Sử dụng PWM như một kỹ thuật chuyển mạch
Điều chế độ rộng xung (PWM) là một kỹ thuật thường được sử dụng để điều khiển nguồn điện một chiều cho một thiết bị điện, được thực hiện bởi các công tắc nguồn điện tử hiện đại. Tuy nhiên, nó cũng tìm thấy vị trí của mình trong máy cắt AC. Giá trị trung bình của dòng điện cung cấp cho tải được điều khiển bởi vị trí công tắc và thời gian trạng thái của nó. Nếu thời gian Bật của công tắc dài hơn so với thời gian tắt của nó, tải nhận được công suất tương đối cao hơn. Do đó, tần số chuyển mạch PWM phải nhanh hơn.
Thông thường, việc chuyển mạch phải được thực hiện nhiều lần trong một phút trong bếp điện, 120 Hz trong bộ điều chỉnh độ sáng đèn, từ vài kilohertz (kHz) đến hàng chục kHz đối với ổ đĩa động cơ. Tần số chuyển mạch cho bộ khuếch đại âm thanh và bộ nguồn máy tính là khoảng 10 đến hàng trăm kHz. Tỷ lệ giữa thời gian BẬT và khoảng thời gian của xung được gọi là chu kỳ làm việc. Nếu chu kỳ nhiệm vụ thấp, nó có nghĩa là điện năng thấp.
Tổn thất điện năng trong thiết bị đóng cắt là rất thấp, do lượng dòng điện chạy gần như không đáng kể ở trạng thái tắt của thiết bị và lượng điện áp giảm không đáng kể ở trạng thái TẮT. Các điều khiển kỹ thuật số cũng sử dụng kỹ thuật PWM. WM cũng đã được sử dụng trong một số hệ thống truyền thông nhất định nơi chu kỳ nhiệm vụ của nó được sử dụng để truyền tải thông tin qua một kênh truyền thông.
PWM có thể được sử dụng để điều chỉnh tổng lượng điện năng cung cấp cho tải mà không có tổn thất thường phát sinh khi việc truyền tải điện bị giới hạn bởi phương tiện điện trở. Hạn chế là các xung được xác định bởi chu kỳ làm việc, tần số chuyển mạch và đặc tính của tải. Với tần số chuyển mạch đủ cao và khi cần thiết, sử dụng các bộ lọc điện tử thụ động bổ sung, tàu xung có thể được làm mịn và phục hồi dạng sóng tương tự trung bình. Hệ thống điều khiển PWM tần số cao có thể dễ dàng thực hiện bằng cách sử dụng các công tắc bán dẫn.
Như đã nêu ở trên, hầu như không có nguồn nào bị tiêu tán bởi công tắc ở trạng thái bật hoặc tắt. Tuy nhiên, trong quá trình chuyển đổi giữa các trạng thái bật và tắt, cả điện áp và dòng điện đều khác không và do đó công suất đáng kể bị tiêu tán trong các công tắc. May mắn thay, sự thay đổi trạng thái giữa bật hoàn toàn và tắt hoàn toàn là khá nhanh (thường dưới 100 nano giây) so với thời gian bật hoặc tắt thông thường, và do đó, mức tiêu hao năng lượng trung bình khá thấp so với công suất được phân phối ngay cả khi tần số chuyển đổi cao. được sử dụng.
Sử dụng PWM để cung cấp nguồn DC để tải
Hầu hết các quá trình công nghiệp yêu cầu phải được chạy trên một số thông số nhất định có liên quan đến tốc độ của biến tần. Hệ thống truyền động điện được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp đòi hỏi hiệu suất cao hơn, độ tin cậy, tốc độ thay đổi do dễ điều khiển. Các điều khiển tốc độ của động cơ DC rất quan trọng trong các ứng dụng cần độ chính xác và bảo vệ. Mục đích của bộ điều khiển tốc độ động cơ là lấy tín hiệu đại diện cho tốc độ cần thiết và điều khiển động cơ ở tốc độ đó.
Điều chế độ rộng xung (PWM), như nó áp dụng cho điều khiển động cơ, là một cách cung cấp năng lượng thông qua liên tiếp các xung thay vì tín hiệu (tương tự) liên tục. Bằng cách tăng hoặc giảm độ rộng xung, bộ điều khiển sẽ điều chỉnh dòng năng lượng đến trục động cơ. Điện cảm của chính động cơ hoạt động giống như một bộ lọc, lưu trữ năng lượng trong chu kỳ “BẬT” đồng thời giải phóng nó với tốc độ tương ứng với tín hiệu đầu vào hoặc tín hiệu tham chiếu. Nói cách khác, năng lượng chảy vào tải không quá tần số chuyển mạch, mà ở tần số tham chiếu.
Mạch được sử dụng để điều khiển tốc độ của Động cơ DC bằng cách sử dụng kỹ thuật PWM. Bộ điều khiển động cơ DC tốc độ thay đổi dòng 12V sử dụng IC hẹn giờ 555 làm bộ phát xung PWM để điều chỉnh tốc độ động cơ DC12 Volt. IC 555 là Chip Timer phổ biến dùng để làm mạch hẹn giờ. Nó được giới thiệu vào năm 1972 bởi Signetics. Nó được gọi là 555 vì có ba điện trở 5 K bên trong. IC bao gồm hai bộ so sánh, một chuỗi điện trở, một Flip Flop và một tầng đầu ra. Nó hoạt động ở 3 chế độ cơ bản - Astable, Monostable (trong đó nó hoạt động một bộ tạo xung một lần và chế độ Bistable. Nghĩa là, khi nó được kích hoạt, đầu ra sẽ tăng cao trong một khoảng thời gian dựa trên các giá trị của điện trở định thời và tụ điện. Trong Chế độ Astable (AMV), IC hoạt động như một bộ điều khiển đa sóng chạy tự do. Đầu ra chuyển sang mức cao và thấp liên tục để cung cấp đầu ra xung như một bộ dao động. Ở chế độ Bistable còn được gọi là bộ kích hoạt Schmitt, IC hoạt động như một Flip-Flop với hoặc đầu ra thấp trên mỗi lần kích hoạt và đặt lại.
