Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bằng NE555

Chúng em muốn được tiếp cận và hiểu sâu hơn nữa bộ môn điện tửcông suất và truyền động điện .Vì vậy, đồ án môn học chế tạo sản phẩm là điều kiện tốtgiúp chúng em kiểm chứng được lý t

M c l c ụ ụ

Lời nói đầu 2

Chương I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3 1.1 Động cơ điện 1 chiều 31.1.1 Khái niệm3

2.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều 3

1.1.3 Mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ 6

1.2 Phương pháp PWM 101.2.1 Giới thiệu về phương pháp PWM 10

1.2.2 Nguyên lý của phương pháp PWM 11

1.2.3 Các cách để tạo ra được PWM để điều khiển 12

1.2.4 Một vài ứng dụng nổi bật của PWM 14

1.3 Bộ biến đổi xung áp 1 chiều 161.3.1 Đặt vấn đề 16

1.3.2 Nguyên lí chung của bộ biến đổi xung áp một chiều 16

1.3.3 Các dạng băm xung cơ bản 18

CHƯƠNG II : MỘT SỐ LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH 23 2.1 IC 555 232.1.1 Sơ lược về IC 555 23

2.1.2 Cầu tạo và nguyên lý hoạt động của IC 555 25

2.1.3 Công thức tính tần số điều chế độ rộng xung của IC 555 28

Hình 2.1.3.a – Sơ đồ mạch tạo dao động cơ bản của IC 555 28

2.1.4 Một số ứng dụng của IC 555 29

2.2 MOSFET IRF540 30

2.2.1 Sơ lược về MOSFET 30

2.2 OPTO PC817 32

Chương III – THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH 33

3.1 Sơ đồ khối 33

3.2 Khối nguồn 33

3.2.1.Khối nguồn I 33 3.2.2 Khối nguồn II 35 3.3 Khối tạo PWM 36

3.4 Khối cách ly và bộ biến đổi 37 3.5 Chế tạo mạch 40

Tài liệu tham khảo 44

Lời nói đầu

Điện tử công suất và truyền động điện là một môn học hay và lý thú, cuốn hút được nhiềusinh viên theo đuổi Chúng em muốn được tiếp cận và hiểu sâu hơn nữa bộ môn điện tửcông suất và truyền động điện Vì vậy, đồ án môn học chế tạo sản phẩm là điều kiện tốtgiúp chúng em kiểm chứng được lý thuyết đã được học Trong đồ án điện tử công suất và

truyền động điện lần này, chúng em đã được nhận đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng bộ biến đổi xung áp” Sau thời gian nghiên cứu, chúng

em đã chế tạo thành công bộ điều khiển điện áp một chiều đáp ứng được cơ bản yêu cầucủa đề tài

Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, chúng em đã gặp một số vướng mắc về lý thuyết vàkhó khăn trong việc thi công sản phẩm Tuy nhiên, chúng em đã nhận được sự giải đáp và

hướng dẫn kịp thời của thầy “Nguyễn Viết Ngư” Được như vậy chúng em xin chân

thành cảm ơn và mong muốn nhận được nhiều hơn nữa sự giúp đỡ, chỉ bảo của thầy côgiáo trong các đồ án sau này

Do kiến thức hạn chế nên trong quá trình thực hiện đồ án chúng em không thể tránh khỏisai sót, mong quý thầy cô trong hội đồng bảo vệ bỏ qua và có những đóng góp ý kiến đểchúng em có thể hoàn thiện đồ án của mình tốt hơn nữa

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Chương I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Động cơ điện 1 chiều

1.1.1 Khái niệm

Động cơ điện nói chung và động cơ điện 1 chiều nói riêng là thiết bị điện từ quay, làm việctheo nguyên lý điện từ Khi đặt vào trong từ trường 1 dây dẫn cho dòng điện chạy qua dâydẫn thì từ trường sẽ tác dụng lực từ vào dòng điện (vào dây dẫn ) và làm dây dân chuyểnđộng Động cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng

2.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều

Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên nguyên lý của hiện tượng cảm ứng điện từ

Hình 1.1.2.a - Cấu tạo động cơ điện một chiều

Như ta đã biết thanh dẫn có dòng điện đặt trong từ trường sẽ chịu tác dụng lực từ Vì vậy khicho dòng điện một chiều đi vào chổi than A và đi ra ở chổi than B thì các thanh dẫn sẽ chịutác dụng của lực từ Bên cạnh đó do dòng điện chỉ đi vào thanh dẫn nằm dưới cực N và đi ra

ở các thanh dẫn chỉ nằm trên cực S nên dưới tác dụng của từ trường lên các thanh dẫn sẽ sinh

ra mô men có chiều không đổi và làm cho roto của máy quay

I

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từmắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từđộc lập

Để tiến hành mở máy, đặt mạch kích từ vào nguồn U kt, dây cuốn kích từ sinh ra từ thông

Φ Trong tất cả các trường hợp, khi mở máy bao giờ cũng phải đảm bảo có Φ max tức là

phải giảm điện trở của mạch kích từ R kt đến nhỏ nhất có thể Cũng cần đảm bảo không

xảy ra đứt mạch kích thích vì khi đó Φ = 0, M = 0, động cơ sẽ không quay được, do đó E ư

= 0 và theo biểu thức U = E ư + R ư I ư thì dòng điện I ư sẽ rất lớn làm cháy động cơ Nếu

mômen do động cơ điện sinh ra lớn hơn mômen cản (M > M c) rôto bắt đầu quay và suất

điện động E ư sẽ tăng lên tỉ lệ với tốc độ quay n Do sự xuất hiện và tăng lên của E ư, dòng

điện I ư sẽ giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm hơn

* Cấu tạo chung :

Phần động cơ điện một chiều bao gồm hai phần chính là:

Phần tĩnh: Stato

Phần quay: Roto

* Stato :

Stato gọi là phần cảm gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy Gắn với

stato là các cực từ chính có dây quấn kích từ Phần tĩnh bao gồm các bộ phận sau: cực từ

Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọccách điện thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt lên trên các cực từ Các cuộndây này được nối nối tiếp với nhau

b Cực từ phụ

Cực từ phụ được đặt giữa các cực tù chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép củacực tù phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn, mà cấu tạogiống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ nhờ các bulông

c Gông từ

Gông từ được dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ , đồng thời làm vỏ máy

d Các bộ phận khác

Ngoài ba bộ phận chính trên còn có các bộ phận khác như : Nắp máy, cơ cấu chổi than

-Nắp máy : Để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hỏng dây quấn hay an toàncho người khỏi chạm phải điện

-Cơ cấu chổi than : Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi than gồm cóchổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than đượccố định lên giá chổi than và cách điện với giá đó Giá chổi có thể quay được để đưa vị tríchổi than đúng chỗ

Để tránh khi bị văng ra do sức li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc phải đai chặt dây quấn Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay ba-ke-lit

c Cổ góp

Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều Cổ góp có nhiều phiến đồng có đuôi nhạn cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một trụ tròn Hai đầu trụ tròn dùng hai vành ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành góp có cao hơn một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng

d Các bộ phận khác

Cánh quạt: dùng dể quạt gió làm nguội động cơ Động cơ điện một chiều thường được chếtạo theo kiểu bảo vệ Ở hai đầu nắp động cơ có lỗ thông gió Cánh quạt lắp trên trục động cơ Khi động cơ quay, cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ Gió đi qua vành góp, cực từ, lõisắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội động cơ

Trục máy: trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục động cơ thường được làm bằng thép cácbon tốt

1.1.3 Mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ

a Mở máy động cơ điện một chiều

Phương trình cân bằng điện áp :

Để giảm dòng điện mở máy, dùng các biện pháp :

