụng cho bộ biến đổi dùng NĐBD một

chiều (tắt cưỡng bức) ở công suất lớn, áp rất cao

- BJT: - SW: đóng ngắt, AF: âm tần, IF hay HF: cao tần, low noise: ít nhiễu

- Chọn theo hệ số khuếch đại, Darlington

- MosFET: AF (ít gặp), SW (thông dụng), dòng < 60A (dòng định mức giảm

- IGBT: có thể xem là nối tầng MosFET + BJT, chỉ có công dụng đóng ngắt,

chế tạo ở dòng lớn (> vài chục A)

2.Định mức áp: V DRM > katV * Vlvmax

V lvmax : Áp làm việc max VDRM : Áp khóa

k atV : hệ số an toàn áp ≥ 2

3 Định mức dòng:

Cơ sở cho việc tính chọn định mức dòng làsự phát nóng của linh kiện khi làm việc

Nhiệt độ mối nối θJ < Nhiệt độ cho phép θcp

- Sự truyền nhiệt từ tinh thể bán dẫn ra môi trưòng xung quanh:

mối nối θJ Ỉ vỏ SCR θCỈ tản nhiệt θHỈ môi trường θA

tương ứng phương trình:

) R R

R (

A

θ

+ RJC: điện trở nhiệt mối nối (Junction) – vỏ (Case)

+ RCH: điện trở nhiệt vỏ – tản nhiệt (Heatsink)

+ RHA: điện trở nhiệt tản nhiệt – môi trường (Ambience)

Giải mạch ĐTCS => tổn hao công suất ΔP

Tính toán nhiệt => θJ

Nếu θJ < θcp thì nâng định mức linh kiện (giảm

RJC) hay cải thiện điều kiện tản nhiệt (giảm RHA , RCH)

- Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tải:

Lực ép và bề mặt tiếp xúc linh kiện – tản nhiệt

Nhiệt độ môi trường

Chế độ tản nhiệt: trong buồng kín, đối lưu tự

hàm số của dạng dòng điện

Hệ số an toàn dòng 1.3 – 2

- Sử dụng dòng điện max cho các linh kiện gắn mạch in hay định mức bé (< 20A)

4 Cách lắp đặt (vỏ – case), chế độ tản nhiệt (SCR), chế độ cách điện với vỏ

5 Phân loại theo chất lượng:

Hàng không, quân sự – công nghiệp – thương mại

II BẠO VEÔ LINH KIEÔN VAØ BBÑ:

1.Bạo veô doøng:

+ Bạo veô doøng cöïc ñái ( ngaĩn mách – quaù doøng töùc thôøi):

Caău chì taùc ñoông nhanh: thođng soẩ ∫Ti2dt (tích phađn doøng bình phöông): bạo veô linh kieôn cođng suaât

Caău chì thođng thöôøng: Taùch rôøi phaăn hö hoûng, hán cheâ lan truyeăn

CB ( ngaĩt mách töï ñoông – Aptomat ): nhö caău chì thođng thöôøng + Bạo veô quaù tại ( quaù doøng coù thôøi gian ):

CB ( ngaĩt mách töï ñoông – Aptomat )

Rô le nhieôt Mách hán doøng cụa boô ñieău khieơn voøng kín

2 Bạo veô aùp: (quaù aùp dáng xung)

(4)

260v

IRF450

T FR105

C 103 10k

R4

RC noâi tieâp maĩc song song (1), Varistor laø loái ñieôn trôû giạm nhanh khi aùp lôùn hôn trò soâ ngöôõng (2), vaø caùc boô lóc nhieêu nguoăn(3) goăm caùc maĩc lóc LC hình π Coù theơ choâng caùc xung aùp ôû mách DC baỉng mách D + R + C nhö hình (4)

RC (Snubber) song song ngaĩt ñieôn

II MÁCH LAÙI NÑBD: Sô ñoă khoâi heô thoâng ñieău khieơn BBÑ:

Ñieău khieơn

voøng kín Mách phaùt xung Khueâch ñái xung Gheùp noâi

NÑBD

1 Mách laùi Thyristor: Phađn loái theo caùch

gheùp

a Gheùp tröïc tieâp:

Mách laùi = mách khueâch ñái doøng,

thöôøng tại cöïc E, cung caâp IG > IGT

Soâ lieôu thöôøng gaịp:

VGT = 2 volt ; IG = Iñm /KI vôùi KI = 100 300

6V

XUNG DK

SCR R?

R C1

0.1 uF

R5 2.2 ohm R2

220

R3 100 R1

100

R4 2.2 ohm Q1

C1061

b Gheùp quang:

Dùng OPTRON (Optocoupler) transistor

(thông dụng) và OPTRON Triac họ MOC để

điều khiển ở áp AC bé hơn hay bằng 220 V

OPTRON = LED + linh kiện quang điện;

dùng để truyền xung qua môi trường quang

OPTRON thông thường có thời gian trễ lớn

hơn vài micro giây => tần số tối đa đến vài

chục KHz

6V

OPTO1 1

2 4

Q2 1K

2.2 ohm 2.2 ohm

R1 4K7 4k7

R2 100

Sơ đồ kích SCR dùng OPTRON thông thường OPTRON họ MOC của Motorola có linh

kiện quang điện là phototriac có áp khoá đến

400 volt, dòng vài chục mA cho phép kích

TRIAC < 10 A trực tiếp ở điện 220 VAC

Hướng dẫn sử dụng OPTRON họ MOC

(của Motorola) để lái TRIAC

c Ghép biến áp:

Nguyên tắc biến áp xung (BAX): Khi đặt hàm nấc vào sơ cấp BAX, dòng từ hóa sơ cấp và từ thông lõi thép tăng theo hàm mũ và ở thứ cấp sẽ có áp cảm ứng tỉ lệ với đạo hàm từ thông lõi thép này Khi áp sơ cấp bằng 0 (hết xung), dòng từ hoá của BAX cần có đường phóng điện (thường qua D phóng điện song song ngược sơ cấp)

Mạch lái xung hẹp:

Dạng xung dòng, áp

VCC

D2

D1

3k3 3k3

Mạch lái xung hẹp dùng BAX

Yêu cầu của dạng xung để BAX làm việc:

+ Thời gian có xung đủ nhỏ để mạch từ không bảo hòa

+ Thời gian nghĩ đủ lớn để dòng từ hoá biến áp (khép mạch qua diod phóng điện D2) về 0

= > BAX truyền được xung hẹp: thời gian nghĩ >> thời gian có xung

Mạch lái SCR xung rộng dùng BA:

Áp pha

220/9 VAC

47n

SCR 100

Mạch sử dụng chuỗi xung

2 Mạch lái Transistor:

a Dạng xung điều khiển tối ưu:

- Thí nghiệm đóng ngắt tải R và RL:

VCC

VCC

C i C

i

CE v CE

v

Q

R1 R2 VBB

Nhận xét dòng áp trên transistor không thay đồi tức thời khi đóng ngắt chứng tỏ là công suất tức thời tiêu tán trên linh kiện rất lớn lúc này Sự phát nhiệt này không đáng kể khi tần số đóng ngắt bé nhưng trở lên là tiêu hao chính của transistor khi làm việc trong các bộ biến đổi hiện đại có tần số đóng ngắt lớn

I I

I

cb dt

ng t

Dạng dòng cực B tối ưu cho đóng ngắt

mạch Snubber Đểø giảm tối thiểu tổn hao công suất nhằm nâng tần số làm việc lên cao:

+ Dùng mạch hỗ trợ chuyển mạch (ví dụ như mạch Snubber cho quá trình ngắt)

+ Dùng mạch lái tạo dòng cực B tối ưu để transistor có thể chuyển mạch nhanh Tụ mối nối BE có ảnh hưởng lớn đến quá trình đóng ngắt của BJT Dòng IB tối ưu phải có khảnăng nạp và xảnhanh tụ điện này

Icb là trị số dòng điện cưỡng bức nạp tụ để BJT đóng nhanh, Idt là dòng điện vừa đủ

duy trì sự bảo hòa của transistor (không bảo hòa sâu) và Ing là dòng xả tụ, giúp tắt nhanh

b Sơ đồ ghép trực tiếp:

- Tác dụng RB, tụ gia tốc.(a)

- Transistor Darlington và nguyên lý mạch kẹp Baker (b)

R1

R2 D

Q Q2

Q1

1uF 2.2k

Q T

R1

c Ghép biến áp và mạch lái tỉ lệ (c)

d Ghép bằng quang (OPTRON): Dùng nguồn độc lập cho mạch lái

OPTRON (Cách ly tín hiệu ĐK) + sửa dạng + khuếch đại công suất (Ghép trực tiếp) Mạch điện tương tự như lái SCR

3 Mạch lái MosFET và IGBT:

- Điều khiển bằng áp

- Các thông số:

Ngưỡng điện áp điều khiển 3 – 5 V

Tiêu biểu 0 – 10 V (hay 15 V)

+/- 10 V (hay 15 V) Giới hạn hư hỏng cực cổng (thông

R11 510/3W 22K

D4 47

Mạch lái MOSFET 5 – 7 A làm việc ở BBĐ

Flyback 50 kHz

Tần số cao: Mạch lái tương tự BJT nhưng cấp điện 15 – 20V

4 Mạch lái MOSFET công suất có bảo vệ dòng:

Hình 4.19 được trích từ một tạp chí điện tử công nghiệp để tham khảo một mạch lái MosFET công suất có bảo vệ dòng Động cơ một chiều M là tải của BBĐ xung điện áp với ngắt điện là MosFET 12A / 60V, mã hiệu IRF131 Tác động bảo vệ dòng được thực hiện

qua R - S Flip Flop Nguyên lý này còn gặp trong các vi mạch điều khiển bộ nguồn xung

R -Q

S Q

M D

SHUNT

Q

Imax ĐK

5

6

7 ferrite io

0.33 ohm 100

IRF131

2N2222 220 1K

M D

(b)

R - S flip flop, được set ở mỗi đầu chu kỳ đóng ngắt và reset khi dòng vượt quá giá trị cho phép Như vậy khi có quá dòng,

