Động cơ điện xoay chiều một pha là động cơ điện xoay chiều không cổ góp được chạy bằng điện một pha. Loại động cơ điện này được sử dụng khá rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống như động cơ bơm nước, động cơ quạt, động cơ trong các hệ thống tự động… Khi sử dụng loại động cơ này người ta thường cần điều chỉnh tốc độ. Để điều khiển tốc độ động cơ một pha người ta có thể sử dụng các phương pháp sau: - Thay đổi số vòng dây của Stator.
- Mắc nối tiếp với động cơ một điện trở hay cuộn dây điện cảm. - Điều khiển điện áp đưa vào động cơ.
Trước đây điều khiển tốc độ động cơ bằng điều khiển điện áp xoay chiều đưa vào động cơ, người ta thường sử đụng hai cách phổ biến là mắc nối tiếp với tải một điện trở hay một điện kháng hoặc là điều khiển điện áp bằng biến áp như là các ổn áp. Chúng đều có nhược điểm là kích thước lớn và khó điều khiển liên tục khi dòng điện lớn.
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 16 Ngày nay với việc ứng dụng Tiristor và Triac vào điều khiển, người ta có thể điều khiển động cơ một pha bằng bán dẫn.
Hình 2.7: Sơ đồ mạch điều khiển quạt
Trong đó : T : Triac điều khiển điện áp trên quạt.
VR: Biến trở để điều chỉnh khoảng thời gian dẫn của Triac. R: Điện trở đệm.
D: Diac định ngưỡng điện áp để Triac dẫn.
C: Tụ điện tạo điện áp ngưỡng để mở thông Triac.
Điện áp và tốc độ của quạt có thể điều khiển bằng cách điều chỉnh biến trở VR. Tuy nhiên điều khiển này không triệt để vì ở vùng điện áp nhỏ khi Triac dẫn ít rất khó điều khiển.
Tốc độ quạy của quạt có thể được điều khiển cũng bằng biến trở VR. Khi điều chỉnh trị số VR ta điều chỉnh việc nạp tụ C lúc đó điều chỉnh được thời điểm mở thông Diac và thời điểm Triac dẫn. Như vậy Triac được mở thông khi điện áp trên tụ đạt điểm dẫn
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 17 thông Diac. Kết quả là muốn tăng tốc độ của quạt ta cần giảm điện trở của VR để tụ nạp nhanh hơn. Triac dẫn sớm hơn điện áp ra lớn hơn. Ngược lại điện trở của VR càng lớn tụ nạp càng chậm, Triac mở càng chậm lại điện áp và tốc độ của quạt giảm xuống. Có thể điều khiển liên tục tốc độ quạt, sử dụng cho các loại tải khác như điều khiển độ sáng của đèn sợi đốt, điều khiển bếp điện. Nhưng nếu chất lượng Triac hay Diac kém thì ở vùng tốc độ thấp quạt sẽ xuất hiện tiếng ù do thành phần một chiều của dòng điện.
2.3.2.1 Bộ điều áp xoay chiều một pha
Nguyên lý bộ điều áp xoay chiều một pha
Các bộ biến đổi điện áp xoay chiều dùng để biến đổi điện áp hiệu dụng đặt lên tải. Nguyên lý của bộ biến đổi này là dùng các phần tử van bán dẫn nối tải với nguồn trong một khoảng thời gian t1 rồi lại cắt đi trong một khoảng thời gian t0 theo một chu kỳ lặp lại T. Bằng cách thay đổi độ rộng của t1 hay t0 trong khoảng thời gian T ta thay đổi được giá trị điện áp trung bình trên tải. Nguyên lý này có ưu điểm là điều chỉnh điện áp ra trong một phạm vi rộng và vô cấp, hiệu suất cao vì tổn thất trên các phần tử điện tử công suất nhỏ. Điều áp xoay chiều thường được sử dụng trong điều khiển chiếu sáng, đốt nóng, trong khởi động mềm và điều chỉnh tốc độ quạt gió hoặc máy bơm.
Một số sơ đồ mạch động lực
Hình 2.8 giới thiệu một số mạch điều áp xoay chiều một pha.
Hình 2.8a là điều áp xoay chiều điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện kháng hay điện trở phụ (tổng trở phụ) biến thiên. Sơ đồ mạch điều chỉnh này đơn giản dễ thực hiện. Tuy nhiên, mạch điều chỉnh kinh điển này hiện nay ít được dùng, do hiệu suất thấp (nếu Zf là điện trở) hay cosφ thấp (nếu Zf là điện cảm).
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 18
Hình 2.8 Các phương án điều áp một pha a. Mắc nối tiếp
b. Dùng biến áp tự ngẫu c. Bằng bán dẫn
Người ta có thể dùng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh điện áp xoay chiều U2 như trên hình 2.8b. Điều chỉnh bằng biến áp tự ngẫu có ưu điểm là có thể điều chỉnh điện áp U2 từ 0 đến trị số bất kì, lớn hay nhỏ hơn điện áp vào. Nếu cần điện áp ra có điều chỉnh, mà vùng điều chỉnh có thể lớn hơn điện áp vào, thì phương pháp phải dùng biến áp là tất yếu. Tuy nhiên, khi dòng tải lớn, sử dụng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh, khó đạt được yêu cầu như mong muốn, đặc biệt là không điều chỉnh liên tục được, do chổi than khó chế tạo để có thể chí tiếp xúc trên một vòng dây của biến áp.
Hai giải pháp điều áp xoay chiều trên hình 2.8a, 2.8b có chung ưu điểm là điện áp hình sin, đơn gian. Có chung nhược điểm là quán tính điều chỉnh chậm và không điều chỉnh liên tục khi dòng tải lớn. Sử dụng sơ đồ bán dẫn để điều chỉnh xoay chiều, có thể khắc phục được những nhược điểm vừa nêu.
Các sơ đồ điều áp xoay chiều bằng bán dẫn trên hình 2.8c được sử dụng phổ biến. Lựa chọn sơ đồ nào trong các sơ đồ trên tùy thuộc dòng điện, điện áp tải và khả năng cung cấp các linh kiện bán dẫn. Có một số gợi ý như lựa chọn các sơ đồ hình 2.8c như sau :
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 19
Hình 2.9: Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng bán dẫn a. Bằng hai tiristor song song ngược
b. Bằng Triac
c. Bằng một tiristor một diode d. Bằng bốn diode một tiristor
Sơ đồ kinh điển hình 2.9a thường được sử dụng nhiều hơn, do có thể điều khiển được với mọi công suất tải. Hiện nay Tiristor được chế tạo có dòng điện đến 7000A thì việc điều khiển xoay chiều đến hàng chục nghìn ampe theo sơ đồ này là hoàn toàn đáp ứng được.
Tuy nhiên, việc điều khiển hai Tiristor song song ngược đôi khi có chất lượng điều khiển không tốt lắm, đặc biệt là khi cần điều khiển đối xứng điện áp, nhất là khi cung cấp cho tải đòi hỏi thành phần điện áp đối xứng (chẳng hạn như biến áp hay động cơ xoay chiều). Khả năng mất đối xứng điện áp tải khi điều khiển là do linh kiện mạch điều khiển Tiristor gây nên sai số. Điện áp tải thu được gây mất đối xứng như so sánh trên hình 2.9b.
Điện áp và dòng điện không đối xứng như hình 2.9b cũng cấp cho tải, sẽ làm cho tải có thành phần dòng điện một chiều, các cuộn dây bị bão hòa, phát nóng và bị cháy. Vì
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 20 vậy việc định kì kiểm tra, hiệu chỉnh lại mạch là việc nên thường xuyên làm đối với sơ đồ mạch này. Tuy nhiên, đối với dòng điện tải lớn thì đây là sơ đồ tối ưu hơn cả cho việc lựa chọn.
Hình 2.10: Hình dạng đường cong điện áp điều khiển a. Mong muốn
b. Không mong muốn
Để khắc phục nhược điểm vừa nêu về việc ghép hai Tiristor song song ngược, Triac ra đời và có thể mắc theo sơ đồ hình 2.10b. Sơ đồ này có ưu điểm là các đường cong điện áp ra gần như mong muốn như hình 2.10a, nó còn có ưu điểm hơn khi lắp ráp. Sơ đồ mạch này hiện nay được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp. Tuy nhiên Triac hiện nay được chế tao với dòng điện không lớn (nhỏ hơn 400A), nên với những dòng điện tải lớn cần được ghép song song với các Triac. Lúc đó sẽ phức tạp hơn về lắp ráp và khó điều khiển song song. Những tải có dòng điện trên 400A thì sơ đồ hình 2.10b ít dùng.
2.3.2.2 Điều khiển theo phương pháp PWM
Việc sử dụng PWM để điều khiển động cơ một chiều (Động cơ DC) là một điều rất phổ biến. Đối với việc sử dụng phần mềm AVR để điều khiển thì một điều rất dễ dàng.
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 21 Với ưu điểm là dễ dàng trong việc thiết kế và sử dụng các linh kiện. Cùng với việc dễ dàng viết chương trình điều khiển nên PWM được sử dụng nhiều hiện nay.
PWM 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 đến sự thay đổi điện áp ra. Các PWM khi biến đổi thì có cùng một tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm.
Hình 2.11: Đồ thị dạng xung điều chế PWM
Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn của tải và một cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt. Phần tử thực hiện nhiệm vụ đó trong mạch các van bán dẫn.
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 22 Trong khoảng thời gian 0 t0 ta cho van G mở toàn bộ điện áp nguồn Ud được đưa ra tải. Còn trong khoảng thời gian t0 T cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải. Vì vậy với t0 thay đổi từ 0 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 t1 là thời gian xung ở sường dương
T là thời gian của cả sườn âm và dương. Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải.
