Thiết kế bộ biến đổi điện tử công suất ứng dụng cho truyền động di chuyển của xe vận chuyển tự hành

chiều cấp cho hệ thống bằng nguồn điện ắc quy có điện áp từ 24 ¸ 72V. Rf1, Rf2 - Các cấp điện trở khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ xe. FĐT – Phanh hãm điện từ. K, K1, K2, K3, K4, - Các công tăc tơ khống chế động cơ. UN = 72v K K1 K1 K2 K2 FĐT K4 K3 CK§1 CK§2 Động cơ nâng Đc xe M1 M2 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điện khống chế hệ truyền động di chuyển xe nâng điều khiển bằng điện trở 2.1.2. Sơ đồ nguyên lý mạch điện khống chế hệ truyền động di chuyển xe nâng điều khiển bằng điện trở Phương trình đặc tính cơ và đặc tính khởi động động cơ một chiều kích từ nối tiếp qua 2 cấp điện trở phụ: Phương trình đặc tính cơ điện tự nhiên: (2.1) Phương trình đặc tính cơ điện nhân tạo: (2.2) K1 K1 K2 K4 K3 CKĐ2 Đc xe K2 K M2 Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động di chuyển xe nâng điều chỉnh tốc độ bằng điện trở mạch phần ứng I1 I2 IC I A w h g f e d c 0 Hình 2.3. Đặc tính khởi động động cơ một chiều kích từ nối tiếp qua 2 cấp điện trở phụ Từ sơ đồ nguyên lý ta thấy hệ truyền động chạy xe nâng và điều chỉnh tốc độ xe bằng 2 cấp điện trở phụ đấu nối tiếp với mạch phần ứng. Để khởi động xe thực hiện điều khiển đóng lần lượt các tiếp điểm K3, K4 của công tắc tơ. Đồng thời khi điều chỉnh tốc độ cũng thực hiện đóng mở các tiếp điểm này để loại các điện trở hoặc đưa thêm các điện trở vào nối tiếp với phần ứng động cơ nhằm thay đổi tốc độ động cơ chạy xe nâng. Việc đảo chiều động cơ được thực hiện bằng cách đảo cực tính nguồn một chiều thông qua các tiếp điểm của các công tăc tơ K1, K2. Để hãm động cơ chạy xe nâng ở các loại xe này thường dùng phanh hãm điện từ. 2.1.3. Mô hình toán học mô tả động học của hệ truyền động di chuyển xe nâng kiểu cũ 2.1.3.1. Mô tả toán học của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ nối tiếp: UN CKĐ M Hình 2.5. Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp RN Rd RKt Rư LN Ld LKt Lư I MC J w UN Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ nối tiếp Từ sơ đồ thay thế ta đi đến việc thành lập hệ phương trình của động cơ điện một chiều KTNT như sau: Trong đó: UN - Điện áp nguồn. e - Sđđ của động cơ. iư - Dòng phần ứng. Rưå = Rn + Rd + Rkt +Rư là tổng điện trở mạch phần ứng. Lưå = Ln +Ld + Lkt + Lư là điện cảm mạch phần ứng. T = Lå / Rå Hằng số thời gian của mạch. (2.3) 2.1.3.2. Phương trình toán học mô tả bộ điện trở khởi động Rư + RKT khi t > t2 Rư + RKT + (Rf1+ Rf2) khi 0 >t >t1 Rư + RKT + (Rf2) khi t1 >t >t2 Rå = (2.4) Trong đó: Rf1, Rf2 - Là điện trở phụ khởi động; t - là thời gian khởi động ; t1 - Là thời gian khởi động trên cấp điện trở thứ nhất; t2 - Là thời gian khởi động trên 2 cấp điện trở. Vậy từ phương trình toán học mô tả các phần tử trên sơ đồ ta thành lập được hệ phương trình toán học hệ cũ như sau: (2.5) Từ hệ phương trình toán học mô tả hệ truyền động điện di chuyển xe nâng tự hành điều chỉnh bằng điện trở mạch phần ứng ta có thể xây dựng sơ đồ cấu trúc Matlab của hệ: 2 Hình 2.6. Sơ đồ cấu trúc Matlab hệ truyền động di chuyển xe nâng khởi động và điều chỉnh tốc độ bằng điện trở mạch phần ứng 2.1.4. Các đặc tính của hệ thống Sau khi xây dựng sơ đồ cấu trúc Matlab ta tiến hành khai báo các tham số của sơ đồ, các thông số của động cơ và giá trị điện trở của hệ thống đã được khảo sát sau đó tiến hành chạy mô phỏng hệ thống. Ta thu được kết quả như sau: - Đặc tính tốc độ w = f(t) và đặc tính dòng điện I = f(t) ở chế độ khởi động qua 2 cấp điện trở phụ. Đường đặc tính I = f(t) Đường đặc tính w = f(t) Hình. a Hình 2.7. Đường đặc tính tốc độ và dòng điện khi động cơ khởi động qua 2 cấp điện trở phụ - Đường đặc tính tốc độ w = f(t) và dòng điện phần ứng I = f(t) với 1 cấp điện trở điều chỉnh Rf1 khi điều chỉnh tốc độ bằng điện trở. Đường đặc tính w = f(t) Đường đặc tính I = f(t) Hình 2.8. Đường đặc tính tốc độ và dòng điện phần ứng khi động cơ làm việc với cấp điện trở Rf1 trong mach phần ứng Nhận xét: Qua quá trình khảo sát và qua kết quả chạy mô phỏng ta nhận thấy hệ thống truyền động điện chạy xe nâng điện một chiều điều khiển bằng điện trở còn có nhiều nhược điểm. Từ đặc tính tốc độ và đặc tính dòng điện cho ta thấy việc điều chỉnh tốc độ động cơ cho truyền động chạy xe là có cấp gây giật trong quá trình di chuyển. Đồng thời phạm vi điều chỉnh hẹp, đặc tính điều chỉnh mềm. Một vấn đề quan trọng như đã đề cập ở chương đầu là tổn hao năng lượng trên điện trở rất lớn trong khi đó nguồn điện chính cấp cho xe là nguồn được nạp và dự trữ trong ắc quy lại rất có hạn. Vì vậy vấn đề đặt ra ở đây cần có một phương án truyền động phù hợp với loại truyền động xe nâng tự hành chạy bằng điện này mà có thể khắc phục các hạn chế đã phân tích trên. 2.2. Bộ băm xung một chiều Băm xung một chiều (BXMC) là thiết bị dùng để thay đổi điện áp một chiều ra tải từ một nguồn điện áp một chiều cố định. BXMC được ứng dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, tạo nguồn ổn áp dải rộng, vv… 2.2.1. Nguyên lý chung của băm xung một chiều Nguyên lý cơ bản của băm xung một chiều được mô tả trên hình 2.9. Giữa nguồn một chiều E và tải Rt là van Tr làm việc như một khóa điện tử, hoạt động của BXMC là cho van đóng cắt với quy luật: - Trong khoảng thời gian 0 – t0 cho van dẫn (khoá Tr đóng mạch), điện áp Ut sẽ cho giá trị bằng điện áp nguồn Ut = E; - Từ t0 đến T, van Tr không dẫn (mạch hở), tải bị ngắt khỏi nguồn Ut = 0. Như vậy giá trị trung bình của điện áp trên tải sẽ nhận được là: (2.6) Tr E Ut Rt E t0 T t t0 Ut a) b) Hình 2.9. Nguyên lý băm xung một chiều (BXMC) Trong đó: t0 là thời gian van Tr dẫn; γ là độ rộng xung điện áp chính là tham số điều chỉnh; T là chu kỳ đóng cắt của van. Biểu thức (2.6) cho thấy có thể điều chỉnh điện áp ra tải bằng cách thay đổi tham số γ. Việc điều chỉnh điện áp ra bằng cách “băm” điện áp một chiều E thành các “xung” điện áp ở đầu ra nên thiết bị này có tên gọi là “ Băm xung một chiều - BXMC”. Có hai phương pháp chính cho phép thay đổi tham số γ là: - Thay đổi thời gian t0, còn giữ chu kỳ T không đổi, như vậy ta dùng cách thay đổi độ rộng của xung điện áp ra tải trong quá trình điều khiển chỉnh, nên cách này được gọi là phương pháp điều chế độ rộng xung PWM. - Thay đổi chu kỳ T, giữ thời gian t0 không đổi. Cách này ngược lại với phương pháp trên, độ rộng xung điện áp ra tải được giữ nguyên, mà chỉ thay đổi tần số lặp lại của xung này, vì vậy được gọi là phương pháp xung - tần. Phương pháp này không thuận lợi khi phải điều chỉnh điện áp trong một dải rộng, vì tần số biến thiên nhiều sẽ làm thay đổi mạnh giá trị trở kháng khi mạch có chứa các điện cảm hoặc tụ điện nên khó tính toán thiết kế, nhất là các hệ thống điều chỉnh kín vì lúc đó mạch thuộc hệ có tham số biến đổi. Ta thấy rằng khoá điện tử Tr chỉ làm việc đúng như một van bán dẫn, vì vậy băm xung một chiều có nhiều ưu điểm như: Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi là không đáng kể so với các bộ biến đổi liên tục do tổn hao ở van bán dẫn là nhỏ. Độ chính xác cao và ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường vì yếu tố điều chỉnh là thời gian đóng khoá Tr mà không phải giá trị điện trở phần tử điều chỉnh như những bộ điều chỉnh liên tục kinh điển. Kích thước gọn và nhẹ. Tuy nhiên BXMC cũng có những nhược điểm là: Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính điều chỉnh. Tần số đóng cắt lớn sẽ gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh. Các bộ băm xung một chiều được phân thành BXMC không đảo chiều và BXMC có đảo chiều dòng tải. 2.2.2. Bộ băm xung một chiều không đảo chiều 2.2.2.1. Bộ băm xung một chiều nối tiếp a) Đặc điểm Quy luật điều khiển van Tr hoàn toàn giống nguyên lý chung đã xét, tuy nhiên quá trình năng lượng xảy ra như sau: Trong khoảng từ 0 đến t0 khi van dẫn điện, năng lượng của nguồn sẽ được cấp cho phụ tải, nếu coi van là là lý tưởng có: Ut = E; vì dòng điện từ nguồn cấp cho tải Rt phải đi qua điện cảm L, nên điện cảm này sẽ được nạp năng lượng trong giai đoạn van Tr dẫn. Ut L Rt Tr D E it i1 Imax i2 Imin iD iTr t0 T t a) b) Hình 2.10. a) Sơ đồ nguyên lý băm xung một chiều và b) Đồ thị tuyến tính hóa Trong khoảng còn lại, từ t0 đến hết chu kỳ điều khiển, van Tr khóa, điện cảm L phóng năng lượng tích lũy ở giai đoạn trước, dòng điện qua L vẫn theo chiều cũ và chảy qua van đệm D (dòng i2), lúc này Ut = -UD ≈ 0. Tùy theo dạng tải và tham số điều chỉnh mà chế độ dòng điện tải có thể liên tục hay gián đoạn như trong thiết bị chỉnh lưu, nhưng thường mong muốn chế độ dòng điện là liên tục. Vì vậy trong tính toán thiết kế cũng dựa trên việc đảm bảo chế độ làm việc này cho BXMC. Trong chế độ dòng liên tục, tải có thể là RLEt thay cho RL (coi Et = 0) đều vẫn cho quan hệ điện áp ra tải như biểu thức cơ bản (2.6): Dòng trung bình qua tải: b) Tính toán Vì quy luật dòng điện biến thiên dạng hàm số mũ, nên tính toán chính xác các trị số trung bình dòng qua tranzitor và điôt sẽ cho biểu thức phức tạp không tiện sử dụng. Vì vậy thường dùng phương pháp đơn giản hóa bằng cách coi dòng điện biến thiên tuyến tính như hình 2.10b. Lúc đó: và phép tích phân theo i1 hay i2 chính là tính các diện tích hình thang, sẽ được: Như vậy biểu thức tính dòng trung bình qua các van đã đơn giản hẳn đi. Các biểu thức này cho thấy với cùng một dòng tải thì dòng điện qua Tr sẽ lớn nhất khi , ngược lại với thì dòng điện qua điôt D sẽ cực đại; dựa vào đây người ta có thể xác định dòng trung bình lớn nhất chảy qua các van khi làm việc để chọn van. 2.2.2.2. Băm xung một chiều song song Sơ đồ của BXMC loại này trên hình 2.11. Loại băm xung này thường ứng dụng cho công suất không lớn và phải có tụ lọc đầu ra tải. Quy luật điều khiển van Tr theo nguyên tắc chung: Van Tr dẫn trong khoảng (0 ÷ t0) và khóa trong khoảng (t0 ÷ T). Tuy nhiên quá trình năng lượng xảy ra khác đi và như sau: Khi van Tr dẫn, toàn bộ điện áp nguồn đực đặt vào cuộn cảm L và dòng điện từ nguồn (dòng it) chảy qua điện cảm và cuộn cảm được nạp năng lượng. Trong giai đoạn này điốt D khóa và tải bị cắt hẳn khỏi nguồn, do đó năng lượng cấp ra tải là nhờ điện dung C, vì vậy tụ điện C là nhất thiết phải có ở BXMC kiểu song song. C Tr D Rt E L Rng Uv I1 I2 Ut Hình 2.11. Băm xung một chiều song song Khi van Tr bị khóa, năng lượng của cuộn kháng và của nguồn sẽ cấp ra tải (dòng i2). Nhờ nhận thêm năng lượng tích lũy ở giai đoạn trước trong điện cảm nên điện áp trên tải sẽ lớn hơn điện áp nguồn E. Tụ C dùng để tích năng lượng và cấp cho Rt trong giai đoạn van Tr dẫn. Phân tích cho thấy qui luật điện áp trên tải có dạng: Khảo sát cho thấy điện áp ra Ut có thể cao hơn nguồn E nếu như sụt áp trên nội trở của nguồn nhỏ hơn 25% so với điện áp nguồn E. Điện áp tải lớn nhất có thể đạt tới bằng: a. Tham số chọn van Tr. Dòng trung bình qua van: Khi khóa van T chịu điện áp trên tụ C hay điện áp tải, suy ra : UTmax = UCmax = Utmax b. Dòng trung bình qua điện cảm bằng tổng dòng qua tải và qua van Tr: IL = ITr+ID = c. Tham số chọn điôt. Dòng trung bình qua điôt: ID = IL - ITr = - = It Điôt khóa khi van Tr dẫn và chịu điện áp ngược là điện áp trên tụ C và do đó trị số lớn nhất tương ứng: UDngmax = UCmax = Utmax d. Tham số cuộn cảm L có thể tính toán, xuất phát từ các biểu thức sau khi coi rng = 0: - Điện cảm tối thiểu để đảm bảo chế độ dòng điện liên tục: - Điện cảm tính theo độ đập mạch dòng điện qua điện cảm: e. Tụ C tính gần đúng từ biểu thức sau: Giá trị ΔI và ΔUc ta có thể chọn trước hoặc theo yêu cầu cụ thể của bài toán thiết kế, nhưng thông thường lấy dưới 20% giá trị It hoặc Ut. 2.2.2.3. Băm xung một chiều kiểu nối tiếp - song song Bộ biến đổi xung áp loại loại này (hình 2.12) cho phép điều chỉnh, điện áp Ut lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp nguồn E. So với sơ đồ của BXMC kiểu song song ta thấy vị trí của van Tr và cuộn cảm L đã đổi chỗ cho nhau. Hoạt động của mạch này như sau: Trong khoảng (0 ÷ t0), khi van Tr dẫn, điện cảm L được trực tiếp nạp năng lượng từ nguồn E bằng dòng i1 với qui luật tương tự BXMC song song. Giai đoạn này điôt D khóa và tải chỉ nhận năng lượng từ tụ điện C mắc song song tải. Trong giai đoạn còn lại: (t0 ÷ T) van Tr khóa, cắt nguồn E ra khỏi mạch, để duy trì dòng điện theo chiều cũ của mình sức điện động tự cảm của cuộn kháng L sẽ đủ lớn để điốt D dẫn và hình thành dòng điện i2. Năng lượng tích lũy trong điện cảm sẽ được phóng qua tải, tụ điện C cũng được nạp năng lượng trong giai đoạn này. Lưu ý rằng với chiều của dòng điện nạp cho tụ C là i2 thì chiều của điện áp trên tụ điện có dấu ngược lại với hai loại BXMC đã xét, tức là điện áp Ut là âm. Và như vậy BXMC kiểu nối tiếp - song song cho phép tạo điện áp tải âm từ một nguồn dương. C Tr D Rt E L Rng Uv I1 I2 Ut Hình 2.12. Băm xung một chiều nối tiếp – song song Qui luật điện áp ra tải: Đặc điểm của loại này là có thể điều chỉnh điện áp ra tải lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp nguồn E. Các tham số chọn van: a. Van Tr. Dòng trung bình qua Tr: Khi van Tr bị khóa phải chịu được điện áp bằng: UT = E + UC = E + Ut b. Điôt D. Dòng trung bình qua điôt: Và điôt chịu một điện áp ngược lớn nhất lúc van Tr dẫn và bằng: UD = E +UC = E + Ut c. Tham số cuộn cảm L có thể tính toán, xuất phát từ độ đập mạch dòng điện qua điện cảm: Dòng trung bình qua điện cảm bằng tổng dòng qua tải và qua van Tr: e. Tụ C tính gần đúng từ biểu thức sau: 2.2.3. Bộ băm xung điện áp một chiều có đảo chiều Ta sử dụng van bán dẫn IGBT. Các van bán dẫn IGBT làm nhiệm vụ khoá không tiếp điểm, các điôt dùng để trả năng lượng phản kháng về nguồn và thực hiện quá trình hãm tái sinh. Bộ băm xung áp một chiều dùng van điều khiển hoàn toàn IGBT (hình 2.13) có khả năng thực hiện điều chỉnh điện áp và đảo chiều dòng điện phụ tải. Trong các hệ truyền động tự động thường có yêu cầu đảo chiều dòng điện phụ tải. Trong các hệ truyền động tự động thường có yêu cầu đảo chiều động cơ, do đó bộ biến đổi xung áp loại này thường hay dùng để cấp nguồn cho các động cơ một chiều kích từ độc lập có nhu cầu đảo chiều quay. Hoạt động của sơ đồ phụ thuộc vào cách phối hợp điều khiển 4 van động lực. Tr1 Tr3 Tr4 Tr2 D3 D4 E E L R D4 D1 Hình 2.13. Băm xung một chiều đảo chiều sơ đồ cầu Có các phương pháp điều khiển khác nhau: Điều khiển riêng hay điều khiển độc lập, điều khiển đối xứng và điều khiển không đối xứng. 2.2.3.1. Băm xung một chiều đảo chiều dùng phương pháp điều khiển riêng Trong phương pháp này các van được chia thành hai nhóm Tr1, Tr2 và Tr3, Tr4. Hai nhóm không làm việc đồng thời, mỗi nhóm phụ trách một chiều của dòng điện tải và chỉ hoạt động khi cần chiều do nhóm phụ trách. Trong mỗi nhóm các van cũng không chạy giống nhau, thường một van luôn luôn được điều khiển mở, chỉ có van còn lại được điều khiển đóng - ngắt theo nguyên lý băm xung đã được đề cập. Hình 2.14a là sơ đồ thay thế khi BXMC cấp dòng điện dương cho tải, lúc đó 2 van Tr3, Tr4 hoàn toàn bị khóa, không hề tham gia vào hoạt động của mạch. Đồ thị làm việc trên hình 2.14b ở trạng thái van Tr1 luôn dẫn còn Tr2 được băm xung. Trong khoảng (0 - t0 ) dòng điện i1 chảy từ nguồn E qua Tr1- tải - Tr2 rồi về nguồn nên tải có Ut = E. Trong khoảng từ t0 đến T, điều khiển khóa van Tr2, dòng điện buộc phải tiếp tục chạy theo chiều cũ nên dòng i2 này sẽ chạy vòng qua điôt D3, có nghĩa là tải bị ngắn mạch và do đó Ut = 0. Nếu trong giai đoạn này năng lượng tích lũy ở điện cảm đã kịp phóng hết thì dòng điện về được đến không và mạch sẽ rơi vào chế độ dòng điện gián đoạn. Như vậy hoạt động của sơ đồ hoàn toàn giống với BXMC không đảo chiều, do đó các biểu thức và phương pháp tính toán là tương tự. Để dòng điện đảo dấu sang âm, cần khóa hẳn nhóm van Tr1, Tr2 và để nhóm van Tr3, Tr4 hoạt động: van Tr3 luôn dẫn và van Tr4 đóng - ngắt theo nguyên lý băm xung. Tr1 Tr3 Tr4 Tr2 D3 D2 E E L R D1 I1 I2 It I1 I2 Tr2 D3 Tr2 Tr1 D3 to T Tr2 Tr1 t a) b) Hình 2.14. Băm xung một chiều đảo chiều, điều khiển riêng 2.2.3.2. Băm xung một chiều đảo chiều dùng phương pháp điều khiển đối xứng Các van cũng được chia thành hai nhóm Tr1, Tr2 và Tr3, Tr4; tuy nhiên chúng cùng hoạt động ở bất kỳ chiều dòng tải nào. Van cùng nhóm được điều khiển như nhau (cùng mở hoặc cùng khóa), nhưng hai nhóm lại được điều khiển trái trạng thái: điều khiển mở nhóm này thì phải điều khiển khóa nhóm kia và ngược lại. Trong khoảng (0 - t0): Tr1, Tr2 mở còn Tr3, Tr4 khóa nên Ut = E. Trong khoảng t = (t0 - T): Tr3, Tr4 mở còn Tr1, Tr2 khóa nên Ut = -E. Do đó điện áp ra tải có quy luật điều khiển chính khác: Biểu thức này cho thấy: - Với γ > 0,5 thì Ut dương; - Với γ < 0,5 thì Ut âm; - Với γ = 0,5 thì điện áp tải bằng không. t +E -E Ut Tr1, Tr2 Tr3, Tr4 t0 T Tr1 Tr3 Tr4 Tr2 Ut L R E E a) b) Hình 2.15. Băm xung một chiều đảo chiều điều khiển đối xứng Như vậy chỉ điều chỉnh tham số γ trong phạm vi (0 ÷ 1) đã làm điện áp ra tải không những thay đổi về giá trị mà cả về dấu, tức là đảo chiều được. Tuy vậy nguyên lý điều khiển nêu trên chưa phản ánh quá trình vật lý xảy ra thực sự trong mạch, ta xem xét lại quá trình hình thành dòng điện ra với tải tổng quát RLE. Trong khoảng (0 ÷ t0): Tr1, Tr2 mở còn Tr3, Tr4 khoá nên dòng điện từ nguồn E qua Tr1 - tải - Tr2 rồi về nguồn nên ta có Ut = E. Vào thời điểm t0, hai van Tr1, Tr2 bị khoá, Tr3, Tr4 được điều khiển mở, song dòng điện vẫn phải chạy theo chiều cũ (do tải có tính cảm) nên dòng điện không thể đi ngược qua Tr3, Tr4 mà buộc phải chạy qua các điôt đấu song song với chúng như hình 2.15b. Như vậy trong giai đoạn t = (t0 ÷ T) năng lượng tích luỹ ở điện cảm được trả về nguồn E, bấy giờ có hai khả năng xảy ra: - Nếu năng lượng tích luỹ ở điện cảm đủ lớn và không kịp tiêu tán hết thì dòng điện không thể về đến không, do đó chỉ có điôt D3, D4 dẫn toàn bộ khoảng này cho đến khi các van mở lại ở đầu chu kỳ. - Nếu năng lượng tích luỹ không lớn thì nó bị tiêu tán hết trước thời điểm T, dòng điện kịp về đến không. Tuy nhiên do các van Tr3, Tr4 đang điều khiển mở nên đến lúc này dòng tải sẽ đảo dấu, nguồn E lại cấp năng lượng ra tải. Đến thời điểm T khi nhóm Tr1, Tr2 mở ngược lại, dòng điện tải đang âm nên lại không đảo chiều được ngay, buộc phải chạy qua các điôt D1, D2. Chỉ đến khi năng lượng trên điện cảm hết, dòng mới đảo về giá trị dương. Tr1 Tr3 Tr4 Tr2 D3 D4 E E L R D4 D1 I1 Tr1 Tr3 Tr4 Tr2 D3 E E L R D4 I2 a) b) Hình 2.16. Băm xung một chiều đảo chiều điều khiển đối xứng Như vậy với phương pháp điều khiển này không thể có chế độ dòng điện gián đoạn, dòng tải sẽ liên tục chảy, hoặc theo chiều này hoặc theo chiều kia. 2.2.3.3. BXMC đảo chiều dùng phương pháp điều khiển không đối xứng a) Nguyên lý Trong phương pháp này cả 4 van lực đều hoạt động, nhưng các van điều khiển khác nhau tuỳ theo chiều dòng tải cần có. Hình 2.17a là sơ đồ thay thế BXMC cấp dòng điện cho dương tải, lúc đó van Tr3 hoàn toàn bị khoá, van Tr2 luôn luôn được điều khiển dẫn, còn hai van Tr1, Tr4 thay nhau đóng cắt theo nguyên lý băm xung. Trong khoảng (0 ÷ t0), dòng điện i1 chảy từ nguồn E qua hai van Tr1, Tr2: có Ut = E. Trong khoảng t = (t0 ÷ T), điều khiển khoá van Tr1, dòng điện buộc phải chảy theo chiều cũ nên dòng i2 sẽ chảy vòng tròn qua Tr2 và điôt D4, tải bị ngắn mạch Ut = 0. Tuy nhiên tuỳ theo dạng tải mà quá trình vật lý có thể khác nhau: - Với tải RL có thể xuất hiện chế độ dòng điện gián đoạn nếu năng lượng tích luỹ ở điện cảm kịp phóng hết ở giai đoạn (t0 ÷ T). Như vậy các quá trình hoạt động của mạch là tương tự với BXMC không đảo chiều. Tr1 Tr3 Tr4 Tr2 D3 E E L R D4 I2 D1 D2 I1 It I1 I2 t Tr2 D4 Tr1 Tr2 D3 Tr1 to T Tr4 Tr2 Tr3 a) b) Hình 2.17. Băm xung một chiều đảo chiều, điều khiển không đối xứng luật điều khiển tạo chiều dòng điện tải dương - Với tải RLE, do tải chứa sức điện động Et nên dòng tải có thể đảo chiều sau khi năng lượng tích luỹ ở điện cảm Lt đã phóng hết năng lượng, như vậy lại không thể có dòng điện gián đoạn. Biểu thức luật điều chỉnh điện áp ra vẫn là nhưng quy luật dòng điện sẽ khác vì có sự tham gia của Et. Để dòng điện tải âm (đảo chiều) cần thay đổi toàn bộ cách điều khiển 4 van động lực. b) Điều khiển theo phương pháp không đối xứng Theo nguyên lý hoạt động ta thấy ở phương pháp này cũng cần luôn điều khiển cả 4 van đồng thời, nhưng luật điều khiển của chúng lại khác nhau phụ thuộc chiều dòng tải. Do đó mạch điều khiển phải có: Hai khâu phân phối xung cho mỗi chiều dòng tải, mà thực chất là hai mạch lôgic thực hiện luật đóng/ngắt van theo sự phân phối của cả 4 van đồng thời, để đơn giản gọi là khối lôgic chạy thuận và lôgic chạy ngược. Khâu xác định chiều dòng để chọn khối lôgic điều khiển: Cần có khâu xác định chiều dòng điện theo tín hiệu chủ đạo (Ucđ) để cho phép khối điều khiển của từng chiều hoạt động. Khâu này sử dụng 2 OA làm bộ so sánh điện áp chủ đạo với điện áp ngưỡng đặt bởi biến trở p1, p2. Khi điện áp chủ đạo dương và Ucđ > Ung (đặt nhờ p1) OA2 lật trạng thái lên mức cao, tương ứng lôgic "1" cho phép Tr1 hoạt động. Khi điện áp chủ đạo âm và Ucđ < Ung (đặt nhờ p2) thì OA3 lật trạng thái lên mức cao, tương ứng lôgic "1" cho phép Tr4 hoạt động. Chỉ có 4 van mà hai luật khác nhau nên cần mạch ghép chung lại từ hai luật đơn giản bằng mạch lôgic OR. Do lại có van thẳng hàng đóng/ngắt cùng thời điểm nên buộc phải có khâu trễ để chống ngắn nguồn như trong phương pháp đối xứng. Hình 2.18. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều đảo chiều sử dụng phương pháp điều khiển không đối xứng 2.3. Lựa chọn phương án truyền động Qua quá trình phân tích ta thấy hệ truyền động điều khiển bằng điện trở tuy đơn giản nhưng gây tổn hao năng lượng lớn, không phù hợp với xe nâng chuyển tự hành. Việc đưa bộ điều chế độ rộng xung vào quá trình điều chỉnh hệ truyền động chạy xe nâng có nhiều ưu điểm. Khắc phục được các hạn chế về kỹ thuật của bộ điều chỉnh điện trở và quan trọng hơn cả là giảm được năng lượng tiêu hao. Qua các phương án đã nêu trên ta chọn bộ băm xung áp một chiều nối tiếp để điều khiển van mạch lực vì nó có những ưu điểm: - Dòng qua tải luôn là liên tục, do đó tạo điều kiện tốt cho động cơ hoạt động êm. - Có thể thực hiện quá trình hãm tái sinh năng lượng. Chương III. THIẾT KẾ MẠCH LỰC Các thông số của xe: Tải trọng nâng: 2950kg; Điện áp nguồn ắc quy: 48v; Công suất mô tơ nâng: 8,2kW; Động cơ chạy xe: Uđm = 48V; Iđm = 60A; nđm = 750v/p; Rư = 0,2Ω; Lư = 0,01H; Dải điều chỉnh D = 25/1;Pđm = 5 kW Với tần số làm việc thông thường là f = 1000Hz, T = 10-3 s. Ta chọn sơ đồ mạch lực là bộ BXMC nối tiếp. Trong sơ đồ ta chọn van bán dẫn là IGBT vì: - Theo nguyên lý hoạt động của bộ băm xung ta thấy rằng van bán dẫn thích hợp cho bộ biến đổi này phải là van cho phép điều khiển được cả mở và khoá, tức là van điều khiển hoàn toàn. - Loại van bán dẫn điều khiển như tiristor là không phù hợp vì ở đây van phải làm việc với điện áp một chiều và luôn là chiều thuận, do vậy không còn giai đoạn điện áp âm của nguồn điện để khoá tiristor như trong mạch chỉnh lưu hay điện áp xoay chiều. - IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu quá tải lớn của tranzitor thường, tần số băm điện áp cao thì làm cho động cơ chạy êm hơn. - IGBT có ưu điểm vượt trội là khả năng đóng cắt tốt, mạch điều khiển đơn giản và công suất điều khiển lại khá nhỏ đến mức có thể IC hoá phần điều khiển; hơn nữa công nghệ chế tạo chúng cũng không quá phức tạp. Sơ đồ mạch lực: Ut L Rt Tr D E Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý mạch BXMC nối tiếp Chọn van mạch lực: 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 điện trung bình lớn nhất của van. 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. Theo các biểu thức gần đúng có: Dòng điện qua IGBT lớn nhất khi γ = γmax = 1: IIGBT = γmax.Itmax = 1.60 =60 (A) Dòng điện qua van điôt lớn nhất khi γ = γmin = 0: ID = (1- γmin )Itmax = 60 (A) Chọn chế độ làm mát là van có cánh toả nhiệt với đủ diện tích bề mặt và có quạt thông gió, khi đó dòng điện làm việc cho phép chạy qua van lên tới 50%Iđmv. Lúc đó dòng điện qua van cần chọn là: IđmV = kiIvmax = 60/0,5 = 120 (A) Chỉ tiêu điện áp mà hai van phải chịu được đều bằng U = 48V. Ta chọn IGBT và điôt với các thông số như sau: Điôt: Loại Imax (A) Un (v) ipik (A) ΔU (v) Ith(A) Tcp (˚C) 1N1476 150 300 1,5 150 190 IGBT: Loại Nhà SX Ic max (A) Vces (v) Pd max (W) Vces (sat) Ices (µA) GA200SA60U IR 200 600 500 1,90 1000 Chương IV. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.1. Nguyên lý điều khiển Mạch điều khiển băm áp một chiều có nhiệm vụ xác định thời điểm mở và khóa van bán dẫn trong một chu kỳ chuyển mạch. Điện áp tải khi điều khiển được tính : Utải = γ. U1 Trong đó: td, tk, Tck: Thời gian dẫn, khoá van bán dẫn, chu kì đóng cắt. U1: điện áp nguồn một chiều. Mạch điều khiển cần đáp ứng yêu cầu điều khiển γ bằng các lệnh theo một nguyên tắc nào đó. Để điều khiển γ với chu kì đóng cắt Tck không đổi cần phải điều khiển khoảng thời gian dẫn của van bán dẫn trong chu kì đóng cắt. Hình 4.1. Nguyên lý điều khiển băm áp một chiều Nguyên lý điều khiển thời gian dẫn của các van bán dẫn trong băm áp một chiều có thể thực hiện như sau: Tạo một điện áp tựa dạng điện áp răng cưa (hay điện áp tam giác) với một tần số f xác định khá cao. Dùng một điện áp một chiều (làm điện áp điều khiển) so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển thì phát lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn. Điện áp tựa Urc so sánh với điện áp điều khiển Uđk. Tại các thời điểm 0, t1, t2...Urc = Uđk sẽ phát lệnh mở hay khoá van bán dẫn. Tại các sườn lên của điện áp tựa Urc phát lệnh mở van bán dẫn, tại sườn xuống của Urc sẽ phát lệnh khoá van thì cách đó các van bán dẫn sẽ mở tại 0, t2, t4..., và khoá tại t1, t3 t5... Độ rộng xung điện áp tải được điều khiển khi điều chỉnh điện áp điều khiển Uđk. Trên hình tăng Uđk sẽ giảm γ và giảm điện áp ra. Nghĩa là trong trường hợp này Uđk và Utải nghịch biến. 4.2. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển Mạch điều khiển phụ thuộc vào phương pháp điều khiển. Ở đây ta điều khiển theo phương pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM. Phương pháp thực hiện băm xung với tần số không đổi f = const, điện áp ra tải thay đổi nhờ điều chỉnh độ rộng khoảng dẫn của van t0 = var. Chức năng của các khâu là: - Khâu phát xung chủ đạo nhằm tạo dao động với tần số cố định nhằm đảm bảo điều kiện băm xung với tần số không đổi. Điều chỉnh tự động So sánh tạo xung Tạo điện áp răng cưa Hạn chế γmin ÷ γmax Phát xung chủ đạo Khuếch đại công suất Ucđ Uph Uđk Ufx Urc Ug Van lực Hình 4.2. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều kiểu PWM - Khâu tạo điện áp răng cưa theo tần số của khâu phát xung chủ đạo, đồng thời đảm bảo phạm vi điều chỉnh tối đa của tham số γ. - Khâu so sánh tạo xung: So sánh điện áp răng cưa Urc với điện áp điều khiển Uđk, điểm cân bằng giữa chúng chính là điểm t0. Do đó khi điện áp điều khiển thay đổi sẽ thay đổi t0 và do đó thay đổi tham số điều chỉnh γ. Điện áp ra của khâu này có dạng xung tương ứng với giai đoạn van lực Tr dẫn. - Khâu khuếch đại công suất nhằm tăng công suất xung tạo ra ở khâu so sánh, đồng thời phải thực hiện việc ghép nối với van lực theo tính chất điều khiển của van lực. - Khâu tạo điện áp điều khiển theo luật công nghệ. 4.3. Chọn các khâu trong mạch điều khiển 4.3.1. Phát xung chủ đạo và tạo điện áp răng cưa Có hai dạng răng cưa hay được dùng: Răng cưa tuyến tính một cực tính và răng cưa tuyến tính hai cực tính. Ta sử dụng răng cưa tuyến tính một cực tính (hình 4.3). Sơ đồ hình 4.3 cho phép tạo ở đầu ra của khuếch đại thuật toán OA2 điện áp răng cưa có hình tam giác cân, trong khi đó đầu ra của OA1 là dao động điện áp xung chữ nhật. OA1 là mạch lật kiểu trigơ Schmitt, do đó đầu ra chỉ có hai trạng thái tối đa tương ứng hai giá trị cực đại ± Um = (UDZ ± 0,7)V; nếu không dùng thì như thông thường Um = Ubh của OA. Cụm các điôt ổn áp có tác dụng chống bão hòa sâu cho OA để có thể phản ứng nhanh do giảm thời gian trễ lật trạng thái, do đó cần dùng khi phải tạo dao động tần số cao. OA2 là mạch tích phân đảo dấu quen thuộc, vì đầu vào tuy có đảo dấu nhưng chỉ có giá trị không đổi nên tích phân sẽ có giá trị tuyến tính: (4.1) OA2 - DZ1 +E + OA1 - + DZ2 -E R1 R3 R2 R4 R4 R5 R5 C1 t Urc Ur1 Ur2 T a) b) Urc Ur1 Ur2 Hình 4.3. Sơ đồ tạo xung tam giác một cực tính Sự biến thiên của đầu ra OA2 thông qua điện trở R3 tác động đến cửa (+) của OA1, mỗi khi điện thế cửa này về đến không sẽ làm trigơ lật trạng thái đổi dấu điện áp đầu ra. Lập tức bộ tích phân cũng đảo chiều biến thiên và mạch bắt đầu một quy trình ngược với giai đoạn trước... Phân tích cho thấy mức ngưỡng để bộ tích phân đảo hướng của nó có giá trị gọi là điện áp ngưỡng Ung và bằng: (4.2) Giá trị này cũng là biên độ của điện áp tam giác. Răng cưa tam giác hai cực tính được dùng để điều khiển BXMC có đảo chiều. Ưu điểm của dạng này còn ở chỗ nó không cần khoảng phục hồi, cả thời gian răng cưa đi lên và đi xuống của nó đều là thời gian làm việc, vì vậy cho phép đảm bảo phạm vi điều chỉnh tối đa là γ = (0 ÷ 1). Do đó khi cần điều chỉnh như vậy, BXMC không đảo chiều cũng dùng răng cưa tam giác. Điện áp ở hai đầu ra Ura1 và Ura2 sẽ được dịch đi một giá trị là: Do đó điện áp Ura sẽ bằng không khi tử số của biểu thức này bằng không, điều đó có nghĩa giá trị Urc phải trái dấu nguồn E. Mặt khác điện áp răng cưa có giá trị biên độ là Um, nên có điều kiện để răng cưa tam giác trở thành một cực tính: (4.3) đây chính là điều kiện để chọn các điện trở R4 và R5. Để kết hợp bảo vệ BXMC nhờ cắt xung bằng điện áp điều khiển (Uđk = 0), giá trị thấp nhất của răng cưa thường lấy khác không (khoảng 0,1V), do vậy một trong hai điện trở R4 và R5 là biến trở để hiệu chỉnh mạch. Tính toán: Chọn tần số của bộ băm xung là f = 1000 Hz. Chu kỳ làm việc của bộ băm xung: Chọn điện áp nguồn E = ± 15V và sử dụng cụm điôt ổn áp đấu nối tiếp đối đầu, với Uôa = 12V, có điện áp đầu ra OA1 cực đại: Um = Uôa+ UDZ = 12 + 0,7 = 12,7 V Để tạo răng cưa một cực tính ta dùng đầu ra Ura1, trong đó để có biên độ 10V ở đầu ra thì khâu tạo điện áp hai cực tính sẽ có biên độ là ±5V và do đó: a. Tính toán răng cưa hai cực tính với biên độ ±5V. Theo đồ thị trên hình 4.3, ta thấy trong khoảng thời gian một nữa chu kỳ điện áp răng cưa phải biến thiên được giá trị bằng hai lần điện áp tam giác Ung, và bằng 2 × 5 = 10 V. Do đó từ (4.1) thể hiện sự biến thiên của điện áp này ta rút ra: Chọn tụ C = 10 nF suy ra: , vậy chọn biến trở 10 kΩ vào vị trí R1 để hiệu chỉnh tần số băm xung. Từ biểu thức (4.2) có: , tức là nếu R2 = 10 kΩ thì . Tuy nhiên ta chọn R2 = 10 kΩ và R3 là biến trở 5kΩ để chỉnh xuống giá trị cần thiết nhằm đảm bảo biên độ xung tam giác ±5V. b. Dịch răng cưa để chuyển thành xung tam giác một cực tính. Chọn trước R5 = 3 kΩ, theo điều