đề tài '''' thiết kế mạch băm xung một chiều có đảo chiều để điều chỉnh động cơ môṭ chiều kích từ độc lập ''''

 Trường hợp thay đổi U< Uđm Ảnh hưởng của từ thông: Muốn thay đổi Φ ta thay đổi dòng kích từ Ikt khi đó tốc độ không tải ω= U dm Kφ Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, điện tử công suất đã và đang đóng 1 vai trò rất quan trọngtrong quá trình công nghiệp hoá đất nước Sự ứng dụng của điện tử công suất trongcác hệ thống truyền động điện là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn vàviệc dễ dàng tự động hoá cho các quá trình sản xuất Các hệ thống truyền động điềukhiển bởi điện tử công suất đem lại hiệu suất cao Kích thước, diện tích lắp đặtgiảm đi rất nhiều so với các hệ truyền động thông thường như: Khuếch đại từ, máyphát - động cơ

Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung môn học Điện tử công

suất chúng em đã được giao thực hiện đề tài:Thiết kế mạch băm xung một chiều

có đảo chiều để điều chỉnh động cơ một chiều kích từ độc lâp

Với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo: Nguyên Thị Minh Tâm chúng

em đã tiến hành nghiên cứu,thiết kế đề tài và hoàn thành đúng thời hạn được giao Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế có hạnchế nên không thể tránh khỏi sai sót kính mong thầy cô, và các bạn đóng góp ý kiến

để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn

Chương I: Tổng quan về động cơ điện một chiều kich từ độc lập1.1 Thị trường động cơ điện một chiều

Cùng với sự phát triển phát ngày càng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp cả

về chiều rộng lẫn chiều sâu, điện và các máy điện đóng vai trò rất quan trọng,không thể thiếu được trong phần lớn các ngành công nghiệp và đời sống sinhhoạt con người Nó luôn đi trước một bước làm tiền đề nhưng cũng là mũi nhọnquyết định sự thành công của cả một hệ thống sản xuất công nghiệp Không mộtquốc gia náo, một nền sản xuất nào không sử dụng điện và máy điện

Do tính ưu việt của hệ thống diện xoay chiều: dễ sản xuất, dễ truyền tải , cảmáy phát và động cơ điện xoay chiềucó cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễvận hành mà máy điện( động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụngrộng rãi và phổ biến Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhấtđịnh như: trong công nghiệp giao thông vận tải, và nối chung ở các thiết bị cầnđiều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng(như trong cán thép,máycông cụ lớn, đầu máy điện ) Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạođộng cơ điện một chiều cùng cỡ thì gá thành đắt hơn do sư dụng kim loại nhiềuhơn, chế tạo bảo quản cổ góp hức tạp hơn nhưng do đó nhuwngx ưu điển của

nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại

1.2 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập và các phương pháp điều khiển đảo chiều động cơ

1.2.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần : Phần tĩnh (stator) và phần động (rôtor)

1.2.1.1 Phần tĩnh (stator)

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm 2

SVTH: Nguyễn Đình Thịnh

Nguyễn Văn Thống

Gồm các phần chính sau:

a Cực từ chính:

Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấnkích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuậtđiện Cực từ được gắn chặt vào vỏ nhờ các bulông Dây quấn kích từ được quấnbằng dây đồng bọc cách điện

Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ thông thường dùng những lá thép kỹ thuật điệndày 0,5 mm phủ cách điện ở hai đầu rồi ép chặt lại Trên lá thép có dập hình dạngrãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào

b Dây quấn phần ứng:

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua Thường làmbằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diệntròn, trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây quấnđược cách điện với rãnh của lõi thép

c Cổ góp:

Cổ góp hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điệnxoay chiều thành một chiều cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn cáchđiện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn.Đuôi vành góp có cao hơn lên một ít để để hàn các đầu dây của các phần tử dâyquấn vào các phiến góp được dễ dàng

d Các bộ phận khác:

- Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy

- Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục máythường làm bằng thép Cacbon tốt

1.2.1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều:

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm 4

SVTH: Nguyễn Đình Thịnh

Nguyễn Văn Thống

+ I F

F a

A

B

Hình 1:Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều

Khi cho điện áp 1 chiều U đặt vào 2 chổi than A và B trong dây quấn phầnứng có dòng điện Iư các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịulực điện từ Fđt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ được xác định theo quy tắcbàn tay trái Khi phần ứng quay được nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗnhau do có phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng không đổiđảm bảo động cơ có chiều quay không đổi Khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từtrường sẽ cảm ứng sức điện động Eư chiều của s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tayphải

