Thiết kế hệ thống (chỉnh lưu – động cơ) điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập sử dụng bộ điều khiển PID

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.11 MB, 26 trang )

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ
====o0o====

ĐỒ ÁN
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT – TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Đề tài: Thiết kế hệ thống (Chỉnh lưu – động cơ) điều khiển tốc độ động cơ điện
một chiều kích từ độc lập sử dụng bộ điều khiển PID
Giáo viên hướng dẫn : Quách Đức Cường
Sinh viên thực hiện :
Lớp : Tự động hóa 3

Hà nội, 2018

MỤC LỤC
MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển không ngừng của nền khoa học kỹ thuật đã tạo ra
những thành tựu to lớn, trong đó ngành tự động hóa cũng góp phần không nhỏ vào
thành công đó. Một trong những vấn đề quan trọng trong các dây truyền tự động
hoá sản xuất hiện đại là việc điều chỉnh tốc độ động cơ. Từ trước đến nay, động cơ
một chiều vẫn luôn là loại động cơ được sử dụng rộng rãi kể cả trong những hệ
thống yêu cầu cao. Vì vậy nhóm em đã được giao đề tài đồ án là: “ Thiết kế hệ
thống (Chỉnh lưu – động cơ) điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ
độc lập sử dụng bộ điều khiển PID ”. Nội dung đề tài được chia làm 5 chương:
Chương 1. Tổng quan về hệ điều khiển tốc độ động cơ một chiều

Chương 2. Xây dựng mô hình toán học của hệ thống
Chương 3. Thiết kế bộ điều khiển PID số (Digital PID controller)
Chương 4. Mô phỏng kết quả trên Matlab&Simulink
Chương 5. Tính toán mạch động lực
Trong quá trình làm đồ án, em luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận
tình và cung cấp những tài liệu cần thiết của thầy giáo TS. Quách Đức Cường.
Em xin gửi tới thầy lời cảm ơn chân thành. Tuy nhiên, do thời gian và giới hạn của
đồ án cùng với phạm vi nghiên cứu tài liệu với kinh nghiệm và kiến thức còn hạn
chế nên bản đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót rất mong sự đóng góp ý
kiến của thầy cô để bản đồ án của nhóm em được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện
Nhóm 5

3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
ĐIỆN 1 CHIỀU
1. Động cơ điện 1 chiều
1.1:Khái quát chung
Động cơ điện một chiều là động cơ điện thiết kế hoạt động với dòng điện một
chiều. Động cơ một chiều thường được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt yêu cầu
mô men khởi động cao hoặc yêu cầu tăng tốc êm ở một dải tốc độ rộng.
1.2:Cấu tạo động cơ điện một chiều
Động cơ một chiều, gồm ba thành phần chính sau:
– Cực từ: Tương tác giữa hai từ trường tạo ra sự quay trong động cơ một chiều. Động
cơ một chiều có các cực từ đứng yên và phần ứng (đặt trên các ổ đỡ) quay trong không
gian giữa các cực từ. Một động cơ một chiều đơn giản có hai cực từ: cực bắc và cực
nam. Các đường sức từ chạy theo khoảng mở từ cực bắc tới cực nam. Với những động

cơ phức tạp và lớn hơn, có một hoặc vài nam châm điện. Những nam châm này được
cấp điện từ bên ngoài và đóng vai trò hình thành cấu trúc từ trường.
– Phần ứng: Khi có dòng điện đi qua, phần ứng sẽ trở thành một nam châm điện. Phần
ứng, có dạng hình trụ, được nối với với trục ra để kéo tải. Với động cơ một chiều nhỏ,
phần ứng quay trong từ trường do các cực tạo ra, cho đến khi cực bắc và cực nam của
nam châm hoán đổi vị trí tương ứng với góc quay của phần ứng. Khi sự hoán đổi hoàn
tất, dòng điện đảo chiều để xoay chiều các cực bắc và nam của phần ứng.
– Cổ góp: Bộ phận này thường có ở động cơ một chiều. Cổ góp có tác dụng đảo chiều
của dòng điện trong phần ứng. Cổ góp cũng hỗ trợ sự truyền điện giữa phần ứng và
nguồn điện.
1.3:Phân loại động cơ điện một chiều
a. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Nếu dòng kích từ được cấp từ một nguồn riêng, thì đó là động cơ một chiều kích
từ độc lập..
b. Động cơ điện một chiều kích từ song song.
Ở động cơ kích từ song song, cuộn kích từ (trường kích từ) được nối song song
với cuộn dây phần ứng (A) như minh hoạ trong hình. Vì vậy, dòng điện toàn phần của
đường dây là tổng của dòng kích từ và dòng điện phần ứng.
Dưới đây là một số đặc tính của tốc độ ở động cơ điện kích từ song song (E.T.E.,
1997):

