Xây Dựng Mô Hình Chỉnh Lưu Cầu 3 Pha Cho Động Cơ DC Và Cuộn Kích Từ Máy Phát DC

• Đề tài: Mô Hình Chỉnh Lưu Cầu 3 Pha Cho Động Cơ DC Và Cuộn Kích Từ Máy Phát DC

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG I: DẪN NHẬP
• 1.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
• 1.2. KHÁCH QUAN
• 1.3. CHỦ QUAN
• 1.4. ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
• 1.5. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
• 1.6. DÀN Ý NGHIÊN CỨU
• 1.7. Ý NGHĨA THỰC TIỄN
• 2. CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÍ THUYẾT
• 2.1. Khái niệm bộ chỉnh lưu
• 2.2. Phân loại bộ chỉnh lưu
• 2.3. Cấu trúc bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần
• 2.4. Máy phát điện DC
• 2.5. Giới thiệu về card DSP TMS320F28335
• 2.5.1. Tổng quan về card xử lý tín hiệu số TMS320F28335
• 2.5.2. Đặc điểm thiết kế phần cứng
• 3. CHƯƠNG III: LẬP TRÌNH BẰNG MATLAB
• 3.1. Sơ đồ kết nối trong Matlab
• 3.2. Giải thuật lập trình
• 3.2.1. Khối dò điểm zero
• 3.2.2. Khối tạo xung kích các pha A, B, C
• 3.2.3. Khối tạo xung kích các pha A đảo, B đảo, C đảo trong Matlab
• 4. CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
• 4.1. Sơ đồ khối tổng quát
• 4.2. Hình ảnh và chức năng
• 5. CHƯƠNG V: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU - KẾT LUẬN
• 5.1. Kết quả đạt được
• 5.2. Kết quả xung kích
• 5.3. Hướng phát triển
• PHỤ LỤC
• appendix.1. TÀI LIỆU THAM KHẢO
• appendix.2. CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• appendix.3. NỘI DUNG ĐÍNH KÈM (CD)
• appendix.4. LIỆT KÊ HÌNH VẼ

Tóm tắt

I. Tổng quan mô hình chỉnh lưu cầu 3 pha cho động cơ DC

Trong lĩnh vực điện tử công suất, việc chuyển đổi năng lượng điện đóng vai trò cốt lõi. Mô hình chỉnh lưu cầu 3 pha cho động cơ DC và cuộn kích từ máy phát DC là một giải pháp kỹ thuật nền tảng, cho phép biến đổi hiệu quả nguồn điện xoay chiều (AC) 3 pha thành nguồn điện một chiều (DC) có thể điều khiển được. Nguồn DC này có vai trò cực kỳ quan trọng trong việc cung cấp năng lượng và điều khiển các thiết bị công nghiệp, đặc biệt là các hệ truyền động sử dụng động cơ một chiều. Động cơ DC, mặc dù có sự cạnh tranh từ động cơ AC, vẫn được ưa chuộng trong các ứng dụng đòi hỏi khả năng điều chỉnh tốc độ mượt mà và mô-men khởi động lớn. Để đạt được điều này, một nguồn cấp cho động cơ DC ổn định và linh hoạt là yêu cầu bắt buộc. Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha, đặc biệt là bộ chỉnh lưu thyristor 3 pha, đáp ứng hoàn hảo yêu cầu này bằng cách cho phép điều chỉnh điện áp ngõ ra một cách chính xác. Nghiên cứu của Hoàng Viết Cường và Nguyễn Trung Hiếu (2014) tại Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tập trung vào việc xây dựng một mô hình thực tế, sử dụng card DSP F28335 để điều khiển, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của phương pháp này trong cả môi trường học thuật và ứng dụng thực tiễn.

1.1. Khái niệm và phân loại các bộ chỉnh lưu công suất

Bộ chỉnh lưu là mạch điện tử có chức năng chính là biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Dựa trên khả năng điều khiển, chúng được chia thành hai loại chính. Thứ nhất là mạch chỉnh lưu không điều khiển, sử dụng các diode công suất. Loại mạch này tạo ra một điện áp DC ngõ ra cố định, phụ thuộc hoàn toàn vào điện áp AC đầu vào. Thứ hai là mạch chỉnh lưu có điều khiển, sử dụng các linh kiện bán dẫn có cực điều khiển như Thyristor (SCR). Với loại mạch này, điện áp ngõ ra bộ chỉnh lưu có thể được điều chỉnh linh hoạt bằng cách thay đổi thời điểm kích mở các van bán dẫn. Ngoài ra, dựa trên cấu trúc mạch, có thể phân loại thành chỉnh lưu hình tia và chỉnh lưu hình cầu. Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha được sử dụng phổ biến hơn do có chất lượng điện áp tốt hơn và tận dụng hiệu quả biến áp nguồn.

1.2. Tầm quan trọng của nguồn cấp cho phần ứng động cơ DC

Tốc độ của động cơ DC kích từ độc lập phụ thuộc trực tiếp vào điện áp đặt lên phần ứng động cơ DC và từ thông kích từ. Phương trình đặc tính cơ của động cơ cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa tốc độ và điện áp phần ứng. Do đó, việc điều khiển tốc độ động cơ một chiều chủ yếu được thực hiện bằng cách thay đổi điện áp này. Một nguồn cấp DC không ổn định hoặc có độ gợn sóng cao sẽ gây ra dao động về tốc độ và mô men điện từ, làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của động cơ. Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha cung cấp một điện áp ngõ ra tương đối bằng phẳng hơn so với bộ chỉnh lưu 1 pha, giúp động cơ hoạt động trơn tru và ổn định. Khả năng điều khiển điện áp đầu ra chính là chìa khóa để xây dựng các hệ truyền động điện DC hiệu suất cao.

II. Phân tích nguyên lý chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển

Để hiểu rõ cách mô hình hoạt động, việc phân tích nguyên lý chỉnh lưu cầu 3 pha là bước đầu tiên và quan trọng nhất. Một bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần bao gồm sáu van bán dẫn công suất, thường là SCR (Silicon Controlled Rectifier), được mắc thành một mạch cầu. Sáu SCR này được chia thành hai nhóm: nhóm catot chung (SCR1, SCR3, SCR5) và nhóm anot chung (SCR2, SCR4, SCR6). Tại mỗi thời điểm, luôn có một cặp SCR (một thuộc nhóm trên và một thuộc nhóm dưới) được kích cho dẫn dòng, nối hai pha của nguồn AC với tải. Việc lựa chọn cặp SCR nào sẽ dẫn phụ thuộc vào điện áp tức thời của các pha. SCR chỉ dẫn dòng khi được phân cực thuận và có xung kích vào cực cổng (Gate). Chính việc kiểm soát thời điểm phát xung kích này đã tạo nên khả năng điều khiển của bộ chỉnh lưu. Thời điểm này được xác định bởi một thông số quan trọng gọi là góc kích alpha. Bằng cách thay đổi góc alpha, ta có thể thay đổi giá trị trung bình của điện áp một chiều đặt lên tải.

2.1. Sơ đồ mạch chỉnh lưu 3 pha và hoạt động của van SCR

Sơ đồ mạch chỉnh lưu 3 pha hình cầu là cấu trúc tiêu chuẩn trong các ứng dụng công suất lớn. Nguồn điện AC ba pha được đưa vào ba điểm giữa của các cặp SCR. Tải DC được kết nối giữa điểm chung của nhóm catot và điểm chung của nhóm anot. Mỗi SCR hoạt động như một công tắc điện tử. Nó sẽ ở trạng thái khóa (không dẫn điện) ngay cả khi được phân cực thuận, cho đến khi nhận được một xung điện áp dương tại cực điều khiển. Sau khi được kích dẫn, SCR sẽ tiếp tục dẫn cho đến khi dòng điện qua nó giảm xuống dưới mức dòng duy trì, hoặc khi nó bị phân cực ngược. Trong mạch chỉnh lưu 3 pha, việc chuyển mạch tự nhiên xảy ra khi điện áp của pha kế tiếp trở nên dương hơn pha đang dẫn, tạo điều kiện cho SCR tiếp theo được kích và SCR cũ bị phân cực ngược rồi khóa lại.

2.2. Vai trò của góc kích alpha trong việc điều khiển điện áp

Góc kích alpha (α) là tham số điều khiển cốt lõi của mạch chỉnh lưu có điều khiển. Nó được định nghĩa là góc trễ (tính bằng độ điện) từ thời điểm SCR bắt đầu được phân cực thuận (thời điểm chuyển mạch tự nhiên) đến thời điểm xung kích được áp vào cực cổng. Khi α = 0°, SCR được kích ngay khi được phân cực thuận, và bộ chỉnh lưu hoạt động tương tự như một mạch dùng diode, cho điện áp ra lớn nhất. Khi tăng dần giá trị của α, thời điểm SCR bắt đầu dẫn bị trễ đi, làm giảm giá trị trung bình của điện áp ngõ ra bộ chỉnh lưu. Mối quan hệ này cho phép điều khiển điện áp DC một cách tuyến tính và mượt mà. Về lý thuyết, α có thể thay đổi từ 0° đến 180°, cho phép mạch hoạt động ở cả chế độ chỉnh lưu (biến AC thành DC) và chế độ nghịch lưu (biến DC thành AC), nền tảng cho các ứng dụng hãm tái sinh.

III. Phương pháp xây dựng mô hình cho động cơ và máy phát DC

Việc xây dựng một mô hình vật lý hoàn chỉnh không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà còn đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa thiết kế phần cứng và lập trình điều khiển. Đề tài của Hoàng Viết Cường và Nguyễn Trung Hiếu (2014) đã thực hiện điều này bằng cách xây dựng một mô hình chỉnh lưu cầu 3 pha để cấp nguồn cho hai đối tượng riêng biệt nhưng liên quan: phần ứng động cơ DC và cuộn kích từ của máy phát điện DC kích từ độc lập. Đối với động cơ, bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ cung cấp điện áp phần ứng có thể thay đổi được, từ đó trực tiếp điều khiển tốc độ quay. Đối với máy phát, một bộ chỉnh lưu khác (hoặc một bộ nguồn DC riêng) được sử dụng để tạo ra dòng điện kích từ ổn định. Dòng kích từ này quyết định từ thông trong máy phát, và do đó ảnh hưởng trực tiếp đến điện áp phát ra ở đầu cực máy phát. Sự ổn định của dòng kích từ là yếu tố tiên quyết để máy phát tạo ra một điện áp ổn định, bất kể sự thay đổi của tải.

3.1. Giải pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều hiệu quả

Giải pháp cốt lõi để điều khiển tốc độ động cơ một chiều là điều chỉnh điện áp phần ứng thông qua bộ chỉnh lưu cầu 3 pha. Bằng cách thay đổi góc kích alpha của các SCR, hệ thống điều khiển có thể tăng hoặc giảm điện áp DC trung bình cấp cho phần ứng. Khi điện áp tăng, tốc độ động cơ tăng và ngược lại. Quá trình này cho phép tạo ra một đặc tính cơ của động cơ DC có thể điều chỉnh được, đáp ứng các yêu cầu khác nhau của tải. Để đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác, mạch điều khiển cần phải đồng bộ với lưới điện để xác định các thời điểm 'zero-crossing' của điện áp pha, từ đó tính toán chính xác thời điểm phát xung kích tương ứng với giá trị góc alpha mong muốn. Đây là nhiệm vụ mà các bộ vi xử lý tín hiệu số (DSP) thực hiện rất tốt.

3.2. Cấp nguồn ổn định cho dòng điện kích từ máy phát DC

Đối với máy phát điện DC kích từ độc lập, cuộn kích từ cần được cấp một nguồn DC riêng biệt và ổn định. Điện áp phát ra của máy phát (E) tỷ lệ thuận với từ thông (Φ) và tốc độ quay (ω). Từ thông lại tỷ lệ thuận với dòng điện kích từ (If). Do đó, để giữ điện áp phát ra không đổi khi tốc độ hoặc tải thay đổi, dòng kích từ phải được duy trì ở một giá trị không đổi hoặc được điều chỉnh một cách chủ động. Sử dụng một bộ chỉnh lưu riêng cho cuộn kích từ là một phương pháp hiệu quả và kinh tế. Do cuộn kích từ có điện cảm lớn, yêu cầu về độ gợn sóng của điện áp cấp cho nó không quá khắt khe như đối với phần ứng động cơ, giúp đơn giản hóa thiết kế mạch nguồn.

IV. Bí quyết mô phỏng và điều khiển chỉnh lưu bằng DSP Matlab

Công nghệ hiện đại cho phép các kỹ sư thiết kế và kiểm chứng hệ thống trước khi chế tạo phần cứng, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí. Mô phỏng Matlab Simulink là một công cụ cực kỳ mạnh mẽ cho mục đích này. Nó cho phép xây dựng một mô hình ảo của toàn bộ hệ thống, từ nguồn AC, bộ chỉnh lưu thyristor 3 pha, động cơ DC, cho đến máy phát. Trên mô hình này, người thiết kế có thể thực hiện tính toán thông số bộ chỉnh lưu, kiểm tra các thuật toán điều khiển, và quan sát dạng sóng ở bất kỳ điểm nào trong mạch. Sau khi thuật toán điều khiển được kiểm chứng qua mô phỏng, nó sẽ được lập trình và nạp vào một bộ điều khiển phần cứng. Đồ án tham khảo đã sử dụng card DSP TMS320F28335, một bộ xử lý tín hiệu số mạnh mẽ, có khả năng thực hiện các phép toán phức tạp và tạo ra các tín hiệu điều khiển với độ chính xác và tốc độ rất cao, phù hợp cho các ứng dụng điều khiển thời gian thực như truyền động điện.

4.1. Ứng dụng mô phỏng Matlab Simulink để tối ưu thiết kế

Trước khi thi công mạch thật, việc mô phỏng Matlab Simulink đóng vai trò quyết định. Kỹ sư có thể kéo-thả các khối linh kiện như nguồn 3 pha, SCR, động cơ DC từ thư viện có sẵn để xây dựng sơ đồ mạch. Các khối điều khiển logic để tạo xung kích dựa trên góc kích alpha cũng được lập trình trực quan. Quá trình mô phỏng cho phép quan sát dạng sóng điện áp, dòng điện, tốc độ động cơ, và mô men điện từ một cách chi tiết. Điều này giúp phát hiện sớm các lỗi thiết kế, tối ưu hóa các thông số điều khiển (ví dụ như bộ điều khiển PI cho vòng lặp tốc độ) và đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như sóng hài lên hệ thống. Kết quả mô phỏng là cơ sở đáng tin cậy để tiến hành chế tạo phần cứng.

4.2. Lập trình card DSP F28335 cho điều khiển thời gian thực

Card DSP F28335 là trái tim của hệ thống điều khiển trong mô hình thực tế. Nó có các ngoại vi chuyên dụng như bộ tạo xung PWM (ePWM) và bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) tốc độ cao. Nhiệm vụ của DSP là: (1) Đọc tín hiệu điện áp lưới qua ADC để phát hiện điểm zero, phục vụ cho việc đồng bộ. (2) Nhận tín hiệu đặt tốc độ từ người dùng (ví dụ qua biến trở). (3) Thực thi thuật toán điều khiển (ví dụ PI) để tính toán ra góc kích alpha cần thiết. (4) Sử dụng các bộ định thời (timer) và module ePWM để tạo ra các xung kích chính xác tại các thời điểm đã tính toán và gửi đến mạch kích SCR. Việc lập trình trực tiếp trên DSP hoặc sử dụng các bộ công cụ nhúng mã tự động từ Matlab/Simulink cho phép triển khai các giải thuật phức tạp một cách nhanh chóng và hiệu quả.

V. Đánh giá kết quả thực nghiệm mô hình chỉnh lưu 3 pha

Lý thuyết và mô phỏng chỉ là bước đầu. Giá trị của một nghiên cứu nằm ở kết quả thực nghiệm. Theo các kết quả đo đạc được ghi lại trong đồ án của Hoàng Viết Cường và Nguyễn Trung Hiếu (2014), mô hình vật lý đã hoạt động ổn định và phù hợp với lý thuyết. Dạng sóng điện áp trên tải (động cơ DC) thu được từ oscilloscope cho thấy rõ sự thay đổi khi điều chỉnh góc kích. Với góc kích alpha bằng 0°, điện áp DC đạt giá trị gần như lớn nhất. Khi tăng dần góc kích lên 30°, 60°, và 90°, giá trị điện áp trung bình giảm xuống một cách rõ rệt, dẫn đến tốc độ động cơ giảm tương ứng. Các kết quả này đã xác thực thành công nguyên lý chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển và chứng minh khả năng ứng dụng của mô hình trong việc điều khiển chính xác tốc độ động cơ. Tuy nhiên, kết quả cũng cho thấy sự xuất hiện của các thành phần sóng hài trong dòng điện và điện áp, một vấn đề cố hữu của các bộ biến đổi điện tử công suất.

5.1. Phân tích dạng sóng và đặc tính cơ của động cơ DC

Các dạng sóng thực nghiệm cho thấy điện áp ngõ ra của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có 6 xung nhấp nhô trong một chu kỳ của điện áp lưới. Độ nhấp nhô này thấp hơn đáng kể so với bộ chỉnh lưu 1 pha, giúp dòng điện phần ứng liên tục hơn và động cơ hoạt động êm hơn. Việc thay đổi góc kích đã làm thay đổi trực tiếp đặc tính cơ của động cơ DC. Về cơ bản, nó dịch chuyển song song đường đặc tính cơ (quan hệ tốc độ - mô men) lên hoặc xuống, tạo ra một họ các đặc tính cơ khác nhau. Điều này cho phép hệ thống duy trì một tốc độ mong muốn dưới các mức tải khác nhau. Kết quả thực nghiệm đã chứng minh sự tương đồng cao giữa đặc tính lý thuyết và hoạt động thực tế của hệ thống.

5.2. Hiện tượng sóng hài và giải pháp sử dụng bộ lọc LC

Một trong những nhược điểm của bộ chỉnh lưu dùng SCR là tạo ra sóng hài và trả ngược lại lưới điện. Dòng điện phía AC không còn là hình sin thuần túy mà bị méo dạng, chứa các thành phần tần số bậc cao (bội số của tần số cơ bản). Sóng hài gây ra nhiều vấn đề như làm nóng máy biến áp, gây nhiễu cho các thiết bị khác và làm giảm hệ số công suất. Để giảm thiểu tác động này, người ta thường sử dụng các bộ lọc. Bộ lọc LC thụ động, bao gồm cuộn cảm và tụ điện, là giải pháp phổ biến nhất. Nó được mắc ở đầu vào hoặc đầu ra của bộ chỉnh lưu để lọc bỏ các thành phần tần số cao, giúp cải thiện chất lượng điện năng và đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định hơn.