Ở động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên

Rf RKT

U

-E

Hình2 : Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

1.2.1.4 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập

Đặc tính cơ là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen (M) của động cơ

Ứng với chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông ) động cơ vận hành ở chế độđịnh mức với đặc tính cơ tự nhiên (Mđm , wđm)

Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các thông sốnguồn hay nối thêm điện trở phụ, điện kháng vào động cơ

Để đánh giá, so sánh các đặc tính cơ người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ

β được tính như sau Δβ= ΔM Δω

β lớn (đặc tính cơ cứng) tốc độ thay đổi ít khi M thay đổi

β nhỏ (đặc tính cơ mềm) tốc độ giảm nhiều khi M tăng.

β → ∞ đặc tính cơ tuyệt đối cứng.

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều

Khi nguồn điện 1 chiều có công suất lớn và điện áp không đổi thì mạch kích

từ thường mắc song song với mạch phần ứng

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng

và mạch kích từ mắc vào 2 nguồn một chiều độc lập

K=

p.n 2aπ : hệ số cấu tạo của động cơ

ω : tốc độ góc tính bằng rad/s

p: số đôi cực chính

N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.

Mặt khác: M= M= K.Ф.Iư (5): là mômen điện từ của động cơ

 Trường hợp R f thay đổi (Uư= Uđm= const; Ф= Фđm= const):

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm 8

SVTH: Nguyễn Đình Thịnh

Nguyễn Văn Thống

 Trường hợp thay đổi U< Uđm

 Ảnh hưởng của từ thông:

Muốn thay đổi Φ ta thay đổi dòng kích từ Ikt khi đó tốc độ không tải ω=

U dm Kφ

Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông

số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông…

Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:

Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyểntiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản suất

Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện Phương pháp này làmkhảo sát sự điềuchỉnh tốc độ theo phương pháp thứ hai

Ngoài ra cần phân biệt điều chỉnh tốc độ với sự tự động thay đổi tốc độ khiphụ tải thay đổi của động cơ điện

Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việthơn so với các loại động cơ khác Không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ

dễ dàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn, đồng thời lạiđạt chất lượng điều chỉnh cao trong dãy điều chỉnh tốc độ rộng

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

Đối với các máy điện một chiều, khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnhđiện áp trên mạch phần ứng thì dòng điện, moment sẽ không thay đổi Để tránhnhững biến động lớn về gia tốc và lực động trong hệ điều chỉnh nên phương phápđiều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng thường được ápdụng cho động cơ một chiều kích từ độc lập

Để điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta dùng các bộ nguồn điều

áp như: máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ… Các bộbiến đổi trên dùng để biến dòng xoay chiều của lưới điện thành dòng một chiều vàđiều chỉnh giá trị sức điện động của nó cho phù hợp theo yêu cầu

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm 10

U1 U2 U3

TN ( Uđm )

n0 ncb n1 n2 n3

M n

MC

Uđm > U1 > U2 > U3 ncb > n1 > n2 > n3

Ta có tốc độ không tải lý tưởng: n0 = Uđm/KEđm. Độ cứng của đường đặc tínhcơ:

Khi thay đổi điện áp đặt lên phần ứng của động cơ thì tốc độ không tải lý

tưởng sẽ thay đổi nhưng độ cứng của đường đặc tính cơ thì không thay đổi

Như vậy: Khi ta thay đổi điện áp thì độ cứng của đường đặc tính cơ khôngthay đổi Họ đặc tính cơ là những đường thẳng song song với đường đặc tính cơ tựnhiên:

Hình 4: Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng thựcchất là giảm áp và cho ra những tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản ncb Đồng thời điềuchỉnh nhảy cấp hay liên tục tùy thuộc vào bộ nguồn có điện áp thay đổi một cáchliên tục và ngược lại

β= dM

dn =−

K E K M Φ2

R u+R f

Theo lý thuyết thì phạm vi điều chỉnh D =  Nhưng trong thực tế động cơđiện một chiều kích từ độc lập nếu không có biện pháp đặc biệt chỉ làm việc ở

phạm vi cho phép: Umincp =

10 nghĩa là phạm vi điều chỉnh:

D = ncb/nmin = 10/1 Nếu điện áp phần ứng U < Umincp thì do phản ứng phần ứng sẽlàm cho tốc độ động cơ không ổn định

 Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào

phần ứng động cơ sẽ giữ nguyên độ cứng của đường đặc tính cơ nên đượcdùng nhiều trong máy cắt kim loại và cho những tốc độ nhỏ hơn ncb

 Ưu điểm: Đây là phương pháp điều chỉnh triệt để, vô cấp có nghĩa là có thể

điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi ở không tải lý tưởng

 Nhược điểm: Phải cần có bộ nguồn có điện áp thay đổi được nên vốn đầu tư

cơ bản và chi phí vận hành cao

1.2.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng các thay đổi từ thông:

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm 12

SVTH: Nguyễn Đình Thịnh

Nguyễn Văn Thống

+

-Ckt Rkt

Iư U

Ukt

Hình 5: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnhmoment điện từ của động cơ M = KMIư và sức điện động quay của động cơ

Eư = KEn Thông thường, khi thay đổi từ thông thì điện áp phần ứng được giữnguyên giá trị định mức

Đối với các máy điện nhỏ và đôi khi cả các máy điện công suất trung bình,người ta thường sử dụng các biến trở đặt trong mạch kích từ để thay đổi từ thông

do tổn hao công suất nhỏ Đối với các máy điện công suất lớn thì dùng các bộ biếnđổi đặc biệt như: máy phát, khuếch đại máy điện, khuếch đại từ, bộ biến đổi van…

Thực chất của phương pháp này là giảm từ thông Nếu tăng từ thông thì dòngđiện kích từ Ikt sẽ tăng dần đến khi hư cuộn dây kích từ Do đó, để điều chỉnh tốc độchỉ có thể giảm dòng kích từ tức là giảm nhỏ từ thông so với định mức Ta thấy lúc

này tốc độ tăng lên khi từ thông giảm: n =

U

K E .Φ

Mặt khác ta có: Moment ngắn mạch Mn = KM Φ In nên khi Φ giảm sẽ làmcho Mn giảm theo

1 2 đm

0 MC M2 M1 Mn

Hình 6: Họ đặc tính cơ khi thay đổi từ thông

ncb

n1 n2

n

M

đm > 1 > 2 ncb < n1 < n2

Độ cứng của đường đặc tính cơ:

Khi Φ giảm thì độ cứng  cũng giảm, đặc tính cơ sẽ dốc hơn Nên ta cĩ

họ đường đặc tính cơ khi thay đởi từ thơng như sau:

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đởi từ thơng cĩ thể điều chỉnhđược tốc độ vơ cấp và cho ra những tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản

Theo lý thuyết thì từ thơng cĩ thể giảm gần bằng 0, nghĩa là tốc độ tăng đến

vơ cùng Nhưng trên thực tế động cơ chỉ làm việc với tốc độ lớn nhất:

nmax = 3.ncb tức phạm vi điều chỉnh: D =

nmax

n cb =

3 1

Bởi vì ứng với mỗi động cơ ta cĩ một tốc độ lớn nhất cho phép Khi điềuchỉnh tốc độ tùy thuộc vào điều kiện cơ khí, điều kiện cở gĩp động cơ khơng thể

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm 14

Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể

điều chỉnh tốc độ vô cấp và cho những tốc độ lớn hơn ncb Phương pháp này được dùng để điều chỉnh tốc độ cho các máy mài vạn năng hoặc là máy bào giường Do quá trình điều chỉnh tốc độ được thực hiện trên mạch kích từ nên tổn thất năng

lượng ít, mang tính kinh tế

1.2.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng:

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạchphần ứng có thể được dùng cho tất cả động cơ điện một chiều Trong phương phápnày điện trở phụ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng của động cơ theo sơ đồnguyên lý như sau:

Hình 7: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ

trên mạch phần ứng.

Ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:Khi thay đổi giá trị điện trở phụ Rf ta nhận thấy tốc độ không tải lý tưởng: và

độ cứng của đường đặc tính cơ:

sẽ thay đổi khi giá trị Rf thay đổi Khi Rf càng lớn,  càng nhỏ nghĩa là đường đặctính cơ càng dốc Ứng với giá trị Rf = 0 ta có độ cứng của đường đặc tính cơ tựnhiên được tính theo công thức sau:

Ta nhận thấy TN có giá trị lớn nhất nên đường đặc tính cơ tự nhiên có độcứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có đóng điện trở phụ trên mạch phầnứng Vậy khi thay đổi giá trị Rf ta được họ đặc tính cơ như sau:

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm 16

TN Rf1

Rf2

n3 n2 n

M, I

n1

n0 ncb

Rf3

Hình 8:Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng.

Nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phầnứng được giải thích như sau: Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với tốc độ n1 tađóng thêm Rf vào mạch phần ứng Khi đó dòng điện phần ứng Iư đột ngột giảmxuống, còn tốc độ động cơ do quán tính nên chưa kịp biến đổi Dòng Iư giảm làmcho moment động cơ giảm theo và tốc độ giảm xuống, sau đó làm việc xác lập tạitốc độ n2 với n2 > n1

Phương pháp điều chỉnh tốc độ này chỉ có thể điều chỉnh tốc độ n < ncb Trênthực tế không thể dùng biến trở để điều chỉnh nên phương pháp này sẽ cho nhữngtốc độ nhảy cấp tức độ bằng phẳng  xa 1 tức n1 cách xa n2, n2 cách xa n3…

Khi giá trị nmin càng tiến gần đến 0 thì phạm vi điều chỉnh:

IS

In

Rn RS

+

-CktttttT Rkt E

U

Trong thực tế, Rf càng lớn thì tổn thất năng lượng phụ tăng Khi động cơ làmviệc ở tốc độ n = ncb/2 thì tổn thất này chiếm từ 40% đến 50% Cho nên, để đảmbảo tính kinh tế cho hệ thống ta chỉ điều chỉnh sao cho phạm vi điều chỉnh:

D =

(2÷3) 1Khi giá trị Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm Đồng thời dòng điệnngắn mạch In và moment ngắn mạch Mn cũng giảm Do đó, phương pháp này đượcdùng để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản Và tuyệt đốikhông được dùng cho các động cơ của máy cắt kim loại

Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên

mạch phần ứng chỉ cho những tốc độ nhảy cấp và nhỏ hơn ncb

Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cho cần

trục, thang máy, máy nâng, máy xúc, máy cán thép

Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở phụ đóng vào

càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độ khi phụtải thay đổi càng kém Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp thì tổnhao phụ càng tăng

1.2.2.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng các rẽ mạch phần ứng:

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽmạch phần ứng có sơ đồ nguyên lý như sau:

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm 18

SVTH: Nguyễn Đình Thịnh

Nguyễn Văn Thống

Hình 9: Sơ đồ nguyên lý phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng.

Một hệ thống khi điều chỉnh cần tốc độ nhỏ hơn ncb và điều chỉnh nhảy cấp

Hệ thống có độ cứng tương đối lớn và thiết bị vận hành đơn giản thì người ta dùngphương pháp rẽ mạch phần ứng hay còn gọi là phân mạch

Theo phương pháp rẽ mạch phần ứng thì phần ứng động cơ nối song songvới điện trở và nối nối tiếp với một điện trở khác Phương pháp này giống vớiphương pháp thay đổi điện trở trên mạch phần ứng nhưng điện áp phần ứng lạikhông thay đổi Do đó, phương pháp này đòi hỏi phải:

- Điện áp đặt vào phần ứng động cơ không thay đổi

- Vì dòng kích từ không thay đổi nên khi điều chỉnh tốc độ, từ thông không đổilàm cho moment phụ tải cho phép được giữ không đổi và bằng trị số định mức

Ta có phương trình đặc tính cơ:

Từ phương trình trên, ta nhận thấy tốc độ động cơ nĐ < ncb Mặt khác ta có:

RS+ Rn < n0

n n0 n3 n2 n1

RS1 < RS2 n1 < n2

Độ cứng của đường đặc tính cơ rẽ mạch phần ứng PM nhỏ hơn độ cứng củađặc tính cơ tự nhiên TN nhưng lại lớn hơn độ cứng của đặc tính cơ có điện trở phụ

Rf với điện trở phụ chính là Rn

Để điều chỉnh tốc độ động cơ trong trường hợp này ta tiến hành như sau:

 Giữ nguyên R n, thay đổi giá trị RS:

- Khi RS = 0: Đây là trạng thái hãm động năng với tốc độ hãm động năng

nHĐN = 0

Ta có họ đặc tính cơ như sau:

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm 20

Hình 10: Họ đặc tính cơ khi Rn = const, RS thay đổi.

