Thiết kế mạch băm xung một chiều có đảo chiều để điều chỉnh động cơ một chiều kích từ độc lâp.

y 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 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 Eư còn gọi là sức phản điện động. Phương trình cân bằng điện áp: U= Eư+Rư.Iư Trong đó: Rư: điện trở phần ứng Iư: dòng điện phần ứng ; Eư: sức điện động Theo yêu cầu của đề bài ta xét hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều kích rừ độc lập. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có dòng điện kích từ không phụ thuộc vào dòng điện phần ứng nghĩa là từ thông của động cơ không phụ thuộc vào phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ. 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 IKT E­ - + Sơ đồ nguyên lý: CKT Rf RKT U­ + - E­ 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 = : hệ số sức điện động của động cơ a: số mạch nhánh song song của cuộn dây K= : hệ số cấu tạo của động cơ : tốc độ góc tính bằng rad/s p: số đôi cực chính N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng. Thế (2) vào (1) ta có: = (3) Hoặc: n= (4) 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. Suy ra: n= là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập. Hoặc: = = 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: = ta nhận thấy muốn thay đổi tốc độ ta có thể thay đổi , Rf , U. Trường hợp Rf thay đổi (Uư= Uđm= const; Ф= Фđm= const): Độ cứng đặc tính cơ: = 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< Uđm Tốc độ không tải giảm trong khi độ cứng đặc tính cơ = 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 tăng. Độ cứng đặc tính cơ: = giảm. 1.2.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập: 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 chuyển tiếp 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 điều chỉnh tốc độ theo phương pháp thứ hai. Ngoài ra cần phân biệt điều chỉnh tốc độ với sự tự động thay đổi tốc độ khi phụ tải thay đổi của động cơ điện. Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn 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 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/KEFđm. 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. U1 U2 U3 TN ( Uđm ) n0 ncb n1 n2 n3 M n MC Uđm > U1 > U2 > U3 ncb > n1 > n2 > n3 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 = 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. 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: · - · + · + · · - Ckt Rkt Iư U Eư 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 chỉnh moment điện từ của động cơ M = KMfIư và sức điện động quay của động cơ Eư = KEfn. Thông thường, khi thay đổi từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên 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 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 = Mặt khác ta có: Moment ngắn mạch Mn = KMIn nên khi giảm sẽ làm cho Mn giảm theo. Độ cứng của đường đặc tính cơ: Khi giảm thì độ cứng b cũng giảm, đặc tính cơ sẽ dốc hơn. Nên ta có họ đường đặc tính cơ khi thay đổi từ thông như sau: F1 F2 Fđm 0 MC M2 M1 Mn Hình 6: Hoï ñaëc tính cô khi thay ñoåi töø thoâng. ncb n1 n2 n M fñm > f1 > f2 ncb < n1 < n2 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 = = 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: · - · - + · + · · · Iö Rf Ckt Rkt U E UKT 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, b 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: Ta nhận thấy bTN 