damh3 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH XUNG ÁP MỘT CHIỀU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ QUAY ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU CÔNG SUẤT NHỎ

Đề tài: Thiết kế, chế tạo mạch xung áp một chiều ứng dụng điều khiển tốc độ quay động cơ một chiều công suất nhỏ Mô tả ngắn gọn: Đề tài tập trung thiết kế và chế tạo một mạch tạo xung áp một chiều dạng PWM để điều chỉnh tốc độ quay của động cơ một chiều công suất nhỏ. Mạch sử dụng các linh kiện điện tử cơ bản như vi điều khiển hoặc mạch tạo dao động, transistor công suất để điều khiển biên độ hoặc độ rộng xung điện áp cung cấp cho động cơ. Qua đó, có thể điều chỉnh tốc độ động cơ một cách linh hoạt, ổn định và hiệu quả, phù hợp cho các ứng dụng như quạt, băng tải nhỏ, hoặc các thiết bị tự động hóa công suất thấp. Kết quả dự kiến Mạch xung áp một chiều có thể điều chỉnh tốc độ quay động cơ một chiều công suất nhỏ một cách hiệu quả. Tốc độ động cơ được điều chỉnh mượt mà, không gây giật cục hoặc quá nóng. Hướng dẫn sử dụng và sơ đồ mạch hoàn chỉnh. Báo cáo chi tiết về quá trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC 3

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH XUNG ÁP MỘT CHIỀU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ QUAY ĐỘNG CƠ MỘT

CHIỀU CÔNG SUẤT NHỎ

Giảng viên hướng dẫn :

Sinh viên thực hiện 1 :

Mã sinh viên :

Sinh viên thực hiện 2 :

Mã sinh viên :

Hưng Yên, 2023

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Hưng Yên, Ngày Tháng Năm 2023

Giảng viên hướng dẫn

MỤC LỤC

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN 2

LỜI NÓI ĐẦU 6

MỞ ĐẦU 7

1 Tính cấp thiết của đề tài 7

2 Cấu trúc đề tài 7

3 Lời cảm ơn 8

4. Sinh viên thực hiện 8

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 9

1.1 Khái niệm về động cơ điện một chiều 9

1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều 9

1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều 10

1.4 Phân loại 11

1.5 Các đại lượng định mức 11

1.6 Ưu, nhược điểm và ứng dụng của động cơ điện một chiều 12

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ MẠCH XUNG ÁP MỘT CHIỀU 13

2.1 Khái niệm về bộ biến đổi điện áp một chiều 13

2.2 Nguyên lý chung 13

2.3 Phân loại và sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi điện áp DC 15

2.3.1 Phân loại 15

2.3.2 Cấu trúc bộ biến đổi điện áp DC 18

2.4 Khái quát về phương pháp PWM 19

2.5 Ưu, nhược của PWM 22

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH XUNG ÁP MỘT CHIỀU PWM 24

3.1 Lựa chọn mạch lực 24

3.1.1 Nguyên lý hoạt động 25

3.1.2 Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán trong mạch 25

3.2 Mạch tạo dao động 26

3.3 Mạch dao động sử dụng NE555 có khả năng thay đổi độ rộng xung nhưng vẫn giữ nguyên tần số 30

3.4 Khối nguồn 36

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG IC NE555 38

4.1 Tính toán mạch tạo dao động 38

4.2 Tính toán chọn mạch lực 40

4.2.1 Chọn van công suất V1 40

4.2.2 Chọn Diode D1, D2 40

4.3 Sơ đồ nguyên lý mạch 41

4.4 Nguyên lý hoạt động 42

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 43

1 Hình ảnh mạch thực tế 43

2 Kết luận 43

3 Hướng phát triển của đề tài 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Động cơ điện một chiều 9

Hình 1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều 10

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý chung mạch băm xung điện áp một chiều và dạng điện áp, dòng điện trên tải 13

Hình 2.2 Xung áp một chiều 15

Hình 2.3 Sơ đồ mạch xung áp một chiều song song 16

Hình 2.4: Sơ đồ xung áp nối tiếp, song song phối hợp 18

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc chung mạch bộ biến đổi điện áp DC 18

