Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.3. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của xe điện ZERO
2.3.3 Hộp điều khiển động cơ
Hình 2.35. Hộp điều khiển động cơ
Hộp điều khiển động cơ gồm cầu chì, cơng tắc tơ điện từ, bộ điều khiển động cơ.
Công tắc tơ điện từ
Cơng tắc tơ điện từ có dạng rơ le sử dụng trong các mạch phải sử dụng nguồn tải điện lớn, cũng như mạch điều khiển tốc độ xe điện ZERO có nguồn tải 200 Ampe. Cơng tắc tơ điện từ được sử dụng trên xe điên như một thiết bị ngắt nguồn trong những trường hợp khẩn cấp.
Cấu tạo bao gồm một cuộn dây điện từ, lò xo, cơng tắc tơ, điên trở và diode. Khi có dòng điện đi qua cuộn dây điện từ tạo ra một lực kéo ngược với lị xo để đóng cơng tắc tơ, và ngược lại khi khơng có dịng điện đi qua, khơng có lực kéo ngược lị xo, cơng tắc ngắt.
25 Diode được nối giữa 2 đầu cuộn dây nhằm ngăn chặn dòng điện cảm ứng ngược chiều được cuộn dây tạo ra khi ngắt công tắc. Điện trở được mắc giữa 2 đầu công tắc nhằm giảm thiểu dịng điện được phóng ra từ các tụ điện của mạch điều khiển khi ngắt công tắc.
Bộ điều khiển động cơ Chức năng
Về cơ bản, bộ điều khiển động cơ có chức chính là điều chỉnh tốc độ và hướng của động cơ điện bằng cách điều khiển điện áp. Ngồi ra, cịn có những chức năng an tồn khác như:
- Cung cấp nguồn điện khởi động, giúp bảo vệ động cơ điện không bị hư hại do mô men lớn do công tắc khơng được điều khiển
- Chỉ đảo ngược dịng điện khi động cơ điện dừng hẳn
- Bảo vệ bộ điều khiển động cơ, động cơ điện phòng trường hợp lắp đặt sai ở các cực đầu vào và đầu ra hoặc các lỗi ở do đứt dây tín hiệu gửi vào
- Tăng tốc, giảm tốc mượt mà
- Giới hạn tốc độ tối đa dựa vào cảm biến tốc độ, giới hạn dịng điện
Ngun lí hoạt động
Để điều chỉnh tốc độ của động cơ điện, bộ điều khiển động cơ thực hiện băm phương pháp điều xung PWM.
Hình 2.37. Xung PWM
Đại lượng đặc trưng cho 1 xung PWM bao gồm tần số là số dao động trong một thời gian nhất định và chu kì làm việc là tỉ lệ phần trăm giữa thời gian của mức cao của dao động với chu kỳ của dao động. Dao động được các định từ trạng thái bắt đầu và kết thúc ngay trước khi trang thái bắt đầu được lặp lại.
26 Hình 2.38. Điều xung PWM
Phương pháp điều xung PWM là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải bằng cách thay đổi chu kì làm việc của chuỗi xung vng. Các xung PWM khi biến đổi thì có cùng tần số và khác nhau về chu kì làm việc. Phương pháp điều xung ngoài thay đổi tốc độ động cơ điện, ngoài ra còn dùng để điều khiển sự ổn định tốc độ động cơ điện, tần số điều xung PWM càng cao thì động cơ điện hoạt động càng mượt mà, ổn định. Tần số điều xung thường sử dụng trong điều khiển tốc độ động cơ điện dòng thấp lý tưởng là 20 kHz. Điện áp đầu ra trung bình tỉ lệ với chu kì làm việc. Ví dụ, nếu như điện áp cấp vào là 72V, khi điều xung PWM nếu chu kì làm việc là 50% thì tương ứng với điện áp đầu ra trung bình là 36V.
Hình 2.39. Mạch điều xung PWM bằng MOSFET
MOSFET công suất được sử dụng trong bộ điều khiển động cơ của xe ZERO dùng để điều xung. Động cơ điện sẽ có một đầu vào nối với dương nguồn, đầu ra cuối cùng sẽ
27 nối với âm nguồn thông qua MOSFET A tương ứng như các cơng tắc đóng mở với chức năng để điều xung PWM. Khi MOSFET A mở, dòng điện sẽ đi chiều mũi tên A từ dương nguồn qua động cơ điện qua MOSFET A rồi về âm nguồn. Ngay khi MOSFET A ngắt, các cuộn dây trong động cơ điện sinh ra dòng điện tự cảm khá lớn do dòng điện đột ngột về khơng, dịng diện cảm ứng cần tiếp tục được di chuyển. Lúc đó, MOSFET B mở, dịng điện tự cảm đi từ cực âm của động cơ điện qua MOSFET B thông qua diode tự do bên trong sẽ về lại cực dương của động cơ điện theo chiều mũi tên B, giúp triệt tiêu chúng. Nếu khơng có MOSFET B thì tại cực âm của động cơ điện sẽ xảy ra hiện tượng tích tụ điện lượng, tăng vọt điện áp, xuất hiện tia lửa điện và làm hỏng MOSFET A và dòng điện tự cảm ngược chiều về nguồn dương, gây hư hại cho động cơ điện và bộ điều khiển động cơ điện.