kiện (4.3) tính được giá trị R4: Vậy chọn R4 là biến trở 5kΩ để chỉnh điện áp dịch xung tam giác sao cho điểm thấp nhất là lớn hơn không và có biên độ khoảng 10V. 4.3.2. Khâu so sánh Khâu so sánh của băm áp một chiều sẽ xác định thời điểm mở và khoá van bán dẫn. Đầu vào của khâu này gồm có hai tín hiệu, điện áp tựa (điện áp tam giác) và điện áp một chiều làm điện áp điều khiển. Trong mỗi chu kì điện áp tựa có hai thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển. Tại các thời điểm đó, đầu ra của khâu so sánh đổi dấu điện áp.Tương ứng với các thời điểm đột biến điện áp đầu ra của khâu so sánh cần có lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn. Mạch so sánh sử dụng IC khuếch đại thuật toán, sơ đồ mạch như hình 4.4. Nguyên lý: Điện áp đầu ra của khâu tạo xung sẽ được đưa vào đầu vào đảo của KĐTT và điện áp điều khiển sẽ được đưa vào đầu không đảo của KĐTT. Nếu URC > Uđk thì điện áp Ura = -E, nếu URC < Uđk thì KĐTT sẽ lật trạng thái và Ura= +E. Tính toán: Điện áp nguồn nuôi E = ± 12V, điện áp vào OA3 là Uv = 10V. Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1mA. Chọn R6 = R7 > Uv/Iv = 12/1.10-3 = 12kΩ; Do đó ta chọn R6 = R7 = 15kΩ, khi đó dòng vào OA3: Ivmax = 12/(15.103) = 0,8 mA  Urc Uđk R22 R7 -E R6 OA3 +E Ura + - Hình 4.4. Mạch so sánh hai cổng bằng KĐTT Để phối hợp với tầng khuếch đại T2, Urc đưa vào đầu vào đảo của KĐTT, Uđk đưa vào đầu vào không đảo. Khi Uss dương làm T2 dẫn và LED được cấp dòng phát quang. Tầng T2 cho phép OA3 nhẹ tải hơn nhiều, điện trở R13 tính theo tải 16mA của bóng T2 khi dẫn: R13 ≤ , trong đó β là hệ số khuếch đại dòng của bóng T2, chọn T2 loại BC107 có hệ số β = 110 và nguồn cho OA bằng ±12V, thì: R13 ≤ , vậy có thể chọn R13 = 47 kΩ. Lúc đó OA3 chỉ phải chịu dòng ra: 4.3.3. Khâu khuếch đại xung Tạo ra xung có đủ công suất (đủ điện áp và dòng điện) đi mở hoặc đóng van động lực và thêm nhiệm vụ cách ly mạch động lực với mạch điều khiển. Khâu khuếch đại xung ở đây sử dụng Driver M57957L (hình 4.5) có cách ly quang, điện trở R15 hạn chế dòng qua LED ở mức điôt phát quang có giá trị: R15 = , chọn R15 = 1 kΩ. Yêu cầu điều khiển cho van lực IGBT là: Đây là loại van điều khiển bằng điện áp không phải bằng dòng như BT: Khi dẫn bão hoà van cần đặt điện áp dương trên cực điều khiển (12÷15)V; còn khi khoá điện áp trên nó lại âm (-5÷ -8)V. Như vậy ở trạng thái ổn định, dù là khoá hay dẫn, nó chỉ cần điện áp mà không đòi hỏi có dòng điều khiển, tức là công suất điều khiển ở trạng thái này là không đáng kể. Hình 4.5. Driver M57957L dùng cho điều khiển IGBT Tuy nhiên để van chuyển trạng thái, từ khoá sang dẫn và ngược lại từ dẫn sang khoá, buộc phải cấp dòng điều khiển cho van. Điều này do giữa hai cực GE tồn tại một điện dung hay một tụ điện giữa hai cực này, dẫn đến: + Khi van động ở trạng thái khoá, điện áp điều khiển âm nên tụ điện này đang có giá trị âm. Để mở van, điện áp điều khiển buộc phải đảo dấu chuyển từ âm sang dương bằng cách đưa dòng điện vào nạp ngược cực tính trên tụ điện này. + Điều tương tự cũng xảy ra khi van chuyển từ dẫn sang khoá. Để hạn chế dòng phóng - nạp tụ điện cần đưa vào cực điều khiển các điện trở hạn chế Ron, Roff. C Ut Ron Roff Hình 4.6. Điện trở hạn chế dòng điều khiển Giá trị các điện trở này quyết định tốc độ chuyển trạng thái của van và buộc phải có để đảm bảo an toàn cho van, nhà sản xuất thường cho chỉ dẫn về giá trị điện trở này của từng loại chế tạo, tuy nhiên giá trị cụ thể còn do chế độ hoạt động ảnh hưởng. Nếu tải là động cơ điện thì phải tăng thời gian mở cho van để tránh các xung dòng ở chế độ khởi động hay giảm tốc độ động cơ. Với tải có điện cảm lớn, để tránh các xung áp khi van khoá lại cần tăng thời gian chuyển từ dẫn sang khoá. Ngoài ra mạch còn có: - Khâu tạo điện áp điều khiển (Uđk) với bộ điều chỉnh PI tổng hợp hai tín hiệu chủ đạo (Ucđ) và phản hồi (Uph) có khâu hạn chế điện áp đầu ra tương ứng với phạm vi điều chỉnh γmin ÷ γmax. - Điểm lưu ý về dấu của điện áp chủ đạo và điện áp phản hồi: + Khâu so sánh hai cổng thì các điện áp phải cùng dấu, do điện áp răng cưa dương nên điện áp điều khiển cũng phải dương (Uđk > 0). + Trong khi đó bộ điều chỉnh PI là khâu đảo dấu (tín hiệu đưa vào cửa đảo) suy ra để Uđk > 0 thì điện áp chủ đạo phải âm (Ucđ < 0). + Điện áp phản hồi lại phải trái dấu điện áp chủ đạo, dẫn đến Uph > 0. Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ di chuyển xe nâng tự hành Chương V. XÉT ĐẶC TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG 5.1. Tính ổn định của hệ thống Trong quá trình làm việc của hệ thống truyền động điện tự động, do nhiễu loạn hoặc do nhiều nguyên nhân khác mà hệ thống có thể bị mất ổn định. Tính ổn định của hệ thống là tính hệ thống có thể trở lại trạng thái ban đầu khi nhiễu loạn mất đi sau một khoảng thời gian nào đó hoặc khả năng xác lập trạng thái ổn định mới khi sai lệch đầu vào thay đổi. Xét ổn định cho hệ thống là xem hệ thống có ổn định hay không dựa vào các tiêu chuẩn ổn định. Từ đó ta hiệu chỉnh hệ thống để hệ thống làm việc an toàn, tin cậy đạt được các yêu cầu mong muốn. 5.1.1. Khảo sát chất lượng tĩnh của hệ hở Thông số của động cơ đã cho: Uđm = 48V; Iđm = 60A; nđm = 750v/p; Rư = 0,2Ω; Lư = 0,01H; Dải điều chỉnh D = 25/1; St = 5% Khi chưa xét đến phản hồi âm dòng có ngắt và âm tốc độ tác động: + Vẽ đường đặc tính cơ tự nhiên : nđm = 750 (v/ph) Từ phương trình đặc tính: k= Tại tốc độ không tải lý tưởng thì M = 0. Nên: (v/p) Hình 5.1. Đặc tính cơ bộ băm áp một chiều (dòng điện liên tục) + Vẽ đường đặc tính cơ thấp nhất: Dải điều chỉnh D được tính theo công thức: nmin= nmax/ 25 =750 : 25 = 30 (v/p) Ta có: Ta vẽ được đường đặc tính cơ khi chưa có phản hồi âm dòng có ngắt và âm tốc độ (hình 5.1). Sai lệch tĩnh lớn nhất (ứng với đường đặc tính cơ thấp nhất: Sai lệch tĩnh St = 89% > 5%. Như vậy không thỏa mãn yêu cầu. Nhận xét: Để thoả mãn giải điều chỉnh D = 25/1 thì hệ số sai lệch tĩnh của hệ thống lại trở nên quá lớn so với yêu cầu, không thoả mãn các chỉ tiêu chất lượng quan trọng là sai lệch tĩnh St. Tóm lại: Khi hệ thống hở thì chất lượng tĩnh của hệ rất kém.Vì vậy, chúng ta cần thực hiện điều khiển hệ thống bằng hệ kín có phản hồi âm tốc độ và phản hồi âm dòng có ngắt nhằm thoả mãn hai yêu cầu: Chất lượng tĩnh của hệ và bảo vệ dòng điện cho hệ thống. 