Hình 2.5: Đồ thị dạng xung điều chế PWM 19

Hình 2.6 Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra 20

Hình 3.1: Sơ đồ mạch động lực sử dụng van BJT 24

Hình 3.2: Sơ đồ mạch in 25

Hình 3.3: Sơ đồ mạch tạo dao động sử dụng IC NE555 26

Hình 3.4: Dạng sóng điện áp đầu xung vuông đầu ra 26

Hình 3.5: Sơ đồ cấu tạo mạch tạo xung vuông sử dụng IC NE555 có thể thay đổi độ rộng xung nhưng không thay đổi tần số 31

Hình 3.6: Dạng điện áp xung vuông đầu ra 31

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 36

Hình 4.1: Sơ đồ khối mạch dao động 38

Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý mạch 41

Hình 5.1: Hình ảnh mạch thực tế 43

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, điện tử công suất đã và đang đóng một vai trò rất quan trọng trong quátrình công nghiệp hoá đất nước Sự ứng dụng của điện tử công suất trong các hệ thốngtruyền động điện là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn và việc dễ dàng tựđộng hoá cho các quá trình sản xuất Các hệ thống truyền động điều khiển bởi điện tửcông suất đem lại hiệu suất cao Kích thước, diện tích lắp đặt giảm đi rất nhiều so vớicác hệ truyền động thông thường như: khuếch đại từ, máy phát - động cơ

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

truyền động điện chúng em đã được giao thực hiện đề tài “Thiết kế, chế tạo mạch

xung áp một chiều ứng dụng điều khiển động cơ điện một chiều công suất nhỏ” Với

sự hướng dẫn của, chúng em đã tiến hành nghiên cứu và thiết kế đề tài

Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế có hạn nênkhông thể tránh khỏi sai sót, kính mong thầy cô đóng góp ý kiến để đề tài hoàn thiệnhơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay trong các ngành công nghiệp hiện đại, máy điện một chiều được xem làmột loại máy quan trọng không thể thiếu trong sản xuất Nó có thể dùng làm động cơđiện, máy phát điện hay dùng trong những điều kiện làm việc khác nhau tùy theo mụcđích sử dụng Động cơ điện một chiều có mặt trong các lĩnh vực như công nghiệp giaothông vận tải và các thiết bị cần điều khiển ở tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như máy cán ép, máy công cụ lớn, đầu máy điện, …)

Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ hay máy phát tùy

ý theo điều kiện làm việc khác nhau Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều

là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải, động cơ điện một chiều có thể điều chỉnh rộng

và chính xác các cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chấtlượng cao

Nhược điểm của động cơ một chiều có giá thành đắt hơn các động cơ xoay chiềukhác do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản phức tạp hơn Động cơ điệnmột chiều có công suất nhỏ khoảng 75% đến 85% Động cơ điện một chiều có côngsuất trung bình và lớn khoảng 85% đến 95% Công suất lớn nhất của động cơ điện mộtchiều vào khoảng 1000KW, điện áp vào khoảng vài trăm đến 1000V Động cơ điện mộtchiều ngày càng được cải tiến các tính năng với chất lượng tốt hơn, nâng cao chỉ tiêukinh tế của động cơ và chế tạo những máy có công suất lớn hơn

2 Cấu trúc đề tài

- Đề tài “Thiết kế, chế tạo mạch xung áp một chiều ứng dụng điều khiển động

cơ điện một chiều công suất nhỏ” của chúng em gồm 3 chương:

+ Chương III: Thiết kế và chế tạo mạch

3 Lời cảm ơn

Khi bắt đầu chọn một đề tài để làm một bài báo cáo đồ án môn học hoàn chỉnh đúng vớiyêu cầu của giáo viên bộ môn, cũng như đúng với yêu cầu về khuôn mẫu chuẩn của mộtbài báo cáo đồ án môn học, chúng em đã có một sự chuẩn bị rất chu đáo