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: TN Rf1 Rf2 0 MC n3 n2 n M, I n1 n0 ncb Rf3 0 < Rf1 < Rf2 < Rf3 ncb > n1 > n2 > n3 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 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 g 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= Trong thực tế, Rf càng lớn thì tổn thất năng lượng phụ tăng. Khi động cơ làm việc ở tốc độ n = ncb/2 thì tổn thất này chiếm từ 40% đến 50%. Cho nên, để đảm bảo tính kinh tế cho hệ thống ta chỉ điều chỉnh sao cho phạm vi điều chỉnh: D = 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 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: Iư IS In Rn RS · · · · · · - + · CktttttT Rkt E U 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. 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 bPM nhỏ hơn độ cứng của đặc tính cơ tự nhiên bTN nhưng lại lớn hơn độ cứng của đặc tính cơ có điện trở phụ bRf 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 Rn, 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: TN n n0 n3 n2 n1 I IA MC RS = 0 RS = ¥ RS2 RS1 · RS1 < RS2 n1 < n2 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 bị hạn chế và modun độ lớn đặc tính cơ tăng dần khi tốc độ giảm. Giữ nguyên RS, thay đổi giá trị Rn: 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: Hình11:Họ đặc tính cơ khi RS = const, Rn thay đổi. n1 n2 ncb I TN ( RN = 0 ) MC IB n Rn1 Rn2 n0 0 <Rn1 <Rn2 <Rn = ¥ n2 < n1 < ncb 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 RS và Rn: 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. 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. 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. 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. 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 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. 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. 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). 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, 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 áp rơi trên BE. Dòng IC đạt giá trị lớn nhất khi VCE=0V, khi đó ICmax  =12/10K=0.0012A. Rõ ràng IC < hfeIB và BJT sẽ bão hòa. Khi BJT bão hòa, VCE=0V và ngõ ra Vo được “nối” với GND nên Vo=0V . Tóm lại, bằng cách thay đổi mức điện áp Vi từ 0V sang 5V, điện áp ngõ ra sẽ được “switch” từ 12V sang 0V. Hoạt động của BJT khi bão hòa đôi khi còn được gọi là khuyếch đại điện áp. Vì chế độ bão hòa, BJT có thể được dùng làm các khóa điện tử trong mạch cầu H. Bạn hãy dùng chế độ bão hòa cùa BJT để tự giải thích hoạt động của 4 BJT 2N3904 dùng trong mạch cầu H ở hình 4.     Mạch điện trong hình 7 gọi là E chung. Mạch E chung của BJT hoạt động rất tốt trong chế độ khóa điện tử. Nếu chúng  thay điện trở  bằng động cơ thì mạch này tương đương với phần phía dưới của mạch cầu H (BJT tương đương với khóa L2 hoặc R2 trong hình 1). Câu hỏi đặt ra là có thể dùng thêm 1 BJT npn như trên để làm phần trên của  mạch cầu H. Hình 8. Mạch C chung.      Mạch điện trong hình 8 gọi là mạch C chung, điểm khác biệt duy nhất của mạch điện này so với hình 7 là điện trở RCđược dời xuống phía dưới cực E nên gọi là RE. Không cần khảo sát phần cực C hãy khảo sát mạch Vi -> B ->E -> RE -> GND. Khi Vi=5V, do điện áp rơi trên BE luôn là 0.7V (đặc điểm của tiếp xúc pn khi dẫn điện) nên điện áp rơi trên điện trở  RE luôn là 4.3V mặc dù điện áp cực C là 12V, như thế điện áp giữa 2 cực CE là 12 - 4.3 = 7.7V.  