Đồ án Thiết kế bộ băm xung áp cho động cơ ôtô một chiều với các thông số sau: + U = 48 VDC. + Iđm = 60 A + D = 25 :1 + Không đảo chiều + n = 1000 v/ph

ới nhau. b. Cực từ phụ : Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều . Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu rạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông. c. Gông từ : Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại. Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy. d. Các bộ phận khác. - Nắp máy : Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang. - Cơ cấu chổi than : để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặy lên cổ góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại. 1. 2.2 Phần quay hay rôto. Bao gồm những bộ phận chính sau : a. Lõi sắt phần ứng : dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì dặt dây quấn vào. Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lạ thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió. Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt. Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto. b. Dây quấn phần ứng. Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài kw thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có làm bằng tre, gỗ hay bakelit. c. Cổ góp : dùng để đổi chiều dòng điẹn xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng. d. Các bộ phận khác. - Cánh quạt : dùng để quạt gió làm nguội máy. Máy điện một chiều thường chế tạo theo kiểu bảo vệ. ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên trục máy , khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ. Gió đi qua vành góp, cực từ lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy. - Trục máy : trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt. 2. 3 . Đ ặc tính cơ của động cơ điện một chiều : 2.3.1. Động cơ điện kích thích độc lập hoặc song song: Phương trình đặc tính cơ: Biểu thị quan hệ giữa tốc độ (n)và mômen (M) w w0 M Mđm Do Rư rất nhỏ, nên khi tải thay đổi từ không đến định mức thì tốc độ giảm rất ít cho nên đặc tính cơ của động cơ điện kích thích song song rất cứng. Với đặc điểm như vậy, động cơ điện kích thích song song được dùng trong những trường hợp tốc độ hầu như không đổi khi tải thay đổi. 2.3.2. Động cơ điện kích thích nối tiếp: ở động cơ điện kích thích nối tiếp, dòng điện kích thích chính là dòng điện phần ứng : It= Iư=I. Vậy trong phạm vi khá rộng có thể biểu thị: F=KF.I trong đó hệ số tỷ lệ KF chỉ là hằng số trong vùng I (0,8 á 0,9)Iđm thì hơi giảm xuống do hiện tượng bão hoà mạch từ. Như vậy, biểu thức đặc tính cơ có dạng: M=CM.F.Iư=CM. ị nếu bỏ qua Rư thì: hay: M= Như vậy khi mạch từ chưa bão hoà, đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp có dạng là đường hypebol bậc hai. w* M* Mđm Ta thấy, ở động cơ một chiều kích thích nối tiếp, tốc độ quay n giảm rất nhanh khi M tăng. Và khi mất tải (M=0, I=0) thì n có trị số rất lớn. Vì vậy thường chỉ cho phép động cơ làm việc với tải tối thiều P2=(0,2 á 0,25)Pđm. Từ dạng đặc tính cơ ta cũng có nhận xét là đặc tính cơ của động cơ kích thích nối tiếp rất mềm ị động cơ nối tiếp rất ưu việt trong những nơi cần mở máy nặng nề và cần tốc độ thay đổi trong một vùng rộng. 2.3.3 Động cơ điện kích thích hỗn hợp: Loại này được chế tạo gồm hai cuộn dây nối tiếp và song song. Tác dụng của dây quấn kích thích song song và nối tiếp bù nhau hoặc ngược nhau. Trên thực tế người ta chỉ sử dụng loại kích thích hỗn hợp bù vì động cơ ngược không đảm bảo được điều kiện làm việc ổn định. Động cơ kích thích hỗn hợp bù có đặc tính cơ mang tính chất trung gian giữa hai loại kích thich song song và nối tiếp. Khi tải tăng thì từ thông tăng, do đó đặc tính cơ của động cơ kích thích hỗn hợp bù mềm hơn so với đặc tính cơ của động cơ kích thích song song. Tuy nhiên mức độ tăng của từ thông không mạnh như ở động cơ kích thích nối tiếp cho nên đặc tính cơ của động cơ điện kích thích hỗn hợp bù cứng hơn so với đặc tính cơ của động cơ kích thích nối tiếp. Từ những đặc tính cơ trên ta thấy rằng động cơ một chiều kích thích nối tiếp và hỗn hợp đáp ứng được yêu cầu truyền động. Nó có nhưng ưu điểm : + Đặc tính cơ mềm và độ cứng thay đổi theo phụ tải. Điều này rất thích hợp trong giao thông có yêu cầu tốc độ thay đổi theo tải. + Có khả năng quá tải lớn về mômen và khả năng khởi động tốt hơn. Nhờ vậy cho phép làm việc ở môi trường kéo tải nặng nề. + Vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng phần ứng Iư nên khả năng chịu tải của động cơ không chịu ảnh hưởng của sụt áp lưới điện nên rất thích hợp cho những truyền động dùng trong nghành giao thông có đường dây cung cấp điện đi kèm theo tải. Thực tế trong lĩnh vực này động cơ kích thích nối tiếp được sử dụng. Tuy nhiên người ta cũng dùng cả động cơ kích thích hỗn hợp vì nó cho phép thực hiện hãm tái sinh năng lượng mà vẫn đảm bảo tốt các yêu cầu truyền động. x2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kéo tải trong giao thông có thể dùng phương pháp điện kết hợp cả phương pháp cơ qua cơ cấu bánh răng để tăng dải điều chỉnh. Điều chỉnh bằng phương pháp điện càng tốt bao nhiêu càng giảm độ phức tạp & cồng kềnh của cơ cấu cơ khí bấy nhiêu. Thực tế tồn tại hai phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều: Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ; tức là thay đổi Uư. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ ; tức là thay đổi từ thông F. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi F có thể thay đổi được liên tục & giữ được hiệu suất của động cơ là không đổi vì sự điều chỉnh dựa trên việc tác dụng lên mạch kích thích có công suất nhỏ so với công suất động cơ. Nhưng do bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức, ứng với kích thích tối đa (F=Fđm=Fmax), nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông; tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ & giới hạn điều chỉnh tốc độ bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và đảo chiều quay nên phương pháp này không thích hợp trong trường hợp động cơ kéo tải giao thông. Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay dưới tốc độ định mức vì không thể nâng cao điện áp lên trên Uđm của động cơ. Phương pháp này cho phép điều chỉnh triệt để vì có những ưu điểm sau: + Hiệu suất điều chỉnh cao. + Không có tổn hao trong máy điện khi điều chỉnh. + Việc thay đổi điện áp phần ứng, cụ thể là giảm Uư ị mômen ngắn mạch Mnm giảm, dòng ngắn mạch Inm giảm; điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động động cơ. + Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là như nhau. + Điều chỉnh trơn trong toàn bộ giải điều chỉnh. Tuy vậy, phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao, và đòi hỏi phải có nguồn điện áp điều chỉnh được. Từ những phân tích trên ta thấy việc chọn phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng là thích hợp cho động cơ kéo tải giao thông. Mặc dù, dải điều chỉnh chỉ cho phép thấp hơn tốc độ định mức như ta có thể mở rộng dải điều chỉnh nhờ kết hợp với cơ cấu cơ khí. x3. Giới thiệu nguyên lý chung của bộ biến đổi điện áp một chiều. Như ở trên đã đề cập, phương pháp điều chỉnh điện áp được lựa chọn trong điều chỉnh tốc độ động cơ. Thực tế, để thay đổi điện áp phần ứng động cơ người ta có thể thay đổi góc mở chậm a nếu dùng bộ biến đổi là hệ thống chỉnh lưu, hoặc thay đổi tần số băm trong trường hợp bộ biến đổi là bộ băm xung áp một chiều. Việc sử dụng hệ thống chỉnh lưu tiristor - động cơ chỉ ứng dụng trong trường hợp tải của nó là loại động cơ công suất lớn, sử dụng sơ đồ chỉnh lưu tiristor – động cơ một chiều luôn đi kèm theo việc đưa thêm bộ lọc kồng kềnh nên chỉ khả dụng cho truyền động đầu máy tầu điện kéo tải lớn. Với loại động cơ công suất nhỏ thì việc dùng bộ băm xung áp một chiều là phù hợp. Vì thiết bị băm xung làm việc với hiệu suất cao (theo tính toán là xấp xỉ bằng 1); ít nhạy cảm với nhiệt độ và điều kiện môi trường vì tham số điều kiển là thời gian đóng mở; đặc biệt là có kích thước nhỏ gọn (tính cả lọc), nên rất phù hợp với xe điện di động. Sau đây giới thiệu nguyên lý chung của bộ băm xung, đồng thời phân tích khái lược về các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ làm việc của bộ băm xung - áp cũng như vấn đề lựa chọn thiết bị đáp ứng được các yêu cầu về chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế. Tải Chỉnh lưu không điều khiển L2 ã ã ã ã ã ã K D C1 C2 Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp một chiều Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc như một công tác tơ tĩnh (K) đóng mở liên tục 1 cách chu kì . Nhờ vậy mà biến đổi được điện áp một chiều không đổi E thành các xung điện áp một chiều Utb có trị số có thể điều chỉnh được. Điện áp Utb này đặt vào phần ứng động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ ô tô. Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp thì 0<Utb<E. Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp thì E<Utb<0. Trong sơ đồ trên L,C là bộ phận lọc để san bằng và giữ cho điện áp tải thực tế là không đổi ,mục đích là giảm hệ số đập mạch nâng cao chất lượng điều chỉnh . Điện áp trên tải thu được phụ thuộc vào tần số đóng cắt khoá K.Trong khi đó các hạn chế về công nghệ và tổn hao của bộ biến đổi điện áp một chiều quyết định giới hạn tần số làm việc của bộ biến đổi .Để tránh các sóng không mong muốn và từ đấy tránh được Momen đập mạch thì tần số phải lớn hơn một mức nào đó .Tần số đóng cắt càng nhanh thì càng giảm được kích thước của bộ lọc ,nhưng nếu quá lớn sẽ sinh ra nhiễu vô tuyến .Vì vậy phải cân nhắc để lựa chọn được bộ biến đổi làm việc ở dải tần thích hợp( dưới 1KHz). Thực tế thường dùng tần số băm khoảng 400Hz á 600Hz. Thực tế khoá K trên sơ đồ nguyên lý được thay bằng khoá điện tử cụ thể là Tiristor hoặc Transistor(Công suất hoặc MOS). Dùng Tiristor có ưu điểm là trị số giới hạn cao ,làm việc chắc chắn rẻ tiền,tổn hao khi dẫn nhỏ nhưng có nhược điểm là mở chậm nên chỉ sử dụng rộng rãi ở tần số đóng mở thấp (dưới 500Hz). Transistor MOS thích hợp với dải tần số chuyển mạch cao hơn 100KHz. Transistor công suất thích hợp với dải tần từ 20->100Khz,có giá thành rẻ hơn,tổn hao ít hơn MOS. Với hệ thống dùng Transistor thì yêu cầu làm mát không cao bằng Tiristor,nhưng Tiristor lại cho phép dễ bảo vệ chống lại các sự cố hơn Transistor .Vì vậy ở những môi trường làm việc nặng nề việc sử dụng Transistor là hạn chế. Việc sử dụng loại linh kiện nào dùng trong bộ biến đổi trong thực tế là dựa vào khả năng kinh tế kỹ thuật và trong nhiều trường hợp thì việc lựa chọn không rõ ràng . Ngoài sự ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật là tần số đóng cắt, giới hạn về các linh kiện thì chất lượng điều chỉnh tốc độ ôtô còn phụ thuộc vào cả cơ cấu điều chỉnh là kín hay hở. Dùng sơ đồ điều chỉnh kín (có vòng phản hồi) sẽ tăng thêm tính ổn định tốc độ với một tần số đóng cắt nhất định, nâng cao được chất lượng điều chỉnh. chương II: Bộ băm xung áp một chiều Bộ băm xung áp một chiều có nhiều ưu điểm trong truyền động giao thông. Bộ băm xung áp biến đổi được điện áp một chiều từ 0 đến giá trị điện áp nguồn US một cách trơn liên tục. Phần trên cũng đã đề cập tới nguyên lý chung của bộ biến điện áp một chiều, ở chương này ta đi chi tiết giới thiệu tổng quan nguyên lý điều chỉnh, các phương pháp điều chỉnh và một số sơ đồ băm xung áp thực tế. x 1 . Nguyên lý Nguyên lý chung là biến đổi giá trị của điện áp một chiều ở các mức khác nhau. Ura t t1 t2 T BBĐ một chiều US Ura Ura là một dãy xung vuông (lý tưởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2. Điện áp ra bằng giá trị trung bình của điện áp xung. Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi này là điều khiền các phần tử công suất bằng phương pháp xung. Để có hiệu suất lớn thì điện áp sụt trên các phần tử công suất ở trạng thái mở phải nhỏ, dòng qua nó ở trạng thái mở rất nhỏ. x2. Phương pháp điều chỉnh điện áp ra Có hai phương pháp: Thay đổi độ rộng xung (t1). Thay đổi tần số xung (T hoặc f). 