BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH CNKT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI “THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ CHỈNH LƯU TIA 3 PHA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU” Giáo viên hướng dẫn ThS NGUYỄN VĂN ĐOÀI Nhóm sinh viên thực hiện 1 Nguyễn Trung Đức 2017600811 2 Nguyễn Văn Hoàn 1141240157 3 Dương Đăng Duy 2017600785 4 Nguyễn Trung Đô 2017600634 Hà Nội 92021 LỜI CẢM ƠN Được sự đồng ý và ủng hộ của bộ môn Cơ Sở Kĩ Thuật Điện, Khoa Điện, Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội và dưới sự.
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng, mang lại các đặc tính cơ đặc biệt Thiết bị này đơn giản và chi phí thấp hơn so với các thiết bị điều khiển của động cơ bậc hai Nhờ vào những ưu điểm này, động cơ điện một chiều được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp và giao thông vận tải.
- Cấu tạo của động cơ điện một chiều. Động cơ điện một chiều chia thành 2 phần chính:
+ Cực từ chính : là bộ phận sinh ra từ trường, gồm lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cưc từ
Lõi sắt cực từ làm bằng lá thép kỹ thuật điện dày(0,5-1mm) ép lại và cán chặt
Dây quấn kích từ được làm từ dây đồng bọc cách điện, với mỗi cuộn dây được cách điện kỹ lưỡng và tẩm sơn cách điện trước khi được lắp đặt lên các cực từ Các cuộn dây kích từ này được nối tiếp với nhau để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Trong các máy có công suất nhỏ cực từ chính là một nam châm vĩnh cửu Còn trong máy có công suất lớn cực từ là nam châm điện.
+ Cực từ phụ đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện tình trạng làm việc của máy điện và đổi chiều.
Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Đồ án tốt nghiệp
Lõi thép cực từ phụ có thể được chế tạo dưới dạng khối hoặc ghép bằng các lá thép, tùy thuộc vào chế độ làm việc Các cực từ phụ này được gắn chắc chắn vào vỏ máy bằng các bulong.
Gông từ là thành phần quan trọng trong động cơ, giúp kết nối các cực từ và tạo thành vỏ máy Đối với động cơ nhỏ, người ta thường sử dụng tấm thép dày được uốn và hàn lại, trong khi động cơ điện lớn thường áp dụng thép đúc để đảm bảo hiệu suất và độ bền.
Nắp động cơ đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ động cơ khỏi các vật lạ có thể gây hư hỏng dây cuốn, đồng thời đảm bảo an toàn cho người sử dụng khỏi nguy cơ chạm phải điện Đối với các động cơ điện nhỏ và vừa, nắp động cơ còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi, giúp tăng cường độ bền và hiệu suất hoạt động của thiết bị.
Cơ cấu chổi than là một thành phần quan trọng giúp dẫn dòng điện từ phần quay ra ngoài Nó bao gồm chổi than được đặt trong hộp chổi than, với lò xo tạo áp lực lên cổ góp Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện để đảm bảo an toàn trong quá trình hoạt động.
Lõi sắt phần ứng được sử dụng để dẫn từ, thường được chế tạo từ các tấm thép kỹ thuật điện dày 0.5 mm, được phủ cách điện ở hai mặt và ép chặt lại nhằm giảm thiểu tổn thất do dòng điện xoáy Trên bề mặt lá thép, có hình dạng rãnh được dập sẵn để khi ép lại, dây quấn có thể được đặt vào một cách chính xác.
Trong động cơ cỡ nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép chặt vào trục, trong khi ở động cơ điện cỡ lớn, giữa trục và lõi sắt có gia roto giúp tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm trọng lượng Đối với động cơ cỡ trung trở lên, các lỗ thông gió được dập để tạo thành lõi sắt với các lỗ thông gió dọc trục Đối với động cơ lớn, lõi sắt được chia thành các đoạn nhỏ với khe hở gọi là khe thông gió ngang trục Khi động cơ hoạt động, gió thổi qua các khe này giúp làm nguội dây quấn và lõi sắt.
Dây quấn phần ứng là bộ phận tạo ra suất điện động và cho phép dòng điện chạy qua Thông thường, dây quấn phần ứng được làm từ dây đồng có lớp cách điện Đối với động cơ điện nhỏ, dây có tiết diện tròn, trong khi động cơ điện vừa và lớn thường sử dụng dây có tiết diện hình chữ nhật Dây quấn được cách điện kỹ lưỡng với rãnh của lõi thép để đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động.
Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Đồ án tốt nghiệp
Cổ góp, hay còn gọi là vành góp hoặc vành đổi chiều, là thiết bị dùng để chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Cấu tạo của cổ góp bao gồm nhiều phiến đồng được cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4mm đến 1,2mm, tạo thành hình trụ tròn Hai đầu của trụ tròn được giữ chặt lại bằng hai vành ốp chữ V Phần giữa của vành góp được thiết kế cao hơn một chút, giúp việc hàn các đầu dây của phần tử dây quấn vào các phiến góp trở nên dễ dàng hơn.
Cánh quạt là bộ phận quan trọng giúp làm nguội động cơ điện một chiều Động cơ này thường được thiết kế với kiểu bảo vệ, bao gồm các lỗ thông gió ở hai đầu Khi động cơ hoạt động, cánh quạt sẽ hút gió từ bên ngoài vào, gió đi qua các thành phần như vành góp, cực từ, lõi sắt và dây cuốn, sau đó thoát ra ngoài qua quạt gió, giúp duy trì nhiệt độ ổn định cho động cơ.
Trục động cơ : trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Thường được làm bằng thép cacbon tốt.
- Phân loại động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoạt động với cuộn kích từ nhận điện từ một nguồn năng lượng bên ngoài, tách biệt hoàn toàn với nguồn điện cung cấp cho mạch phần ứng.
Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp : có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng.
Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp : gồm 2 dây quấn kích từ là dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp
Sơ đồ nguyên lý của động cơ một chiều kích từ độc lập
Khi nguồn điện có công suất không đủ lớn, mạch điện phần ứng và mạch kích từ được kết nối với hai nguồn một chiều độc lập, tạo thành động cơ kích từ độc lập Để khởi động động cơ, cần đặt mạch kích từ vào nguồn Ukt, giúp dây cuốn kích từ sinh ra từ thụng ỉ Trong mọi trường hợp, khi khởi động máy, cần đảm bảo có ỉmax, tức là giảm điện trở mạch kích từ Rkt đến mức tối thiểu có thể.
Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, trong đồ án tốt nghiệp, đã chỉ ra rằng khi đú ỉ = 0 và M = 0, động cơ sẽ không quay, dẫn đến Eư = 0 Theo biểu thức U = Eư + RưIư, dòng điện Iư sẽ tăng lên đáng kể, gây cháy động cơ Khi momen sinh ra từ động cơ điện lớn hơn momen cản (M > MC), roto bắt đầu quay và suất điện động Eư tăng theo tốc độ quay n Sự gia tăng Eư sẽ làm giảm dòng điện Iư, từ đó giảm momen M và khiến tốc độ n tăng chậm hơn.
Để đạt tốc độ định mức, máy cần tăng cường độ từ hóa (Uư) hoặc giảm điện trở mạch điện phần ứng Tuy nhiên, trong quá trình tăng cường độ từ hóa, cần chú ý không để cường độ từ hóa vượt quá giá trị định mức (Iđm) để tránh cháy động cơ.
PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH CƠ
Hình 1 1 Sơ đồ nguyên lý đặc tính cơ
Theo sơ đồ hình (1.1) ta có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:
Uư = Eư + (Rư +Rf)Iư ( 1.1)
Trong đó:Uư - điện áp phần ứng, (V)
Eư - sức điện động phần ứng,(V)
Rư - điện trở của mạch phần ứng, ()
Rf - điện trở phụ trong của mạch phần ứng, () Với: Rư = rư + rcf + rb + rct
Trong đó: rư - điện trở cuộn dây phần ứng
Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã thực hiện đồ án tốt nghiệp liên quan đến các loại điện trở, bao gồm điện trở cuộn cực từ phụ (rcf), điện trở cuộn bù (rb) và điện trở tiếp xúc chổi than (rct) Những nghiên cứu này góp phần nâng cao hiểu biết về các ứng dụng và hiệu suất của các loại điện trở trong hệ thống điện.
Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức: u 2
Trong đó: p - số đôi cực từ chính.
N - số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
A - số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng.
- từ thông kích từ dưới một cực từ.
- hệ số cấu tạo của động cơ.
Khi bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép, mômen cơ trên trục động cơ sẽ tương đương với mômen điện từ, ký hiệu là M Do đó, ta có mối quan hệ Mđt = Me = M.
(1.2) Đây là phương trình đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Theo các đồ thị trên, khi Iư= 0 hoặc M = 0 ta có:
0: gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ.
Còn khi = 0 ta có: u u f nm
Hình 1 2 Đặc tính cơ của động cơ điện a.Đặc tính cơ điện của động cơ điện một b Đặc tính cơ của động cơ KTĐL chiều kích từ độc lập
Inm,Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch.
Mặt khác từ phương trình đặc tính cũng có thể được viết dưới dạng:
: gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị M.
Xét các ảnh hưởng các tham số đến đặc tính cơ
Từ phương trình đặc tính cơ, ba tham số chính ảnh hưởng đến đặc tính cơ của động cơ bao gồm từ thông động cơ (), điện áp phần ứng (U ư) và điện trở phần ứng Trong đó, điện trở phần ứng có tác động đáng kể đến hiệu suất hoạt động của động cơ.
Giả thiết rằng Uư=Uđm= Const và = đm =const.
Muốn thay đôi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng.
Hình 1 3 Ảnh hưởng của điện trở phần ứng
Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng:
Độ cứng đặc tính cơ:
Khi Rf càng lớn càng nhở nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. Ưng với Rf=0 ta có đặc tính cơ tự nhiên:
Giá trị TN lớn nhất cho thấy rằng đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng vượt trội so với các đặc tính khác, đặc biệt là điện trở phụ Khi thay đổi điện trở Rf, ta tạo ra một loạt đặc tính biến trở tương ứng với từng phụ tải Mc Nếu Rf tăng, tốc độ cơ sẽ giảm, kèm theo đó là sự giảm sút của dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch Do đó, phương pháp này thường được áp dụng để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ dưới mức tốc độ cơ bản Ảnh hưởng của điện áp phần ứng cũng cần được xem xét trong bối cảnh này.
Giả thiết từ thông = đm= const, điện trở phần ứng Rư = const Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Uđm, ta có:
Hình 1 4 Ảnh hưởng của điện áp phần ứng
Độ cứng đặc tính cơ:
Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song như trên.
Khi giảm điện áp, mômen và dòng điện ngắn mạch của động cơ sẽ giảm, dẫn đến tốc độ động cơ cũng giảm theo, tương ứng với một phụ tải nhất định Phương pháp này được áp dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện trong quá trình khởi động Ảnh hưởng của từ thông cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét.
Giả sử điện áp phần ứng Uư và điện trở phần ứng Rư là hằng số Để thay đổi từ thông, cần điều chỉnh dòng điện kích từ Ikt của động cơ.
Tốc độ không tải: 0 var dm x
Độ cứng đặc tính cơ:
Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông.
Hình 1 minh họa 5 ảnh hưởng của từ thông đến động cơ điện một chiều kích từ độc lập Khi giảm từ thông, đặc tính cơ điện của động cơ sẽ thay đổi, dẫn đến sự thay đổi trong hiệu suất và hoạt động của động cơ Đồng thời, đặc tính cơ của động cơ cũng bị ảnh hưởng, thể hiện rõ qua sự thay đổi trong mô men xoắn và tốc độ Việc hiểu rõ những ảnh hưởng này là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất của động cơ điện một chiều.
Nên khi từ thông giảm dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông.
Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông:Dòng điên ngắn mạch: dm nm
R Mômen ngắn mạch: Mnm = KxInm = Var
Các đặc tính cơ điện và động cơ khi giảm từ thông được thể hiện trong hình (1.5)a Khi áp dụng mômen phụ tải Mc phù hợp với chế độ làm việc của động cơ, tốc độ động cơ sẽ tăng lên, như minh họa trong hình (1.5)b.
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 21 1.4 KHÁI QUÁT VỀ ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA
Phương pháp điều khiển bằng điện trở phụ phần ứng
Khi thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng, tổng giá trị điện trở mạch phần ứng sẽ là R = Rư + Rf Việc tăng giá trị của Rf sẽ dẫn đến việc giảm tốc độ của động cơ, trong khi giảm giá trị Rf sẽ làm tăng tốc độ động cơ Tốc độ không tải lý tưởng của động cơ cũng sẽ bị ảnh hưởng bởi giá trị của Rf.
Khi Rf tăng, tốc độ động cơ sẽ giảm, kéo theo sự giảm của Inm và Mnm Phương pháp này được áp dụng để hạn chế dòng điện của động cơ trong quá trình khởi động.
- Ưu điểm : Đơn giản, dễ thực hiện
- Nhược điểm : + Độ cứng đặc tính cơ thấp
+ Tổn thất năng lượng trên điện trở lớn + Phạm vi điều chỉnh hẹp
Phương pháp điều chỉnh bằng từ thông kích từ
Nguyên lý điều chỉnh từ thông kích từ của động cơ điện một chiều liên quan đến việc điều chỉnh momen điện từ và sức điện động quay của động cơ Để thay đổi tốc độ, cần điều chỉnh dòng điện kích từ bằng cách mắc thêm biến trở vào mạch kích từ Tốc độ không tải lý tưởng có thể đạt được thông qua việc điều chỉnh này.
- Độ cứng đặc tính cơ :
Momen ngắn mạch (Mnm) được xác định bởi công thức Mnm = k.ỉx.Inm, trong đó var(Mnm > Mnm1 > Mnm2) phản ánh sự thay đổi của momen khi điều chỉnh từ thông Do cấu tạo của động cơ điện, việc giảm từ thông dẫn đến việc tăng giá trị x, trong khi đó giá trị sẽ giảm.
Tốc độ của động cơ được xác định bởi các yếu tố tự nhiên, với tốc độ nhỏ nhất bị giới hạn bởi đặc tính tự nhiên (ỉ=ỉđm) và tốc độ lớn nhất (Ωmax) bị ảnh hưởng bởi độ bền cơ khí cũng như điều kiện chuyển mạch Một trong những ưu điểm của động cơ là công suất mạch điều chỉnh nhỏ và tổn thất năng lượng thấp Mặc dù có thể sản xuất các động cơ với tỷ lệ điều chỉnh từ 1:5 đến 1:8, nhưng việc này yêu cầu các phương pháp kiểm soát đặc biệt, dẫn đến cấu tạo và công nghệ chế tạo phức tạp, làm tăng giá thành sản phẩm.
Phương pháp điều chỉnh động cơ điện một chiều bằng thay đổi điện áp phần ứng
Từ phương trình đặc tính cơ : ( ) 2 u f u R R
Khi thay đổi điện áp phần ứng ta có :
- Tốc độ không tải lý tưởng: var dm dm
- Độ tính của đặc tính cơ :
Để điều chỉnh điện áp cho phần ứng của động cơ, chúng ta sử dụng các bộ nguồn điều áp như máy phát điện một chiều, bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ Những thiết bị này có chức năng chuyển đổi dòng điện xoay chiều từ lưới điện thành dòng điện một chiều và điều chỉnh giá trị sức điện động theo yêu cầu cụ thể.
- Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
- Ta có tốc độ không tải lý tưởng: no = Uđm/KEđm.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ giúp duy trì độ cứng của đường đặc tính cơ Phương pháp này thường được áp dụng trong máy cắt kim loại và hiệu quả hơn cho các tốc độ nhỏ hơn ncb.
Phương pháp điều chỉnh triệt để và vô cấp mang lại ưu điểm nổi bật, cho phép điều chỉnh tốc độ một cách linh hoạt trong mọi vùng tải, kể cả khi không có 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
1.4 KHÁI QUÁT VỀ ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA
Điện 3 pha là hệ thống bao gồm 3 dòng điện xoay chiều có cùng biên độ và tần số, nhưng lệch pha nhau 120 độ Nói một cách đơn giản, điện xoay chiều 3 pha có 3 dây nóng và 1 dây lạnh.
Giá trị của hệ thống lưới điện 3 pha ở các quốc gia khác nhau phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng và điều kiện công nghệ của các thiết bị sử dụng điện.
Hình 1 6 Đồ thị biểu diễn các pha trong dòng điện xoay chiều 3 pha.
Giá trị của hệ thống lưới điện 3 pha khác nhau tùy thuộc vào cơ sở hạ tầng và điều kiện công nghệ của các thiết bị điện tại từng quốc gia.
Hệ thống lưới điện tại Mỹ: 220V/3F
Hệ thống lưới điện tại Nhật Bản: 200V/3F
Việt Nam chúng ta đang sử dụng hệ thống lưới điện 3 pha 380V/3F
Lưới điện 3 pha 4 dây là gì ?
Hiện nay trên thị trường có 2 loại lưới điện sử dụng cho điện áp ba pha 380vol là 3 dây và 4 dây, vậy 2 loại này là như thế nào ?
Lưới điện 3 pha 3 dây được sử dụng để truyền tải điện mà không cần dây trung tính, với điện áp trong khoảng từ 15kV trở lên Hệ thống này thích hợp cho tải không yêu cầu điện áp pha, chỉ tạo ra một cấp điện áp, mang lại lợi ích kinh tế và tiết kiệm dây dẫn Trong trường hợp một dây dẫn bị đứt và chạm đất, hai pha còn lại vẫn hoạt động bình thường, tuy nhiên, điện áp sẽ không còn ở mức Udm Việc chạm vào dây dẫn bị đứt có thể gây ra tai nạn điện nguy hiểm.
Lưới điện 3 pha 4 dây được sử dụng cho mạng hạ thế cấp trực tiếp tới thiết bị, bao gồm dây trung tính, cho phép tạo ra hai cấp điện áp dây và pha Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống này là tốn dây Ngược lại, lưới điện 3 pha 3 dây khi có một dây chạm đất sẽ khiến rơle đầu nguồn cắt toàn bộ 3 pha.
7 Sơ đồ đấy dây nguồn điện xoay chiều 3 pha 4 dây
Những ưu điểm khi sử dụng điện 3 pha
Những nghiên cứu, sáng tạo mới đều đặt tiêu chí tiết kiệm và hiệu năng lên trên cùng.
Khi sử dụng hệ thống điện 3 pha, việc truyền tải điện năng hiệu quả hơn so với điện 1 pha, giúp tiết kiệm dây dẫn nhờ vào việc tối ưu hóa dung tích hữu dụng trong máy phát điện.
Không có điểm chết và các pha cân bằng nhau, giúp cho thiết bị điện làm việc hiệu quả, tránh tình trạng cháy nổ do lệch pha.
Động cơ điện 3 pha có thiết kế đơn giản hơn và mang lại hiệu suất tốt hơn so với động cơ điện một pha.
KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CÁC BỘ CHỈNH LƯU
Mạch chỉnh lưu là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện xoay chiều thành một chiều, thiết yếu cho việc cấp nguồn cho tải một chiều Có hai loại bộ chỉnh lưu: chỉnh lưu không điều khiển và chỉnh lưu có điều khiển Để giảm công suất vô công, người ta thường sử dụng điôt mắc song song ngược với tải một chiều Trong các sơ đồ này, năng lượng chỉ có thể truyền từ lưới xoay chiều sang tải một chiều Ngược lại, các bộ chỉnh lưu có điều khiển không điôt ngược cho phép trao đổi năng lượng theo cả hai chiều, hoạt động ở chế độ chỉnh lưu khi truyền năng lượng từ lưới sang tải và ở chế độ nghịch lưu khi trả năng lượng về lưới.
Chỉnh lưu có thể được chia thành một pha hoặc ba pha dựa trên nguồn cấp xoay chiều Các thông số quan trọng bao gồm dòng điện và điện áp tải, dòng điện trong cuộn dây thứ cấp của biến áp, và số lần đập mạch trong một chu kỳ Dòng điện trong cuộn dây thứ cấp có thể là một chiều hoặc xoay chiều, với hai loại sơ đồ là dòng điện biến áp một chiều và xoay chiều Số lần đập mạch trong một chu kỳ thể hiện mối quan hệ giữa tần số sóng hài thấp nhất của điện áp chỉnh lưu và tần số điện áp xoay chiều.
Cấu trúc của một bộ chỉnh lưu
Hình 1 8 Cấu trúc của 1 bộ chỉnh lưu.
Máy biến áp( MBA) : Máy biến áp dùng để thay đổi mức điện áp của lưới điện phù hợp với điện áp cần sử dụng.
Chỉnh lưu (CL) : Là sơ đồ chỉnh lưu thực hiện chức năng biến đổi điện xoay chiều thành 1 chiều.
Mạch lọc : gồm các phần tử phản kháng như tụ điện, cuộn cảm làm chức năng san phẳng điện áp chỉnh lưu, giảm độ mấp mô.
Mạch phản hồi: Làm chức năng đo lường tín hiệu như dòng điện, điện áp ở lối ra mạch chỉnh lưu để đưa đến mạch điều khiển.
Mạch điều khiển: Dùng để điều khiển các thyristor trong những bộ chỉnh lưu có điều khiển.
Các sơ đồ chỉnh lưu cơ bản
Mạch chỉnh lưu bán chu kì
Hình 1 9 Mạch chỉnh lưu bán chu kì.
Mạch chỉnh lưu bán chu kỳ sử dụng một diode mắc nối tiếp với tải tiêu thụ Trong chu kỳ dương, diode được phân cực thuận, cho phép dòng điện đi qua diode và tải Ngược lại, trong chu kỳ âm, diode bị phân cực ngược, dẫn đến không có dòng điện qua tải.
Mạch chỉnh lưu cả chu kì
Hình 1 10 Mạch chỉnh lưu cả chu kì.
– Ở chu kỳ dương ( đầu dây phía trên dương, phía dưới âm) dòng điện đi qua diode D1 => qua Rtải => qua diode D4 về đầu dây âm
– Ở chu kỳ âm, điện áp trên cuộn thứ cấp đảo chiều ( đầu dây ở trên âm, ở dưới dương) dòng điện đi qua D2 => qua Rtải => qua D3 về đầu dây âm.
Như vậy cả hai chu kỳ đều có dòng điện chạy qua tải.
Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha và 3 pha không điều khiển
Hình 1 11 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha và 3 pha không điều khiển.
Nguồn cung cấp 1 pha hay 3 pha ảnh hưởng đến loại bộ chỉnh lưu sử dụng Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha gồm 4 diode để chuyển đổi từ nguồn AC sang DC, trong khi bộ 3 pha sử dụng 6 diode Tùy thuộc vào thành phần trong mạch, có thể áp dụng mạch kiểm soát hoặc không kiểm soát với Diode hoặc SCR.
Bộ chỉnh lưu sử dụng diode để chỉnh lưu đầu vào, vì diode là linh kiện đơn hướng cho phép dòng điện chỉ chạy theo một chiều Sự sắp xếp của diode trong bộ chỉnh lưu ngăn cản công suất thay đổi theo yêu cầu của tải, do đó, bộ chỉnh lưu này thường được áp dụng trong các mạch nguồn cung cấp cố định.
Chỉnh lưu cầu có điều khiển
Hình 1 12 Chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển.
Trong bộ chỉnh lưu này, các linh kiện như SCR, Mosfet và IGBT được sử dụng thay cho diode không điều khiển Những linh kiện này cho phép điều chỉnh công suất đầu ra ở các mức điện áp khác nhau, giúp thay đổi công suất đầu ra một cách linh hoạt và phù hợp với tải.
Khuyết điểm của mạch chỉnh lưu là sự thất thoát điện áp từ đỉnh sóng đầu vào đến đầu ra, chủ yếu do điện áp ngưỡng của diode, khoảng 0,7 vôn cho diode thường và 0,1 vôn cho diode Schottky Trong các mạch chỉnh lưu nửa sóng và toàn sóng với 2 cuộn dây, mức thất thoát này tương đương với điện áp rơi trên một diode, trong khi mạch chỉnh lưu cầu có thất thoát bằng điện áp rơi trên 2 diode Điều này đặc biệt đáng kể với các mạch có điện áp cung cấp thấp Hơn nữa, do các diode không dẫn khi điện áp dưới ngưỡng, dòng điện chỉ có thể đi qua trong một phần của nửa chu kỳ, dẫn đến sự xuất hiện của điện áp bằng 0 xen kẽ với các đoạn có điện áp.
San bằng điện áp ra của mạch chỉnh lưu
Cả hai mạch chỉnh lưu nửa sóng và toàn sóng đều không cung cấp điện áp ổn định do sự thay đổi của sóng đầu vào Để tạo ra điện áp một chiều đều đặn từ ngõ ra của bộ chỉnh lưu, cần sử dụng mạch lọc hay còn gọi là mạch san bằng Mạch lọc đơn giản nhất sử dụng tụ điện đặt ở đầu ra của mạch chỉnh lưu, tuy nhiên vẫn còn một ít thành phần điện áp xoay chiều (gợn sóng) do điện áp không hoàn toàn bằng phẳng.
Kích thước của tụ điện ảnh hưởng đến tính kinh tế và hiệu suất của hệ thống Tụ điện lớn giúp giảm độ gợn sóng cho tải, nhưng đồng thời cũng làm tăng chi phí và dòng điện đỉnh trên cuộn dây thứ cấp của máy biến áp Trong các trường hợp có nhiều bộ chỉnh lưu kết nối vào điểm phân phối nguồn, điều này có thể gây khó khăn trong việc duy trì hình dạng sóng sin của điện áp.
Độ lớn của tụ lọc phụ thuộc vào hệ số gợn sóng, với mối quan hệ tỷ lệ thuận với dòng điện tải và tỷ lệ nghịch với tần số chỉnh lưu cùng số lượng đỉnh của dạng sóng trong mỗi chu kỳ Mặc dù dòng điện tải và tần số nguồn cấp thường không thể kiểm soát bởi người thiết kế mạch chỉnh lưu, nhưng số lượng đỉnh trong mỗi chu kỳ có thể được điều chỉnh thông qua việc lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu phù hợp.
Mạch chỉnh lưu bán sóng chỉ cung cấp một điện áp đỉnh mỗi chu kỳ, thường được sử dụng cho các ứng dụng có dòng điện nhỏ Trong khi đó, mạch chỉnh lưu toàn sóng một pha cho hai đỉnh mỗi chu kỳ, là phương pháp tối ưu cho chỉnh lưu một pha Đối với chỉnh lưu ba pha, có thể đạt tới sáu đỉnh mỗi chu kỳ, và số đỉnh có thể tăng thêm nếu sử dụng các biến áp thích hợp trước bộ chỉnh lưu để nâng cao số pha.
Để giảm độ gợn sóng trong mạch lọc nguồn, người ta sử dụng bộ lọc bao gồm tụ hóa có điện dung lớn và cuộn cảm có từ dung lớn, được mắc theo kiểu chữ N.
Tuy nhiên, để đơn giản có thể chỉ cần một tụ lọc.
Nếu dòng điện tải chịu ảnh hưởng lớn từ độ gợn sóng của nguồn, việc sử dụng bộ ổn áp có thể thay thế cho các tụ lọc lớn Cả bộ ổn áp và tụ lọc đều nhằm mục đích giảm độ gợn sóng, đồng thời ngăn chặn sự biến đổi của điện áp ra theo điện áp nguồn và dòng tải.
Phân loại và tên gọi các sơ đồ chỉnh lưu:
+ Có điều khiển hay không điều khiển (dùng điôt hay thyristor hay cả hai loại).
Các thông số cơ bản của chỉnh lưu
Các thông số cơ bản thể hiện qua điện áp chỉnh lưu yêu cầu:
Điện áp và dòng chỉnh lưu yêu cầu, (Ud, Id), hoặc điện áp và công suất chỉnh lưu yêu cầu, (Pd, Ud);
Các thông số cũng phải thể hiện qua điện áp xoay chiều phía lưới: số pha, cấp điện áp, tần số Ví dụ: nguồn cấp lấy từ lưới điện 3x380V, 50
Hz hoặc một pha 220 V, 50 Hz.
Thông số xác định chất lượng của điện áp chỉnh lưu
Điện áp chỉnh lưu chỉ là các mảnh của điện áp xoay chiều phía lưới.
Số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ điện áp lưới, n n càng lớn càng tốt;
n thể hiện sự bằng phẳng của điện áp
Hình 1 14 Dạng đường cong của điện áp, dòng điện.
Nhóm các thông số liên quan đến van bán dẫn
- Các thông số này cần thiết để lựa chọn van cho sơ đồ chỉnh lưu;
- Các thông số này cũng cho biết sơ đồ chỉnh lưu nào có ưu điểm hơn.
- Hai thông số cơ bản để lựa chọn van:
+ Dòng trung bình qua van thể hiện qua dòng chỉnh lưu yêu cầu ID(Id).
+ Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van trong quan hệ với điện áp chỉnh lưu yêu cầu Ung,max(Ud).
Nhóm các thông số liên quan đến máy biến áp
- Các thông số này cần thiết để thiết kế, chế tạo hoặc đặt hàng máy biến áp
- Các thông số này cũng cho biết sơ đồ chỉnh lưu nào có ưu điểm hơn về khả năng tận dụng công suất máy biến áp.
Công suất tính toán của máy biến áp Sba (PD) được đo bằng kVA và đóng vai trò quan trọng trong việc xác định kích thước mạch từ của máy biến áp Sba không chỉ ảnh hưởng đến khối lượng sắt từ mà còn quyết định kích cỡ cửa sổ và tiết diện mạch từ chính, từ đó đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu của thiết bị.
+ Tỷ số máy biến áp, điện áp sơ cấp, thứ cấp máy biến áp, kba, U1, U2 Các thông số này xác định số vòng dây cuốn w1, w2.
- Giá trị hiệu dụng dòng sơ cấp, thứ cấp MBA, I1, I2 Thông số này xác định tiết diện dây cuốn MBA.
+ Không phải chỉnh lưu nào cũng phải dùng MBA?
+ Khi đó S xác định công suất chỉnh lưu huy động từ lưới điện.
Dòng điện là yếu tố quan trọng trong việc xác định kích cỡ dây điện phù hợp cho sơ đồ Để đảm bảo an toàn, cần lựa chọn thiết bị bảo vệ như aptomat hoặc thiết bị đóng cắt như công-tắc-tơ một cách hợp lý.
Nhóm các thông số liên quan đến ảnh hưởng của sơ đồ chỉnh lưu đối với lưới điện
SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU TIA 3 PHA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN
Hình 1 15 Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha sử dụng Diode.
Gồm 1 máy biến áp và 3 Diode mắc nối tiếp với 3 pha của nguồn điện 3 pha. Nguyên lý hoạt động
Hình 1 16 Sơ đồ dạng đường cong điện áp và dòng điện
Lúc 1 2 v a v b v c va có giá trị lớn nhất nên T1 mở cho dòng chạy qua T2; T3 khoá 1 v a E i R
Lúc 2 3 vb vc va vb có giá trị lớn nhất nên T2 mở cho dòng chạy qua T1; T3 khoá 2 v b E i R
Trong đó: R: điện trở của động cơ
E: suất điện động phản kháng của động cơ d d u E i R
Tổng quan về Diode công suất
Diode công suất là gì ?
Diode công suất là loại diode chuyên dụng trong các mạch điện tử công suất, có cấu tạo khác biệt so với diode tiêu chuẩn để chịu được dòng điện cao hơn Giống như diode thông thường, diode công suất có hai cực và dẫn dòng điện theo một hướng Điốt là thiết bị bán dẫn đơn giản nhất với hai lớp, hai đầu cuối và một điểm giao nhau, trong đó điốt tín hiệu thông thường có mặt tiếp giáp giữa bán dẫn loại p và loại n, với cực dương từ dây dẫn loại p và cực âm từ dây dẫn loại n Điốt điện cũng tương tự như điốt thông thường nhưng có một số khác biệt về cấu tạo.
Diode công suất hoạt động như diod công suất nhỏ (nối p-n) nhưng với dòng điện lớn từ vài chục đến vài trăm Ampe.
Hình 1 17 Hình dạng và ký hiệu Diode công suất.
Trong điốt thông thường, hay còn gọi là "điốt tín hiệu", mức độ pha tạp của hai bên P và N là giống nhau, tạo ra một điểm nối PN Ngược lại, trong điốt công suất, có sự hình thành của một điểm giao nhau giữa một lớp P+ được pha tạp nhiều và một lớp N- pha tạp nhẹ, phát triển trên lớp N+ pha tạp nhiều Cấu trúc này tạo nên sự khác biệt rõ rệt giữa hai loại điốt.
Hình 1 18 Cấu tạo diode công suất.
Lớp N là đặc điểm nổi bật của diode công suất, làm cho nó lý tưởng cho các ứng dụng công suất lớn Lớp này được pha tạp nhẹ, gần như là nội tại, dẫn đến việc thiết bị còn được gọi là diode PIN, với "I" là viết tắt của nội tại.
Trong hình trên, chúng ta nhận thấy rằng điện tích thực của vùng điện tích không gian vẫn được duy trì tương tự như ở diode tín hiệu Tuy nhiên, độ dày của vùng điện tích không gian lại khá cao và ăn sâu vào vùng N–.
Diode công suất có khả năng chặn điện áp phân cực ngược lớn hơn nhờ vào độ dày của vùng điện tích không gian, điều này tăng lên khi nồng độ pha tạp ánh sáng giảm Sự gia tăng độ dày của vùng suy giảm giúp diode đạt được điện áp đánh thủng lớn hơn.
Việc thêm lớp N vào diode làm tăng đáng kể điện trở ohmic, dẫn đến việc sinh nhiệt nhiều hơn trong trạng thái dẫn chuyển tiếp Do đó, các điốt điện thường được thiết kế với nhiều giá đỡ khác nhau nhằm đảm bảo tản nhiệt hiệu quả.
Khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống mang điện tích dương, khi kết hợp với khối bán dẫn N có nhiều điện tử tự do, các lỗ trống sẽ khuếch tán sang khối N, trong khi khối P nhận thêm điện tử từ khối N Hệ quả là khối P trở nên tích điện âm do thiếu lỗ trống và thừa điện tử, còn khối N tích điện dương do thiếu điện tử và thừa lỗ trống Tại biên giới tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và kết hợp tạo thành nguyên tử trung hòa, quá trình này giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng hoặc bức xạ điện từ.
Hình 1 20 Điện áp tiếp xúc hình thành
Sự tích tụ điện âm bên khối P và dương bên khối N tạo ra điện áp tiếp xúc (UTX), với điện trường hướng từ khối N sang khối P, cản trở chuyển động khuếch tán Sau một thời gian ghép hai khối bán dẫn, quá trình khuếch tán dừng lại và điện áp tiếp xúc tồn tại, lúc này tiếp xúc P-N ở trạng thái cân bằng Ở trạng thái cân bằng, điện áp tiếp xúc khoảng 0.7V đối với diode bằng bán dẫn Si và khoảng 0.3V đối với diode bằng bán dẫn Ge.
Hình 1 21 Điện áp ngoài ngược chiều điện áp tiếp xúc tạo ra dòng điện
Vùng tiếp giáp giữa hai mặt tiếp xúc là nơi mà các điện tử và lỗ trống dễ dàng tái hợp, dẫn đến sự hình thành các nguyên tử trung hòa Kết quả là, vùng biên giới này rất hiếm các hạt dẫn điện tự do, được gọi là vùng nghèo (depletion region) Vùng này không có khả năng dẫn điện tốt trừ khi điện áp tiếp xúc được cân bằng bởi điện áp bên ngoài, đây chính là nguyên lý hoạt động cơ bản của diode.
Khi áp dụng điện áp bên ngoài ngược với điện áp tiếp xúc, sự khuếch tán của điện tử và lỗ trống không bị cản trở, dẫn đến vùng tiếp giáp dẫn điện tốt Ngược lại, khi điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuếch tán bị hạn chế, làm cho vùng nghèo trở nên thiếu hụt điện tự do Tóm lại, diode cho phép dòng điện chỉ đi qua khi điện áp được đặt theo một hướng cụ thể.
Hình 1 22 Điện áp ngoài cùng chiều điện áp tiếp xúc ngăn dòng điện
Diode chỉ cho phép dòng điện chảy theo một chiều từ anode sang cathode Để dòng điện có thể chảy từ nơi có điện thế cao sang nơi có điện thế thấp, điện thế tại anode cần phải lớn hơn điện thế tại cathode, tức là UAK > 0 và ngược chiều với điện áp tiếp xúc (Utiếp xúc) Để có dòng điện qua diode, điện trường do UAK tạo ra phải mạnh hơn điện trường tiếp xúc, nghĩa là UAK > UTX Trong trường hợp này, một phần điện áp UAK sẽ được sử dụng để cân bằng với điện áp tiếp xúc (khoảng 0.6V), và phần còn lại sẽ tạo ra dòng điện thuận qua diode.
Khi UAK > 0, diode được phân cực thuận và dòng điện qua diode được gọi là dòng điện thuận, ký hiệu là IF (I-FORWARD) hoặc ID (I-diodeE) Dòng điện thuận chảy từ anode sang cathode.
Khi UAK đạt được sự cân bằng với điện áp tiếp xúc, diode sẽ dẫn điện hiệu quả với điện trở rất thấp, khoảng vài chục Ohm Do đó, điện áp cần thiết để tạo ra dòng điện thuận thường nhỏ hơn nhiều so với điện áp cần thiết để cân bằng với Utiếp xúc, thường khoảng 0.6V Phần điện áp tạo dòng thuận dao động từ 0.1V đến 0.5V, tùy thuộc vào dòng điện thuận từ vài chục mA đến vài Ampere Giá trị UAK cần thiết để có dòng qua diode nằm trong khoảng 0.6V đến 1.1V, với ngưỡng 0.6V là điểm bắt đầu dẫn của diode, và khi UAK đạt 0.7V, dòng qua diode sẽ khoảng vài chục mA.
Diode hoạt động hiệu quả khi không dẫn điện theo chiều ngược từ cathode sang anode Tuy nhiên, trong trường hợp bị phân cực ngược với điện áp lớn, vẫn có dòng ngược tồn tại, mặc dù rất nhỏ (khoảng μA) và thường không đáng kể trong các ứng dụng công nghiệp Tất cả các diode chỉnh lưu đều không dẫn điện theo chiều ngược, nhưng nếu điện áp ngược vượt quá ngưỡng chịu đựng (VBR), diode có thể bị đánh thủng, dẫn đến dòng điện tăng nhanh và có thể làm hỏng diode Do đó, khi sử dụng diode, cần tuân thủ hai điều kiện quan trọng.
Dòng điện thuận qua diode phải tuân thủ giá trị tối đa cho phép do nhà sản xuất quy định Để xác định giá trị này, người dùng có thể tra cứu thông tin trong các tài liệu kỹ thuật của hãng sản xuất.
Điện áp phân cực ngược (tức UKA) không được lớn hơn VBR (ngưỡng đánh thủng của diode, cũng do nhà sản xuất cung cấp).
ỨNG DỤNG MẠCH CẦU H VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu về phương pháp PWM
Hình 2 1 Phương pháp điều khiển với PWM.
Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là kỹ thuật điều chỉnh điện áp đầu ra cho tải bằng cách thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông Phương pháp này giúp thay đổi điện áp ra trung bình, trong khi các tín hiệu PWM có cùng tần số nhưng khác nhau về độ rộng của sườn dương và sườn âm.
Xét biểu đồ điện áp theo thời gian của tín hiệu, ta thấy xung có chu kỳ cố định T và thời gian mức cao t0 Khi thay đổi t0 từ 0 đến T, điện áp đầu ra thay đổi từ 0 đến Umax Để tính điện áp trung bình Ud, ta sử dụng công thức: Ud = Umax.(t0/T).
Dãy xung điều khiển ở trên cho thấy rằng, khi độ rộng xung ON nhỏ, động cơ DC sẽ chạy chậm Ngược lại, nếu độ rộng xung ON lớn hơn, động cơ sẽ hoạt động với tốc độ nhanh hơn.
PWM được sử dụng rộng rãi trong điều khiển, đặc biệt trong việc điều khiển động cơ và các bộ xung áp Công nghệ PWM cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ một cách hiệu quả, đồng thời cũng giúp duy trì sự ổn định của tốc độ động cơ trong quá trình hoạt động.
PWM không chỉ được ứng dụng trong điều khiển và ổn định tải mà còn trong việc điều chế các mạch nguồn như boot, buck, và nghịch lưu 1 pha và 3 pha Nó thường xuất hiện trong các mạch điện điều khiển và đặc biệt là trong việc điều khiển các phần tử điện tử công suất có đặc tính tuyến tính khi sử dụng nguồn một chiều cố định Do đó, PWM được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện- điện tử Ngoài ra, PWM cũng là yếu tố quan trọng mà các đội Robocon áp dụng để điều khiển và ổn định tốc độ động cơ.
Các phương pháp điều xung PWM: 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 như VDK,
Việc tạo PWM bằng phần mềm có độ chính xác cao hơn so với việc sử dụng phần cứng, vì vậy nhiều người thường lựa chọn phương pháp này Trong đề tài này, chúng ta sẽ sử dụng vi điều khiển AVR Arduino Uno để thực hiện.
TỔNG QUÁT VỀ MẠCH CẦU H
Giới thiệu chung về mạch cầu H
Mạch cầu H được cấu tạo từ 4 Transistor lưỡng cực BJT hoặc Transistor trường MOSFET Trong một số trường hợp, mạch cầu H có thể bao gồm 2 Transistor lưỡng cực BJT kết hợp với 2 Transistor trường MOSFET.
Transistor lưỡng cực BJT và Transistor trường MOSFET hoạt động như các van điều khiển dòng điện từ nguồn đến tải với công suất lớn Tín hiệu điều khiển cho các van này là tín hiệu nhỏ, với điện áp cho MOSFET và dòng điện cho BJT, giúp dẫn dòng và điện áp lớn để cung cấp cho tải.
Mạch cầu H là một giải pháp hiệu quả cho việc đảo chiều dòng điện trong các mạch điều khiển động cơ DC và mạch băm áp Với khả năng đảo chiều động cơ một cách dễ dàng, chỉ cần điều chỉnh các van theo hướng mong muốn, mạch cầu H trở thành lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng điều khiển động cơ.
Nguyên lý hoạt động chung của mạch cầu H
Hình 2 3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch cầu H.
Mạch cầu trong hình sử dụng 4 khóa L1, L2, R1, R2 để điều khiển động cơ DC, với hai đầu A và B Mục tiêu là cho phép dòng điện chạy qua động cơ theo hai chiều A => B hoặc B => A Khi 4 khóa này ở trạng thái "mở", mạch cầu H không hoạt động Nếu khóa L1 và R2 được "khóa" trong khi L2 và R1 "mở", dòng điện sẽ chạy từ A đến B Ngược lại, khi L1 và R2 "mở" và L2 cùng R1 "khóa", dòng điện sẽ chạy từ B về A.
Mạch cầu H cho phép đảo chiều dòng điện chạy qua "đối tượng" từ B đến A một cách dễ dàng Tuy nhiên, mạch này cũng có những ưu và nhược điểm riêng cần được xem xét.
Ưu điểm: Sử dụng cầu H làm cho mạch trở nên đơn giản hơn và chỉ cần 1 nguồn điện.
Nhược điểm của hệ thống là khi mạch điều khiển cùng bật, hai công tắc ở cùng một nửa cầu có thể gây ra hiện tượng ngắn mạch Nếu tình trạng này xảy ra trong thời gian ngắn, sẽ dẫn đến dòng trùng dẫn qua van công suất, làm tăng công suất tiêu tán trên van Nếu hiện tượng trùng dẫn kéo dài, có nguy cơ làm cháy van công suất.
Các khóa L1,L2,R1,R2 ta dùng bằng các Transistor trường MOSFET hoặc IGBT.
Mạch cầu H sử dụng MOSFET
Hình 2 4 Sơ đồ mạch cầu H sử dụng MOSFET.
Mosfet, hay Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), là một loại transistor đặc biệt với cấu trúc và nguyên lý hoạt động khác biệt so với transistor thông thường Mosfet hoạt động dựa trên hiệu ứng điện trường để tạo ra dòng điện, đồng thời có trở kháng đầu vào lớn, rất thích hợp cho việc khuếch đại các nguồn tín hiệu yếu hoặc làm phần tử đóng cắt.
Cấu tạo chung của MOSFET
Mosfet là một loại transistor trường có cấu trúc bán dẫn, cho phép điều khiển dòng điện bằng điện áp với dòng điện điều khiển rất nhỏ Nó có ba chân: chân Nguồn (S) là nơi các hạt dẫn đa số đi vào kênh, chân Máng (D) là nơi các hạt dẫn đa số rời khỏi kênh, và chân Cửa (G) dùng để điều khiển dòng điện chạy qua kênh.
Transistor trường (FET) có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm việc dòng điện chủ yếu do một loại hạt dẫn đa số tạo nên, giúp giảm thiểu tiếng ồn so với tranzito lưỡng cực FET cũng có trở kháng vào rất cao, không bù điện áp tại dòng ID = 0, cho phép ngắt điện hiệu quả Đặc biệt, FET có độ ổn định nhiệt cao và khả năng làm việc ở tần số cao, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng trong nhiều ứng dụng điện tử.
Nhược điểm: o Nhược điểm chính của FET là hệ số khuếch đại thấp hơn nhiều so với tranzito lưỡng cực.
Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H sử dụng MOSFET
MOSFET hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở.
MOSFET có hai loại chính là kênh N và kênh P Đối với MOSFET kênh P, chế độ làm việc bình thường là Uds < 0, với điện áp điều khiển mở MOSFET là Ugs Khi Ugs nhỏ hơn ngưỡng U ngưỡng và nhỏ hơn 0, MOSFET sẽ mở dẫn dòng từ S đến D; ngược lại, khi Ugs lớn hơn hoặc bằng U ngưỡng, MOSFET sẽ khóa Đối với MOSFET kênh N, chế độ làm việc bình thường là Uds > 0, và điện áp điều khiển mở MOSFET cũng là Ugs Khi Ugs lớn hơn ngưỡng U ngưỡng và lớn hơn 0, MOSFET mở dẫn dòng từ D đến S; còn khi Ugs nhỏ hơn hoặc bằng U ngưỡng, MOSFET sẽ khóa.
Xung điều khiển PWM ở đây ta dùng vi xử lý ATMEGA 328 để điều khiển đóng mở MOSFET.
XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB & SIMULINK 49 2.4 KẾT LUẬN
Hình 2 6 Sơ đồ khối chung hệ thống.
Khối lưới điện 3 pha 4 dây cung cấp điện áp xoay chiều 3 pha cho hệ thống, với mỗi pha cách nhau 120 độ Hệ thống này sử dụng cuộn lọc để ổn định dòng điện xoay chiều, đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy trong quá trình hoạt động.
Khối chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp xoay chiều 3 pha từ nguồn cấp thành điện áp một chiều, cung cấp cho mạch cầu H để điều khiển tốc độ động cơ.
Khối mạch lọc sử dụng hệ thống cuộn cảm và tụ điện được thiết kế theo hình chữ n để làm phẳng điện áp và dòng điện đầu ra, từ đó tạo ra dòng một chiều mượt mà nhất cung cấp cho mạch cầu H.
Khối mạch cầu H: Sử dụng hệ thống MOSFET để điều chỉnh tốc độ phần tải động cơ 1 chiều.
Khối đo lường: đo tần số xung của động cơ dựa vào Encoder để đưa về vi điều khiển phục vụ tính toán driver cho MOSFET.
Khối điều khiển: lấy tín hiệu từ khối đo lường và tính toán driver cho MOSFET.
Hình 2 7Sơ đồ tổng quan hệ thống.
Mô hình lưới điện 3 pha 4 dây
Hình 2 8 Khối điện áp 3 pha 4 dây.
Nguồn điện xoay chiều 3 pha 4 dây có các pha cách nhau 120 độ.
Mô hình chỉnh lưu không điều khiển
Mạch chỉnh lưu tia 3 pha không điều khiển sử dụng ba diode mắc song song và nối tiếp với các pha, có chức năng biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha từ nguồn thành điện áp một chiều Đồng thời, các cuộn được sử dụng để ổn định dòng điện đầu ra.
L = 1mH, khả năng chịu dòng 45A.
Hình 2 10 Mô hình mạch lọc.
Gồm 2 tụ và 1 cuộn cảm được mắc hình chữ N có tác dụng san phẳng điện áp DC của mạch chỉnh lưu.
Thông số của mạch lọc như sau:
Cuộn cảm L = 20mH, khả năng chịu dòng 45A
2 tụ điện có điện dung C = 1000uF, khả năng chịu áp 1600V, dòng 45A.
Hình 2 11 Mô hình mạch cầu H và tải động cơ DC.
Mạch cầu H dùng 4 con MOSFET mắc thành hình chữ H, đầu ra được cấp cho động cơ 1 chiều Được điều khiển bằng xung PWM từ vi xử lý.
Mô hình mạch đo lường và điều khiển
Hình 2 12 Mạch đo lường và điều khiển.
Mạch đo lường và điều khiển đọc tín hiệu xung từ động cơ, tính toán thông số PID và đưa ra tần số PWM điều khiển cho mạch cầu H.
Thông số PID dùng trong mạch:
Hình 2 13 Thông số PID điều khiển.
Mô phỏng nguyên lý hoạt độngc của mạch chỉnh lưu với tải R
Hình 2 14 Dạng dòng điện áp và dòng điện với tải R = 5 Ohm.
Mô phỏng nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu với hệ thống
Hình 2 15 Dạng dòng điện và điện áp chỉnh lưu khi có tải động cơ.
*Nhận xét: Dòng điện dao động khá mạnh tùy thuộc vào tải động cơ làm việc.
Mô phỏng hoạt động ở tốc độ 900v/p
Hình 2 16 Dạng xung PWM1 và PWM2 điều khiển cho mạch cầu với tốc độ 900v/p.
Hình 2 17 Tốc độ đáp ứng của mạch cầu H.
Tốc độ đáp ứng của mạch cầu H rất nhanh trong 3s.
Tốc độ khởi động vọt khá cao so với tốc độ đặt, lên tới 1200v/p.
Mô phỏng hoạt động ở tốc độ 500v/p
Hình 2 18 Tốc độ đáp ứng của mạch cầu H ở tốc độ đặt 500v/p.
Tốc độ đáp ứng của mạch cầu H rất nhanh trong 2s.
Tốc độ khởi động không quá cao, ổn định nhanh.
Mô phỏng hoạt động ở tốc độ thấp ( dưới 200 v/p)
Hình 2 19 Tốc độ đáp ứng của động cơ khi tốc độ đặt bằng 200v/p.
Tốc độ đáp ứng của mạch cầu H rất nhanh trong 1s.
Tốc độ khởi động không quá cao, ổn định nhanh.
Trong quá trình mô phỏng MATLAB, chúng tôi đã gặp phải nhiều vấn đề liên quan đến việc san phẳng điện áp của chỉnh lưu Để giải quyết, chúng tôi đã thử nghiệm nhiều công thức tính toán nhằm tìm ra thông số tối ưu cho mạch lọc, đảm bảo điện áp và dòng điện một chiều đầu ra được ổn định và đạt chất lượng tốt nhất.
Kết quả mô phỏng cho thấy rằng khi tốc độ đặt càng cao, độ vọt tốc độ càng lớn do quán tính của động cơ, trong khi tốc độ đặt thấp mang lại thời gian đáp ứng nhanh hơn nhờ quán tính thấp Mạch điều khiển động cơ áp dụng PID băm xung hai chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ đạt đến tốc độ đặt, tuy nhiên trong bài mô phỏng này không có sự đảo chiều động cơ.
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ HỆ THỐNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ THỐNG CHỈNH LƯU TIA 3 PHA ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU
GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO UNO
Arduino Uno là một bo mạch vi điều khiển do Arduino.cc phát triển, sử dụng vi điều khiển AVR Atmega328P Nền tảng điện tử mã nguồn mở này cho phép người dùng xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác thông qua phần mềm và phần cứng hỗ trợ.
Trước khi Arduino ra đời, việc thực hiện các dự án điện tử nhỏ liên quan đến lập trình và biên dịch đòi hỏi sự hỗ trợ từ các thiết bị biên dịch khác, như vi điều khiển PIC hoặc vi điều khiển họ 8051 Người dùng cần thiết kế chân nạp onboard hoặc đầu tư vào các thiết bị hỗ trợ nạp và biên dịch, chẳng hạn như mạch nạp.
Hiện nay, Arduino đã trở nên phổ biến ở Việt Nam, thu hút sự quan tâm của học sinh, sinh viên và người đi làm Nhiều dự án nhỏ và lớn được triển khai nhanh chóng, với mã nguồn mở được chia sẻ rộng rãi trên các diễn đàn trong và ngoài nước Điều này hỗ trợ tích cực cho những ai đam mê nghiên cứu và chế tạo sản phẩm có ích cho xã hội.
Trong những năm qua, Arduino đã trở thành nền tảng quan trọng cho hàng ngàn dự án điện tử, từ những ứng dụng đơn giản trong cuộc sống hàng ngày đến các nghiên cứu khoa học phức tạp.
Thư viện mã nguồn mở ngày càng phát triển, hỗ trợ người mới tìm hiểu về Arduino cũng như các lập trình viên nhúng và chuyên gia trong việc tham khảo và phát triển dự án tiếp theo.
Bạn muốn thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị sử dụng cảm biến ánh sáng, đồng thời đo nồng độ hóa chất và khí gas thông qua các cảm biến chuyên dụng.
Với một con robot mini, bạn có thể dễ dàng quản lý và điều khiển thiết bị điện trong nhà, từ việc bật tắt thiết bị đến điều khiển motor và nhận dạng ID Nếu bạn muốn thử thách hơn, bạn có thể phát triển một máy CNC hoặc máy in 3D mini, hoặc thậm chí là một chiếc máy bay không người lái (Flycam) Hệ thống này cũng có thể thu thập dữ liệu qua GSM, xử lý ảnh và điều khiển các thiết bị thông minh thông qua internet, kết nối dễ dàng với điện thoại thông minh của bạn.
Để thực hiện yêu cầu của hệ thống thiết kế, bạn cần sử dụng ngôn ngữ lập trình Arduino kết hợp với sơ đồ đã lập Qua phần mềm Arduino IDE, bạn có thể gửi các lệnh đến bộ phận xử lý trung tâm (Arduino) để hoàn thành nhiệm vụ.
Giới thiệu và tổng quát về các loại Arduino
- Hiện nay trên thị trường có rất nhiều phiên bản Arduino như Arduino Uno R3, Arduino Uno R3 CH340, Arduino Mega2560, Arduino Nano, Arduino Pro Mino, Arduino Lenadro, Arduino Industrial
- Liên kiện điện tử vietnic xin giới thiệu đến các bạn các loại Arduino thông dụng sau
Arduino Uno R3 chíp cắm, Arduino chíp dán
Arduino Uno R3 là một bo mạch vi điều khiển do Arduino.cc phát triển, thuộc nền tảng điện tử mã nguồn mở, chủ yếu sử dụng vi điều khiển AVR Atmega328P.
Phiên bản Arduino Uno R3 hiện tại được trang bị giao diện USB, 6 chân đầu vào analog và 14 cổng kỹ thuật số I/O, giúp kết nối dễ dàng với các mạch điện tử và thiết bị bên ngoài Trong số 14 cổng I/O, có 6 chân đầu ra xung PWM, cho phép các nhà thiết kế kiểm soát và điều khiển các thiết bị mạch điện tử ngoại vi một cách trực quan và hiệu quả.
Arduino Uno R3 kết nối trực tiếp với máy tính qua USB, cho phép giao tiếp với phần mềm lập trình IDE, tương thích với các hệ điều hành Windows, MAC và Linux, nhưng Windows được khuyến nghị sử dụng hơn IDE hỗ trợ các ngôn ngữ lập trình như C và C++.
- Ngoài USB, người dùng có thể dùng nguồn điện ngoài để cấp nguồn cho bo mạch.
Bo mạch Arduino Uno tương tự như các loại bo mạch khác trong dòng Arduino về cách sử dụng và chức năng, nhưng điểm khác biệt là bo mạch Uno không được trang bị chip điều khiển FTDI USB to Serial.
Arduino Nano V3 và Arduino Uno là hai phiên bản chính thức của bo mạch Uno, cả hai đều sử dụng vi điều khiển Atmega328 8 bit AVR Atmel Bo mạch này được trang bị bộ nhớ RAM 32KB, mang lại hiệu suất ổn định cho các dự án điện tử.
Khi nhiệm vụ trở nên phức tạp, việc kết nối thẻ nhớ SD Micro vào Arduino giúp mở rộng khả năng lưu trữ thông tin.
Hình 3 1 Arduino Uno R3 chíp cắm.
Hình 3 2 Arduino Uno R3 chíp dán CH340.
Các tính năng Arduino trên Board
- Arduino Uno đi kèm với giao diện USB tức là cổng USB được thêm vào bo mạch Arduino để phát triển giao tiếp nối tiếp với máy tính.
Bộ vi điều khiển Atmega328 được trang bị nhiều tính năng nổi bật như hẹn giờ, bộ đếm, ngắt, chân PWM, CPU và chân I/O Với xung nhịp 16 MHz, Atmega328 có khả năng tạo ra nhiều tần số và thực hiện số lệnh lớn hơn trong mỗi chu kỳ, mang lại hiệu suất cao cho các ứng dụng điện tử.
THIẾT KẾ CẤU TRÚC CỦA THIẾT BỊ
Xây dựng sơ đồ khối thiết bị
Hình 3 4 Sơ đồ khối chung của thiết bị:
Khối lưới điện 3 pha 4 dây: Cung cấp điện áp xoay chiều 3 pha cho hệ thống.
Mỗi pha cách nhau 120 o Có sử dụng cuộn lọc để ổn định dòng điện xoay chiều.
Khối chỉnh lưu có vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi điện áp xoay chiều 3 pha thành điện áp một chiều, cung cấp nguồn cho mạch cầu H nhằm điều khiển tốc độ động cơ.
Khối mạch lọc sử dụng hệ thống cuộn cảm và tụ điện hình chữ N để làm phẳng điện áp và dòng điện đầu ra, từ đó tạo ra dòng một chiều mượt mà nhất cho mạch cầu H.
Khối mạch cầu H: Sử dụng hệ thống MOSFET để điều chỉnh tốc độ phần tải động cơ 1 chiều.
Khối đo lường: đo tần số xung của động cơ dựa vào Encoder để đưa về vi điều khiển phục vụ tính toán driver cho MOSFET.
LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO TỪNG KHỐI
Tính chọn thiết bị cho khối chỉnh lưu
Itb = 50A – giá trị trung bình của dòng điện cho phép chảy qua điốt trong điều kiện chuẩn.
Ihd = 78A – giá trị hiệu dụng của dòng điện cho phép chảy qua điốt trong điều kiện chuẩn.
Iđm – dòng định mức làm việc của điôt.
Uđm = 100-1200V – giá trị cực đại của điện áp cho phép đặt lên điốt
Uv = 0.6V – giá trị trung bình sụt áp trên điốt khi dẫn dòng điện.
Uo = 1V – điện áp ngưỡng trong đặc tính VA của điốt.
Rđ = 200Ohm – điện trở động trong đặc tính VA của điốt.
R T = 1 o C/W– nhiệt trở xác lập của điốt
Tính chọn thiết bị cho mạch cầu H
Ta có đối tượng cần điều khiển là động cơ một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu có thông số: Pđm = 10kw, Uđm = 220V, nđm = 1000 v/p, Rư = 0.05, hiệu suất 96%.
Điện áp tối thiểu MOSFET phải chịu đựng là 220V.
Do vxl PWM với tần số f = 1Khz => Tần số đóng cắt của MOSFET là 1KHZ.
Do những yêu cầu trên ta có thể chọn 2 loại MOSFET phổ biến trên thị trường là: MOSFET kênh N: IRF540
Hình 3 6 MOSFET IRF540 và sơ đồ chân. o G: Gate gọi là cực cổng o D: Drain gọi là cực máng o S: Source gọi là cực nguồn
Mosfet IRF540 là một transistor hiệu ứng trường (MOSFET) loại kênh N, có khả năng hoạt động khác biệt so với transistor thông thường Với công suất lên đến 100W, Mosfet IRF540 thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu công suất lớn hơn nhiều so với BJT Đặc biệt, đối với tín hiệu một chiều, Mosfet IRF540 hoạt động như một khóa, mang lại hiệu suất cao trong các mạch điện.
Mosfet IRF540 hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, với đặc điểm trở kháng đầu vào lớn, rất phù hợp cho việc khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu.
Mosfet IRF540 thích hợp cho việc chuyển đổi DC sang AC hay DC Thường ứng dụng trong UPS, inverter có biến thế thường.