5.1.2. Khảo sát chất lượng tĩnh của hệ kín Hệ kín gồm phản hồi âm tốc độ và phản hồi âm dòng có ngắt. Tính các hệ số khuếch đại của hệ kín: a) Chọn máy phát tốc Mã hiệu Pđm(w) Uđm(v) Iđm(A) n(v/p) 32/1YU 115 230 0,5 900 7,34 Hệ số truyền của máy phát tốc: Tỷ số truyền của bộ truyền : Điện áp ra của máy phát FT được đưa vào bộ khuếch đại trung gian nên chỉ lấy một phần qua triết áp Hệ số khuếch đại: b) Tính hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại trung gian Sơ đồ khối của hệ thống với các khâu phản hồi tốc độ, phản hồi âm dòng có ngắt. BĐ Kw KI - n -Uω -Ui n Duv § FT Ucđ Hình 5.2. Sơ đồ khối của hệ thống với các khâu phản hồi Để xác định được hệ số khuếch đại của khâu trung gian ta chỉ xét khi động cơ làm việc ổn định (tức là có khâu âm tốc độ tác động) khi đó sơ đồ khối của hệ thống như hình 5.3. Hình 5.3. Sơ đồ khối của hệ thống khi chỉ có khâu phản hồi âm tốc độ Trong đó : : là hệ số khuyếch đại của bộ điều chỉnh tốc độ. : là hệ số khuyếch đại của bộ điều chỉnh dòng điện. KBBĐ: là hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi. : là hệ số khuyếch đại động cơ. : là hệ số phản hồi âm tốc độ Phương trình đặc tính cơ điện : Đặt: Độ sụt tốc độ ứng với đặc tính cơ thấp nhất : Mặt khác ta có: Ta lại có độ sụt tốc độ của động cơ: Từ suy ra : KĐ là hệ số động cơ: KBBĐ hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi được xác định bằng tỷ số giữa UTB và Uđk: Trong đó: UTB - là điện áp trung bình đầu ra của bộ biến đổi băm xung một chiều (điện áp trên động cơ), UTB = 12V. Uđk – là điện áp điều khiển mạch băm xung một chiều, Uđk = 15V. Từ biểu thức trên thay số ta được: Hệ số khuếch đại trung gian: 5.1.3. Kiểm tra chất lượng tĩnh a) Tốc độ định mức và tốc độ không tải lý tưởng ở đường đặc tính cơ cao nhất - Tốc độ định mức : Để đảm bảo tính an toàn cho hệ thống thì tốc độ lớn nhất của động cơ ứng với tốc độ định mức và điện áp chủ đạo đầu vào của bộ khuếch đại là lớn nhất Ucđ = Ucđmax - Tốc độ không tải lý tưởng: b) Tốc độ định mức và tốc độ không tải lý tưởng ở đường đặc tính cơ thấp nhất - Tốc độ định mức : Phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ thống là D = 25/1 nên ta có: nđmmin Mặt khác: - Tốc độ không tải lý tưởng: c) Kiểm tra chất lượng tĩnh Thực chất là kiểm tra độ sụt tốc độ có đạt yêu cầu không. Người ta chứng minh được rằng độ sụt tốc độ tương đối lớn nhất nằm ở đặc tính cơ thấp nhất. Do đó ta có: = 61% > 5%. Vậy ở chế độ tĩnh động cơ làm việc không ổn định. 5.2. Hiệu chỉnh hệ thống Ta tổng hợp mạch vòng dòng điện và tốc độ thỏa mãn yêu cầu sau: + Tín hiệu dòng: + Tín hiệu tốc độ: tqd < 2s, theo x(t) = 1(t) 5.2.1. Kiểm tra chất lượng động của hệ thống + Xét lượng quá điều chỉnh Lượng quá điều chỉnh: , Mặt khác với đặc tính dòng điện thì: Giá trị dòng điện mà tại đó khâu ngắt tác động : Chọn giá trị tại thời điểm thì tín hiệu điện áp lấy trên điện trở cũng có giá trị = 1(V) khi đó trong đó là hệ số phụ thuộc vào biến dòng ta có: + Xét lượng thời gian quá độ và sai lệch tĩnh : Ta có đặc tính quá độ như sau: Để thời gian quá độ và sai lệch tĩnh theo x(t) =1(t) thì ta phải tìm hệ số khuếch đại bộ điều chỉnh tốc độ phù hợp. 157,346 Mặt khác thay giá trị vào phương trình đặc tính cơ điện khi chỉ có âm dòng có ngắt tác động: Với hệ thống này ta chọn tốc độ tại thời điểm khâu ngắt bắt đầu tác động cũng là tốc độ mà tại đó khâu phản hồi âm tốc độ đạt giá trị bão hòa: và . Chọn ta có: . 5.2.2.Tổng hợp mạch vòng dòng điện và tốc độ Ud Đ = CKT + - BBĐ FX FT Ucđ Rw RI - - I n Un Ui n Duv b Hình 5.5. Hệ điều tốc hai mạch vòng tốc độ quay và dòng điện Sơ đồ cấu trúc hệ thống: Khi xét hàm truyền hệ thống theo tín hiệu U thì ta bỏ qua khâu nhiễu loạn phụ tải. Từ sơ đồ nguyên lý của hệ thống ta thành lập sơ đồ cấu trúc: Id Ucđ g Ic - n Eb E§ b WRI(s) - -Un -Ui WRω(s) KĐ Hình 5.6. Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng Trên hình 5.6, hàm truyền của bộ băm áp một chiều tương tự bộ biến đổi tiristor - động cơ: Với: Kb = UTB/Uđk là hệ số khuếch đại của bộ băm xung một chiều; UTB: là điện áp trung bình đầu ra của bộ biến đổi băm xung một chiều (điện áp trên động cơ); Uđk: điện áp điều khiển mạch băm xung một chiều. 5.2.3. Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ quay cho hệ thống Hệ số khuếch đại của động cơ: Hằng số thời gian điện từ của động cơ: Hằng số thời gian điện cơ: Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi: Hằng số thời gian của bộ biến đổi: Hệ số phản hồi âm dòng có ngắt: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín (hình 5.7) có bố trí một số khâu lọc, gồm bộ lọc tốc độ quay, bộ lọc dòng điện và hai khâu lọc tín hiệu đặt. Vì điện áp phản hồi tốc độ quay nhận được có chứa độ nhấp nhô do đổi chiều trong máy điện một chiều gây ra, nên phải lọc, hằng số thời gian khâu lọc này là Ton. Khâu lọc làm cho tín hiệu phản hồi chậm lại. Để khắc phục (làm cân bằng với sự chậm trễ này), tại đường vào tín hiệu đặt bố trí một khâu quán tính có cùng hằng số thời gian Ton tốc độ quay, và gọi là khâu lọc tín hiệu đặt và còn được gọi là khâu lọc cho trước. Id Rd Tms Ic(s) n Eb - - Un -Ui Ucđ EĐ(s) Mạch vòng dòng điện 1 Ce WRω(s) Tois + 1 β Kb τs+1 Hình 5.7. Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều tốc hai mạch vòng Toi - Hằng số thời gian khâu lọc tín hiệu phản hồi dòng điện; Ton - Hằng số thời gian khâu lọc tín hiệu phản hồi tốc độ quay. 5.2.3.1. Xác định hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện a) Đơn giản hoá sơ đồ cấu trúc Bỏ qua khâu nhiễu loạn phụ tải và sức điện động cơ ta có sơ đồ mạch vòng dòng điện: Id(s) Eb(s) -Ui * i U WRI Kb τs + 1 1/R d Tes + 1 Tois + 1 β Id(s) Eb(s) -Ui WRI Kb τs + 1 1/R d Tes + 1 Tois + 1 b Id(s) -Ui WRI bKb/Rd Hình 5.8. Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng dòng điện Do τ và Toi đều nhỏ hơn nhiều so với Te, có thể coi đó là sự xử lý quán tính nhỏ, coi là một khâu quán tính và lấy: b) Lựa chọn cấu trúc và xác định tham số bộ điều chỉnh dòng điện Xác định theo phương pháp tối ưu môdul: Đối tượng điều chỉnh là: Wđt = Wđt Trong mạch vòng dòng điện, yêu cầu phải có tính năng bám tốt, độ chính xác cao, vì vậy ta phải hiệu chỉnh WRI(s) thành hệ thống điển hình loại I. Theo tối ưu môdul, ta chọn thiết bị điều chỉnh là khâu PI có dạng: Phối hợp tham số: Hàm truyền hệ hở sau hiệu chỉnh: Wh sau hiệu chỉnh = , với: ; Từ quan hệ giữa chỉ tiêu chất lượng bám trạng thái động và các tham số của hệ thống điển hình loại I, thông thường để lượng qua điều chỉnh , có thể lấy hệ số suy giảm , KIT = 0,5. Do đó: Vậy: 5.2.3.2. Xác định hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ quay Id(s) -Ui KI Hình 5.9. Mạch vòng dòng điện kín Hàm truyền hệ kín mạch vòng dòng điện: W = .= Mà KI = 1/2, nên ms = Sơ đồ cấu trúc tương đương: Id(s) 1/β a) Đơn giản mạch vòng tốc độ: Sau khi dùng khâu tương đương của mạch vòng dòng điện thay thế cho mạch vòng kín dòng điện, sơ đồ cấu trúc trạng thái động của toàn bộ hệ thống điều chỉnh tốc độ quay sẽ trở thành như hình 5.10a. a) n(s) -Un - Uc®(s) Ic(s) Rd CeTms b) n(s) -Un Uc®(s)/ Rd CeTms c) n(s) -Un γRd/β CeTms() Hình 5.10. Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng tốc độ quay và xử lý gần đúng của nó (bỏ qua nhiễu phụ tải) Do Ton, TΣi rất bé nên = = 0,01+2.0,007 = 0,024 b) Lựa chọn và xác định tham số bộ điều chỉnh: Mạch vòng tốc độ yêu cầu khả năng chống nhiễu tốt vì có cả nhiễu nguồn và nhiễu tải. Ta thấy sau nhiễu có khâu tích phân nên trước nhiễu cũng phải có khâu tích phân để cân bằng hệ thống. Mạch vòng tốc độ yêu cầu lượng quá điều chỉnh nhỏ. Vì vậy ta hiệu chỉnh thành hệ thống điển hình loại II, sử dụng bộ điều chỉnh PI. Đối tượng điều khiển: Chọn bộ điều chỉnh: Phối hợp tham số: ; (chọn h = 5) Hàm truyền hệ hở sau hiệu chỉnh: Wh = Với: Chọn h = 5, Vậy: WRω(s) = 5.3. Mô phỏng đặc tính của hệ thống a) Sơ đồ cấu trúc Matlab của hệ thống: Hình 5.11. Sơ đồ cấu trúc Matlab của hệ thống - PI Speed Controller: Bộ điều chỉnh tốc độ quay. - Relay có tác dụng phát tín hiệu dạng xung điều khiển đến cực G của bộ GTO nhằm đóng ngắt nguồn điện một chiều cấp cho động cơ. Việc đóng ngắt của rơ le không theo chu kỳ mà phụ thuộc vào hai tín hiệu vào là dòng đặt phần ứng và dòng điện đặt sau bộ PI. b) Kết quả mô phỏng - Đặc tính điều chỉnh tốc độ: MC = Mđm, ω = ωđm MC = Mđm, ω = 60rad/s MC = Mđm, ω = 50rad/s - Đặc tính ổn định tốc độ: MC = 15Nm, ω = ωđm MC = 10Nm, ω = ωđm MC = 5Nm, ω = ωđm Nhận xét: Từ kết quả mô phỏng ta thấy việc sử dụng bộ băm áp một chiều ứng dụng vào hệ truyền động cho xe vận chuyển tự hành đã đáp ứng được yêu cầu công nghệ của loại xe này. Hệ thống truyền động điện chạy xe nâng có thể điều tốc vô cấp, điều chỉnh sâu, và cho đường đặc tính cứng hơn nhiều so với hệ cũ. Độ trượt tĩnh nhỏ nên hệ có khả năng ổn định tốc độ khá tốt, đặc biệt là khi xe làm việc ở tốc độ thấp, tải nặng và khi tải thay đổi trong quá trình làm việc. Điều đó giúp xe có thể chuyên chở những thứ hàng hóa dễ vỡ, dễ hư hại, dễ cháy nổ… Thời gian quá độ ngắn, nên thời gian quá độ ngắn hơn so với hệ cũ. Lượng quá điều chỉnh được khống chế theo yêu cầu. KẾT LUẬN Đề tài xuất phát từ việc nhận thấy vấn đề còn tồn tại trong thực tiễn đối với loại phương tiện rất cần thiết cho con người trong lao động và sản xuất đó là xe nâng chuyển tự hành. Từ khảo sát thực tế, nghiên cứu tìm ra giải pháp hợp lý bằng việc ứng dụng các thành quả mới về mặt lý thuyết hệ điều khiển xung điện áp để xây dựng lại hệ thống truyền động điện cho xe loại này và cuối cùng là tiến hành mô phỏng hệ thống vừa thiết kế. Với hệ điều chỉnh băm áp một chiều, kết hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ có hạn chế dòng điện, được dùng điều khiển động cơ truyền động di chuyển xe nâng tự hành đã cho kết quả tốt hơn hẳn so với truyền động điện xe nâng hiện tại: - Hệ thống truyền động điện chạy xe nâng có thể điều tốc vô cấp, điều chỉnh sâu, và cho đường đặc tính cứng hơn nhiều so với hệ cũ. - Độ trượt tĩnh nhỏ nên hệ có khả năng ổn định tốc độ khá tốt, đặc biệt là khi xe làm việc ở tốc độ thấp, tải nặng và khi tải thay đổi trong quá trình làm việc. Điều đó giúp xe có thể chuyên chở những thứ hàng hóa dễ vỡ, dễ hư hại, dễ cháy nổ… - Dòng điện khởi động là vấn đề đáng quan tâm vì không những liên quan đến an toàn, độ bền cho động cơ mà còn đối với ăc quy của xe. Nhưng đối với truyền động này có khả năng hạn chế được dòng điện khởi động. - Thời gian quá độ ngắn, nên thời gian quá độ ngắn hơn so với hệ cũ. - Lượng quá điều chỉnh được khống chế theo yêu cầu. Trên cơ sở tính toán và nguyên lý của hệ truyền động điện mới này chúng ta có thể tạo ra một hệ thống truyền động điện trang bị cho xe là công việc hoàn toàn thực hiện được. Với khoảng thời gian cho phép đề tài đã hoàn thành đúng yêu cầu và mục đích đề ra. Mặc dù đã hết sức cố gắng, trong khoảng thời gian có hạn, đồ án có thể còn nhiều hạn chế, rất mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn, đặc biệt là thầy giáo – Thạc sỹ Trần Duy Trinh - Người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt thời gian làm đồ án. TÀI LIỆU THAM KHẢO [ 1] Ths. Vũ Anh Tuấn, Khoa Điện, Trường Đại học SPKT Vinh, Đề cương bài giảng Trang bị điện. [2] Nguyễn Mạnh Tiến, Vũ Quang Hồi, Trang bị điện – điện tử máy gia công kim loại, Nhà xuất bản giáo dục. [3] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội. [4] Nguyễn Bính, Điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Hà nội 2000. [5] Trần Văn Thịnh, Tính toán thiết kế điện tử công suất, Nhà xuất bản giáo dục. [6] Trần Văn Thịnh, Tài liệu hướng dẫn thiết kế thiết bị điện tử công suất, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, năm 2000. [7] Phạm Quốc Hải, Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. [8] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2006. [9] TS. Trần Thọ, PGS.TS. Võ Quang Lạp, Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội. [10] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2004. [11] Nguyễn Xuân Phú, Nguyễn Công Hiền, Nguyễn Bội Khuê, Cung cấp điện, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. [12] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2006. [13]