4

– Tốc độ động cơ trên thực tế là không đổi, không phụ thuộc vào tải (tới một mô men
nhất định, sau đó tốc độ giảm, xem hình), nhờ vậy loại đông cơ này thích hợp với các
ứng dụng với mô men khởi động thấp, như ở các máy công cụ.
– Có thể điều khiển tốc độ bằng cách lắp thêm điện trở nối tiếp với phần ứng (giảm tốc
độ) hoặc lắp thêm điện trở nối tiếp với mạch kích từ (tăng tốc độ)
c. Động cơ điện một chiều tự kích.

Ở động cơ nối tiếp, cuộn kích từ (trường kích từ) được nối nối tiếp với cuộn dây
phản ứng (A) như minh hoạ. Nhờ vậy, dòng kích từ sẽ bằng với dòng phần ứng. Dưới
đây là một số đặc điểm tốc độ của động cơ nối tiếp (Rodwell International
Corporation, 1997; L.M. Photonics Ltd, 2002):
– Tốc độ giới hạn ở 5000 vòng/phút
– Cần tránh vận hành động cơ nối tiếp ở chế độ không tải vì động cơ sẽ tăng tốc không
thể kiểm soát được. Động cơ nối tiếp phù hợp với những ứng dụng cần mô men khởi
động lớn, như cần cẩu và tời
d. Động cơ điện kích từ hỗn hợp một chiều.
Động cơ kích từ hỗn hợp một chiều là kết hợp của động cơ nối tiếp và động cơ
kích từ song song. Ở động cơ kích từ hỗn hợp, cuộn kích từ (trường kích từ) được nối
song song và nối tiếp với cuộn dây phần ứng (A) như minh hoạ trong hình 6. Nhờ vậy,
động cơ loại này có mô men khởi động tốt và tốc độ ổn định. Tỷ lệ phần trăm đấu hỗn
hợp (tức là tỷ lệ phần trăm của cuộn kích từ được đấu nối tiếp) càng cao thì mô men
khởi động của động cơ càng cao. Ví dụ động cơ có tỷ lệ đấu hỗn hợp là 40-50% thích
hợp với tời và cần cẩu, còn động cơ kích từ hỗn hợp chuẩn (12%) lại không thích hợp
với hai loại thiết bị này (myElectrical, 2005).
1.4:Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều
-

a.+Sơ đồ nguyên
U lý
I

+

R
Rf

E

Iư

R
E

IKT

IKT

Rf

-

U

Rf

Rf

UKT
-

+
a)Độngcơmộtchiềukíchtừđộclập

b)Độngcơmộtchiềukíchtừsongsong

Hình2.1.Sơđồnguyênlýđộngcơđiệnmộtchiềukíchtừđộclập
vàkíchtừsongsong

5

Iư

Khi cho điện áp một chiều U vào 2 chổi điện, trong dây quấn phần ứng có dòng
điện Iư. Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực Fđt tác dụng làm
cho roto quay.
E

Khi phần ứng quay đươc nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho 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. Ở
động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên sức điện
động Eư còn được gọi là sức phản điện.
Phương trình điện là: U=Eư Rư.Iư
2. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ
2.1:Nguyên lý điều khiển bằng từ thông động cơ
a. Sơ đồ nguyên lý
Khi thay đổi từ thông thì tốc độ động cơ thay đổi gần như theo tỷ lệ nghịch, còn
dòng điện ngắn mạch không đổi. Sơ đồ nguyên lý của hệ điều khiển bằng từ thông
được trình bày trên hình 3.5, trong đó dòng kích từ Ikt và từ và từ thông Φ có thể thay
đổi nhờ biến trở Rfk hoặc nhờ bộ nguồn kích từ có điện áp kích từ Ukt thay đổi.

6

Hình3.6.Đặctínhcơkhiđiềuchỉnhtừthôngcủađộngcơmộtchiều

Φ1

TN(Φđm)
Φ2<Φ1<Φđm

Mđm 2Mđm

M

b. Các đặc tính điều chỉnh
Ta có phương trình đặc tính cơ đã trình bày trong chương 2:

ω=

U đm
R
1
−
M = ω0đm− M
2
KΦ (KΦ )
βΦ

ω01

ω0
0

(3.14)

Trong đó:
ω0=Uđm/KΦ - tỷ lệ nghịch với từ thông: Φ càng giảm thì ω0 càng tăng.
βΦ=(KΦ)2/Rư - tỷ lệ nghịch với bình phương của từ thông: Φ càng giảm thì βΦ
càng giảm và độ sụt tốc Δω càng lớn.
Đặc tính cơ tự nhiên và các đặc tính điều chỉnh được trình bày trên hình 3.6.
Trong đó đặc tính cơ tự nhiên có Φ=Φđm ở vị trí thấp nhất, còn các đặc tính điều chỉnh
ứng với các từ thông Φ < Φđm có vị trí cao hơn.
Ta thấy ở trong vùng phụ tải từ 0 ÷ < 2Mđm thì khi từ thông giảm, ω0 sẽ tăng nhiều
hơn so với phần tăng của độ sụt tốc Δω và kết quả là tốc độ động cơ tăng lên. Ở vùng
phụ tải lớn, độ sụt tốc có thể tăng nhiều hơn, nên tốc độ có thể lại giảm khi ta giảm từ
thông, tuy nhiên vùng này ít gặp trong thực tế.

7

Mô men tải cho phép của động cơ là:
Mt.cp=KΦIđm

(3.15)

Trong đó: Φ là đại lượng biến đổi, ta có thể tìm được biểu thức của nó nhờ
phương trình cân bằng điện áp trong mạch phần ứng: Uđm=E + Iư Rư ≈ E ≈ KΦω.
TN

Do đó:
KΦ ≈

U đm
ω

(3.16)

M

Thay (3.16) vào (3.15) ta được phương trình đặc tính mô men tải cho phép của
động cơ khi điều chỉnh từ thông:
Mmin

M t .cp =

U đm Iđm
ω

Hoặc: Pt.cp=Mt.cp.ω=Uđm.Iđm=const

(3.17)
(3.18)

Như vậy phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm từ thông có mô men
tải cho phép của động cơ giảm khi tốc độ tăng, còn công suất cho phép thì không
thay đổi (hình 3.7), nên thích hợp với các phụ tải có đặc tính cơ loại máy tiện.
Dải điều chỉnh của phương pháp này bị hạn chế ở cả hai phía ωmax và phía ωmin.
Tốc độ thấp nhất bị hạn chế bởi đặc tính cơ tự nhiên (ωmin=ωđm), còn tốc độ cao nhất bị
hạn chế bởi độ bền cơ khí và điều kiện chuyển mạch trên cổ góp của động cơ. Đối với
các động cơ thông dụng, ωmax ≈ (1,5÷2) ωđm do đó dải điều chỉnh D ≤ 2. Các động cơ
chế tạo đặc biệt có thể có D=3÷6 nhưng kích thước to và giá thành đắt.

8

2.2:Nguyên lý điều khiển bằng điện áp phần ứng
a. Sơ đồ nguyên lý
Khi giữ từ thông không đổi Φ=Φđm, không nối thêm điện trở phụ R fư ta có thể điều
chỉnh tốc độ của động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng Uư. Để tạo ra được điện
áp Uư thay đổi, người ta sử dụng các bộ nguồn “thiết bị biến đổi điều khiển” làm chức
năng biến đổi điện năng xoay chiều thành một chiều và điều chỉnh sức điện động E b
của nó theo tín hiệu điều khiển. Ví dụ: máy phát điện một chiều kích từ độc lập là một
loại thiết bị biến đổi, có sức điện động E f điều chỉnh theo điện áp kích từ của nó (U kt),
hoặc bộ chỉnh lưu điều khiển có sức điện động E b thay đổi theo điện áp điều khiển đưa
vào mạch tạo xung mở van (U đk). Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế của hệ được vẽ
trên hình 3.8.

~

Hình3.8.Hệđiềukhiểnđộngcơmộtchiềubằngđiệnápphầnứng

b. Các đặc tính điều chỉnh
Phương trình đặc tính cơ có thể rút ra từ phương trình cân bằng điện áp của sơ đồ thay
thế hình 3.8b.

Eb − E = I ( R + R b )

(3.19)

Trong đó:
Eb - sức điện động của bộ biến đổi, phụ thuộc vào điện áp điều khiển:
Eb=f(Uđk);

9

ĐTRfư

Uđki
Uđk1

E - sức điện động của động cơ: E=KΦđmω.
min.R

Rb - điện trở trong của bộ biến đổi, thường có giá trị đáng kể, hoặc xấp xỉ bằng với
điện trở phần ứng động cơ (Rb ≈ Rư). i
min

Từ đó ta có:

0i

ω=

ω=

Eb
R + Rb
-
I = ω0 - ∆ω
KΦ đm KΦ đm
Eb
R + Rb
M
-

M = ω0 2
KΦ đm (KΦ đm )
βu

max

(3.20)

(3.21)

Khi thay đổi điện áp Uđk của bộ biến đổi, sức điện động Eb thay đổi, dẫn đến sự thay
đổi của ω0, còn độ cứng đặc tính cơ βư và độ sụt tốc ∆ω không đổi. Kết quả ta được họ
đặc tính điều chỉnh là những đường song song như trên hình 3.9

Khi điều khiển bằng điện áp phần ứng ta thấy phương pháp này có các chỉ tiêu chất
lượng cao:
- Hệ có khả năng điều chỉnh triệt để, nghĩa là thay đổi được cả tốc độ không tải lý
tưởng;
- Độ cứng đặc tính cơ được giữ không đổi:
βu=(KΦ)2/(Rư+Rb)=const

Thông thường Rb ≈ Rư nên βu=

1
β
2 tn

=const.

- Phương pháp điều khiển động cơ bằng điện áp phần ứng đảm bảo độ tinh cao, có thể

điều chỉnh vô cấp và tổn hao năng lượng ít;

10

- Dải điều chỉnh tương đối rộng: tốc độ cực đại tương ứng với điện áp định mức của
động cơ (Eb.max ≈ Uđm) nên ωmax ≈ ωđm (tương tự như ở phương pháp điều khiển bằng
điện trở phụ Rfư); còn tốc độ cực tiểu ωmin nhỏ hơn nhiều so với phương pháp dùng R fư,
do đó dải điều chỉnh D=ωmax/ ωmin khá rộng. Trên hình 3.9 đưa ra sự so sánh về ωmin của
phương pháp này và ωmin-R của phương pháp dùng điện trở phụ khi có cùng yêu cầu
đảm bảo khả năng quá tải như nhau (cùng giá trị Mc.max).
Bằng cách tương tự như ở mục 3.2.1, ta có thể tìm được biểu thức của dải điều chỉnh
tốc độ. Theo yêu cầu của khả năng quá tải với Kqt=Mc.max/Mđm ta có:

β*u - 1
D=
K qt - 1
(3.22)
- Mô men tải cho phép của động cơ khi điều chỉnh tốc độ được xác định như sau:
Mt.cp=KΦđmIđm=Mđm=const

(3.23)

Ta thấy phương pháp điều khiển bằng điện áp phần ứng tương tự như ở phương pháp
điều khiển bằng Rfư và thích hợp với loại tải cần trục.
Với các chỉ tiêu chất lượng như trên, phương pháp điều khiển bằng điện áp phần ứng
được đánh giá tốt và được sử dụng rộng rãi trong thực tế.
2.3:Các bộ biến đổi điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập bằng
thay đổi điện áp phần ứng
Hiện nay trong công nghiệp người ta thường sử đụng ba loại bộ biến đổi sau:

Bộ biến đổi máy phát điện một chiều
Bộ biến đổi xung áp một chiều
Bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển
Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi đó ta có các hệ truyền động sau:
Hệ máy phát-động cơ
Hệ điều chỉnh xung áp - động cơ
Hệ chỉnh lưu Tiristo – đông cơ

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘNG
ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU
1. Mô hình toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Sơ đồ nguyên lý

11

Mô hình tĩnh

Mô hình động

Từ đó ta có mô hình động của động cơ một chiều kích từ độc lập

12

Tính toán thông số động cơ:
STT nhóm đồ án là m=5
Động cơ có các tham số định mức: Pr = 35kW, Ur = 220V, Ir = 168A, nr =1000
rpm và các thông số của động cơ như sau:
- Điện trở phần ứng: Ra = 0,066 + 0.001× m = 0,066 + 0.001× 5 = 0,071 (Ω)

- Điện cảm phần ứng: La = 3,2 + 0.01× m = 3,2 + 0.01× 5 = 3.25 ( mH )
- Hệ số mô men: Kt =1,9958 (Nm/A)
- Hệ số ma sát nhớt: Kf = 0.000062 (Nms/rad)
- Hệ số phản sức điện động: Kb = Kt =1,9958 ( Vs/rad )
- Mô men quán tính của hệ: J = 2,97 + m × 0,01 = 2,97 + 5× 0,01 = 3.02 ( kgm2)
Mô men định mức
Mđm = P/ω = = = 334.23 Nm
KtΦ = Mđm/Iđm = 334.23/168 = 1.99
Tìm hàm truyền đối tượng
W1(s) = =
W2(s) = W4(s) = KtΦ = 1.99
W3(s) = 1/(Js) =
W(s) = =

Mô hình toán học bộ điện tử công suất(chỉnh lưu cầu 3 pha)
Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu có điều khiển

13

Mạch điều khiển biến đổi điện áp một chiều Uđk thành xung điện áp có góc
điều khiển ∝ thích hợp đưa vào mở Thyristor cấp nguồn cho động cơ.
Khi đầu vào biến thiên một lượng ∆Uđk thì đầu ra biến thiên một lượng ∆Ud.
Tín hiệu ra bị trễ so với tín hiệu vào:

Ud(t) = Kcl . Uđk . 1[t-Tv]

Trong đó:
ω: tốc độ góc điện áp lưới
Tv: thời gian trễ của van

Hàm truyền bộ chỉnh lưu có điều khiển khi bỏ qua phần phi tuyến:

14

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ MÔ PHỎNG BẰNG
MATLAB SIMULINK
1. Giới thiệu bộ điều khiển PID
2. Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID
3. Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống

-

Chọn bộ điều khiển dạng PI có hàm truyền đạt:

-

Để khử thời gian lớn nhất ta chọn:

Vậy tính được các tham số của bộ PI:

Mô phỏng trên matlab:

15

1.4

1.2

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

16

Hình 3.2. Mô phỏng trên Matlab của toàn hệ thống khi có bộ ĐK PI.
StepResponse

Nhận xét: Khi thiết kế bộ PI thì ta thấy chỉ tiêu chất lượng bám cụ thể như
sau:
-

Amplitude

ϕ=

Từ chỉ tiêu chất lượng động của hệ thống POT=5% và ts=0.1 ta xác
định được cặp nghiệm trội:
−3π 0.015 −3π 0.015
=
= 0.47
t ln ( POT ) 0.1ln ( 5% )

 −3T
r = exp 
 t

Time(seconds)


 −3 ∗ 0.015 
÷ = exp 
÷ = 0.64
0.1 



ϕ

ϕ

Z1,2 = r( cos( ) ± jsin( ) ) = 0.57 ± j0.29
Đa thức đặc tính của hệ thống kín
’

2

ϕ

M (z) = z - 2rcos( )z+ r2 = z2 - 1.14z + 0.41

-

Vậy nhiệm vụ của ta là thiết kế bộ PI khác hợp lý hơn.
Điều khiển tỉ lệ (Kp) có ảnh hưởng làm giảm thời gian lên và sẽ làm giảm
nhưng không loại bỏ sai số xác lập. Điều khiển tích phân (KI) sẽ loại bỏ sai số xác
lập nhưng có thể làm đáp ứng quá độ xấu đi Điều khiển vi phân (KD) có tác dụng
làm tăng sự ổn định của hệ thống, giảm vọt lố và cải thiện đáp ứng quá độ. Ảnh
hưởng của mỗi bộ điều khiển Kp, KI, KD lên hệ thống vòng kín được tóm tắt bởi
bảng sau:

Hình 3.3. Ảnh hưởng của mỗi bộ điều khiển Kp , KI , KD
Dựa vào bảng trên ta thấy muốn độ vọt lố hay độ quá điều chỉnh giảm xuống
ta phải giảm KP và tăng KI.
-

Ta thấy chọn �� = � và �� = �� là thỏa mãn yêu cầu bài toán.

17

Hình 3.4. Mô phỏng trên Matlab của toàn hệ thống khi tinh chỉnh lại bộ điều
khiển PI.
Chuyển từ hệ liên tục sang hệ rời rạc:
-

Áp dụng công thức chuyển từ hệ liên tục sang hệ rời rạc theo công thức:

Trong đó:
�(�) là chu kì lấy mẫu.
Biến đổi ta được PI(z) rời rạc của vòng điều chỉnh tốc độ:

Mô hình bộ điều khiển PI(z):

Hình 3.5. Mô hình bộ điều khiển PI(z) trên Matlab.
Kết quả mô phỏng trên matlab simulink

1. Mô phỏng chế độ không tải, nhận xét.
- Mô hình hệ thống trên Matlab:
- Kết quả mô phỏng:

Hình 4.2. Đáp ứng tốc độ ở chế độ không tải khi tốc độ đặt 250v/phút
Nhận xét: Đầu ra đáp ứng tốt khi không có tải và hầu như không có sai lệch
- Đáp ứng của dòng điện:

Hình 4.3. Đáp ứng của dòng điện khi không tải
Nhận xét: Đầu ra đáp ứng tốt khi không có tải và hầu như không có sai lệch
2. Mô phỏng chế độ tải định mức, nhận xét.
- Kết quả mô phỏng khi giá trị đặt tốc độ là 250 v/phút và có tải định mức:

Hình 4.4. Đáp ứng tốc độ đầu ra khi tải định mức

-

Đáp ứng của dòng điện:

Hình 4.5. Đáp ứng của dòng điện khi có tải
Nhận xét:
-

Ban đầu tốc độ bị sụt xuống sau đó tăng lên một cách nhanh chóng và
ổn định về giá trị đặt 250 v/phút.
Dòng điện tăng lên khá cao.

3.Khảo sát chế độ tải xung, nhận xét.
Kết quả mô phỏng khi giá trị đặt tốc độ là 250 v/phút và có tải xung:

Hình 4.6. Đáp ứng tốc độ đầu ra khi tải xung.

Đáp ứng dòng điện

Hình 4.7. Đáp ứng dòng điện đầu ra khi tải xung.
Nhận xét:

-

Ban đầu tốc độ bị sụt xuống sau đó tăng lên một cách nhanh chóng và
ổn định về giá trị đặt 250 v/phút.
- Dòng điện tăng lên khá cao sau đó giảm xuống và ổn định.

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰU HỆ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
1. Tính các dữ kiện của van trong mạch cầu H.
Với bài này ta sẽ sử dụng Mạch cầu H dùng van 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 5.1. Cấu tạo của van 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 bên.
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 thể hiện một mạch cầu H dùng 2 loại MOSFET tương
đồng.

Hình 5.2. Mạch cầu H dùng MOSFET
Mạch 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 (bạn tìm đọc datasheet của chúng để biết thêm). 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) tôi 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.

Kết luận

Thiết kế hệ thống (chỉnh lưu – động cơ) điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập sử dụng bộ điều khiển PID

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về