Thiết kế bộ băm xung một chiều điều khiển đảo chiều động cơ điện một chiều

Các góc phần tư làm việc

Trạng thái hãm và trạng thaí động cơ được phân bố trên đặc tính cơ ở góc phần tư tương ứng với chiều mômen và tốc độ như hình vẽ.

Các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập a) Khởi động

Nhược điểm là nếu mất điện thì không thực hiện hãm được do cuộn dây kích từ vẫn phải nối với nguồn.muốn khắc phục người ta sử dụng phường pháp hãm động năng tự kích từ. Trong quá trình hãm tốc độ giảm dần, dòng kích từ giảm dần và do đó từ thông giảm dần và là hàm tốc độ vì vậy đặc tính cơ như đặc tính không tải của máy phát điện tự kích thích và phi tuyến.so với phương pháp hãm ngược.

Giới thiệu về băm xung một chiều (BXDC)

Thực tế phương pháp biến đổi độ rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bị biến tần đi kèm. Ở đây ta chọn cách thay đổi độ rộng xung, phươg pháp này gọi là PWM (Pulse Width Modulation).Theo phương pháp này tân số băm xung sẽ là hằng số.Việc điều khiển trạng thái đóng mỏ của van dựa vào viêc so sánh một điện áp điều khiển với một sóng tuần hoàn (thường là dạng tam giác(Sawtooth)) có biên độ đỉnh không đổi.Nó sẽ thiết lập tần số đóng cắt cho van,tần số đóng cắt này là không đổi với dải tẩn từ 400Hz đến 200kHz.Khi uControl >ustthì cho tín hiệu điều khiển mở van, ngược lại khóa van.

Các sơ đồ băm xung

• Bộ đảo áp

Khi đó D tắt vì trên tụ có UC (đã được tích điện trước đó). Vì từ thông trong L không giảm tức thời về không do đó trong L xuất hiện suất điện động tự cảm eL. Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp. Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U ở chế độ liên tục và năng lượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn. Đặc tính truyền đạt:. Sơ đồ mắc như sau:. Tải là động cơ mmột chiều được thay bởi mạch tương đương R-L-E. L1 chỉ đóng vai trò tích luỹ năng lượng. C đóng vai trò lọc. Năng lượng tích luỹ trong cuộn cảm L1; đi-ôt D tắt; Ud =UC, tụ C phóng điện qua tải. + S ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra sức điện động ngược chiều với trường hợp đóng. Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với U. Giá trị tuyệt đối |Ud| có thể lớn hơn hay nhỏ hơn U nguồn. Tải là phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập đã được thay bởi mạch tương đương R-L-E. b) Nguyên lý hoạt động. đặt lên động cơ làU. c) Biểu đồ dạng sóng dòng và áp trên tải. d.)Tính toán các thông số trên sơ đồ. Giải bằng phương pháp toán tử Laplace:. Độ nhấp nhô dòng điện:. Do Tτ ≈1 nên sử dụng công thức tính gần đúng. a) Sơ đồ nguyên lý. b) Nguyên tắc điều khiển:. c) Nguyên lý hoạt động. Trong khoảng 0 t< < γTđộng cơ được ngắn mạch qua S1 và D2, dòng điện qua động cơ tăng từ Imin tới Imax, điện áp đặt lên động cơ là 0, ta có phương trình: di. Trong các hệ truyền động tự động có yêu cầu đảo chiều động cơ do đó bộ biến đổi này thường hay dùng để cấp nguồn cho động cơ một chiều kích từ độc lập có nhu cầu đảo chiều quay.

Giả sử động cơ quay theo chiều thuận (động cơ sẽ làm việc ở góc phần tư thứ 1và thứ 2) tương ứng với cặp van S1,S2 làm việc ,S3 luôn bị khoá ,S4 được đóng mở ngược pha với S1. ∗Trạng thái 1: γE>Et : Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ nhất .Năng lượng cấp cho động cơ được cấp từ nguồn thông qua các van S1,S2 dẫn trong khoảng 0. = = < tức là giảm γ hoặc tăng E.Để quá trình điều khiển được đơn giản ta chọn phương pháp giảm γ gần tới 0,5 mà do tính quán tính của động cơ nên E biến đổi chậm, do đó Id <0, dòng qua phần ứng đổi chiều.

+Trong khoảng 4: S3 và S4 được kích tắt, S1 và S2 được kích dẫn, nhưng do trước đó dòng id chạy theo chiều ngược lại nên dòng id tiềp tục chảy theo chiều cũ, khép mạch qua các diode D1 và D2 về nguồn; S1 và S2 bị đặt điện áp ngược bởi hai diode D1 và D2 phân cực thuận nên khoá, do đó id giảm theo chiều ngược lại từ Imin về 0.

Chọn Diode công suất

Imax :dòng điện làm việc cực đại cho phép qua van Ungv : điện áp ngược cực đại cho phép đặt lên van Ipik : đỉnh xung dòng điện. ΔU :tổn hao điện áp ở trạng thái mở của Diode Ith : dòng điện thử cực đại.

