Ngày nay với sự phát triển của khoa học kĩ thuật thì điều khiển tự động hóa đã trở thành vấn đề không thể thiếu trong các ngành công nghiệp. Một trong những vấn đề quan trọng đó chính là vận hành các dây chuyền sản xuất một cách ổn định thông quá việc điều chỉnh tốc độ động cơ. Điều khiển tốc độ động cơ không chỉ được ứng dụng trong các hệ thống nhỏ mà còn được sử dụng rộng rãi trong những hệ thống yêu cầu cao. Vì vậy nhóm em được giao đề tài : “Thiết kế mạch chỉnh lưu một pha 2 nửa chu kỳ dùng MBA có điểm giữa điều khiển động cơ điện một chiều ổn định tốc độ, Uvào= 12VAC, Ura= 0 – 12VDC “ để hiểu rõ hơn về nguyên lý điều khiển và xây dựng bộ điều khiển tốc độ động cơNội dung đồ án gồm 3 chương:Chương 1: Tổng quan về công nghệChương 2: Mô phỏngChương 3: Thực nghiệm
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN MÃ HỌC PHẦN: Giảng viên: Lớp: Nhóm sinh viên: Đồ án KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN MÃ HỌC PHẦN: ĐỀ TÀI: Thiết kế mạch chỉnh lưu pha nửa chu kỳ dùng MBA có điểm điều khiển động điện chiều ổn định tốc độ, Uvào= 12VAC, Ura= – 12VDC Giảng viên: Lớp: Nhóm sinh viên: Đồ án – N03 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 1.1 Mạch chỉnh lưu pha hai nửa chu kỳ có điểm .2 1.1.1 Khái quát mạch chỉnh lưu 1.1.2 Van bán dẫn tiristor 1.1.3 Mạch chỉnh lưu pha hai nửa chu kỳ có điều khiển 1.2 Động chiều nam châm vĩnh cửu 1.2.1 Khái quát động chiều .8 1.2.2 Động chiều nam châm vĩnh cửu 1.3 Điều khiển tốc độ động điện chiều .11 1.3.1 Khái niệm chung 11 1.3.2 Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng cho động .12 CHƯƠNG II: MÔ PHỎNG 16 2.1 Xây dựng tính tốn đối tượng điều khiển 16 2.1.1 Lựa chọn đối tượng điều khiển 16 2.1 Tính tốn thơng số 17 2.2 Xây dựng mơ hình điều khiển ổn định tốc độ động 18 2.3 Mô Matlab 20 2.3.1 Mơ mơ hình động Matlab 20 2.3.2 Mơ mơ hình điều khiển tốc độ Matlab 23 CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM 26 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 26 3.2 Xây dựng mạch động lực 26 3.2.1 Xây dựng mạch công suất 26 3.2.2 Khâu phản hồi tốc độ 33 3.3 Xây dựng mạch điều khiển .34 3.3.1 Tổng quát điều khiển PID 34 3.3.2 Xây dựng khâu điện áp đặt 36 3.3.3 Xây dựng khâu mạch trừ 36 3.3.4 Xây dựng khâu PID 37 3.3.5 Xây dựng mạch cộng điện áp 38 3.3.6 Tính chọn thiết bị 38 3.4 Sơ đồ toàn mạch .40 3.4.1 Sơ đồ mạch 40 3.4.2 Thuyết minh mạch 41 3.5 Lắp đặt, vận hành đánh giá kết 42 3.5.1 Liệt kê thiết bị 42 3.5.2 Lắp đặt mạch thực tế 44 3.5.3 Đánh giá kết 45 KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 LỜI MỞ ĐẦU Ngày với phát triển khoa học kĩ thuật điều khiển tự động hóa trở thành vấn đề thiếu ngành công nghiệp Một vấn đề quan trọng vận hành dây chuyền sản xuất cách ổn định thông việc điều chỉnh tốc độ động Điều khiển tốc độ động không ứng dụng hệ thống nhỏ mà sử dụng rộng rãi hệ thống yêu cầu cao Vì nhóm em giao đề tài : “Thiết kế mạch chỉnh lưu pha nửa chu kỳ dùng MBA có điểm điều khiển động điện chiều ổn định tốc độ, Uvào= 12VAC, Ura= – 12VDC “ để hiểu rõ nguyên lý điều khiển xây dựng điều khiển tốc độ động Nội dung đồ án gồm chương: Chương 1: Tổng quan công nghệ Chương 2: Mô Chương 3: Thực nghiệm CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 1.1 Mạch chỉnh lưu pha hai nửa chu kỳ có điểm 1.1.1 Khái quát mạch chỉnh lưu a Khái niệm - Chỉnh lưu trình biến đổi lượng dòng điện xoay chiều thành dòng điện chiều - Mạch chỉnh lưu mạch điện điện tử chứa linh kiện điện tử có tác dụng biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện chiều Mạch chỉnh lưu dùng nguồn chiều mạch tách sóng tín hiệu vơ tuyến thiết bị vô tuyến - Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu Hình 1: Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu + Biến áp: Dùng để chuyển từ điện áp quy chuẩn lưới điện xoay chiều sang điện áp thích hợp với yêu cầu tải + Mạch van: van bán dẫn mắc với theo cách để tiến hành trình chỉnh lưu + Mạch lọc nhằm đảm bảo điện áp ( dòng điện) chiều cấp cho tải phẳng theo yêu cầu b Phân loại mạch chỉnh lưu - Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: pha, hai pha, ba pha,… - Phân loại theo hai bán dẫn mạch van + Mạch van dùng toàn diot gọi chỉnh lưu khơng điều khiển + Mạch van dùng tồn tiristo gọi chỉnh lưu điều khiển + Mạch chỉnh lưu dùng hai loại diot tiristo gọi chỉnh lưu bán điều khiển - Phân loại theo sơ đồ mắc van với Sơ đồ hình tia Sơ đồ cầu 1.1.2 Van bán dẫn tiristor a Khái niệm Tiristor hay gọi chỉnh lưu silic có điều khiển ( Silicon Controlled Rectifier ) Tiristor phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn linh kiện sử dụng rộng rãi thiết bị điện tử Thyristor chất điốt ghép từ transistor với hai chiều đối nghịch điều khiển Chúng hoạt động cấp điện Và khơng có điện tự động ngắt, trở trạng thái ngưng dẫn Thyristor thường thường dùng cho chỉnh lưu dịng điện có điều khiển Hình 2: Tiristo Kí hiệu: Hình 3: Kí hiệu tiristo b Cấu tạo Là phần tử bán dẫn cấu tạo từ lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo lớp tiếp giáp p-n : J1,J2,J3 Tiristor có cực : anode (A), cathode (K), gate (G) cực điều khiển Hình 4: Cấu trúc bán dẫn c Nguyên lý hoạt động Hình 5: Đặc tính vơn-ampe tiristor - Khi dịng vào cực điều khiển tiristo 0: Khi điên áp hai tiếp giáp , phân cực ngược, lớp phân cực thuận Qua tiristo có dịng điện nhỏ gọi dòng rò Khi tăng đạt đến giá trị điện áp lớn xảy tượng tiristo bị đánh thủng Lúc tiristo bị hỏng Khi , hai tiếp giáp , phân cực thuận, lớp phân cực ngược Cho đến tăng đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, xảy tượng điện trở tương đương mạch A – K đột ngột giảm Khi dịng qua tiristo lớn mức dịng tối thiểu tiristo dẫn dịng đường đặc tính thuận - Trường hợp có dịng điện vào cực điều khiển Nếu có dòng điều khiển dựa vào cực điều khiển catot, trình chuyển điểm làm việc đường đặc tính thuận xảy sớm Nếu dịng điều khiển lớn điểm chuyển đặc tính làm việc xảy với nhỏ d Các thông số tiristo - Giá trị dịng trung bình cho phép chạy qua Thysistor, Iv - Điện áp ngược cho phép lớn nhất, Ungc.max - Tốc độ tăng điện áp cho phép, dU/dt (V/µs) - Tốc độ tăng dịng cho phép, dI/dt (A/µs) 1.1.3 Mạch chỉnh lưu pha hai nửa chu kỳ có điều khiển Hình 6: Sơ đồ mạch chỉnh lưu pha hai nửa chu kỳ Mạch sử