Bài giảng tổng hợp hệ điện cơ (chương 5)

Chơng 5: Hệ thống truyền động động cơ một chiều sử dụng BBĐ một chiều - một chiều (Xung điện áp) 5.1. Khái niệm chung Trong nhiều năm lại đây, hệ thống điều tốc sử dụng BBĐ một chiều- một chiều (xung điện áp) áp dụng ph$ơng pháp điều chỉnh độ rộng xung, th$ờng gọi là hệ thống điều tốc điều chế độ rộng xung một chiều kiểu PWM, sử dụng các linh kiện bán dẫn transitor GTO, P-MOSFET v IGBT đ$ợc sử dụng khá nhiều, so sánh với hệ thống T-Đ, chúng có rất nhiều $u điểm: Chơng 5: 5.1. Khái niệm chung (1) Mạch lực (mạch điện chính) đơn giản, sử dụng ít dụng cụ công suất; (2) Tần số đóng cắt cao, dễ duy trì dòng điện liên tục, sóng hài ít, tổn hao và phát nhiệt của động cơ khá nhỏ; (3) Có khả năng vận hành ở tốc độ thấp, độ chính xác cao, cho phạm vi điều tốc rộng; (4) Độ tác động nhanh cao, khả năng chống nhiễu trạng thái động tốt; (5) Tổn hao trên các linh kiện của mạch lực nhỏ nên hiệu suất thiết bị khá cao; (6) Để cấp nguồn cho BBĐ sử dụng sơ đồ chỉnh l$u cầu ba pha không điều khiển nên có hệ số công suất cao. Vì vậy, ch$ơng này tập trung nghiên cứu loại hệ thống này. 5.1. Khái niệm chung (5) Tổn hao trên các linh kiện của mạch lực nhỏ nên hiệu suất thiết bị khá cao; (6) Để cấp nguồn cho BBĐ sử dụng sơ đồ chỉnh l$u cầu ba pha không điều khiển nên có hệ số công suất cao. Vì vậy, ch$ơng này tập trung nghiên cứu loại hệ thống này. Do sự hạn chế về công suất, hệ điều tốc PWM một chiều hiện nay th$ờng dùng ở hệ thống công suất nhỏ và vừa, theo đà phát triển của công nghiệp bán dẫn công suất, lĩnh vực ứng dụng của nó ngày một mở rộng. Bộ biến đổi PWM có hai loại đảo chiều và không đảo chiều, bộ biến đổi đảo chiều lại có kiểu điôt, một cực và kiểu một cực bị hạn chế. D$ới đây sẽ trình bày nguyên lý làm việc và đặc tính của các loại đó. 5.2. Bộ biến đổi điều chế độ rộng xung (PWM) 5.2.1. Bộ biến đổi PWM không đảo chiều Hình 5.1: Mạch điện của bộ biến đổi PWM không đảo chiều đơn giản (xung điện áp một chiều) a) sơ đồ nguyên lý b) đồ thị dòng điện và điện áp CKĐ + - CK Tr U d Đ D 0 + - C 0 u B i d u t U d t E Đ 0 t đ T ck a b i d TB d d ck t U U U T = = 5.2. Bộ biến đổi điều chế độ rộng xung (PWM) 5.2.1. Bộ biến đổi PWM không đảo chiều Hình 5.2: Mạch điện bộ biến đổi PWM không đảo chiều có mạch h m ã a) Sơ đồ nguyên lý; b) Đồ thị điện áp và dòng điện trạng thái động cơ; a b CK Tr 2 1 - + u B2 u B1 Tr 1 D 2 D 1 Đ C 0 U d 4 2 3 i d u t U d t E Đ 0 t đ T ck u B1 = - u B2 t 0 t đ T ck U TB u t i d 1 2 1 2 1 Tr 1 Tr 1 Tr 1 D 2 D 2 5.2. Bộ biến đổi điều