Điều này được hiểu là giữa CE có một “điện trở” khá lớn, “khóa điện tử” không hoạt động tốt đối với mạch C chung. Nếu  RE là một motor DC loại 12V thì rõ ràng motor không hoạt động tốt vì điện áp rơi trên nó chỉ có 4.3V. Mặc khác điện áp CE quá lớn có thể gây hỏng BJT. Khi dùng BJT npn làm phần trên của mạch cầu H, BJT này sẽ rất mau hỏng (rất nóng) và mạch không hoạt động tốt.  Như vậy, khi thiết kế khóa điện tử dùng BJT là “tải” phải được đặt phía trên BJT tức là nên dùng mạch E chung như trong hình 7.   Quay lại mạch cầu H, giải pháp để vượt qua nhược điểm đề cập ở trên là sử dụng BJT loại pnp cho phần trên của mạch cầu H. Nguyên lý hoạt động của BJT pnp cũng na ná npn nhưng chiều dòng điện thì ngược lại. Với các khóa điện tử dùng BJT loại pnp, để kích khóa thì điện áp cực B được kéo xuống thấp thay vì kéo lên cao như trong hình 7. Hình 9. Mạch E chung dùng BJT pnp.      Mũi tên trong ký hiệu của BJT pnp hướng từ E vào B, ngược lại với BJT npn. Nếu điện áp Vi=12V=VE hoặc ngõ Vi  không được kết nối thì BJT không hoạt động, không có dòng điện qua RC vì dòng IB =0 nên dòng IC =0. Khi Vi=0V thì dòng IB xuất hiện và xuất hiện dòng  IC (từ cực E) , nếu dòng IB đủ lớn sẽ gây bão hòa BJT và điện áp VEC gần bằng 0V hay điện áp rơi trên RC gần bằng 12V, khóa hoạt động rất tốt. Do đó, BJT pnp thường được dùng làm phần trên trong các mạch cầu H. Mạch điện trong hình 9 cũng là một mạch E chung.   Chọn 2 loại BJT công suất trung bình TIP41C và TIP42C để làm mạch cầu. Điện áp cao nhất mà 2 loai BJT này chịu được là 100V và dòng tối đa là 6A (chỉ là danh nghĩa, thực tế có thể thấp hơn). BJT npn TIP41C có thể kích trực tiếp, riêng BJT pnp TIP42C cần dùng thêm 1 BJT loại npn 2N3904 làm “mạch kích”. Khi điện áp ngõ L1 ở mức thấp, BJT Q0-1 không hoạt động, không tồn tại dòng IC của BJT này, nghĩa là không có dòng  IB của BJT Q1, Q1 vì thế không hoạt động và tương đương một khóa Q1 mở. Khi L1 được kéo lên mức cao, 5V, BJT Q0-1 bão hòa (mạch E chung), dòng IC của Q0-1 xuất hiện và cũng là dòng IB của BJT Q1. Q1 vì thế cũng bão hòa và tương đương một khóa đóng. Như vậy, chúng ta có thể dùng các mức điện áp chuẩn 0V và 5V để kích các BJT dùng trong mạch cầu H cho dù điện áp nguồn có thể lên vài chục hay trăm Volt. Các đường L1, L2, R1 và R2 sẽ được vi điều khiển (AVR) điều khiển. Do BJT có thể được kích ở tốc độ rất cao nên ngoài chức năng đảo chiều, mạch cầu H dùng BJT có thể dùng điều khiển tốc độ motor bằng cách áp tín hiệu PWM vào các đường kích.     Nhược điểm lớn nhất của mạch cầu H dùng BJT là công suất của BJT thường nhỏ, vì vậy với motor công suất lớn thì BJT ít được sử dụng. Mạch điện kích cho BJT cần tính toán rất kỹ để đưa BJT vào trạng thái bão hòa, nếu không sẽ hỏng BJT. Mặt khác, điện trở CE của BJT khi bão hòa cũng tương đối lớn, BJT vì vậy có thể bị nóng… Chương III: Lựa chọn và phân tích phương pháp điều khiển 1. Giới thiệu về PWM Phương pháp điều chế PWM ( Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điếu chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay đổi điện áp ra t1 T t2 25% 75% 50% Để dễ hiểu hơn ta có hình vẽ sau: Sơ đồ trên là dạng xung điều chế trong một chu kì thời gian xung lên (sườn dương) nó thay đổi dãn ra hoặc co vào và độ rộng xung của nó được tính bằng % tức là độ rộng của nó được tính như sau: Độ rộng =(t1/T).100% Như vậy thời gian xung lên càng lớn trong một chu kỳ thì điện áp đầu ra sẽ càng lớn . Nhìn trên hình vẽ trên thì ta tính được điện áp ra trên tải sẽ là: + Đối với PWM=25%→Ut=Umax.(t1/T)=Umax.25% (V) + Đối với PWM=50% →Ut=Umax.50% (V) + Đối với PWM=75%→Ut=Umax.75% (V) Cứ như thế ta tính được điện áp đầu ra tải với bất kì độ rộng xung nào . Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn tới tải và một cách khác có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt . Phần tử thực hiện nhiệm vụ đó trong mạch các van bán dẫn . Van G D G Ugs U R S Xét hoạt động đóng cắt của một van bán dẫn . Dùng van đóng cắt bằng Mosfet Ugs 0 0 Ud s s T t0 Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra Sơ đồ trên là mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung của chân điều khiển và dạng điện áp đầu ra khi dùng PWM. * Nguyên lý : 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 t0 la thời gian xung ở sườn dương còn T là thời gian của cả sườn âm và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải . →Ud=Umax.(t1/T) (V) hay Ud=Umax.D Với D=t1/T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % Như vậy ta nhìn trên đồ thị dạng điều chế xung thì ta có: Điện áp trung bình trên tải sẽ là: + Ud=220.20%=44V (với D=20%) +Ud=220.40%=88V (với D=40%) +Ud=220.90%=198V (với D=90%) 2.Cách điều khiển độ rộng xung của PWM. Có rất nhiều cách để điều chỉnh độ rộng xung đầu ra cho PWM. Với sơ đồ của đề tài này thì độ rộng xung đầu ra được điều chỉnh theo phương pháp so sánh . Để tạo được bằng phương pháp so sánh thì cần 2 điều kiện sau: +Tín hiệu răng cưa: Xác định tần số của PWM +Tín hiệu tựa là một điện áp chuẩn xác định mức công suất điều chế (Tín hiệu DC) Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh Xét sơ đồ mạch sau : Tín hiệu răng cưa(Saw) Output Tín hiệu tựa(Ref) 1 3 2 11 4 Saw Ref out Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh Chúng ta sử dụng một bộ so sánh điện áp 2 đầu vào là 1 xung răng cưa (Saw) và 1 tín hiệu 1 chiều (Ref) +Khi Saw < Ref thì cho ra điện áp là 0V +Khi Saw > Ref thì cho ra điện áp là Umax Và cứ như vậy mỗi khi chúng ta thay đổi Ref thì output lại có chuỗi xung có độ rộng thay đổi với tần số xung vuông Output=tần số xung răng cưa Saw. 3.Ưu nhược điểm của mạch PWM dùng lamg mạch điều khiển động cơ DC: + Ưu điểm: - Transistor ở lối ra chỉ có duy nhất hai trang thái (On và OFF) do đó loại bỏ được mất mát về năng lượng đốt nóng hay năng lượng rò rỉ lối ra . - Dải điều khiển rộng hơn so với mạch điều chỉnh tuyến tính. - Tốc độ mô tơ quay nhanh hơn khi cấp chuỗi xung điều chế theo kiểu PWM so với khi cấp một điện áp tương đương với điện áp trung bình của chuỗi xung PWM. + Nhược điểm: - Cần các mạch điện tử bổ trợ - giá thành cao - Các xung kích lên có thể gây tiếng ồn nếu mô tơ khong được gắn chặt và tiếng ồn này sẽ tăng lên nếu gặp phải trường hợp cộng hưởng của vỏ. - Ngoài ra việc dùng chuỗi xung điều chế PWM có thể gây giảm tuổi thọ của động cơ. Chương IV: Phân tích sự hoạt động của mạch điện điều khiển tốc độ động cơ. +12v IC 78012 VI VO GND 3 1 3 + C1 2200µF C2 104µF D1 1N4004 D2 1N4004 D3 1N4004 D4 1N4004 X1-1 X1-2 AC 12v GND 100K I.Tính toán mạch nguồn. Ta dùng chỉnh lưu hình cầu một pha dùng diode Do mạch điều khiển có công suất nhỏ nên ta có thể dùng biến áp với điện áp từ 0-12 V dòng 1A. Chọn IC 7812 tạo điện áp chuẩn 12v cho mạch, để ỏn định điện áp ra của nguồn nuoi ta sử dụng hai vi mạch ổn áp 7812 thông số chung của hai vi mạch này như sau: Điện áp đầu vào: Uv = 7-35 v Điện áp đầu ra: Ura = 12v với IC 7812 Dòng điện đầu ra xấp xỉ 1A Tụ điện C1,C2 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao Chọn C1 =1000 µF , C2 = 104 U = 35 v II. Sơ đồ khối mạch điều khiển Mạch lặp Tạo xung vuông Tạo xung răng cưa Mạch so sánh Van động lực Hoạt động của từng khối 1. Mạch lặp: +12V R1 R2 2 3 _ + 3 1 Vout +6V Ref Mạch lặp có chức năng ổn định điện áp đầu ra lấy từ cầu phân áp đưa vào đầu vào không đảo của IC khuếch đại thuật toán. Ta có: Vout = R2R1+R2·Vin R1 = R2 = 100K nên: Vout = R22R2·Vin=122=6 V R4 R3 R5 6 5 _ + _ + 10 9 +12V C7 8 7 2.Khâu tạo xung vuông và điện áp răng cưa: Hình IV.1.a U1 U4 Hình IV.1.b Tạo điện áp răng cưa bằng cách tích phân xung vuông ở OA1 như hình IV.1.a. Xung vuông có thể tạo bằng nhiều cách khác nhau. Tích phân xung này chính là quá trình xả,nạp tụ. Nếu điện áp vào khâu tích phân không đối xứng có thể xuất hiện sai số đáng kể. Điện áp răng cưa trên hình IV.1.b mang tính phi tuyến cao. Điện áp răng cưa sẽ nhận được tuyến tính hơn khi sử dụng sơ đồ IV.1.a. Khuếch dại OA1 có hồi tiếp dương bằng điện trở R3, đầu ra có trị số điện áp nguồn và dấu phụ thuộc hiệu điện áp hai cổng V+ và V- Đầu vào V+ có hai tín hiệu: Một tín hiệu không đổi lấy từ đầu ra của đoạn OA1, một tín hiệu biến thiên lấy từ đầu ra của OA4. Điện áp chuẩn để so sánh để quyết định đổi điện áp ra của OA1 là trung tính vào V-. Giả sử đầu ra của OA1 dương,U1>0 khuếch dại OA2, tích phân đảo dấu cho điện áp có phần đi xuống của điện áp răng cưa. Sườn xuống của điện áp tựa tới lúc điện áp vào R3,R5 trái dấu tới khi nào V+ = 0 đầu ra của OA1 đổi dấu thành âm. Chu kì điện áp ra của OA1 cứ luân phiên đổi dấu như vậy cho ta điện áp ra như hình IV.1.b. Tần số điện áp răng cưa được tính: f = 14.R4C1R5R3 Bằng cách chọn các trị số của điện trở và tụ điện ta có được điện áp tựa có tần số như mong muốn. Tần số là: T = 4.R4.C1.R5R3 Điện áp ra là: Ur = Umax.R5R4 +12V R6 R7 VR1 +12V 4 14 11 2 13 _ + 12 3.Khâu so sánh điện áp: Khâu so sánh điện áp Urc Uđk t t Uss + - Hình IV.2 Tương nhự như các mạch so sánh thường gặp. Khâu so sánh của PWM báo hiệu sự cân bằng giữa điện áp cần so sánh và điện áp chuẩn từ đó xác định thời điểm mở và khóa van bán dẫn. Đầu vào khâu ày gồm hai tín hiệu: Điện áp tựa (điện áp răng cưa ) và điện áp một chiều làm điện áp điều khiển như hình IV.2. Từ hình IV.2 thấy rằng trong mỗi chu kì điện áp tựa bằng điện áp điều khiển, tại các thời điểm đó đầu ra của khâu so sánh đổi dấu điện áp, chẳng hạn điện áp đang ở mức âm sẽ chuyển mức dương và ngược lại. Tương ứng với các thời điểm đột biến điện áp đầu ra của khâu so sánh cần có lệnh mở hoặc khóa van bán dẫn mà ở đây chính là điều khiển đóng ngắt IRF 460 bằng cách điều cỉnh biến trở để Uđk thay đổi ta được dạng xung đầu ra thay đổi tương ứng điện áp sẽ thay đổi. 4.Van động lực D S IRF 460 R9 G Van động lực được dùng trong sơ đồ này là loại Transistor trường MOSFET có tên là IRF 460. Nó là MOSFET loại N (N- Channel) có thể chịu được dòng lên đến 21A và tần số đóng ngắt rất cao 1MHZ. Nó dùng để đóng ngắt và khuếch đại điện áp cung cấp cho động cơ DC. Xung điện áp được đưa vào qua chân G của IRF 460, giả sử ban đầu xung điện áp có điện áp >0 IRF dẫn => có điện áp đầu ra, tại thời điểm thứ hai xung điện áp có giá trị = 0, IRF khóa điện áp đầu ra là = 0 và cứ như vậy tạo ra điện áp đầu ra có dạng xung vuông. Một số thông số cơ bản của IRF 460. Thông số Min Max Đơn vị Điều kiện VDSS Điện áp đánh thủng 500 -------------- V VGS = 0V ID = 1.0mA RDS Điện trở cực DS --------------- 0.27 Ω VGS = 10v ID =14 A VSD Điện áp trước diode -------------- 1,8 V IS = 16 A VGS = 0 V VGS Điện áp cực