MosFET sẽ bị khóa ngay, nhưng lại được

cho phép ở chu kỳ đóng ngắt kế tiếp

Kết quả là khi có quá dòng, độ rộng

xung tương đối sẽ giảm để hạn chế dòng cực

đại Các dạng sóng cho ở hình 4.19.c:

4: ngỏ ra cổng NAND 4, là tín hiệu

điều rộng xung từ mạch điều khiển, qua

optron

t t

t t

4 3

7

o

Hình 4.19.c 3: ngỏ ra cổng NAND 3, tín hiệu set của RS flip flop

C: cực C của BJT 2N2222, xuống thấp khi dòng vượt quá giá trị đặt xác định bằng

biến trở 100 ohm, nối song song với shunt 0.33 ohm để lấy tín hiệu dòng iO

7: tín hiệu cực cổng MosFET

Các cổng NAND 6, 1, 2, 7 sử dụng CD4011 là CMOS cấp điện 15V, lái trực tiếp MosFET bằng dây dẫn đi qua ống ferrite để chống dao động và nhiễu tần số cao, ở vị trí của

cổng NAND Smit-tri-gơ CD4093 cho phép sửa dạng xung

5 Mạch lái GTO:

• Nguyên lýđiều khiển:

kích dẫn IA/IG = vài chục

kích ngắt IA/-IG < 10 nhờ –Vbias

• Snubber có C lớn khắc phục

nhược điểm du/dt thấp

• Xung – IG có biên độ lớn do C

12v

1k

R4OPTO

R53k3

II.4 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN:

1 Bài toán điều khiển BBĐ:

Ngoài tính cách là một hệ thống tự động (HTTĐ) - yêu cầu đảm bảo chất lượng ngỏ ra trong chế độ tĩnh (xác lập) và động (quá độ), BBĐ còn có hai bài toán quan trọng sau:

- Dòng điện qua BBĐ hay các đại lượng của tải phụ thuộc dòng điện (như momen của động cơ một chiều) phải được hạn chế không vượt quá giá trị cho phép

- Điều khiển quá trình khởi động và dừng BBĐ

Một cách tổng quát, lý thuyết ĐKTĐ có thể được sử dụng để giải các bài toán trên Tuy nhiên, ta thường gặp ở các BBĐ công nghiệp một sơ đồ điều khiển vòng kín giống nhau, đó là hệ thống điều khiển (HTĐK) nhiều vòng HTĐK này còn gọi là điều khiển trạng thái hay tọa độ vì các biến cần ĐK cũng là các biến trạng thái của HT – cũng là các tọa độ của mặt phẳng pha mô tả HT

Các vấn đề của HTĐK được khảo sát trong mục này có thể được dùng cho các bộ nguồn

DC với các tải khác nhau, từ cấp điện cho mạch điện tử hay điện phân đến điều khiển động cơ trong chương sau

2 HTĐK tọa độ:

+ _

Hệ thống điều khiển tọa độ có sơ đồ khối như hình II.4.1, bao gồm:

- đối tượng điều khiển là nhiều khối quán tính nối tiếp (trên hình là hai khối nối tiếp P1 và P2), thường là BBĐ (ngỏ vào là tín hiệu điều khiển), tải của nó và các máy sản xuất Ngỏ ra của các khối này sẽ là những thông số cần điều khiển, thường là các biến trạng thái của đối tượng điều khiển, ở hình trên là x1, x2

- Bộ điều khiển hay hiệu chỉnh (HC) nối tiếp có số lượng bằng số khối của đối tượng, có phản hồi âm là các biến trạng thái của đối tượng, thường được gọi là bộ điều khiển các biến tương ứng Ngỏ ra của bộ HC vòng ngoài là tín hiệu đặt cho vòng trong Vậy ta đã có HTĐK hai vòng trên hình II.4.1 và nếu đối tượng có n khối nối tiếp tương ứng n biến trạng thái cần điều khiển, HT sẽ có n vòng với n bộ hiệu chỉnh nối tiếp

HTĐK tọa độ cho phép điều khiển được cùng lúc các biến trạng thái x1, x2 trong quá độ cũng như xác lập Chất lượng quá độ (động học) của HT được đảm bảo bằng quá trình hiêïu chỉnh các vòng và chất lượng tĩnh (xác lập) của các biến trạng thái có được khi các tín hiệu đặt của chúng không đổi (điều này xảy ra khi bộ HC vòng ngoài bảo hòa)

HTĐK tọa độ cịn là cơ sở cho việc ứng dụng các BBĐ (cĩ bộ hiệu chỉnh bên trong) vào cơng nghiệp, người sử dụng sẽ thay đổi các thơng số bộ hiệu chỉnh để ứng dụng cĩ chất lượng

Ví dụ: Với bộ nguồn DC, hai biến trạng thái cần

điều khiển làdòng điện I = x1 (vòng trong) và điện áp

V = x2 (vòng ngoài) Đây là 2 thông số của mặt phẳng

tải cho biết sự làm việc của BBĐ như hình II.4.2 Bình

thường, vòng điêù khiển ngoài giữ áp ra ổn định ở giá trị

Ulv Khi tải tăng, áp ra giảm làm tăng sai lệch vòng

ngoài, bộ điều khiển áp tăng tín hiệu đặt cho bộ điều

khiển dòng của vòng trong: dòng, áp tải tăng cho đến khi

bộ điều khiển áp bảo hòa HT sẽ làm việc trên đặc

I

U U

I

lv

gh

Hình II.4.2: BBĐ ổn áp và hạn dịng

tính hạn dòng I =Igh vì tín hiệu đặt của bộ điều khiển dòng không thay đổi Vậy bộ nguồn DC bình thường giữ ổn định áp ra ở giá trị làm việc V = Ulv và hạn chế dòng ở giá trị I = Igh khi bị

quá tải

3 Hiệu chỉnh HT hệ thống điều khiển tọa độ:

Một cách tổng quát, để có thể điều khiển được n biến trạng thái như đã giới thiệu ở mục

1 , ta có thể tính toán hiệu chỉnh lần lượt n vòng từ trong ra ngoài bằng những kỹ thuật của

ĐKTĐ Tuy nhiên, với cách nhìn thục tế, trong phần này ta sẽ mô tả một thuật toán đơn giản, có thể dùng cho hầu hết các BBĐ công nghiệp

Quá trình chỉnh định thông số các bộ hiệu chỉnh làm sẵn của BBĐ dùng trong công nghiệp cũng tiến hành tương tự: tiến hành chỉnh định các vòng từ trong ra ngoài

Với nhận xét là hầu hết các đối tượng công nghiệp bao gồm các khối quán tính (chỉ có

cực ở phần âm trục hoành), HTĐKù nhiều vòng có thể sử dụng bộ hiệu chỉnh PID với phương pháp khử cực – zero để đưa hệ thống về các kiểu mẫu (model) với chất lượng biết trước

a Hai HT mẫu (model):

- HT Tối ưu module: Hàm truyền vòng hở phản hồi đơn vị sau hiệu chỉnh có dạng:

)1(2

1)

W h

HT vô sai với ngỏ vào hàm nấc, có dự

trữ pha 65O , dự trữ biên là vô cùng (giản đồ

Nyquyist không cắt trục thực) Quá trình quá

độ có dạng bậc hai tới hạn, vọt lố POT =

4.3% , thời gian lên 4.7T và thời gian đạt

95% biên độ xác lập là 7 T

Hình II.4.3 Giản đồ Bode Wh của HT tối ưu module

HT tối ưu module là khối cơ sở, cho

phép thực hiện algorit hiệu chỉnh PID cho

HTĐK tọa độ (nhiều vòng)

- Tối ưu đối xứng: Hàm truyền vòng

hở phản hồi đơn vị sau hiệu chỉnh có dạng:

)1(8

)14

()

s T s

Giản đồ Bode hình II.4.4 có hai điểm gảy đối xứng qua điểm cắt trục hoành ωc

HT vô sai với ngỏ vào hàm dốc, có dự trữ pha 36O, dự trữ biên vô cùng, vọt lố POT = 43% , thời gian lên là 3 T, thời gian quá độ là 14.6 T

HT tối ưu đối xứng là kết quả của khâu hiệu chỉnh có tích phân một đối tượng có khâu tích phân ở ngỏ ra, nhờ đó hệ thống sẽ không sai số theo nhiễu

Để giảm vọt lố, cần sử dụng tín hiệu đặt là hàm dốc hay qua khâu quán tính

b Hiệu chỉnh PID (vi tích phân tỉ lệ):

- PID đơn giản, dể thực hiện bằng mạch điện tử và chương trình số, rất hay gặp trong công nghiệp:

K W

Hiệu chỉnh PI để có tối ưu module

Hiệu chỉnh PI để có tối ưu đối xứng và P để có tối ưu module

- Đối tượng bậc 3 có và không có tích phân:

K W

Hiệu chỉnh PID để có tối ưu module

Hiệu chỉnh PID để có tối ưu đối xứng, và PD để có tối ưu module Nhận xét:

- Các vòng trong chỉ có thể hiệu chỉnh thành tối ưu module để có thể hiệu chỉnh tiếp các vòng ngoài Việc chọn kiểu mẫu cho hiệu chỉnh vòng ngoài phụ thuộc vào đặc tính quá độ mong muốn của HT

- Với bộïhiệu chỉnh PID, ta chỉ có thể khử được 2 zero, do đó mẫu số hàm truyền đối tượng cần đưa về bậc 3 kể cả tích phân

d Các hàm truyền gần đúng:

Như đã khảo sát ở trên, để có thể thực hiện việc hiệu chỉnh hệ thống nhiều vòng theo nguyên lý khử cực – zero, đối tượng bị giới hạn ở bậc 3 và chỉ có cực trên trục thực, ta cần phải sử dụng một số quan hệ gần đúng, dựa vào cơ sở làđặc tính pha hai HT có cùng giá trị trong vùng khảo sát như sau:

hiệu chỉnh các vòng ngoài theo nguyên lý khử cực – zero Hàm truyền vòng kín HT tôí ưu module được thay bằng hàn truyên tương đương như sau:

h k

Tương tự, khâu trễ thời gian T cũng tương đương với quán tính bậc 1 thời hằng T

3 Các mạch điện thường dùng:

a Bộ hiệu chỉnh PID dùng 1 OPAM:

U

3 2

6

R2 R1

C2 C1

6

R2 R1

C2 C1

R3

R5

R4 R

V

(b) Sơ đồ thực tế: PID > sớm trễ pha, chỉ có vi phân ở đường phản hồi

b Bộ hiệu chỉnh PID dùng 4 OPAM:

Hình II.4.5.c (Xem tài liệu ĐKTĐ) Cho phép

chỉnh độc lập từng thành phần PID

c Mạch hạn chế biên độ: (c)

Tỉ lệ

Vi phân Tích phân

+

Vì ngỏ ra của bộ hiệu chỉnh vòng ngoài là tín hiệu đặt của bộ hiệu chỉnh vòng trong, mức bảo hòa của bộ hiệu chỉnh vòng ngoài sẽ xác định giới hạn của biên độ ngỏ ra của vòng trong Các mạch thay đổi mức bảo hòa (hạn chế biên độ) ngỏ ra KĐTT thường dùng

Vo U

3 2

Hình II.4.6 (a) Mạch hạn chế biên độ

ngỏ ra dùng diod (bảo hòa ở V1 > 0)

Vi R1

Vo U1

3 2

d Mạch tạo hàm dốc (RAMP):

Khi tín hiệu đặt của các BBĐ là hàm nấc, HT luôn có vọt lố ngỏ ra khá cao do sai số quá lớn ban đầu, nhất là khi sử dụng kiểu mẫu tối ưu đối xứng trong công nghiệp, tín hiệu Hình II.4.7

Đồ thị tốc độ đặt của truyền động nâng hạ buồng thang máy

R1

Vo U1

3 2

e Ví dụ sơ đồ điều khiển vòng kín:

Mạch điều khiển vòng kín (được đơn giản hóa) HT điều khiển áp, dòng động cơ DC:

ĐỘNG LƯC Phản hồi áp

Phản hồi dòng

- Ufh

Ifh

Đến mạch phát xung kích SCR

Phản hồi áp- Ufh

Ifh Phản hồi dòng

Tạo hàm dốc

Điều khiển áp Điều khiển dòng

R18

RUN / STOP1 R16

R8 C1

POT

R11 R10

10

9 8

R15

C3 C2

U1B

5

6 7

U1A

3

2 1

Nếu ta dùng mạch phát xung kích

SCR với đồng bộ răng cưa có góc điều khiển

pha α = 0 khi U đk = 0, giữa bộ hiệu chỉnh và

mạch phát xung cần có bộ dời mức sao cho

U đk = 0 tương ứng ngỏ ra bộ hiệu chỉnh dòng

là cực đại: Uđk = - (Uđk1 - Vcc)

Mạch ĐKP

đồng bộ

SCR Uđk

Hình II.4.9 mạch dời mức

Lọc nhiễu và cách ly: Trong Hình

II.4.8, các bộ lọc hình T dùng RC lọc nhiễu

ở đầu vào và cách ly giữa các tầng để chống

tách làm đôi, thêm vào tụ điện 0.1 uF

II.5 BỘ NGUỒN XUNG (SWITCHING POWER SUPPLY): (sơ đồ khối 2 mục I.1)

Khác với các bộ nguồn SCR có tần số là việc tối đa vài trăm Hz, các bộ nguồn xung sử dụng transistor đóng ngắt ở hàng chục hay trăm KHz cho phép giảm kích thước, giá thành hệ thống, mạch lọc có trị số bé khi tải cần áp ra phẳng Do đó, chúng thích hợp với tải cần áp ra phẳng và vì vậy trong mục này, các sơ đồ đều có bộ lọc LC ngỏ ra mặc dù không phải tải nào cũng cần đến chúng

1 Sơ đồ ổn áp đóng ngắt thay thế ổn áp tuyến tính:

o V

V

Điều khiển

o I

_

L

Hình II.5.2 Ổn áp đóng ngắt

BBĐ áp một chiều làm việc ¼ mặt phẳng tải + lọc LC tải có thể thay thế các ổn áp tuyến tính quen thuộc với các đặc điểm:

- Ưu: hiệu suất cao, kích thước bé, giá hạ khi công suất đủ lớn

- Nhược: có nhấp nhô áp ra, mạch điều khiển phức tạp

Hai nguyên lý điều khiển:

- Điều rộng xung (cần điều khiển vòng kín để ổn định ngỏ ra)

- Dùng so sánh có trễ , áp ra dao động quanh giá trị đặt nhưng tần số làm việc thay đổi theo tải

Uđk ĐB

Dao động tam giác

u

Hình II.5.3 (a) Nguyên lý điều rộng

2 Sơ đồ bộ nguồn dùng nghịch lưu:

Để tăng hiệu quả của bộ nguồn

xung, người ta dùng biến áp tăng (giảm)

áp tần số cao với việc đưa bộ đóng ngắt

ra phía trước, trở thành bộ nghịch lưu 1

pha điều rộng xung như hình II.5.4.a

Áp ra sau chỉnh lưu thứ cấp có

dạng điều rộng xung như trước

Sơ đồ điều khiển có dạng hình

bên, gồm bộ điều rộng xung làm việc ở

tần số ngỏ ra, dùng T FF (chia 2) để

tách ra hai xung luân phiên (đẩy kéo)

đóng ngắt hai ngắt điện

(Xem tài liệu tham khảo về vi

- Q

(b) mạch điều khiển điều rộng xung dẩy kéo (dùng điều khiển nghịch lưu trong cấp điện đóng ngắt)

3 Thiết kế bộ nguồn xung dùng nghịch lưu:

a Mạch động lực bộ nghịch lưu:

Ví dụ tính toán gần đúng: Tính toán

mạch động lực bộ cấp điện dùng nghịch lưu

(sơ đồ ½ cầu hình II.5.4.a), Ngỏ ra

5 V / 20 A, ngỏ vào 260 VDC

- Chọn tần số ngỏ ra 20 Khz, độ rộng

xung tương đối α = ton/T= 0.5

=> biên độ áp thứ cấp 5/0.5 = 10 V

o

I Thứ cấp biến ápsau chỉnh lưu

áp Sơ cấp biến áp

vo io

(c) Dạng dòng, áp

Giả sử diod cầu sụt áp tổng 0.6 V (dùng diod Schotky), biên độ thứ cấp biến áp là

10 + 0.6 = 10.6 V

=> tỉ số biến áp 260 / (2 * 10.6) = 12.3

Phân tích dạng dòng, => trị trung bình dòng qua L1 cũng chính là dòng tải Io, giả sử dòng qua Diod là phẳng, biên độ của nó cũng là Io = 20 A

Chọn dòng trung bình qua D là kat Io = 1.5 * 20 = 30 A; áp qua D > 10 V, chọn 25 V,

loại Schotky

Hiệu dụng cuộn dây thứ cấp 20 / 2 14 A= , hiệu dụng cuộn dây sơ: 14 / 12.3 = 1.2 A Chọn ngắt điện nghịch lưu theo biên độ dòng qua nó, bằng 20 /12.3 = 1,6 A => Ngắt điện 5 A / 600 V

b Tính toán mạch lọc:

Khai triển Fourier dạng sóng điều rộng xung, giả sử dòng tải BBĐ là liên tục:

1 2

1 2

n n

độ rộng xung tương đối α = ton/T, Vn là biên độ sóng hài bậc n LC mạch lọc được tính

như đã ví dụ ở phần chỉnh lưu Để ý tải được xem là nguồn dòng để đơn giản các phương trình

4 Khảo sát bộ biến đổi áp một chiều loại FLYBACK:

Bộ biến đổi áp một chiều xếp vào loại flyback khi chu kỳ hoạt động gồm hai pha:

Pha 1: Ngắt điện đóng (ON) Cuộn dây được nạp năng lượng từ nguồn, tải sử dụng năng lượng tích trử trong tụ điện song song ( tụ lọc ngỏ ra )

Pha 2: Ngắt điện ngắt (OFF) Cuộn dây chuyển (phóng) năng lượng qua tải và nạp năng lượng vào tụ điện

v C

v

L

L i

C i

is

V

C v

v L1

L1

i

C i V

n:1

i

C v C

i

i L2 V

is V

C v C

S1

Io

D

C_

LS1

S2D

D+

_

IoC

Hình II.5.5: Các sơ đồ BBĐ dạng Flyback:

Như vậy, nguyên tắc hoạt động bộ biến đổi loại FLYBACK đối nghịch với các bộ băm điện áp (chopper), khi tải được nối nguồn khi ngắt điện đóng (ON) và sử dụng năng lượng tích trữ khi ngắt điện khóa

Có 4 sơ đồ được trình bày trên hình II.5.5:

(a) : Bộ biến đổi đảo cực tính: được dùng cho khảo sát cơ bản vì có số phần tử là ít nhất (b) Sơ đồ tăng giảm áp

(c) Sơ đồ tăng giảm áp có biến áp

(d) Sơ đồ tăng áp

Sơ đồ (a) có số phần tử ít nhất, (b) có cùng hoạt động với (a) nhưng không đảo cực tính, (c) tương tự nhưng sử dụng biến áp và (d) tăng áp

a Khảo sát sơ đồ căn bản: [Hình II.5.5 (a)]

Để khảo sát gần đúng, ta giả thiết các điện áp, dòng điện đều biến thiên tuyến tính, điều này có thể đạt được khi:

- Chu kỳ đóng ngắt T rất bé với chu kỳ của mạch cộng hưởng LC ( bằng 2π LC)

- Tải là nguồn dòng Io, chính là giá trị trung bình của dòng tải khi bỏ qua các nhấp nhô

Các giả thiết này cũng được sử dụng trong các phần khảo sát tiếp theo

Xem hình II.5.6 trình bày các dạng áp, dòng của mạch ở chế độ tựa xác lập, khi các

tín hiệu thay đổi có chu kỳ

Hình II.5.6: Dạng áp, dòng BBĐ hình II.5.5.a

Diod D không dẫn điện vì phân cực ngược: anod có điện thế âm trong khi catod dương

