Thiết kế mạch băm xung một chiều để điều chỉnh động cơ một chiều kích từ độc lập

Để tránh những biến động lớn về gia tốc và lực động trong hệ điều chỉnh nên phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng thường được áp dụng cho động c

Trang 1

GVHD: Nguyễn Thị Minh Tâm 1

SVTH: Nguyễn Đình Thịnh

Nguyễn Văn Thống

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, điện tử công suất đã và đang đóng 1 vai trò rất quan trọng trong quá trình công nghiệp hoá đất nước Sự ứng dụng của điện tử công suất trong các hệ thống truyền động điện là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn và việc dễ dàng tự động hoá cho các quá trình sản xuất Các hệ thống truyền động điều khiển bởi điện tử công suất đem lại hiệu suất cao Kích thước, diện tích lắp đặt giảm đi rất nhiều so với các 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 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 hạn chế 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

Footer Page 1 of 126.

Trang 2

Chương I: Tổng quan về động cơ điện một chiều kich từ độc lập 1.1 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 sinh hoạt con người Nó luôn đi trước một bước làm tiền đề nhưng cũng là mũi nhọn quyết định sự thành công của cả một hệ thống sản xuất công nghiệp Không một quốc 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 , cả máy phát và động cơ điện xoay chiềucó cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành mà máy điện( động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định như: trong công nghiệp giao thông vận tải, và nối chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng(như trong cán thép,máy công cụ lớn, đầu máy điện ) Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì gá thành đắt hơn do sư dụng kim loại nhiều hơn, 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)

Trang 3

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 quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện Cực từ được gắn chặt vào vỏ nhờ các bulông Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện

Trang 4

b Dây quấn phần ứng:

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua Thường làm

bằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện

tròn, trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây quấn

được 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 điện

xoay chiều thành một chiều cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn cách

điện 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 dây

quấn 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 máy

thường làm bằng thép Cacbon tốt

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

A

B

+

-I F

F a

Trang 5

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 phần ứng có dòng điện Iư các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực điện từ Fđt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay được nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau do có phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng không đổi đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi Khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động Eư chiều của s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tay phải

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

Trang 6

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 độ định 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 số nguồn 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

 được tính như sau

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

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

   đặc tính cơ tuyệt đối cứng

CKT

Rf RKT

U-

E-

Trang 7

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

Trường hợp Rf= 0:

U= E + Iư.Rư (1) Trong đó; E= Ke .n (2)

Ke =

a

n p

60

.

: hệ số sức điện động của động cơ

a: số mạch nhánh song song của cuộn dây

K=



a

n p

R K

K

R K

Trang 8

Phương trình (4) biểu diễn mối quan hệ n= f(Iư) gọi là phương trình đặc tính cơ điện

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

K K

R K

U

e u e

u

.

U u u

2

) (    = 0 

trong đó:  0 : tốc độ không tải lý tưởng

 : độ sụt tốc độ

1.2.1.6.Ảnh hưởng của các thông số tới tốc độ động cơ:

Từ phương trình đặc tính cơ: = M

K

R R K

U u u f

2

) (

dm R R

K



(  )2

giảm Nếu Rf càng lớn thì tôcf độ động cơ

càng giảm đồng thời dòng ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng và điều chỉnh tốc độ động cơ ở phía dưới tốc độ cơ bản

 Trường hợp thay đổi U< U đm

Trang 9

Tốc độ không tải

K )2( 

const Khi thay đổi điện áp ta thu được 1 họ các đường đặc tính song song Phương pháp này được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng khởi động

 Ảnh hưởng của từ thông:

Muốn thay đổi  ta thay đổi dòng kích từ Ikt khi đó tốc độ không tải

K 2

) ( 

Trang 10

dễ dàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn, đồng thời lại đạt 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 chỉnh điện áp trên mạch phần ứng thì dòng điện, moment sẽ không thay đổi Để tránh những biến động lớn về gia tốc và lực động trong hệ điều chỉnh nên phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng thường được áp dụng 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 bộ biến đổi trên dùng để biến dòng xoay chiều của lưới điện thành dòng một chiều và điều 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:

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

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

M K

K

R R K

U n

M E

f u E

M E R R

K K dn

Trang 11

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

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 thực chất là giảm áp và cho ra những tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản ncb Đồng thời điều chỉnh nhảy cấp hay liên tục tùy thuộc vào bộ nguồn có điện áp thay đổi một cách liên tục và ngược lại

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

phạm vi cho phép: Umincp =

10

đm U

nghĩa là phạm vi điều chỉnh:

D = ncb/nmin = 10/1 Nếu điện áp phần ứng U < Umincp thì do phản ứng phần ứng sẽ làm 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 được dùng nhiều trong máy cắt kim loại và cho những tốc độ nhỏ hơn ncb

Trang 12

 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:

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 chỉnh moment 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 giữ nguyên giá trị định mức

Trang 13

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 biến đổi 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 dòng điện kích từ Ikt sẽ tăng dần đến khi hư cuộn dây kích từ Do đó, để điều chỉnh tốc

độ chỉ 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 =



.