- Dùng biến trở mở máy R Mở

- Giảm điện áp đặt vào phần ứng

* Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình tính tốc độ động cơ sau:

với

Hay :

Từ hai phương trình trên ta thấy n (tốc độ của động cơ) phụ thuộc vào Φ (từ thông), Rư (điệntrở phần ứng), Uư (điện áp phần ứng) Vì vậy để điều chỉnh tốc độ của động cơ điện mộtchiều ta có ba phương án

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Φ

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi bằng cách thay đổi điện trở phụ R f trên mạch phần ứng

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng U ư

Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện một chiều nhưng chỉ cóphương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phầnứng của động cơ là tốt nhất và hay được sử dụng nhất vì nó thu được đặc tính cơ có độ cứngkhông đổi và bằng với độ cứng của đặc tính cơ tự nhiên (đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng làlớn nhất), điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không bị hao tổn

Vì vậy trong đồ án này em chỉ giới thiệu phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện mộtchiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ cả trên và dưới định mức Tuy nhiên do cáchđiện của thiết bị thường chỉ tính toán cho điện áp định mức nên thường giảm điện áp phầnứng Uư Khi Uư giảm thì n0 giảm nhưng ∆n là không đổi nên tốc độ n giảm Vì vậy thườngchỉ điều chỉnh tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức Còn nếu lớn hơn thì chỉ điều chỉnh trongphạm vi rất nhỏ

Hình 1.1.3.a – Sơ đồ khốiĐặc điểm quan trọng của phương pháp là khi điều chỉnh tốc độ thì mô men không đổi vì từthông và dòng điện phần ứng đều không thay đổi :

Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ trong giới hạn 1:10, thậm chí cao hơn nữa có thể

đến 1:25 Phương pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng không đổi,

bằng với độ cứng đặc tính cơ tự nhiên

Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệ thống, do đó có thể nóiphương pháp này điều khiển là triệt để

Dải điều chỉnh tốc độ của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản, là đặc tính ứng với điện ápđịnh mức và từ thông định mức Tốc độ nhỏ nhất của dải điều khiển bị giới hạn bởi yêu cầu

về sai số tốc độ và mômen khởi động Khi mômen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất vànhỏ nhất của tốc độ là:

Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắnmạch là :

Trong đó KM là hệ số quá tải về mômen Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song songnhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết :

Từ đó suy ra :

Với xác định ở mỗi máy, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của

độ cứng β Khi điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ điện một chiều bằng các thiết bị

nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng 2 lần điện trở phần ứng động

cơ Do đó có thể tính sơ bộ được :

Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ động cơ không vượt quá 10 khi tải có đặc tính mômenkhông đổi

Phương pháp chỉ dùng cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc song song làm việc ởchế độ kích từ độc lập

Điều chỉnh động cơ điện một chiều chính là sử dụng phương pháp này

Hình 1.1.3.b - Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi thay đổi điện áp

Kết luận : Trong đồ án này em sử dụng phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng của động cơ vì nó thu được đặc tính cơ có độcứng không đổi (và là đặc tính cơ có độ cứng lớn nhất)

1.2 Phương pháp PWM

1.2.1 Giới thiệu về phương pháp PWM

Phương pháp điều chế PWM (viết đầy đủ là Pulse Width Modulation) là phương pháp điềuchỉnh điện áp ra tải hay nói chính xác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộngcủa chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay đổi điện áp ra

Sử dụng PWM điều khiển nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa nó còn được dùng đểđiều khiển ổn định tốc độ động cơ Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM còntham gia và điều chế các mạch nguồn như là : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha Trênthực tế phương pháp PWM còn được ứng dụng trong nhiều mạch điều khiển khác Điều đặcbiệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặc tính làtuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định

Các xung PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dươnghoặc là sườn âm

