Tính toán, thiết kế, chế tạo mạch điều khiển và ổn định tốc độ động cơ DC

Tính toán, thiết kế, chế tạo mạch điều khiển và ổn định tốc độ động cơ DC

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH II Trường ĐHSP Kỹ thuật Hưng Yên Khoa điện - điện tử Cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ĐỒ ÁN MÔN HỌC Sinh viên thực hiện : 1. Nguyễn Văn Thức 2. Nguyễn Thị Vân 3. Phạm Đăng Hưng Lớp : 112071 Khoá học : 2007-2012 Ngành đào tạo : Tên đề tài: Tính toán, thiết kế, chế tạo mạch điều khiển và ổn định tốc độ động cơ DC v Số liệu cho trước: - Các trang thiết bị đo, kiểm tra, biến tần, nguồn công suất tại xưởng thực tập, thí nghiệm điện - Các tài liệu, giáo trình chuyên môn. v Nội dung cần hoàn thành: 1. Lập kế hoạch thực hiện Page 1 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH II 2. Phân tích một số phương pháp, đặc điểm, yêu cầu mạch điều chỉnh ổn định tốc độ động cơ DC. 3. Tính toán, thiết kế, chế tạo mạch điều chỉnh và ổn định tốc độ động cơ DC đảm bảo yêu cầu: - P = 300-370W; U = 220V ( Các thồng tin khác được khảo sát trên động cơ tại phòng TNMĐ) - Dải điều chỉnh D = 1/8 - Sai lệch tĩnh 10%. - Kiểm tra chạy thử sản phẩm. 4. Sản phẩm của đề tài đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật. Quyển thuyết minh và các bản vẽ mô tả đầy đủ nội dung của đề tài. 5. Trình bày quyển thuyết minh theo yêu cầu: font – times new roman; lề phải 2.5cm; lề trái 3cm; cách trên 2cm, cách dưới 2cm; đề mục các chương (phần) chữ viết hoa cỡ 13, các đề mục chính chữ thường in đậm, nội dung chính chữ 14. Cấu trúc thuyết minh theo yêu cầu hiện hành của bộ môn. Giáo viên hướng dẫn: 1. Nguyễn Đình Hùng Ngày giao đề tài: 18-10-2010 Ngày hoàn thành: 18-12-2010 Page 2 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH II YÊU CẦU THỰC HIỆN 1. SV TỰ LẬP KẾ HOẠCH THỰC HIỆN VÀ THÔNG QUA GVHD NGAY TUẦN ĐẦU TIÊN. 2. MỖI TUẦN 1 LẦN SV PHẢI CHỦ ĐỘNG THÔNG QUA NỘI DUNG ĐỒ ÁN (NHỮNG NỘI DUNG ĐƠN GIẢN NGẮN GỌN CÓ THỂ THÔNG QUA MAIL KHI ĐƯỢC SỰ THỐNG NHẤT CỦA GV). 3. CHẾ TẠO SẢN PHẨM CẦN ĐƯỢC THỰC HIỆN NGAY SAU TUẦN THỨ 2 VÀ CẦN THƯỜNG XUYÊN THÔNG QUA GVHD, KẾ HOẠCH THÔNG QUA ĐỘT XUẤT ĐƯỢC BÁO TRƯỚC CHO GVHD 01 NGÀY. 4. KHI THÔNG QUA ĐỀ TÀI SV PHẢI MANG ĐẦY ĐỦ CÁC HỌC LIỆU CÓ LIÊN QUAN (VD: TÀI LIỆU THAM KHẢO, BẢN VẼ NGUYÊN LÝ, SƠ ĐỒ BOARD, CATALOG….) 5. TRONG THỜI GIAN THỰC HIỆN NẾU SV KHÔNG THỰC HIỆN ĐÚNG THè GV SẼ NHẮC NHỞ NẾU TIẾP TỤC TÁI PHẠM GVHD SẼ PHẢN HỒI GỬI THÔNG TIN VỀ BỘ MÔN, KHOA VÀ NHÀ TRƯỜNG 6. 7. SAU KHI HOÀN THÀNH SẢN PHẨM VÀ THUYẾT MINH GVHD SẼ CÓ MỘT BÀI KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ XEM CÁC SV CÓ ĐỦ ĐIỀU KIỆN THAM GIA BẢO VỆ HAY KHÔNG. 8. TRONG THỜI GIAN THỰC HIỆN SV CÓ THỂ LIÊN HỆ VỚI (GVHD) THẦY NGUYỄN ĐÌNH HÙNG. ĐT: 0982331742 MAIL: hungquang808406@gmail.com thphungyen@gmail.com Page 3 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH II Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG I. Thyristor 1.1. Cấu tạo Thyristor là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn PNPN liên tiếp tạo nên anốt, catôt và cực điều khiển. Thyristor gồm một đĩa Silic từ đơn thể loại N, trên lớp đệm loại bán dẫn P có cực điều khiển bằng dây nhôm, các lớp chuyển tiếp được tạo nên bằng kỹ thuật bay hơi của Gali 1.2. Nguyên lý hoạt