Gate 2,0 4,0 V VDS=VGS ID = 250µA IDS Dòng D-S cực đại --------------- 250 µA VDS=400V VGS=0 P Công suất cực đại --------------- 300 W --------------- 5.Tính toán mạch điều khiển - Tính chọn các thông số trong mạch: Chọn IC ổn áp 7812 tạo điện áp chuẩn 12 V cung cấp cho mạch Điện trở R10 hạn dòng cho led dòng led chịu là 15 – 20 mA Chọn điện trở hạn dòng cho led R = VCCI=120,015÷0,02=2,2K Điện trở R11hạn dòng cho led báo tốc độ động cơ, khi điện áp cực đại đặt trên nó là 220 V và điện áp cực tiểu 0V. Chọn điện trở sao cho khi dòng điện cực đại đặt trên nó vào khoảng 15-20mA thì led sáng tốt nhất, khi điện áp nhỏ thì led tối nhất => Chọn điện trở R11 = 100K Điện áp cực đại đặt trên động cơ là 220V nên chọn tụ C3 = 104 (không phân cực tụ này có tác dụng san phẳng điện áp và lọc thành phần xoay chiều còn sót lại). Diode D1 có tác dụng chống dòng ngược đặt lên động cơ, chọn Diode sao cho chịu được dòng ngược > 1A (Dòng khởi động của động cơ) chọn Diode 3A. Tính chọn van: Điện áp đặt cực đại trên van là 220V dòng cực đại 1A (Dòng cực đại qua động cơ) =>Chọn IRF460 có thông số chịu được dòng lên tới 25A Chọn R9: Điện trở phân cực cho MOSFET sao cho UD>UG>US Chọn R9 = 470 Ω, Chọn R3, R10 = 3,3 K Ω thì chọn biến trở 50 K Ω, biến trở và điện trở R3,R10 có tác dụng phân áp cho ra so sánh với điện áp răng cưa Khối khuếch đại thuật toán 1C có tác dụng tạo điện áp chuẩn vào khâu tạo xung vuông. Chọn R4, R5 = 100K Ω =>Điện áp đặt vào chân V+ là: VccR4+R5R5=12.100100+100=6V a. Mạch Lặp Mạch lặp có chức năng ổn áp điện áp đầu ra cho ra điện áp 6V chuẩn đầu vào 12V thì ta chọn điện trở R4, R5 = 100K Ω Lúc này ta có V+ = VccR4+R5R5=12.100100+100=6V Và V+ = V- = 6V Điện áp ra sau mạch lặp là: U = V+ = V- = 6V b. Khâu tạo xung vuông và điện áp răng cưa Đối với mạch tạo xung vuông bằng IC khuếch đại thuật toán làm việc ở chế độ so sánh điện áp đưa vào cửa đảo, điện áp cửa thuận được lấy từ bộ phân áp R6,R8 từ đầu ra đưa về. Khi điện áp đưa vào vượt quá ngưỡng điện áp đặt trên cửa thuận của IC thì điện áp đầu ra lật trạng thái bão hòa ngược lại trước đó. Và cứ luân phiên như thế thì điện áp đầu ra có xung vuông. Mạch tích phân là mạch mà điện áp đầu ra tỉ lệ với tích phân đầu vào Ura = k.0tUVdt Trong đó: k là hệ số Ta có điện áp đầu ra: Ura = - 1RC0tUVdt+Ura 0 Trong đó: R là điện trở R7 Ura 0 : Là điện áp trên tụ C khi t=0 (là hằng số tích phân xác định theo điều kiện ban đầu) Khi t = 0 thì ta có Ura 0 = 0 nên điện áp ra Ura = k.0tUVdt T = RC là hằng số tích phân của mạch Khi tín hiệu thay đổi từng nấc tốc độ thay đổi của điện áp ra là: ∆Ura∆t=-UVRC Nghĩa là bộ tích phân ở đây tăng giảm tuyến tính theo thời gian Điện áp đầu ra của xung răng cưa là: Ura=Umax.R8R6 Với R8 = 47 K , R6 = 100 K Umax là giá trị điện áp đầu ra bão hòa của IC khuếch đại thuật toán Điện áp đầu vào của IC khuếch đại thuật toán là 6V Ta có Ura = 6.47100=2,8 V c. Khâu so sánh điện áp Khâu so sánh PWM báo hiệu sự cân bằng giữa điện áp cần so sánh và điện áp chuẩn từ đó xác định thời điểm chuẩn và mở khóa van dẫn. Đầu vào của khâu này gồm hai tín hiệu: Điện áp tựa ( Điện áp răng cưa), và điện áp một chiều làm điện áp điều khiển trong mỗi chu kỳ có hai thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển. Thời điểm đó đầu ra khâu so sánh đổi dấu điện áp, tương ứng với thời điểm đột biến điện áp đầu ra của khâu so sánh cần có lệnh mở, khóa van dẫn bằng cách thay đổi giá trị biến trở ta có thể thay đổi được dạng xung đầu ra. Điện áp đặt vào đầu