Như vậy, khi giữ nguyên Rn, thay đổi giá trị RS thì vùng điều chỉnh tốc độ bịhạn chế và modun độ lớn đặc tính cơ tăng dần khi tốc độ giảm

 Giữ nguyên R S, thay đổi giá trị Rn:

- Khi Rn = 0: RS không ảnh hưởng đến đường đặc tính cơ Lúc này taxem RS như là tải nối song song với động cơ Ta có được đường đặctính cơ tự nhiên

- Khi Rn = : Động cơ điện bị hở mạch nên không có điện áp rơi trênphần ứng động cơ Đây là trạng thái hãm động năng với RHĐN = RS

Ta có : IB = Uđm/RS Ta có họ đặc tính cơ như sau:

h c ọc

Vậy khi giữ nguyên RS và thay đổi Rn thì phạm vi điều chỉnh không bịhạn chế như trường hợp trên Nhưng khi tốc độ giảm xuống thì độ cứng đườngđặc tính cơ lại bị giảm xuống

 Ngoài ra còn có phương pháp thay đổi đồng thời giá trị của RS và Rn:

Phương pháp này thường được sử dụng trong thực tế So với phươngpháp điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng ta nhậnthấy: Khi tốc độ và moment động cơ như nhau nghĩa là khi công suất cơ nhưnhau dòng điện nhận từ lưới trong sơ đồ rẽ mạch phần ứng luôn luôn lớn hơntrong sơ đồ điều chỉnh bằng điện trở phụ trên mạch phần ứng một lượng bằngdòng điện chạy qua RS

Phương pháp này chỉ dùng cho cần trục, cầu trục, thang máy, máy cánthép Đồng thời tuyệt đối không dùng cho máy cắt kim loại

Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng thì điều

chỉnh tốc độ nhảy cấp và cho những tốc độ nhỏ hơn ncb

Ưu điểm:

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm 22

SVTH: Nguyễn Đình Thịnh

Nguyễn Văn Thống

- Với cùng một tốc độ yêu cầu thì độ cứng của đường đặc tính cơ phân mạch

có độ cứng lớn hơn đặc tính cơ dùng điện trở phụ trên mạch phần ứng

- Thiết bị vận hành đơn giản

1.2.3 Kết luận

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có nhiều hạn chế so

với phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng, phương pháp thay đổi thonng bị hanchế bởi các điều kiện cơ khi: đó chính là điều kiện chuyển mạch của cổ góp điện

Cụ thể phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có các ưu điểm hơn như sau:

1– Hiệu suất điều chỉnh cao hơn( phương trình điều khiển là tuyến tính, triệtđể) hơn, khi ta dùng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng tổn thất côngsuất điều khiển nhỏ

2 – Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mômen ngắnmạch giảm, dòng điện ngắn mạch giảm Điều này rất có ý nghĩa trong lúckhởi động động cơ

3– Độ sụt tuyệt đôi trên toàn dải điều chỉnh ứng vơií một mômen điều chỉnhxác định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục

Tuy vậy phương án này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏi phải có nguồn

áp điều chỉnh được song nó là không đáng kể so với vai tro và ưu điểm của nó Vậynên phương pháp này được sử dụng rộng rãi

Chương II: Các linh kiện bán dẫn cấu thành bộ băm xung một

chiều

2.1_ Mạch cầu H dùng relay

Rờ le là một dạng “công tắc” (switch) cơ điện (electrical mechanical device, không phải cơ điện tử đâu nhé :) ) Gọi là công tắc cơ điện vì chúng gồm các tiếp điểm cơ được điều khiển đóng mở bằng dòng điện Với khả năng đóng mở các tiếp điểm, rờ le đúng là một lựa chọn tốt để làm khóa cho mạch cầu H Thêm nữa chúng lại được điều khiển bằng tín hiệu điện, nghĩa làchúng ta có thể dùng AVR (hay bất kỳ chip điều khiển nào) để điều khiển rờ

le, qua đó điều khiển mạch cầu H

Có 3 cực trên rờ le này Cực C gọi là cực chung (Common), cực NC là tiếp điểm thường đóng (Normal Closed) và NO là tiếp điểm thường mở (Normal Open) Trong điều kiện bình thường, khi rờ le không hoạt động, do lực kéo của lò xo bên trái thanh nam châm sẽ tiếp xúc với tiếp điểm NC tạo thành mộtkết nối giữa C và NC, chính vì thế NC được gọi là tiếp điểm thường đóng (bình thường đã đóng) Khi một điện áp được áp vào 2 đường kích Solenoid (cuộn dây của nam châm điện), nam châm điện tạo ra 1 lực từ kéo thanh nam châm xuống, lúc này thanh nam châm không tiếp xúc với tiếp điểm NC nữa