2.1. Phương pháp thay đổi độ rộng xung Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T ị Giá trị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là: trong đó đặt: là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ. Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 < e Ê 1). 2.2. Phương pháp thay đổi tần số xung Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1=const. Khi đó: Vậy Ura=US khi và Ura=0 khi f=0. Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phương pháp trên. 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. x3. Các dạng cơ bản Dựa vào cách mắc khoá xung, các bộ lọc và nguồn cung cấp mà có các dạng sơ đồ sau: 3.1. Biến đổi hạ áp: Sơ đồ nguyên lý như sau: L1 D1 US Ura Clọc tải Phần tử điều chỉnh quy ước là khoá K ( thực tế là Tiristor hoặc Tranzitor). Đặc điểm của sơ đồ này là khoá K, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp. Tải có tính chất cảm kháng hoặc dung kháng. Bộ lọc L & C. Đi-ôt mắc ngược với Ura để thoát dòng tải khi khoá K ngắt. + K đóng ị US được đặt vào đầu của bộ lọc. Lý tưởng thì Utải = US (nếu bỏ qua sụt áp trên các van trong bộ biến đổi). + K mở ị hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng Itải do năng lượng tích luỹ trong cuộn L và Ltải, dòng chạy qua D, do đó Ura=Utải’ =0. Như vậy, Utải tb Ê US. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp. Đặc tính truyền đạt: 3.2. Biến đổi tăng áp: Sơ đồ như sau: L1 D1 US Ura Clọc tải K Đặc điểm: L1 nối tiếp với tải, Khoá K mắc song song với tải. Cuộn cảm L1 không tham gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trò này. + K đóng, dòng điện từ +US qua L1 đ K đ -US. Khi đó D tắt vì trên tụ có UC (đã được tích điện trước đó). + K ngắt, dòng điện chạy từ +US qua L1 đ D đ Tải. Vì từ thông trong L1 không giảm tức thời về không do đó trong L1 xuất hiện suất điện động tự cảm eL, có cùng cực tính US. Do đó tổng điện áp: U=US+eL đ làm D thông đ Utải=US+eL. Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp. Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn US ở chế độ liên tục và năng lượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn. Đặc tính truyền đạt: 3.3. Biến đổi đảo cực: Sơ đồ mắc như sau: L1 D1 US Ura Clọc tải K L1 chỉ đóng vai trò tích luỹ năng lượng. C đóng vai trò lọc. + K đóng, trên L1 có US, dòng chạy từ +US đ K đ L1 đ -US. Năng lượng tích luỹ trong cuộn cảm L1; đi-ôt D tắt; Utải=UC, tụ C phóng điện qua tải. + K ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra sức điện động ngược chiều với trường hợp đóng ị D thông ị năng lượng từ trường nạp và C, tụ C tích điện; Utải sẽ ngược chiều với US. Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với US. Giá trị tuyệt đối |Utải| có thể lớn hơn hay nhỏ hơn US. 3.4. Biến đổi công suất lớn theo nguyên lý nhiều nhịp: Đặc điểm: Mắc song song n bộ biến đổi riêng làm việc cùng một tải và nguồn US. Để giảm độ gợn sóng của Itải và Utải , các khoá K1, K2, K3, ẳ làm việc lệch pha nhau một góc 2p/n. Khi đó mỗi bộ biến đổi chịu dòng điện Itải/n ; tần số làm việc f=fS/n. Có thể làm việc ở hai chế độ : lần lượt và đồng thời. Nhận xét: Các bộ biến đổi (3 & 4) có ưu điểm ở chỗ là cho phép nhận được điện áp ra tải Utải cao hơn điện áp nguồn cung cấp US, song chúng chỉ thích hợp với dải công suất nhỏ nên ít thông dụng. x4. transistor công suất : 4.1 Cấu tạo : Transistor là linh kiện bán dẫn gồm 3 lớp : PNP hay NPN. Transistor PNP: a).Cấu tạo b). Ký hiệu ( b ) C B E ( a ) E B C N P P ( a ) E C B P N N C B E ( b ) Transistor NPN a). Cấu tạo b). Ký hiệu Về mặt vật lý transistor gồm 3 phần : phần phát, phần nền và phần thu. Vùng nền (B) rất mỏng. Transistor công suất có cấu trúc và ký hiệu như nhau: ( b ) ( a ) E IC B UBE IE C IB UCE E ã ã B C Transistor công suất a). Cấu trúc b). Ký hiệu 4. 2 Nguyên lý hoạt động : ã ã ã Base p - IE + IC IE Colector Emiter C C E E N ã ã ã ã N p ã ã ã - + RE UEE UCC RC ãã ã P Hình ?<? Sơ đồ phân cực transistor. Điện thế UEE phân cực thuận mối nối B – E (PN) là nguyên nhân làm cho vùng phát (E) phóng điện tử vào vùng P (cực B) . Hầu hết các điện tử ( electron) sau khi qua vùng B rồi qua tiếp mối nối thứ hai phía bên phải hướng tới vùng N ( cực thu ), khoảng 1% electron được giữ lại vùng B. Các lỗ trống vùng nền di chuyển vào vùng phát. Mối nối B - E ở chế độ phân cực thuận như một diode, có điện kháng nhỏ và điện áp rơi trên nó nhỏ thì mối nối B - C được phân cực ngược bởi điện áp UCC . Bản chất mối nối B - C này giống như một diode phân cực ngược và điện kháng mối nối B - C rất lớn. Dòng điện đo được trong vùng phát gọi là dòng phát IE. Dòng điện đo được trong mạch cực C ( số lượng điện tích qua đường biên CC trong một đơn vị thời gian là dòng cực thu IC  ). Dòng IC gồm hai thành phần : - Thành phần thứ nhất ( Thành phần chính ) là tỷ lệ hạt Electron ở cực phát tới cực thu . Tỷ lệ này phụ thuộc duy nhất vào cấu trúc của transistor và là hằng số được tính trước đối với từng transistor riêng biệt. Hằng số đã được định nghĩa là a. Vậy thành phần chính của dòng IC là aIE, thông thường a = 0,9 đ 0,999. - Thành phần thứ hai là dòng qua mối nối B - C ở chế độ phân cực ngược lại khi IE = 0. Dòng này gọi là dòng ICBO - nó rất nhỏ. - Vậy dòng qua cực thu : IC = a.IE + ICBO . *Các thông số của transistor công suất IC : Dòng colector mà transistor chịu được . UCEsat : Điện áp UCE khi transistor dẫn bão hoà . UCEO : Điện áp UCE khi mạch badơ để hở, IB = 0. UCEX : Điện áp UCE khi badơ bị khoá bởi điện áp âm, IB <0. ton : Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị điện áp nguồn U giảm xuống UCEsat ằ 0. tf : Thời gian cần thiết để iC từ giá trị IC giảm xuống 0. tS : Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị UCEsat tăng đến giá trị điện áp nguồn U. P : Công suất tiêu tán bên trong transitor. Công suất tiêu tán bên trong transistor được tính theo công thức P = UBE.IB + UCE.IC. - Khi transistor ở trạng thái mở : IB = 0, iC = 0, nên P = 0. - Khi transistor ở trạng thái đóng : UCE = UCEsat . ( b ) ( a ) IC UCE b a UCE IC IC ã Trong thực tế transistor công suất thường được cho