C phóng điện qua tải:

dt

dv C Io i

Io

tải.trênáp bìnhtrungtrị làcũngC,quaáp bìnhtrungtrị L,quadòng bìnhtrungtrị

:trêntrình phươngvế

hai bình

trung

Lấy

t

I L V t

V C Io

Δ

Δ

=Δ

Δ+

Như vậy, dòng qua cuộn dây i L thay đổi tuyến tính trong khoảng I L − Δ2I , I L + Δ2I, áp

v C trên tụ C thay đổi trong khoảng V C − Δ2V , V C + Δ2V Áp ra có thể lớn hay bé hơn áp nguồn

phụ thuộc t ON / T , nhấp nhô áp ra chỉ phụ thuộc dòng tải Io và tụ lọc C, nhấp nhô dòng ra phụ

thuộc áp vào V và cuộn dây L

Trường hợp dòng gián đoạn:

Giả sử ta giữ t ON không đổi khi giảm Io ΔI

không đổi trong khi I giảm theo Io Dòng i L L không

đổi dạng nhưng biên độ thấp dần Khi

2I t

gián đoạn (hình II.5.7).:

Trong khoảng t ON , dòng qua L được nạp từ 0

đến giá trị cực đại Khi S1 khóa, L phóng điện qua tải

và C nhưng dòng sẽ về 0 trước khi S1 đóng trở lại

nạp năng lượng vẫn như cũ:ΔI = V L t on , nhưng thời Hình II.5.7: Dạng áp, dòng BBĐ hình 4.8.a khi

dòng gián đoạn

gian tải sử dụng năng lượng tích trữ trong tụ tăng lên, theo hình 3, bằng (T – t X + t ON ) và nhấp nhô áp ΔV = C Io ( T−t x + t on )

Thời gian L phóng năng lượng thay đổi, bằng Δt = ( t X – t ON ) làm cho các quan hệ điện áp và dòng trung bình thay đổi:

ton T

V . Io L ON x

t

t T on

L V I

L

t

t T t

t

) ton t T t

t V L

t t

t C

t t ) (

Io t

I

) (

Io ) (

Io C

Io I V

V

on x

on x on

x

x on

x on

x on

2 2

=+

=

=

− Δ

;

<II.5.4>

Nhận xét là khi dòng gián đoạn, trị số trung bình của áp ra tăng, theo lý thuyết sẽ đến vô cùng khi Io bằng 0 ( mạch không tải ) Có thể giải thích hiện tượng này là do năng lượng chỉ có thể truyền một chiều: nguồn Ỉ cuộn dây Ỉ tụ ngỏ ra và áp trên tụ sẽ tăng đến vô cùng theo năng lượng nạp vào Trong thực tế, luôn luôn có tổn hao trong mạch, tổn hao này tăng theo điện áp và ngay khi không tải, năng lượng nạp vào sẽ cân bằng với tổn hao ở một giá trị hữu hạn của áp ra

Một nhận xét khác là giữa trường hợp i L phóng điện qua tải, nạp điện cho C và i L = 0 còn có trường hợp C và L cùng cung cấp dòng cho tải Do đó các tính toán trên chỉ là gần đúng

2 Các sơ đồ khác:

a Sơ đồ hình II.5.5(b): Hoạt động hoàn toàn giống như sơ đồ căn bản hình 1.(a) nhưng áp ra không đảo dấu S1 và S2 được điều khiển bằng cùng tín hiệu, đóng mạch để nạp năng lượng vào cuộn dây và khi ngắt, cuộn dây sẽ phóng điện qua hai diod D1 và D2, cung cấp dòng

nạp tụ và cho tải Io.Cách nối này còn giảm điện áp đặt vào ngắt điện ở trạng thái khóa so với

sơ đồ II.5.5(a)

b Sơ đồ hình II.5.5 (c): Là sơ đồ thường gặp nhất trong các bộ nguồn Biến áp T có hai nhiệm vụ: cách ly nguồn và tải, làm cuộn dây tích trữ năng lượng cho bộ biến đổi T là biến áp

không bảo hòa, tỉ số vòng dây sơ/thứ là n, L1 và L2 lần lượt là tự cảm cuộn dây sơ và thứ cấp

Với cùng giả thiết của khảo sát sơ đồ căn bản, các kết qua nhận được cũng có dạng tương tự Ta có các quan hệ của biến áp:

n2L2 = L1 ; nI L1 = I L2 ; v L1 = n⋅v L2

- Khi S1 đóng: 0 < t < t ON L1 được nạp năng

lượng, dòng i L1 tăng; C xả qua tải,áp giảm:

- Khi S1 ngắt: t ON < t < T , lưu ý giả thiết

dòng liên tục:

i L2 = Io + i C và v L1 = n v L2 = n v C , thế

các giá trị tương ứng và lấy trung bình:

Hình II.5.8: Dạng áp, dòng BBĐ hình II.5.5(b)

V ) (

V V

L v

v

Io ) (

I Io

I n C

Io i

i

n

ton T

t n C t

I n

L C dt

di n

L dt

di L

C

t

T T n L t

V L

dt

dv L

L

on L

L L

on C

− Δ

Δ

− Δ

=

⋅

⇒+

=

=

⋅

1 2

2 2

1 1 1

1 1

1 1

22

<II.5.6>

Biểu thức tính giá trị trung bình các áp ra và dòng qua cuộn dây giống như trường hợp

căn bản nhưng có thêm tỉ số biến áp n

Nhấp nhô dòng tỉ lệ nghịch với giá trị tự cảm cuộn dây, nhưng cần lưu ý là các tự cảm không được lớn quá để biến áp bị bảo hòa, khi mà dòng nạp cuộn dây chính là dòng từ hóa cho biến áp Khảo sát trường hợp dòng gián đoạn cũng nhận được những kết quả tương tự

c Sơ đồ tăng áp hình II.5.5.(d):

Khi biến áp T nối ở dạng tự ngẫu, tỉ số 1:n và nối tiếp với áp vào, ta nhận được sơ đồ

tăng áp Các thông số: L2 = n2L1 ; I L1 = nI L2 ; n⋅v L1 = v L2 Chứng minh tương tự và để ý khi S1 ngắt, cuộn dây phóng điện:

)]

( n [ V V nL

V V v

V

− Δ

Δ

+

=

⇒+

=

⇒+

và trị trung bình dòng điện cuộn dây trong pha nạp điện I L1 = n T−T ton Io

3 Khi bộ biến đổi có nhiều ngỏ ra:

(hình 4.12 )

Các bộ nguồn xung thường cần nhiều

cấp điện áp ở ngỏ ra, có thể cách điện với nhau

như ở hình 5 Sơ đồ thường dùng biến áp có

nhiều cuộn thứ cấp

Giả sử biến áp có một cuộn sơ cấp vàø n

cuộn thứ cấp

Các cuộn dây có thông số n, L; n1, L2;

…; n, L là thông số của cuộn sơ cấp

Các tự cảm quan hệ với nhau:

L i V

V2

V3

V1

L3L2

D3

D1

+ +

_+

I2

I3I1

Hình 4.12: BBĐ Fly back nhiều ngỏ ra

quan hệ các điện áp cảm ứng:

Từ đó, suy ra ở chế độ dòng liên tục với i là chỉ số cuộn dây:

- nhấp nhô áp ở mỗi cuộn dây thứ cấp: i

- Trung bình dòng điện của cuộn sơ cấp: L 1 i i

i on

Ví dụ II.5.1:

a Cho sơ đồ hình II.5.5.(c), áp nguồn V = 260 volt, tần số đóng ngắt f = 20 KHz, tải định mức Vo = 5 volt, Io = 5 ampe Tính các thông số mạch để nhấp nhô áp ra ΔV = 20 mV, nhấp nhô dòng qua ngắt điện ΔI bằng 50 % trị trung bình

T = 1/f = 50 micro giây, chọn tON = 0.6 T = 0.6/ 20000 = 30 micro giây

<II.5.2> suy ra C = Io*tON/ ΔV = 5*30 E -6 / 20 E -3 = 7.5 E –3 = 7500 uF

<II.5.3> suy ra tỉ số biến áp n =(V * tON)/ [(T - tON )* Vo] = 78 và trị trung bình dòng qua

L (trong khoảng nạp điện)

IL = (Io * T)/ [(T - tON )* n] = ( 5 * 50) / [(50 – 30)*78] = 0.16 ampe

nhấp nhô dòng ΔI = 0.16 * 0.5 = 0.08 ampe

<II.5.2> => L = (260 * 30 E –6) / 0.08 = 0.0975 H

Dòng cực đại qua ngắt điện S: Imax = IL + ΔI / 2 = 0.20 ampe

b Với hệ thống tính được ở câu a., độ rộng xung tương đối bé nhất cho phép tON/Tø= 0.1, tính dòng tải tối thiểu để hệ thống có dòng liên tục lúc này:

tON = 0.1 * 50 = 5 micro giây

Nhấp nhô dòng ΔI = 260*5 E –6 / 0.0975 = 0.0133 ampe

Để có dòng liên tục, trị tối thiểu Imin = 0 hay trung bình dòng qua sơ cấp biến áp IL phải lớn hơn một nửa nhấp nhô dòng ΔI, bằng 0.00667 ampe và dòng tải tương ứng :

<II.5.3> => Io = IL * n *(T – tON) / T = 0.00667 * 78*(50 – 5)/50 = 0.468 ampe

Bài tập II.5.1: Tính toán chính xác cho sơ đồ hình 4.8.a (sơ đồ cơ bản): Khảo sát chu kỳ

tựa xác lập (khi các dạng sóng lập lại ở mỗi chu kỳ)

- Khi ngắt điện S đóng, các biểu thức không đổi, có dạng của <II.5.2>

dv C Io i Io

i L = + C = + C ; L=− C = L điều kiện ban đầu

i L( )0 =Imax=I bđ+ ΔI baitapII.5.1 < > ; v C( )0 =Vmin =V bđ− ΔV baitapII.5.2< >

Hệ phương trình này có thể đổi lại thành phương trình bậc 2 theo v C như sau:

( ) C ( ) C C( ) C( o)

dt

dv V

nghiệm v C có dạng v C = A sin wt+B cos wt với w=1/ LC , A và B là hằng số tích phân phụ thuộc hai điều kiện đầu Có thể tính được:

(I I ) wt V wt Z

v C = max − o sin + min cos với Z = L C là tổng trở sóng mạch cộng hưởng

LC và i L =i C +I o =−V min Z sin wt+(I max−I o)cos wt+I o

Với giả thiết dòng liên tục, thế t = T – t ON vào, ta có lại các giá trị áp dòng ở đầu chu kỳ