Hình 1.2.1.a - Dạng xung PWMTrong sơ đồ trên, trong một chu kỳ thì những xung PWM khác nhau có thời gian đạt trạngthái “1” (xung dương) khác nhau, độ rộng xung PWM được tính theo tỉ lệ phần trăm giữathời gian xung dương và thời gian của một chu kỳ Độ rộng xung PWM được tính như sau : PWM% = (t1/T) *100 (%)

Như vậy thời gian xung lên càng lớn trong 1 chu kì thì điện áp đầu ra sẽ càng lớn Nhìn trênhình vẽ trên thì ta tính được điện áp ra tải sẽ là :

+ Đối với PWM = 25% ==> Ut = Umax (t1/T) = Umax 25% (V)

+ Đối với PWM = 50% ==> Ut = Umax 50% (V)

+ Đối với PWM = 75% ==> Ut = Umax 75% (V)

Cứ như thế ta tính được điện áp đầu ra tải với bất kì độ rộng xung nào

Bây giờ ta sẽ xem xét những ưu và nhược điểm khi sử dụng PWM để điều khiển động cơ

a Ưu điểm

- Van công suất ở lối ra chỉ có duy nhất hai trạng thái (ON hoặc OFF) do đó loại bỏ được

mất mát về năng lượng đốt nóng hay năng lượng rò rỉ tại lối ra

- Dải điều khiển rộng hơn so với mạch điều chỉnh tuyến tính

- Tốc độ mô tơ cao hơn khi cấp chuỗi xung điều chế theo kiểu PWM so với khi cấp mộtđiện áp tương đương với điện áp trung bình của chuỗi xung PWM

- Ngoài ra việc dùng chuỗi xung điều chế PWM có thể làm giảm tuổi thọ của mô tơ

1.2.2 Nguyên lý của phương pháp PWM

Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn tới tải và một cách cóchu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt Phần tử thực hiện nhiệm vụ đó trong mạchcác van bán dẫn

Xét hoạt động đóng cắt của một van bán dẫn Dùng van đóng cắt bằng Mosfet

Hình 1.2.2.a - Sơ đồ đóng ngắt nguồn với tải

Hình 1.2.2.b - Đồ thị xung của van điều khiển và đầu raBên trên là mạch nguyên lý điều khiển điện áp trên tải bằng PWM và giản đồ xung của chân điều khiển và dạng điện áp đầu ra khi dùng PWM

* Nguyên lý :

Trong khoảng thời gian từ 0 đến t0 ta cho van G mở, toàn bộ điện áp nguồn U được đưa ratải Còn trong khoảng thời gian từ t0 đến T cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải Vìvậy với t0 thay đổi từ 0 cho đến T ta sẽ cung cấp toàn bộ , một phần hay khóa hoàn toàn điện

áp cung cấp cho tải

Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :

=

Với : t0 là thời gian xung dương (khóa đóng)

T là thời gian của cả sườn âm và dương

U là điện áp nguồn cung cấp cho tải

D = t0/T là độ rộng xung PWM và được tính bằng %

1.2.3 Các cách để tạo ra được PWM để điều khiển

Để tạo được ra PWM thì hiện nay có hai cách thông dụng : Bằng phần cứng và bằng phần mềm Trong phần cứng có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay là từ trực tiếp từ các IC daođộng tạo xung vuông như : NE555, LM555 Trong phần mềm được tạo bằng các chip có thể lập trình được Tạo bằng phần mềm thì độ chính xác cao hơn là tạo bằng phần cứng Nênngười ta hay sử dụng phần mềm để tạo PWM

a Tạo PWM bằng phương pháp so sánh

Để tạo được bằng phương pháp so sánh thì cần 2 điều kiện sau đây :

- Tín hiệu răng cưa : Xác định tần số của PWM

- Tín hiệu tựa là một điện áp chuẩn xác định mức công suất điều chế (Tín hiệu DC)

Xét sơ đồ sau:

Hình 1.2.3.a - Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánhChúng ta sử dụng một bộ so sánh điện áp 2 đầu vào là 1 xung răng cưa (Saw) và 1 tín hiệu 1 chiều (Ref)

+ Khi Saw < Ref thì cho ra điện áp là 0V

+ Khi Saw > Ref thì cho ra điện áp là U

Và cứ như vậy mỗi khi chúng ta thay đổi Ref thì Output lại có chuỗi xung độ rộng D thay đổivới tần số xung vuông Output bằng tần số xung răng cưa Saw

b Tạo PWM bằng phương pháp dùng IC dao động

Hình 1.2.3.b - Mạch tạo xung đơn giản dùng NE555

Như chúng ta đã biết thì có rất nhiều IC có thể tạo được trực tiếp ra xung vuông mà khôngcần phải tạo tín hiệu tam giác làm gì vì trong đó nó đã tích hợp sẵn hết cả rồi và ta chỉ việclắp vào là xong Em lấy ví dụ dùng dao động IC555 vì con IC này vừa đơn giản lại dễ kiếm Với tần số xác định được là f = 1/(ln C1 (R1+2R2) nên chỉ cần điều chỉnh R2 là có thể thayđổi độ rộng xung dễ dàng Ngoài 555 ra còn rất nhiều các IC tạo xungvuông khác

c Tạo PWM bằng phần mềm

Đây là cách tôi ưu trong các cách để tạo được xung vuông Với tạo bằng phần mềm cho độchính xác cao về tần số và PWM Mạch của chúng ta cũng đơn giản đi rất nhiều Xung nàyđược tạo dựa trên xung nhịp của CPU Tuy nhiên do kỹ năng và kinh nghiệm còn hạn chếnên chúng em không sử dụng phương pháp này

1.2.4 Một vài ứng dụng nổi bật của PWM

a PWM trong điều khiển động cơ

Điều mà chúng ta dễ nhận thấy rằng là PWM rất hay được sử dụng trong động cơ để điềukhiển động cơ như là nhanh , chậm, thuận ,nghịch và ổn định tốc độ cho nó Cái này đượcứng dụng nhiều trong điều khiển động cơ 1 chiều, và sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiểnđộng cơ DC là :

Hình 1.2.4.a - Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển động cơ DCĐây là mạch đơn giản điều khiển động cơ Nếu muốn điều khiển động cơ quay thuận quayngược thì phải dùng đến cầu H hay muốn ổn định tốc độ thì cần các bộ lọc hỗ trợ

b Trong các bộ biến đổi xung áp

Trong các bộ biến đổi xung áp thì PWM đặc biệt quan trọng trong việc điều chỉnh dòngđiện và điện áp ra tải Bộ biến đổi xung áp có nhiều loại như là biến đổi xung áp nối tiếp

và bộ biến đổi xung áp song song Lấy 1 mạch nguyên lý đơn giản trong bộ nguồn Boost(mạch xung áp song song) đơn giản Đây chỉ là mạch nguyên lý

Hình 1.3.4.b - Sơ đồ mạch nguyên lý của mạch nguồn Boot

Đây là nguyên lý của mạch nguồn Boot Van công suất IGBT được điều khiển để tạo tích lũynăng lượng từ trường từ đó tạo điện áp ra tải lớn hơn điện áp vào

Ngoài những bộ biến đổi trên thì PWM còn được sử dụng trong các bộ chuyển đổi DC -AC , hay trong biến tần và nghịch lưu

1.3 Bộ biến đổi xung áp 1 chiều

1.3.1 Đặt vấn đề

Các bộ biến đổi điện áp một chiều dùng để biến đổi điện áp hiệu dụng đặt lên tải Nguyên lýcủa bộ biến đổi này là dùng các phần tử van bán dẫn nối tải với nguồn trong một khoảng thờigian t1 rồi lại cắt đi trong một khoảng thời gian t0 theo một chu kỳ lặp lại T Bằng cách thayđổi độ rộng của t1 hay t0 trong khoảng T ta thay đổi được giá trị điện áp trung bình ra trên tải Nguyên lý này có ưu điểm là điều chỉnh điện áp ra trong một phạm vi rộng và vô cấp, hiệusuất cao vì tổn thất trên các phân tử điện tử công suất rất nhỏ