mà chuyển sang tiếp xúc với tiếp điểm NO tạo thành một kết nối giữa C và

NO Hoạt động này tương tự 1 công tắc chuyển được điều khiển bởi điện áp kích Solenoid Một đặc điểm rất quan trọng trong cách hoạt động “đóng – mở” của rờ le là tính “cách li” Hai đường kích nam châm điện hoàn toàn cách li với các tiếp điểm của rờ le, và vì thế sẽ rất an toàn Có 2 thông số quantrọng cho 1 rờ le là điện áp kích Solenoid và dòng lớn nhất mà các điểm điểm chịu được Điện áp kích solenoid thường là 5V, 12V hoặc 24V, việc kích solenoid chính là công việc của chip điều khiển (ví dụ AVR) Vì tiếp xúc giữacực C và các tiếp điểm là dạng tiếp xúc tạm thời, không cố định nên rất dễ bị

hở mạch Nếu dòng điện qua tiếp điểm quá lớn, nhiệt có thể sinh ra lớn và làm hở tiếp xúc Vì thế chúng ta cần tính toán dòng điện tối đa trong ứng dụng của mình để chọn rờ le phù hợp

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm 24

SVTH: Nguyễn Đình Thịnh

Nguyễn Văn Thống

Hình 4 Mạch cầu H dùng rờ le.

Trong mạch cầu H dùng rờ le ở hình 4, 4 diode được dùng để chống hiện tượng dòng ngược (nhất là khi điều khiển động cơ) Các đường kích solenoid không được nối trực tiếp với chip điều khiển mà thông qua các transistor, việckích các transistor lại được thực hiện qua các điện trở Tạm thời chúng ta gọi tổ hợp điện trở + transistor là “mạch kích”, tôi sẽ giải thích rõ hơn hoạt động của mạch kích trong phần tiếp theo

Mạch cầu H dùng rờ le có ưu điểm là dễ chế tạo, chịu dòng cao, đặc biệt nếu thay rờ le bằng các linh kiện tương đương như contactor, dòng điện tải cóthể lên đến hàng trăm ampere Tuy nhiên, do là thiết bị “cơ khí” nên tốc độ đóng/mở của rờ le rất chậm, nếu đóng mở quá nhanh có thể dẫn đến hiện tượng “dính” tiếp điểm và hư hỏng Vì vậy, mạch cầu H bằng rờ le không được dùng trong phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng PWM Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu các linh điện có thể thay thế rờ le trong mạch cầu H, gọi là các “khóa điện tử” với khả năng đóng/mở lên đến hàng nghìn hoặc triệu lần trên mỗi giây

2.2_Mạch cầu H dùng mosfet

MOSFET là viết tắt của cụm Meta Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor tức Transisor hiệu ứng trường có dùng kim loại và oxit bán dẫn Hình 11 mô tả cấu tạo của MOSFET kênh n và ký hiệu của 2 loại MOSFET kênh n và kênh p

Hình 11 MOSFET

MOSFET có 3 chân gọi là Gate (G), Drain (D) và Source (S) tương ứng với B, E và C của BJT Bạn có thể nguyên lý hoạt động của MOSFET ở các tài liệu về điện tử, ở đây chỉ mô tả các kích hoạt MOSFET Cơ bản, đối với MOSFET kênh N, nếu điện áp chân G lớn hơn chân S khoảng từ 3V thì MOSFET bão hòa hay dẫn Khi đó điện trở giữa 2 chân D và S rất nhỏ (gọi làđiện trở dẫn DS), MOSFET tương đương với một khóa đóng Ngược lại, với MOSFET kênh P, khi điện áp chân G nhỏ hơn điện áp chân S khoảng 3V thì MOSFET dẫn, điện trở dẫn cũng rất nhỏ Vì tính dẫn của MOSFET phụ thuộcvào điện áp chân G (khác với BJT, tính dẫn phụ thuộc vào dòng IB),

MOSFET được gọi là linh kiện điều khiển bằng điện áp, rất lý tưởng cho các mạch số nơi mà điện áp được dùng làm mức logic (ví dụ 0V là mức 0, 5V là mức 1)

MOSFET thường được dùng thay các BJT trong các mạch cầu H vì dòng

mà linh kiện bán dẫn này có thể dẫn rất cao, thích hợp cho các mạch công suất lớn Do cách thức hoạt động, có thể hình dung MOSFET kênh N tương đương một BJT loại npn và MOSFET kênh P tương đương BJT loại pnp