làm việc ở chế độ khoá : IB = 0, IC = 0, transistor được coi như hở mạch. Nhưng với dòng điện gốc ở trạng thái có giá trị bão hoà , thì transistor trở về trạng thái đóng hoàn toàn. Transistor là một linh kiện phụ thuộc nên cần phối hợp dòng điện gốc và dòng điện góp. ở trạng thái bão hoà để duy trì khả năng điều khiển và để tránh điện tích ở cực gốc quá lớn, dòng điện gốc ban đầu phải cao để chuyển sang trạng thái dẫn nhanh chóng. ở chế độ khoá dòng điện gốc phải giảm cùng qui luật như dòng điện góp để tránh hiện tượng chọc thủng thứ cấp. ( b ) ( a ) IC UCE b a UCE IB IC ã Trạng thái dẫn và trạng thái bị khoá a) Trạng thái đóng mạch hay ngắn mạch IB lớn, IC do tải giới hạn b) Trạng thái hở mạch IB = 0. Các tổn hao chuyển mạch của transistor có thể lớn. Trong lúc chuyển mạch, điện áp trên các cực và dòng điện của transistor cũng lớn. Tích của dòng điện và điện áp cùng với thời gian chuyển mạch tạo nên tổn hao năng lượng trong một lần chuyển mạch. Công suất tổn hao chính xác do chuyển mạch là hàm số của các thong số của mạch phụ tải và dạng biến thiên của dòng điện gốc . * Đặc tính tĩnh của transistor UCE = f(IC). Để cho khi transistor đóng, điện áp sụt bên trong có giá trị nhỏ, người ta phải cho nó làm việc ở chế độ bão hoà, tức là IB phải đủ lớn để IC cho điện áp sụt UCE nhỏ nhất. ở chế độ bão hoà, điện áp sụt trong transistor công suất bằng 0,5 đến 1V trong khi đó tiristor là khoảng 1,5 V Đặc tính tĩnh của transistor: UCE = f ( IC ). Vùng tuyến tính Vùng gần bão hoà Vùng bão hoà UCE IC 4. 3 ứng dụng của transistor công suất : Transistor công suất dùng để đóng cắt dòng điện một chiều có cường độ lớn. Tuy nhiên trong thực tế transistor công suất thường cho làm việc ở chế độ khoá . IB = 0 , IC = 0 : transistor coi như hở mạch . chương III: các phương án Tổng thể Thực tế có rất nhiều sơ đồ băm xung áp một chiều với nhiều đặc điểm khác nhau tuỳ mục đích sử dụng, song chúng đều làm việc dựa trên những nguyên lý của các dạng cơ bản như đã giới thiệu ở mục trên. Dưới đây xin giới thiệu một số sơ đồ băm xung áp: x1. Bộ băm nối tiếp : 1. 1 Nguyên lý hoạt động : Sơ đồ nguyên lý của hệ thống được biểu diễn như sau : (-) (+) Id D0 ID0 LC DC U E Ud + ã - ã C + - ã ã ã ã ã ã VS1 ã VS2 ã Ld Rd ư Sơ đồ nguyên lý của bộ băm nối tiếp . trong đó : VS1 : là tiristor chính. VS2 : là tiristor phụ, dùng để ngắt bộ băm. LC, DC, C : là các phần tử chuyển mạch, tạo mạch cho tụ C. D0 : Diode hoàn năng lượng, duy trì dòng qua tải khi bộ băm ngắt. Bộ băm nối tiếp là một khoá điện S bằng tiristor được điều khiển đóng mở trong hệ thống một cách chu kỳ. Khi S đóng thì điện áp ngõ ra trên tải Ud = U cpnf khi S mở thì Ud = 0. Giả sử ở trạng thái ban đầu VS1 và VS2 đều bị khoá, tụ C được nạp đầy với bản cực dương ở phía trên như ghi chú trong hình trên Cho xung điều khiển kích tiristor VS1 , VS2 mở, dòng điện từ cực dương của nguồn U chạy qua VS1 vào phụ tải (R, L, E) rồi trở về cức âm của nguồn U. Đồng thời tụ C sẽ phóng điện teo vòng : VS1 - LC - DC - C và tụ C được nạp điện theo chiều ngược lại . Điện áp ra trên tải Ud = U . Khi cho xung điều khiển kích tiristor phụ VS2, VS2 mở, đặt điện áp giữa hai bản cực của tụ C lên VS1 làm cho VS1 bị khoá lại. Lúc này điện áp ra trên tải Ud =0. Thay đổi tỷ số thời gian đóng và thời gian ngắt của VS1 sẽ điều chỉnh được giá trị trung bình của điện áp ra trên tải. Gọi T là chu kỳ của bộ băm, T= Tđg + Tng . Trong đó : Tđg = aT là thời gian đóng mạch của VS1 . Tng = T - Tđg là thời gian ngắt mạch. a = Tđg/T là tỷ số đóng của chu kỳ. Giá trị trung bình của điên áp ra trên tải : Khi ta thay đổi tỷ số đóng a thì có thể điều chỉnh được Utb. Có hai cách để thay đổi a : - Giữ cố định chu kỳ xung T ( tần số cố định) , thay đổi thời gian đóng mạch Tđg của bộ băm. Phương pháp này được gọi là phương pháp điều khiển độ rộng xung . - Giữ cố định thời gian đóng mạch Tđg thay đổi chu kỳ của bộ băm T ( tần số biến thiên ) . Phương pháp này được gọi là phương pháp điều tần . Khi a = 0 tức là Tđg ta có Utb = 0, bộ băm thường xuyên ngắt mạch, n =0 . Khi a = 1 tức là Tđg = T ta có Utb = U, bộ băm thường xuyên đóng mạch, n = nmax. Trong hệ thống, thời gian đóng mạch Tđg có thể điều chỉnh tuỳ theo ý muốn nhưng Tđg không thể nhỏ hơn một nửa chu kỳ của mạch dao động LC, tức là phải đảm bảo : Ta có sơ đồ biểu diễn điện áp ra trên tải Ud như sau : Tủg Tng T Utb Ud U t 0 Sơ đồ biểu diễn đồ thị điện áp ngõ ra trên tải Ud Xét quá trình dao động của dòng tải : Trong khoảng thời gian 0< T < Tđg khoá S đóng điện. Điện áp ra trên tải Ud = U , dòng điện tải I tăng từ giá trị nhỏ nhất Imin đến giá trị lớn nhất Imax. Biểu thức I được xác định bằng cách giải phương trình của mạch điện khi S đóng: Biểu thức tổng quát của dòng điện sẽ là : Tại thời điểm t =0 thì : Thay giá trị K1 vào ta được : Khi t = Tđg ta có trị số lớn nhất của dòng điện : Ta nhận thấy trong gia đoạn S đóng thì dòng tải tăng từ trị số nhỏ Imin đến Imax theo quy luật của hàm số mũ. Lý luận tương tự, xét trong khoảng thời gian Tđg < t < T, S ngắt điện, điện áp ra trên tải Ud = 0 thì dòng điện trên tải giảm theo hàm mũ và kh t = T thì đạt giá trị Imin . Trong đó : Tư = L/R . Khi S đóng liên tục thì: i = I = Imax = Imin = ( U - E )/R Nếu Tđg của khoá S giảm nhỏ đến giá trị tới hạ Tđggh thì Imin = 0. Lúc này hệ thống sẽ làm việc ở biên giới chuyển từ chế độ liên tục sang chế độ dòng điện gián đoạn. Imax Imax Imax Imin Imin Imin I t 0 U Ud t 0 T dg Tng T IS t 0 ID0 t 0 Ta có đồ thị điện áp, dòng điện ở chế độ liên tục và gián đoạn của bộ băm như sau : Đồ thị biểu diễn điện áp và dòng điện ngõ ra ở chế độ liên tục và gián đoạn của bộ măm nối tiếp. 1 .2 Cách điều chỉnh tốc độ : Iư Lư D0 Eư + ã - ã U ã ã ã ẹ Khi điện áp nguồn một chiều U không đổi, tốc độ của động cơ sẽ thay đổi nhờ sự thay đổi tỷ số thời gian đóng ngắt khoá S. Ta có sơ đồ nguyên lý hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng bộ băm nối tiếp như sau : Sơ đồ mạch động lực hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng bộ băm