chế độ rộng xung (PWM) 5.2.1. Bộ biến đổi PWM không đảo chiều Hình 5.2: Mạch điện bộ biến đổi PWM không đảo chiều có mạch h m ã c) Đồ thị điện áp và dòng điện trạng thái h m; d) Đồ thị điện áp và dòng điện ã trạng thái động cơ tải nhẹ t u B1 = - u B2 0 t đ T ck u B1 = - u B2 t D 1 Tr 2 D 1 Tr 2 u t U d t 0 t đ T ck u t i d i d E Đ U TB d i d u t U d t E Đ 0 t đ T ck U TB u t i d 4 3 4 3 1 2 3 4 1 2 3 4 1 c 4 t 1 t 2 t 3 5.2. Bé biÕn ®æi ®iÒu chÕ ®é réng xung (PWM) 5.2.2. Bé biÕn ®æi PWM cã ®¶o chiÒu 5.2.2.1. Bé biÕn ®æi PWM ®¶o chiÒu kiÓu ®i«t H×nh 5.3: M¹ch ®iÖn bé biÕn ®æi PWM cã ®¶o chiÒu d¹ng H kiÓu ®i èt 1 + D 1 D 4 § U d Tr 1 u B1 u B4 Tr 4 Tr 3 u B3 u B2 Tr 2 D 3 D 2 4 2 3 u t i d 5.2.2.1. Bé biÕn ®æi PWM ®¶o chiÒu kiÓu ®i«t H×nh 5.4: §å thÞ dßng ¸p cña hÖ truyÒn ®éng ®¶o chiÒu dïng bé biÕn ®æi PWM d¹ng H kiÓu ®i èt 0 t ® T ck u B3 = u B4 t D 1 , D 2 Tr 3 , Tr 4 D 1 , D 2 Tr 3 , Tr 4 D 1 , D 2 0 t ® T ck u B1 = u B2 t Tr 1 , Tr 2 D 3 , D 4 Tr 1 , Tr 2 D 3 , D 4 Tr 1 , Tr 2 i d1 t 0 t ® T ck 4 2 1 2 1 i d2 1 2 3 4 1 2 3 4 1 i d u t U d U TB u t t -U d 5.2.2.1. Bộ biến đổi PWM đảo chiều kiểu điôt Điện áp trung bình đầu ra của bộ biến đổi PWM (điện áp trên động cơ) đảo chiều kiểu điôt đ$ợc biểu thị bằng công thức: Vẫn lấy = UTB/Ud là hệ số phân áp của PWM, quan hệ giữa và tđ sẽ khác với tr$ớc kia, cụ thể, trong tr$ờng hợp này: ck TB d d d ck ck ck t T t 2t U U U ( 1)U T T T = = 2t 1 T = Khi điều tốc, phạm vi thay đổi của trở thành 1 < <1. Khi > 0 động cơ quay theo chiều thuận, khi < 0 động cơ quay theo chiều ng$ợc, khi = 0 động cơ ngừng quay. Tr$ờng hợp = 0, điện áp trung bình đặt vào động cơ bằng không, nh$ng điện áp tức thời ở hai đầu mạch rotor và dòng điện không phải bằng 0 mà chỉ có thành phần xoay chiều, nên tổn hao công suất trên động cơ vẫn còn. 5.2.2.1. Bộ biến đổi PWM đảo chiều kiểu điôt Ưu điểm của bộ biến đổi PWM kiểu điôt nh sau: (1) Dòng điện động cơ liên tục; (2) Cho phép cho động cơ có thể làm việc ở 4 góc phần t$ hệ toạ độ; (3) Lúc động cơ ngừng quay vẫn có dao động nhỏ của dòng điện, có thể loại bỏ vùng chết ma sát tĩnh; (4) Khi làm việc ở tốc độ thấp, xung khống chế cực gốc của các transitor đều khá rộng, tạo thuận lợi cho các transitor chắc chắn đ$ợc mở; (5) Tính ổn định tốt ở tốc độ thấp, phạm vi điều tốc đạt tới khoảng 20000:1. Nhợc điểm của bộ PWM là: Trong quá trình làm việc, 4 transitor công suất thay nhau làm việc, tổn hao công suất mở khóa lớn, dễ sinh ra sự cố hai transitor cùng phía (ví dụ Tr 1 và Tr 3 đồng thời mở gây ngắn mạch nguồn, làm giảm độ tin cậy của thiết bị. Để khắc phục sự cố này th$ờng phải bố trí thêm thiết bị logic. [...]