I =− min + max− + <baitapII.5.4> với X = sinw(T – t ON ), Y = cosw(T – t ON )

Bốn phương trình từ <baitapII.5.1> đến <baitapII.5.4> cho phép ta tính được Vmin, Vbđ, Imax, Ibđ, viết được biểu thức mô tả dạng sóng áp trên tụ và dòng qua cuộn dây:

Y t

X wt V X Y

V min = − + ⎢⎣⎡ ⋅ ⋅ − o 1− ⎥⎦⎤; max = min +

1

1

2 2

L

V I

I X wt I Y t

X Y I

+

−+

Dạng sóng áp trên tụ và dòng qua L có dạng dao động trong khoảng L phóng điện qua C thay vì đường thẳng như trong khảo sát gần đúng Trong thực tế, do C thường rất lớn, chu kỳ T của mạch thường rất bé so với chu kỳ dao động LC, do đó các đường cong có thể xem là đường thẳng Các công thức gần đúng có thể suy ra trở laị khi khai triển Taylor các hàm lượng giác: sin x xấp xỉ (x – x 3 /3) cos x bằng 1 – x 2 /2

Bài tập II.5.1 cho thấy sự phức tạp của việc tính toán chính xác, sẽ tăng lên khi khi khảo sát trường hợp dòng gián đoạn Tính toán gần đúng luôn được sử dụng trong thực tế

4 Nguyên lý điều khiển độ rộng xung (PWM) loại dòng điện:

Trong một phần trước ta đã tìm hiểu nguyên lý điều chế độ rộng xung Khi đó thời gian đóng và ngắt của ngắt điện thay đổi theo tín hiệu đặt áp, có thể gọi chi tiết hơn là điều rộng xung loại điện áp để phân biệt với nguyên lý điều khiển độ rộng xung (PWM) loại dòng điện Nguyên lý này cho phép cùng lúc thay đổi độ rộng xung và kiểm soát biên độ dòng qua ngắt điện, rất thích hợp với các bộ biến đổi áp một chiều dạng flyback vì nhờ khả năng kiểm soát được dòng điện, ta luôn khống chế được giá trị dòng nạp cuộn dây, tránh quá dòng qua ngắt điện khi cuộn dây bảo hòa vì điện trở cuộn dây rấp bé

Nguyên lý điều khiển được trình

bày trên hình II.4.13 bên Mạch dao

động (thường là nạp xả) xác định độ

rộng xung tối đa của BBĐ, tác động vào

ngỏ SET của RS FF để đóng ngắt điện

S ở đầu chu kỳ, tác động vào RESET để

khóa S khi độ rộng xung tương đối dạt

giá trị tối đa Điều này thực hiện được

nhờ SET và RESET tác động bằng cạnh

lên và xuống Một mạch so sánh có thể

khóa ngắt điện S khi dòng qua nó vuợt

qua giá trị đặt bởi bộ điều

Dao động

Set Reset

Đặt dòng

Phản hồi dòng

Điều khiển áp

R-S F F

Q

S

Shunt

Hình 4.13: Bộ điều rộng xung loại dòng điện

khiển áp Bộ điều khiển áp sẽ tăng tín hiệu đặt dòng qua S có được áp ra cao hơn Để ý dòng điện này luôn có quán tính, không thay đổi tức thời (mạch có tính cảm kháng) Trong hình II.4.13 , cổng OR để RESET Flip Flop từ hai nguồn

Vi mạch họ 38xx trong phần phụ lục sau cho ta sơ đồ thực tế của bộ điều rộng xung loại dòng điện

5 Sơ đồ cải thiện hệ số công suất bộ cấp điện (nguồn) đóng ngắt:

Việc sử dụng chỉnh lưu diod ở ngỏ vào đã cải thiện rất nhiều tình trạng sử dụng lưới điện của các bộ nguồn một chiều so với khi dùng chỉnh lưu SCR Tuy nhiên, tổng trở vào của các bộ cấp điện đóng ngắt không tương đương với điện trở (hệ số công suất nhỏ hơn đơn vị) vì có tụ điện lọc ở sau chỉnh lưu điod Khi đó, ngoài dòng xung ban đầu khi đóng vào lưới điện rất lớn, ở trạng thái xác lập dòng nguồn là những xung nạp tụ, như được vẽ trên hình II.4.14 Khi đó, hệ số công suất không bằng đơn vị vì BBĐ có tiêu thụ công suất phản kháng cho các hài bậc cao Đề hệ số công suất bằng 1, dòng vào bộ nguồn cần có dạng hình sin, cùng pha với áp (hình II.4.15) Đó là nhiệm vụ của bộ cải thiện hệ số công suất, có sơ đồ khối như sau:

Lưới AC > Chỉnh lưu D > [tụ bé > Mạch cải thiện HSCS >] tụ lớn > BBĐ Áp DC

C1 L

C2

Hình 4.15: Áp và dòng tụ lọc nguồn C i L = |i n|, C1 có giá trị rất bé (dòng qua nó không đáng kể), C2

có giá trị lớn, cấp điện cho BBĐ áp một chiều Gạch trên đầu các ký hiệu dòng cho biết đây là giá trị trung bình vì S đóng ngắt ở tần số rất cao.

Phần trong ngoặc vuông [ ] là phần bổ sung vào bộ nguồn xung để cải thiện hệ số công suất Mạch điện này có nhiệm vụ nạp tụ điện ở ngỏ vào BBĐ áp một chiều bằng một dòng hình sin, có biên độ phụ thuộc vào công suất tiêu thụ ở ngỏ ra, S và L là một bộ nguồn Flyback để nạp tụ C2, sử dụng nguyên lý điều rộng xung loại dòng điện Để dòng qua L có trị trung bình là hình sin cùng pha với lưới điện, tín hiệu đặt dòng của bộ điều rộng xung này có dạng hình sin, biên độ thể hiện yêu cầu áp trên tụ C2

Hệ số công suất có thể lên đến 0.997 theo tài liệu Switchmode Power Supply Reference Manual (1999) của hãng ON Semiconductor (trước đây là một bộ phận của Motorola) khi ứng dụng vi mạch MC34262 của Motorola theo sơ đồ nguyên lý hình II.4.16 sau

Phần điều rộng xung loại dòng điện tương tự như so đồ vi mạch họ 384x, sự khác biệt nằm ở phần so sánh áp ra để tạo tín hiệu đặt dòng: ngõ ra của bộ điều khiển áp (khuếch đại sai số – Error Amp.) được nhân với hình sin nguồn để tạo ra tín hiệu đặt dòng điện Điện dung tụ điện nhỏ C1 bằng 1uF và điện dung tụ lọc nguồn chính C2 bằng 220 uF để có được bộ nguồn

DC 230 V/3.5 A từ lưới điện 92 – 135 V AC

hình II.4.16 Mạch cải thiện hệ số công suất dùng vi mạch MC34262

PHỤ LỤC VI MẠCH ĐIỀU KHIỂN BỘ NGUỒN XUNG 3842

1 GIỚI THIỆU CHUNG:

Phần phụ lục này giới thiệu họ vi mạch 3842 3846, điều khiển bộ nguồn xung loại FLYBACK, sử dụng MOSFET Người ta gọi nhóm vi mạch này là điều rộng xung lọai dòng điện (current mode PWM) khác với nguyên tắc PWM mô tả ở II.5.1 MosFET sẽ dẫn điện từ đầu chu kỳ và sẽ bị khóa khi dòng vượt qua giá tri đặt bởi ngỏ ra bộ hiệu chỉnh Nguyên tắc điều khiển như vậy rất thích hơp với các BBĐ loại flyback biến đổi năng lượng qua trung gian dòng điện Các vi mạch trong nhóm chỉ khác nhau vài thông số phụ thuộc mã số Tiếp đầu ngữ cho biết nhà chế tạo, số đầu từ 1 (1842) đến 3 (3842) phụ thuộc nhiệt độ làm việc

Hình PL4.1 Sơ đồ khối và mô tả chân EC 3842, số chân trong ngoặc khi sử dụng vỏ DIP14

Vi mạch EC 3842 là bộ điều chế độ rộng xung loại dòng điện, chuyên dùng cho BBĐ flyback có

sơ đồ khối hình PL4.1, cấp điện đến 30 volt (phụ thuộc mã số) , bao gồm:

- Mạch ổn áp 5V / 20 mA (chân 8/14) cho mạch ngoài và áp chuẩn 2.5 V cho mạch khuếch đại sai số ERROR AMPLIFIER (bộ hiệu chỉnh)

- Mạch bảo vệ giảm áp nguồn cấp điện Under Voltage Lock Out, không cho mạch làm việc khi nguồn giảm xuống dưới giá trị cho phép (phụ thuộc mã số)

- Bộ dao động tần số cực đại là 500 kHz, chỉnh bằng RC ở chân 4/7

- Ngỏ ra lái MosFET dùng mạch bổ phụ transistor, dòng tiêu biểu +/- 200mA

- Mạch khuếch đại sai số ERROR AMPLIFIER (thực chất là bộ hiệu chỉnh vòng kín) có ngỏ vào là tín hiệu đặt V REF = 2.5 V và tín hiệu phản hồi Voltage Feedback Input (chân 2/3), tác động lên bộ phát xung điều rộng sao cho sai lệch ngỏ vào của nó giảm về 0

- Sự điều chế độ rộng xung loại dòng điện thực hiện bằng bộ so sánh dòng và set-reset flip-flop Bộ so sánh dòng có hai ngỏ vào là điện áp tỉ lệ với dòng điện tải I SENSE và ngỏ ra mạch khuếch đại sai số ERROR AMP Khi I SENSE > ngỏ ra ERROR AMP (sau khi giảm áp), bộ so sánh sẽ lên 1, reset RS

FF và MosFET bị khóa Như vậy giá trị đỉnh dòng qua MosFET sẽ được xác định bởi sai lệch điện áp phản hồi so với giá trị đặt RS FF chỉ đổi trạng thái, cho phép MosFET làm việc khi bắt đầu chu kỳ làm việc mới (các dạng sóng trên hình PL4 2)