Thông số: o Điện áp đánh thủng: 100V. o Điện áp VGS = +/-20V o Dòng chịu đựng trung bình: 23A. o Nhiệt độ hoạt động: -55 o C ~ 150 o C. o Công suất: 100W
Opto (optocoupler) hay còn gọi là bộ cách ly quang, là linh kiện chuyển đổi tín hiệu điện thành ánh sáng để truyền đi Ưu điểm nổi bật của opto là khả năng cách ly điện áp giữa các mạch đầu vào và đầu ra, với tiếp xúc duy nhất là một chùm ánh sáng Điện trở cách ly giữa hai mạch có thể đạt hàng ngàn MΩ, cho phép ứng dụng trong các mạch có điện áp cao, nơi điện thế giữa hai mạch có thể khác nhau lên tới vài nghìn vôn.
Hình 3 7 Cấu tạo Opto quang.
PC817 là một opto phổ biến, bao gồm một LED hồng ngoại và một transistor quang trong cùng một gói Opto, hay còn gọi là cách ly quang, là linh kiện IC với số chân từ 4 đến nhiều hơn, chủ yếu được sử dụng để cách ly hai mạch điện.
Hoạt động của PC817 rất đơn giản: khi điện áp được áp dụng vào LED hồng ngoại nối trên chân 1 và 2, LED sẽ sáng, kích hoạt transistor quang bên trong và đưa nó vào trạng thái bão hòa, kết nối chân 3 và 4 PC817 là một opto được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử với chức năng cách ly Nếu cần nhiều tác vụ cách ly đồng thời, có thể sử dụng các opto khác tích hợp nhiều LED hồng ngoại và transistor quang trong một gói duy nhất.
PC817 là một linh kiện điện tử với các thông số kỹ thuật nổi bật như gói DIP 4 chân và SMT, loại transistor NPN Dòng cực góp tối đa đạt 50mA, với điện áp cực góp - cực phát tối đa lên đến 80V và điện áp bão hòa trong khoảng 0,1 đến 0,2V Điện áp cực phát - cực gốc tối đa là 6V, trong khi công suất tiêu tán cực góp tối đa là 200 mW Linh kiện này có thể hoạt động trong dải nhiệt độ từ -30 đến +100 độ C và được lưu trữ trong khoảng -55 đến +120 độ C.
Sơ đồ chân của opto được hiển thị bên dưới, với chấm tròn trên opto là điểm bắt đầu, đánh dấu chân dương của LED hồng ngoại Từ điểm này, chúng ta có thể xác định các chân khác theo thứ tự như trong hình.
Hình 3 9 Sơ dồ chân Opto quang PC817.
Tính chọn điện điện trở phân áp để đóng mở Mosfet
Chọn điện trở phân áp để đóng mở mosfet:
GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ALTIUM DESIGNER 18
Altium Designer là phần mềm thiết kế mạch điện tử hàng đầu, được phát triển bởi Altium Limited Mặc dù sở hữu nhiều tính năng mạnh mẽ và hấp dẫn, Altium Designer vẫn chưa được phổ biến rộng rãi như các phần mềm khác như Orcad hay Proteus trong lĩnh vực thiết kế mạch điện tử.
Một số tính năng nổi bật của phần mềm Altium Designer 18 :
- Giao diện thiết kế, quản lý và chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lý file, quản lý phiên bản cho các tài liệu thiết kế.
Hệ thống cung cấp hỗ trợ mạnh mẽ cho thiết kế tự động và đi dây tự động thông qua các thuật toán tối ưu Nó cũng phân tích lắp ráp linh kiện, giúp tìm kiếm các giải pháp thiết kế hoặc chỉnh sửa mạch và linh kiện, cũng như cập nhật netlist dựa trên các tham số mới.
- Mở, xem và in các file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ các thông tin linh kiện, netlist, dữ liệu bản vẽ, kích thước, số lượng…
- Hệ thống các thư viện linh kiện phong phú, chi tiết và hoàn chỉnh bao gồm tất cả các linh kiện nhúng, số, tương tự…
Đặt và sửa đối tượng trên các lớp cơ khí là bước quan trọng trong thiết kế PCB Định nghĩa các luật thiết kế giúp đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của mạch Tùy chỉnh các lớp mạch in cho phép tối ưu hóa không gian và hiệu suất Quá trình chuyển đổi từ schematic sang PCB cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo tính đồng nhất Cuối cùng, việc đặt vị trí linh kiện trên PCB là yếu tố quyết định cho sự hoạt động ổn định của mạch.
Mô phỏng mạch PCB 3D cung cấp hình ảnh chân thực của mạch điện trong không gian ba chiều, hỗ trợ tích cực cho việc tích hợp MCAD-ECAD Công nghệ này cho phép liên kết trực tiếp với mô hình STEP, giúp kiểm tra khoảng cách cách điện hiệu quả và cấu hình linh hoạt cho cả hai định dạng 2D và 3D.
- Hỗ trợ thiết kế PCB sang FPGA và ngược lại.
THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ
3.5.1 Sơ đồ mạch nguyên lý tổng quan
Mạch điều khiển được cấu trúc thành các khối cơ bản, bao gồm khối điều khiển Arduino, khối cầu H, khối LCD, khối nút nhấn, khối reset, khối điều chỉnh tốc độ Analog, cùng với khối nguồn DC và AC cung cấp cho động cơ.
Hình 3 10 Sơ đồ mạch nguyên lý tổng quan.
Hình 3 11 Khối điều khiển arduino.
Arduino UNO có 14 chân digital để đọc và xuất tín hiệu, với điện áp 0V và 5V, cùng dòng vào/ra tối đa 40mA mỗi chân Mỗi chân được trang bị điện trở pull-up trong vi điều khiển ATmega328, cho phép xử lý tín hiệu Digital và Analog Ngoài ra, Arduino UNO còn hỗ trợ truyền dữ liệu hiển thị tốc độ động cơ qua màn hình LCD.
Mạch cầu H được cấu tạo từ 4 Transistor lưỡng cực BJT hoặc Transistor trường MOSFET Trong một số trường hợp, mạch cầu H cũng có thể bao gồm 2 Transistor lưỡng cực BJT kết hợp với 2 Transistor trường MOSFET.
Mạch cầu H là một giải pháp hiệu quả cho việc đảo chiều dòng điện trong các mạch điều khiển động cơ DC và mạch băm áp Với khả năng đảo chiều động cơ một cách đơn giản, người dùng chỉ cần mở khóa các van theo hướng mong muốn để điều khiển động cơ một cách linh hoạt.
LCD 16×2 được sử dụng để hiển thị trạng thái hoặc các thông số.
- LCD 16×2 có 16 chân trong đó 8 chân dữ liệu (D0 – D7) và 3 chân điều khiển (RS,
- 5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16×2.
- Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD ở chế độ lệnh hoặc chế độ dữ liệu.
- Chúng còn giúp ta cấu hình ở chế độ đọc hoặc ghi.
- Trong đồ án này ta sử dụng LCD 16x2 để hiển thị tốc độ động cơ.
Khối nút ấn ON/OFF dùng để bật tắt động cơ hoặc reset trạng thái của Arduino.
3.5.1.5 Khối xử lý tín hiệu Analog
Hình 3 18 Khối xử lý tín hiệu analog.
Trong mô hình điều khiển động cơ, tốc độ được điều chỉnh thông qua triết áp VR Khi vặn núm xoay, điện áp trên VR thay đổi và tín hiệu này được gửi vào Arduino Dựa trên tín hiệu đó, thuật toán được xây dựng để tính toán tốc độ động cơ.
Khối nguồn DC để cấp điện áp lần lượt là 5V và 12V cho mạch điều khiển điều khiển động cơ.
3.5.1.7 Khối nguồn AC Điện áp 220VAC được cấp thông qua bộ chỉnh lưu tia 3 pha Kết hợp cùng với mạch điểu điển để đóng mở các van MOSFET điều chỉnh tốc độ động cơ.
Mạch điều khiển thực tế được thiết kế trên phần mềm Altium designer 18 bao gồm 2 lớp là Top layer và Bottom layer.
Hình 3 21 Sơ đồ đi dây lớp Top Layer.
Hình 3 22 Sơ đồ đi dây lớp Bottom layer.
Hình 3 23 Sơ đồ bao gồm cả 2 lớp.
Hình 3 24 Thiết kế 3D layout mạch điểu khiển.
Thông số kỹ thuật của mạch như sau:
- Công suất danh định Pđm : 10 kW
- Điện áp danh định Uđm : 220V
- Tốc độ định mức ndm : 1000v/p
KẾT LUẬN
Trong bài viết này, chúng tôi đã khám phá vi xử lý Arduino Uno R3, cùng với các chức năng, ưu điểm và nhược điểm của nó trong việc xây dựng hệ thống điều khiển.
Tính chọn được thiết bị phù hợp để sử dụng trong mạch, dự toán và ước lượng chi phí cho phần cứng.
Tìm hiểu về phần mềm thiết kế Altium Designer và thiết kế được phần cứng của hệ thống, gồm cả mạch nguyên lý và mạch PCB.