Để có được một bài báo cáo không chỉ chuẩn, đẹp, đúng khuôn mẫu mà nội dung của bàibáo cáo đồ án cũng như đề tài phải phù hợp, thực tế, rõ ràng, đáng tin cậy Do đó em cầnphải tham khảo nhiều nguồn tài liệu để hỗ trợ cho công việc thực hiện đồ án của em Vìthế em chân thành cảm ơn các tác giả của những trang web điện tử và tác giả kỹ sư, … đãcung cấp cho em những nguồn tài liệu quan trọng để em hoàn thành bài báo cáo đồ ánnày

Khi đã có được khuôn mẫu của bài báo cáo đồ án và đã chọn được cho mình một đề tàiphù hợp em đã cố gắng hoàn thành bài đồ án này Nhưng không tránh khỏi những thiếusót trong in ấn cũng như chọn mua linh kiện trên thị trường đã làm cho em gặp không ítnhững khó khăn trong quá trình thực hiện đồ án và tạo ra sản phẩm Mong thầy cô và cácbạn thông cảm, thứ lỗi cho những gì còn chưa vừa ý

Trong quá trình thực hiện đề tài em xin chân thành cảm ơn thầy giáo:

đã tận tình hướng dẫn giúp em hoàn thành đề tài này Do khả năng kiến thức bản thân cònhạn chế đề tài chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy chúng em rất mong

sẽ nhận được nhiều ý kiến đánh giá, góp ý của thầy cô giáo, cùng bạn bè để đề tài đượchoàn thiện hơn

Chân thành cảm ơn sự quan tâm và tham khảo của thầy cô và các bạn!

4 Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU1.1 Khái niệm về động cơ điện một chiều.

Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của Direct Current Motors) là

động cơ được điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói cách khác

thì đây là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp DC - điện áp 1 chiều

Hình 1.1 Động cơ điện một chiều.

1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều.

Kết cấu của động cơ điện một chiều gồm 2 phần chính là phần tĩnh và phần động

a Phần tĩnh (stato): Là bộ phận đứng yên của máy

Gồm các bộ phận chính sau:

̶} Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích

từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện haythép cacbon ghép lại Trong máy điện nhỏ, có thể dùng thép khối Dây quấn kích từđược quấn bằng dây đồng có bọc cách điện

̶} Cực từ phụ: Được đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép củacực từ phụ thường được làm bằng thép khối Dây quấn của cực từ phụ giống nhưdây quấn của cực từ chính

̶} Gông từ: Dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ động cơ

b Phần động(roto):

Gồm các bộ phận sau:

̶} Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ Thường dùng những lá thép kỹ thuật điện có phủcách điện mỏng hai mặt ghép lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên

̶} Dây quấn phần ứng: Là phần sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua Dâyquấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ,dây quấn phần ứng có tiết diện tròn còn trong máy điện cỡ trung bình và lớn, dâyquấn phần ứng có tiết diện hình chữ nhật.

̶} Cổ góp: Còn được gọi là vành góp hay vành đổi chiều Dùng để đổi chiều dòng điệnxoay chiều thành một chiều

̶} Các bộ phận khác: Cánh quạt, trục máy

Hình 1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều.

1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều.

Hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ Khi đặt vào trong từ trường một dâydẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một lực vào dòng điện( vào dây dẫn ) và làm cho dây dẫn chuyển động Chiều của từ lực được xác định theoquy tắc bàn tay trái

Khi cho dòng điện kích thích vào cuộn dây kích thích Stato, trong khe hở không khí

sẽ sinh ra từ thông Còn khi cho dòng điện phần ứng đi vào cuộn dây phần ứng đặt trongdây quấn sẽ sinh ra momen điện từ trên trục máy kéo roto quay Vì vậy, chiều quay củamáy trùng với chiều quay của momen điện từ Theo quy tắc bàn tay trái, momen điện từ

do lực điện từ tác dụng lên các thanh dẫn có chiều từ phải sang trái và lực điện từ có giátrị F = B.l.i