- Độ rộng xung tương đối α cực đại có thể khống chế bằng cách chọn tụ dao động CT Đối với

vi mạch mã số từ 3844 – 3846, trị số này là 0.5 Điều này rất khác so với lý thuyết là phạm vi thay đổi từ 0 1 Lý do là để tránh bảo hòa cuộn dây

hình PL4 2: Các dạng sóng ở các chân khi thay đổi độ rộng xung

3 Mạch tiêu biểu:

Hình PL4.3 là sơ đồ bộ nguồn xung dùng vi mạch 3842 (3844) Sơ đồ này tiểu biểu cho các mạch nguồn lọai flyback, trong đó ngắt điện IGBT thường được thay thế bằng MosFET

Năng lượng được cung cấp từ lưới qua bảo vệ quá áp dùng varistor và bộ giảm nhiễu LC RTC là điện trở thay đổi theo nhiệt, hạn chế dòng nạp tụ lọc nguồn C1, C2 khi đóng nguồn R3 là điện trở cấp nguồn ban đầu ( điền trở mồi) cho mạch điều khiển, nguồn thật sự cho mạch điều khiển lấy từ biến áp, chỉnh lưu qua D1

R8, C4 là hai phần tử xác định tần số dao động R9, C5 là mạch phản hồi dòng qua IGBT, đưa vào so sánh

Việc ổn định điện áp ngỏ ra thực hiện qua vi mạch ổn áp song song TL431, so sánh áp ra và chuẩn 2.5V bên trong để thay đổi dòng phân cực OPTRON PC817 Transistor ở ngỏ ra OPTRON sẽ thay đổi dòng cực thu và làm thay đổi độ rộng xung lái IGBT

Hình PL4.3 Sơ đồ bộ nguồn xung có và không có dùng vi mạch TL431 Dòng tải cảm nhận về qua RC trước khi vào so sánh để lọc bỏ gai dòng ban đầu khi turn-on MosFET

PHỤ LỤC 2: Vi mạch điều rộng xung TL494

1 Mô tả:

TL494 là vi mạch của hảng Texas Instrument đại diện cho nhóm vi mạch điều khiển cấp điện đóng ngắt (nguồn xung) loại sử dụng nghịch lưu (mục II.5.2 – hình II.5.4) hay UPS offline công suất bé, bao gồm:

- Bộ dao động răng cưa dùng RC tạo sóng mang cho bộ điều rộng xung, tần số làm việc từ 1 kHz đến 300 kHz

- Bộ so sánh Dead time control comparator xác định bề rộng xung tối đa, lớn nhất khi điện áp chân DTC bằng 0

- Bộ so sánh PWM định bề rộng xung theo áp ngỏ ra của các bộ khuếch đại sai số Hai bộ so sánh này tác động mức thấp nên xung ra cổng OR sẽ là xung có bề rộng bé hơn

- Pulse steering Flip Flop là bộ chia hai, kết hợp với cổng NOR ở ngỏ ra cho ta tác động đẩy kéo: hai transistor ngỏ ra Q1 và Q2 luân phiên làm việc Chân 13 (output control) có thể cấâm tác động của Flip Flop, khi đó Q1 và Q2 làm việc giống nhau Hai transistor này có cực E và C nối ra ngoài thuận tiện cho thiết kế mạch động lực

- Hai bộ khuếch đại sai số là các khuếch đại thuật toán có thể được dùng để phản hồi ổn định điện áp ngỏ ra và bảo vệ bộ biến đổi Để ý ngỏ ra có các diod và tải bằng nguồn dòng 0.7 mA nối xuống GND làm cho điện áp chân 3 sẽ có trị số của ngỏ ra cao hơn và xung hẹp hơn

- Vi mạch còn có nguồn chuẩn 5 V ở

chân 14

2 Sơ đồ thử nghiệm:

- Các ngỏ vào khuếch đại thuật toán

được nối để các ngỏ ra là thấp nhất để không

còn tác dụng Cựïc E của Q1, Q2 nối GND: tải

lấy ở cực C

- Việc thử nghiệm thực hiện qua việc

thay đổi áp ở hai chân DTC và FEEDBACK

với các dạng sóng đo được ở hình trang sau Để

ý tải ở chân FEEDBACK là ngồn dòng 0.7 mA

nên ta có thể điều khiển chân này bằng biến

trở 10k nối nguồn REF 5 V ở chân 14

3 Tần số dao động răng cưa có thể tính theo đồ thị sau:

4 Mạch bộ nguồn máy tính ATX dùng TL494

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN ĐCƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

III.1 CÁC KHÁI NIỆM VỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN:

1 Các khái niệm căn bản:

- TTĐ là hệ thống (HT) biến đổi điện năng -> cơ năng cung cấp cho các máy móc công

nghiệp (cung cấp sức kéo điện – electric drive) Truyền động điện (electric drive) còn có nghiã

là nối trục bằng điện theo sơ đồ sau:

Cơ (nguồn) > [Máy phát điện] > Điện >I đến IV Điểm làm việc của đcơ là một điểm (M,ω) trong mặt

phẳng này Với một bộ thông số của động cơ, ta có một quan hệ M(ω) gọi là đặc tính cơ của động cơ và với một tải cụ thể, ta có quan hệ momen cản chuyển động theo tốc độ Mc(ω) gọi là

đặc tính cơ phụ tải

- Phương trình căn bản TĐĐ và chuyển động: Khi các trục nối cứng và giả sử không có

ma sát nhớt (tỉ lệ tốc độ), ta có phương trình căn bản của chuyển động (pt 2 Newton cho chuyển động quay) cho hệ thống có thông số tập trung và không đàn hồi:

dw

dt <3.1> Mđ gọi là momen động của chuyển động quay, J là

momen quán tính toàn HT qui đổi về trục động cơ

dω /dt được gọi là gia tốc chuyển động

Từ <3.1> có thể suy ra các trạng thái của

Đcơ:

M > M C : đcơ tăng tốc, M < M C: đcơ giảm tốc

M = M C: đcơ không đổi tốc độ hay còn gọi là

có điểm làm việc xác lập Đây chính là giao

điểm của đặc tính cơ động cơ và phụ tải

Điểm làm việc xác lập này được gọi là ổn

định (tĩnh) hay cân bằng (bền) khi có ngoại

lực hay nhiễu làm điểm làm việc thay đổi thì

Mđ /Δω < 0 Khi đó HT sẽ có gia tốc theo

chiều trở về điểm làm việc cũ

Ví dụ: Hình 3.1 cho ta đặc tính cơ của

động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc và đặc

tính cơ phụ tải của nó có trị số không đổi

(Momen cản hằng số) Ở tốc độ đồng bộ,

momen động cơ bằng 0 A là điểm làm việc ổn

M c A

B M

Hình 3.1 Đặc tính cơ động cơ KĐB và các điểm làm việc

2 Đặc tính điều chỉnh của TĐĐ:

Khi điều chỉnh thông số điện, đặc tính cơ của động cơ thay đổi, quỹ đạo các điểm làm

việc để động cơ cung cấp momen max mà không hư hỏng (Mcp) được gọi làđặc tính điều chỉnh của động cơ Đặc tính điều chỉnh thường được thể hiện ở dạng momen cho phép Mcp(ω), hay

công suất cho phép Pcp(ω) khi tốc độ thay đổi Đặc tính điều chỉnh giúp ta chọn loại tải để tận dụng khả năng động cơ ứng một phương án điều khiển hay tìm ra phương án điều khiển thích hợp với một loại tải cho trước

Các giới hạn của động cơ:

Áp U < Uđm ; dòng I < Iđm ;

Dòng kích từ ikt < Iktđm hay từ thông Φ <Φđm (đcơ một chiều) Chỉ số đm tương ứng từ

“định mức”

Ví dụ: Đặc tính điều chỉnh động cơ một chiều kích từ độc lập: (hình 3.2)

Khi điều khiển áp phần ứng

(U < Uđm), từ thông được giữ định mức,

bằng Φđm không đổi:

=> Mcp = K.Φđm.Iđm = hằng số Vậy điều

khiển áp phần ứng động cơ DC có đặc tính

điều chỉnh là momen hằng số hay công suất

tăng tỉ lệ tốc độ, thích hợp với tải có M C

không đổi Hình 3.2: Đặc tính điều chỉnh động cơ một chiều kích từ độc lập

Khi điều khiển áp từ thông (Φ <Φđm), áp phần ứng giữ không đổi, bằng Uđm Công

suất cho phép Pcp = Uđm Iđm = hằng số, tương ứng với công suất động cơ không đổi hay

momen giảm tỉ lệ nghịch với sự tăng của tốc độ do giảm từ thông Do đó giảm từ thông động cơ một chiều thích hợp cho truyền động máy tiện khi tiện tinh, có lượng ăn dao nhỏ, cần tốc độ quay lớn để đảm bảo độ bóng và năng suất Giảm từ thông còn được dùng cho các chuyển động không tải tốc độ cao

3 Hàm truyền động cơ DC và BBĐ:

- Hàm truyền động cơ: Khi dòng điện tải là liên tục, hàm truyền động cơ DC kích từ độc

lập được xây dựng từ các pt sau

e e e

φω

U: Điện áp phần ứng động cơ

E, I: sức điện động, dòng điện phần ứng của động cơ I được viết in hoa để chỉ giá trị

trung bình

R: điện trở tương đương của các sụt áp trên phần ứng, L: tự cảm mạch điện phần ứng,

Tđt = L/R gọi là hằng số thời gian điện từ

ε: Phản ứng phần ứng của động cơ, luôn được bỏ qua khi khảo sát truyền động điện

Ce: Hằng số điện từ của động cơ một chiều, tỉ lệ (hệ số k) vào từ thông φ của cuộn kích

từ

M: momen động cơ, ở chế độ xác lập bằng momen cản trên trục

ω: tốc độ, tính bằng rad/giây

Trong chế độ xác lập, dòng trung bình không đổi, suy ra:

= − ⋅ <3.2> Đây là phương trình đặc tính cơ đcơ DC

Nếu dòng tải gián đoạn, ta không có quá độ điện từ vì dòng điện tải là những xung có

dạng không đổi, đạt chế độ tựa xác lập ngay sau khi thay đổi xung điều khiển: Tđt = 0