dụng nhiều dải công suất nhỏ, phần nguồn cho mạch điều khiển Với cấp điện áp 100V dịng tải khơng lớn vài Ampe thường dùng lọc tụ điện Trường hợp dùng lọc kiểu điện cảm dịng điện tải cho phép tăng đến hàng chục Ampe Loại chỉnh lưu chiếm ưu so với chỉnh lưu sơ đồ cầu điện áp tải thấp 10V sụt áp mạch van thấp Nhược điểm chỉnh lưu hình tia buộc phải có biến áp nguồn để tạo điểm cho mạch hoạt động được, mặt khác công suất máy biến áp lớn gấp 1,5 lần so với công suất chiều cần thiết tải Hình 1.5 đồ thị minh họa hoạt động với dạng tải, I g xung dòng điện đưa vào cực điều khiển thyristor thời điểm góc α quy định, xung hai van cách nửa chu kỳ điện áp nguồn (180o điện) + Với dạng tải trở (hình 1.5a) dịng i d đồng dạng với ud tuân theo luật với khác biệt Uđo = 0,9U2 + Hai dạng hình kia, với giả thiết điện cảm Ld đủ lớn để coi dòng điện tải id liên tục phẳng (đồ thị hình 1.5b), có chung quy luật điều chỉnh: Udα = Ud0.cosα - Uγ Trong đó: Uγ sụt áp chuyển mạch trùng dẫn tính theo biểu thức Hình 7: Đồ thị làm việc chỉnh lưu hình tia hai pha a) Tải trở; b) Tải RL RLE ( dòng liên tục) Sự khác biệt hai dạng tải thể biểu thức dòng tải: + Tải RL: Id = Udα/Rd + Tải RLE: Id = (Udα-Ed)/Rd 1.2 Động chiều nam châm vĩnh cửu 1.2.1 Khái quát động chiều U9 +15V 7815 C10 1N4007 VO GND VI R16 C8 1.5k 1000u 1000u A D10 D7 K K LED-BLUE D9 TR3 LED-BLUE C9 GND 1000u D11 A TRSAT2P3S VI 1N4007 C12 R17 1000u 1.5k VO U10 7915 -15V Hình 16: Sơ đồ mạch tạo nguồn lưỡng cực +15V U13 +15V +15V R1 R5 10k +15V U15 10k U +15V LM741 10k R6 -15V R2 10k Ui 10k -15V LM741 100k Uph R3 LM741 -15V U14 LM741 10k Uset 10k RV4 U12 7 10k 50% Uset 50% R4 U11 LM741 +15V RV6 Up RV5 -15V C11 10u Hình 17: Sơ đồ mạch điều khiển 35 R7 10k R8 10k -15V TR1 TRAN-2P3S R9 10k +15V U5 16 Udk R8 13 12 10 R8 10k 11 10k RV1 50k VSYNC V11 INHIBIT L C12 C10 R9 VS GND 14 15 Q1 Q1 Q2 Q2 QU QZ D1 DFLR1200 R10 C2 1nF 47nF U3 R12 1k U2 MCR12DCMT4 MOC3021 VREF D2 C1 1k R11 TCA785 DFLR1200 U4 1k R13 U1 1k MCR12DCMT4 MOC3021 Uph Hình 18: Sơ đồ mạch cơng suất 3.4.2 Thuyết minh mạch Nguồn lưỡng cực tạo thông qua hai IC 7815 7915 để cấp nguồn cho mạch điều khiển Tín hiệu đặt điều chỉnh thông qua biến trở RV6 Sau qua mạch khuếch đại lặp nhằm giúp ổn định tín hiệu đặt đưa vào mạch trừ để trừ tín hiệu phản hồi Tín hiệu phản hồi lấy từ máy phát tốc đưa chân đảo ngược IC Tín hiệu U = Uset – Uph đưa vào điều khiển PI để điều chỉnh tín hiệu điều khiển Bộ PI điều chỉnh thông qua hai biến trở RV4 RV5 Tín hiệu điều khiển từ PI sau qua mạch cộng không đảo đươc đưa vào chân số 11 IC TCA 785 để làm tín hiệu điều khiển IC Tca 785 chân số lấy tín hiệu động từ mạch cơng suất để tạo điện áp cưa Điện áp so sánh với điện áp điều khiển Khi 36 Urc = Udk ic phát xung hai chân 14, 15 để đóng mở tiristor theo tín hiệu điều khiển 3.5 Lắp đặt, vận hành đánh giá kết 3.5.1 Liệt kê thiết bị Bảng 1: Thiết bị lắp mạch ST Tên T Biến trở Điện trở Lm741 Động Biến áp IC 7815 Hình ảnh 37 IC 7915 Tụ gốm Tụ hóa 10 Led 11 Diode 3.5.2 Lắp đặt mạch thực tế a Lắp đặt mạch hở 38 Hình 19: Mạch điều khiển vịng hở - Với điện áp đặt 0V Hình 20: Điện áp vào động tín hiệu đặt 0V 39 - Khi đặt điên áp 2V Hình 21: Điện áp vào động tín hiệu đặt V - Khi ta tác động vào đầu trục Hình 22: Khi ta tác động vào đầu trục động 40 Link video: https://drive.google.com/file/d/1trvuMN7jmJI1UoO6ofgs4mQBtJFKJVln/view? usp=sharing https://drive.google.com/file/d/1M1J0zLBFost55IZTC2aEziliF2X9UHC1/view? usp=sharing - Đánh giá nhận xét: Hệ thống mạch hoạt động ổn định Dải điều khiển khoảng từ – 10V Đối với điện áp 0V động chạy với điện áp lớn 17.55V Với điện áp 10V động dừng chạy Khi ta giữ vào đầu trục động tốc độ động giảm nhanh mạch vòng hở nên hệ thơng đáp ứng cịn b Đối với mạch vịng kín 41 Hình 23: Mạch điều khiển vịng kín - Khi điện áp đặt 2V Hình 24: Mạch vịng kín điện áp đặt 2V - Khi ta tác dụng vào đầu trục 42 Hình 25: Khi tác động vào đầu trục động Linkvideo: https://drive.google.com/file/d/1IA5a34QJIB7iItLBTm9FVVvXPdbMFnfa/view? usp=sharing - Đánh giá kết Hệ thống mạch hoạt động tương đối ổn định Tín hiệu có giá trị sấp sỉ gần tín hiệu đặt Khi đặt tín hiệu điều khiển 0V điện áp cấp cho đông 15.1 V Khi tín hiệu đặt 10 V động dừng Khi ta tác động cản vào trục động cơ, tốc độ đông giảm dần tăng trở lại sấp sỉ với giá trị ban đầu Ở mạch vòng kín ghì trục động khó so với mạch vịng hở mạch vịng kín có phản hồi nên hệ thống cố gắng trì tốc độ với tín hiệu đặt - Nguyên nhân gây sai số: + Do làm tròn tính tốn lựa chọn thiết bị 43 + Trong q trình thực nghiệm thơng số đo đạc bị làm trịn nên hiệu chỉnh chưa xác + Sai số thiết bị linh kiện 44 KẾT LUẬN Trong trình thực đề tài: “ Thiết kế mạch chỉnh lưu pha nửa chu kỳ dùng MBA có điểm điều khiển động điện chiều ổn định tốc độ, Uvào= 12VAC, Ura= – 12VDC “, em hoàn thiện đạt yêu cầu sau: + Tính tốn mơ điều khiển PI điều khiển ổn định tốc độ động Matlab + Tính tốn xây dựng điều khiển PI thực từ mạch khuếch đai + Xây dựng mạch thực mơ hình điều khiển ổn định tốc độ động Tuy nhiên trình làm đề tài thời gian kiến thức cịn có hạn nên việc xây dựng thiết đề điều khiển đồ án cịn nhiều sai xót Em mong nhận bảo góp ý thầy để hồn thiện đề tài cách tốt Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ, hướng dẫn tận tình thầy … giúp em q trình hồn thiện đề tài Em xin chân thành cảm ơn! 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu “ Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất” – Phạm Quốc Hải – NXB Khoa học kỹ thuật Giáo trình “Điện tử cơng suất” – NXB Trường đại học Hàng Hải Việt Nam Giáo trình “Điện tử số : - Trường đại học Hàng Hải Việt Nam Datasheet Một số tài liệu liên quan khác 46 ... : ? ?Thiết kế mạch chỉnh lưu pha nửa chu kỳ dùng MBA có điểm điều khiển động điện chiều ổn định tốc độ, Uvào= 12VAC, Ura= – 12VDC “ để hiểu rõ nguyên lý điều khiển xây dựng điều khiển tốc độ động. ..KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN MÃ HỌC PHẦN: ĐỀ TÀI: Thiết kế mạch chỉnh lưu pha nửa chu kỳ dùng MBA có điểm điều khiển động điện chiều ổn định tốc độ, ... thiết bị linh kiện 44 KẾT LUẬN Trong trình thực đề tài: “ Thiết kế mạch chỉnh lưu pha nửa chu kỳ dùng MBA có điểm điều khiển động điện chiều ổn định tốc độ, Uvào= 12VAC, Ura= – 12VDC “, em hoàn thiện