bộ biến tần 3 pha cho động cơ không chổi than

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (8.06 MB, 99 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

BỘ BIẾN TẦN 3 PHA

CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG CHỔI THAN

GVHD: PGS.TS ĐÕ VĂN DŨNG SVTH: HOÀNG MINH NAM

SKL 0 1 2 3 0 9

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận án (tiểu luận) này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:

Khoa Cơ khí Động lực và trường Đại Học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh vì đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất với hệ thống thư viện hiện đại, đa dạng các loại sách, tài liệu thuận lợi cho việc tìm kiếm, nghiên cứu thơng tin.

Trong suốt q trình thực hiện đồ án, em đã được sự hướng dẫn tận tâm và am hiểu sâu sắc từ NGƯT PGS.TS Đỗ Văn Dũng. Thầy đã cung cấp cho em kiến thức, hướng dẫn và sự hỗ trợ quý báu trong việc nghiên cứu và triển khai dự án của mình. Nhờ những kiến thức và kỹ năng đã được thầy truyền đạt, em đã có cơ hội tiếp cận và áp dụng thành công các phương pháp và kỹ thuật trong lĩnh vực biến tần 3 pha.

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Tiến sĩ Lê Thanh Phúc đã đồng hành cùng em trong quá trình phản biện đồ án tốt nghiệp. Sự tận tâm và kiến thức uyên thâm của thầy đã giúp em nhận ra những khía cạnh cần cải thiện và hoàn thiện trong dự án của mình. Những ý kiến phản biện của thầy đã đóng góp quan trọng vào sự phát triển chun mơn của em.

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT……….……….……….2

2.1. Điện một chiều DC (Direct Current)...2

2.2. Điện xoay chiều AC (Alternating Current)...2

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

2.4.2. Chu kỳ nhiệm vụ...11

2.4.3. Nguyên lý làm việc của PWM trong điều khiển bộ biến tần ba pha...12

2.4.4. Ứng dụng của PWM trong điều khiển bộ biến tần ba pha...13

2.5. Công tắc MOSFET...14

2.5.1. Định nghĩa...14

2.5.2. Cấu tạo của MOSFET trường cực kênh N...15

2.5.3. Nguyên lý hoạt động của MOSFET trường cực kênh N...16

2.5.4. Ứng dụng của MOSFET trường cực kênh N trong bộ biến tần ba pha...20

2.6. Động cơ không chổi than BLDC (Brushless DC Motor)...20

2.6.1. Định nghĩa...20

2.6.2. Ưu và nhược điểm của BLDC so với động cơ chổi than...21

2.6.3. Cấu tạo của BLDC...23

2.6.3.1. Rotor...23

2.6.3.2. Stator...23

2.6.4. Xác định vị trí của rotor nhờ BEMF...24

2.6.4.1. Khái niệm BEMF trong động cơ không chổi than………24

2.6.4.2. Xác định vị trí của rotor nhờ BEMF bằng phương pháp hát hiện điểm giao xứng với 0………...25

2.6.5. Nguyên lý hoạt động……….………..29

2.6.6. Nguyên lý điều khiển………..30

2.7. Tín hiệu tương tự Analog………..33

2.8. Tín hiệu số Digital………..33

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

3.1.8. Bảng mạch in (Printed circuit board - PCB)………70

3.2. Động cơ không chổi than A2212/13T 1000KV………...……….73

3.3. Bộ chuyển đổi 12V 2A………75

CHƯƠNG 4. TÍNH TỐN THÔNG SỐ HOẠT ĐỘNG………..76

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ………...77

5.1. Kết luận………...77

5.2. Đề nghị………77 TÀI LIỆU THAM KHẢO

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

AC: Alternating Current

ADC: Analog-to-Digital Converter BEMF: Back Electromotive Force BLDC: Brushless Direct Current C: Tụ điện

DC: Direct Current

DIP: Dual In-line Package

ESC: Electronic Speed Controller IC: Integrated Circuit

LC: Điện cảm – Tụ điện MCU: Microcontroller Unit

MOSFET: Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor PCB: Printed circuit board

PWB: Printed wiring board PWM: Pulse Width Modulation S: Segment

SMD: Surface Mount Technology

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 2.1. Đồ thị điện áp dòng điện theo thời gian của DC và AC………….………..3