- Hàm truyền BBĐ: Một cách gần đúng, tất cả BBĐ luôn có dạng một khâu trễ vì ngỏ ra

của nó không thể thay đổi giữa hai lần phát xung điều khiển Hàm truyền BBĐ có thể được tuyến tính hóa thành khâu quán tính như dạng sau:

K BĐ là tỉ số trung bình áp ra V O trên áp điều khiển U ĐK ở ngỏ vào mạch điều khiểnBBĐ

K BĐ xác định từ sơ đồ phát xung điều khiển để tạo ra dạng áp trên tải tương ứng K BĐ thay đổi

theo chế độ tải và mạch phát xung Như đã khảo sát, để có K BĐ không bị ảnh hưởng bởi tải, BBĐ cần làm việc ở dòng liên tục

T BĐ làhằng số thời gian, tính bằng trung bình của chu kỳ phát xung điều khiển (thời gian của hai xung liên tiếp)

Ví dụ: T BĐ của BBĐ áp DC là chu kỳ T của tín hiệu điều khiển ngắt điện Khi các ngắt điện là transistor, ta có thể xem BBĐ là bộ khuếch đại tác động tức thời vì tần số đóng ngắt của transistor rất cao

2 Chế độ hãm của TĐĐ:

a Khái niệm về chế độ hãm: Hai trục tọa độ chia mặt phẳng đặc tính cơ ra làm 4 phần

tương ứng với hai chế độ là việc của động cơ:

Phần tư I và III có momen M cùng chiều tốc độ ω , P = M.ω > 0, máy điện làm việc

ở chế độ động cơ: Điện năng > cơ năng

điệnPhần tư II và IV có momen M ngược chiều tốc độ ω , P = M.ω < 0, máy điện làm việc ở chế độ máy phát: Cơ năng > điện năng Chế độ này còn gọi làchế độ hãm vì momen động cơ chống lại chuyển động

Các chế độ hãm:

Quan sát động cơ DC làm việc với nguồn áp, đặc tính cơ là đường thẳng phương trình

<3.2> trên hình 3.3a

ω

I II

wo động cơ

hãm

tái sinh

hãm ngược

_

A_+

_

+ V

I

A

_+

Hình 3.3b: Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ độc lập Hãm tái sinh Hãm ngược

Khi w > w O = U/C e là tốc độ không tải lý tưởng, điểm làm việc di chuyển sang phần tư

thứ II: ta có chế độ hãm tái sinh (regenerative braking) Khi đó E = C e w > U, dòng điện đảo

chiều, động cơ biến thành máy phát trả năng lượng về nguồn

Khi w < 0 , động cơ đảo chiều quay, điểm làm việc di chuyển sang phần tư thứ IV: ta có chế độ hãm ngược Khi đó E = C e w < 0 cùng chiều với áp nguồn làm dòng điện tăng cao

ứng với moment hãm lớn Trường hợp này xảy ra khi ta đóng nguồn theo chiều ngược lại một động cơ đang quay, động cơ sẽ hãm rất nhanh trước khi khởi động theo chiều ngược lại

Khi U = 0 , động cơ biến thành máy phát, dòng điện I = – E/R đảo chiều làm cho momen M = C e I < 0 : điểm làm việc di chuyển sang phần tư thứ II, ta có chế độ hãm động

năng (dynamic braking) Khi đó, cơ năng biến thành điện năng tiêu tán trên điện trở của mạch Chế độ hãm này được gọi là động năng vì thường được dùng để hãm dừng động cơ đang quay, năng lượng hãm chính là động năng của chuyển động

Động cơ không đồng bộ cũng có những quá trình hãm tuơng tự khi ta quan sát đặc tính

cơ trên hình 3.1 Trường hợp động cơ làm việc ở tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ ωΟ, M < 0 tương ứng chế độ hãm Ta có hãm tái sinh vì động cơ biến thành máy phát, chuyển năng lượng về lưới AC Khi đó HT cần nguồn cơ năng, ví dụ động cơ đang được một động cơ khác kéo hay

HT đang có năng lượng tích trữ dạng động năng hay thế năng cần tiêu tán

- Ứng dụng chế độ hãm trong truyền động điện: Động cơ điện làm việc ở chế độ hãm trong hai trường hợp:

* Hãm dừng động cơ đang quay hay giảm tốc độ: Để dừng hay giảm tốc nhanh động cơ đang quay ở tốc độ cao, động năng của bộ phận chuyển động cần được tiêu hao Chế độ hãm

cho phép biến đổi cơ năng này thành điện năng tương ứng với momen hãm, chỉ tồn tại trong quá trình quá độ

* Hãm động cơ bị kéo do một ngoại lực, ví dụ như hạ tải thế năng hay xả cuộn giấy hay tôn Lực hãm của động cơ cân bằng lực kéo làm hệ thống chuyển động đều Khi đó động cơ làm việc như máy phát, biến đổi cơ năng thành điện năng

b Chế độ hãm tái sinh của hệ thống truyền động BBĐ động cơ:

Để giúp động cơ làm việc ở chế độ hãm, BBĐ cần có khả năng nghịch lưu – chuyển năng lượng điện từ tải về nguồn Lưu ý không phải BBĐ nào cũng có khả năng này, ví dụ như các bộ biến đổi sau không thể nghịch lưu: Chỉnh lưu điều khiển pha, sơ đồ chỉnh lưu điều khiển không hoàn toàn (SCR + D), BBĐ áp DC sơ đồ 1 phần tư (1 quadrant) mặt phẳng tải

BBĐ áp DC sơ đồ 2 phần tư cho phép hãm tái sinh động cơ DC dễ dàng vì nó làm việc

được ở phầøn tư I và II: V O > 0 và I O có thể đảo chiều Chỉ cần giảm trung bình áp ra V O nhõ

hơn sức điện động E của động cơ, dòng tải I O = (V O – E) / R đảo chiều, M < 0 đưa động cơ vào

chế độ hãm

-Hình 3.4.a:HT truyền động dùng động cơ DC

và BBĐ áp DC, sơ đồ làm việc 2 phần tư Hình 3.4.b: Quỷ đạo pha khi hãm dừng

BBĐ hai phần tư (hãm tái sinh) bằng cách

giảm dần V O về 0

Ví dụ1: (hình 3.4b) Điều khiển hãm

dừng xe điện chạy bằng BBĐ hai phần tư và

nguồn accu (hình 3.4.a) Giã sử xe đang chạy

với tốc độ w1 (điểm A) và ta muốn dừng

nhanh Có thể ngắt điện động cơ và sử dụng

thắng cơ khí , khi đó động năng chủ yếu biến

thành nhiệt do masát Nhưng nếu ta giảm dần

áp ra V O của BBĐ, dòng điện I O sẽ đảo

chiều, động cơ biến thành máy phát và BBĐ

sẽ làm việc trong chế độ tăng áp, nạp năng

lượng trở về accu Vì thế phươngpháp này

được gọi là hãm tái sinh

M

ω

Hình 3.4.c: Quỷ đạo pha khi hãm dừng

dùng điện trở (hãm động năng)

Ví dụ2: (hình 3.4b)ø Để dừng nhanh động cơ DC, người ta có thể ngắt nguồn, nối tắt phần

ứng bằng một R nhỏ Động cơ biến thành máy phát, dòng điện đảo chiều tạo ra momen hãm và động năng HT sẽ tiêu tán trong mạch phần ứng, phương trình đặc tính cơ động cơ khi hãm là:

( )R M2

k

ω

φ

= − , Momen hãm giảm nhanh khi tốc độ về không (hình 3.4c)

Trong khi đó, quy trình

hãm ở động cơ DC dùng chỉnh

lưu điều khiển pha phức tạp hơn

nhiều như sẽ trình bày trong các

mục sau của chương này

Đối với biến tần nguồn áp công

suất trung bình và bé (hình 3.5),

đầu vào thường là chỉnh lưu diod

Q7

Chỉnh lưu Diod Nghịch lưu nguồn áp

L C R

Hình 3.5: Mạch động lực biến tần có khâu trung gian

lượng về lưới được nhưng bộ nghịch lưu nguồn áp lại có đặc tính thuận nghịch Khi tải bộ nghịch lưu là động cơ không đồng bộ làm việc trong trạng thái hãm, cơ năng được biến thành điện năng và chỉ có thể tích trữ ở tụ lọc C IGBT Q7 và điện trở R có nhiệm vụ tiêu thụ năng lượng này để tránh quá áp mạch điện một chiều Việc hãm chuyển động bằng điện trong đó tiêu thụ điện năng (từ cơ năng biến thành) qua điện trở được gọi là hãm động năng (dynamic braking) Ở biến tần công suất lớn, chỉnh lưu đầu vào phải dùng SCR với khả năng làm việc ở phần tư thứ hai, khi đó năng lượng sẽ được trả về lưới: hãm tái sinh

4 Các bài toán của TĐĐ:

- Điều khiển momen: Ngoài bài toán điều khiển momen trong quá trình tăng, giảm tốc,

trong rất nhiều trường hợp cần phải điều khiển momen trong chế độ xác lập Có thể kể:

* Yêu cầu bảo vệ quá tải (cơ và điện) vì momen khi làm việc tỉ lệ với dòng điện qua động cơ do sự cố hay khi lam việc bình thường (đặc tính máy xúc) <=> bảo vệ dòng của BBĐ

* Một số dạng tải yêu cầu làm việc ở momen hay lực kéo đặt trước, ví dụ như các phương tiện vận tải do người lái không thể điều khiển tự động theo tốc độ, các cơ cấu cuộn giấy, sản phẩm dạng băng cần tốc độ thay đổi theo đường kính cuộn

- Điều khiển tốc độ: Là bài toán quen thuộc, tốc độ luôn ảnh hưởng chất lượng và năng

suất của máy móc Do đó điều chỉnh và ổn định tốc độ cho truyền động các máy móc công luôn là bài toán căn bản của TĐĐ

- Điều khiển vị trí: trong một số máy móc, ta cần điều khiển vị trí một bộ phận công tác

ví dụ như toạ độ điểm khoan, vị trí bốc dỡ tải trong cầu trục tự động (không người điều khiển), buồng thang máy Hai bài toán quan trọng của điều khiển vị trí là:

* Tác động nhanh: Tối thiểu thởi gian di chuyển Bài toán này thường kết hợp với các yêu cầu khác như hạn chế gia tốc, tốc độ

* Dừng chính xác và hạn chế vọt lố: Đây là một yêu cầu dẫn đến giảm tính tác động nhanh, theo đó động cơ phải di chuyển dần đến vị trí đích không vọt lố và giảm tối thiểu sai số

Bài toán điều khiển vị trí như vậy thường được giải quyết bằng cách chọn sơ đồ điều khiển thích hợp và tính toán tín hiệu đặt theo quỹ đạo pha chuyển động tối ưu Quỹ đạo pha chuyển động tối ưu có thể mô tả đơn giản là hệ thống cần có đồ thị thích hợp cho tốc độ, gia tốc khi khởi động, hoạt động và giảm tốc trước khi đến đích

Ví dụ: Dùng Simulink để mô phỏng quá trình điều khiển vị trí khi hiệu chỉnh 3 vòng tối ưu module khi tín hiệu đầu vào là hàm nấc và hàm dốc

+ - Sum2

1 20 Hiệu chỉnh tốc độ

Auto-Scale Graph

Đặt 5.u(t)

10 Gain1

Mux

Mux

10 pmult([1 0],[0.5 1])(s) H3

1 10s H1

P1

+ - Sum1

1 10 Hiệu chỉnh M

10 s H2

Mô hình hiệu chỉnh 3 vòng tối ưu mo dule, Giả sử đối tượng có 2 tích phân Các khâu bảo hòa ở +/- 4 đơn vị

P3

+ -

2.5

Hiệu chỉnh vị trí

Hình 3.6: Mô hình Simulink hiệu chỉnh 3 vòng tối ưu module

Momen, tốc độ, vị trí là

ba biến trạng thái của truyền

động điện và ta có thể sử dụng

điều khiển tọa độ Khi đó, ta có

thể điều khiển vị trí (vòng

ngoài cùng) với momen, tốc độ

(các vòng trong) được giữ

trong giới hạn định trước

Dùng Simulink mô

phỏng HT và kết quả hiệu

chỉnh 3 vòng thành tối ưu

module được trình bày trên

hình 3.6 Trong ví dụ này, hiệu Hình 3.7a: Kết quả khảo sát mô hình với tín hiệu đặt hàm nấc

chỉnh P được dùng vì các hàm

truyền đối tượng đều có tích

phân, giả sử này tuy không phù

hợp động cơ thực nhưng không

làm thay đổi ý nghĩa của

phương pháp Từ đồ thị, khi tốc

độ hằng số, vị trí tăng tuyến

tính theo thời gian, momen

động cơ khi đó gần bằng không

vì động cơ không có momen

cản Quá độ tốc độ có dạng

của đường cong bậc hai tới

hạn

Hình 3.7b: Kết quả khảo sát mô hình với tín hiệu đặt hàm dốc

theo thời gian và như vậy động cơ cần phải tác động đủ nhanh để có thể bám theo

Hình 3.7 cho thấy hiệu chỉnh thành tối ưu module không đạt yêu cầu bám theo hàm dốc Như ta đã biết, để vô sai với hàm dốc cần phải hiệu chỉnh tối ưu đối xứng Ta có thể dựa vào sơ đồ khối hình 3.6 để hiệu chỉnh tối ưu đối xứng cho khâu vị trí để kiểm tra Trong thực tế, ngoài phần hiệu chỉnh tọa độ, người ta còn đưa vào các phản hồi/hiệu chỉnh song song để cải thiện đặc tính quá độ khi dùng mạch analog Khi điều khiển số, thông số PID sẽ được điều chỉnh tự động trong quá trình làm việc, thích hợp với trạng thái hệ thống và chất lượng động học mong muốn trong từng giai đoạn

5 Quá trình khởi động:

Động cơ điện là một tải động: với cùng dòng điện, sụt áp qua nó tăng theo tốc độ quay

Do đó khi đóng trực tiếp vào lưới để khởi động, dòng qua động cơ luôn luôn lớn Dòng điện này có thể từ 5 đến 7 lần dòng định mức, có thể gây sụt áp làm ảnh hưởng các tải khác trong lưới điện Nhất là đối với tải động cơ, sụt áp lớn có thể khiến các động cơ này sụt tốc và tăng dòng

Vì vậy khi công suất động cơ khá lớn hay ở các khu vực yêu cầu chất lượng điện năng cao, nguời ta cần có bộ khởi động Khi đó dòng điện sẽ được giới hạn ở giá trị cho phép Khi giảm dòng khởi động, ta cần để ý đến momen khởi động , nó cần phải lớn hơn momen cản để HT có thể tăng tốc

Bộ khởi động còn có khả năng điều khiển momen động để hạn chế ứng suất trong các phần tử chuyển động, nhằm tránh hư hỏng, tăng độ bền ví dụ như ở băng tải, thiết bị công nghiệp giấy, in, vải Điều này cũng tương đương với việc giới hạn gia tốc của chuyển động

Trong các bộ khởi động chất lượng cao ta có thể đặt trước thời gian khởi động hay tăng tốc (acceleration) tương ứng với một dạng đường cong tăng tốc chọn trước, có thể là hàm dốc (RAMP) hay chữ S Thời gian khởi động dài <=> gia tốc nhỏ hay momen động, ứng suất nhỏ Tương tự ta cũng có thể chọn thời gian và dạng của đường cong giảm tốc (deceleration)

III.2 TĐĐ ĐCƠ DC DÙNG CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN PHA:

1 Sơ đồ khối:

Để điều khiển tốc độ động cơ DC từ lưới công nghiệp, bộ chỉnh lưu có thể được dùng để cung cấp áp phần ứng và dòng kích từ như trình bày trên hình

- Trong các HT TĐĐ động cơ DC

dùng BBĐ, gười ta thường dùng động cơ kích

từ độc lập hay hỗn hợp, ít khi dùng động cơ

nối tiếp vì khó điều chỉnh: tốc độ tăng rất

cao khi không tải

- Ở công suất nhỏ đến trung bình và

không đảo chiều, bộ chỉnh lưu điều khiển

không hoàn toàn (SCR + Diod) có thể được

dùng vì kinh tế và đơn giản Ở công suất

trung bình và lớn hay khi cần làm việc ở chế

độ hãm, bộ chỉnh lưu điều khiển toàn phần

luôn được sử dụng BBĐ đảo chiều sẽ được

Mạch kích

Hiệu chỉnh

ĐC Lưới

Đặt tốc độ Phản hồi

Đồng bộ

Uđk

α

CL SCR CL Diodhay SCR

Bộ điều khiển

xét đến khi cần đảo chiều động cơ hay trả năng lượng về lưới thường xuyên

- Chỉnh lưu điều khiển pha chỉ dùng cho mạch kích từ khi cần hoạt động ở tốc độ cao

hơn tốc độ cơ bản, và như ta đã biết từ ví dụ ở mục III.1.2, từ thông chỉ được giảm khi áp đã tăng đến giá trị định mức

2 Sơ đồ điều khiển HT chỉnh lưu - Đcơ:

Khối phát xung kích SCR

3 4

TI 1 300/5 A

3 4

Hình 3.8b Với bài toán điều khiển momen và tốc độ, sơ đồ điều khiển tọa độ cho bộ nguồn DC ở chương 2 đều có thể dùng lại cho HT điều khiển tốc độ động cơ DC khi để ý momen tỉ lệ với dòng điện động cơ và tốc độ là đại lượng cần điều khiển được phản hồi ở vòng ngoài thay cho điện áp

Ở các động cơ công suất bé hay ở một số mạch điều khiển đơn giản, vòng dòng điện chỉ là mạch ngắt dùng BJT như hình 3.8a Khi đó transistor là một điện trở thay đổi, nó làm giảm áp điều khiển UĐK dến mạch kích <=> giảm áp ra và giảm dòng ra tương ứng với vị trí của biến trở POT, sao cho áp trên cực BE của BJT bằng 0.6 V Tín hiệu dòng có thể lấy qua một shunt + mạch khuếch đại cách ly (ở các HT chất lượng cao) hay dùng biến dòng ở trước chỉnh lưu nếu dòng lưới không có thành phần DC (hình 3.8b) Do tải không có trung tính, chỉ cần hai biến dòng là đủ cho hệ thống 3 pha

Để điều khiển tốc độ, tốt nhất là phản hồi tốc độ Có thể dùng máy phát tốc là loại máy phát điện đặc biệt, có ngỏ ra tỉ lệ tuyến tính với tốc độ quay Có ba loại: Máy phát tốc DC, AC ( tacho generator) có ngỏ ra là điện áp và xung (pulse tacho generator) cho ra chuỗi xung có tần

số tỉ lệ tuyến tính với tốc độ quay Ta cần chỉnh lưu và lọc phẳng cho ngỏ ra AC tacho generator và biến đổi tần số ra điện áp cho phát tốc xung (còn đuợc gọi là bộ mã hóa góc

quay tương đối – incremental rotary encoder) khi sử dụng các bộ điều khiển analog được trình bày trong chương 2

Khi không cần chính xác, ta có thể phản hồi điện áp ngỏ ra bộ biến đổi để giữ ổn định áp ra và bù sụt tốc do tải (dòng điện) thay đổi Người ta còn gọi là nguyên tắc phản hồi âm áp, dương dòng khi để ý đến dấu của các phản hồi Có thể CM (lý thuyết) là với các tỉ lệ thích hợp, phản hồi này cho ta phản hồi tốc độ, khi đó nó được gọi là phản hồi cầu tốc độ (xem lại hình II.4.8)

Bài tập: Tìm hệ số α, β để phản hồi âm điện áp U đc và phản hồi dương dòng I tương

đương phản hồi âm tốc độ ω

Hướng dẫn: Đồng nhất hai vế biểu thức áp phản hồi U fh = – α.U đc + β.I ≡ – γ.ω, với γ

là hệ số tỉ lệ

3 Hàm truyền bộ chỉnh lưu và dạng áp đồng bộ – ảnh hưởng của dòng gián đoạn:

Áp dụng các tính chất chung của hàm truyền BBĐ (mục II.1 5) cho sơ dồ chỉnh lưu, ta có các nhận sét sau: