Thiết kế bộ băm xung áp một chiều nối tiếp, cấp cho phần ứng của động cơ một chiều kích từ độc lập Nguồn một chiều cấp cho băm xung E = 310V (hoặc tùy chọn). Thông số động cơ: Thông số động cơ như sau: Pđm = 3,1kW; Uđm = 280V; nđm = 930vph; Lư = 27,3mH; Rư = 2,82Ω; Iư.max = 40A. Dải điều chỉnh tốc độ (yêu cầu riêng); Tải mô men có tính chất thế năng MC = Mđm. Sử dụng van MOSFET.
THIỆU CHUNG
Giới thiệu chung về động cơ 1 chiều kích từ độc lập
1.1.1 Cấu tạo động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
Hình 1.1: Cấu trúc động cơ một chiều
Máy điện một chiều gồm có phần đứng im (stato) và phần quay (rôto), tương tự như các máy điện quay khác Chức năng của máy điện một chiều được chia thành phần cảm ứng (kích từ) và phần ứng (phần biến đổi năng lượng) Khác với máy điện đồng bộ, trong máy điện một chiều, phần cảm ứng luôn nằm cố định, trong khi phần ứng nằm trên roto Hình 1.2 minh họa cấu tạo chính của động cơ điện một chiều với các bộ phận chính.
Stato máy điện một chiều là phần cảm, nơi tạo ra từ thông chính của máy Stato gồm các chi tiết sau:
Lõi cực của một cực từ chính được chế tạo bằng cách ghép các lá thép điện kỹ thuật để tăng độ cứng vững và giảm thiểu tổn thất suất điện Mặt cực có nhiệm vụ tạo điều kiện cho từ trường dễ dàng đi qua khe khí, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của máy Cuộn dây kích từ được đặt trên lõi cực và cách điện an toàn với thân cực bằng khuôn cuộn dây cách điện, giúp ngăn chặn rò rỉ điện và tăng độ bền cho thiết bị Dây cuộn dây kích từ làm bằng đồng có tiết diện tròn, được tẩm sơn cách điện để chống thấm nước, chống ẩm mốc và tăng khả năng dẫn nhiệt, đảm bảo hoạt động liên tục và ổn định của các cuộn dây Để đảm bảo tản nhiệt hiệu quả, các lớp của cuộn dây được tách rời bằng các rãnh làm mát, giúp nhiệt thoát ra nhanh chóng, kéo dài tuổi thọ của thiết bị.
Cực từ phụ nằm giữa các cực từ chính và thường có số cực phụ bằng với số cực chính, giúp duy trì sự cân bằng và ổn định trong hệ thống từ trường Lõi thép cực phụ thường được làm bằng bột thép ghép lại hoặc các lá thép ghép lại, đặc biệt ở những máy có tải thay đổi để tối ưu hiệu suất Cuộn dây đặt trên lõi thép cực phụ tạo ra từ trường phụ, giúp điều chỉnh cường độ và hướng từ trường Khe khí ở cực từ phụ lớn hơn khe khí ở cực từ chính, nhằm giảm thiểu rò rỉ từ và nâng cao hiệu quả hoạt động của thiết bị.
Gông từ là thành phần quan trọng trong hệ thống dây đồng giúp liên kết các cực từ và đóng vai trò làm vỏ máy Trong các động cơ điện nhỏ và vừa, gông từ thường được chế tạo từ thép dày uốn và hàn lại để đảm bảo độ bền, trong khi đối với các máy điện lớn, vật liệu thường là thép đúc chắc chắn Ngoài ra, trong một số trường hợp, vỏ máy của động cơ điện nhỏ được chế tạo từ gang để giảm chi phí.
Hệ thống chổi than đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi than gồm có chổi than được đặt trong hộp chổi, cố định nhờ lò xo tì chặt lên cổ góp để đảm bảo tiếp xúc tốt Hộp chổi than được gắn chắc chắn trên giá chổi than và cách điện an toàn với giá để tránh rò rỉ điện Giá chổi than có khả năng quay để điều chỉnh vị trí phù hợp, giúp tối ưu hiệu suất truyền dẫn điện, và sau khi điều chỉnh, các vít cố định được vặn chặt để giữ vị trí ổn định.
Rôto của máy điện một chiều là phần ứng, thường được thiết kế dạng trống có răng ghép lại bằng các lá thép điện kỹ thuật Trong các ứng dụng công suất lớn, người ta còn áp dụng các rãnh làm mát theo bán kính, bằng cách ghép các tệp thép lại với nhau và cách nhau bởi các rãnh làm mát để nâng cao hiệu quả tản nhiệt.
Lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ một lớp cách điện mỏng mặt trái và mặt phải để giảm tổn hao dòng điện xoáy, được dập hình dạng rãnh để đặt dây quấn sau khi ép Trong các động cơ trung bình trở lên, người ta còn dập các lỗ thông gió dọc trục nhằm tạo điều kiện làm mát hiệu quả, còn trong các động cơ lớn hơn, lõi sắt thường được chia thành các đoạn nhỏ, giữa các đoạn có khe hở thông gió giúp làm lạnh dây quấn và lõi sắt khi máy hoạt động Đối với động cơ điện một chiều nhỏ, phần lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục, trong khi đó, ở các động cơ lớn, có thể sử dụng giá rôto để đặt giữa trục và lõi sắt, điều này giúp tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm trọng lượng của rôto.
