bộ biến tần 3 pha cho động cơ không chổi than

Sử dụng bộ biến tần 3 pha giúp điều khiển động cơ không chổi than một cách hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.. Các bộ biến tần nguồn điện áp DC/AC ba pha đang được sử dụng rộng rãi trong

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Điện một chiều DC (Direct Current)

Dòng điện một chiều đề cập đến chiều dòng điện theo một hướng Trong mạch điện một chiều, hiệu điện thế không đổi theo thời gian và dòng điện chạy liên tục theo một chiều Các nguồn DC phổ biến bao gồm pin, pin nhiên liệu và tấm pin mặt trời DC thường được sử dụng trong các thiết bị và hệ thống điện tử yêu cầu nguồn điện liên tục và ổn định, chẳng hạn như máy tính, điện thoại thông minh và các ứng dụng điện áp thấp [1].

Điện xoay chiều AC (Alternating Current)

Dòng điện xoay chiều đề cập đến dòng điện tích đảo ngược hướng của nó theo định kỳ Trong mạch điện xoay chiều, điện áp và dòng điện thay đổi cực và độ lớn theo thời gian, dao

3 động theo hình sin AC là dạng năng lượng điện tiêu chuẩn được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng dân dụng, thương mại và công nghiệp [2]

Hình 2.1 Đồ thị điện áp dòng điện theo thời gian của DC và AC [3]

Mạch biến tần ba pha

Hình 2.2 Mạch điện biến tần ba pha

Bộ chuyển đổi DC sang AC thường được gọi là biến tần Mục đích chính của mạch điện này là cung cấp nguồn điện áp ba pha, trong đó biên độ, pha và tần số của điện áp có thể được

4 kiểm soát Các bộ biến tần nguồn điện áp DC/AC ba pha đang được sử dụng rộng rãi trong các ổ đĩa động cơ, bộ lọc hoạt động và bộ điều khiển lưu lượng điện thống nhất trong hệ thống điện và nguồn điện không bị gián đoạn để tạo ra các cường độ điện áp xoay chiều và tần số có thể kiểm soát bằng cách sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)

Biến tần ba pha tiêu chuẩn có sáu công tắc MOSFET mà việc chuyển đổi của chúng phụ thuộc vào sơ đồ điều chế DC đầu vào thường được lấy từ một hoặc ba pha cấp nguồn tiện ích pha thông qua bộ chỉnh lưu cầu đi-ốt và bộ lọc LC hoặc C

2.3.2 Nguyên lý hoạt động Đầu vào DC được đưa vào mạch biến tần Mạch biến tần chuyển đổi đầu vào DC thành đầu ra AC 3 pha có thể điều chỉnh được Điều này được thực hiện thông qua việc sử dụng các thành phần điều khiển như transistor MOSFET Bộ biến tần 3 pha có hệ thống điều khiển và điều chỉnh để quản lý tần số và điện áp đầu ra Điều này cho phép điều chỉnh tốc độ và mô- men xoắn của động cơ theo nhu cầu ứng dụng

Biến tần bao gồm một số công tắc điện tử được gọi là MOSFET, việc mở và đóng công tắc được điều khiển bởi bộ điều khiển Chúng có thể mở và đóng siêu nhanh theo cặp để kiểm soát dòng điện Bằng cách kiểm soát đường đi của dòng điện và thời gian dòng điện chạy theo các đường khác nhau, chúng ta có thể sản xuất điện xoay chiều từ nguồn một chiều Để điều khiển các pha trong quá trình chuyển mạch sáu bước, một biến tần ba pha được sử dụng để điều khiển nguồn DC tới ba pha, chuyển đổi giữa dòng điện dương (màu đỏ) và dòng điện âm (màu xanh) Để cung cấp dòng điện dương cho một trong các pha, cần phải bật công tắc nối với pha đó ở phía cao (High Side), trong khi đối với dòng điện âm, cần phải bật công tắc phía thấp (Low Side)