Hình 2.2. Mạch điện biến tần ba pha………3

Hình 2.3. Kiểu chuyển đổi cho chế độ dẫn 120º………...6

Hình 2.4. Sơ đồ mạch điện ba pha………7

Hình 2.5. Dịng điện ba pha………10

Hình 2.6. Chu kỳ nhiệm vụ trong PWM……….12

Hình 2.7. Điều khiển độ rộng xung……….12

Hình 2.8. Trung bình điện áp………..13

Hình 2.9. Điều khiển độ rộng xung..………...14

Hình 2.10. Cấu tạo của MOSFET trường cực kênh N………15

Hình 2.11. Ký hiệu mạch điện MOSFET trường cực kênh N………16

Hình 2.12. Trạng thái tắt……….17

Hình 2.13. Áp dụng điện áp cổng………...17

Hình 2.14. Hình thành kênh dẫn……….18

Hình 2.15. Đường cong đặc tính của MOSFET trong ba vùng hoạt động……….19

Hình 2.16. Cấu tạo của Inrunner BLDC……….23

Hình 2.17. Kiểu đấu dây stator delta (trái) và wye (phải)………...24

Hình 2.18. BEMF của 3 pha khi động cơ BLDC hoạt động………...25

Hình 2.19. Phát hiện điểm giao xứng với không bằng cách sử dụng bộ so sánh………27

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

Hình 2.20. Stator tạo từ trường điện………...31

Hình 3.7. Sơ đồ khối chức năng IC IR2101………64

Hình 3.8. Sơ đồ thời gian tín hiệu đầu vào/đầu ra………..65

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

Hình 3.18. Động cơ khơng chổi than A2212/13T 1000KV………...……….73

Hình 3.19. Động cơ khơng chổi than A2212/13T 1000KV………74

Hình 3.20. Bộ chuyển đổi dịng điện………..76

Hình 3.21. Hoạt động của chip IR2101………..76

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 2.1. Trạng thái hoạt động của mạch biến tần ba pha………...5

Bảng 2.2. Ưu và nhược điểm của BLDC so với động cơ chổi than………22

Bảng 2.3. Bảng vị trí rotor………..29

Bảng 2.4. Nguyên lý hoạt động BLDC………...30

Bảng 2.5. Chuyển mạch sáu bước………...32

Bảng 3.1. Chức năng các chân của Arduino UNO R3………37

Bảng 3.2. Các chân của IC IR2101……….63

Bảng 3.3. Điều kiện hoạt động của IC IR2101………...64

Bảng 3.4. Thông số của MOSFET IRLR7843Pb.………..66

Bảng 3.5. Thông số của diode 1N4148………...68

Bảng 3.6. Thông số của động cơ không chổi than A2212/13T 1000KV………75

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1. Lý do chọn đề tài

Động cơ không chổi than (brushless motor) là một công nghệ động cơ tiên tiến và hiệu suất cao, thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và gia dụng, như xe điện, máy móc cơng nghiệp, quạt hướng trục,…Thêm vào đó, các động cơ có chổi than sử dụng trên ơ tơ lâu nay có nhiều hạn chế gây ra từ chổi than như tuổi thọ thấp, gây nhiễu điện từ do tia lửa điện. Vì vậy, nghiên cứu và phát triển bộ biến tần 3 pha cho động cơ không chổi than là một đề tài hấp dẫn và có tính ứng dụng rộng. Sử dụng bộ biến tần 3 pha giúp điều khiển động cơ không chổi than một cách hiệu quả và tiết kiệm năng lượng. Bộ biến tần có khả năng điều chỉnh tần số và điện áp đầu vào cho động cơ, tạo điều kiện để tối ưu hóa hoạt động của động cơ và giảm thiểu tổn thất năng lượng. Bộ biến tần 3 pha cung cấp khả năng điều khiển chính xác tốc độ, mô-men xoắn và hướng quay của động cơ không chổi than. Điều này cho phép tùy chỉnh linh hoạt và đáng tin cậy các thông số hoạt động của động cơ để đáp ứng yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Lựa chọn đề tài "Bộ biến tần 3 pha cho động cơ khơng chổi than" có cơ sở vững chắc về tính ứng dụng rộng, hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng và khả năng điều khiển chính xác của động cơ khơng chổi than. Nghiên cứu về đề tài này đem lại những lợi ích quan trọng và có thể đóng góp vào sự phát triển và ứng dụng của công nghệ này trong các lĩnh vực khác nhau.

1.2. Mục đích đề tài

Nghiên cứu, thiết kế, làm ra một hệ thống điều khiển hiệu quả và chính xác cho động cơ khơng chổi than bằng cách sử dụng bộ biến tần..

1.3. Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài "Bộ biến tần 3 pha cho động cơ không chổi than" là hệ thống bộ biến tần và động cơ không chổi than.

1.4. Phạm vi nghiên cứu

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

Nguyên lý hoạt động của động cơ không chổi than: Nghiên cứu về nguyên lý hoạt động, cấu tạo và các đặc điểm kỹ thuật của động cơ không chổi than để hiểu rõ về yêu cầu và đặc điểm đặc biệt khi sử dụng bộ biến tần.

Các phương pháp điều khiển và điều chỉnh của bộ biến tần: Nghiên cứu về các phương pháp điều khiển và điều chỉnh tần số, biên độ và hướng quay của động cơ không chổi than thông qua bộ biến tần.

Thiết kế và triển khai bộ biến tần 3 pha: Nghiên cứu về các linh kiện, mạch điện và phần cứng cần thiết để xây dựng một bộ biến tần 3 pha cho động cơ không chổi than. Đảm bảo tính ổn định, đáng tin cậy và hiệu quả của hệ thống.

Đánh giá hiệu suất và khả năng điều khiển: Thực hiện các thử nghiệm và đánh giá hiệu suất, khả năng điều khiển của hệ thống bộ biến tần 3 pha trên động cơ không chổi than. Đánh giá các thông số quan trọng như tốc độ, mô-men xoắn, hiệu suất điện và khả năng điều khiển. Đề xuất cải tiến và ứng dụng: Dựa trên kết quả nghiên cứu, đề xuất các cải tiến và ứng dụng tiềm năng của hệ thống bộ biến tần 3 pha cho động cơ không chổi than trong các lĩnh vực như xe điện, máy móc cơng nghiệp, hệ thống tái tạo năng lượng,...

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Điện một chiều DC (Direct Current)

Dòng điện một chiều đề cập đến chiều dòng điện theo một hướng. Trong mạch điện một chiều, hiệu điện thế khơng đổi theo thời gian và dịng điện chạy liên tục theo một chiều. Các nguồn DC phổ biến bao gồm pin, pin nhiên liệu và tấm pin mặt trời. DC thường được sử dụng trong các thiết bị và hệ thống điện tử yêu cầu nguồn điện liên tục và ổn định, chẳng hạn như máy tính, điện thoại thông minh và các ứng dụng điện áp thấp [1].

2.2. Điện xoay chiều AC (Alternating Current)

Dòng điện xoay chiều đề cập đến dịng điện tích đảo ngược hướng của nó theo định kỳ. Trong mạch điện xoay chiều, điện áp và dòng điện thay đổi cực và độ lớn theo thời gian, dao

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

động theo hình sin. AC là dạng năng lượng điện tiêu chuẩn được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng dân dụng, thương mại và cơng nghiệp [2].

Hình 2.1. Đồ thị điện áp dòng điện theo thời gian của DC và AC [3]

2.3. Mạch biến tần ba pha 2.3.1. Định nghĩa

Hình 2.2. Mạch điện biến tần ba pha

Bộ chuyển đổi DC sang AC thường được gọi là biến tần. Mục đích chính của mạch điện này là cung cấp nguồn điện áp ba pha, trong đó biên độ, pha và tần số của điện áp có thể được

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

kiểm sốt. Các bộ biến tần nguồn điện áp DC/AC ba pha đang được sử dụng rộng rãi trong các ổ đĩa động cơ, bộ lọc hoạt động và bộ điều khiển lưu lượng điện thống nhất trong hệ thống điện và nguồn điện không bị gián đoạn để tạo ra các cường độ điện áp xoay chiều và tần số có thể kiểm soát bằng cách sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Biến tần ba pha tiêu chuẩn có sáu cơng tắc MOSFET mà việc chuyển đổi của chúng phụ thuộc vào sơ đồ điều chế. DC đầu vào thường được lấy từ một hoặc ba pha cấp nguồn tiện ích pha thơng qua bộ chỉnh lưu cầu đi-ốt và bộ lọc LC hoặc C.

2.3.2. Nguyên lý hoạt động

Đầu vào DC được đưa vào mạch biến tần. Mạch biến tần chuyển đổi đầu vào DC thành đầu ra AC 3 pha có thể điều chỉnh được. Điều này được thực hiện thông qua việc sử dụng các thành phần điều khiển như transistor MOSFET. Bộ biến tần 3 pha có hệ thống điều khiển và điều chỉnh để quản lý tần số và điện áp đầu ra. Điều này cho phép điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn của động cơ theo nhu cầu ứng dụng.

Biến tần bao gồm một số công tắc điện tử được gọi là MOSFET, việc mở và đóng cơng tắc được điều khiển bởi bộ điều khiển. Chúng có thể mở và đóng siêu nhanh theo cặp để kiểm sốt dịng điện. Bằng cách kiểm sốt đường đi của dòng điện và thời gian dòng điện chạy theo các đường khác nhau, chúng ta có thể sản xuất điện xoay chiều từ nguồn một chiều. Để điều khiển các pha trong quá trình chuyển mạch sáu bước, một biến tần ba pha được sử dụng để điều khiển nguồn DC tới ba pha, chuyển đổi giữa dòng điện dương (màu đỏ) và dòng điện âm (màu xanh). Để cung cấp dòng điện dương cho một trong các pha, cần phải bật cơng tắc nối với pha đó ở phía cao (High Side), trong khi đối với dòng điện âm, cần phải bật cơng tắc phía thấp (Low Side).

Thực hiện điều này theo hình được mơ tả ở dưới trong khi rơto ở một góc từ 60 đến 120 độ so với từ trường của stato, biến tần ba pha giữ cho động cơ quay ở tốc độ không đổi. Thay đổi tốc độ động cơ có thể đạt được bằng cách điều chỉnh điện áp đặt vào. Một cách khác để kiểm soát tốc độ động cơ mà không làm thay đổi điện áp nguồn là điều chế độ rộng xung hoặc PWM.

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

kỳ thời điểm nào, khơng bao giờ được đóng cả hai cơng tắc trong cùng một phân khúc vì điều đó dẫn đến đoản mạch pin làm hỏng toàn bộ thiết lập, vì vậy, nên ln ln tránh trường hợp này.

Vì thời gian dẫn được chọn là 120º nên cơng tắc S1 sẽ mở sau 120º, do đó S1 được đóng từ 0º đến 120º.

Vì nửa chu kỳ của tín hiệu hình sin đi từ 0 đến 180º, nên trong thời gian còn lại, S1 sẽ mở và được biểu thị bằng vùng màu xám ở trên.

Bây giờ sau 120º của pha đầu tiên, pha thứ hai cũng sẽ có chu kỳ dương như đã đề cập trước đó, vì vậy cơng tắc S3 sẽ đóng sau S1. S3 này cũng sẽ được giữ ở chế độ đóng thêm 120º nữa. Vì vậy, S3 sẽ được đóng từ 120º đến 240º.

