Hệ điện cơ 1 - Chương 5: Hệ thống truyền động động cơ một chiều sử dụng BBĐ một chiều - Một chiều (Xung điện áp)

BÀI GIẢNG MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ 1 Khoa Điện - Bộ môn TĐH Trường Đại học KTCN Thái Nguyên Chương 5: Hệ thống truyền động động cơ một chiều sử dụng BBĐ một chiều - một chiều (Xung điện áp) 5.1. Khái niệm chung Trong nhiều năm lại đây, hệ thống điều tốc sử dụng BBĐ một chiều- một chiều (xung điện áp) áp dụng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung, thường gọi là hệ thống điều tốc điều chế độ rộng xung một chiều kiểu PWM, sử dụng các linh kiện bán dẫn transitor GTO, P-MOSFET và IGBT được sử dụng khá nhiều, so sánh với hệ thống T-Đ, chúng có rất nhiều ưu điểm: Chương 5: 5.1. Khái niệm chung (1) Mạch lực (mạch điện chính) đơn giản, sử dụng ít dụng cụ công suất; (2) Tần số đóng cắt cao, dễ duy trì dòng điện liên tục, sóng hài ít, tổn hao và phát nhiệt của động cơ khá nhỏ; (3) Có khả năng vận hành ở tốc độ thấp, độ chính xác cao, cho phạm vi điều tốc rộng; (4) Độ tác động nhanh cao, khả năng chống nhiễu trạng thái động tốt; (5) Tổn hao trên các linh kiện của mạch lực nhỏ nên hiệu suất thiết bị khá cao; (6) Để cấp nguồn cho BBĐ sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển nên có hệ số công suất cao. Vì vậy, chương này tập trung nghiên cứu loại hệ thống này. 5.1. Khái niệm chung (5) Tổn hao trên các linh kiện của mạch lực nhỏ nên hiệu suất thiết bị khá cao; (6) Để cấp nguồn cho BBĐ sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển nên có hệ số công suất cao. Vì vậy, chương này tập trung nghiên cứu loại hệ thống này. Do sự hạn chế về công suất, hệ điều tốc PWM một chiều hiện nay thường dùng ở hệ thống công suất nhỏ và vừa, theo đà phát triển của công nghiệp bán dẫn công suất, lĩnh vực ứng dụng của nó ngày một mở rộng. Bộ biến đổi PWM có hai loại đảo chiều và không đảo chiều, bộ biến đổi đảo chiều lại có kiểu điôt, một cực và kiểu một cực bị hạn chế. Dưới đây sẽ trình bày nguyên lý làm việc và đặc tính của các loại đó. 5.2. Bộ biến đổi điều chế độ rộng xung (PWM) 5.2.1. Bộ biến đổi PWM không đảo chiều Tr Ud D0 + - C0 uB ut Ud EĐ đ TB d d ck t U U U T    Hình 5.1: Mạch điện của bộ biến đổi PWM không đảo chiều đơn giản (xung điện áp một chiều) a) sơ đồ nguyên lý b) đồ thị dòng điện và điện áp CKĐ + - CK Đ id t 0 tđ Tck a b id 5.2. Bộ biến đổi điều chế độ rộng xung (PWM) 5.2.1. Bộ biến đổi PWM không đảo chiều CK Tr2 1 uB2 D2 Đ 2 3 utUd 0 tđ Tck uB1= - uB2 t UTB ut id Tr1 Tr1 Tr1D2 D2 Hình 5.2: Mạch điện bộ biến đổi PWM không đảo chiều có mạch hãm a) Sơ đồ nguyên lý; b) Đồ thị điện áp và dòng điện trạng thái động cơ; a b - + uB1 Tr1 D1 C0 Ud 4 id t EĐ 0 tđ Tck 1 2 1 2 1 5.2. Bộ biến đổi điều chế độ rộng xung (PWM) 5.2.1. Bộ biến đổi PWM không đảo chiều t uB1= - uB2 0 tđ Tck uB1= - uB2 tD1 Tr2D1 Tr2 utUd ut id E utUd E UTB ut id Hình 5.2: Mạch điện bộ biến đổi PWM không đảo chiều có mạch hãm c) Đồ thị điện áp và dòng điện trạng thái hãm; d) Đồ thị điện áp và dòng điện trạng thái động cơ tải nhẹ t0 tđ Tck id Đ UTB d id t Đ 0 tđ Tck 4 3 4 3 1 2 3 4 1 2 3 4 1 c 4 t1 t2 t3 5.2. Bộ biến đổi điều chế độ rộng xung (PWM) 5.2.2. Bộ biến đổi PWM có đảo chiều 5.2.2.1. Bộ biến đổi PWM đảo chiều kiểu điôt 1 + D1 Ud Tr1 uB1 Tr3 uB3 D3 4 3 id Hình 5.3: Mạch điện bộ biến đổi PWM có đảo chiều dạng H kiểu đi ốt D4 Đ uB4 Tr4 uB2 Tr2 D2 2 ut 5.2.2.1. Bộ biến đổi PWM đảo chiều kiểu điôt 0 tđ Tck uB3= uB4 tD1, D2 Tr3, Tr4D1, D2Tr3, Tr4 D1, D2 0 tđ Tck uB1= uB2 tTr1, Tr2 D3, D4 Tr1, Tr2D3, D4Tr1, Tr2 ut Ud UTB ut Hình 5.4: Đồ thị dòng áp của hệ truyền động đảo chiều dùng bộ biến đổi PWM dạng H kiểu đi ốt id1 t0 tđ Tck 4 2 1 2 1 id21 2 3 4 1 2 3 4 1 id t -Ud 5.2.2.1. Bộ biến đổi PWM đảo chiều kiểu điôt Điện áp trung bình đầu ra của bộ biến đổi PWM (điện áp trên động cơ) đảo chiều kiểu điôt được biểu thị bằng công thức: Vẫn lấy  = UTB/Ud là hệ số phân áp của PWM, quan hệ giữa  và tđ sẽ khác với trước kia, cụ thể, trong trường hợp này: đ ck đ đ TB d d d ck ck ck t T t 2t U U U ( 1)U T T T      đ2t 1   T Khi điều tốc, phạm vi thay đổi của  trở thành –1 0 động cơ quay theo chiều thuận, khi  < 0 động cơ quay theo chiều ngược, khi  = 0 động cơ ngừng quay. Trường hợp  = 0, điện áp trung bình đặt vào động cơ bằng không, nhưng điện áp tức thời ở hai đầu mạch rotor và dòng điện không phải bằng 0 mà chỉ có thành phần xoay chiều, nên tổn hao công suất trên động cơ vẫn còn. 5.2.2.1. Bộ biến đổi PWM đảo chiều kiểu điôt Ưu điểm của bộ biến đổi PWM kiểu điôt như sau: (1) Dòng điện động cơ liên tục; (2) Cho phép cho động cơ có thể làm việc ở 4 góc phần tư hệ toạ độ; (3) Lúc động cơ ngừng quay vẫn có dao động nhỏ của dòng điện, có thể loại bỏ vùng chết ma sát tĩnh; (4) Khi làm việc ở tốc độ thấp, xung khống chế cực gốc của các transitor đều khá rộng, tạo thuận lợi cho các transitor chắc chắn được mở; (5) Tính ổn định tốt ở tốc độ thấp, phạm vi điều tốc đạt tới khoảng 20000:1. Nhược điểm của bộ PWM là: Trong quá trình làm việc, 4 transitor công suất thay nhau làm việc, tổn hao công suất mở khóa lớn, dễ sinh ra sự cố hai transitor cùng phía (ví dụ Tr1 và Tr3 đồng thời mở gây ngắn mạch nguồn, làm giảm độ tin cậy của thiết bị. Để khắc phục sự cố này thường phải bố trí thêm thiết bị logic. 5.2.2.2. Bộ biến đổi PWM đảo chiều kiểu một cực Để khắc phục khuyết điểm trên đây của bộ biến đổi kiểu điôt, đối với những hệ thống có yêu cầu chất lượng động và tĩnh tương đối thấp, có thể dùng bộ biến đổi PWM kiểu một cực. Sơ đồ mạch điện của nó cũng gống như kiểu điôt (hình 5.3), chỉ khác nhau ở chỗ tín hiệu xung điều khiển cực gốc các transitor. Trong bộ biến đổi kiểu một cực, xung điều khiển cực gốc hai transitor phía trái uB1 = - uB4, có đồ thị xung cực tính thay đổi ngược nhau như kiểu điôt, làm cho Tr1 và Tr4 thay nhau mở; còn tín hiệu điều khiển cực gốc của hai transitor phía phải Tr3 và Tr2 thì đã khác, chuyển thành tín hiệu một chiều khác nhau tuỳ thuộc yêu cầu chiều quay của động cơ. Lúc động cơ quay thuận, điện áp uB3 luôn âm, còn uB2 luôn dương, khi đó Tr3 khoá lại, còn Tr2 luôn mở. Khi cần động cơ quay theo chiều ngược thì cho uB3 luôn dương, còn uB2 luôn âm, nên Tr3 luôn mở, còn Tr2 khoá lại. Lúc non tải, dòng điện trong một chu kỳ cũng sẽ đổi chiều và vẫn đảm bảo tính liên tục của dòng động cơ. 5.2.2.2. Bộ biến đổi PWM đảo chiều kiểu một cực Bảng 5.1: So sánh bộ biến đổi PWM đảo chiều hai cực và một cực (khi chịu tải lớn) Do trong hai transitor Tr3 và Tr2 của bộ biến đổi một cực bao giờ cũng có một luôn mở, một luôn khóa, do đố tổn hao do mở khóa ở đây đã giảm so với ở bộ biến đổi hai cực. 5.2.2.3. Bộ biến đổi PWM một cựcbị hạn chế Bộ biến đổi một cực so với bộ biến đổi hai cực về mặt tiêu hao công suất đóng cắt và độ tin cậy có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn còn yêu cầu hai transitor Tr1 và Tr4 thay nhau mở khóa, vẫn có thể gây ra ngắn mạch nguồn điện. Bây giờ hãy xem xét tình trạng đóng mở của các transitor trong hình 5.3, có thể phát hiện ra rằng, lúc động cơ quay chiều thuận, trong khoảng thời gian 0  t < tđ, Tr4 bị khoá lại, trong khoảng thời gian tđ  t < Tck, do dòng điện đi qua D4, Tr4 cũng không dẫn dòng. Do vậy, có thể để cho uB4 luôn âm, khiến cho Tr4 luôn bị khoá. Tương tự như vậy, khi động cơ quay theo chiều ngược, cho uB1 luôn âm, Tr1 luôn bị khoá. Như thế sẽ không sinh ra sự cố làm cho Tr1, Tr4 cùng mở. Phương pháp điều khiển này được gọi là điều khiển kiểu một cực bị hạn chế. Lúc dòng điện gián đoạn, việc nâng cao điện áp mạch rotor đã làm tăng điện áp trung bình theo quan hệ: ck n TB d Đ ck T t U U E T     5.2.2.3. Bộ biến đổi PWM một cựcbị hạn chế Ud ut ut uB t uB1 uB2 uB3=uB4 0 Hình 5.5: Đồ thị điện áp, dòng điện khi tải nhẹ của hệ thống điều tốc PWM một cực bị hạn chế id EĐ 0 tđ Tck ttn 5.3. Đặc tính cơ vòng hở của hệ thống điều tốc điều chế độ rộng xung 5.4. Hàm số truyền của bộ biến đổi PWM Quy luật điều khiển và mô hình toán học trạng thái động của hệ thống điều chế độ rộng xung so với hệ thống tiristor - động cơ một chiều không có gì khác nhau, duy chỉ có một chỗ đặc biệt là hàm số truyền của bộ điều chế độ rộng xung và bản thân bộ biến đổi PWM. Dựa vào nguyên lý làm việc của chúng, khi thay đổi điện áp điều khiển u , điện áp ra của bộđk biến đổi PWM phải chờ đến chu kỳ sau mới thay đổi được. Vì vậy, bộ biến đổi PWM có đặc tính của một khâu trễ. Thời gian trễ lớn nhất của nó không vượt quá một chu kỳ Tck. 5.4. Hàm số truyền của bộ biến đổi PWM Cũng xử lý tương tự như hàm số truyền bộ chỉnh lưu điều khiển bằng tiristor, khi tần số cắt của đặc tính tần số của cả hệ thống mạch hở thoả mãn công thức: có thể coi khâu trễ gần đúng là khâu quán tính cấp bậc nhất. Vì thế, hàm số truyền của bộ biến đổi PWM có thể viết thành: c c k 1 3 T   KPWM PWM ck W (s) T s 1   trong đó: hệ số khuếch đại của bộ biến đổi PWM; UTB là điện áp trung bình đầu ra của bộ biến đổi PWM; uđk là điện áp điều khiển mạch điều chế độ rộng xung của bộ biến đổi PWM. T B P W M đk U K u 