... kiểu một cực bị hạn chế Lúc dòng điện gián đoạn, việc nâng cao điện áp mạch rotor đ ã làm T t U TB = U d+ ck n E tăng điện áp trung bình theo quan hệ: Tck 5.2.2.3 Bộ biến đổi PWM một cựcbị hạn chế uB uB1 uB2 t 0 uB3=uB4 ut ut Ud EĐ id 0 tđ tn Tck Hình 5.5: Đồ thị điện áp, dòng điện khi tải nhẹ của hệ thống điều tốc PWM một cực bị hạn chế t 5.3 Đặc tính cơ vòng hở của hệ thống điều tốc điều chế độ rộng... khác, chuyển thành tín hiệu một chiều khác nhau tuỳ thuộc yêu cầu chiều quay của động cơ Lúc động cơ quay thuận, điện áp uB3 luôn âm, còn uB2 luôn dương, khi đó Tr3 khoá lại, còn Tr2 luôn mở Khi cần động cơ quay theo chiều ngược thì cho uB3 luôn dương, còn uB2 luôn âm, nên Tr3 luôn mở, còn Tr2 khoá lại Lúc non tải, dòng điện trong một chu kỳ cũng sẽ đổi chiều và vẫn 5.2.2.2 Bộ biến đổi PWM đảo chiều kiểu... PWM Quy luật điều khiển và mô hình toán học trạng thái động của hệ thống điều chế độ rộng xung so với hệ thống tiristor - động cơ một chiều không có gì khác nhau, duy chỉ có một chỗ đặc biệt là hàm số truyền của bộ điều chế độ rộng xung và bản thân bộ biến đổi PWM Dựa vào nguyên lý làm việc của chúng, khi thay đổi điện áp điều khiển uđk, điện áp ra của bộ biến đổi PWM phải chờ đến chu kỳ sau mới thay... gây ra ngắn mạch nguồn điện Bây giờ hãy xem xét tình trạng đóng mở của các transitor trong hình 5.3, có thể phát hiện ra rằng, lúc động cơ quay chiều thuận, trong khoảng thời gian 0 t < tđ, Tr4 bị khoá lại, trong khoảng thời gian tđ t < Tck, do dòng điện đi qua D4, Tr4 cũng không dẫn dòng Do vậy, có thể để cho u B4 luôn âm, khiến cho Tr4 luôn bị khoá Tương tự như vậy, khi động cơ quay theo chiều ngược,... khi tần số cắt của đặc tính tần số của cả hệ thống mạch hở thoả m ãn công thức: c 1 3Tck có thể coi khâu trễ gần đúng là khâu quán tính cấp bậc nhất Vì thế, hàm số truyền của bộ biến đổi PWM có thể viết thành: WPWM (s) = K PWM Tck s + 1 U TB hệ số khuếch đại của bộ biến đổi PWM; u k là điện áp trung bình đầu ra của bộ biến đổi PWM; trong đó: K PWM = UTB uđk là điện áp điều khiển mạch điều chế độ rộng...5.2.2.2 Bộ biến đổi PWM đảo chiều kiểu một cực Để khắc phục khuyết điểm trên đây của bộ biến đổi kiểu điôt, đối với những hệ thống có yêu cầu chất lượng động và tĩnh tương đối thấp, có thể dùng bộ biến đổi PWM kiểu một cực Sơ đồ mạch điện của nó cũng gống như kiểu điôt (hình 5.3), chỉ khác nhau ở chỗ tín hiệu xung điều khiển cực gốc các transitor Trong bộ biến đổi kiểu một cực,