Ngoài ra, khi ngắt MOSFET A đột ngột, khơng gây gián đoạn dịng điện từ động cơ điện mà còn gây gián đoạn lên dòng điện chạy từ cực dương của nguồn. Các dây dẫn từ nguồn và nguồn cũng xuất hiện dòng điện tự cảm gây hiện tượng tăng vọt điện áp. Để giải quyết vấn đề này, ta lắp các tụ điện trong mạch để hấp thụ hầu hết hiện tượng tăng vọt điện áp. Khi MOSFET A dẫn điện lại, dòng điện yêu cầu phải nhanh, các tụ điện sẽ cung cấp thêm dòng điện trong khi dòng điện từ nguồn đang thiết lập lại. Việc lắp số lượng tụ điện phụ thuộc vào cường độ, điện áp dòng điện và độ dài của dây dẫn vì dây dẫn càng dài, độ tự cảm càng lớn.
Hình 2.40. Mạch cầu H cho động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Dựa vào Hình 2.40, mạch cầu H gồm bốn MOSFET công suất. Giả sử theo chiều quay cùng chiều kim đồng hồ của động cơ điện, dòng điện chạy theo chiều của mũi tên A từ dương nguồn đến qua phần tĩnh của động cơ điện rồi qua MOSFET 1, qua phần ứng của động cơ điện rồi qua MOSFET 3 rồi về âm nguồn. Theo chiều quay ngược chiều kim đồng
28 hồ của động cơ điện, dòng điện chạy theo chiều của mũi tên C từ dương nguồn đến qua phần tĩnh của động cơ điện rồi qua MOSFET 2, qua phần ứng của động cơ điện rồi qua MOSFET 4 rồi về âm nguồn.
Trong mạch cầu H, MOSFET 3 và MOSFET 4 có chức năng giống như MOSFET A đùng để điều xung PWM, MOSFET 1 và MOSFET 2 có chức năng đóng ngắt dịng điện tùy vịng chiều quay của động cơ điện và đóng vai trị như MOSFET B để triệt tiêu các dòng điện ngược chiều khi điều xung PWM. Từ đó, khi động cơ điện quay theo chiều kim đồng hồ, MOSFET 1 luôn dẫn điện, MOSFET 2 ngắt điện, MOSFET 4 ngắt điện và MOSFET 3 điều xung PWM. Khi điều xung, khi MOSFET 3 dẫn điện, MOSFET 2 ngắt điện và khi MOSFET 3 ngắt điện thì phần ứng sẽ sinh ra dòng điện tự cảm, dòng điện tự cảm của động cơ điện cần được tiếp tục di chuyển, MOSFET 2 mở, cho dòng điện tự cảm đi qua MOSFET 2 qua MOSFET 1 về lại phần ứng theo chiều mũi tên B, giúp triệt tiêu chúng. Ngược lại tương ứng khi động cơ quay ngược chiều kim đồng, MOSFET 2 luôn mở, MOSFET 4 điều xung PWM, MOSFET 3 luôn ngắt và MOSFET 1 mở ngắt dựa vào MOSFET 2 để triệt tiêu dòng điện ngược chiều tương ứng chiều mũi tên C và D.
Cầu chì
Cầu chì là một phần tử hay thiết bị bảo vệ mạch điện bằng cách làm đứt mạch điện. Cầu chì thực hiện theo nguyên lý tự chảy hoặc uốn cong để tách ra khỏi mạch điện khi cường độ dòng điện trong mạch tăng đột biến. Để làm được điều này, điện trở của chất liệu làm dây cầu chì cần có nhiệt độ nóng chảy, kích thước và thành phần thích hợp. Cầu chì được sử dụng nhằm phòng tránh các hiện tượng quá tải trên đường dây gây cháy, nổ. Do dòng điện điều khiển dưới 400A, nên hộp điều khiển động cơ điện sử dụng loại cầu chì 200A. Cầu chì được mắc nối tiếp dương nguồn với công tắc tơ điện từ.
29