Phân loại: Có nhiều cách phân loại các bộ biến đổi xung áp môt chiều, tuỳ thuộc vào cáchmắc khoá điện từ song song hay nối tiếp mà người ta chia các bộ biến đổi xung áp thành nốitiếp hay song song Cũng có thể phân biệt bộ biến đổi tuỳ thuộc vào điện áp ra, ví dụ như bộbiến đổi xung áp có bộ biến đổi xung áp có điện áp ra nhỏ hơn điện áp vào, còn bộ biến đổixung áp có bộ biến đổi xung áp có điện áp ra lớn hơn điện áp vào Tuỳ thuộc vào dấu điện áp

mà người ta chia ra: bộ biến đổi xung áp không đảo chiềuhoặc bộ biến đổi xung áp có đảochiều

1.3.2 Nguyên lí chung của bộ biến đổi xung áp một chiều

Hình 1.3.2.a- Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung

BX DC có chức năng biến đổi điện áp một chiều, nó có ưu điểm là có thể thay đổi điện áptrong một phạm vi rộng mà hiệu suất của bộ biến đổi cao và tổn thất của bộ biến đổi chủ yếutrên các phần tử đóng cắt rất nhỏ

So với các phương pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiềunhư phương pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát một chiều, bằng bộ biến đổi cókhâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lưu có điều khiển thì phương pháp dùng mạchbăm xung có nhiều ưu điểm đáng kể : điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm năng

lượng, kinh tế và hiệu quả cao, đồng thời đảm bảo được trạng thái hãm tái sinh của động cơ Cùng với sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi các linh kiện bán dẫn công suất lớn đãtạo nên các mạch băm xung có hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độ nhạy cao, điều khiển trơn tru,chi phí bảo trì thấp, kích thước nhỏ Mạch băm xung đặc biệt thích hợp với các động cơ mộtchiều công suất nhỏ

Điện thế trung bình đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn mặc dù điện thế đầu vào

có thể là hằng số (ắc qui, pin) hoặc biến thiên (đầu ra của chỉnh lưu), tải có thể thay đổi Vớimột giá trị điện thế vào cho trước, điện thế trung bình đầu ra có thể điều khiển theo hai cách :

-Thay đổi độ rộng xung

-Thay đổi tần số băm xung

* Nguyên lý: Nguyên lý chung là biến đổi giá trị của điện áp một chiều ở các mức khác

nhau

Hình 1.3.2.b - Sơ đồ Hình 1.3.2.c - Dạng sóng

a Phương pháp thay đổi độ rộng xung

Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T Giá trị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là :

1 d

 

là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳNhư vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 < 1)

b Phương pháp thay đổi tần số xung

Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1 = const Khi đó:

Vậy : Ud = U khi và Ud = 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

c Kết luận

Ở đây ta chọn cách thay đổi độ rộng xung, phươg pháp này gọi là PWM (Pulse WidthModulation), theo phương pháp này tần số băm xung sẽ là hằng số Việc điều khiển trạngthái đóng mở của van dựa vào viêc so sánh một điện áp điều khiển với một sóng tuần hoàn(thường là dạng tam giác (Sawtooth)) có biên độ đỉnh không đổi Nó sẽ thiết lập tần số đóngcắt cho van, tần số đóng cắt này là không đổi với dải tẩn từ 2kHz đến 200kHz Khi Ucontrol >