1.4 Phân loại.

Tùy theo các kích thích từ của động cơ mà người ta phân loại động cơ điện một chiềutheo các loại sau:

̶} Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: là loại động cơ một chiều có cuộn kích từ

được cấp điện từ một nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho roto Thường làcác động cơ có công suất lớn để điều chỉnh dòng điện kích từ được thuận lợi và king tếhơn Iư = I

̶} Động cơ điện một chiều kích từ song song: cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng

được cấp điện bởi cùng một nguồn điện I=Iư+It

̶} Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây

phần ứng Cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng nên ta cóI=Iư=It Động cơ loại này được sử dụng rất nhiều, chủ yếu trong ngành kéo tải bằng điện

̶} Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp: từ thông được tạo ra do tác dụng đồng thời

của 2 cuộn kích từ: một cuộn song song và một cuộn nối tiếp I=Iư+It

Mỗi loại động cơ trên sẽ tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều khiển vàứng dụng tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố

1.5 Các đại lượng định mức.

Chế độ làm việc định mức được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn động

cơ và gọi là những đại lượng định mức Gồm những đại lượng sau:

̶} Công suất định mức Pđm (kW hay W): là công suất động cơ đưa ra ở đầu trụcmáy

1.6 Ưu, nhược điểm và ứng dụng của động cơ điện một chiều.

a Ưu điểm của động cơ điện 1 chiều

̶} Ưu điểm nổi bật của động cơ điện 1 chiều là có moment mở máy lớn, do đó sẽ kéođược tải nặng khi khởi động.

̶} Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt

̶} Tiết kiệm điện năng

̶} Bền bỉ, tuổi thọ lớn

b Nhược điểm của động cơ điện một chiều

̶} Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền nhưng hay hư hỏng trong quá trìnhvận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa cẩn thận, thường xuyên

̶} Tia lửa điện phát sinh trên cổ góp và chổi than có thể sẽ gây nguy hiểm, nhất là trong điều kiện môi trường dễ cháy nổ

̶} Giá thành đắt mà công suất không cao

c Ứng dụng của động cơ điện một chiều

Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều cũng rất đa dạng trong mọi lĩnh vực của đờisống: trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, đặc biệt trongcông nghiệp giao thông vận tải, và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trongphạm vi lớn

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ MẠCH XUNG ÁP MỘT CHIỀU2.1 Khái niệm về bộ biến đổi điện áp một chiều.

Bộ biến đổi điện áp một chiều hay còn gọi là bộ băm xung điện áp một chiều, được

sử dụng để biến đổi nguồn điện áp một chiều không đổi thành nguồn điện áp một chiềuthay đổi được để cấp điện cho phụ tải một chiều Trong truyền động điện một chiều nhưgiao thông đường sắt, ôtô điện, cầu trục, cũng như việc điều chỉnh tốc độ động cơ điệnmột chiều với các mục đích khác nhau, người ta thường sử dụng phương pháp điều chỉnhdòng điện và điện áp trung bình bằng phương pháp đóng cắt tự động Tùy thuộc vào thờigian đóng Tđ và thời gian cắt Tc trong một chu kỳ T, mà ta có dòng điện và điện áp trungbình ra trên tải là khác nhau

2.2 Nguyên lý chung.

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý chung mạch băm xung điện áp một chiều và dạng điện áp,

dòng điện trên tải.

Nguyên lý hoạt động của sơ đồ như sau: Giả sử tải được cung cấp bởi nguồn điệnmột chiều U0 thông qua mạch đóng cắt tự động K, trong thực tế khoá K có thể làtransistor, thyristor, Mosfet hay IGBT Tại thời điểm ban đầu khi K mở, điện áp trên tảibằng 0 Trong một chu kỳ t nhất định, khóa K được đóng và giữ trong khoảng thời gian

Tđ Sau đó khóa K được cắt trong khoảng thời gian Tc Khóa K được đóng cắt tương tựcho các chu kỳ sau

Như vậy trong vài chu kỳ đầu dòng điện trong mạch là dòng điện quá độ, và sau đo tiếntới chế độ xác lập

Khi K đóng điện áp trên tải là các xung điện áp chữ nhật, có bề rộng của xung là Tđ vàkhoảng cách các xung là Tc Thay đổi bề rộng Tđ của xung hoặc khoảng cách các xungthì điện áp trung bình trên tải xẽ thay đổi

Dòng điện của tải phụ thuộc vào tính chất của tải và ở chế độ quá độ nó biến đổi theo quyluật hàm số mũ Trong giai đoạn xác lập dòng điện tải có dạng xung răng cưa, dao độngquanh các giá trị cực đại I1 và giá trị cực tiểu I2

Nếu gọi T là chu kỳ đóng cắt, Tđ là thời gian đóng, Tc là thời gian cắt ta có:

T = Tc + TđNếu gọi α = Tđ / T là tỷ số đóng trong một chu kỳthì: Tđ = α T Khi đó điện áp trung bìnhtrên tải:

U c= U0.T đ

T =α.U0

Từ biểu thức trên ta nhận thấy điện áp trên tải có thể thay đổi bằng 2 phương pháp:

̶} Thay đổi thời gian đóng Tđ hay thay đổi thời gian cắt Tc khi giữ nguyên chu kỳđóng cắt T

̶} Thay đổi tần số đóng cắt khi giữ nguyên thời gian đóng

Như vậy ta thầy bộ biến đổi điện áp một chiều có thể thay đổi được điện áp đầu ra Tuynhiên khi sử dụng cần lưu ý một số đạc điểm của bộ biến đổi XADC:

̶} Mạch gọn nhẹ, đơn giản và hiệu suất cao

̶} Chất lượng điện áp tốt hơn so với các bộ biến đổi AC-DC

̶} Cần sử dụng bộ lọc một chiều đầu ra tải do đó làm tăng quán tính trễ của bộ biếnđổi khi làm việc với hệ kín

̶} Tần số đóng cắt lớn sẽ gây ảnh hưởng đến nguồn cung cấp và các thiết bị khác

̶} Độ tin cậy cao, dễ hiệu chỉnh và khả năng làm việc ổn định

Với các đặc điểm trên thì bộ biến đổi XADC được sử dụng khá rộng rãi trong cácthiết bị điều chỉnh và ổn định tốc độ động cơ một chiều, các bộ lò sấy hay các bộ điềuchỉnh dòng kích thích trong động cơ và máy phát điện

2.3 Phân loại và sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi điện áp DC

2.3.1 Phân loại

a Bộ xung áp một chiều kiểu nối tiếp.

- Nguyên lý xung áp một chiều nối tiếp:

a) Sơ đồ nguyên lý b) Đường cong điện áp

Hình 2.2 Xung áp một chiều.

Sơ đồ nguyên lý xung áp một chiều nối tiếp giới thiệu trên Hình 2.2.a Theo đóphần tử chuyển mạch tạo các xung điện áp mắc nối tiếp với tải Điện áp một chiều đượcđiều khiển bằng cách điểu khiển thời gian đóng khoá K trong chu kì đóng cắt Trongkhoảng 0÷t1 (Hình 2.2.b) khoá K đóng điện áp tải bằng điện áp nguồn (Ud = U1), trongkhoảng t1÷t2 khoá K mở điện áp tải bằng 0

Trị số trung bình điện áp tải được tính:

Trong đó:

U d - điện áp tải một chiều;

U1 - điện áp nguồn cấp một chiều;

t 1 - khoảng thời gian đóng khoá K;

T CK - chu kì đóng cắt khoá K;

γ - độ rộng xung điện áp.

Từ biểu thức (2.1) thấy rằng, muốn điều khiển điện áp tải U dcần điều khiển độ rộngxung điện áp γ Độ rộng xung điện áp này có thể được điều chỉnh bằng một trong haithông số: hoặc là điều chỉnh thời gian đóng khóa K (t1) giữ chu kì đóng cắt T CK khôngđổi; hoặc là điều chỉnh chu kì đóng cắt T CK giữ Ihời gian đóng khóa K (t1) không đổi Tuynhiên, việc thay đổi chu kì đóng cắt khoá K làm cho chất lượng điều khiển của phươngpháp này xấu, người ta ít dùng đến Điều này có thể minh hoạ bằng việc hoạt động của bộbẫm áp với tải điện cảm

b Bộ xung áp một chiều kiểu song song.

a Sơ đồ động lực b Các đường cong

Hình 2.3 Sơ đồ mạch xung áp một chiều song song.

Trong những trường hợp tải có một nguồn năng lượng nào đó (ví dụ động cơ điện một chiều làm việc ở chế độ máy phát), việc xả năng lượng của tải la cần thiết Năng lượng này thường được trả về nguồn lưới Tuy nhiên, khi cần điều chỉnh dòng điện tải thì mắc song song với tải một khoá chuyển mạch như sơ đồ Hình 2.3 là hợp lí.Trong khoảng 0 ÷ t 1 khoá K đóng D0 khoá (cần thiết để tránh ngắn mạch nguồn)

i N =0;U d =0;i s =i d

Trong khoảng t1÷ T CKkhoá K mở D0 dẫn i N =i d ;U d =U1;i s=0.

Giá trị trung bình của điện áp tải một chiều

c Bộ xung áp một chiều kiểu hỗn hợp (nối tiếp và song song phối hợp).

Hình 2.4: Sơ đồ xung áp nối tiếp, song song phối hợp

Khi tải làm việc ở chế độ nhận năng lượng từ lưới bằng xung áp nốitiếp và trả năng lượng về lưới bằng xung áp song song có thể dùng sơ

đồ xung áp nối tiếp và song song phối hợp như Hình 2.4 ở chế độ

đóng một lúc)

2.3.2 Cấu trúc bộ biến đổi điện áp DC

Sơ đồ cấu trúc chung của bộ biến đổi điện áp DC như hình vẽ:

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc chung mạch bộ biến đổi điện áp DC

̶} Khối nguồn DC thường lấy từ bình Acquy hay bộ chỉnh lưu

̶} Mạch lọc đầu vào thường dùng mạch lọc LC để san phẳng điện áp đàu vào

̶} Van công suất được dùng có thể là Tranzitor, thyritstor, GTO, Mosfet, IGBT…vvViệc chọn van tuỳ thuộc vào công suất và yêu cầu công nghệ cụ thể

̶} Mạch lọc đầu ra thường dùng cuộn cảm L để san phẳng dòng điện tải

̶} Phụ tải thường là động cơ điện một chiều

̶} Khối đo lường có nhiệm vụ đo kiểm tra các thông số dòng điện, điện áp tải

̶• Khối điều khiển (ĐK) có nhiệm vụ điều khiển hay điểu chỉnh van công suất để dáp

ứng yêu cầu dòng hay áp đầu ra tải

2.4 Khái quát về phương pháp PWM

a Khái niệm về phương pháp PWM

̶} Phương pháp PWM là phương pháp dùng để điều chỉnh điện áp ra tải dựa trên

sự thay đổi độ rộng và chuỗi xung vuông Khiến điện áp thay đổi Các PWM khi biến đổi sẽ có chung một tần số chỉ khác về độ rộng của sườn dương hoặc sườn âm

̶} Phương pháp PWM được sử dụng chính trong các ứng dụng điều khiển Có thể bắt gặp ơt các động cơ, các bộ xung áp và điều áp,… PWM giúp điều chỉnh độ nhanh chậm của động cơ, điều chỉnh sự ổn định của tốc độ động cơ

̶} Phương pháp này làm tổn hao công suất trên thiết bị đóng cắt rất thấp

Hình 2.5: Đồ thị dạng xung điều chế PWM

b Nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng PWM

Để có thể điều khiển điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng PWM ta dùng mạch điện tử để thay đổi độ rộng của xung ở ngõ ra mà khiến chúng không bị thay đổi tần số Khi độ rộng xung thay đổi thì điện áp sẽ thay đổi Có thể áp dụng công thức:

U OUT = (T ON /T)*U

TON là thời gian xung điện áp ở mức cao trong một chu kỳ T

TOFF là thời gian xung điện áp ở mức thấp trong một chu kỳ T

Phương pháp này làm tổn hao công suất trên thiết bị đóng cắt rất thấp.Khi khóachuyển mạch tắt thì dòng điện không chạy qua, khi khóa chuyển mạch mở thì dòngđiện sẽ chạy qua tải

Hình 2.6 Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra.