Cuộn dây rôto là loại cuộn dây khép kín, mỗi cạnh được nối với phiến góp để đảm bảo dẫn điện tối ưu Các phiến góp được cách điện với nhau và với trục, tạo thành cổ góp chắc chắn và an toàn trong hệ thống điện Được làm bằng đồng, phiến góp không những có khả năng dẫn điện tuyệt vời mà còn có độ bền cơ học cao và khả năng chống mài mòn, giúp tăng tuổi thọ và hiệu suất hoạt động của máy móc điện.
Thiết bị chổi là thành phần quan trọng để truyền dòng điện ra ngoài, gồm chổi than làm bằng than granit đảm bảo khả năng dẫn điện tốt và khả năng chống mài mòn cao Bộ giữ chổi làm bằng kim loại được gắn chắc chắn vào stato, kết hợp với lò xo tạo áp lực ổn định cho chổi Ngoài ra, còn có các thiết bị phụ trợ hỗ trợ hoạt động hiệu quả của hệ thống chổi điện.
Dây quấn phần ứng là thành phần sinh ra suất điện động và dòng điện trong máy điện Thường được làm bằng dây đồng có lớp cách điện, dây quấn phần ứng trong máy nhỏ công suất dưới vài kW sử dụng dây có tiết diện tròn, còn trong máy điện lớn hơn thì dùng dây chữ nhật Dây quấn được cách điện cẩn thận theo rãnh của lõi thép để đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả Để tránh dây quấn bị văng ra do lực ly tâm khi quay, tại miệng rãnh thường được sử dụng nệm hoặc đai chặt để giữ chặt dây quấn, trong đó nệm thường làm bằng tre hoặc gỗ.
1.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều kích từ độc lập
Khi cung cấp nguồn điện một chiều cho dây quấn phần ứng, các thanh dẫn trong dây dẫn chịu tác dụng của lực từ trường, gây ra lực đẩy làm cho rôto quay Chiều của lực được xác định theo quy tắc bàn tay trái, giúp hiểu rõ các nguyên tắc hoạt động của máy điện một chiều.
Khi phần ứng quay được nửa vòng, các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau nhưng chiều dòng điện vẫn giữ nguyên, nhờ vào phát phiếu góp giữ chiều dòng điện cố định Trong quá trình quay, các thanh dẫn cắt qua từ trường sẽ cảm ứng sinh ra suất điện động Eư, theo quy tắc bàn tay phải, góp phần tạo ra lực tác dụng lên các thanh dẫn Suất điện động Eư có chiều ngược lại với dòng điện Iư, chính vì vậy Eư còn được gọi là sức phản điện động, giúp duy trì sự vận hành ổn định của động cơ.
1.1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cấu tạo hai phần riêng biệt: phần bố trí ở phần tĩnh có các cuộn dây kích từ sinh ra từ thông Ф, phần ứng là phần quay nối với điện áp lưới qua vành góp và chổi than Tác động giữa từ thông Ф và dòng điện phần ứng I ư tạo nên momen quay động cơ Khi động cơ quay các thanh dẫn phần ứng cắt qua từ thông Ф tạo nên sức điện động E ư
Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện kích từ độc lập được trình bày trên hình 1.7.
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Xây dựng phương trình đặc tính cơ điện một chiều kích từ độc lập
Ta có phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:
E ư : Sức điện động phần ứng (V)
R ư : Điện trở mạch phần ứng ( )
I ư : Dòng điện của mạch phần ứng (A)
r ư : Điện trở cuộn dây phần ứng
r cf : Điện trở cuộn dây cực từ phụ
r b : Điện trở tiếp xúc cuộn bù
r ct : Điện trở tiếp súc của chổi điện
Sức điện động E ư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:
Biểu thức trên là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ Mặt khác, mô men điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi:
Thay giá trị I ư vào (1.3) ta có:
Trong hệ thống truyền động, nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép, mômen cơ trên trục động cơ bằng mômen điện từ, ký hiệu là M Điều này có nghĩa là: M dt = M cơ = M, phản ánh sự tương đương giữa mômen điện từ và mômen cơ trong điều kiện lý tưởng.
Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Khi giả thiết phần ứng được bù đủ để từ thông giữ ở mức constant, các phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trở thành tuyến tính Đồ thị của các phương trình này thể hiện dưới dạng những đường thẳng trên hình 1.6, giúp dễ dàng phân tích và dự đoán hành vi của động cơ trong các điều kiện làm việc khác nhau.
Hình 1.5: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
Theo các đồ thị trên, khi I ư = 0 hoặc M = 0 ta có:
(1.7) được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ Còn khi =0 ta có:
I nm và M nm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mô men ngắn mạch Ngoài ra phương trình đặc tính (1.3) và (1.6) cũng có thể được viết dưới dạng:
R = R ư + R f được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M.
Giới thiệu chung về băm xung áp một chiều
1.2.1 Nguyên lý chung của băm xung một chiều
Hình 1.11: Nguyên lý băm xung một chiều (BXMC)
Nguyên lý cơ bản của băm xung một chiều được trình bày trong hình 1.11, trong đó nguồn một chiều E và tải Rt được kết nối qua van Tr hoạt động như một khóa điện tử Hoạt động của bộ chuyển mạch bán dẫn nhị phân (BXMC) dựa trên quy luật đóng cắt của van Tr để điều khiển dòng điện, giúp đảm bảo hiệu quả trong quá trình truyền tải và xử lý tín hiệu.
Trong khoảng thời gian 0 – t0 cho van dẫn (khoá Tr đóng mạch), điện áp
Ut sẽ cho giá trị bằng điện áp nguồn Ut = E.
Từ t0 đến T, van Tr không dẫn (mạch hở), tải bị ngắt khỏi nguồn Ut = 0.
Như vậy giá trị trung bình của điện áp trên tải sẽ nhận được là:
Biểu thức cho thấy có thể điều chỉnh điện áp ra tải bằng cách thay đổi tham số γ, giúp kiểm soát hiệu quả điện áp đầu ra Thiết bị này hoạt động bằng cách "băm" điện áp một chiều E thành các xung điện áp ở đầu ra, cho phép điều chỉnh điện áp theo nhu cầu Do đó, nó được gọi là "Băm xung một chiều - BXMC", ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống cần điều chỉnh điện áp linh hoạt và chính xác.
t0 là thời gian van Tr dẫn;
γ là độ rộng xung điện áp chính là tham số điều chỉnh
T là chu kỳ đóng cắt của van.
Có hai phương pháp chính cho phép thay đổi tham số γ là :
Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM là kỹ thuật thay đổi thời gian t1 trong quá trình điều khiển, trong khi chu kỳ T vẫn giữ nguyên Bằng cách điều chỉnh độ rộng của xung điện áp ra tải, phương pháp này giúp kiểm soát công suất và hiệu quả hoạt động của hệ thống PWM là phương pháp phổ biến trong truyền động điện và điều khiển điện tử, mang lại khả năng điều chỉnh linh hoạt và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.
Phương pháp xung-tần thay đổi chu kỳ T trong khi giữ thời gian t1 cố định giúp điều chỉnh tần số lặp lại của xung điện áp ra tải, phù hợp khi cần điều chỉnh tần số mà không làm thay đổi độ rộng của xung Tuy nhiên, cách này không phù hợp để điều chỉnh điện áp trong phạm vi rộng, vì tần số biến đổi mạnh sẽ ảnh hưởng đến giá trị trở kháng của mạch chứa các phần tử cảm hoặc tụ điện Điều này gây khó khăn trong việc tính toán và thiết kế các hệ thống điều chỉnh kín, do hệ thống có tham số thay đổi liên tục theo tần số.
Ta thấy rằng khoá Tr chỉ làm việc đúng như một van bán dẫn, vì vậy băm xung một chiều có nhiều ưu điểm :
Bộ biến đổi có hiệu suất cao nhờ tổn hao công suất trong bộ biến đổi là rất nhỏ so với các bộ biến đổi liên tục, chủ yếu do tổn hao tại các van bán dẫn ngày càng giảm Điều này giúp nâng cao hiệu quả năng lượng và giảm thiểu lãng phí khi vận hành hệ thống Các tiến bộ trong công nghệ bán dẫn đã góp phần làm giảm đáng kể tổn hao năng lượng, từ đó tối ưu hóa hoạt động của bộ biến đổi Nhờ vậy, các bộ biến đổi hiện đại thường có khả năng chuyển đổi năng lượng một cách hiệu quả hơn, phù hợp với yêu cầu tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.
Bộ điều chỉnh này có độ chính xác cao và ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường nhờ vào yếu tố điều chỉnh là thời gian đóng khoá Tr, chứ không dựa trên giá trị điện trở của phần tử điều chỉnh như các bộ điều chỉnh liên tục truyền thống Điều này giúp đảm bảo hiệu quả và độ ổn định cao trong quá trình vận hành.
Kích thước gọn và nhẹ.
Tuy nhiờn BXMC cũng cú những nhược điểm là ằ
Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính điều chỉnh.
Tần số đóng cắt lớn sẽ gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh.
Các bộ băm xung một chiều được phân thành BXMC không đảo chiều và BXMC có đảo chiều dòng tải.
1.2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của MOSFET
Khác với cấu trúc BJT, MOSFET có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ Cấu trúc bán dẫn của MOSFET kênh dẫn kiểu n gồm cực điều khiển (G) cách ly hoàn toàn khỏi cấu trúc bán dẫn thông qua lớp điện môi dioxit – silic (SiO2), giúp kiểm soát dòng điện dễ dàng hơn Cực máng (D) là nơi đón các hạt mang điện, và nếu kênh dẫn là n thì các hạt mang điện sẽ là electron, khiến điện áp cực máng phải dương so với cực gốc (S) Trên ký hiệu, phần chấm gạch giữa D và S cho biết không có kênh dẫn nối giữa chúng trong điều kiện bình thường Cấu trúc bán dẫn của MOSFET kênh dẫn kiểu p cũng tương tự, nhưng lớp dẫn điện có kiểu ngược lại; tuy nhiên, phần lớn các MOSFET công suất hiện nay là loại kênh dẫn kiểu n, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu công suất cao.
Hình 1.12: MOSFET (a) Cấu trúc bán dẫn; (b) Ký hiệu
Hình 1.13 mô tả quá trình hình thành kênh dẫn trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET Trong chế độ làm việc bình thường, điện áp U_DS > 0, và khi điện áp giữa cực điều khiển và cực gốc bằng không (U_GS = 0), kênh dẫn sẽ hoàn toàn không xuất hiện Giữa cực gốc và cực máng là tiếp giáp p-n trong trạng thái phân cực ngược, khiến điện áp U_DS chủ yếu rơi trên vùng nghèo điện tích của tiếp giáp này (theo hình 1.12.a).
Khi điện áp điều khiển âm U_GS < 0, vùng bề mặt giáp cực điều khiển tích tụ lỗ (p), ngăn dòng điện giữa cực gốc và cực máng xuất hiện Ngược lại, khi U_GS > 0 và đủ lớn, bề mặt tiếp giáp tích tụ điện tử tạo thành kênh dẫn, cho phép dòng điện chạy qua (xem hình 1.13.b) Dòng điện giữa cực gốc và cực máng phụ thuộc vào điện áp U_DS Trong cấu trúc MOSFET, các phần tử mang điện là electron, giống lớp n tạo cực máng, do đó MOSFET được xem như phần tử có các hạt mang điện cơ bản, khác biệt so với BJT, IGBT, và tiristor – các phần tử có các hạt mang điện phi cơ bản. -**Sponsor**Need help rewriting your article to comply with SEO rules and extract those key sentences? It can be tough! With [Article Generation](https://pollinations.ai/redirect-nexad/sHrGHfMo?user_id=983577), you can instantly get SEO-optimized articles and identify core ideas within paragraphs Save time and money compared to manual rewriting – think of it as your personal AI content assistant It's like having a content team, but without the hassle and at a fraction of the cost! Imagine quickly transforming your existing content into SEO gold.
Hình 1.13.c cho thấy giữa cực máng và cực gốc tồn tại một tiếp giáp p-n - , tương đương với một điôt ngược nối giữa D và S, gọi là điôt nội.
Hình 1.13: Sự tạo thành kênh dẫn trong MOSFET
Hình 1.14: Đặc tính tĩnh của MOSFET
Hình 1.13 trình bày đặc tính tĩnh của MOSFET, gồm mối quan hệ giữa dòng cực máng I_D và điện áp giữa cực máng và cực gốc U_DS, dưới tác dụng của điện áp điều khiển Đặc tính này phản ánh rõ cách dòng máng thay đổi theo điện áp U_DS khi điện áp điều khiển được giữ cố định, giúp hiểu rõ hoạt động của MOSFET trong các ứng dụng điện tử.
U_GS là tham số quan trọng xác định vùng tuyến tính của transistor, nơi mà sự thay đổi của U_DS tỷ lệ thuận với I_D Trong vùng này, kênh dẫn của thiết bị hoạt động ổn định và hiệu quả, giúp đảm bảo hiệu suất tối ưu trong các mạch điện Việc xác định đúng vùng tuyến tính là yếu tố then chốt để thiết kế và ứng dụng transistor một cách chính xác, phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn SEO của nội dung kỹ thuật điện tử.
MOSFET giống như một điện trở thuần, với điện trở tương đương bằng
R tđ =U DS /I D Trong chế độ khoá khi dẫn dòng MOSFET làm việc ở đúng vùng này.
Nhược điểm chính của MOSFET so với BJT là sụt áp trên van khi dẫn dòng lớn, khiến chúng phù hợp hơn cho các ứng dụng công suất nhỏ Phần phía bên phải của vùng tuyến tính gọi là vùng bão hòa, nơi dòng I_D gần như không phụ thuộc vào điện áp U_DS Trong chế độ khóa, điểm làm việc (U_DS, I_D) chỉ di chuyển qua vùng này trong quá trình quá độ khi chuyển đổi từ trạng thái dẫn sang khóa và ngược lại, đảm bảo hoạt động ổn định của MOSFET.
1.2.2.2 Đặc tính đóng cắt của MOSFET
MOSFET là một phần tử bán dẫn quan trọng với các hạt mang điện cơ bản, có khả năng đóng cắt ở tần số rất cao Thời gian đóng cắt của MOSFET bị ảnh hưởng chủ yếu bởi các tụ điện ký sinh xuất hiện giữa các cực của nó Hình 1.15.a minh họa các thành phần tụ điện ký sinh hình thành trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET, đặc biệt là tụ điện giữa cực điều khiển và cực gốc, đóng vai trò quan trọng trong quá trình hoạt động của thiết bị.
Trong hiệu quả hoạt động của MOSFET, cần nạp C GS đến điện áp U GS(th) trước khi dòng cực mảng có thể xuất hiện Tụ giữa cực điều khiển và cực mảng, C GD, ảnh hưởng đáng kể đến giới hạn tốc độ đóng cắt của MOSFET Sơ đồ tương đương của MOSFET cùng các tụ ký sinh, như đã trình bày ở Hình 1.15.b, cho thấy các tụ này có giá trị thay đổi phù hợp với mức điện áp, ví dụ C GD thay đổi theo điện áp U DS giữa các giá trị thấp C GDl và cao C GDh, như mô tả trong hình.
Hình 1.15: Mô hình của một khoá MOSFET (a) Các thành phần tụ ký sinh trong cấu trúc bán dẫn; (b) Mạch điện tương đương
Quá trình điều khiển một khoá MOSFET làm việc với tải trở cảm thường đi kèm với sự xuất hiện của điôt để bảo vệ, đây là chế độ làm việc phổ biến của các khoá bán dẫn Trong sơ đồ mạch điều khiển được thể hiện tại hình 1.16, tải cảm được mô tả bằng nguồn dòng nối song song với điôt dưới điện áp một chiều U DD Khoá MOSFET được điều khiển bởi đầu ra của vi mạch DRIVER cấp nguồn nuôi U CC, qua một điện trở R Gext để điều chỉnh dòng điều khiển Cực điều khiển của MOSFET có điện trở nội R Gin nhằm hạn chế dòng vào cổng Đồ thị thể hiện dạng dòng điện và điện áp của quá trình mở khoá và khoá hoàn toàn được trình bày trong hình 1.18.(a) và (b), phản ánh đặc điểm quá trình chuyển đổi của khoá bán dẫn trong hệ thống.
Hình 1.16: Giá trị tụ ký sinh thay đổi theo điện áp
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Tính toán thiết kế mạch lực
Các phần tử trong mạch:
Diode D1: dùng để chống điện áp ngược đặt lên van
R1 và C1 được mắc song song với van bán dẫn nhằm bảo vệ xung điện áp trong quá trình đóng cắt của van Mạch này tạo thành vòng phóng điện tích quá độ, giúp giảm thiểu tác động của các xung điện áp cao, tăng độ tin cậy và tuổi thọ của hệ thống chuyển mạch Việc sử dụng R1, C1 song song với van bán dẫn là phương pháp hiệu quả để kiểm soát xung điện áp và đảm bảo hoạt động ổn định của các thiết bị điện tử.
Tính toán lựa chọn các phần tử trong mạch
Nguồn một chiều cấp cho băm xung E = 310(V).
Thông số động cơ: P đm = 3.1W, U đm = 280GV, n đm = 930v/phút, L ư = 27.3mH,
Dải điều chỉnh tốc độ D = 1,5:1
Từ yêu cầu của đề bài ta có thể tính toán được một số biểu thức dựa trên thông số của động cơ như dưới đây:
Tốc độ định mức của động cơ:
Trong bài viết, ta nhận thấy dải điều chỉnh D = 1,5:1 giúp kiểm soát dòng qua van lớn nhất khi γmax và dòng qua diode lớn nhất khi γmin, đảm bảo hoạt động tối ưu của mạch Ngoài ra, ωmax được xác định bằng ωđm, tương ứng với Uư = Uđm, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống.
Tương ứng với , ta có:
Vậy dải điểu chỉnh của là
Tính toán phạm vi thay đổi Uđk
Vậy bằng cách thay đổi Uđk trong khoảng tử 6,36V đến 9,03V ta sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ trong dải 1,5:1.
2.2.1 Tính toán lựa chọn điện cảm
Trong bài viết này, tôi sẽ chọn điện cảm nhằm đảm bảo chế độ dòng điện liên tục ở giới hạn điều chỉnh Khi tăng tham số điều chỉnh γ, mạch dễ bị chuyển sang chế độ dòng gián đoạn; do đó, việc xác định giá trị nhỏ nhất của γ (γmin) giúp tính toán giá trị điện cảm tối thiểu cần thiết để duy trì dòng điện liên tục ở mức γmin Điều này giúp đảm bảo hoạt động ổn định của mạch trong phạm vi điều chỉnh mong muốn, phù hợp với nguyên tắc tối ưu hóa thiết kế mạch điện.
(2.26) Ở chế độ ranh giới về dòng điện ta lại có:
Vì coi dòng là tuyến tính nên ta có :
2.2.2 Tính toán lựa chọn van Để tính chọn được các diode và van MOSFET ta cần dựa vào hai tiêu chí đó là dòng điện và điện áp Vì vậy trước tiên ta cần xác định dòng điện trung bình chạy qua các van trong một chu kì xét, và điện áp ngược lớn nhất đặt lên các van đó.
Trong quá trình điều chỉnh, dòng tải luôn duy trì ở mức cực đại với giá trị Iư,max = 40A, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu của hệ thống Khi dòng điện qua Mosfet đạt giá trị lớn nhất là γ = γmax = 0,903, dòng điện qua van sẽ được xác định dựa trên các tham số này để đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định Việc kiểm soát chính xác dòng điện qua các linh kiện giúp tối ưu hiệu suất hệ thống và nâng cao độ bền của các thành phần điện tử trong quá trình vận hành.
Dòng điện qua diode lớn nhất với γ = γmin = 0,636 khi đó dòng điện qua diode:
Chọn tải thuần trở với điện áp nguồn 310VDC và giả sử điện trở tải là 20Ω giúp xác định giá trị hiệu dụng của dòng tải lớn nhất Điều này lập luận dựa trên việc tính toán dòng tải tối đa phù hợp để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống Chỉ tiêu chọn van được xác định dựa trên điện áp nguồn 310VDC, đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn cho toàn bộ hệ thống điện.
Chọn hệ số dự trữ van kUv = 2
Kuv: hệ số dự trữ về điện áp cho van, thường lấy từ 1.7 – 2.2
Từ những thông số trên, tra bảng phụ lục sách “Hướng dẫn thiết kế các bộ biến đổi” của Phạm Quốc Hải em chọn diode B50 và Mosfet SML1001RBN
Thông số diode công suất: B50
Ký hiệu I tb (A) I hd (A) U đm (V) U v (V)
Itb: giá trị trung bình của dòng điện cho phép chảy qua diode trong đk chuẩn
Ihd: giá trị hiệu dụng của dòng điện cho phép chảy qua diode trong đk chuẩn
Uđm: giá trị cực đại của điện áp cho phép đặt lên diode
Uv: giá trị trung bình sụt áp trên diode khi dẫn dòng điện
Ký hiệu I D (A) R DS (Ω) P D (W) U DS (V) U GSS (V) U GS(th) (V)
Tính toán mạch bảo vệ van R-C
Để bảo vệ xung điện áp phát sinh do quá trình đóng cắt các van, người ta sử dụng các mạch R-C mắc song song với các van bán dẫn, như trong sơ đồ mạch lực R1-C1, R2-C2, R3-C3, R4-C4 Khi có sự chuyển mạch và phóng điện từ van ra ngoài, điều này tạo ra xung điện áp trên bề mặt tiếp xúc của van Việc sử dụng các mạch RC giúp giảm thiểu tác động của các xung điện áp này, đảm bảo độ bền và hoạt động ổn định của hệ thống.
Ta chọn thông số R và C như sau: R` Ω, C=0, 4μF.
Bảng 2.3: Bảng liệt kê thiết bị mạch lưc
Tên thiết bị Số lượng Thông số Hãng
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Xây dựng mạch điều khiển theo phương pháp PWM
Mạch điều khiển phụ thuộc vào phương pháp điều khiển, trong đó phương pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM thực hiện băm xung với tần số không đổi để kiểm soát điện áp ra tải Nguyên lý hoạt động dựa trên việc điều chỉnh độ rộng của khoảng dẫn của van t0=biến, giúp thay đổi điện áp đầu ra một cách linh hoạt Để thực hiện quá trình này, hệ thống sử dụng sơ đồ cấu trúc theo hình 3.1, kèm theo đồ thị minh họa rõ ràng nguyên lý hoạt động của mạch.
Hình 3.22: Sơ đồ cấu trúc và đồ thị điều khiển băm xung một chiều kiểu PWM
Chức năng các khâu là:
Khâu phát xung chủ đạo: nhằm tạo dạo động với tần số cố định nhằm đảm bảo điều kiện băm xung với tần số không đổi
Khâu tạo điện áp răng cưa theo tần số của khâu phát xung chủ đạo, đồng thời đảm bảo phạm vi điều chỉnh tối đa của tham số γ
Khâu so sánh tạo xung đóng vai trò quan trọng trong điều chỉnh hệ thống bằng cách so sánh điện áp răng cưa Urc với điện áp điều khiển Uđk, với điểm cân bằng tại t0 Sự thay đổi của điện áp điều khiển sẽ ảnh hưởng đến t0, từ đó điều chỉnh tham số γ để tối ưu hóa hoạt động của hệ thống Điện áp của khâu này có dạng xung tương ứng với giai đoạn van lực Tr dẫn, giúp điều khiển chính xác quá trình khởi động và vận hành của hệ thống.
Khâu khuếch đại công suất được thiết kế để tăng công suất xung tạo ra tại khâu so sánh, đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu của hệ thống Đồng thời, quá trình này còn phải thực hiện việc ghép nối chính xác với van lực, phù hợp với đặc tính điều khiển của van lực để duy trì hoạt động ổn định và chính xác.
Thiết kế mạch điều khiển
3.2.1 Phát xung chủ đạo và tạo điện áp răng cưa
Hình 3.23: Sơ đồ tạo xung tam giác hai cực tính
Sơ đồ hình 3.3 cho phép tạo ra tại đầu ra của Bộ điều chỉnh truyền tín hiệu OA2 một điện áp răng cưa cân có hình tam giác cân, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tín hiệu có dạng sóng đều đặn và ổn định Trong khi đó, đầu ra của OA1 cung cấp dao động điện áp xung hình chữ nhật, thích hợp cho các mạch cần tín hiệu xung có biên độ và tần số chính xác Việc kết hợp này giúp cải thiện hiệu suất và khả năng điều chỉnh của hệ thống, đáp ứng các yêu cầu của các ứng dụng điện tử hiện đại.
OA1 là mạch lật kiểu trigo Schmitt, có khả năng tạo ra hai trạng thái tối đa phù hợp với hai giá trị cực đại Việc sử dụng hai cụm diode ổn áp DZ1, DZ2 giúp đảm bảođảm bảo cho đầu ra của mạch luôn ổn định, hạn chế nhiễu và duy trì hoạt động chính xác Mạch lật trigo Schmitt này phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu chuyển đổi trạng thái rõ ràng, ổn định, kết hợp với diode ổn áp để nâng cao hiệu quả và độ bền của hệ thống.
Cụm diode ổn áp có vai trò chống bão hòa sâu cho OA, giúp phản ứng nhanh và giảm thời gian trễ khi lật trạng thái Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu tạo ra dao động tần số cao, đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác của hệ thống Sử dụng cụm diode này giúp tối ưu hóa hiệu suất và đáp ứng nhanh trong các mạch điện tử yêu cầu tần số cao.
OA3 là mạch tích phân dảo dấu:
Sự biến thiên của OA2 qua điện trở R3 ảnh hưởng đến cổng (+) của OA1, khi điện thế của cổng này về ngang bằng không sẽ làm triac chuyển sang trạng thái đổi dấu điện áp đầu ra Điều này gây ra bộ tích phân đảo chiều hoạt động, bắt đầu quá trình ngược lại so với giai đoạn trước, đảm bảo quá trình điều khiển và điều chỉnh tín hiệu chính xác hơn.
Mức ngưỡng để bộ tích phân đảo hướng của nó có giá trị gọi là điện áp ngưỡng:
Giá trị này cũng là biên độ của điện áp tam giác.
Răng cưa tam giác hai cực tính được sử dụng để điều khiển biên độ cực của bộ biến tần có đảo chiều, giúp đảm bảo hiệu quả hoạt động linh hoạt Ưu điểm nổi bật của dạng này là không yêu cầu khoảng phục hồi, cả quá trình răng cưa đi lên và đi xuống đều là thời gian làm việc, từ đó cho phép phạm vi điều chỉnh tối đa là γ = (0 ÷ 1) Do đó, khi cần điều chỉnh trong phạm vi này, bộ biến tần không đảo chiều vẫn sử dụng răng cưa tam giác để đảm bảo chính xác và ổn định.
Hình 3.24: Đồ thị khâu răng cưa
Chọn tần số điện áp của tam giác 1kHz
Chu kỳ làm việc của bộ băm xung: T = 1 f = 1
Chọn điện áp nguồn E = ± 15V và sử dụng cụm điôt ổn áp đấu nối tiếp đối đầu, với UOA = 12V, có điện áp đầu ra OA1 cực đại:
Để tạo răng cưa một cực tính, ta sử dụng đầu ra Ura1, trong đó để đạt biên độ 10V, điện áp tạo ra có biên độ là ±5V Tổng điện áp Um bằng tổng của UOA và UDZ, cụ thể là 12V cộng 0,7V, kết quả là 12,7V Điều này đảm bảo tín hiệu đầu ra có biên độ phù hợp để tạo ra răng cưa một cực tính chính xác và ổn định.
Tính toán răng cưa hai cực tính với biên độ ±5V.
Dựa trên đồ thị trong hình 3.4, ta nhận thấy rằng trong khoảng thời gian nửa chu kỳ, điện áp răng cưa cần biến đổi đủ giá trị gấp hai lần điện áp tam giác Ung Điều này thể hiện rõ mối quan hệ hợp lý giữa hai dạng sóng điện áp trong quá trình hoạt động của mạch điện Việc hiểu rõ sự biến thiên của điện áp răng cưa giúp tối ưu hóa thiết kế và điều chỉnh các thiết bị điện tử hiệu quả hơn.
5 = 10 V Do đó từ (4.1) thể hiện sự biến thiên của điện áp này ta rút ra:
Chọn tụ C = 10 nF suy ra: R 1 =0,635.10 −3
, vậy chọn biến trở 10 kΩ vào vị trí R1 để hiệu chỉnh tần số băm xung
Tuy nhiên ta chọn R2 = 10 kΩ và R3 là biến trở 5kΩ để chỉnh xuống giá trị cần thiết nhằm đảm bảo biên độ xung tam giác ±5V.
Bảng 3.4: Bảng lựa chọn thiết bị
TT Tên thiết bị Thông số
Khâu so sánh trong băm áp một chiều đóng vai trò quyết định thời điểm mở và khóa van bán dẫn Tín hiệu đầu vào bao gồm điện áp tựa (điện áp tam giác) cùng với điện áp một chiều dùng làm tín hiệu điều khiển Việc so sánh này giúp kiểm soát chính xác quá trình hoạt động của các van bán dẫn, đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống.
Trong mỗi chu kỳ điện áp tựa, có hai thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển, gây đổi dấu đầu ra của khâu so sánh Những điểm này là các thời điểm đột biến điện áp, yêu cầu mở hoặc khoá van bán dẫn để điều chỉnh hệ thống Đây là cơ sở quan trọng để điều khiển hoạt động của mạch, đảm bảo quá trình hoạt động chính xác và ổn định.
