1.3. P HÂN TÍCH LỰA CHỌN BỘ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU
1.3.3. Phân tích hệ thống xung áp động cơ (ĐXA – Đ)
Ngày nay hệ xung áp – động cơ được sử dụng rộng rãi, nhất là khi các yếu tố về độ tin cậy, dễ điều chỉnh, độ ổn định, kích thước trọng lượng được đặt lên hàng đầu. Có nhiều cách phân loại, ở đây ta phân theo hệ xung áp mạch đơn (không đảo chiều), hệ xung áp đảo chiều.
Đối với các bộ biến đổi công suất nhỏ (vài KW) và trung bình (hàng chục KW) người ta thường sử dụng bóng bán dẫn lưỡng cực IGBT. Đối với công suất lớn (vài trăm KW) người ta thường dùng GTO, cao hơn nữa dùng Tiristor. Ở giáo trình này chỉ đề cập đến van điều khiển hoàn toàn IGBT, GTO – chúng có ưu điểm là mở và khóa hoàn toàn bằng xung (điều khiển hoàn toàn), khác với tiristor mở bằng xung, khóa phải dùng mạch khóa (bán điều khiển). Nhược điểm của van điều khiển hoàn toàn là công suất nhỏ hơn tiristor.
1.3.3.1. Hệ xung áp đơn.
a) Sơ đồ nguyên lý.
Hình 1.3.4. Sơ đồ nguyên lý hệ XA đơn dùng Tiristor (trái) và dùng GTO (phải).
Từ sơ đồ nguyên lý trên ta có phương trình và đồ thị dòng áp sau:
Hình 1.3.5. Đồ thị dòng áp hệ XA đơn dùng GTO.
Phương trình:
- Trong khoảng t1 GTO mở: U=E+Rui1+Lu
d i1 dt - Trong khoảng t2 GTO khoá: 0=E+Rui2+Lu
d i2 dt Với TCK mở khóa rất nhỏ (f=T1
CK
= 200 – 400hz ) so với hằng số thời gian cơ học của hệ nên ta có thể coi sức điện động động cơ E ≈ const trong chu kỳ TCK.
Nghiệm của phương trình trên có dạng:
i1=I1+(I¿ ¿bd1−I1)e−t/Tu¿ i2=I2+(I¿¿bd2−I2)e−t/Tu¿ Trong đó:
I1=UR−E
u
; I2=−U
Ru : Các giá trị dòng điện xác lập của dòng điện i , i trong 1 2 26
khoảng t1, t2.
I , I : Giá trị ban đầu của dòng điện i , i : tại t = 0 (I ); tại t = t1 (Ibd1 bd2 1 2 bd1 bd2).
Tu=Lu
Ru
: Hằng số thời gian điện từ của mạch.
Quá trình tăng giảm dòng điện trên đồ thị vẽ cho trường hợp hệ đã làm việc xác lập. Như vậy hệ xung áp – động cơ một chiều cũng có ba chế độ dòng điện: liên tục, biên
liên tục, gián đoạn.
b) Đặc tính cơ của hệ thống.
Như trên ta đã biết vì hệ xung áp – động cơ một chiều có ba chế độ dòng điện nên để xây dựng đặc tính cơ, tương tự hệ T – Đ ta cũng phải xây dựng ba vùng sau đó ghép lại thành đặc tính cơ hoàn chỉnh.
1) Chế độ dòng liên tục.
Hình 1.3.6. Sơ đồ thay thế.
Trong đó:
U = γU: Điện áp trung bình của nguồn đặt vào động cơ.tb
¿Tt1
CK: Độ rộng của xung (γ = 0 ÷ 1).
- Phương trình cân bằng điện áp (K )2
γU=E+I R∑ Suy ra: E=K φđmω=γU−I R∑
- Đặc tính cơ điện:
Từ K ta có :2
ω= γU K φđm
− R∑
K φđm
I - Đặc tính cơ:
Coi M = M = M = Kφ I, thay vào phương trình đặc tính cơ điện ta có:đt cơ đm
ω= γU K φđm
−R∑
¿¿
- Nhận xét:
Tốc độ không tải lý tưởng giả tưởng (không có thật).
ω0'= γU K φđm Đường đặc tính hệ XA đơn:
|β|XA=¿¿, nếu coi nguồn áp có R ≈ 0 thì b |β|XA=|β|TN>|β|F−Đ>|β|T−Đ
Khi γ thay đổi từ (0-1) ta sẽ có họ đường đặc tính co song song với nhau vì
|β|XA=const 2) Chế độ dòng biên liên tục.
Ở chế độ dòng biên liên tục ta có: i1(t=0)=i (t2 2) = 0. Để xác định dòng biên liên tục (IBLT) ta có một số giả thiết như sau:
- Dòng điện i (t), i1 2(t2) tăng, giảm tuyến tính vì T nhỏ (thực tế tăng giảm theo hàmCK
mũ).
- Khai triển hàm Taylor chỉ lấy hai số hạng đầu : - e−t1/Tu≈1− t1
TCK
Vì T >> T nênu ck 2Tu
TCK
≫γ suy ra 2Tu TCK
−γ=2Tu
TCK
Ta xác định được:
28
IBLT=Uγ(1−γ)
R.2Tu TCK=Inmγ(1− )γ 2Tu TCK ωBLT= Uγ
K φđm
− R∑ K φđm
IBLT Trong đó I = U/Rnm
Với hệ XA đơn đã biết từ hệ phương trình trên cho ta thiết lập các quan hệ sau:
γ1→ IBLT1→ωBLT1→ MBLT1=K φđmIBLT1
γ2→ IBLT2→ ωBLT2→ MBLT2=K φđmIBLT2 γn→ IBLTn→ ωBLTn→ MBLTn=K φđmIBLTn Trong n điểm có ba điểm đặc biệt
γ1=1→ IBLT1=0 γ1=0→ IBLT1=0 γ1=0,5→ IBLT1=IBLTmax
Vậy khi γ thay đổi từ (0 ÷1) điểm B(ω , I ) sẽ di chuyển trên một cung elip biểuBLT BLT
diễn bằng nét đứt như hình vẽ.
3) Chế độ dòng gián đoạn
Tương tự như ở hệ T – Đ, hệ xung áp – động cơ một chiều để dựng đặc tính cơ ở vùng gián đoạn ta chỉ cần hai điểm, một điểm nằm trên đường biên liên tục, điểm còn lại được xác định như sau:
ω0= 1 K φdm
limEI⇒0= U K φdm
ω không phụ thuộc vào độ rộng xung (γ) trừ γ = 00
Hình 1.3.7. Đặc tính cơ hoàn chỉnh.
1.3.3.2. Hệ truyền động xung áp – đảo chiều.
a) Sơ đồ nguyên lý.
Để đảo chiều quay của động cơ có nhiều sơ đồ, thông dụng ta có sơ đồ sau:
Hình 1. 19. Sơ đồ nguyên lý hệ xung áp đảo chiều.
Trong đó:
T → T : van điều khiển hoàn toàn (GTO hoặc IGBT)1 4
D → D : Điốt để trả năng lượng từ tải về nguồn1 4
C : Kho điện để nhận năng lượng và giữ điện áp không đổi, nếu nguồn là ắcquy thìo
không cần Co
R , L : Điện trở, điện cảm của động cơ và của cuộn kháng lọc nếu cót t
E = Kφ ω: Sức điện động của động cơ một chiều kích từ độc lậpđm
30
b) Nguyên lý đảo chiều
Để đảo chiều quay động cơ có rất nhiều phương pháp:
- Phương pháp 1:
Từ 0 – t cho T , T mở U = U1 1 2 AB d
Từ t – t cho T , T mở U = -U1 2 3 4 AB d
Utb=Δt1−Δ t2
TCK
U Trong đó: Δ t1=t1−0
Δ t2=t2−t1
Nếu Δ t1−Δ t2>0→ Utb>0 - Động cơ quay thuận Δ t1−Δ t2<0→ Utb<0- Động cơ quay ngược Δ t1−Δ t2=0→ Utb=0 - Hãm động năng
Hình 1.3.8. Đồ thị điện áp phương pháp 1.