D = t1/ T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % tức là PWM
Ud = Umax (t1 / T) Hay Ud = Umax .D
Như vậy ta nhìn trên đồ thị dạng điều chế xung thì ta có: Điện áp trung bình trên tải sẽ là :
Ud = 12.20% = 2.4V ( với D= 20%) Ud = 12.40% = 4.8V ( với D= 40%) Ud = 12.90% = 10.8V ( với D= 90%)
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 23
Hình 2.13: Biểu đồ xung PWM
Đối với việc sử dụng phần mềm AVR để điều khiển PWM ta cần phải cài đặt các thông số cơ bản như lựa chọn Timer (Timer 0, Timer 1, Timer 2, Timer 3), giá trị tần số, chọn kiểu đầu ra (inverted, noninverted),…
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 24 Việc cần làm chỉ là thay đổi trị số OCR1A hoặc OCR1B (nếu sử dụng Timer1) cho thích hợp để điều khiển động cơ.
Việc sử dụng PWM để điều khiển tương đối dễ dàng, linh kiện và thiết bị đơn giản. Nhưng về hiệu năng sử dụng thì kém hơn nhiều nên nó ít được sử dụng để điều khiển động cơ xoay chiều mà chỉ dùng nhiều ở động cơ một chiều.
Một nhược điểm quan trọng của việc dùng PWM này đó là khi ta cần đưa tốc độ quạt xuống thấp thì không ổn định và có tiếng ồn. Gây khó chịu cho người sử dụng, hiệu quả sử dụng thấp.
2.3.2.3 Điều khiển góc mở Triac
Tín hiệu được đưa vào chân điều khiển G của Triac. Triac có nhiệm vụ điều khiển mở dẫn dòng từ đó ta nhận được giá trị điện áp trên tải tương ứng với góc mở của Triac khi ta điều chỉnh biến trở V11 để điều chỉnh độ rộng xung vuông tương ứng tải ở trên sơ đồ có thể đặt trước hoặc sau van.
Sơ đồ dạng sóng đầu ra của van khi điều chỉnh góc mở:
Hình 2.15: Các phương án điều áp một pha
Nhìn từ hình trên ta thấy do tải có tính cảm kháng nên khi tắt vẫn có một phần điện áp trả lại của động cơ. Nên có thể xuất hiện một vùng không hoạt động nếu điện cảm ứng thì mạch có thể không hoạt động hoàn toàn.
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 25
Khi điện áp nguồn U1 đã đổi dấu mà cuộn dây điện cảm chưa xả hết năng lượng, làm cho T1 vẫn dẫn từ π cho đến φ1 nếu T1 đang dẫn chứng tỏ T1 đang phân cực thuận và điện áp Ua1a2 > 0. Khi T1 phân cực thuận chứng tỏ T2 phân cực ngược. Do đó trong vùng từ φ1 cho đến π nếu có phát xung điều khiển T2 thì T2 không dẫn được.
Do khi có điện cảm, dòng điện không biến thiên đột ngột tại thời điểm mở Tiristor, điện cảm càng lớn khi dòng điện biến thiên càng chậm. Nếu độ rộng xung điều khiển hẹp, dòng điện khi có xung điều khiển không đủ lớn hơn dòng điện duy trì, do đó van bán dẫn không tự giữ dòng điện. Kết quả không có dòng điện, van sẽ không mở. Hiện tượng này sẽ thấy ở cuối và đầu chu kỳ điện áp, lúc đó điện áp tức thời đặt vào van bán dẫn khóa luôn. Chỉ khi nào điện áp mở ở van đủ lớn hơn dòng dòng điện duy trì, dòng điện mới tồn tại trong mạch. Để khắc phục hiện tượng này là tạo xung gián đoạn bằng chùm xung liên tiếp từ thời điểm mở van cho tới cuối bán kỳ.
2.3.2.4 Cảm biến nhiệt độ
Nhiệt độ từ môi trường sẽ được cảm biến hấp thu, tại đây tùy theo cơ cấu của cảm biến sẽ biến đại lượng nhiệt này thành một đại lượng điện nào đó. Các loại cảm biến đều là cái vỏ bảo vệ, phần tử cảm biến nằm bên trong cái vỏ ở đó có chất bán dẫn, lưỡng kim. Do đó việc đo có chính xác hay không tùy thuộc vào việc truyền nhiệt từ môi trường vào đến phần tử cảm biến tổn thất bao nhiêu (một trong những yếu tố quyết định giá cảm biến nhiệt).
Có nhiều loại cảm biến như :
Cặp nhiệt điện
Nhiệt điện trở.
Thermistor.
Bán dẫn (Diode, IC…)
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 26
Cặp nhiệt điện
Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu. Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi (mV) Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.
Nhược điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao. Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắc nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,… Tầm đo: -100oC 1400oC
Hình 2.16: Cấu tạo của Thermocouples
Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng (hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh (hay là đầu chuẩn). Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh một sức điện động V tại đầu lạnh. Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu. Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T. Các bạn lưu ý điều này để chọn đầu dò.
Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến không chính xác là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó và bộ điều khiển cho thích hợp (offset trên bộ điều khiển).
Thermistor
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 27 Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi.
Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo. Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp.
Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử. Tầm đo: 50 150oC.
Hình 2.17: Hình ảnh của Thermistor
Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp các bột ocid. Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao. Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi.
Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC - điện trở tăng theo nhiệt độ, hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ. Thường dùng nhất là loại NTC.
Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50 150oC do vậy người