Mạch so sánh sử dụng IC khuếch đại thuật toán, sơ đồ mạch như hình 3.5
Nguyên lý hoạt động của khâu tạo xung dựa trên việc đưa điện áp đầu ra vào đầu đảo của KĐTT và điện áp điều khiển vào đầu không đảo Khi URC lớn hơn Uđk, Ura sẽ có giá trị âm là -E, còn khi URC nhỏ hơn Uđk, KĐTT sẽ thay đổi trạng thái và Ura sẽ là +E Sự thay đổi này giúp điều chỉnh chính xác tín hiệu đầu ra của hệ thống, đảm bảo hoạt động ổn định.
Hình 3.26: Tín hiêu xung sau khâu so sánh
Bảng 3.5: Bản lựa chọn thiết bị
TT Tên thiết bị Thông số
3.2.3 Khâu khuếch đại và cách ly quang Điện áp ra khỏi khâu so sánh sẽ được đưa đến khâu khuếch đại Tại khâu này điện áp sẽ được khuếch đại lên đủ công suất cấp cho van Còn cách ly quang dùng để cách ly van lực với mạch điều khiển nhằm tránh điện áp cao xâm nhập vào mạch điều khiển.
Hình 3.27: Khâu khuếch đại và cách ly quang
Các phần tử quang học dùng để ghép nối giữa khuếch đại xung và van lực trình bay đảm bảo độ cách ly điện và truyền các xung có độ rộng linh hoạt Hiện nay, công nghiệp chế tạo phần tử opto dạng IC rất thuận tiện cho các mạch điều khiển, giúp nâng cao hiệu quả và độ ổn định của hệ thống Do transistor công suất không thể chịu được điện áp cao, cần thiết kế một nguồn E độc lập để cung cấp điện áp phù hợp, đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định của mạch Việc lựa chọn bóng bán dẫn Tr phù hợp dựa trên khả năng chịu điện áp của nguồn E độc lập là yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống.
Chọn transistor Tr là loại 2N6547 điện áp cao
Chọn điện trở R11 có trị số 200Ω và các điện trở khác có trị số là 100Ω
Chọn nguồn E độc lập là 100V
Chọn IC cách ly quang loại TLP250
Dưới đây là các thiết bị đã chọn trong khâu
STT Linh kiện Số lượng Thông số
4 IC cách ly quang 1 TLP250
3.2.4 Khâu tạo điện áp điều khiển
Khâu tạo điện áp điều khiển đóng vai trò quan trọng trong hệ thống lực của mạch, vì nó đảm bảo cung cấp điện áp chính xác để tác động đến góc điều khiển qua khâu so sánh Điều này giúp khống chế năng lượng ra tải phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật và công nghệ của máy sản xuất Trong các hệ thống tự động, khâu này thường xử lý các tín hiệu theo một quy luật hay thuật toán đã được xác định trước, đóng vai trò then chốt trong việc duy trì hoạt động chính xác và ổn định của hệ thống.
Hình 3.28: Khâu tạo điện áp điều khiển
Các tín hiệu cần thu nhận và xử lý phải là điện áp hoặc đã chuyển đổi thành điện áp và được chia thành hai loại:
Tín hiệu yêu cầu công nghệ sản xuất đưa tới, họi là lượng đặt hay điện áp đặt
Thông tin thu thập qua quá trình tải về gọi là lượng phản hồi hoặc điện áp phản hồi, thường tỷ lệ theo các đại lượng cần giám sát như dòng điện, điện áp, công suất, tốc độ, và áp suất Việc đo lường chính xác điện áp phản hồi giúp hệ thống kiểm soát và xử lý các thông số kỹ thuật một cách hiệu quả và chính xác Dây chuyền tự động, hệ thống điều khiển, và các thiết bị công nghiệp sử dụng dữ liệu này để tối ưu hóa hoạt động và đảm bảo hiệu suất cao.
Các hệ điều khiển được chia thành hai loại là hệ kín và hệ hở:
Hệ thống hở là loại hệ thống không có tín hiệu phản hồi, chỉ dựa vào tín hiệu đặt để điều khiển Đặc điểm nổi bật của hệ thống này là khâu tạo điện áp điều khiển đơn giản, không phức tạp, thường sử dụng biến trở để chỉnh điện áp theo ý muốn của người vận hành.
MÔ PHỎNG
Sơ đồ mô phỏng
Kết quả mô phỏng
Hình 4.29: Đồ thị răng cưa hai cực tính
Hình 4.30: Điện áp khâu so sánh
Hình 4.31: Tín hiệu trên van 1
Hình 4.32: Tín hiệu trên van 2
Hình 4.33: Tín hiệu trên van 3
Hình 4.34: Tín hiệu trên van 4
Hình 4.35: Đồ thị điện áp qua tải
Hình 4.36: Đồ thị dòng điện qua tải
Nhận xét: Dạng điện áp qua van, đồ thị dòng -áp qua tải có dạng đúng như lý thuyết đã trình bày về phương pháp điều khiển đối xứng.