Tối ưu hóa ứng dụng của Varistor Oxit Kim loại (MOVs) trong hệ thống động cơ

1. Giới thiệu

Mô-tơ DC chải được sử dụng rộng rãi trong máy móc nhỏ gọn, công cụ điện, đồ chơi và điện tử ô tô nhờ cấu trúc đơn giản, chi phí thấp và khả năng kiểm soát linh hoạt. Hoạt động của chúng dựa trên quá trình chuyển mạch thông qua chổi than và bộ chuyển mạch, điều này cho phép quay liên tục bằng cách chuyển đổi dòng điện định kỳ trong cuộn dây rô-to.
Bất chấp những thách thức như mài mòn chổi than và nhiễu điện, mô-tơ có chổi vẫn không thể thay thế trong một số ứng dụng nhất định do đặc tính kiểm soát tốc độ tuyệt vời và độ tin cậy cấu trúc đã được chứng minh.

2. Vấn đề Nhiễu Điện Từ và Chiến Lược Bảo Vệ

Trong quá trình vận hành, mô-tơ có chổi tạo ra tia lửa điện và các đợt tăng điện áp tức thời khi chuyển mạch chổi than, dẫn đến:

Các đợt tăng điện áp mạnh có thể làm hỏng các thành phần mạch điện nhạy cảm.

EMI quá mức (P干擾 điện từ) có thể ngăn cản việc tuân thủ các tiêu chuẩn EMC.

Mặc dù bộ lọc BDL (bộ lọc thông thấp được tạo thành từ cuộn cảm chế độ chung và tụ điện) thường được sử dụng để giảm tiếng ồn, nhưng chúng đôi khi không đủ trong các môi trường phức tạp. Do đó, việc tích hợp Varistor Oxit Kim Loại (MOVs) song song trong mạch được khuyến nghị là giải pháp bảo vệ xung điện đáng tin cậy và hiệu quả.

3. Nguyên lý hoạt động của MOVs

MOVs là thiết bị kẹp với đặc tính dòng điện-năng lượng không tuyến tính, được cấu thành từ tinh thể vi mô oxit kẽm nén và vật liệu cách điện có điện trở cao.
Trong điều kiện điện áp bình thường, MOVs có điện trở cực kỳ cao và không dẫn điện. Khi điện áp được áp dụng vượt quá ngưỡng, một con đường điện trở thấp sẽ hình thành bên trong thiết bị, nhanh chóng dẫn dòng và kẹp điện áp quá mức xuống mức an toàn, từ đó bảo vệ các thành phần phía sau khỏi hư hại do xung điện.

4. So sánh với điốt TVS

Điốt TVS (Transient Voltage Suppression) sử dụng các kết nối PN bán dẫn và lý tưởng cho việc bảo vệ dữ liệu tốc độ cao, tần số cao. Ngược lại, MOV, là hợp chất gốm đa tinh thể, cung cấp khả năng hấp thụ năng lượng cao hơn và khả năng xử lý dòng điện lớn hơn, khiến chúng phù hợp cho đường dây điện AC và thiết bị công suất cao.
Ngoài ra, do có điện dung ký sinh tương đối lớn, MOV có thể thay thế 2 đến 5 tụ điện lọc rời rạc trong một số mạch, góp phần tối ưu hóa thiết kế tổng thể.

5. Các thông số chính của MOV

Vrms / Vw: Điện áp hoạt động liên tục tối đa mà không kích hoạt.

IL: Dòng rò rỉ dưới điện áp hoạt động tối đa, thông thường ≤ 20 μA.

V1mA: Điện áp phá vỡ được đo ở dòng 1 mA, gần với ngưỡng kích hoạt của thiết bị.

Vc: Điện áp kẹp tối đa dưới dạng xung tiêu chuẩn 8/20 μs (thời gian dâng 8 μs, thời gian nửa đỉnh 20 μs).

IPP: Khả năng chịu dòng xung đỉnh dưới điều kiện thử nghiệm quy định (xung 8/20 μs, hai xung, khoảng cách 2 phút).

6. Ứng dụng Bao bì SMD

Đối với động cơ DC chổi nhỏ và sản phẩm điện tử mini, các MOV loại SMD được khuyến nghị. Những thành phần này có kích thước nhỏ gọn và dễ lắp đặt, lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu bảo vệ xung điện có thời gian ngắn và biên độ thấp.

7. Ứng dụng Gói DIP

Đối với động cơ công suất cao và bộ truyền động công nghiệp, MOV dạng DIP (chạy qua lỗ) là lựa chọn phù hợp hơn. Các thiết bị này có kích thước lớn hơn và khả năng xử lý dòng điện tốt hơn, hiệu quả trong việc quản lý các xung năng lượng cao và đảm bảo sự ổn định của mạch điều khiển trong môi trường khắc nghiệt.

8. Hướng dẫn Chọn Lọc

Việc chọn MOV nên xem xét điện áp hoạt động của động cơ, năng lượng xung cho phép và các hạn chế về không gian:

Thiết bị công suất thấp → Dòng MOV SMD

Hệ thống công suất trung bình đến cao → MOV loại DIP

Việc kết hợp MOV với bộ lọc BDL cũng được khuyến nghị để tăng cường hiệu suất suppression EMI tổng thể.

9. Kết quả Thử Nghiệm So Sánh

Không có bảo vệ: Quan sát thấy tiếng ồn EMI đáng kể và tác động xung mạnh.

Với giải pháp MOV + BDL: Điện áp đột biến được kìm hãm hiệu quả, mức EMI được giảm xuống, và kết quả thử nghiệm ổn định và tuân thủ.

Để phân tích chính xác, cần khuyến nghị các hình sin của máy oscilloscope trước và sau sự kiện đột biến, cùng với các phép đo phổ EMI.

10. Ưu điểm và Hạn chế của MOVs

Ưu điểm:

Tiết kiệm chi phí

Công nghệ trưởng thành và hiệu suất ổn định

Khả năng chịu dòng điện cao

Thời gian phản ứng nhanh

Giảm nhu cầu về các thành phần lọc bổ sung

Hạn Chế:

Kích thước tương đối lớn, không lý tưởng cho các thiết kế tích hợp cao

Dung kháng ký sinh cao, không phù hợp cho các đường tín hiệu tốc độ cao

Lưu ý khi sử dụng:

Hoạt động trong phạm vi nhiệt độ được chỉ định

Tránh làm sạch với các dung môi cực mạnh

Ngăn ngừa ứng suất cơ học hoặc biến dạng

Cố định các thành phần trước khi uốn chân, giữ khoảng cách ≥ 2mm từ lớp cách điện

11. Kết luận

Trong môi trường EMC phức tạp, việc chọn các thành phần bảo vệ xung điện phù hợp với nhu cầu ứng dụng cụ thể là điều cần thiết cho sự ổn định lâu dài của hệ thống điều khiển động cơ.
MOVs cung cấp giải pháp EMC hiệu quả về chi phí cho hệ thống động cơ có thanh chải nhờ khả năng xử lý dòng điện tốt, giá cả phải chăng và quy trình sản xuất trưởng thành. Chúng tôi hy vọng phân tích này mang lại những thông tin hữu ích và hướng dẫn thực tiễn cho các kỹ sư trong lĩnh vực này.