- Phương pháp 2: (phương pháp điều khiển không đối xứng) Động cơ quay thuận:
T1, T ngược pha trong một chu kỳ4
T3, T ngược pha trong một chu kỳ nhưng T khóa cả chu kỳ còn T mở cả chu kỳ.2 3 2
Động cơ quay ngược (phương pháp điều khiển không đối xứng) T3, T ngược pha trong một chu kỳ2
T1, T ngược pha trong một chu kỳ nhưng T luôn khóa còn T luôn mở trong một chu 4 1 4
kỳ.
Hình 1.3.9. Đồ thị điện áp phương pháp 2 (TH quay thuận) .
Hình 1.3.10. Đồ thị điện áp phương pháp 2 (TH quay nghịch).
c) Đặc tính cơ hệ thống.
- Phương pháp 1:
Utb= 1 TCK∫
0 t1
❑Udt− 1 TCK∫
0 t1
❑Udt=U .Δ t1−Δ t2 TCK
32
vì:γ=TΔ t1
CK
→ Δ t2=TCK−Δ t1 nên Utb=U .Δ t1−Δ t2
TCK
=U .Δ t1−TCK+Δ t1
TCK
=(2γ−1)U IBLT≈ Inm
γ(1−γ) 2Tu TCK
ωBLT≈ ω0(2γ−1−γ(1−γ) 2Tu TCK)
Kết hợp lại ta có phương trình đặc tính cơ điện đặc tính cơ:
ωBLT=(2γ−1)U K φđm
− R∑ K φđm
I ωBLT=(2γ−1)U
K φđm
−R∑
¿¿
Khi γ thay đổi không những tốc độ thay đổi mà còn dấu của nó cũng thay đổi. Thực vậy:
Khi 0,5 < γ ≤ 1 tốc độ ω ’ = (2γ - 1) ω > 0.o o
Khi 0 ≤ γ < 0,5 tốc độ ω ’ = (2γ - 1) ω < 0.o o
Ký hiệu: γ13= Δ t1
TCK−Δ t2 là thời gian mở tương đối của van 1, 3.
γ24=1−γ13 là thời gian mở tương đối của van 2, 4.
Ta có đồ thị đặc tính cơ như hình:
Hình 1.3.11. Đặc tính cơ phương pháp 1.
- Phương pháp 2:
Kết hợp đặc tính cơ của hệ xung áp đơn (khi có hãm tái sinh, hãm động năng) và hệ xung áp đảo chiều (phương pháp 1) ta có đặc tính cơ phương pháp 2.
γ1= t1
TCK là thời gian đóng van T ở chiều quay thuận.1
γ2= t2
TCK
là thời gian đóng van T ở chiều quay ngược.3
Hình 1.3.12. Đặc tính cơ phương pháp 2.
d) Nhận xét.
- Ưu điểm hệ xung áp động cơ:
Hiệu suất cao vì tổn hao trong các van và mạch điều khiển nhỏ, mạch điều khiển đơn giản khi dùng van điều khiển hoàn toàn. Chất lượng điện áp tốt hơn so với các bộ biến đổi liên tục. Kích thước gọn nhẹ nhất là khi dùng nguồn là động cơ. Khi có nguồn có công suất lớn ta có thể bỏ qua Rb do vậy độ đặc tính cơ cao. Dễ thiết lập hệ thống tự động vòng kín (trong thực tế chỉ sử dụng vòng kín).
- Nhược điểm hệ xung áp động cơ:
34
Điện áp xung gây ra tổn thất phụ do thành phần xoay chiều gây ra. Tần số đóng cắt lớn (f= 200-400 Hz) tạo ra nhiễu cho nguồn và thiết bị điều khiển. Tồn tại vùng gián đoạn đặc tính cơ dốc, kém ổn định.
Ngày nay hệ xung áp – động cơ một chiều được sử dụng nhiều trong giao thông đường phố, ô tô chạy điện.