Chọn các van bán dẫn

Imax :dòng điện làm việc cực đại cho phép qua van Ungv : điện áp ngược cực đại cho phép đặt lên van Ipik : đỉnh xung dòng điện. ΔU :tổn hao điện áp ở trạng thái mở của Diode Ith : dòng điện thử cực đại. Máy biến áp công suất nhỏ ,chỉ cỡ chục KVA trở lại ,sụt áp trên điện trở lớn khoảng 4% ,sụt áp trên cuộn kháng ít hơn khoảng 2% .Điện áp sụt trên 2 Điôt khoảng 2V. 3-Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp Phương trình cân bằng điện áp khi có tải :. Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có : Ud0 =. *)Tính sơ bộ mạch từ (Xác định kích thước bản mạch từ) 6-Tiết diện sơ bộ trụ. m là số trụ của máy biến áp. *)Tính toán dây quấn. 12- Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp. Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật ,cách điện cấp B. 15- Tiết diện dây dẫn thứ cấp của máy biến áp. Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật ,cách điện cấp B. Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục 18- Tính sơ bộ số vòng dây tren một lớp của cuộn sơ cấp. h là chiều cao trụ. hg là khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp. Chọn sơ bộ khoảng cách cách điện gông là 1,5 cm. 24- Đường kính trong của ống cách điện. *) Kết cấu dây quấn thứ cấp. 32- Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp. *)Tính kích thước mạch từ. 46- Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ. *)Để đơn giản trong việc chế tạo gông từ ,ta chọn gông có tiết diện hình chữ nhật có các kích thước sau. 50- Tiết diện hiệu quả của gông. 52- Tính chính xác mật độ từ cảm trong trụ. *) Tính khối lượng của sắt và đồng. *) Tính các thông số của máy biến áp. 69- Điện kháng máy biến áp qui đổi về thứ cấp. Tính chọn dựa vào các yếu tố cơ bản dòng tải ,điều kiện toả nhiệt ,điện áp làm việc ,các thông số cơ bản của van được tính như sau :. +)Điện áp ngược lớn nhất mà Diode phải chịu : Unmax=Knv.U2 =Knv.

Nguyên lý của mạch điều khiển

- Điện áp tựa được đưa vào các bộ so sánh (Comparator) cùng với điện áp điều khiển để thu được điện áp dạng xung ±Ubhthích hợp với các kênh điều khiển mà luật đóng mở và luật điều khiển đối xứng đặt ra. - Xung chùm được tạo ra bởi Khâu tạo xung chùm với tần số 20 kHz, sau khi được trộn với điện áp so sánh sẽ có dạng các chùm xung đi ra từ mạch logic với công suất nhỏ. Do điện áp tựa có dạng tuyến tính nên việc điều chỉnh tốc độ động cơ một cách tuyến tính với phạm vi 25:1 có thể đưa về việc điều chỉnh điện áp điều khiển tuyến tính trong phạm vi 25 lần.

Mạch trộn xung dùng các cổng logic AND, có 4 tín hiệu cần trộn xung nên mạch cần 4 cổng AND, ta dùng 1 IC 7408 do hãng Texas Instrument sản xuất có tích hợp 4 cổng AND trong một IC. (Vì còn phải tính đến sụt áp trên điện trở). Khi có tín hiệu xung đi vào thì bóng T2 sẽ mở đồng thời làm mở luôn T1. Lúc này xuất hiện dòng điện chạy từ nguồn nuôi qua R20, qua cuộn sơ cấp và T1 rồi đi xuống đất và thành lập trên cuộn sơ cấp một điện áp U1. Điện trở R20 có tác dụng bảo vệ T1 tránh dòng I1 vượt quá giá trị IC1max. Tuy nhiên do R20 mắc nối tiếp cuộn sơ cấp với biến áp xung nên khi dẫn, nó sẽ làm giảm điện áp đặt vào biến áp xung, để vẫn giữ điện áp ban đầu trên biến áp xung bằng nguồn VCC ta đưa thêm tụ C6 vào. Lúc đó trong giai đoạn T1 khóa thì tụ điện sẽ kịp nạp đến trị số nguồn. Diode D7 có tác dụng bảo vệ quá tải cho các bóng bán dẫn. U = i biến thiên nhanh nên U1 sẽ lớn), nếu không có D7 nó sẽ cảm ứng sang thứ cấp U2 gây hỏng cực điều khiển của bóng. Ở đây ta không cần các diode chống xung âm vì các xung điều khiển của ta khi đi vào bộ phận KĐX đều đã được loại bỏ phần bị âm ở các mạch so sánh và tạo xung chùm.

Ta điều chế bằng cách đảo dấu điện áp +5V thành -5V bằng một mạch đảo dấu như đã trình bày ở trên, sau đó dùng một mạch cộng tương ứng để cộng điện áp +15V với -5V tương ứng.