Ngày nay h xung áp ệ – động cơ được sử ụ d ng r ng rãi, nh t là khi các y u t vộ ấ ế ố ề độ tin cậy, dễ điều chỉnh, độ ổn định, kích thước trọng lượng được đặt lên hàng đầu. Có nhi u ề cách phân loại, ở đây ta phân theo hệ xung áp mạch đơn (không đảo chi u), hề ệ xung áp đảo chiều.
Đố ới v i các b biộ ến đổi công su t nh (vài KW) và trung bình (hàng chấ ỏ ục 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 khi n hoàn toàn), khác v i tiristor m bể ớ ở ằng xung, khóa ph i dùng m ch khóa (bán ả ạ điều khiển). Nhược điểm của van điều khiển hoàn toàn là công suất nh ỏhơn tiristor.
1.2.3.1. H ệ xung áp đơn
* Sơ đồ nguyên lý:
23 Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý h ệ xung áp đơn dùng tiristor và dùng GTO
Hình 1.12 Đồthị dòng áp
*Phương trình:
Trong kho ng t1 GTO mả ở: U = E + R iu 1+ Ludi1
Trong kho ng t2 GTO khoá: ả 0 = E + Rui2+ Ldtudi2 dt Với TCK m khóa r t nh f ở ấ ỏ( = 1
TCK= 200 400hz ) so v– ới hằng s ốthời gian cơ học c a hủ ệ nên ta có th ểcoi sức điện động động cơ E ≈ const trong chu kỳ T . CK
Nghiệm của phương trình trên có dạng:
i = I + (I − I1 1 bd1 1)e−t/Tu i = I + (I − I )e2 2 bd2 2 −t/Tu
24 Trong đó:
I1=U− ERu ; I2=−U
Ru Các giá tr : ị dòng điện xác l p cậ ủa dòng điện i , i 1 2trong kho ng t1, t2. ả Ibd1, Ibd2 : Giá trị ban đầu của dòng điện i , i 1 2: tại t = 0 (Ibd1); tại t = t1 (Ibd2).
Tu=Lu
Ru : Hằng s ốthời gian điệ ừ ủa mạch.n t c
Quá trình tăng giảm dòng điện trên đồ thị ẽ cho trườ v ng h p hợ ệ đã làm việc xác lập. Như v y h xung áp ậ ệ – động cơ một chiều cũng có ba chế độ dòng điện: liên t c, biên liên t c, ụ ụ gián đoạn.
*Đặc tính cơ
Như trên ta đã biết vì h xung áp ệ – động cơ một chiều có ba chế độ dòng điện nên để xây dựng đặc tính cơ, tương tự ệ T – Đ ta cũng phả h i xây dựng ba vùng sau đó ghép lại thành đặc tính cơ hoàn chỉnh.
• Sơ đồ thay th v i giá tr trung bình (m t chi u) ế ớ ị ộ ề
Hình 1.13 Sơ đồthay thế Trong đó:
Utb = U: Điện áp trung bình của nguồn đặt vào động cơ.
=TCKt1: Độ rộng c a xung ( = 0 ÷ 1). ủ
• Phương trình cân bằng điện áp và đặc tính cơ điện, đặc tính cơ
25
• Phương trình cân bằng điện áp (K2)
γU = E + IR∑
==> E = Kφđmω = γU − IR∑
• Đặc tính cơ điện:
ω =KφγU
đm− KφR∑đmI (0.23)
• Đặc tính cơ:
Coi Mđt = Mcơ = M = KđmI, thay vào phương trình đặc tính cơ điện ta có:
ω =KφđmγU− (Kφ )R∑đm 2M (0.24)
• Nhận xét:
Tốc độ không tải lý tưởng gi ả tưởng (không có thật).
ω0′= γU Kφđm
Đường đặc tính hệ XA đơn:| |βXA=(KφR∑đm)2= const, n u coi ngu n áp có Rế ồ b ≈ 0 thì: |β|XA=|β|TN>|β|F−Đ>|β|T−Đ
Khi thay đổ ừ (0i t -1) ta s có hẽ ọ đường đặc tính co song song v i nhau vìớ |β|XA= const
- Chế độ dòng biên liên t c ụ
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 m t sộ ố gi ảthiết như sau:
+ Dòng điện i1(t), i2(t2) tăng, giảm tuyến tính vì T nh CK ỏ(thực tế tăng giảm theo hàm mũ).
+ Khai tri n hàm Taylor ch l y hai s hể ỉ ấ ố ạng đầu : e−t1/Tu≈ 1 − t1
TCK
26 Vì T >> Tu ck nên 2Tu
TCK>> γ suy ra T2Tu
CK− γ =2Tu
TCK
Ta xác định được:
IBLT=R.2TUγ(1−γ)u TCK=I γ(1−γ)nm2Tu TCK
ωBLT=KφUγ
đm− KφR∑đmIBLT (0.25) Trong đó Inm=U/R
Với hệ Xung áp – Đ đã biết từ ệ phương trình trên cho ta thiết lậ h p các quan h ệsau:
γ → I1 BLT1→ ωBLT1→ MBLT1= KφđmIBLT1 γ2→ IBLT2→ ωBLT2→ MBLT2= KφđmIBLT2
γn→ IBLTn→ ωBLTn→ MBLTn= KφđmIBLTn
Trong n điểm có ba điểm đặc bi t ệ γ = 1 → I1 BLT1= 0 γ = 0 → I1 BLT1= 0 γ = 0,5 → I1 BLT1= IBLTmax
V y khi ậ thay đổi từ (0 ÷1) điểm B(BLT, IBLT) sẽ di chuy n trên m t cung elip bi u ể ộ ể di n bễ ằng nét đứt.