E K U

Mặt khác ta có: Moment ngắn mạch Mn = KM In nên khi giảm sẽ làm cho

Mn giảm theo

Độ cứng của đường đặc tính cơ:

Khi  giảm thì độ cứng  cũng giảm, đặc tính cơ sẽ dốc hơn Nên ta có họ đường đặc tính cơ khi thay đổi từ thông như sau:

Trang 14

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều chỉnh được tốc độ vô cấp và cho ra những tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản

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

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

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

cb n

nmax

=

1 3

Bởi vì ứng với mỗi động cơ ta có một tốc độ lớn nhất cho phép Khi điều chỉnh tốc độ tùy thuộc vào điều kiện cơ khí, điều kiện cổ góp động cơ không thể đổi chiều dòng điện và chịu được hồ quang điện Do đó, động cơ không được làm việc quá tốc độ cho phép

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 mạch phần ứng có thể được dùng cho tất cả động cơ điện một chiều Trong phương pháp này điện trở phụ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng của động cơ theo sơ đồ nguyên lý như sau:

Trang 15

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 đặc tính cơ càng dốc Ứng với giá trị Rf = 0 ta có độ cứng của đường đặc tính cơ tự nhiên được tính theo công thức sau:

M K

K

R R

K

U n

M E

f u

U n

dm E

dm M E R R

K K

Trang 16

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

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 phần ứng được giải thích như sau: Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với tốc độ n1 ta đóng thêm Rf vào mạch phần ứng Khi đó dòng điện phần ứng Iư đột ngột giảm xuống, còn tốc độ động cơ do quán tính nên chưa kịp biến đổi Dòng Iư giảm làm

u

dm M E TN

Rf3

Trang 17

cho moment động cơ giảm theo và tốc độ giảm xuống, sau đó làm việc xác lập tại tốc độ n2 với n2 > n1

Phương pháp điều chỉnh tốc độ này chỉ có thể điều chỉnh tốc độ n < ncb Trên thực tế không thể dùng biến trở để điều chỉnh nên phương pháp này sẽ cho những tốc 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:

D =

1

) 3 2 ( 

Khi giá trị Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm Đồng thời dòng điện ngắn mạch In và moment ngắn mạch Mn cũng giảm Do đó, phương pháp này được dùng để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản Và tuyệt đối không 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 phụ

Trang 18

tải thay đổi càng kém Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp thì tổn hao 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 rẽ mạch phần ứng có sơ đồ nguyên lý như sau:

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 dùng phương 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 song với điện trở và nối nối tiếp với một điện trở khác Phương pháp này giống với phương pháp thay đổi điện trở trên mạch phần ứng nhưng điện áp phần ứng lại không 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 đổi làm cho moment phụ tải cho phép được giữ không đổi và bằng trị số định mức

Cktt tttT R

kt

E

U

Trang 19

Ta có phương trình đặc tính cơ:

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

Độ cứng của đường đặc tính cơ rẽ mạch phần ứng PM nhỏ hơn độ cứng của đặc 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 R S :

- 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:

M K

K

R R

R R R

R R

R K

U n

M E

n S

n S u

n S S

K

R R

R R R

R R

R n n

M E

n S

n S u

n S

0

R R

R n

n

n S

S u

n

R R

Trang 20

Hình 10: Họ đặc tính cơ khi R n = const, R S thay đổi

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

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

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

- Khi Rn = : Động cơ điện bị hở mạch nên không có điện áp rơi trên phần 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:

Trang 21

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

 Ngoài ra còn có phương pháp thay đổi đồng thời giá trị của R S và R n:

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

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

Hình11:H ọ đặc tính cơ khi R S = const, R n thay đổi

Trang 22

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:

- 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 han chế 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, triệt để) hơn, khi ta dùng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng tổn thất công suất điều khiển nhỏ

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

3– Độ sụt tuyệt đôi trên toàn dải điều chỉnh ứng vơií một mômen điều chỉnh xác 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 Vậy nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi

Trang 23

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 là chúng 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 một kết 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 quan trọng 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 giữa cực 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

Trang 24

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, việc kích 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 có thể 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

Trang 25

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 là điện 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 thuộc vào 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

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

Trang 26

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 phải lớn 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 là theo 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 DS của 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 hơn MOSFET loại N, công suất mạch cũng bị giảm phần nào

Trang 27

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 thêm BJT 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

Trang 28

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 Bo kết 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 tạp chất 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 mạch cầu 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)

Trang 29

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 lớp trong 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 xúc p-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 Nói cách khác, dòng IB sẽ làm giảm điện trở giữa 2 cực CE của BJT Tiếp tực tăng

IB thì điều gì xảy ra, điện trở giữa 2 cực CE sẽ giảm đến giá trị nhỏ nhất có thể của

nó (thường gần bằng 0, giá trị này được ghi trong datasheet mỗi loại của BJT) Khi điện trở CE đạt giá trị min, phần mạch điện bên phải gần như cố định (VC, RC,

Trang 30

RCE) nên dòng IC cũng đạt giá trị max và gần như không thay đổi cho dù có tăng IB Quan hệ giữa IB và IC không còn đúng như công thức (2) Hiện tượng này gọi là bão hòa, đây là hiện tượng rất quan trọng của transistor, nó là cơ sở cho sự phát triển của các mạch điện tử số (điều này giải thích tại sao người ta hay đề cập đến số lượng transistor trong các chip số, như vi xử lí cho máy tính chẳng hạn) Một cách tổng quát, điều kiện để BJT rơi vào trạng thái bão hòa là ICmax < hfeIB

Hình 7 Khóa điện tử BJT

Khi BJT bão hòa nó sẽ hoạt động như một “khóa điện tử”

Giả sử trong mạch điện ở hình 7 RB=330, RC=10K , hệ số khuyếch đại tĩnh của transistor là 100 Khi điện áp ở ngõ vào Vi=0V, BJT không hoạt động, dòng điện qua RC bằng 0 (hoặc rất nhỏ), điện áp ngõ ra Vo=12V Khi Vi được kích kích bởi điện áp 5V, dòng IB=(5 - 0.7)/330=0.013A trong đó 0.7 là điện

Định dạng
Số trang	60
Dung lượng	1,78 MB