nối tiếp . Trong chế độ dòng điện liên tục vì Tx = T nên ta có Utb = aU với 0 Ê a Ê 1. Đối với tải là động cơ điện một chiều có dòng trung bình của phần ứng là I, sức điện động E thì ta có : E = Utb – IRử với : Theo công thức trên họ các đặc tính tốc đọ hay đặc tính cơ điện của động cơ ở chế độ dòng điện liên tục là một họ các đường thẳng song songg ứng với các trị số khác nhau của a. Trong chế độ dòng điện gián đoạn, ta cần giữ cho giá trị Tđg hay a cố định thì đường biên liên tục là một nửa đường elip vẽ bằng các nét đứt. Dòng trung bình liên tục Itblt có trị số lnhơ nhất là Itblt = 0 ứng với n = 0 ( Khi a =0 ) và n = nmax ( Khi a = 1 ). a1 M, I n MC amin = 0 amax = 1 a2 a3 n1 n2 n3 nmax Họ đặc tính cơ điện của hệ thống băm nối tiếp động cơ điện một chiều . Như vậy, trong hệ thống băm nối tiếp sẽ đảm bảo cho máy điện làm việc ở trạng thái động cơ. Khi S mở thì Ud = U và khi S đóng thì Ud = 0. Vây điện áp và dòng điện trung bình qua động cơ luôn luôn dương. Hệ thống này sẽ làm việc ở góc phần tư thứ nhất của mặt phẳng toạ độU, I U I Đồ thị biểu diễn phạm vi điều chỉnh của hệ thống sử dụng bộ băm nối tiếp x2. Bộ băm song song : 2. 1 Nguyên lý hoạt động: Sơ đồ nguyên lý của bộ băm song song được biểu diễn như sau : U E Ud Id IT - ã ã + ã ã D L R ư T ã Sơ đồ nguyên lý của bộ băm song song. L : là điện cảm của phần ứng động cơ kết hợp với điện cảm bổ sung để giữ cho dòng Id = const. Xét trong khoảng thời gian 0 <t < aT thì tiristor T mở, diode D được phân cực ngược nên bị khoá để tránh llàm ngắn mạch nguồn U . Lúc này : Ie = 0, Ud = 0, IT = Id. Trong khoảng thời gian aT < t < T thì khoá D mở. Lúc này: Ie = Id , Ud = U, IT = 0. Giá trị trung bình của điện áp một chiều : Giá trị trung bình của dòng điện trả về nguồn : Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua tiristor : Phương trình mạch tải khi máy điện ở trạng thái hãm tái sinh : Ta có dạng sóng của điện áp ngõ ra Ud và của dòng Ie, IT như sau : U aT T Ud t 0 Ie t 0 IT t 0 Id Sơ đồ biểu diễn dạng sóng của điện áp ngõ ra, dòng Ie và IT. 2. 2 Cách điều chỉnh tốc độ : - ã ã + ã ã D Lư U ã ẹ Mạch động lực của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều sử dụng bộ băm song song. Khi tải là một máy điện một chiều, bộ băm song song sẽ cho phép thực hiện hãm tái sinh. Trong chế độ hãm, máy điện sẽ làm việc như là một máy phát điện, trả năng lượng về nguồn đã từng nuôi nó khi nó làm việc ở trạng thái động cơ điện. Từ biểu thức Ie ta nhận thấy rằng có thể khóng chế dòng điện hãm tái sinh bằng cách tác động vào tỷ số chu kỳ a. Từ phương trình mạch tải khi máy điện ử trạng thái hãm tái sinh để có thể tiến hành hãm tái sinh cho máy điện, năng lượng trở về nguồn thì Id >0 do đó sức điện động E >Ud . Như vậy, khi S mở thì Ud = 0 và khi S ngắt thì Ud = U dòng điện hướng về chiều âm mặc dù Ud dương. Do đó phạm vi điều chỉnh sẽ được biểu diễn như sau : U I Đồ thị biểu diễn phạm vi điều chỉnh của hệ thống sử dụng băm song song. x 3. bộ băm xung áp loại B : 3.1 Nguyên lý hoạt động : L1 ã ã ã ã ã ã ã R E S1 S2 id ud C ã ã Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp loại này như sau: D2 US D1 Giải thích: + S1, S2 là loại điều khiển hoàn toàn ( Transistor công suất) + Tải của bộ băm xung áp là động cơ kích từ nối tiếp có thể thay thế bằng R-L-E; trong đó E là sức phản điện động của động cơ. + D1là Diod hoàn năng lượng ;D2 là diod có tác dụng trả năng lượng tái sinh cho nguồn. Để chiều dòng điện tải như hình vẽ ta cho S1 hoạt động như một khoá đóng cắt ;còn S2 không làm việc .Khi S1 mở dòng điện từ nguồn chảy qua S1 qua tải và trở về âm nguồn .Khi S1 khoá dòng tải được khép mạch qua điod D1 đảm bảo dòng tải là liên tục ngay cả khi S1 khoá . Để đảo chiều dòng điện phần ứng động cơ (dòng id) ta cho S2 và D2 vào vận hành còn S1 ngắt. Khi đó ,do quán tính động cơ vẫn quay theo chiều cũ mặc dù bị ngắt ra khỏi nguồn đ E > 0. Lúc này mạch tải chỉ có nguồn duy nhất E khép mạch qua S2 đ xuất hiện dòng điện chạy ngược lại chiều ban đầu .Công suất điện từ của động cơ là:Pđt= Id.E > 0. Công suất lúc này được tích luỹ trong cuộn cảm L. Khi S2 ngắt, trên điện cảm L sinh ra sức điện động tự cảm (DUL) cùng chiều với E.Tổng hai sức điện động này lớn hơn điện áp nguồn US làm D2 dẫn ngược dòng về nguồn và trả lại phần năng lượng đã tích luỹ trong cuộn cảm L. Để đảm bảo S2 dẫn dòng điện ngược ngay khi dòng thuận qua D1 tắt ta phát xung vào mở S2 đồng thời với việc phát xung khoá S1. Sau đây là biểu đồ dạng sóng mô tả hoạt động của sơ đồ: iđk1 iđk2 ud id US iD1 iD2 iS Ud Id Biểu đồ dạng sóng dòng, áp US1 Từ biểu đồ dạng sóng ta có nhận xét : + Dòng qua phần ứng động cơ là liên tục nếu ta đảm bảo S2 dẫn trước hoặc sau khi dòng qua D1 tắt. + Dòng điện qua phần ứng động cơ có phần âm nên giá trị trung bình của nó có thể nhỏ bất kỳ ,thậm chí bằng 0 hoặc âm .Điều này có thể điều khiển được bằng cách thay đổi thời gian dẫn của S1 và S2. Nhận xét: Ưu điểm của sơ đồ này là: + Dòng qua tải luôn là liên tục,do đó tạo điều kiện tốt cho động cơ hoạt động êm. + Có thể thực hiện được quá trình tái sinh năng lượng. 3.2 Các biểu thức có liên quan: Vì tải là động cơ điện một chiều nên ta có thể thay thế bằng tải R-L-E, trong đó: E: Sức phản điện động của động cơ R: Điện trở dây quấn của động cơ L: Điện cảm dây quấn của động cơ Xác định Imax và Imin : Khi H đóng mạch (tương đương với việc mở S1) ta có : ; với Sử dụng phương pháp biến đổi Laplace ta được: Khi mới bắt đầu cho bộ biến đổi làm việc thì Id=0. Nhưng sau một vàI chu kỳ, dòng Id sẽ biến động và xác lập giữa hai giá trị Imax và Imin ( Do D1 & D2 dẫn khi S1 khoá). Do đó Id(0)=Imin . Thay vào phương trình trên ta được: Tra bảng gốc ảnh ta tìm được: Khi mạch hở ( tương đương với việc khoá S1 mở S2). Ta có phương trình trong giai đoạn D1 dẫn : (Vì tần số đóng cắt cao nên coi như E không đổi trong suốt quá trình hoạt động của bộ băm xung ) Tương tự như vậy ta tìm được nghiệm Vận dụng các sơ kiện : t=eT ị Id=Imax t=T ị Imin=Id Trong đó: Xác định điện áp trung bình trên