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm 26

SVTH: Nguyễn Đình Thịnh

Nguyễn Văn Thống

Thông thường các nhà sản xuất MOSFET thường tạo ra 1 cặp MOSFET gồm

1 linh kiện kênh N và 1 linh kiện kênh P, 2 MOSFET này có thông số tương đồng nhau và thường được dùng cùng nhau Một ví dụ dùng 2 MOSFET tương đồng là các mạch số CMOS (Complemetary MOS) Cũng giống như BJT, khi dùng MOSFET cho mạch cầu H, mỗi loại MOSFET chỉ thích hợp với 1 vị trí nhất định, MOSFET kênh N được dùng cho các khóa phía dưới và MOSFET kênh P dùng cho các khóa phía trên Để giải thích, hãy ví dụ một MOSFET kênh N được dùng điều khiển motor DC như trong hình 12

Hình 12 Dùng MOSFET kênh N điều khiển motor DC

Ban đầu MOSFET ko được kích, ko có dòng điện trong mạch, điện áp chân S bằng 0 Khi MOSFET được kích và dẫn, điện trở dẫn DS rất nhỏ so với trở kháng của motor nên điện áp chân S gần bằng điện áp nguồn là 12V

Do yêu cầu của MOSFET, để kích dẫn MOSFET thì điện áp kích chân G phảilớn hơn chân S ít nhất 3V, nghĩa là ít nhất 15V trong khi chúng ta dùng vi điều khiển để kích MOSFET, rất khó tạo ra điện áp 15V Như thế MOSFET kênh N không phù hợp để làm các khóa phía trên trong mạch cầu H (ít nhất làtheo cách giải thích trên) MOSFET loại P thường được dùng trong trường hợp này Tuy nhiên, một nhược điểm của MOSFET kênh P là điện trở dẫn DScủa nó lớn hơn MOSFET loại N Vì thế, dù được thiết kế tốt, MOSFET kênh

P trong các mạch cầu H dùng 2 loại MOSFET thường bị nóng và dễ hỏng hơnMOSFET loại N, công suất mạch cũng bị giảm phần nào

Hình 13 Mạch cầu H dùng MOSFET.

Khi dùng 2 MOSFET kênh N IRF540 và 2 kênh P IRF9540 của hãng International Rectifier làm các khóa cho mạch cầu H Các MOSFET loại này chịu dòng khá cao (có thể đến 30A, danh nghĩa) và điện áp cao nhưng có nhược điểm là điện trở dẫn tương đối lớn Phần kích cho các MOSFET kênh

N bên dưới thì không quá khó, chỉ cần dùng vi điều khiển kích trực tiếp vào các đường L2 hay R2 Riêng các khóa trên (IRF9540, kênh P) phải dùng thêmBJT 2N3904 để làm mạch kích Khi chưa kích BJT 2N3904, chân G của MOSFET được nối lên VS bằng điện trở 1K, điện áp chân G vì thế gần bằng

VS cũng là điện áp chân S của IRF9540 nên MOSFET này không dẫn Khi kích các line L1 hoặc R1, các BJT 2N3904 dẫn làm điện áp chân G của

IRF9540 sụt xuống gần bằng 0V (vì khóa 2N3904 đóng mạch) Khi đó, điện

áp chân G nhỏ hơn nhiều so với điện áp chân S, MOSFET dẫn Vi điều khiển

có thể được dùng để kích các đường L1, L2, R1 và R2

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm 28

SVTH: Nguyễn Đình Thịnh

Nguyễn Văn Thống

2.3_Mạch cầu H dùng BJT

BJT là viết tắt của từ Bipolar Junction Transistor là một linh kiện bán dẫn (semiconductor device) có 3 cực tương ứng với 3 lớp bán dẫn trong cấu tạo Trong tất cả các tài liệu về điện tử cơ bản đều giải thích về bán dẫn và BJT, trong tài liệu này tôi chỉ giới thiệu khái quát cấu tạo của transistor và chủ yếu là các chế độ hoạt động của transistor

Bán dẫn là các nguyên tố thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn hóa học, Silic (Si) là một ví dụ điển hình, các nguyên tố này có 4 electron ở lớp ngoài cùng Ở trạng thái thường, Si là chất dẫn điện kém (gần như không dẫn điện), khi nhiệt độ tăng, các electron dao động mạnh và dễ dàng bị “bứt” ra khỏi tinh thể và do đó tính dẫn điện của bán dẫn sẽ tăng Tuy nhiên, bán dẫn được dùng để chế tạo linh kiện điện tử không phải là các tinh thể thuần khiết mà có pha “tạp chất” Nếu pha nguyên tố nhóm V (như Photpho) vào Si, 4 electron lớp ngoài cùng của P tạo liên kết công hóa trị với Si và có 1 electron của P bị