động. Đặt thyristor dưới một điện áp một chiều , anốt nối vào cực dương, catốt nối vào cực âm của nguồn điện áp, J 1, J 3 phân cực thuận, J 2 phân cực ngược. Gần như toàn bộ điện áp nguồn đặt trên mặt ghép J 2 . Điện trường nội tại Ei của J 2 có chiều từ N 1 hướng về P2. Điện trường ngoài tác động cùng chiều với Ei vùng chuyển tiếp cũng là vùng cách điện càng mở rộng ra không có dòng điện chạy qua thyristor mặc dù nó bị đặt dưới điện áp thuận. Page 4 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH II Đặc tính volt-ampe của thyristor. +) Mở thyristor: Cho một xung điện áp dương U s tác động vào cực G (dương so với K), Các điện tử từ N 2 sang P 2 . Đến đây một số ít điện tử chảy vào cực G và hình thành dòng điều khiển I s chạy theo mạch G- J 3 - K-G còn phần lớn điện tử chịu sức hút của điện trường tổng hợp của mặt ghép J 2 lao vào vùng chuyển tiếp này, tăng tốc, động năng lớn bẻ gãy các liên kết nguyên tử silíc tạo nên các nguyên tử tự do mới. Số nguyên tử mới được giải phóng tham gia bắn phá trong vùng kế tiếp. Kết quả là phản ứng dây truyền xuất hiện nhiều điện tử chạy vào N 1 qua P 1 và đến cực dương của nguồnđiện ngoài gây nên hiện tượng dẫn ào ạt, J 2 trở thành mặt ghép dẫn điện, bắt đầu từ một điểm ở xung quanh cực G rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép. Thyristor khi + U AK > 1V hoặc I G > I Gst thì thyristor sẽ mở. Trong đó I Gst là dòng điều khiển được tra ở sổ tay tra cứu. +) Khoá Thyristor có 2 cách : Làm giảm dòng điện làm việc I xuống dưới giá trị dòng duy trì I H Đặt một điện áp ngược lên thyristor, khi đó U AK < 0, J 1 và J 3 bị phân cực ngược, J 2 phân cực thuận, điện tử đảo chiều hành trình tạo nên dòng điện ngược chảy từ catốt về anốt, về cực âm của nguồn điện ngoài. +) Xét sự biến thiên của dòng điện i(t) khi thyristor khoá : Page 5 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH II Từ t 0 đến t 1 dòng điện lớn, sau đó J 1 , J 3 trở nên cách điện. Do hiện tượng khuếch tán một ít điện tử giữa hai mặt J 1 và J 3 ít dần cho đến hết, đồng thời J 2 khôi phục tính chất của mặt ghép điều khiển. 1.3. Ứng dụng: Thyristor được sử dụng trong các bộ nguồn đặc biệt trong mạch chỉnh lưu, bộ băm và bộ biến tần trực tiếp hoặc các bộ biến tần có khâu trung gian một chiều Ứng dụng của thyristor trong mạch điều khiển động cơ Chuyển mạch tĩnh Khống chế pha Nạp ăcquy Khống chế nhiệt Page 6 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH II II . KHUYẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN (OP – AM) 1. Giới thiệu chung về khuếch đai thuật toán Sơ đồ cấu trúc của OP – Am Mặc dù các thiết kế có thể khác nhau giữa các sản phẩm và các nhà chế tạo, nhưng tất cảcác mạch khuếch đại thuật toán đều có chung những cấu trúc bên trong, bao gồm 3 tầng: a)Mạch khuếch đại vi sai - Tầng khuếch đại đầu vào — tạo ra độ khuếch đại tạp âm thấp, tổng trở vào cao, thường có đầu ra vi sai b)Mạch khuếch đại điện áp - Tầng khuếch đại điện áp, tạo ra hệ số khuếch đại điện áp lớn, độ suy giảm tần số đơn cực, và thường có ngõ ra đơn Page 7 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH II c)Mạch khuếch đại đầu ra: - Tầng khuếch đại đầu ra, tạo ra khả năng tải dòng lớn, tổng trở đầu ra thấp, có giới hạn dòng và bảo vệ ngắn mạch. 1.1. Gương dòng điện Các