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 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 t1 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 Ta có:

Ud = Umax.( t1/T) (V)

hay Ud = Umax.D

(Với D = t1/T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % tức là PWM)

Như vậy ta nhìn trên hình đồ thị dạng điều chế xung thì ta có : Điện áp trung bìnhtrên 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%)

c Các cách để tạo ra được PWM để điều khiển.

Để tạo được ra PWM thì hiện nay có hai cách thông dụng : Bằng phần cứng và bằng phần mềm

Trong phần cứng có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay là từ trực tiếp từ các

IC dao động tạo xung vuông như : 555, LM556

Trong phần mền được tạo bằng các chip có thể lập trình được Tạo bằng phần mền thì độ chính xác cao hơn là tạo bằng phần cứng Nên người ta hay sử dụng phần mền để tạo PWM

Ở đây ta tham khảo 2 cách điều chế PWM phổ biến: bằng phương pháp so sánh

và tạo xung vuông bằng phần mềm

1- Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh

Để tạo được bằng phương pháp so sánh ta cần 2 điều kiện sau đây :

+ Tín hiệu răng cưa : Xác định tần số của PWM

+ Tín hiệu tựa (Ref) là tín hiệu xác định mức công suất điều chế (Tín hiệu DC).Xét sơ đồ mạch sau :

Với tần số xác định được là f = 1/(ln.C1.(R1+2R2)) nên chỉ cần điều chỉnh R2 là có

thể thay đổi độ rộng xung dễ dàng Ngoài 555 ra còn rất nhiều các IC tạo xung vuôngkhác

2- Tạo xung vuông bằng phần mềm

Đây là cách tối ưu trong các cách để tạo được xung vuông Việc tạo bằng phần mềmcho độ chính xác cao về tần số và PWM Và mạch đơn giản hơn rất nhiều Xung nàyđược tạo dựa trên xung của CPU

2.5 Ưu, nhược của PWM.

Ưu điểm:

̶} Giá rẻ

̶} Tiêu thụ ít điện năng

̶} Hiệu quả lên đến 90%

̶} Một tín hiệu có thể được tách rất dễ dàng tại giải điều chế và nhiễu cũng có thể được tách ra một cách dễ dàng

̶} Có thể sử dụng tần số rất cao

̶} Hơi nóng khi vận hành

̶} Nhiễu ít hơn

̶} Rất tiết kiệm năng lượng khi sử dụng để chuyển đổi điện áp hoặc cho bóng đèn

̶} Một hệ thống kém hiệu quả vừa phải trong số cả ba loại

̶} Đồng bộ hóa giữa máy phát và máy thu không bắt buộc không giống như điều chế vị trí xung (PPM)

̶} Yêu cầu bộ lọc được giảm xuống

̶} Biên độ và tần số có thể được kiểm soát độc lập

̶} Giảm đáng kể THD của dòng tải

̶} Băng thông phải lớn để sử dụng trong giao tiếp

̶} Suy hao chuyển mạch cao do tần số PWM cao

̶} Công suất tức thời của máy phát thay đổi

Các ứng dụng của PWM bao gồm:

̶} Trong những ngày hiện đại, kỹ thuật điều chế độ rộng xung được sử dụng để điều khiển tốc độ của động cơ trong các ngành công nghiệp

̶} Để làm mờ ánh sáng

̶} Để kiểm soát công suất điện

̶} Trong hệ thống thông tin liên lạc

̶} Trong hệ thống âm thanh

̶} Trong các biến tần hiện đại