Ust thì cho tín hiệu điều khiển mở van, ngược lại khóa van

Hình 1.3.2.d -Dạng sóng sau khi sử dụng phương pháp PWM

1.3.3 Các dạng băm xung cơ bản

Dựa vào cách mắc khoá xung, các bộ lọc và nguồn cung cấp mà có các dạng sơ đồ:

a Xung áp đảo dòng

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.3.3.a - Sơ đồ nguyên lý xung áp đảo dòng lớp B

Tải là phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập đã được thay bởi mạch tương đương

R-L-E

* Nguyên lý hoạt động

Chế độ động cơ:

Trong khoảng 0 ≤ t ≤ , động cơ được nối nguồn qua , điện áp đặt lên động cơ là U

Trong khoảng ≤ t ≤T, S1ngắt, động cơ được nối ngắn mạch qua D2, điện áp đặt lên động

Công suất lúc này được tích luỹ trong cuộn cảm L Khi S2 ngắt, trên điện cảm L sinh ra sứcđiện động tự cảm (UL) cùng chiều với E Tổng hai sức điện động này lớn hơn điện ápnguồn US làm D2 dẫn ngược dòng về nguồn và trả lại phần năng lượng đã tích luỹ trong cuộncảm 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

b Xung áp đảo áp

Hình 1.3.3.b - Sơ đồ nguyên lý xung áp đảo áp

S1,S2,S3,S4 là các van điều khiển hoàn toàn Trong sơ đồ này cho phép điều chỉnh và đảochiều quay của động cơ một cách linh hoạt, đặc tính làm việc cả ở 4 góc phần tư Tuy nhiên,điều khiển các van sẽ rất phức tạp với nhiều phương pháp điều khiển như : điều khiển đốixứng, điều khiển không đối xứng, điều khiển hỗn hợp Trong đó phương pháp tối ưu nhất làđiều khiển không đối xứng Ở đây em không nghiên cứu sâu nên chỉ đưa ra biểu đồ xungtrong phương pháp điều khiển không đối xứng không đối xứng

c Xung áp song song (Bộ Boost)

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.3.3.d - Sơ đồ nguyên lý xung áp song song

HÌnh 1.3.3.e - Sơ đồ biểu diễn dạng sóng của điện áp ngõ ra, dòng Ic và It

U D

Đặc điểm của sơ đồ này là L mắc nối tiếp với tải, khoá K mắc song song với tải Cuộn cảm Lkhông tham gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trò này

Khi K đóng : dòng điện từ dương nguồn qua khóa K trở về âm nguồn Khi đó D tắt vì trên

tụ có Uc (đã được tích điện từ trước đó)

Khi K ngắt : dòng điện từ dương nguồn qua diode D rồi qua tải và trở về âm nguồn Vì từthông trong cuộn cảm L không giảm tức thời về không do đó trong L xuất hiện suất điện động

tự cảm : eL= , có cùng cực tính với U Do đó tổng điện áp: Ud = U+eL Như vậy ta có bộbiến đổi tăng áp

Đặc tính của bộ biến đổi này là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U ở chế độ liên tục và nănglượng truyền tải dưới dạng xung nhọn

Đặc tính truyền đạt: WI =

d Xung áp nối tiếp (Bộ Buck)

Sơ đồ nguyên lý:

Phần tử điều chỉnh quy ước là khoá K (thực tế là Tiristor hoặc Transistor) Đặc điểm của sơ đồ này là khoá K, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp Tải có tính chất cảm hoặc dung kháng Bộlọc L-C, Diode D mắc ngược Ud có tác dụng thoát để thoát dòng tải khi khoá K ngắt

Hình 1.3.3.f - Sơ đồ nguyên lý xung áp nối tiếp+ K đóng: Us được đặt vào đầu của bộ lọc Lý tưởng thì Utải=Us (nếu bỏ qua sụt áp trên cácvan)

+ K mở: Hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng điện itải do năng lượng tích luỹ trongcuộn cảm L và Ltải , dòng chạy qua D do đó Ura= Utải

Như vậy, Utải tb Us Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp