3. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
3.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp
Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ cả trên và dưới định mức. Tuy nhiên do cách điện của thiết bị thường chỉ tính toán cho điện áp định mức nên thường giảm điện áp U. Khi U giảm thì n0 giảm nhưng ∆n là const nên tốc độ n giảm. Vì vậy thường chỉ điều chỉnh tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức. Còn nếu lớn hơn thì chỉ điều chỉnh trong phạm vi rất nhỏ.Đặc điểm quan trọng của phương pháp là khi điều chỉnh tốc độ thì mô men không đổi vì từ thông và dòng điện phần ứng đều không thay đổi (M = CM. θ. Iư).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 chỉ dùng cho động cơ điện một chiều kích thích độc lập hoặc song song làm việc ở chế độ kích từ độc lập.Điều chỉnh động cơ DC bằng PWM chính là sử dụng phương pháp này
4. CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỘNG CƠ
1.Chỉ tiêu kỹ thuật
• Động cơ được chọn phải thích ứng với môi trường làm việc:
• Tuỳ theo môi trường: khô - ướt, sạch - bẩn, nóng - lạnh, hoá chất ăn mòn, dễ nổ, ..., mà chọn các động cơ kiểu: hở - kín, chống nước, chống hoá chất, chống nổ, nhiệt đới hoá, ...
• Động cơ được chọn phải thoả mãn điều kiện phát nóng khi làm việc bình thường cũng như khi quá tải (đây là điều kiện cơ bản)
• Động cơ được chọn phải đảm bảo tốc độ yêu cầu: tốc độ định mức, có điều chỉnh tốc độ hay không, phạm vi điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh trơn hay điều chỉnh có cấp.
• Chọn loại động cơ thông dụng hay động cơ có điều chỉnh tốc độ. ... n (vòng/phút) M(Iư) 4 2 3 1 (Uđm) Mđm(Iđm)
CHƯƠNG 3-NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ DC BẰNG PWM 1.Giới thiệu về PWM
Phương pháp điều chế PWM ( Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đếm sự thay đổi điện áp ra
Để dễ hiểu hơn ta có hình vẽ sau :
Sơ đồ trên là dạng xung điều chế trong 1 chu kì thì thời gian xung lên (Sườn dương) nó thay đổi dãn ra hoặc co vào. Và độ rộng của nó được tính bằng phần trăm tức là độ rộng của nó được tính như sau :
độ rộng = (t1/T).100 (%)
Như vậy thời gian xung lên càng lớn trong 1 chu kì thì điện áp đầu ra sẽ càng lớn. Nhìn trên hình 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.
2. Nguyên lý của PWM.
Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn tới tải và một cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt. Phần tử thực hiện nhiện vụ đó trong mạch các van bán dẫn.
Trên là mạch nguyên lý điều khiển 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 0 - to ta cho van G mở toàn bộ điện áp nguồn Ud được đưa ra tải. Còn trong khoảng thời gian to - T cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải. Vì vậy với to 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 :
Gọi to là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở )còn T là thời gian của cả sườn âm và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải.
==> Ud = Umax.( t1/T) (V) hay Ud = Umax.D với D = t1/T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng %
Như vậy ta nhìn trên hình đồ thị dạng điều chế xung thì ta có : Điện áp trùng bình trên tải sẽ là :
+ Ud = 12.20% = 2.4V ( với D = 20%) + Ud = 12.40% = 4.8V (Vói D = 40%) + Ud = 12.90% = 10.8V (Với D = 90%)
này thì độ rộng xung đầu ra được điều chỉnh theo phương pháp so sánhĐể 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 mạch sau :
Chúng 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 Urmax
Và cứ như vậy mỗi khi chúng ta thay đổi Ref thì Output lại có chuỗi xung độ rộng D thay đổi với tần số xung vuông Output = tần số xung răng cưa Saw.
4.Ưu nhược điểm của mạch PWM dùng làm mạch điều khiển động cơ DC:
Ưu điểm:
- Transistor 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 quay nhanh hơn khi cấp chuỗi xung điều chế theo kiểu PWM so với khi cấp một điện áp tương đương với điện áp trung bình của chuỗi xung PWM.
- Cần các mạch điện tử bổ trợ - giá thành cao
- Các xung kích lên 12 Volt có thể gây nên tiếng ồn nếu mô tơ không được gắn chặt và tiếng ồn này sẽ tăng lên nếu gặp phải trường hợp cộng hưởng của vỏ.
- Ngoài ra việc dùng chuỗi xung điều chế PWM có thể làm giảm tuổi thọ của mô tơ.
CHƯƠNG 4.PHÂN TÍCH SỰ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH THIẾT KẾ
SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH ĐIỀU KHIỂN
mạch lặp Tạo xung vuông Tạo xung răng cưa Mạch so sánh Van động lực
Hoạt động của từng khối :
1. Mạch lặp :
Mạch lặp có chức năng ổn định điện áp đầu ra lấy từ cầu phân áp đưa vào đầu vào không đảo của ic khuếch đại thuật toán .Ta có:
Vout=[R2/(R1+R2)]*Vin R1=R2=100K nên :
Vout=[R2/2R2]*Vin =Vin/2=24v/2v=12V
Hình IV.1.a hình IV.1.b
Tạo điện áp tam giác bằng cách tích phân xung vuông ở OA1 như hình IV.1.a .Xung vuông có thể tạo bằng nhiều cách khác nhau . Tích phân xung này chính là quá trình nạp,xả tụ .Nếu điện áp vào khâu tích phân không đối xứng có thể xuất hiện sai số đáng kể .
Điện áp răng cưa trên hình IV.1.b mang tính phi tuyến cao .Điện áp răng cưa sẽ nhận được tuyến tính hơn khi sử dụng sơ đồ hình IV.1.a .Khuếch đại OA 1 có hồi tiếp dương bằng điện trở R3,đầu ra có trị số điện áp nguồn và dấu phụ thuộc hiệu điện áp hai cổng V+ và V- .
Đầu vào V+ có hai tín hiệu : một tín hiệu không đổi lấy từ đầu ra của OA 1,một tín hiệu biến thiên lấy từ đầu ra của OA 4 .Điện áp chuẩn so sánh để quyết định đổi dấu điện áp ra của OA 1 là trung tính vào V- .Giả sử đầu ra của OA 1 dương U1 > 0 khuếch đại OA 2 ,tích phân đảo dấu cho điện áp có phần đi xuống của điện áp răng cưa .Sườn đi xuống của điện áp tựa tới lúc điện áp vào R3,R5 trái dấu ,tới khi nào V+ = 0 đầu ra của OA 1 đổi đấu thành âm .Chu kỳ điện áp ra của OA 1 cứ luân phiên đổi dấu như vậy cho ta điện áp ra như hình IV.1.b.
Tần số của điện áp răng cưa được tính :
Bằng cách chọn các trị số của điện trở và tụ điện ta có được điện áp tựa có tần số như mong muốn .
3. Khâu so sánh điện áp:
Khâu so sánh điện áp
Hình IV.2
Tương tự như các mạch so sánh thường gặp .Khâu so sánh của PWM báo hiệu sự cân bằng giữa điện áp cần so sánh và điện áp chuẩn từ đó xác định thời điểm mở và khóa van bán dẫn .Đầu vào của khâu này gồm có hai tín hiệu : điện áp tựa(điện áp răng cưa) và điện áp một chiều làm điện áp điều khiển như trên hình IV.2.
Từ hình IV.2 thấy rằng trong mỗi chu kỳ điện áp tựa(điện áp răng cưa) có hai thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển .Tại các thời điểm đó đầu ra của khâu so sánh đổi đấu điện áp .Chẳng hạn điện áp đang ở mức âm sẽ chuyển xuống mức dương và ngược lại .Tương ứng với các thời điểm đột biến điện áp đầu ra của khâu so sánh
Van động lực được dùng trong sơ đồ này là loại transistor trường hay MOSFET có tên là IRF 540 .Nó là MOSFET loại N (N-CHANNEL) có thể chịu được dòng lên đến 25A và tần số đóng ngắt rất cao (1MHz).Nó dùng để đóng ngắt và khuếch đại điện áp cung cấp cho động cơ DC.Xung điện áp được đưa vào qua chân G của IRF 540,giả sử ban đầu xung điện áp có điện áp >0 IRF dẫn => có điện áp đầu ra,tại thời điểm thứ 2 xung điện áp có giá trị =0 IRF khóa điện áp đầu ra là =0 và cứ như vậy tạo ra điện áp đầu ra có dạng xung vuông. Một số thông số cơ bản của IRF 540 :
Thông số Min Max Đơn vị Điều kiện VDSS Điện áp đánh thủng 100 --- V VGS = 0V, ID = 250µA RDS(on) Điện trở cực DS --- 44 mΩ VGS= 10V, ID = 16A VSD Điện áp
trước diot --- 1,2 V IS = 16A, VGS = 0V VGS Điện áp cực cửa Gate 2.0 4.0 V VDS=VGS, ID = 250µA IDS Dòng D-S cực đại --- 33 A --- P Công suất cực đại --- 130 W ---
Các thông số trong mạch:
Tên linh kiện Thông số Loại linh kiện Số lượng
R1-R4 100K-1/4W Resistor 4 R5 47K-1/4W Resistor 1 R6-R7 3,3K-1/4W Resistor 2 R8 2,7K-1/4W Resistor 1 R9 470 Ω-1/4W Resistor 1 VR1 10K Variable resistor 1 C1 0,01μF-25V Ceramic disk capacitor 1 C2-C5 0,1 μF-50V Ceramic disk capacitor 4
LED Led red 1
D1 1N4004 Silicon diode 1
Q1 IRF 540 N channel
Tài liệu tham khảo:
1.Điện tử công suất –Nguyễn Bính,Đỗ Công Thắng và Nguyễn Phương Thảo(Nhà xuất
bản khoa học kỹ thuật)
2.Truyền động điện-Bùi Quốc Khánh,Nguyễn Văn Liễn(Nhà xuất bản khoa hoc kỹ thuật)
3.Máy điện tập 1,2,3-Nguyễn Khánh Hà,Vũ Gia Hanh,Nguyễn Duy Bình(Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật)
4.Kỹ thuật điện tử-Đỗ Xuân Thụ(Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật) Một số website:
www.tailieu.vn
www.baigiang.violet.vn www.wikipedia.com