phần mạch điện được tô màu đỏ cam là các gương dòng điện. Dòng điện ban đầu để có thể sinh ra các dòng điện khác được xác định bởi điện áp cấp nguồn và điện trở 39 kΩ cùng với 2 mối nối pn tạo ra. Dòng điện được tính gần đúng bằng: (V S+ − V S− − 2V be )/39 kΩ. Trạng thái của tầng khuếch đại đầu vào được điều khiển bởi hai gương dòng điện bên phía trái. Q10 and Q11 hình thành một nguồn dòng Widlar trong đó điện trở 5 kΩ sẽ đặt dòng điện của cực thu Q10 đến một trị số có tỷ lệ rất nhỏ so với dòng điện ban đầu. Dòng điện cố định của Q10 cấp dòng cực nền cho transistor Q3 và Q4 nhưng cũng cấp dòng cực thu cho Q9, trong khi gương dòng điện Q8 và Q9 sẽ cố bám theo độ lớn của dòng cực thu Q3 và Q4. Dòng nay cũng bằng với dòng điện yêu cầu cho đầu vào, và sẽ là một tỷ lệ nhỏ của dòng điện Q10 vốn đã nhỏ. Một cách khác để nhìn nhận vấn đề là nếu dòng điện của đầu vào có khuynh hướng tăng cao hơn dòng điện Q10, thì gương dòng điện Q8, Q9 sẽ tháo bớt dòng điện ra khỏi chực nền chung của Q3 và Q4, hạn chế dòng đầu vào, và ngược lại. Như vậy, điều kiện về một chiều của tầng đầu vào sẽ được ổn định nhờ một hệ thống hồi tiếp âm có độ lợi cao. Vòng hồi tiếp này cũng loại trừ những thay đổi theo hướn đồng pha của các thành phần khác trong mạch bằng cách làm cho điện áp cực nền của Q3/Q4 bám theo 2V be thấp hơn trị số của điện áp đầu vào. Page 8 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH II Gương dòng điện ở góc trái trên Q12/Q13 tạo ra dòng điện cố định cho tầng khuếch đại điện áp lớp A qua cực thu của Q13, và độc lập với điện áp ngõ ra. 1.2. Tầng khuếch đại vi sai đầu vào Phần mạch điện tô màu xanh dương đậm là một tầng khuếch đại vi sai. Q1 và Q2 là transistor đầu vào, lắp theo kiểu theo cực phát (hay kiểu cực thu chung) phối hôp bới đôi transistor Q3 và Q4 nối cực gốc chung thành mạch vi sai đầu vào. Ngoài ra, Q3 và Q4 cũng tác động như một bộ dời mức điện áp và tạo ra một độ lợi để kéo tầng khuếch đại lớp A Chúng cũng tăng cường khả năng chịu điện áp ngược của V be rating cho các transistor đầu vào. Mạch khuếch đại vi sai Q1 - Q4 sẽ kéo một tải tích cực là gương dòng điện Q5 - Q7. Q7 làm tăng độ chính xác của gương dòng điện bằng cách giảm trị số dòng điện tín hiệu cần thiết đi từ Q3 để kéo cực nền của Q5 và Q6. Gương dòng điện này sẽ biến đổi tín hiệu vi sai thành tín hiệu đơn theo cách sau: Dòng điện tín hiệu của Q3 sẽ là đầu vào của gương dòng điện trong khi đầu ra của gương dòng điện (cực thu của Q6) được nối đến cực thu của Q4. Ở đây, dòng tín hiệu của Q3 và Q4 sẽ được cộng lại với nhau. Đối với nguồn vi sai đầu vào, tín hiệu của Q3 và Q4 bằng và ngược dấu với nhau. Như thế, tổng này sẽ bằng hai lần dòng điện tín hiệu. Mạch này đã hoàn tất quá trình biến từ tín hiệu vào vi sai thành tín hiệu ra đơn. Điện áp tín hiệu hở mạch xuất hiện ở điểm này do tổng dòng điện trên và các điện trở cực thu của Q4 và Q6 nối song song. Do điện trở cực thu của Q4 và Q6 đối với tín hiệu sẽ rất lớn, nên độ li75 của điện áp hở mạch của tầng này sẽ rất lớn. Page 9 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH II Cần lưu ý rằng dòng điện cực nền của đầu vào khác không, và tổng trở đầu vào vi sai của 741 sẽ xấp xỉ 2 MΩ. Chân "offset null" có thể được dùng để lắp các điện trở ngoài song song với điện trở 1 kΩ (thông thường đó sẽ là 2 đầu cuối của 1 biến trở tinh chỉnh) để điều chỉnh cân bằng cho gương dòng điện Q5, Q6, và như thế sẽ gián tiếp điều chỉnh điện áp ra khi tín hiệu đầu vào = 0. 