tải : Từ biểu đồ dạng sóng của điện áp đặt trên tải, ta có: Giá trị trung bình của dòng tải : Từ phương trình của mạch tải ta có: Độ nhấp nhô của dòng điện tải : Ta có: (Khi lấy giá trị xấp xỉ như trên ta coi R=0) Từ biểu thức vừa tính được ta thấy rằng :Khi T=const thì độ nhấp nhô DId là hàm của tỷ số chu kỳ e .Từ đó ta có ; Cho Do đó DIdmax= Vậy muốn cho dòng điện tải ít nhấp nhô,cần tăng tần số băm f hoặc tăng điện cảm L(bằng cách nối thêm 1 điện cảm nối tiếp với phần ứng động cơ). Giá trị trung bình dòng qua van: Ta có : Giá trị trung bình qua diod : Nhận xét: Qua các phương pháp đã nêu trên ta chọn phương pháp điều khiển dùng băm xung áp loại B vì nó có những ưu điểm sau: + Dòng qua tải luôn là liên tục,do đó tạo điều kiện tốt cho động cơ hoạt động êm. + Có thể thực hiện được quá trình tái sinh năng lượng. Mặt khác sơ đồ sử dụng Transistor vì nó có những ưu điểm sau: + Có thể sử dụng với tần số đóng cắt cao. + Điều khiển được hoàn toàn, không cần thêm các mạch phụ trợ cho việc khoá cưỡng bức như ở thyristor. + Thích hợp với công suất nhỏ... Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là mạch điều khiển phức tạp hơn. Trong quá trình quay theo một chiều xác định nào đó 1 van luôn ở trạng thái dẫn bão hoà ị Gây ra tổn hao dẫn lớn . Sơ đồ mạch lực khi dùng Transistor như sau: Chương IV: Thiết kế mạch lực x1 Chọn van mạch lực : Chọn động cơ: Uđm=48V;Iđm = 60A; Rw= 0,2W; Lw= 0,1mH; h=83%. Với tần số làm việc thông thường là f=400Hz ị T=2.5 ms. Từ các thông số trên ta tính được: Ewđm= Udm- Rw.Iđm=48 - 0,2 ´ 60 = 36V. Việc chọn van bán dẫn mạch lực được chọn theo các thông số cơ bản của van. Hai thông số cơ bản để chọn van là: + Giá trị dòng trung bình lớn nhất của van (Itb max); đây là giá trị dòng lớn nhất mà van có thể chịu được ứng với chế độ làm mát tốt nhất cho van (chế độ lý tưởng). Trong thực tế, không đạt được điều kiện làm mát lý tưởng nên việc sử dụng van không được quá giá trị này. + Giá trị biên độ điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên van (Ungược max ); nếu vượt quá giá trị này thì van bị chọc thủng. Như đã đề cập ở phần trước, ta dùng các van bán dẫn là các tranzito công suất; tức là các van điều kiển hoàn toàn. Xuất phát từ đặc điểm công nghệ, ta chọn điều kiện làm mát là làm mát cưỡng bức bằng quạt gió, với các cơ cấu: Van + cánh tản nhiệt chuẩn + tốc độ gió (12 m/s). Vì vậy: Itb van thực= (0,4 á 0,5) Itb van max. Chọn tranzito công suất (T1 á T4). Từ biểu thức dòng trung bình qua van xác định ở trên, ta có: Itb Van = IT = e.Id ị Itb van max thực = Id max = ị Từ biểu đồ dạng sóng điện áp đặt trên van, ta thấy điện áp ngược lớn nhất đặt lên van là US; tức là : Ung van max = US = 48V. Từ kết quả hai thông số tính toán được ở trên ta chọn loại transistor công suất loại ESM 3004 có các thông số sau: Mã hiệu UCE ,V UCE0 , V UCE..sat,V IC, A b IB, A toff, ms ton, ms ts, ms Pm, W ESM 3005 600 500 1.5 120 12 10 1 1,5 3,5 400 Chọn các đi-ot (D1 á D4). Biểu thức dòng trung bình qua các đi-ốt là: ID = Id.(1-e) ị ID max thực = Id max = 60A. Cũng từ đồ thị dạng sóng của diode ta thấy rằng điện áp ngược lớn nhất đặt lên các diode là: 48V. Vậy ta chọn loại BYT60 do hãng Thomson chế tạo có các thông số: Mã hiệu Itb , A Umax , V BYT 60 60 200 á 1000 x2.Thiết kế mạch trợ giúp : Thực tế là tổn hao chuyển mạch của tranzitor công suất lớn hơn rất nhiều so với trường hợp nó làm việc với tải xác định. Mặt khác, so với tiristor khả năng chịu quá tải của tranzitor kém hơn. Trong trường hợp cụ thể là tranzitor phải làm việc như một khoá điện tử đóng cắt mạch điện với tần số đóng cắt lớn, thì tổn thất năng lượng khi chuyển trạng thái là đáng kể, vì năng lượng tổn thất tỉ lệ với tần số hoạt động của Tranzitor. Vì vậy, để giảm nhỏ tổn thất khi chuyển mạch và tránh cho tranzitor làm việc quá nặng nề thì người ta sử dụng thêm các mạch ”trợ giúp”. Các phần tử chủ yếu của mạch trợ giúp là L2 và C2 . Chức năng của L2 là hạn chế sự tăng của ic trong quá trình tranzitor đóng mạch, còn tụ điện C2 có tác dụng làm chậm sự tăng của VCC trong quá trình tranzitor cắt mạch. Sơ đồ mạch trợ giúp như sau: R1 1k D1 DIODE D2 DIODE R2 1k L2 1uH Q1 NPN C2 1uF Tải cảm Mạch trợ giúp đóng: Cảm kháng L2 làm chậm quá trình tăng của ic từ 0đIc xác định. Điện trở R1 dùng để hạn chế dòng điện do hiện tượng tự cảm xuất hiện trên L khi transistor khóa. Diot D1 chỉ cho phép dòng do hiện tượng tự cảm đi qua. Mạch trợ giúp khoá: Tụ điện C2 có tác dụng làm chậm sự tăng của vce từ 0đ+E trong quá trình transistor cắt mạch. Điện trở R2 là điện trở phóng điện của tụ C khi transistor dẫn. Diod D2 là diod nạp của tụ C khi transistor khoá. Khi biểu diễn mạch lực trên sơ đồ nguyên lý ta không đưa thêm các mạch trợ giúp vào nhằm đơn giản hoá mạch nhưng thực tế mỗi tranzitor sử dụng đều thiết kế mạch trợ giúp đi kèm. Chương V: Thiết kế mạch điều khiển x1. Các khối cơ bản của mạch điều khiển 1.1. Mạch tạo dao động: +12V 1 Gnd 2 Trg 3 Out 4 Rst 5 Ctl 6 Thr 7 Dis 8 Vcc 555 + CT .067uF + C1 .01uF RA 52k RB 0.4k R1 2k Bộ tạo dao động Timer555 Để tạo được xung vuông với tần sỗ 400Hz ta sử dụng vi mạch tạo dao động Timer555 với các thông số cho như trên:Vra(3) = 0.1 V đến 11.5 V, Ira(3)max = 0.2A Vcc R1 R2 C 6,2 Sơ đồ thay thế của vi mạch như sau: :Trạng thái (mức logic) là đầu ra đảo của FF S-R trong vi mạch Nguyên lý hoạt động: Khi =1 thì Transistor dẫn bão hoà ,tụ dẫn điện qua Transistor nên điện áp trên tụ Uc giảm Khi tụ Uc giảm tới Uc= thì =0. Ur = “1” Ur t1 t2 T t t Biểu đồ dạng sóng của Timer555 ở chế độ đa hài phiếm định Khi Uc tăng tới Uc= thì =1 Transistor lại dẫn bão hoà. U r = “0” Khoảng thời gian t1 phụ thuộc vào tnạp,với tnạp=(RA+RB)C Khoảng thời gian t2 phụ thuộc vào tphóng ,với tphóng=RBC Qua tính toán ta được t1=(RA+RB)Cln2 t2= RBCln2 Chọn C=0,067mF;RB=0,4kW ịRA=52kW;ta sẽ được tần số dao động của Timer là f=400Hz 1.2. Mạch tạo xung răng cưa: Bộ tạo xung răng cưa ZY6 +V 15V PNP 1k R 1k C2 0.8uF Q1 MSD601-ST1 Ta sử dụng mạch như sau: T1 T2 Với các thông số được chọn như sau: Transistor: T2 Chọn loại NPN:MSD601_ST1 Vceo = 40V,IC = 100mA T1 Chọn loại PNP :2SA1126 : Vceo =600V, IC = 100 mA, b =100 Diod Zener DZ: Chọn loại ZY6; Zener Silic ; Uz=6V;P=1W Trong sơ đồ này thì T1 ,Dz R tạo ra nguồn dòng và nguồn dòng này được nạp cho tụ C I= = 6 (mA) Trong đó: Uz:Điện áp ổn định của Diod Zener Dz. b:Hệ số khuyếch đại của Transistor T1. Nguyên lý hoạt động: -Khi T2 bị khoá (Không có điện áp đặt vào cực gốc):Tụ C được nạp điện Uc= điện áp đồng bộ răng cưa tuyến tính với thời gian ,ta có UCmax = 14 V (vì tnạp = RB .C. ln2 = 1.8.10-5 s) -Khi T2 thông (Có điện áp đặt vào cực gốc):Lúc này tụ C phóng điện qua T2 nên Uc nhanh chóng giảm về 0 (Coi R@0) 1.3. Khâu so sánh : Ta sử dụng vi mạch LMC6762A/NS với sơ đồ như sau: +V -10V +V 10V Rvar +V -15V +V 15V LMC6762A/NS Urc Ura Mạch so sánh là mạch báo hiệu sự bằng nhau giữa điện áp cần so sánh Uv và điện áp chuẩn Uref Đầu ra của mạch so sánh là mức logic cao hoặc thấp (điện áp ra dạng xung vuông có độ lớn phụ thuộc vào điện áp bão hoà của vi mạch so sánh và có độ rỗng xung phụ thuộc vào điện áp chuẩn), Nguyên lý hoạt động: -Kh.i Uv>Uref thì Ur=-Ubh-Vcc -Khi Uv<Uref thì Ur=+Ubh+Vcc 1.4. Mạch phản hồi dương dòng điện và phản hồi âm tốc độ : -Để phản hồi dương dòng điện: Ta dùng Sensor dòng S1 để nhận biết dòng điện phần ứng của động cơ ,sau đó cho qua bộ khuyếch đại với hệ số K .Mạch sẽ phản hồi dương dòng điện về bộ điều chỉnh dòng điện R(I). - Để phản hồi âm tốc độ: Ta sử dụng máy phát tốc nối cùng trục với trục động cơ ,điện áp đầu ra của máy phát tốc tỷ lệ với tốc độ theo biểu thức sau:U=Ăw và được phản hồi trở lại vào bộ điều chỉnh tốc độ. + Khi dùng mạch phản hồi âm tốc độ để giảm sai số tốc độ ,tức là làm tăng độ cứng của đặc tính cơ như vậy sẽ làm tăng giá trị của dòng điện ngắn mạch và momen ngắn mạch , gây nguy hiểm cho động cơ khi bị quá tải và gây hỏng hóc cho các bộ phận truyển lực . + Để giải quyết mâu thuẫn giữa yêu cầu về ổn định tốc độ và yêu cầu về hạn chế dòng điện người ta thường dùng phương pháp phân vùng tác dụng .Trong vùng biến thiên cho phép của mômen và dòng điện phần ứng đặc tính cơ cần có độ cứng thích hợp để đảm bảo sai số là nhỏ. + Khi dòng điện và momen quá phạm vi cho phép này thì ta phải giảm mạnh độ cứng cơ của đặc tính cơ để hạn chế dòng điện . + Mặt khác ,trong quá trình khởi động ,hãm ,điều chỉnh tốc độ động cơ thường có yêu cầu giữ cho gia tốc không đổi để đạt được tối ưu về thời gian quá độ cần có đoạn đặc tính cơ có độ cứng bằng không. + Như vậy các mạch vòng điều chỉnh được nối theo cấp độc lập với nhau ,việc phân vùng tác dụng giữa ổn định tốc độ và hạn chế dòng điện . + Điện áp đầu ra của bộ R(w) là điện áp đặt dòng điện phần ứng Ui đặt . + Bộ điều chỉnh dòng R(I) có nhiệm vụ duy trì dòng phần ứng luôn bằng giá trị Ui đặt.Bộ R(w) : UđI = (V) Trong đó : UđI là điện áp đặt vào bộ phản hồi dòng điện. T = R1. C là hằng số thời gian tích phân K = R2 / R1 hệ số khuyếch đại e = Uđ - Uph là độ sai lệch điện áp Khi Uđ = Uph đ e = 0 đ UđI = hằng số đ tốc độ của đông cơ ổn định. Uđ > Uph đ e >0 đ UđI tăng đ tốc độ động cơ tăng tới khi e = 0. Uđ< Uph đ e <0 đUđI giảm Khâu phản hồi I: Đặc tính điều chỉnh của bộ điều chỉnh tốc độ và đặc tính cơ * Nguyên tắc hoạt động của các vòng phản hồi : Khi bắt đầu quá trình thay đổi tốc độ, giả sử xét khi khởi động động cơ. Do có sự thay đổi đột ngột Uđ trong khi Uph tốc độ chưa thay đổi kịp nên sai lệch đầu vào dw = Uđ - Uph có giá trị lớn . Điểm làm việc của R(w) sẽ rất sâu trong vùng bão hoà của đặc tính điều chỉnh, tín hiệu ra của R(w) sẽ là UđI = UđI max = const, mạch vòng tốc độ bị “ngắt” ra khỏi sơ đồ. Do hoạt động của mạch vòng dòng điện mà dòng điện mà dòng điện phần ứng được duy trì ở giá trị I = Iđmax tương ứng tín hiệu vào của mạch vòng là Uđi max, điểm bắt đầu khởi động là điểm A. Tốc độ động cơ tăng dần lên nhưng dòng điện phần ứng vẫn được duy trì ở giá trị I = Iđmax chừng nào bộ điều chỉnh tốc độ R(w) chưa ra khỏi vùng bão hoà .Đoạn dặc tính cơ khởi động là đoạn AB có độ cứng bằng không và dòng điện không đổi. Tải điểm B tốc độ w = wB sao cho dw = dwB , điểm làm việc của R(w) bắt đầu ra khỏi vùng bão hoà và lọt vào vùng tuyến tính của đặc tính, mạch vòng tôc độ bát đầu phát huy tác dụng điều chỉnhcùng với mạch vòng dòng điện tạo đoạn đặc tính BC có độ cứng thoả mãn đạt độ chính xác cao. Các quá trình điều chỉnh tốc độ và khi quá tải lớn cũng xảy ra tương tự trên. 1.5 Biến trở Rđ : Dùng để tạo điện áp đặt Uđ Theo yêu cầu D = 25 : 1 ; đặt tốc độ lớn nhất khi Uđ = 15 V,chọn biến trở 10 kW. Khi tốc độ nhỏ nhất Uđ = 15/25 = 0,6 V, vị trí biến trở Rđ= 10.0,6/15 = 0,4 kW ta chốt lại ở đó . Còn biến trở Rph ta dùng để điều chỉnh soa cho Uph phù hợp với Uđ. 1.6. Một số mạch phụ trợ khác: a.Mạch cách ly: Sơ đồ nguyên lý: Mạch cách ly được dùng ở đây là một phần tử ghép quang mắc nối tiếp với mạch khuếch đại dùng transistor mắc kiểu Darlington. Phần tử ghép quang là thiết bị gồm hai mạch: Mạch sơ cấp dùng đèn LED (diod quang) là phần tử phát tia sáng. Mạch thứ cấp là photo-transistor dùng để nhận biết tia sáng. Mạch sơ cấp và thứ cấp cách ly hoàn toàn, điện trở cách điện khoảng 1011W. Tỷ số gọi là tỷ số truyền dòng (CRT). Khi Un=+15V thì diod quang phát sáng do vậy photo transistor sẽ dẫn dòng IC. Dòng IC được dùng để điều khiển mở transistor mắc kiểu Darlington có hệ số khuếch đại lớn, dòng Idk đã được khuếch đại sẽ là tín hiệu điều khiển để mở van công suất. Các điện trở R3, R4, R5, R6 đưa vào có tác dụng tạo ra một sụt áp điều khiển mở các transistor lúc dòng ra đủ lớn và chuyển từ mở sang khoá nhanh hơn. Chọn thông số cho mạch: Phần tử ghép quang được chọn ở đây là 4N32 có thông số như sau: IFm=10mA Ungmax=6V UDth=1,25V CRT=500% VCEO=30V UCEsat=0,75V Do Un là tín hiệu ra của mạch so sánh nên Un=±15V vậy áp ngược đặt nên diod là 15V sẽ lớn hơn áp ngược của diod quang do vậy cần phải lắp thêm một diod D bên ngoài để bảo vệ, ở đây chọn diod BA220 có áp thuận đạt 0,75V. Giá trị điện trở R tối thiểu: Ta có thể chọn R=2kW, Với tỷ số truyền dòng là 500% do vậy IC= 50mA, dòng này sẽ là quá nhỏ nếu ta dùng để diều khiển transistor công suất ESM 3005 đã chọn ở phần thiết kế bộ băm(dòng điều khiển IB của nó là 5A). Tuy nhiên điều này được khắc phục bằng cách dùng mạch khuếch đại công suất. Transistor được chọn dùng để khuếch dòng là 2N3903 có hệ số khuếch đại b=120. Vậy trị số dòng điều khiển sẽ là: Idk=IC. b=50.10-3.120= 6 A Giá trị điện trở R1: Transistor 2N3903 có UCEsat=0,75V do vậy: b. Vi mạch NAND: Sử dụng vi mạch 4011 họ CMOS. Đây là mạch Và đảo ,đầu ra của mạch có mức logic cao nếu mọi đầu vào của mạch đều có mức logic thấp. Để bảo vệ vi mạch khi có điện áp âm, ta phải khử điện áp âm bằng diode. Ta chọn zenner 15V để đảm bảo điện áp cho mạch điều khiển. c.mạch lặp : Sử dụng khuyếch thuật toán không đảo TL084 với sơ đồ như sau: Mạch lặp Có chức năng giảm IB vào Transistor nhằm bảo vệ Transistor của mạch tạo xung răng cưa x2. Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển - Ban đầu khi mở máy ,người vận hành đặt tốc độ cho động cơ là Uwđ,sau đó ấn nút mở máy T, đóng vào làm cho điện ápđiều khiển Uđk được đưa từ bộ so sánh ra là ±15V .Lúc đó khi U=15V thì T1 thông ,T2 khoá và khi U=-15V thì T1 khoá T2 thông , T1 thông nên động cơ được đặt điện áp và quay - Khi muốn điều chỉnh tốc độ động cơ ,người vận hành thay đổi lại Uwđ bằng cách điều chỉnh lại giá trị của Uđk tức là làm thay đổi nên U= thay đổi theo, điều chỉnh e trơn được thì ta sẽ có một dải tốc độ trơn . x3 Tính toán bảo vệ Bảo vệ hệ thống mạch lực: Để bảo vệ các thiết bị khỏi hiện tượng ngắn mạch và quá tải về dòng điện ta dùng cầu chì hoặc aptomat, ngoài ra ở đầu vào điện áp nguồn ta dùng một cầu dao để đóng cắt mạch khi có sự cố xảy ra. Chọn cầu chì bảo vệ hệ thống mạch lực nhận điện từ lưới nên ta phải mắc cầu chì vào đường dây cung cấp, cụ thể là ta mắc vào phía sơ cấp máy biến áp. Các thông số đặc trưng cho cầu chì là dòng điện định mức và điện áp định mức. ỉChọn cầu chì: Như phân tích ở trên ta đã có: Dòng điện chạy vào động cơ Iđm = 60A Điện áp đặt lên động cơ U = 48V Dòng bảo vệ của cầu chì được chọn theo Ibv =1,3Ilv. Do vậy ta chọn được hai cầu chì bảo vệ có các thông số sau: Dòng tác động Itđ =1,5.60 = 90A Điện áp định mức Uđmcc =48V Do đó ta đặt ở đầu vào mạch lực cầu chì loại điện áp thấp kiểu ống PP-2 do Liên Xô chế tạo :Iđm = 100A, Iđm dâychảy = 100A. ỉBảo vệ van: * Bảo vệ quá dòng: Khi van bán dẫn làm việc có dòng điện chạy qua van gây nên sụt áp trên van, do có tổn hao DP = DU.Ilv, tổn hao này gây ra nhiệt làm đốt nóng van, mặt khác các van bán dẫn chỉ chịu được một nhiệt độ tối đa cho phép To nào đó. Do đó chúng phải được đảm bảo làm việc an toàn: Tuy nhiên,đối với các van bán dẫn ta sử dụng, ta thấy: Van ở mạch lực: DP = DU.Ilv=1,5.60=90W tổn hao là khá lớn do đó như ở phần trên ta có phần mạch trợ giúp và quạt gió * Bảo vệ quá áp: Trong qúa trình làm việc,do các nguyên nhân mà điện áp đặt lên van tăng vọt, vượt qua giá trị điện áp đỉnh mà nó chịu được do đó sẽ gây nên hư hỏng. Các nguyên nhân gây qua áp thường là: Từ nguồn cung cấp: do đổi chiều các công tắc tơ, do sét hay do dao động của nguồn. Từ bộ biến đổi do sự chuyển mạch của các thiết bị khác ở chế độ quá độ hay do điện áp hồ quang của cầu chì khi nó tác động bởi có sự cố. Để bảo vệ các van, chống lại sự quá độ của điện áp nói trên, ta thường dùng mạch RC mắc song song với van cần bảo vệ đóng vai trò hạn chế đỉnh của điện áp cảm ứng trong qúa trình dẫn ngược của van. * Bảo vệ quá tải động cơ: do khi bị kẹt trục dộng cơ, hay động cơ làm việc quá tải ta dùng role nhiệt để bảo vệ động cơ. Chọn loại rơle có IđmRL = 1,2 - 1,4Iđm. Để tiện lợi cho việc bảo vệ quá áp ta đặt một áp tô mát ở đầu vào mạch lực. Còn ở mỗi Transistor được bảo vệ bởi cầu chì như đã chọn ở trên x7 thiết kế nguồn cung cấp cho IC Cấu tạo TL497 Sơ đồ thực tế là một băm xung được thực hiện bằng mọt Transistor nhờ xung được băm mà điện áp 1 chiều có thể đưa qua được biến áp do khi băm xung thì có sự biến thiên điện áp gây nên biến thiên từ thông bên trong máy biến áp > Qua máy biến áp do ta chỉnh định số vòng dây ở cuộn sơ cấp và thứ cấp mà ta có được cấp diện áp cần thiết để làm nguồn nuôi cho các khâu trong sơ đồ mạch đièu khiển . Chủ yếu là 5 V và 15 V. Điện áp ra thực tế cũng là dạng xung do đó ta có hệ thống chỉnh lưu để được điện áp 1 chiều phục vụ cho việc điều khiển. Để thực hiện được mạch băm xung ta cần có mạch điều khiển kích xung cho transistor thực hiện được điều này ta sdsử dụng IC Tl497 được ghép nối như trên hình vẽ hoạt động của IC này cho xung kích mở Transistor thông qua các chân 14, 13, 10 với tần số xung cố định theo các thông số của mạch . Đồng thời tín hiệu phản hồi lấy từ tảI về là yếu tố điều khiển độ rộng sườn dương của xung kích mở . Sao cho cân bằng với điện áp đầu ra (BA) theo chỉnh định BA có thể cho ra nhiều cấp điện áp tuỳ thuộc vào số cuộn dây và vòng dây bố trí trong MBA _D1 làm nhiệm vụ hoàn năng lượng, lưu dòng khi T ngắt ( Do MBA có cuộn cảm nên khi ngắt mạch thì vẫn còn từ dư nên vẫn con dòng điện dư trong cuộn đây biến áp) Sơ đồ nguồn cung cấp: Kết Luận Qua nhiều tuần làm việc ,tới nay em đã hoàn thành đồ án môn học Điện Tử Công Suất của mình. Với nhiệm vụ thiết kế điều chỉnh động cơ điện một chiều dùng băm xung một chiều . Trong quá trình làm việc, giúp em nắm vững hơn lý thuyết đã dược học và có thêm nhiều sự hiểu biết về thực tế. Tuy nhiên, do nội dung công việc hoàn toàn mới mẻ và tầm hiểu biết còn hạn chế nên đồ án môn học không tránh khỏi thiếu sót. Em mong các thầy cô chỉ bảo giúp đỡ để em hoàn thành tốt hơn nhiệm vụ của mình. Em xin trân thành cảm ơn! Tài liệu tham khảo 1.Gt : Điện tử công suất (TL1) tg: Nguyễn Bính. 2.Bài tập Điện Tử Công Suất (TL2) Tg :Phạm Quốc Hải 3. Gt Kỹ Thuật Mạch Điện Tử.(TL3) Tg : Phạm Minh Hà. 4.Gt:Vi Mạch Và Mạch Tạo Sóng . Tống Văn On chủ biên (TL4) 5.Gt:Bộ khuyếc đại xử lý và IC tuyến tính.(TL5) tg : WILLIAM D.STANLEY. 6.Gt Truyền động điện tg:Bùi Quốc Khánh