Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong sản xuất công nghiệp và đời sống thường nhật, hệ truyền động điện đóng vai trò then chốt trong việc vận hành các cơ cấu máy như máy bào, máy doa, thang máy và các dây chuyền gia công cơ khí. Sự phát triển của kỹ thuật bán dẫn công suất, thiết bị tự động hóa (PLC, CNC, Thyristor, MOSFET) và tin học ứng dụng đã tạo ra các hệ truyền động có dải điều chỉnh rộng, độ tin cậy cao, kích thước nhỏ gọn và mức độ tự động hóa vượt trội so với các hệ thống truyền động truyền thống. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc nam châm vĩnh cửu vẫn giữ vị trí quan trọng trong các hệ thống đòi hỏi chất lượng điều chỉnh tốc độ mượt mà, khởi động êm và mômen ổn định.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án là khảo sát toàn diện cơ sở lý thuyết về hệ truyền động điện một chiều, từ đó đi sâu tính toán, thiết kế hoàn chỉnh mạch điều chỉnh tốc độ có đảo chiều cho động cơ điện một chiều công suất nhỏ sử dụng bộ biến đổi xung áp một chiều ứng dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).

Nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể trong văn bản bao gồm ba nội dung chính:

  1. Nghiên cứu tổng quan về cấu trúc, phân loại hệ thống truyền động điện, cấu tạo, nguyên lý làm việc và các phương pháp mở máy, điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.
  2. Khảo sát nguyên lý làm việc của các bộ biến đổi xung áp một chiều, các sơ đồ băm xung cơ bản và kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM).
  3. Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ và đảo chiều cho động cơ điện một chiều công suất nhỏ, tính chọn chi tiết các linh kiện mạch lực (van MOSFET, cầu chì) và các khâu mạch điều khiển (khâu tạo dao động, tạo sóng răng cưa, khâu so sánh, mạch đảo chiều rơ le, cách ly quang).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu công suất nhỏ với các thông số định mức: điện áp $24\text{ V}$, dòng điện $2{,}5\text{ A}$, công suất $30\text{ W}$, tốc độ quay định mức $4000\text{ v/p}$.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế mạch điều khiển tương tự (sử dụng khuếch đại thuật toán OA/OP-AMP), bộ băm xung áp nối tiếp (hạ áp) một van đóng cắt kết hợp rơ le đảo chiều cơ điện, nguồn cấp qua biến áp và cầu chỉnh lưu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết được tác giả sử dụng bao gồm:

  • Lý thuyết máy điện một chiều: Phương trình cân bằng điện áp phần ứng $U = E_ư + R_ư I_ư$; phương trình sức điện động $E_ư = k_E \Phi n$; phương trình mômen điện từ $M_{đt} = k_M I_ư \Phi$; phương trình đặc tính cơ $n = \frac{U}{k_E \Phi} - \frac{R_ư + R_f}{k_E k_M \Phi^2} M$.
  • Lý thuyết điện tử công suất và biến đổi xung áp: Nguyên lý đóng cắt van bán dẫn chu kỳ $T$ với thời gian dẫn $t_1$ và thời gian ngắt $t_0$; công thức điện áp trung bình đầu ra $U_d = U_{max} \cdot \frac{t_1}{T} = U_{max} \cdot D$ (với $D = \gamma$ là tỉ số chu kỳ/hệ số lấp đầy); phân tích các cấu hình bộ băm xung (đảo dòng lớp B, đảo áp lớp B, xung áp song song tăng áp, xung áp nối tiếp hạ áp).
  • Lý thuyết mạch khuếch đại thuật toán (OP-AMP): Mạch tạo dao động tích phân xung tam giác/răng cưa, mạch lặp điện áp ổn định ngưỡng so sánh, mạch so sánh điện áp xác định độ rộng xung PWM.

Phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Hệ thống hóa các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ DC (thay đổi từ thông $\Phi$, thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng $R_f$, thay đổi điện áp phần ứng $U$).
  • Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật: Tính toán dòng điện, điện áp làm việc cực đại và hệ số an toàn ($k_U = 2{,}5$; $k_I = 1{,}5$) để lựa chọn phần tử chuyển mạch bán dẫn MOSFET và phần tử bảo vệ cầu chì.
  • Phương pháp thiết kế mạch tương tự: Thiết lập các thông số điện trở, tụ điện trong khâu dao động đa hài và mạch tích phân để tạo tần số đóng cắt cố định $f = 500\text{ Hz}$.

Nguồn dữ liệu nghiên cứu:

  • Giáo trình và tài liệu chuyên ngành về Máy điện, Truyền động điện và Điện tử công suất.
  • Thông số kỹ thuật từ bảng tra linh kiện (datasheet) của MOSFET IRF 460/IRF 460N, IC ghép quang (Optocoupler) PC817C, các bộ khuếch đại thuật toán OA.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phân khối chức năng gồm: Khối nguồn, Khối điều khiển (gồm phân nhánh đảo chiều và phân nhánh điều khiển tốc độ), Khối công suất (mạch lực) và Động cơ chấp hành.

Tính toán và lựa chọn thông số linh kiện mạch lực

Dựa trên thông số định mức của động cơ DC, các phần tử mạch lực được tính chọn chi tiết:

Thông số thiết kế Giá trị tính toán Tiêu chuẩn chọn linh kiện Linh kiện được chọn
Điện áp định mức ($U_{đm}$) $24\text{ V}$ $U_{lvvan} \ge k_U \cdot U_{đm}\sqrt{2} = 2{,}5 \times 24 \times \sqrt{2} = 84{,}8\text{ V}$ MOSFET IRF 460N ($V_{DSS} = 500\text{ V}$)
Dòng điện định mức ($I_{đm}$) $2{,}5\text{ A}$ Dòng làm việc van: $I_{lv} = 2{,}5\text{ A}$; Dòng đỉnh: $I_{lvđvan} \ge 15\text{ A}$ MOSFET IRF 460N ($I_{D} = 37{,}5\text{ A}$)
Dòng khởi động ($I_{kđ}$) $5\text{ A}$ ($I_{kđ} = 2 I_{đm}$) Bội số dòng mở máy $C = 2{,}5$ (khởi động êm $3 \div 10\text{ s}$) —
Dòng định mức cầu chì ($I_{cc}$) $I_{cc} \ge \frac{I_{kđ}}{C} = \frac{5}{2{,}5} = 2\text{ A}$ $I_{cc} \ge 2\text{ A}$ Cầu chì bảo vệ $2\text{ A}$

Thông số kỹ thuật định mức của van MOSFET IRF 460 được trích xuất từ văn bản:

  • Điện áp đánh thủng cực máng - nguồn ($V_{DSS}$): $500\text{ V}$ (điều kiện $V_{GS} = 0\text{ V}$, $I_D = 1{,}0\text{ mA}$).
  • Điện trở dẫn cực máng - nguồn ($R_{DS}$): cực đại $0{,}27\ \Omega$ (điều kiện $V_{GS} = 10\text{ V}$, $I_D = 14\text{ A}$).
  • Điện áp sụt trước diode ngược ($V_{SD}$): cực đại $1{,}8\text{ V}$ (điều kiện $I_S = 16\text{ A}$, $V_{GS} = 0\text{ V}$).
  • Điện áp ngưỡng cực cổng ($V_{GS}$): $2{,}0\text{ V} \div 4{,}0\text{ V}$ (điều kiện $V_{DS} = V_{GS}$, $I_D = 250\ \mu\text{A}$).
  • Dòng rò máng - nguồn cực đại ($I_{DS}$): $250\ \mu\text{A}$ ($V_{DS} = 400\text{ V}$, $V_{GS} = 0\text{ V}$).
  • Công suất tiêu tán cực đại ($P$): $300\text{ W}$.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động các khâu mạch điều khiển