Trong mạch này, IRF540 MOSFET được sử dụng. Đây là MOSFET nâng cao kênh N. Đây là một MOSFET công suất tiên tiến được thiết kế, thử nghiệm và đảm bảo chịu được mức năng lượng quy định trong chế độ hoạt động do tuyết rơi. MOSFET công suất này được thiết kế cho các ứng dụng như bộ điều chỉnh chuyển mạch, bộ chuyển đổi chuyển đổi, trình điều khiển động cơ, trình điều khiển rơle và trình điều khiển cho bóng bán dẫn chuyển mạch lưỡng cực công suất cao yêu cầu tốc độ cao và công suất truyền động cổng thấp. Các loại này có thể được vận hành trực tiếp từ các mạch tích hợp. Điện áp làm việc của mạch này có thể được điều chỉnh theo nhu cầu của động cơ DC điều khiển. Mạch này có thể hoạt động từ 5-18VDC.
Mạch trên tức là Điều khiển tốc độ động cơ DC bằng PWM kỹ thuật thay đổi chu kỳ nhiệm vụ mà lần lượt điều khiển tốc độ của động cơ. IC 555 được kết nối ở chế độ ổn định chạy miễn phí nhiều bộ rung. Mạch bao gồm sự sắp xếp của một chiết áp và hai điốt, được sử dụng để thay đổi chu kỳ làm việc và giữ tần số không đổi. Khi điện trở của biến trở hoặc chiết áp thay đổi, chu kỳ làm việc của các xung áp dụng cho MOSFET thay đổi và do đó, nguồn DC cho động cơ thay đổi và do đó tốc độ của nó tăng khi chu kỳ làm việc tăng.
Sử dụng PWM để cung cấp nguồn AC để tải
Các thiết bị chuyển mạch bán dẫn hiện đại như MOSFET hoặc bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện (IGBT) là những thành phần khá lý tưởng. Do đó có thể xây dựng các bộ điều khiển hiệu quả cao. Thông thường, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển động cơ xoay chiều có hiệu suất tốt hơn 98%. Bộ nguồn chuyển mạch có hiệu suất thấp hơn do mức điện áp đầu ra thấp (thường thậm chí cần ít hơn 2 V đối với bộ vi xử lý) nhưng vẫn có thể đạt được hiệu suất hơn 70-80%.
Loại điều khiển cho AC là phương pháp góc bắn trễ công suất đã biết. Nó rẻ hơn và tạo ra nhiều tiếng ồn điện và sóng hài so với điều khiển PWM thực sự phát triển tiếng ồn không đáng kể.
Trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như sưởi ấm công nghiệp, điều khiển ánh sáng, động cơ cảm ứng khởi động mềm và bộ điều khiển tốc độ cho quạt và máy bơm yêu cầu điện áp xoay chiều thay đổi từ nguồn xoay chiều cố định. Việc điều khiển góc pha của bộ điều chỉnh đã được sử dụng rộng rãi cho các yêu cầu này. Nó cung cấp một số lợi thế như đơn giản và khả năng kiểm soát lượng điện năng lớn một cách tiết kiệm. Tuy nhiên, góc bắn trễ gây ra sự gián đoạn và nhiều sóng hài trong dòng tải và hệ số công suất trễ xảy ra ở phía AC khi góc bắn tăng lên.
Những vấn đề này có thể được cải thiện bằng cách sử dụng PWM AC chopper. Bộ cắt AC PWM này cung cấp một số ưu điểm như dòng điện đầu vào hình sin với hệ số công suất gần như thống nhất. Tuy nhiên, để giảm kích thước bộ lọc và cải thiện chất lượng của bộ điều chỉnh đầu ra, tần số chuyển mạch nên được tăng lên. Điều này gây ra tổn thất chuyển mạch cao. Một vấn đề khác là sự hoán vị giữa công tắc chuyển S1 với công tắc quay tự do S2. Nó gây ra tăng đột biến hiện tại nếu cả hai công tắc được bật cùng một lúc (ngắn mạch) và tăng đột biến điện áp nếu cả hai công tắc bị tắt (không có đường dẫn tự do). Để tránh những vấn đề này, RC snubber đã được sử dụng. Tuy nhiên, điều này làm tăng tổn thất điện năng trong mạch và khó khăn, tốn kém, cồng kềnh và không hiệu quả cho các ứng dụng công suất cao. Máy cắt điện xoay chiều với chuyển mạch điện áp bằng không (ZCS-ZVS) được đề xuất. Bộ điều chỉnh điện áp đầu ra của nó cần thay đổi thời gian đóng ngắt được điều khiển bởi tín hiệu PWM. Do đó, cần phải sử dụng điều khiển tần số để đạt được chuyển mạch mềm và các hệ thống điều khiển chung sử dụng kỹ thuật PWM tạo ra thời gian bật chuyển mạch. Kỹ thuật này có những ưu điểm như điều khiển đơn giản với điều chế sigma-delta và tiếp tục dòng điện đầu vào. Các tính năng của cấu hình mạch đề xuất và các mẫu cắt PWM được trình bày dưới đây.