“thừa” (vì P có 5 electron lớp ngoài cùng) Chất bán dẫn có pha Photpho vì thế rất dễ dẫn điện và có tính chất “âm” nên gọi là bán dẫn loại n (Negative),

“hạt dẫn” trong bán dẫn loại n là electron (e thừa) Trường hợp nguyên tố nhóm III, như Bo (Boron), được pha vào Si, 3 electron lớp ngoài cùng của Bokết hợp với 4 electron của Si tuy nhiên vẫn còn 1 “chỗ trống” sẵn sàng nhận electron “Chỗ trống” này được gọi là “lỗ trống” và có tính chất như 1 loại hạt dẫn dương Bán dẫn loại này vì thế gọi là bán dẫn loại p (Positive) Mức

độ pha tạp chất quyết định độ dẫn của bán dẫn Tuy nhiên, bán dẫn có pha tạpchất dù đã cải thiện tính dẫn điện vẫn không có nhiều tác dụng, “điều kỳ diệu” chỉ xảy ra khi ghép chúng lại với nhau

Khi ghép bán dẫn loại p và loại n với nhau tạo thành tiếp xúc p-n (p-n junction), đây chính là các diode Đặc điểm của tiếp xúc p-n là chỉ có dòng điện chạy qua theo 1 chiều từ p sang n Khi ghép 3 lớp bán dẫn sẽ tạo thành transistor, phụ thuộc vào thứ tự bán dẫn được ghép chúng ta có transistor npn hay pnp Tôi sẽ chọn transistor npn để giải thích hoạt động của transistor vì loại này được dùng phổ biến trong các ứng dụng điều khiển (và cả trong mạchcầu H)

Ba lớp bán dẫn n, p và n kết hợp tạo thành 3 cực C (cực thu-Collector), cực B (nền – Base) và cực E (phát – Emitter) Tùy theo cách mắc transistor

mà người ta có các loại phân cực khác nhau, trong hình 6 tôi trình bày cách

phân cực rất cơ bản mà chúng ta sẽ dùng sau này, phân cực E chung (CE-

Common Emitter)

Hình 6 Phân cực E chung cho npn BJT

Tuy là được tạo nên từ các bán dẫn tạp chất nhưng nồng độ tạp chất của các lớptrong npn BJT rất khác nhau Lớp E rất “giàu” hạt dẫn, kế đến là lớp C và lớp B thì lại rất ít hạt dẫn và rất mỏng Khi điện áp cực B lớn hơn điện áp cực E, tiếp xúcp-n giữa B và E được phân cực thuận Dòng electron từ E (vốn có rất nhiều do cách pha tạp chất) ào ạt “chảy” về B, trong khi lớp B (bán dẫn loại p) vốn rất

mỏng và nghèo hạt dẫn (lỗ trống), nên phần lớn electron từ E sẽ “tràn” qua cực C

và đi về nguồn Vc như mô tả trên hình 6 Chú ý trên hình 6 tôi vẽ chiều di chuyển

là chiều của dòng electron, chiều dòng điện sẽ ngược lại (vì theo định nghĩa chiều dòng điện ngược chiều electron) Diễn giải đơn giản, dòng diện từ cực B đã gây ra dòng điện từ cực C về E Quan hệ của các dòng điện như sau:

IE=IB+IC (1)

Một đặc điểm thú vị là dòng electron tràn qua cực C sẽ tỉ lệ với dòng electron đến cực B mối quan hệ như sau:

IC=hfeIB (2)

Thông số hfe gọi là hệ số khuyếch đại tĩnh (DC Current Gain) của BJT và là hằng số được ghi bởi các nhà sản xuất, nó chính là đặc tính để phân biệt từng loại BJT, gái trị của thường rất lớn, từ vài chục đến vài trăm Chính vì đặc điểm này

mà transistor được dùng như là một linh kiện “khuyếch đại” Hãy quan sát phần mạch điện bên phải trong hình 6 (phía Vc), nếu giả sử đoạn CE của BJT là một

“điện trở”, xem lại công thức (2), nếu tăng dòng điện IB thì dòng IC sẽ tăng theo trong khi điện trở RC và nguồn VC lại không đổi, rõ ràng “điện trở EC” đang giảm

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm 30

SVTH: Nguyễn Đình Thịnh

Nguyễn Văn Thống