Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế tự động hóa và hiện đại hóa sản xuất công nghiệp, các hệ thống truyền động điện đóng vai trò trung tâm trong việc vận hành các cơ cấu công tác như máy bơm, mâm cặp máy tiện, cần trục và các hệ thống tay máy robot. Đối với các ứng dụng công nghiệp và dân dụng đòi hỏi dải điều chỉnh tốc độ rộng, khả năng đảo chiều quay linh hoạt và độ chính xác điều khiển cao, động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet DC - PMDC) là một giải pháp kỹ thuật tiêu biểu nhờ đặc tính cơ tuyến tính và hiệu suất vận hành cao do không chịu tổn hao đồng trên mạch kích từ.

Đồ án môn học "Điện tử công suất và Truyền động điện" tại Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội được nhóm tác giả thực hiện nhằm giải quyết bài toán thiết kế một hệ truyền động điện hoàn chỉnh, từ khâu biến đổi nguồn năng lượng xoay chiều lưới điện sang nguồn một chiều điều khiển được, đến khâu phát xung điều khiển và đóng cắt van bán dẫn để điều chỉnh tốc độ và đảo chiều động cơ PMDC.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về cấu trúc, phân loại và các chế độ làm việc của hệ truyền động điện, đặc tính làm việc của động cơ điện một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu.
  2. Thiết kế hoàn chỉnh sơ đồ nguyên lý mạch lực sử dụng bộ biến đổi chỉnh lưu và mạch băm xung một chiều (BXMC) có chức năng đảo chiều quay.
  3. Thiết kế chi tiết sơ đồ mạch điều khiển tương tự với đầy đủ các khối chức năng: tạo xung răng cưa, tạo điện áp điều khiển, mạch hạn chế gia tốc, khối so sánh PWM, mạch tạo thời gian trễ (dead-time), khối cách ly và khuếch đại xung, cùng hệ thống nguồn nuôi và thiết bị bảo vệ.
  4. Tính toán, lựa chọn thông số kỹ thuật cho các linh kiện bán dẫn công suất (van IGBT, Diode chỉnh lưu, Diode công suất) và khí cụ bảo vệ dựa trên các hệ số dự trữ kỹ thuật.
  5. Ứng dụng phần mềm chuyên dụng (Proteus 8.11, PSIM) để mô phỏng, kiểm chứng dạng sóng điện áp, dòng điện trên tải và trên các phần tử van ở các chế độ điều khiển khác nhau.

Thông số kỹ thuật định mức của đối tượng truyền động (động cơ PMDC):

  • Điện áp định mức: $U_{\text{đm}} = 24\text{ V}$
  • Dòng điện định mức: $I_{\text{đm}} = 10\text{ A}$
  • Công suất định mức: $P_{\text{đm}} = 0,2\text{ kW}$ ($200\text{ W}$)
  • Tốc độ quay định mức: $n_{\text{đm}} = 955 + 687 = 1642\text{ vòng/phút}$

Đối tượng và phạm vi thực hiện:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ truyền động điện biến đổi điện áp xoay chiều sang một chiều (XA-Đ) điều khiển băm xung có đảo chiều cấp nguồn cho động cơ PMDC.
  • Phạm vi thực hiện: Đề tài được triển khai bởi Nhóm 21 (gồm 3 sinh viên: Nguyễn Quốc Tú, Võ Đình Tứ, Trần Hoàng Tuấn) thuộc Lớp EE6017.2 K15, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Đăng Khang; thời gian thực hiện từ ngày 08/03/2023 đến ngày 25/05/2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Hệ thống truyền động điện là tổ hợp các thiết bị điện - cơ phục vụ biến đổi điện năng thành cơ năng và điều khiển dòng năng lượng tương ứng với yêu cầu công nghệ của phụ tải. Cấu trúc tổng quát của hệ thống bao gồm hai phần chính:

  • Phần điện: Bao gồm lưới điện nguồn, bộ biến đổi năng lượng (BĐ - máy biến áp, bộ chỉnh lưu, bộ băm xung), mạch từ của động cơ điện (Đ) và các thiết bị khối điều khiển (ĐK).
  • Phần cơ: Bao gồm roto, trục động cơ, khâu truyền lực cơ khí (TL - bánh răng, trục vít, xích, khớp nối) và cơ cấu công tác thực hiện quy trình sản xuất (CT - cánh bơm, mâm cặp, trống tời).
                      +-------------------+
                      |   Lưới điện AC    |
                      +---------+---------+
                                |
                                v
                      +-------------------+
                      |   Bộ biến đổi     | <---+
                      | (Chỉnh lưu + BXMC)|     |
                      +---------+---------+     |
                                |               |  Tín hiệu
                                v               |  điều khiển
+----------------+    +-------------------+     |
| Khối điều khiển|--->|   Động cơ PMDC    |     |
| (ĐK - Analog)  |    +---------+---------+     |
+----------------+              |               |
                                v               |
                      +-------------------+     |
                      | Khâu truyền lực   |     |
                      |      (TL)         |     |
                      +---------+---------+     |
                                |               |
                                v               |
                      +-------------------+     |
                      | Cơ cấu công tác   | ----+
                      |      (CT)         | Phản hồi/Tải
                      +-------------------+

Phương pháp thiết kế và tính toán được nhóm tác giả xây dựng dựa trên các cơ sở giải tích và mô hình hóa kỹ thuật điện tử công suất chuẩn mực:

  • Nguyên lý động cơ PMDC: Động cơ sử dụng từ trường kích từ từ các phiến nam châm vĩnh cửu gắn trên stator (nam châm gốm, sắt từ hoặc đất hiếm Samari-Coban/NdFeB). Từ thông không đổi giúp quan hệ giữa tốc độ quay và mô-men tải mang tính tuyến tính cao, dòng điện phần ứng tỷ lệ thuận trực tiếp với mô-men tải.
  • Phương pháp băm xung áp một chiều (PWM): Sử dụng phương pháp so sánh điện áp điều khiển $U_{\text{đk}}$ với sóng mang răng cưa tần số cố định $f = 5\text{ kHz}$ để tạo các xung kích có độ rộng $\gamma$ thay đổi ($0,25 \le \gamma \le 0,75$), điều chỉnh trơn điện áp trung bình đặt lên phần ứng động cơ từ $-U_{\text{đm}}$ đến $+U_{\text{đm}}$.
  • Phương pháp giải tích tính chọn van: Dòng điện và điện áp làm việc của van bán dẫn được xác định từ các giá trị cực đại và trung bình chạy qua mạch trong chu kỳ đóng cắt, kết hợp hệ số làm mát cưỡng bức ($K_i = 2$) và hệ số dự trữ an toàn điện áp ($K_{\text{dt}} = 2$).
  • Nguồn tài liệu và học liệu tham khảo: Giáo trình và tài liệu chuyên ngành về "Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất" (Trần Văn Thịnh, 2008), "Tổng hợp hệ thống điện cơ" (Quách Đức Cường, Nguyễn Đăng Toàn, 2019), "Điều chỉnh tự động truyền động điện" (Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, 2005) và "Điện tử công suất" (Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, 2005).

Thiết kế và tính chọn phần cứng hệ thống

Cấu trúc mạch lực

Mạch lực của hệ thống truyền động điện XA-Đ có chức năng biến đổi nguồn điện xoay chiều một pha từ lưới thành nguồn điện áp một chiều điều chỉnh được và cấp cho động cơ PMDC, bao gồm các khối thành phần:

  1. Khối chỉnh lưu không điều khiển cầu một pha: Nhận nguồn xoay chiều $220\text{ VAC}$ qua máy biến áp hạ áp sang điện áp $U_2 \approx 26,9 - 30\text{ V}$, biến đổi qua 4 Diode công suất mắc theo sơ đồ cầu 1 pha để tạo ra điện áp một chiều sơ cấp.
  2. Khối tụ lọc trung gian ($C$): Đặt ở đầu ra bộ chỉnh lưu nhằm là phẳng sóng hài điện áp một chiều, duy trì nguồn điện áp ổn định cấp cho bộ băm xung và có vai trò tiếp nhận dòng năng lượng phản hồi từ điện cảm phần ứng khi các van ngắt dòng.
  3. Khối băm xung một chiều cầu H (H-Bridge): Gồm 4 van bán dẫn công suất IGBT được điều khiển đóng cắt theo cặp đường chéo để đảo chiều dòng điện và điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ. Mạch lực tích hợp 4 mạch phối hợp điện trở - tụ điện ($RC_v$) mắc song song với từng van để dập xung điện áp quá độ bảo vệ van IGBT.
  4. Mạch lọc đầu ra ($L_1 - C_2$): Mắc giữa cầu H và tải động cơ để lọc sóng hài bậc cao của dòng điện băm xung, giữ cho dòng điện tải liên tục và ổn định.
Nguồn AC 220V ---> [Biến áp 1 pha] ---> [Cầu Diode] ---> [Tụ lọc C]
                                                              |
                                                              v
+------------------ [Bộ băm xung Cầu H - 4 IGBT] <------------+
|
+---> [Bộ lọc L1-C2] ---> [Động cơ PMDC 24V - 10A]

Thiết kế mạch điều khiển tương tự

Mạch điều khiển được nhóm tác giả thiết kế và mô phỏng hoàn chỉnh trên môi trường Proteus 8.11, gồm 6 khối chức năng liên hoàn:

  1. Khối tạo xung răng cưa: Sử dụng vi mạch định thời IC 555 hoạt động ở chế độ đa hài không ổn định để tạo chuỗi xung vuông có tần số $f = 5\text{ kHz}$ với chu kỳ nạp/xả cân bằng ($t_n = t_x$), kết hợp mạch tích phân không đảo dùng khuếch đại thuật toán (Op-Amp) để biến đổi xung vuông thành xung răng cưa đơn cực tính có biên độ đỉnh $10\text{ V}$. Các thông số định lượng: $R_1 = R_2 = 1500,\Omega$, tụ định thời $C_2$, hằng số tích phân $T_I = R_5 C_4$.
  2. Khối tạo điện áp điều khiển:
    • Mạch biến trở giới hạn điện áp đặt trong dải $0 - 10\text{ VDC}$.
    • Khâu hạn chế gia tốc điện áp: Dùng Op-Amp cấu hình tích phân đảo nhằm triệt tiêu hiện tượng thay đổi đột ngột điện áp đặt khi vặn biến trở nhanh, bảo vệ tải và van công suất. Với thời gian xác lập lựa chọn $t_{\text{xl}} = 2\text{ s}$ tại điện áp điều khiển cực đại $7,5\text{ V}$ theo công thức $t_{\text{xl}} = 1,4 U_{\text{vào}}$, thông số tính chọn gồm $C_3 = 0,1\text{ mF}$ và $R_7 = 2\text{ k}\Omega$.
    • Mạch khuếch đại đảo: Hệ số khuếch đại bằng 1 ($R_{16} = R_{17} = 1\text{ k}\Omega$) để đảo cực tính điện áp ra về giá trị dương.
    • Mạch hạn chế độ rộng xung: Sử dụng 2 Diode $D_3, D_4$ ghim mức điện áp điều khiển chặt chẽ trong khoảng $2,5\text{ V} \le U_{\text{đk}} \le 7,5\text{ V}$ (tương ứng độ rộng xung $\gamma = 0,25 - 0,75$, tại $U_{\text{đk}} = 5\text{ V}$ thì $\gamma = 0,5$ và điện áp trung bình trên tải $U_{\text{ra}} = 0\text{ V}$).
  3. Khối so sánh PWM: Sử dụng Op-Amp so sánh điện áp điều khiển $U_{\text{đk}}$ với xung răng cưa $U_{\text{rc}}$. Khi $U_{\text{đk}} > U_{\text{rc}}$, điện áp ra đạt mức bão hòa dương $+U_{\text{cc}}$; khi $U_{\text{đk}} < U_{\text{rc}}$, điện áp ra đạt mức bão hòa âm $-U_{\text{cc}}$.
  4. Khối tạo thời gian trễ (Dead-time): Nhằm ngăn chặn hiện tượng ngắn mạch xuyên thông giữa hai van cùng một nhánh cầu khi chuyển đổi trạng thái đóng ngắt. Sử dụng mạch trễ $RC$ kết hợp cổng logic đảo Schmitt Trigger IC 74HC14. Thời gian trễ được thiết lập $t_{\text{trễ}} \approx 0,7RC = 3,5,\mu\text{s}$, với giá trị linh kiện tính toán là $R_{20} = R_{22} = 5\text{ k}\Omega$ và $C_5 = C_6 = 1\text{ nF}$.
  5. Khối cách ly quang và khuếch đại xung: Sử dụng mạch ghép quang (Optocoupler) để cách ly hoàn toàn phần tín hiệu điều khiển điện áp thấp với mạch động lực công suất cao. Tín hiệu sau cách ly được đưa qua tầng khuếch đại đệm transistor để đảm bảo đủ biên độ dòng điện và điện áp kích mở cực cổng ($G$) của van IGBT.
  6. Khối nguồn nuôi và bảo vệ: Nguồn điều khiển được chỉnh lưu từ biến áp phụ hạ áp về $24\text{ VDC}$, sau đó ổn áp thành các mức $+5\text{ V}$, $+10\text{ V}$, $+15\text{ V}$ qua các vi mạch ổn áp 7805, 7810, 7815. Bảo vệ đầu vào bằng Aptomat 1 pha (MCB Schneider EZ9F34120).

Bảng tính chọn thiết bị và linh kiện phần cứng

Dựa trên các thông số làm việc định mức của động cơ PMDC ($24\text{ V} - 10\text{ A}$), nhóm tác giả đã tính toán dòng điện làm việc định mức $I_{\text{lv}}$, điện áp ngược cực đại $U_{\text{nv}}$ và lựa chọn các linh kiện chính quy như sau:

Vị trí linh kiện Ký hiệu / Mã hiệu $I_{\text{đm}} / I_{\max}$ Điện áp chịu đựng Thông số đóng cắt / Suy hao Chức năng trong hệ thống
Van băm xung mạch lực GA100NA60U (IGBT) $I_{c\max} = 100\text{ A}$ $U_{CE\max} = 600\text{ V}$
$U_{GE\max} = \pm 20\text{ V}$		 $U_{CE(\text{sat})} = 2,1\text{ V}$
$t_{\text{on}} = 0,8,\mu\text{s}$
$t_{\text{off}} = 1,0,\mu\text{s}$
$t_f = 0,2,\mu\text{s}$		 Đóng cắt băm xung PWM và đảo chiều dòng điện cấp cho động cơ
Diode chỉnh lưu nguồn S5020PF $I_{\max} = 50\text{ A}$
$I_{\text{th}} = 50\text{ A}$		 $U_n = 200\text{ V}$
$I_{\text{pik}} = 800\text{ A}$		 $\Delta U = 1,0\text{ V}$
$I_n = 2\text{ mA}$
$T_{\text{cp}} = 200^\circ\text{C}$		 Chỉnh lưu cầu 1 pha biến đổi xoay chiều thành một chiều
Diode bảo vệ / Mạch lực 1N2427 $I_{\max} = 100\text{ A}$
$I_{\text{th}} = 50\text{ A}$		 $U_n = 100\text{ V}$
$I_{\text{pik}} = 950\text{ A}$		 $\Delta U = 1,1\text{ V}$
$I_r = 2\text{ mA}$
$T_{\text{cp}} = 175^\circ\text{C}$		 Mắc ngược song song chống xung điện áp cảm ứng ngược
Vi mạch logic tạo trễ 74HC14 Chuẩn logic $V_{CC} = 5\text{ V}$ Cổng đảo Schmitt Trigger Tạo trễ $3,5,\mu\text{s}$ chống ngắn mạch nhánh van
Vi mạch định thời NE555 Chuẩn logic $V_{CC} = 5 - 15\text{ V}$ Tần số phát $5\text{ kHz}$ Tạo xung vuông sơ cấp cho khâu tạo răng cưa
Vi mạch ổn áp 7805, 7810, 7815 $1,0 - 1,5\text{ A}$ Ra $5\text{V}, 10\text{V}, 15\text{V}$ Ổn định áp một chiều Cung cấp nguồn nuôi cho mạch Op-Amp, IC logic, cách ly
Khí cụ bảo vệ Schneider EZ9F34120 $I_{\text{đm}} = 20\text{ A}$ $U = 230\text{ VAC}$ $I_{\text{cu}} = 4,5\text{ kA}$ Aptomat MCB 1 cực bảo vệ quá tải và ngắn mạch đầu vào

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ TĐ Đ

Chương này tập trung trình bày khái niệm nền tảng về hệ truyền động điện và phân tích cơ cấu truyền động trên các phụ tải công nghiệp điển hình:

  • Truyền động máy bơm nước: Động cơ biến đổi điện năng thành cơ năng làm quay cánh bơm; mô-men cản $M_c$ do cánh bơm tạo ra ngược chiều với tốc độ quay $\omega$. Khi $M = M_c$, hệ thống xác lập trạng thái làm việc ổn định ở tốc độ không đổi.
  • Truyền động mâm cặp máy tiện: Phân tích cơ cấu gồm mâm cặp, phôi gia công, dao cắt và bộ truyền lực bánh răng/dây đai. Lực cắt sinh ra mô-men cản tác động ngược chiều quay của trục động cơ.
  • Truyền động cần trục: Đặc trưng bởi tải trọng thế năng, chiều của mô-men cản $M_c$ do trọng lực quyết định nên không phụ thuộc vào chiều quay của động cơ, dẫn đến chế độ nâng tải tiêu thụ năng lượng và chế độ hạ tải có khả năng phát năng lượng ngược lại hệ thống.
  • Cấu trúc chung gồm 2 phần (điện và cơ) cùng các tiêu chí phân loại hệ truyền động: theo loại động cơ (DC, không đồng bộ, đồng bộ, bước), theo mức độ tự động hóa (hở, kín có phản hồi), và theo phương pháp điều chỉnh tốc độ.
  • Khái quát cấu tạo và nguyên lý của động cơ PMDC: Cấu tạo stato với 3 loại vật liệu nam châm vĩnh cửu (nam châm sắt cho dải $1 - 150\text{ kW}$, nam châm gốm cho dải dưới $1\text{ HP}$, và nam châm đất hiếm tối ưu hiệu suất), cấu tạo roto, cổ góp, chổi than và đặc tính cơ tuyến tính.

Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển, mạch lực

Trình bày chi tiết giải pháp thiết kế sơ đồ nguyên lý cho toàn bộ hệ thống:

  • Thiết kế mạch lực trên phần mềm PSIM gồm máy biến áp 1 pha, cầu chỉnh lưu không điều khiển, tụ lọc $C$ và cầu băm xung 4 van IGBT có mạch bảo vệ $RC_v$.
  • Thiết kế mạch điều khiển trên Proteus 8.11 với đầy đủ 6 khối chức năng: khối dao động tạo xung răng cưa $5\text{ kHz}$ dùng IC 555; khối phát điện áp điều khiển có khâu hạn chế gia tốc ($t_{\text{xl}} = 2\text{ s}$) và khâu giới hạn độ rộng xung ($2,5 - 7,5\text{ V}$); khối so sánh PWM; khối tạo thời gian trễ $3,5,\mu\text{s}$ dùng IC 74HC14; khối cách ly quang và khuếch đại transistor; khối nguồn ổn áp tuyến tính 7805/7810/7815.

Chương 3: Tính chọn thiết bị

Chương này tiến hành các bước tính toán định lượng dòng điện và điện áp để chọn linh kiện thực tế:

  • Mạch băm xung: Tính toán dòng qua van theo hệ số làm mát cưỡng bức $K_i = 2$ cho kết quả $I_{\text{lv}} = 2 \times 10 = 20\text{ A}$; điện áp chọn van với hệ số dự trữ $K_{\text{dt}} = 2$ đạt $U_{\text{nv}} = 2 \times 24 = 48\text{ V}$. Lựa chọn van IGBT GA100NA60U ($100\text{ A} - 600\text{ V}$) và Diode xung 1N2427 ($100\text{ A} - 100\text{ V}$).
  • Mạch chỉnh lưu: Tính toán điện áp thứ cấp máy biến áp $U_2 \approx 26,9 - 30\text{ V}$ dựa trên bù sụt áp trên van, xác định điện áp ngược cực đại $U_{\text{ng}} = \sqrt{2} U_2 \approx 42,4\text{ V}$ và điện áp van tính toán $U_{\text{nv}} = 2 \times 42,4 = 84,8\text{ V}$. Dòng tính toán chọn van $I_{\text{lv}} = 2 \times 5 = 10\text{ A}$. Lựa chọn bộ 4 Diode cầu S5020PF ($50\text{ A} - 200\text{ V}$).
  • Tính chọn Aptomat bảo vệ đầu vào Schneider EZ9F34120 ($20\text{ A} - 230\text{ V} - 4,5\text{ kA}$).

Chương 4: Dùng phần mềm (PSIM, Proteus...) mô phỏng dạng sóng dòng điện, điện áp trên tải, trên van ở các chế độ làm việc và đánh giá kết quả

Thực hiện mô phỏng kiểm chứng các khối chức năng mạch điều khiển và mạch lực:

  • Mô phỏng khối tạo xung răng cưa đạt tần số $5\text{ kHz}$ và biên độ $10\text{ V}$.
  • Mô phỏng đáp ứng điện áp điều khiển qua khâu hạn chế gia tốc.
  • Mô phỏng khối so sánh PWM ở hai chế độ điển hình: $\gamma = 0,75$ (tương ứng $U_{\text{đk}} = 7,5\text{ V}$) và $\gamma = 0,25$ (tương ứng $U_{\text{đk}} = 2,5\text{ V}$).
  • Mô phỏng dạng sóng xung kích sau khối tạo trễ khẳng định độ lệch thời gian $3,5,\mu\text{s}$.
  • Mô phỏng dạng sóng sau tầng cách ly quang và khuếch đại: kênh màu xanh kích van IGBT 1, 2 và kênh màu vàng kích van IGBT 3, 4.

Kết quả mô phỏng và đánh giá kỹ thuật

Quá trình mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm Proteus 8.11 và PSIM mang lại các kết quả kỹ thuật sau:

  • Dạng sóng xung răng cưa: Mạch tạo xung dùng IC 555 và Op-Amp tích phân tạo được sóng răng cưa có độ dốc tuyến tính cao, tần số chuẩn xác $5\text{ kHz}$, biên độ đỉnh đạt $10\text{ V}$, đảm bảo điều kiện lý tưởng cho khâu so sánh điều chế độ rộng xung.
  • Khâu hạn chế gia tốc và giới hạn dải điều khiển: Khâu tích phân đảo duy trì thời gian quá độ $2\text{ s}$ khi điện áp đặt thay đổi đột ngột từ cực tiểu đến cực đại, loại bỏ nguy cơ sụt áp hoặc quá dòng đột biến cho động cơ. Dải điện áp điều khiển được ghim chính xác trong khoảng $2,5\text{ V} - 7,5\text{ V}$, tương ứng với tỷ số chu kỳ xung băm $\gamma$ từ $0,25$ đến $0,75$.
  • Đặc tính đảo chiều quay:
    • Khi $U_{\text{đk}} = 7,5\text{ V}$ ($\gamma = 0,75$): Độ rộng xung điều khiển cặp van 1-2 lớn hơn cặp van 3-4, điện áp trung bình đầu ra đạt giá trị dương cực đại, động cơ quay thuận ở tốc độ định mức $1642\text{ vòng/phút}$.
    • Khi $U_{\text{đk}} = 5,0\text{ V}$ ($\gamma = 0,50$): Điện áp trung bình trên tải bằng $0\text{ V}$, động cơ dừng.
    • Khi $U_{\text{đk}} = 2,5\text{ V}$ ($\gamma = 0,25$): Độ rộng xung điều khiển cặp van 3-4 chiếm ưu thế, điện áp trung bình đảo cực tính sang giá trị âm, động cơ đảo chiều quay nghịch.
  • An toàn chuyển mạch: Tín hiệu kích sau khối tạo trễ đảm bảo khoảng thời gian chết $3,5,\mu\text{s}$ giữa các cặp tín hiệu điều khiển van cùng nhánh, loại trừ hoàn toàn hiện tượng trùng dẫn gây ngắn mạch nguồn DC. Các xung kích qua tầng khuếch đại quang phân tách rõ ràng thành hai kênh riêng biệt cho nhánh van 1-2 và nhánh van 3-4 với biên độ áp đủ lớn để kích mở bão hòa IGBT.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Mặc dù đồ án đã hoàn thành toàn bộ các yêu cầu thiết kế và mô phỏng lý thuyết, công trình vẫn có một số giới hạn kỹ thuật:

  • Phạm vi thực nghiệm: Đề tài mới dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết và mô phỏng trên phần mềm (Proteus, PSIM), chưa tiến hành gia công mạch in (PCB) và lắp ráp phần cứng thực nghiệm để kiểm tra sự tương thích điện từ (EMC) cũng như ảnh hưởng nhiệt độ thực tế lên van công suất.
  • Cấu trúc điều khiển: Hệ thống đang vận hành theo nguyên lý điều khiển vòng hở (Open-loop control), chưa tích hợp mạch phản hồi kín tốc độ (bằng cảm biến Encoder/Tachometer) và phản hồi dòng điện phần ứng (bằng cảm biến dòng Hall) để tự động ổn định tốc độ khi mô-men phụ tải thay đổi.
  • Hướng mở rộng:
    • Chuyển đổi khối điều khiển tương tự (Op-Amp, IC 555) sang điều khiển số sử dụng vi điều khiển chuyên dụng (DSP, ARM STM32 hoặc PIC/Arduino) nhằm tối ưu hóa thuật toán điều khiển số (PID số, điều khiển trượt).
    • Triển khai thi công bo mạch thực tế, tích hợp các khâu bảo vệ quá dòng, quá áp tức thời bằng phần cứng và đo đạc thực nghiệm trên động cơ PMDC $24\text{ V} - 10\text{ A}$.

Giá trị tham khảo

Bản báo cáo đồ án cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị ứng dụng cao trong giảng dạy và học tập:

  • Đối tượng thụ hưởng: Sinh viên, học viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử công suất, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa đang thực hiện đồ án môn học, tiểu luận hoặc khóa luận tốt nghiệp về truyền động điện một chiều.
  • Nội dung tham khảo trọng tâm:
    • Phương pháp luận chi tiết và các bước tính toán thực tế để chọn dòng điện, điện áp định mức cho van bán dẫn công suất (IGBT, Diode) có xét đến hệ số tản nhiệt và hệ số an toàn.
    • Sơ đồ mạch nguyên lý kinh điển của khối điều khiển PWM tương tự hoàn chỉnh gồm mạch phát sóng răng cưa, khâu hạn chế gia tốc, mạch ghim áp và mạch tạo thời gian trễ (dead-time).
    • Quy trình xây dựng mô hình mô phỏng phối hợp giữa Proteus 8.11 (mạch điều khiển) và PSIM (mạch lực).

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ PMDC trong đồ án có các thông số kỹ thuật định mức nào? Động cơ điện một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu sử dụng trong đồ án có điện áp định mức $U_{\text{đm}} = 24\text{ V}$, dòng điện định mức $I_{\text{đm}} = 10\text{ A}$, công suất định mức $P_{\text{đm}} = 0,2\text{ kW}$ ($200\text{ W}$) và tốc độ quay định mức $n_{\text{đm}} = 1642\text{ vòng/phút}$.

2. Mạch điều khiển tạo thời gian trễ (dead-time) nhằm mục đích gì và sử dụng linh kiện nào? Mạch tạo trễ được thiết kế nhằm chống ngắn mạch xuyên thông giữa hai van IGBT mắc thẳng hàng trên cùng một nhánh cầu khi chúng chuyển đổi trạng thái đóng/ngắt. Mạch sử dụng khâu phóng nạp $RC$ ($R = 5\text{ k}\Omega$, $C = 1\text{ nF}$) kết hợp IC logic 74HC14 để tạo thời gian trễ xấp xỉ $3,5,\mu\text{s}$.

3. Dải điện áp điều khiển $U_{\text{đk}}$ được giới hạn trong khoảng nào và quy định tỷ số xung $\gamma$ ra sao? Điện áp điều khiển được khống chế qua mạch hạn chế dùng Diode trong dải từ $2,5\text{ V}$ đến $7,5\text{ V}$, tương ứng với độ rộng xung $\gamma$ từ $0,25$ đến $0,75$. Tại $U_{\text{đk}} = 5\text{ V}$ ($\gamma = 0,5$), điện áp trung bình cấp cho tải bằng $0\text{ V}$; trên $5\text{ V}$ động cơ quay thuận và dưới $5\text{ V}$ động cơ quay ngược.

4. Mã hiệu và thông số định mức của van bán dẫn IGBT được chọn cho mạch băm xung là gì? Van IGBT được chọn là model GA100NA60U có dòng điện cực góp cực đại $I_{c\max} = 100\text{ A}$, điện áp chịu đựng $U_{CE\max} = 600\text{ V}$, công suất tiêu tán $P_{c\max} = 250\text{ W}$, điện áp bão hòa $U_{CE(\text{sat})} = 2,1\text{ V}$, thời gian mở $t_{\text{on}} = 0,8,\mu\text{s}$ và thời gian khóa $t_{\text{off}} = 1,0,\mu\text{s}$.

5. Khâu hạn chế gia tốc điện áp trong mạch điều khiển hoạt động theo nguyên lý nào? Khâu hạn chế gia tốc sử dụng một bộ tích phân đảo bằng Op-Amp kết hợp tụ điện $C_3 = 0,1\text{ mF}$ và điện trở $R_7 = 2\text{ k}\Omega$. Khi điện áp đặt ở đầu vào thay đổi đột ngột (do vặn biến trở nhanh), điện áp đầu ra không tăng tức thì mà tăng tuyến tính theo thời gian xác lập $t_{\text{xl}} = 2\text{ s}$, giúp triệt tiêu dòng quá độ và bảo vệ cơ cấu chấp hành.

Kết luận

Đồ án môn học của nhóm sinh viên Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã hoàn thành toàn diện việc nghiên cứu, thiết kế và tính chọn thiết bị cho hệ truyền động điện băm xung một chiều đảo chiều cấp nguồn cho động cơ PMDC $24\text{ V} - 10\text{ A}$. Các giải pháp mạch lực cầu H dùng IGBT và mạch điều khiển tương tự với đầy đủ các khối chức năng tạo xung răng cưa, hạn chế gia tốc, so sánh PWM, tạo trễ và cách ly quang đều được thiết kế chặt chẽ và tính toán khoa học. Kết quả mô phỏng trên Proteus 8.11 và PSIM đã kiểm chứng sự chính xác của các dạng sóng điện áp, dòng điện và khả năng đảo chiều quay mượt mà của hệ thống, khẳng định tính khả thi của đồ án trong việc ứng dụng vào các hệ thống truyền động công nghiệp quy mô vừa và nhỏ.