-Chế độ dòng gián đoạn
Tương tự như ở ệ h T – Đ, hệ xung áp – động cơ một chiều để ựng đặc tính cơ ở d 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=Kφ1dmlimEI⇒0 = U
Kφdmω0 không ph thuụ ộc vào đ ộộ r ng xung () trừ = 0
27 Đến đây ta có thể xây dựng được hoàn chỉnh đặc tính cơ của hệ xung áp – động cơ một
chiều.
Hình 1.14 Đặc tính cơ chế độ dòng gián đoạn 1.2.3.2. H truyệ ền động xung áp – đảo chi u ề
a) Sơ đồ nguyên lý
Để đả o chi u quay cề ủa động cơ có nhiều sơ đồ, thông dụng ta có sơ đồsau:
Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý h ệ xung áp đảo chi u ề Trong đó:
+ T1 → T4: van điều khi n hoàn toàn (Gể TO hoặc IGBT)
28 + D 1→ D4: Điốt đểtrả năng lượng t từ ải về nguồn
+ Co: Kho điện để nhận năng lượng và gi ữ điện áp không đổi, nếu ngu n là cquy ồ ắ thì không cần C o
+ R , L t t: Điện trở, điện cảm của động cơ và của cu n kháng lộ ọc nếu có + E = K đm : Sức điện động của động cơ một chiều kích t ừ độc lập b) Nguyên lý đảo chiều
Để đả o chiều quay động cơ có rất nhiều phương pháp:
Từ 0 t – 1cho T1, T m U = U 2 ở AB d
T t t ừ 1– 2cho T3, T m U -U 4 ở AB= d
Utb=ΔtTCK1−ΔtU2 Trong đó: Δt1= t − 01
Δt2= t − t2 1
N u ế Δt − Δt > 0 → U > 01 2 tb - Động cơ quay thuận Δt1− Δt < 0 → U2 tb< 0 - Động cơ quay ngược Δt1− Δt = 0 → U = 02 tb - Hãm động năng Phương pháp 2: (phương pháp điều khiển không đối xứng) Động cơ quay thuận:
T , T 1 4ngược pha trong m t chu k ộ ỳ
T , T 3 2ngược pha trong m t chu k ộ ỳ nhưng T3 khóa c ảchu kỳ còn T m c 2 ở ảchu kỳ. Động cơ quay ngược (phương pháp điều khiển không đối xứng)
T , T 3 2ngược pha trong m t chu k ộ ỳ
T , T 1 4ngược pha trong m t chu k ộ ỳ nhưng T1 luôn khóa còn T4 luôn mở trong một chu k . ỳ
29 Đồthị điện áp phương pháp 1, phương pháp 2 được mô tả như sau:
Phương pháp 1:
Hình 1.16 Đồ thì điện áp phương án 1 Phương pháp 2:
Hình 1.17 Đồthì điện áp phương án 2 ( quay thuận )
30
Hình 1.18 Đồthị điện áp phương án 2 ( quay ngược ) c) Đặc tính cơ
Phương pháp 1:
Utb=TCK1∫ Udt0t1 −T1CK∫ Udt0t1 = U.Δt1−Δt2
TCK vì: γ =TΔt1
CK→ Δt2= TCK− Δt1 nên Utb= U.TΔtCK1−Δt= U.2 Δt1−TTCK+Δt1
CK = ( − 1)U2γ IBLT≈ Inmγ(1−γ)
2Tu TCK
ωBLT≈ ω0(2γ − 1 −2Tγ(1−γ)
u TCK) Kết hợ ạp li ta có phương trình đặc tính cơ điện đặc tính cơ:
ωBLT=(2 −1)UKγφ
đm −KRφ∑
đmI ωBLT=(2 −1)UKγφđ
m −(KφR∑)
đm2M Khi thay đổi không nh ng tữ ốc độ thay đổi mà còn d u cấ ủa nó cũng thay đổi.
31 Khi 0,5 < 1 tốc độo’ = (2 - 1) o > 0
Khi 0 < 0,5 tốc độo’ = (2 - 1) o < 0 Ký hiệu: γ13= Δt1
TCK−Δt2là thời gian m ở tương đối của van 1, 3.
γ24= 1 − γ13là thời gian m ở tương đối của van 2, 4.
Hình 1.19Đặc 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
TCKlà thời gian đóng van T1 chi u quay thu n. ở ề ậ γ2= t2
TCKlà thời gian đóng van T3 chiở ều quay ngược
32
Hình 1.20 Đặc tính cơ phương pháp 2
• Ưu điểm hệ xung áp động cơ:
- Hiệu suất cao vì tổn hao trong các van và mạch điều khi n nh ể ỏ - Mạch điều khiển đơn giản khi dùng van điều khi n hoàn toàn ể - Chất lượng điện áp tốt hơn so với các b biộ ến đổi liên t c ụ - Kích thước g n nh nhọ ẹ ất là khi dùng nguồn là động cơ
- Khi có ngu n có công suồ ất lớn ta có th b qua Rb do vể ỏ ậy độ đặc tính cơ cao - D ễthiế ật l p h ệthống t ự động vòng kín (trong thực tếchỉ ử ụ s d ng vòng kín)
• Nhược điểm hệ xung áp động cơ:
- Điện áp xung gây ra t n th t ph do thành ph n xoay chi u gây ra ổ ấ ụ ầ ề
- T n sầ ố đóng cắ ớt l n (f= 200-400 Hz) t o ra nhi u cho ngu n và thiạ ễ ồ ết bị điều khi n. ể - T n tồ ại vùng gián đoạn đặc tính cơ dốc, kém ổn định
Ngày nay h xung áp ệ – động cơ một chiều được sử ụng nhiề d u trong giao thông đường phố, ô tô ch y ạ điện.