Thực hiện điều này theo hình được mô tả ở dưới trong khi rôto ở một góc từ 60 đến 120 độ so với từ trường của stato, biến tần ba pha giữ cho động cơ quay ở tốc độ không đổi Thay đổi tốc độ động cơ có thể đạt được bằng cách điều chỉnh điện áp đặt vào Một cách khác để kiểm soát tốc độ động cơ mà không làm thay đổi điện áp nguồn là điều chế độ rộng xung hoặc PWM

Bảng 2.1 Trạng thái hoạt động của mạch biến tần ba pha [4]

2.3.3 Biến tần ba pha - Chế độ dẫn 120 độ

Mạch lý tưởng được vẽ trước khi nó có thể được chia thành ba phân đoạn (Segment) là phân đoạn một, phân đoạn hai & phân đoạn ba và chúng ta sẽ sử dụng các ký hiệu này trong phần sau của bài viết Phân đoạn một bao gồm một cặp chuyển mạch S1&S2, phân đoạn hai bao gồm cặp chuyển mạch S3 &S4 và phân đoạn ba bao gồm cặp chuyển mạch S5&S6 Tại bất

6 kỳ thời điểm nào, không bao giờ được đóng cả hai công tắc trong cùng một phân khúc vì điều đó dẫn đến đoản mạch pin làm hỏng toàn bộ thiết lập, vì vậy, nên luôn luôn tránh trường hợp này

Vì thời gian dẫn được chọn là 120º nên công tắc S1 sẽ mở sau 120º, do đó S1 được đóng từ 0º đến 120º

Vì nửa chu kỳ của tín hiệu hình sin đi từ 0 đến 180º, nên trong thời gian còn lại, S1 sẽ mở và được biểu thị bằng vùng màu xám ở trên

Bây giờ sau 120º của pha đầu tiên, pha thứ hai cũng sẽ có chu kỳ dương như đã đề cập trước đó, vì vậy công tắc S3 sẽ đóng sau S1 S3 này cũng sẽ được giữ ở chế độ đóng thêm 120º nữa Vì vậy, S3 sẽ được đóng từ 120º đến 240º

Tương tự, pha thứ ba cũng có chu kỳ dương sau 120º của chu kỳ dương pha thứ hai nên công tắc S5 sẽ đóng sau 120º của chu kỳ đóng S3 Sau khi đóng công tắc, nó sẽ được giữ ở trạng thái đóng đến 120º trước khi được mở và cùng với đó, công tắc S5 sẽ được đóng từ 240º đến 360º [5]

Chu kỳ mở và đóng đối xứng này sẽ được tiếp tục để đạt được điện áp ba pha mong muốn

Hình 2.3 Kiểu chuyển đổi cho chế độ dẫn 120º [5]

Hình 2.4 Sơ đồ mạch điện ba pha [5]

Gọi o là giao điểm của 3 mạch điện A,B,C

Từ hình 2.4, chúng ta suy ra :

Từ 0-60: S1&S4 đóng trong khi các công tắc còn lại mở

Từ 60-120: S1 & S6 đóng trong khi các công tắc còn lại mở

Từ 120-180: S3&S6 đóng trong khi các công tắc còn lại mở

Từ 180-240: S2&S3 đóng, các công tắc còn lại mở

Từ 240-300: S2&S5 đóng, các công tắc còn lại mở

Từ 300-360: S4&S5 đóng trong khi các công tắc còn lại được mở

Vì vậy, đối với 60 đến 120: 𝑉 𝑏𝑜 = 0, 𝑉 𝑐𝑜 = -𝑉 𝑠 /2 & 𝑉 𝑎𝑜 = 𝑉 𝑠 /2

Vì vậy, đối với 120 đến 180: 𝑉 𝑎𝑜 = 0, 𝑉 𝑏𝑜 = 𝑉 𝑠 /2 & 𝑉 𝑐𝑜 = -𝑉 𝑠 /2

Vì vậy, đối với 180 đến 240: 𝑉 𝑎𝑜 = -𝑉 𝑠 /2, 𝑉 𝑏𝑜 = 𝑉 𝑠 /2 & 𝑉 𝑐𝑜 = 0

Vì vậy, đối với 240 đến 300: 𝑉 𝑎𝑜 = -𝑉 𝑠 /2, 𝑉 𝑏𝑜 = 0 & 𝑉 𝑐𝑜 = 𝑉 𝑠 /2

Vì vậy, đối với 300 đến 360: 𝑉 𝑎𝑜 = 0, 𝑉 𝑏𝑜 = -𝑉 𝑠 /2 & 𝑉 𝑐𝑜 = 𝑉 𝑠 /2

9 Tổng hợp các hiệu điện thế đã tính toán ở trên, ta vẽ ra hình sau:

Hình 2.5 Dòng điện ba pha [5]

Có thể thấy trong hình 2.11 đầu ra của trường hợp chuyển mạch 120º, chúng ta đã đạt được điện áp ba pha xoay chiều ở ba đầu ra Mặc dù dạng sóng đầu ra không phải là sóng hình sin thuần túy, nhưng nó giống với dạng sóng điện áp ba pha.

Điều chế độ rộng xung PWM (Pulse-width modulation)

2.4.1 Khái niệm Điều chế độ rộng xung (PWM) là một phương pháp kiểm soát công suất trung bình do tín hiệu điện cung cấp Giá trị trung bình của điện áp (và dòng điện) cung cấp cho tải được kiểm soát bằng cách chuyển đổi nguồn cung cấp từ 0 đến 100% với tốc độ nhanh hơn tốc độ tải thay đổi đáng kể Công tắc bật càng lâu thì tổng công suất cung cấp cho tải càng cao

PWM đặc biệt phù hợp để chạy các tải quán tính như động cơ, vốn không dễ bị ảnh hưởng bởi chuyển mạch rời rạc này Mục tiêu của PWM là kiểm soát tải; tuy nhiên, tần số chuyển mạch PWM phải được lựa chọn cẩn thận để thực hiện điều đó một cách trơn tru Tần số chuyển đổi PWM có thể thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào tải và ứng dụng Việc chọn tần số chuyển đổi quá cao cho ứng dụng dẫn đến việc kiểm soát tải trơn tru, nhưng có thể gây ra lỗi sớm cho các thành phần điều khiển cơ học Việc chọn tần số chuyển đổi quá thấp cho ứng dụng sẽ gây ra dao động trong tải Ưu điểm chính của PWM là tổn thất điện năng trong các thiết bị chuyển mạch là rất thấp Khi tắt công tắc, thực tế không có dòng điện và khi bật công tắc và nguồn điện được truyền đến tải, hầu như không có hiện tượng sụt áp trên công tắc Tổn thất điện năng, là sản phẩm của điện áp và dòng điện, do đó trong cả hai trường hợp đều gần bằng không [6]

Thuật ngữ chu kỳ nhiệm vụ mô tả tỷ lệ thời gian 'bật' với khoảng thời gian hoặc 'khoảng thời gian' thông thường; một chu kỳ làm việc thấp tương ứng với công suất thấp, bởi vì nguồn điện bị tắt trong phần lớn thời gian Chu kỳ hoạt động được thể hiện bằng phần trăm, 100% được bật hoàn toàn Khi tín hiệu kỹ thuật số bật một nửa thời gian và tắt trong nửa thời gian còn lại, tín hiệu kỹ thuật số có chu kỳ hoạt động là 50% và giống như sóng "vuông" Khi tín hiệu kỹ thuật số dành nhiều thời gian ở trạng thái bật hơn trạng thái tắt, nó có chu kỳ hoạt động >50% Khi tín hiệu kỹ thuật số dành nhiều thời gian ở trạng thái tắt hơn trạng thái bật, nó có chu kỳ nhiệm vụ 500) { delayMicroseconds(i); bldc_move(); bldc_step++; bldc_step %= 6; i = i - 20;

} motor_speed = PWM_START_DUTY;

ACSR |= 0x08; // Enable analog comparator interrupt while(!(digitalRead(SPEED_UP)) && motor_speed < PWM_MAX_DUTY){ motor_speed++;

SET_PWM_DUTY(motor_speed); delay(100);

} while(!(digitalRead(SPEED_DOWN)) && motor_speed > PWM_MIN_DUTY){ motor_speed ;

SET_PWM_DUTY(motor_speed); delay(100);

// BEMF detection void BEMF_A_RISING(){

ADCSRB = (0