không đảo cua IC là điện áp răng cưa, điện áp đặt vào đầu vào đảo của IC là điện áp có điều chỉnh thông qua biến trở Ta có điện áp đặt lên V- từ 0,078 – 12V d. Mức điện áp trên hai đầu động cơ. Điện áp trên hai đầu động cơ chính là điện áp nguồn trừ đi điện áp rơi trên hai chân D và S của MOSFET điện áp lớn nhất trên hai chân động cơ ứng với trường hợp MOSFET dẫn mạnh nhất và gần bằng điện áp nguồn và nhỏ nhất bằng 0 ứng với MOSFET khóa. Điện trở R11 báo động cơ do mức điện áp đặt trên đầu động cơ khoảng từ 0-220V nên chọn R11= 100 K e. Van bán dẫn Động cơ dùng trong mạch là loại động cơ điện một chiều có công suất là 220W chọn van bán dẫn loại IRF 460 nó có thể đóng ngắt dòng lên đến 21A và đóng ngắt với tần số rất cao lên đến 1MHZ sau khi điện áp qua khâu so sánh có dạng xung vuông bằng cách thay đổi giá trị của biến trở mà ta có thê thay đổi độ dẫn của MOSFET từ đó thay đổi điện áp đầu ra trên hai đầu động cơ 6. Nguyên lý làm việc Điện áp qua mạch lặp có tác dụng ổn định điện áp chuẩn vào khâu tạo xung vuông. Khâu tạo xung vuông có tác dụng tạo xung vuông sau khi cho qua khâu tích phân cho ra xung tam giác tạo điện áp tựa vào khâu so sánh với điện áp điều chỉnh thông qua biến trở. Đầu ra của IC được kích cho IRF 460 khi MOSFET dẫn càng mạnh thì mức chênh lệch điện áp giữa hai đầu động cơ càng lớn động cơ quay càng nhanh. Khi MOSFET không dẫn thì mức điện áp trên hai đầu động cơ bằng nhau, lúc này động cơ dừng. Sơ đồ mạch điều chỉnh điện áp: Sơ đồ bố trí thiết bị Kết luận Sau một quá trình học tập và nghiên cứu, cùng với sự tận tình của thầy giáo h­íng dÉn và sự giúp đỡ của các bạn cùng lớp, chúng em đã hoàn thành các nhiệm vụ được giao của bản đồ án: ThiÕt kÕ m¹ch b¨m xung ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kÝch tõ ®éc lËp Trong quá trình thực hiện, c¸c thµnh viªn trong nhãm ®· cè g¾ng ®Ó t×m tßi vµ tham kh¶o tµi liÖu.Nh­ng do n¨ng lùc cßn cã nhiÒu h¹n chÕ nªn không thể tránh khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong nhận được những sù chØ b¶o của các thầy,c« và các bạn để chóng em hiÓu s©u h¬n vÒ m«n häc nµy. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hưng Yên Tháng 6 năm 2011 Sinh viªn Tµi liÖu tham kh¶o [1].Cơ sở truyền động điện. …………………………Bùi Đình Tiếu , Phạm Duy Nhi. [2]. Truyền động điện………… Bùi Quốc khánh, Nguyễn văn Liễn ,Nguyễn thị Hiền [3]. Cơ sở tự động truyền động điện . ……………………Trần Thọ ,Võ Quang Lạp [4]. Điện tử công suất :Lý thuyết –Thiết kế -Ưng Dụng……………………….. ................................................Lê Văn Doanh, Nguyễn thế Công ,Trần Văn Thịnh [5]. Tài liệu điện tử công suất ……………………………………Trần Văn Thịnh [6]. Điện Tử công suất ………………………………………………Nguyễn Bính Mục lục STT Trang 1. Lời nói đầu 1 2. Chương I: Cơ sở lý thuyết về động cơ điện một chiểu Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều Cấu tạo động cơ điện một chiều Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập 2 2 2 4 5 9 3. Chương II: Các phần tử bán dẫn công suất 29 Diode Thysistor Transistor 29 32 36 4. Chương III: Lựa chọn và phân tích phương pháp điều khiển Giới thiệu về PWM Nguyên lý hoạt động và cách điều khiển độ rộng xung của PWM 40 40 43 5. Chương IV: Phân tích sự hoạt động của mạch điều khiển tốc độ động cơ Tính toán mạch nguồn. - Sơ đồ khối mạch điều khiển 1. Mạch lặp: 2.Khâu tạo xung vuông và điện áp răng cưa: 3.Khâu so sánh điện áp 4.Van động lực 5.Tính toán mạch điều khiển 46 46 47 47 49 51 53 54 6. Kết luận 62 7. Tài liệu tham khảo 63