  1. Khối nguồn: Nguồn xoay chiều được hạ áp qua máy biến áp và chỉnh lưu cầu để cung cấp nguồn $12\text{ V DC}$ cho khối điều khiển/khối công suất và nguồn $24\text{ V DC}$ cho động cơ điện.
  2. Mạch đảo chiều: Sử dụng một rơ le điều khiển 2 cặp tiếp điểm chuyển mạch nối với phần ứng động cơ. Trạng thái cuộn hút rơ le được điều khiển thông qua một công tắc gạt. Mỗi lần gạt công tắc sẽ đảo cực tính điện áp đặt vào hai chổi than của động cơ từ $(+)$ sang $(-)$ hoặc ngược lại, làm thay đổi chiều quay của rôto.
  3. Mạch cách ly quang: Sử dụng IC Opto PC817C gồm một diode phát quang (LED) và một phototransistor để truyền tín hiệu điều khiển đóng ngắt từ mạch điều khiển điện áp thấp ($5\text{ V} \div 12\text{ V}$) sang kích mở chân Gate của van MOSFET mạch lực, ngăn chặn hiện tượng xung điện áp cao hoặc xung nhiễu từ mạch lực phản hồi về phá hỏng khối điều khiển.
  4. Mạch tạo dao động và điện áp răng cưa:
    • Tần số băm xung được lựa chọn là $f = 500\text{ Hz}$, tương ứng chu kỳ $T = \frac{1}{f} = 2\text{ ms}$.
    • Phương trình chu kỳ xung tam giác: $T = 4 R C \frac{R_1}{R_2} = 2 \cdot 10^{-3}\text{ s}$.
    • Giá trị linh kiện được chọn: $R_1 = R_2 = 47\text{ k}\Omega$, tụ điện $C = 0{,}001\ \mu\text{F}$, điện trở $R = 100\text{ k}\Omega$.
    • Mạch lặp ổn định điện áp lấy từ cầu phân áp sử dụng khuếch đại thuật toán: với $R_1 = R_2 = 100\text{ k}\Omega$ và nguồn vào $V_{in} = 12\text{ V}$, điện áp ngõ ra mạch lặp đạt $V_{out} = \frac{R_2}{R_1 + R_2} \cdot V_{in} = \frac{100}{200} \cdot 12 = 6\text{ V}$.
    • Khâu tạo xung tam giác/răng cưa sử dụng bộ khuếch đại thuật toán tích phân $OA_2$ từ đầu ra xung vuông của $OA_1$ có hồi tiếp dương qua $R_3$.
  5. Khâu so sánh điện áp điều khiển:
    • Bộ so sánh sử dụng OP-AMP để so sánh điện áp răng cưa ($U_{rc}$) với điện áp điều khiển một chiều ($U_{đk}$) lấy từ chiết áp biến trở.
    • Khi $U_{rc} > U_{đk}$, đầu ra mức cao kích mở van dẫn dòng; khi $U_{rc} < U_{đk}$, đầu ra chuyển sang mức thấp khóa van. Việc thay đổi góc xoay chiết áp làm thay đổi ngưỡng $U_{đk}$, trực tiếp làm thay đổi hệ số lấp đầy $\gamma$ ($D$) của chuỗi xung kích, từ đó điều chỉnh mượt mà điện áp trung bình đặt lên động cơ từ $0\text{ V}$ đến $24\text{ V}$.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT VỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1 CHIỀU

Chương này tập trung trình bày hệ thống lý thuyết về cấu trúc, phân loại hệ thống truyền động điện và máy điện một chiều:

  • Cấu trúc hệ thống truyền động điện: Bao gồm 5 khâu cơ bản: Bộ biến đổi (BBĐ), Động cơ điện (Đ), Khâu truyền lực (TL), Cơ cấu sản xuất (CCSX) và Khối điều khiển (ĐK). Hệ thống phân làm hai loại: hệ hở (không có tín hiệu phản hồi) và hệ kín (có phản hồi đại lượng đầu ra).
  • Phân loại truyền động điện: Phân chia theo loại động cơ (động cơ một chiều, xoay chiều không đồng bộ, xoay chiều đồng bộ), theo tính năng điều chỉnh (có điều chỉnh tốc độ/mômen/vị trí hoặc không điều chỉnh) và theo thiết bị biến đổi (hệ Máy phát - Động cơ F-Đ, hệ Máy điện khuếch đại - Động cơ MĐKĐ-Đ, hệ Chỉnh lưu - Động cơ CL-Đ).
  • Cấu tạo và nguyên lý động cơ điện một chiều:
    • Phần tĩnh (Stato/Phần cảm): Vỏ máy bằng thép đúc, cực từ chính quấn dây kích từ ($W_{kt}$), cực từ phụ quấn dây quấn phụ ($W_p$), dây quấn kích từ song song/độc lập ($W_{ss}$) có tiết diện nhỏ nhiều vòng, dây quấn kích từ nối tiếp ($W_{nt}$) có tiết diện lớn ít vòng.
    • Phần quay (Rôto/Phần ứng): Lõi thép ghép từ các lá thép kỹ thuật điện dày $0{,}35 \div 0{,}5\text{ mm}$, dây quấn phần ứng bằng đồng bọc cách điện hoặc êmay, trục thép hợp kim, cổ góp gồm các phiến góp bằng đồng cách điện và chổi than bằng than granit.
    • Nguyên lý lực điện từ: Dòng điện $i_ư$ trong từ trường tạo lực $F = B \cdot l \cdot i_ư$ làm quay rôto; cổ góp và chổi than đóng vai trò bộ nghịch lưu cơ khí chuyển dòng điện một chiều ngoài mạch thành dòng xoay chiều trong khung dây rôto.
  • Mở máy và điều chỉnh tốc độ:
    • Dòng khởi động trực tiếp rất lớn $I_ư = \frac{U}{R_ư} = (20 \div 25) I_{đm}$ do sức điện động ban đầu $E_ư = 0$, có thể phá hủy cổ góp và chổi than. Hai biện pháp hạn chế là dùng biến trở mở máy $R_{Mở}$ hoặc giảm điện áp nguồn đặt vào phần ứng.
    • Ba phương pháp điều chỉnh tốc độ: (1) Thay đổi từ thông $\Phi$ (điều chỉnh tốc độ tăng trên định mức với dải $1:2 \div 1:8$, đặc tính dốc); (2) Thay đổi điện trở phụ $R_f$ mạch phần ứng (điều chỉnh dưới tốc độ định mức, tổn hao nhiệt lớn, đặc tính cơ mềm); (3) Thay đổi điện áp phần ứng $U$ (giữ nguyên từ thông $\Phi$, điều chỉnh dưới tốc độ định mức với dải điều chỉnh $D \le 10$, duy trì độ cứng đặc tính cơ $\beta = \text{const}$, không tổn hao năng lượng phụ). Tác giả kết luận phương pháp thay đổi điện áp phần ứng là phương án tối ưu nhất.

CHƯƠNG 2: BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP 1 CHIỀU VÀ PHƯƠNG PHÁP PWM

Chương 2 phân tích chuyên sâu về các cấu hình mạch biến đổi xung áp và kỹ thuật điều chế xung:

  • Nguyên lý chung bộ biến đổi xung áp một chiều (DC Chopper): Đóng ngắt van bán dẫn định kỳ để thay đổi giá trị trung bình của điện áp ra tải $U_d$. Có hai nguyên lý điều khiển: thay đổi độ rộng xung ($t_1$ biến thiên, chu kỳ $T$ cố định) và thay đổi tần số xung ($T$ biến thiên, thời gian dẫn $t_1$ cố định). Phương pháp thay đổi độ rộng xung (PWM) được ưu tiên vì mạch lực không cần khâu biến tần phức tạp.
  • Các dạng sơ đồ băm xung cơ bản:
    • Xung áp đảo dòng lớp B: Sử dụng 2 van đóng cắt $S_1, S_2$ và 2 diode $D_1, D_2$, cho phép động cơ làm việc ở chế độ động cơ và chế độ hãm tái sinh trả năng lượng tích lũy trong điện cảm $L$ về nguồn.
    • Xung áp đảo áp lớp B: Cấu hình cầu gồm 4 van có điều khiển ($S_1 \div S_4$) và 4 diode ngược, cho phép đảo chiều và điều khiển động cơ linh hoạt trong cả 4 góc phần tư.
    • Xung áp song song (Boost converter): Điện cảm $L$ mắc nối tiếp nguồn, khóa đóng cắt $S$ mắc song song với tải, tạo điện áp ra lớn hơn điện áp vào ($U_d = U + e_L$).
    • Xung áp nối tiếp (Buck converter): Khóa đóng cắt mắc nối tiếp tải, có diode phóng điện ngược ($D$) và bộ lọc LC. Điện áp trung bình ra tải nhỏ hơn hoặc bằng điện áp nguồn ($U_{tải\ tb} = \alpha U_s \le U_s$). Tác giả lựa chọn sơ đồ này cho hệ thống thiết kế để hạ áp từ $24\text{ V}$ xuống $0 \div 24\text{ V}$.
  • Phương pháp điều chế PWM:
    • Tần số đóng cắt cố định trong dải từ $2\text{ kHz} \div 200\text{ kHz}$ (trong thiết kế cụ thể tác giả chọn tần số $500\text{ Hz}$).
    • Độ rộng xung tính theo phần trăm: $\text{Độ rộng} = \frac{t_1}{T} \times 100%$. Điện áp trung bình tương ứng: với $\text{PWM} = 25% \rightarrow U_t = 0{,}25 U_{max}$; $\text{PWM} = 50% \rightarrow U_t = 0{,}50 U_{max}$; $\text{PWM} = 75% \rightarrow U_t = 0{,}75 U_{max}$.
    • Ưu điểm: Transistor/MOSFET chỉ hoạt động ở trạng thái bão hòa (ON) hoặc khóa hoàn toàn (OFF) giúp giảm thiểu tổn thất công suất nhiệt, dải điều khiển rộng. Nhược điểm: Xung điện áp đóng cắt có thể gây ồn cơ khí và giảm tuổi thọ động cơ nếu không xử lý tốt.
    • Phương pháp tạo PWM: Tạo bằng so sánh điện áp răng cưa và điện áp chuẩn (analog), tạo bằng IC định thời NE555/LM556, hoặc tạo bằng phần mềm/vi điều khiển. Tác giả chọn phương pháp so sánh tương tự sử dụng OP-AMP.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

Chương 3 trình bày toàn bộ quá trình tính toán, thiết kế mạch nguyên lý và lựa chọn linh kiện phần cứng:

  • Thiết kế mạch lực: Sử dụng một van bán dẫn công suất loại MOSFET IRF 460N kết hợp cầu chì bảo vệ $2\text{ A}$. Mạch đóng ngắt nguồn $24\text{ V}$ cấp vào phần ứng động cơ theo chuỗi xung nhận từ mạch điều khiển.
  • Mạch đảo chiều: Sử dụng rơ le trung gian có 2 bộ tiếp điểm đổi nối cực tính cấp nguồn cho động cơ, tác động thông qua công tắc gạt tay.
  • Mạch cách ly tín hiệu: Sử dụng IC ghép quang PC817C để cách ly hoàn toàn mạch điều khiển $12\text{ V}$ với mạch lực công suất.
  • Mạch điều khiển tốc độ:
    • Khâu tạo dao động đa hài và tích phân tạo sóng răng cưa biên độ ổn định, tần số $f = 500\text{ Hz}$ ($T = 2\text{ ms}$) sử dụng các điện trở $R_1 = R_2 = 47\text{ k}\Omega$, $R = 100\text{ k}\Omega$ và tụ điện $C = 0{,}001\ \mu\text{F}$.
    • Mạch lặp ổn định điện áp ngưỡng $6\text{ V}$ cấp từ nguồn $12\text{ V}$ qua cầu phân áp $100\text{ k}\Omega / 100\text{ k}\Omega$.
    • Mạch so sánh điện áp điều khiển $U_{đk}$ (biến thiên qua chiết áp xoay) với sóng răng cưa để tạo ra xung vuông PWM có chu kỳ $T$ không đổi và độ rộng xung thay đổi tỷ lệ tuyến tính theo $U_{đk}$.
  • Nguyên lý hoạt động tổng thể: Khi bật nguồn, khối điều khiển sinh chuỗi xung PWM kích mở chân Gate của MOSFET qua Opto PC817C. Người vận hành xoay chiết áp để thay đổi điện áp đặt vào động cơ từ $0\text{ V} \div 24\text{ V}$ nhằm tăng giảm tốc độ từ $0 \div 4000\text{ v/p}$, đồng thời gạt công tắc rơ le khi cần đảo chiều quay động cơ.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được:

  • Xây dựng thành công sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh cho hệ thống truyền động điện một chiều công suất nhỏ ($30\text{ W}$, $24\text{ V}$, $2{,}5\text{ A}$) đáp ứng đồng thời hai chức năng: điều chỉnh tốc độ vô cấp và đảo chiều quay.
  • Tính toán và xác lập các thông số linh kiện phù hợp với thực tế kỹ thuật:
    • Van MOSFET IRF 460N có khả năng chịu áp đánh thủng $500\text{ V} \ge 84{,}8\text{ V}$, dòng tải cực đại $37{,}5\text{ A} \ge 15\text{ A}$, tần số đóng cắt đáp ứng lên tới $1\text{ MHz}$.
    • Cầu chì bảo vệ ngắt mạch định mức $2\text{ A}$ tương ứng bội số dòng mở máy $C = 2{,}5$.
    • Khâu tạo xung điều khiển xác lập tần số băm xung $f = 500\text{ Hz}$ ($T = 2\text{ ms}$) với các thông số $R_1 = R_2 = 47\text{ k}\Omega$, $R = 100\text{ k}\Omega$, $C = 0{,}001\ \mu\text{F}$.
    • Mạch lặp đệm áp ổn định $V_{out} = 6\text{ V}$.

Giải pháp và đóng góp của đề tài:

  • Lựa chọn cấu hình băm xung áp nối tiếp (Buck converter) kết hợp phương pháp điều chế PWM tương tự giúp mạch có cấu trúc đơn giản, chi phí chế tạo thấp, dễ tìm kiếm linh kiện trên thị trường.
  • Ứng dụng khâu cách ly quang Opto PC817C giữa khối phát xung điều khiển và cực Gate của MOSFET công suất, nâng cao độ an toàn vận hành và triệt tiêu xung nhiễu điện từ.
  • Đưa ra phương án kết hợp tối ưu giữa điều khiển tốc độ bán dẫn không tiếp điểm (MOSFET) và đảo chiều tiếp điểm cơ điện (rơ le) phù hợp cho các cơ cấu truyền động tải nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Hệ thống điều khiển được thiết kế theo cấu trúc vòng hở (Open-loop control), chưa tích hợp cảm biến đo tốc độ (Tacho generator hoặc Encoder) để xây dựng mạch phản hồi âm tốc độ kín, do đó tốc độ động cơ sẽ bị sụt giảm khi tải trọng cơ khí trên trục thay đổi.
  • Khâu đảo chiều sử dụng rơ le điện từ cơ khí nên còn hiện tượng trễ tiếp điểm, phát sinh tia lửa điện cơ học tại tiếp điểm khi chuyển mạch và không thể đảo chiều liên tục ở tần số cao.
  • Mạch phát xung điều khiển hoàn toàn bằng linh kiện tương tự (OP-AMP, RC) có độ trôi nhiệt nhất định so với việc tạo xung số bằng vi điều khiển.

Hướng mở rộng và phát triển tiếp theo:

  • Nghiên cứu bổ sung khâu đo lường và phản hồi tốc độ, áp dụng các thuật toán điều khiển tự động (như bộ điều khiển PID) để giữ ổn định tốc độ khi mômen tải biến thiên.
  • Thay thế rơ le đảo chiều cơ điện bằng mạch cầu H (H-Bridge) sử dụng 4 van bán dẫn (MOSFET hoặc IGBT) điều khiển 4 góc phần tư để quá trình đảo chiều diễn ra hoàn toàn bằng điện tử, êm ái và có khả năng hãm tái sinh năng lượng.
  • Ứng dụng vi điều khiển (như PIC, AVR, STM32) hoặc bộ lập trình PLC để tạo xung PWM số có độ chính xác cao và tích hợp giao diện điều khiển thông minh.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên các ngành Điện Tự động Công nghiệp, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa và Cơ điện tử đang làm đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp liên quan đến Điện tử công suất và Truyền động điện.
  • Kỹ sư và người làm kỹ thuật cần tài liệu hướng dẫn quy trình tính toán, lựa chọn van công suất (MOSFET, cầu chì), thiết kế mạch băm xung áp một chiều công suất nhỏ và mạch tạo xung PWM bằng khuếch đại thuật toán tương tự.
  • Các nội dung đáng tham khảo nhất trong đồ án gồm: phương pháp tính chọn van bán dẫn công suất theo hệ số an toàn dòng áp ($k_U, k_I$), nguyên lý ghép nối cách ly quang PC817C và công thức tính chọn mạch tạo dao động răng cưa dùng OP-AMP.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ điện một chiều được lựa chọn để thiết kế trong đồ án có các thông số kỹ thuật định mức nào?
Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu trong đồ án có các thông số định mức gồm: điện áp định mức $U_{đm} = 24\text{ V}$, dòng điện định mức $I_{đm} = 2{,}5\text{ A}$, công suất định mức $P_{đm} = 30\text{ W}$, tốc độ quay định mức $n = 4000\text{ v/p}$, dòng điện làm việc $I_{lv} = 2{,}5\text{ A}$ và dòng điện khởi động $I_{kđ} = 5\text{ A}$ ($I_{kđ} = 2 I_{đm}$).

2. Tại sao tác giả lựa chọn linh kiện MOSFET mã hiệu IRF 460N cho mạch lực công suất?
Với hệ số an toàn chọn trước là $k_U = 2{,}5$ và $k_I = 1{,}5$, các yêu cầu tính toán đặt ra cho van là điện áp chịu đựng $U_{lvvan} \ge 2{,}5 \times 24 \times \sqrt{2} = 84{,}8\text{ V}$ và dòng làm việc đỉnh $I_{lvđvan} \ge 15\text{ A}$. MOSFET IRF 460N đáp ứng vượt trội các tiêu chí này với điện áp đánh thủng $V_{DSS} = 500\text{ V}$, khả năng đóng ngắt dòng điện lên đến $37{,}5\text{ A}$, công suất cực đại $300\text{ W}$, nội trở dẫn nhỏ $R_{DS} \le 0{,}27\ \Omega$ và tần số làm việc đạt tới $1\text{ MHz}$.

3. Khâu tạo dao động và tạo điện áp răng cưa của mạch điều khiển được thiết lập với tần số và giá trị linh kiện như thế nào?
Tần số băm xung được chọn là $f = 500\text{ Hz}$, tương ứng chu kỳ $T = 2\text{ ms}$. Chu kỳ xung được tính theo công thức $T = 4 R C \frac{R_1}{R_2}$. Tác giả chọn giá trị các linh kiện trong mạch gồm: hai điện trở cầu phân áp $R_1 = R_2 = 47\text{ k}\Omega$, điện trở nạp xả tích phân $R = 100\text{ k}\Omega$ và tụ điện $C = 0{,}001\ \mu\text{F}$.

4. Mạch đảo chiều động cơ hoạt động dựa trên cơ cấu và nguyên lý nào?
Mạch đảo chiều sử dụng một rơ le điện từ với 2 cặp tiếp điểm chuyển mạch được điều khiển bởi cuộn hút thông qua công tắc gạt tay. Khi gạt công tắc, dòng điện chạy qua cuộn hút tạo lực từ hút đòn bẩy đóng/mở tiếp điểm, làm đảo cực tính dòng điện chạy qua phần ứng động cơ (từ dương sang âm hoặc ngược lại), qua đó đảo chiều quay của rôto.

5. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ DC nào được tác giả đánh giá là tốt nhất và ứng dụng trong đồ án?
Tác giả so sánh ba phương pháp (thay đổi từ thông $\Phi$, thay đổi điện trở phụ $R_f$ và thay đổi điện áp phần ứng $U$) và kết luận phương pháp thay đổi điện áp phần ứng $U$ là tốt nhất. Phương pháp này giữ nguyên từ thông kích từ định mức, thu được họ đặc tính cơ song song có độ cứng không đổi ($\beta = \text{const}$), dải điều chỉnh tốc độ rộng, điều chỉnh bằng phẳng, mượt mà và không gây tiêu hao điện năng vô ích trên điện trở phụ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Phạm Văn Thái đã hoàn thành đầy đủ nhiệm vụ nghiên cứu lý thuyết truyền động điện một chiều và thiết kế thành công mạch điều khiển tốc độ có đảo chiều cho động cơ DC $24\text{ V} - 30\text{ W}$. Hệ thống kết hợp hiệu quả giữa bộ băm xung áp nối tiếp dùng van công suất MOSFET IRF 460N điều chế PWM tần số $500\text{ Hz}$ và rơ le chuyển mạch đảo chiều cơ điện. Các tính toán lựa chọn linh kiện, khâu đệm cách ly quang PC817C và mạch tạo xung tương tự OP-AMP được trình bày rõ ràng, có tính ứng dụng kỹ thuật thực tế cho các hệ truyền động công suất nhỏ.