Tương tự, pha thứ ba cũng có chu kỳ dương sau 120º của chu kỳ dương pha thứ hai nên cơng tắc S5 sẽ đóng sau 120º của chu kỳ đóng S3. Sau khi đóng cơng tắc, nó sẽ được giữ ở trạng thái đóng đến 120º trước khi được mở và cùng với đó, cơng tắc S5 sẽ được đóng từ 240º đến 360º [5].

Chu kỳ mở và đóng đối xứng này sẽ được tiếp tục để đạt được điện áp ba pha mong muốn.

Hình 2.3. Kiểu chuyển đổi cho chế độ dẫn 120º [5]

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

Hình 2.4. Sơ đồ mạch điện ba pha [5]

Gọi o là giao điểm của 3 mạch điện A,B,C. Từ hình 2.4, chúng ta suy ra :

Từ 0-60: S1&S4 đóng trong khi các cơng tắc cịn lại mở. Từ 60-120: S1 & S6 đóng trong khi các cơng tắc cịn lại mở. Từ 120-180: S3&S6 đóng trong khi các cơng tắc cịn lại mở. Từ 180-240: S2&S3 đóng, các cơng tắc cịn lại mở

Từ 240-300: S2&S5 đóng, các cơng tắc cịn lại mở

Từ 300-360: S4&S5 đóng trong khi các cơng tắc cịn lại được mở Vì vậy, từ 0 đến 60: 𝑉𝑎𝑜 = 𝑉𝑠/2, 𝑉𝑐𝑜 = 0, 𝑉𝑏𝑜 = -𝑉𝑠/2

𝑉𝑎𝑏 = 𝑉𝑎𝑜 - 𝑉𝑏𝑜 = 𝑉𝑠

𝑉𝑏𝑐 = 𝑉𝑏𝑜 - 𝑉𝑐𝑜 = = -𝑉𝑠/2

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

𝑉𝑐𝑎 = 𝑉𝑐𝑜 - 𝑉𝑎𝑜 = -𝑉𝑠/2

Vì vậy, đối với 60 đến 120: 𝑉𝑏𝑜= 0, 𝑉𝑐𝑜 = -𝑉𝑠/2 & 𝑉𝑎𝑜 = 𝑉𝑠/2 𝑉𝑎𝑏 = 𝑉𝑎𝑜 – 𝑉𝑏𝑜 = 𝑉𝑠/2

𝑉𝑏𝑐 = 𝑉𝑏𝑜 – 𝑉𝑐𝑜 = 𝑉𝑠/2 𝑉𝑐𝑎 = 𝑉𝑐𝑜 – 𝑉𝑎𝑜= -𝑉𝑠

Vì vậy, đối với 120 đến 180: 𝑉𝑎𝑜 = 0, 𝑉𝑏𝑜 = 𝑉𝑠/2 & 𝑉𝑐𝑜 = -𝑉𝑠/2 𝑉𝑎𝑏 = 𝑉𝑎𝑜 – 𝑉𝑏𝑜 = -𝑉𝑠/2 𝑉𝑏𝑐 = 𝑉𝑏𝑜 – 𝑉𝑐𝑜 = 𝑉𝑠

𝑉𝑐𝑎 = 𝑉𝑐𝑜 – 𝑉𝑎𝑜 = -𝑉𝑠/2 Vì vậy, đối với 180 đến 240: 𝑉𝑎𝑜 = -𝑉𝑠/2, 𝑉𝑏𝑜 = 𝑉𝑠/2 & 𝑉𝑐𝑜 = 0 𝑉𝑎𝑏 = 𝑉𝑎𝑜 – 𝑉𝑏𝑜 = -𝑉𝑠

𝑉𝑏𝑐 = 𝑉𝑏𝑜 – 𝑉𝑐𝑜 = 𝑉𝑠/2 𝑉𝑐𝑎 = 𝑉𝑐𝑜 – 𝑉𝑎𝑜 = 𝑉𝑠/2 Vì vậy, đối với 240 đến 300: 𝑉𝑎𝑜 = -𝑉𝑠/2, 𝑉𝑏𝑜 = 0 & 𝑉𝑐𝑜 = 𝑉𝑠/2

𝑉𝑎𝑏 = 𝑉𝑎𝑜 – 𝑉𝑏𝑜 = -𝑉𝑠/2 𝑉𝑏𝑐 = 𝑉𝑏𝑜 – 𝑉𝑐𝑜 = -𝑉𝑠/2 𝑉𝑐𝑎 = 𝑉𝑐𝑜 – 𝑉𝑎𝑜 = 𝑉𝑠

Vì vậy, đối với 300 đến 360: 𝑉𝑎𝑜 = 0, 𝑉𝑏𝑜 = -𝑉𝑠/2 & 𝑉𝑐𝑜 = 𝑉𝑠/2 𝑉𝑎𝑏 = 𝑉𝑎𝑜 – 𝑉𝑏𝑜 = 𝑉𝑠/2 𝑉𝑏𝑐 = 𝑉𝑏𝑜 – 𝑉𝑐𝑜 = -𝑉𝑠

𝑉𝑐𝑎 = 𝑉𝑐𝑜 – 𝑉𝑎𝑜 = 𝑉𝑠/2

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

Tổng hợp các hiệu điện thế đã tính tốn ở trên, ta vẽ ra hình sau:

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

Hình 2.5. Dịng điện ba pha [5]

Có thể thấy trong hình 2.11 đầu ra của trường hợp chuyển mạch 120º, chúng ta đã đạt được điện áp ba pha xoay chiều ở ba đầu ra. Mặc dù dạng sóng đầu ra khơng phải là sóng hình sin thuần túy, nhưng nó giống với dạng sóng điện áp ba pha.

2.4. Điều chế độ rộng xung PWM (Pulse-width modulation)

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

2.4.1. Khái niệm

Điều chế độ rộng xung (PWM) là một phương pháp kiểm sốt cơng suất trung bình do tín hiệu điện cung cấp. Giá trị trung bình của điện áp (và dịng điện) cung cấp cho tải được kiểm sốt bằng cách chuyển đổi nguồn cung cấp từ 0 đến 100% với tốc độ nhanh hơn tốc độ tải thay đổi đáng kể. Cơng tắc bật càng lâu thì tổng công suất cung cấp cho tải càng cao.

PWM đặc biệt phù hợp để chạy các tải quán tính như động cơ, vốn không dễ bị ảnh hưởng bởi chuyển mạch rời rạc này. Mục tiêu của PWM là kiểm soát tải; tuy nhiên, tần số chuyển mạch PWM phải được lựa chọn cẩn thận để thực hiện điều đó một cách trơn tru. Tần số chuyển đổi PWM có thể thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào tải và ứng dụng. Việc chọn tần số chuyển đổi quá cao cho ứng dụng dẫn đến việc kiểm soát tải trơn tru, nhưng có thể gây ra lỗi sớm cho các thành phần điều khiển cơ học. Việc chọn tần số chuyển đổi quá thấp cho ứng dụng sẽ gây ra dao động trong tải. Ưu điểm chính của PWM là tổn thất điện năng trong các thiết bị chuyển mạch là rất thấp. Khi tắt công tắc, thực tế khơng có dịng điện và khi bật cơng tắc và nguồn điện được truyền đến tải, hầu như khơng có hiện tượng sụt áp trên công tắc. Tổn thất điện năng, là sản phẩm của điện áp và dòng điện, do đó trong cả hai trường hợp đều gần bằng không [6].

2.4.2. Chu kỳ nhiệm vụ

Thuật ngữ chu kỳ nhiệm vụ mô tả tỷ lệ thời gian 'bật' với khoảng thời gian hoặc 'khoảng thời gian' thông thường; một chu kỳ làm việc thấp tương ứng với công suất thấp, bởi vì nguồn điện bị tắt trong phần lớn thời gian. Chu kỳ hoạt động được thể hiện bằng phần trăm, 100% được bật hồn tồn. Khi tín hiệu kỹ thuật số bật một nửa thời gian và tắt trong nửa thời gian cịn lại, tín hiệu kỹ thuật số có chu kỳ hoạt động là 50% và giống như sóng "vng". Khi tín hiệu kỹ thuật số dành nhiều thời gian ở trạng thái bật hơn trạng thái tắt, nó có chu kỳ hoạt động >50%. Khi tín hiệu kỹ thuật số dành nhiều thời gian ở trạng thái tắt hơn trạng thái bật, nó có chu kỳ nhiệm vụ <50%. Dưới đây là một bức tranh minh họa ba tình huống này [6]:

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

Hình 2.6. Chu kỳ nhiệm vụ trong PWM

2.4.3. Nguyên lý làm việc của PWM trong điều khiển bộ biến tần ba pha

Sử dụng bộ điều khiển để mở và đóng nhanh các cơng tắc nhiều lần trong mỗi chu kỳ theo kiểu xung, mỗi xung có độ rộng khác nhau. Điều này được gọi là điều chế độ rộng xung. Chu kỳ được chia thành nhiều phân đoạn nhỏ hơn.

Hình 2.7. Điều khiển độ rộng xung [7]

Mỗi phân khúc có tổng lượng dịng điện có thể chạy. Nhưng bằng cách đóng và mở nhanh các công tắc tạo xung điện thế, chúng ta kiểm sốt lượng dịng điện chảy xảy ra trên mỗi phân đoạn. Điều này sẽ dẫn đến dịng điện trung bình trên mỗi phân đoạn mà chúng ta thấy tăng và giảm, do đó tạo cho chúng ta một làn sóng. Do đó, tải sẽ trải qua một sóng hình sin. Chúng ta càng có nhiều phân đoạn thì nó càng bắt chước một làn sóng sin mượt mà.

</div>Trang 30<div class="page_container" data-page="30">

Hình 2.8. Trung bình điện áp

Chúng ta có thể kiểm sốt điện áp đầu ra bằng cách kiểm sốt thời gian đóng cơng tắc. Chúng ta có thể kiểm soát tần số bằng cách kiểm soát thời điểm đóng và mở của các cơng tắc [7].

Cơng thức tổng qt để tính điện áp trung bình của PWM là: V_avg = (Duty Cycle) * V Trong đó:

V_avg là điện áp trung bình của PWM.

Duty Cycle là tỷ lệ thời gian mà tín hiệu PWM ở mức cao V so với tổng thời gian chu kỳ.

2.4.4. Ứng dụng của PWM trong điều khiển bộ biến tần ba pha

MOSFET mở và đóng theo cách dao động nhiều lần trong mỗi chu kỳ. Điều đang xảy ra là chu kỳ đã được chia thành nhiều phân đoạn nhỏ hơn và bộ điều khiển cho MOSFET biết thời gian đóng trong mỗi phân đoạn. Bằng cách mở và đóng cơng tắc với khoảng thời gian khác nhau trong mỗi phân đoạn của mỗi chu kỳ, MOSFET có thể cho phép các lượng dòng điện khác nhau chạy qua mạch và vào động cơ.

Kết quả của việc này là cơng suất trung bình trên mỗi phân đoạn sẽ dẫn đến dạng sóng hình sin. Chu kỳ được chia thành nhiều phân đoạn hơn, sóng hình sin sẽ càng mượt mà và nó sẽ bắt chước sóng hình sin AC thực càng gần.

Động cơ sẽ thấy giá trị trung bình và do đó sẽ trải qua một dịng điện xoay chiều hình sin.

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

Hình 2.9. Điều khiển độ rộng xung

Bộ điều khiển có thể thay đổi lượng thời gian MOSFET mở để tăng hoặc giảm tần số và độ dài sóng để điều khiển tốc độ, mô-men xoắn và hướng của động cơ và với một vài vòng điều khiển bổ sung, nó có thể được sử dụng để khớp chính xác với tải cần thiết để cung cấp độ chính xác kiểm sốt một hệ thống và mở khóa tiết kiệm năng lượng [8].

Điện áp và tần số đầu ra của dịng điện ba pha có ảnh hưởng lớn đến hoạt động của động cơ không chổi than.

Điện áp và tần số đầu ra quyết định tốc độ quay của động cơ. Tăng điện áp và tần số đầu ra sẽ làm tăng tốc độ động cơ, và ngược lại, giảm điện áp và tần số sẽ làm giảm tốc độ.

Điện áp và tần số đầu ra cũng ảnh hưởng đến moment của động cơ. Tăng điện áp và tần số sẽ tăng moment và ngược lại.

Động cơ không chổi than yêu cầu một nguồn điện áp và tần số đầu ra ổn định để hoạt động tốt. Sự biến đổi quá lớn trong điện áp hoặc tần số có thể gây ra sự khơng ổn định trong hoạt động của động cơ và ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của nó.

2.5. Cơng tắc MOSFET 2.5.1. Định nghĩa

Bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại (Metal-Oxide-Semiconductor Effect Transistor - MOSFET) là một loại bóng bán dẫn hiệu ứng trường (field-effect transistor - FET), thường được chế tạo bằng quá trình oxy hóa silicon có kiểm sốt. Nó có một cổng cách điện, điện áp xác định độ dẫn điện của thiết bị. Khả năng thay đổi độ dẫn

</div>Trang 32<div class="page_container" data-page="32">

Field-điện này với lượng Field-điện áp đặt vào có thể được sử dụng để khuếch đại hoặc chuyển đổi tín hiệu điện tử. Ở MOSFET chế độ trường cực, điện áp đặt vào cực cổng làm tăng độ dẫn điện của thiết bị. Trong các bóng bán dẫn ở chế độ chặn cực, điện áp đặt tại cổng làm giảm độ dẫn điện [9].

Có hai dạng chính của MOSFET là MOSFET trường cực (enhancement mode) và MOSFET chặn cực (depletion mode), tùy thuộc vào cách hoạt động và kiểm sốt dịng điện.

Ở MOSFET chế độ trường cực, điện áp đặt vào cực cổng làm tăng độ dẫn điện của thiết bị. Trong các bóng bán dẫn ở chế độ chặn cực, điện áp đặt tại cổng làm giảm độ dẫn điện [9]. MOSFET dùng trong đồ án là loại MOSFET trường cực kênh N (enhancement mode N-channel MOSFET).

2.5.2. Cấu tạo của MOSFET trường cực kênh N

Hình 2.10. Cấu tạo của MOSFET trường cực kênh N [10]

MOSFET trường cực kênh N bao gồm ba phần chính: nguồn (source), máng (drain) và cổng (gate). Một lớp màng bán dẫn oxide nằm giữa cổ và kênh điện dẫn, tạo ra một cấu trúc điện

</div>Trang 33<div class="page_container" data-page="33">

cực điều khiển. Khi áp dụng điện áp cấp cực (VGS) lên cổ, MOSFET có thể điều chỉnh dòng điện chảy qua kênh, tạo ra một hiệu ứng khuếch đại hoặc mở/đóng tín hiệu.

Trong MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), vùng n và vùng p đề cập đến hai loại vùng doped (nguyên tử tạp) trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET.

Vùng n: Đây là vùng được nhiễm n-type (nguyên tử tạp mang điện âm) trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET. Vùng n chứa các điện tử tự do và có tính chất dẫn điện. Nếu MOSFET là một enhancement mode MOSFET, thì vùng n là vùng dẫn dòng, nơi điện tử chịu trách nhiệm cho dòng điện dẫn qua MOSFET.

Vùng p: Đây là vùng được nhiễm p-type (nguyên tử tạp mang điện dương) trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET. Vùng p chứa các lỗ trống (vị trí khơng có điện tử) và có tính chất dẫn điện ngược. Vùng p trong MOSFET có vai trị kiểm sốt dịng dẫn qua MOSFET khi được điều khiển bởi điện áp cổng.

Cấu trúc bán dẫn của MOSFET bao gồm một lớp mỏng của vùng n hoặc vùng p được tạo thành trên một môi trường cách điện (oxide layer) và được phủ bởi một cổng điều khiển. Vùng n và vùng p tạo thành kênh dẫn dòng trong MOSFET, và điều khiển dòng điện qua kênh thơng qua điện áp cổng.

Hình 2.11. Ký hiệu mạch điện MOSFET trường cực kênh N [9]

2.5.3. Nguyên lý hoạt động của MOSFET trường cực kênh N

Nguyên lý hoạt động của MOSFET kết hợp trường cực và kênh N (enhancement mode channel MOSFET) dựa trên điều khiển dòng điện qua kênh dẫn bằng cách điều chỉnh điện áp cổng.

</div>Trang 34<div class="page_container" data-page="34">

N-Khởi tạo trạng thái tắt: Khi khơng có điện áp được áp dụng lên cổng điều khiển, MOSFET sẽ ở trạng thái tắt. Trong trạng thái này, khơng có dịng điện chảy qua kênh dẫn và MOSFET hoạt động như một công tắc mở.

Hình 2.12. Trạng thái tắt [11]

Khi áp dụng một điện áp dương đủ lớn và phù hợp lên cổng điều khiển, một lớp nguyên tử phụ cực tích điện trên mặt trên của kênh dẫn sẽ tạo ra một vùng dẫn dịng.

Hình 2.13. Áp dụng điện áp cổng [11]

</div>Trang 35<div class="page_container" data-page="35">

Khi có điện áp cổng đủ lớn, một kênh dẫn dịng sẽ hình thành trong kênh dẫn N-type của MOSFET. Kênh dẫn cho phép dòng điện chạy từ nguồn (source) đến chảo (drain) thông qua kênh dẫn.

Trong MOSFET kết hợp trường cực và kênh N (enhancement mode N-channel MOSFET), có ba trạng thái dịng dẫn 𝐼𝐷 hoạt động chính dựa trên các điện áp quan trọng như 𝑉𝐺𝑆 (điện áp cổng - nguồn), 𝑉𝑡ℎ (ngưỡng cắt) và 𝑉𝐷𝑆 (điện áp máng - nguồn).

</div>Trang 36<div class="page_container" data-page="36">

Hình 2.15. Đường cong đặc tính của MOSFET trong ba vùng hoạt động [12]

Trạng thái cắt (Cut-off state): Trạng thái này xảy ra khi 𝑉𝐺𝑆 < 𝑉𝑡ℎ. Trong trạng thái cắt, MOSFET không dẫn dịng và khơng có dịng chảy qua kênh. Với 𝑉𝐺𝑆 < 𝑉𝑡ℎ, MOSFET hoạt động như một công tắc mở, khơng cho phép dịng chảy từ nguồn vào kênh 𝐼𝐷 = 0.

Trạng thái tuyến tính (Linear state): Trạng thái này xảy ra khi 𝑉𝐺𝑆 > 𝑉𝑡ℎ và 𝑉𝐷𝑆 < (𝑉𝐺𝑆 - 𝑉𝑡ℎ). Trong trạng thái tuyến tính, MOSFET hoạt động như một bộ khuếch đại tuyến tính. Dịng chảy 𝐼𝐷 qua kênh tăng theo mức độ tuyến tính khi có điện áp cống - nguồn VDS áp dụng. Trong trạng thái này, MOSFET có khả năng điều khiển dịng chảy.

Trạng thái bão hòa (Saturation state): Trạng thái này xảy ra khi 𝑉𝐺𝑆 > 𝑉𝑡ℎ và 𝑉𝐷𝑆 > (𝑉𝐺𝑆 - 𝑉𝑡ℎ). Trong trạng thái bão hịa, MOSFET có dịng chảy ID max tối đa qua kênh và hoạt động như cơng tắc đóng. Khi 𝑉𝐷𝑆 > (𝑉𝐺𝑆 - 𝑉𝑡ℎ), MOSFET đạt đến trạng thái bão hòa và dòng chảy 𝐼𝐷 qua kênh khơng cịn phụ thuộc vào 𝑉𝐷𝑆. Trạng thái này thường được sử dụng trong các ứng dụng công suất cao.

</div>Trang 37<div class="page_container" data-page="37">

MOSFET kết hợp trường cực và kênh N có thể có các trạng thái hoạt động: cắt, tuyến tính và bão hịa, tùy thuộc vào các điện áp 𝑉𝐺𝑆, 𝑉𝑡ℎ và 𝑉𝐷𝑆 áp dụng. Trong điều khiển bộ biến tần ba pha, chúng ta sử dụng MOSFET ở trạng thái bão hòa.

2.5.4. Ứng dụng của MOSFET kết hợp trường cực và kênh N trong bộ biến tần ba pha

MOSFET được sử dụng làm công tắc điện trong mạch điện 3 pha vì có những ưu điểm sau: Điều khiển độ rộng xung PWM yêu cầu công tắc điện tốc độ chuyển đổi cao. MOSFET có thể chuyển đổi trạng thái hoạt động từ trạng thái tắt sang trạng thái bật và ngược lại nhanh chóng. Điều này cho phép điều khiển các tín hiệu điện trong mạch 3 pha một cách chính xác và hiệu quả.

MOSFET có khả năng chịu tải cao và có thể điều khiển dịng điện lớn. Điều này rất quan trọng trong các ứng dụng công suất cao của mạch điện 3 pha.

MOSFET có hiệu suất hoạt động cao, giảm thiểu tổn thất năng lượng và tản nhiệt. Điều này giúp tăng độ tin cậy và tuổi thọ của mạch điện 3 pha.

MOSFET có điện áp cổng điều khiển thấp và tiêu thụ công suất điều khiển thấp. Điều này làm cho việc điều khiển MOSFET trở nên đơn giản và dễ dàng hơn.

Kích thước nhỏ: MOSFET có kích thước nhỏ, tiết kiệm không gian trong thiết kế mạch điện 3 pha.

2.6. Động cơ không chổi than BLDC (Brushless DC Motor) 2.6.1. Định nghĩa

Động cơ điện DC không chổi than (BLDC), còn được gọi là động cơ chuyển mạch điện tử, là động cơ đồng bộ sử dụng nguồn điện một chiều (DC). Nó sử dụng một bộ điều khiển điện tử để chuyển dòng điện một chiều sang cuộn dây động cơ tạo ra từ trường quay hiệu quả trong không gian và rôto nam châm vĩnh cửu sẽ quay theo. Bộ điều khiển điều chỉnh pha và biên độ của các xung dòng điện một chiều để điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động

</div>Trang 38<div class="page_container" data-page="38">

cơ. Hệ thống điều khiển này là một giải pháp thay thế cho cổ góp cơ khí (chổi than) được sử dụng trong nhiều động cơ điện thông thường [12].

Khơng giống như các động cơ DC có chổi than truyền thống chạy trực tiếp bằng nguồn DC, động cơ BLDC sử dụng chuyển mạch điện tử để chuyển đổi điện áp DC được cung cấp thành dạng sóng AC được điều khiển để truyền động cho các cuộn dây của động cơ.

Bộ biến tần được sử dụng để chuyển đổi nguồn điện một chiều thành dạng sóng xoay chiều ba pha. Biến tần chuyển dòng điện qua các cuộn dây của động cơ theo cách tuần tự, tạo ra từ trường quay làm quay rôto của động cơ. Chuyển mạch điện tử này cho phép kiểm soát chính xác tốc độ, mơ-men xoắn và hướng của động cơ.

Trong khi động cơ BLDC sử dụng nguồn điện một chiều, chúng hoạt động bằng nguồn điện xoay chiều bên trong và thuật ngữ "DC" trong tên của chúng đề cập đến thực tế là chúng khơng có chổi than vật lý để chuyển mạch như động cơ DC có chổi than truyền thống.

2.6.2. Ưu và nhược điểm của BLDC so với động cơ chổi than

</div>Trang 39<div class="page_container" data-page="39">

Động cơ BLDC Động cơ chổi than

- Hiệu suất cao, tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao - Đơn giản và giá thành thấp - Tuổi thọ cao và ít bảo dưỡng - Dễ điều khiển và tương thích

- Khơng chổi than và chạm cảm

- Tích hợp tính năng phanh ngược dễ dàng

- Khơng có ma sát từ chổi than và cọ cung cấp hiệu suất

- Chịu tải cao và khả năng khởi động tốt

cao

- Tốc độ cao

- Khả năng kiểm sốt tốc độ (vịng/phút) và mơ-men xoắn gần như tức thời

- Phức tạp hơn và đòi hỏi hệ thống điều khiển phức tạp

- Ma sát và mài mòn từ chổi than và cọ

- Đòi hỏi phần cứng phức tạp hơn - Tuổi thọ và độ tin cậy thấp hơn - Giá thành cao - Tạo ra nhiều tiếng ồn và nhiệt

Bảng 2.2. Ưu và nhược điểm của BLDC so với động cơ chổi than

</div>Trang 40<div class="page_container" data-page="40">

2.6.3. Cấu tạo của BLDC

Hình 2.16. Cấu tạo của Inrunner BLDC [13]

Outrunner BLDC là loại động cơ BLDC có rotor (phần quay) được gắn bên ngoài và cuộn dây (stator) được bao quanh bên trong. Trong loại động cơ này, cuộn dây stator tạo ra trường từ để tương tác với trường từ của nam châm trên rotor. Khi dòng điện được cấp vào cuộn dây, rotor sẽ quay theo nguyên tắc tương tự như trong các loại động cơ BLDC khác.

Động cơ BLDC bao gồm ba thành phần chính: rotor (phần quay), stator (cuộn dây) và nam châm.

2.6.3.1. Rotor

Rotor của động cơ BLDC chứa nam châm vĩnh cửu được gắn vào trục quay. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây stator, sự tương tác giữa trường từ của stator và nam châm trên rotor tạo ra lực đẩy và lực hút, làm cho rotor quay.

Dựa trên ứng dụng, số lượng cực có thể thay đổi từ hai đến tám với các cực Bắc (N) và Nam (S) được đặt xen kẽ [14].

2.6.3.2. Stator

Stator là một cuộn dây được gắn chặt vào khung của động cơ. Cuộn dây được bố trí thành các cuộn dây 3 pha, thường là A, B và C, để tạo ra trường từ xoay chiều. Khi dòng điện 3

</div>