1.3. Tầng khuếch đại điện áp lớp A Phần nằm trong khối màu tím là một mạch khuếcvh đại lớp A. Nó bao gồm 2 transistor NPN nối Darling ton và sử dụng đầu ra của một gương dòng điện làm tải cực thu nhằm có hđộ lợi lớn. Tụ điện 30 pF tạo ra hồi tiếp âm chọn lọc tần số cho tầng khuếch đại này, hình thành một bộ bù tần số để tạo sự ổn định. Kỹ thuật này gọi là bù kiểu Miller và chức năng của nó giống như một mạch tích phân dùng mạch khuếch đại thuật toán. Đặc tuyến biên độ tần số của nó có độ dốc bắt đầu từ 10 Hz và giảm 3 dB / bát độ theo tần số. Nó sẽ kết thúc khi độ lợi giàm xuống một. 1.4. Mạch định thiên đầu ra Khối màu xanh lá cây (Q16) là một mạch dời mức điện áp, hoặc một mạch nhân V be ,một dạng của nguồn điện áp. Trong mạch điện như hình vẽ, Q16 tạo ra một sụt áp không đổi giữa cực thu và cực phát bất kể dòng điện qua mạch. Nếu dòng điện cực nền gần bằng không, điện áp giữa hai cực phát và cực nền là 0.625 V (trị số tiêu chuẩn của BJT trong miền tích cực), Do đó dòng điện đi qua điện trở 4.5 kΩ sẽ bằng với dòng đi qua điện trở 7.5 kΩ, và sẽ gây ra giảm áp trên đó là 0.375 V. Do đó nó sẽ duy trì điện áp trên 2 đầu transistor và 2 điện trở là 0.625 + 0.375 = 1 V. Nó sẽ định thiên cho 2 transistor đầu ra ở vùng dẫn gần và giảm méo xuyên tâm. Trong một số mạch khuếch đại linh kiện rời, chức năng này được thực hiện với chỉ 2 diode. Page 10 [...]... tốc độ không tới lý tưởng của đặc tính cơ càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn ỹ Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông _ + -> > + Ikt Iu Ck t Rkt DC _ Page 19 N CHUYấN NGNH II Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi từ thông kích từ có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh: D 3:1 Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ nên tổn hao điều. .. quá trình tăng tốc chậm dần Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng biện pháp thay đổi điện áp phần ứng có các đặc điểm: ỹ Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ ỹ Điều chỉnh trơn toàn bộ dải điều chỉnh ỹ Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn giải điều chỉnh Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mô men là như nhau Độ sụt tốc tương đối sẽ... tốc độ đặc tính cơ càng lớn Đặc tính cơ càng mềm và ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn ỹ Phương pháp chủ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm (do chỉ có thể tăng thêm điện trở) ỹ Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng nên tổn hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở khi điều chỉnh khá lớn ỹ Dải điều chỉnh phụ thuộc trị số mô men tải Tải càng nhỏ (M1) thì dải điều. .. c) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch phần ứng Khi tăng điện trở mạch phần ứng đặc tính cơ dốc hơn như ng vẫn giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở mạch phần ứng: _ + -> Ikt -> Iu + Ck t Rkt DC _ Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập bằng phư ơng pháp thay đổi điện trở phần ứng: Page 20 N CHUYấN NGNH II ỹ Điện trở mạch phần ứng tăng tốc. .. pháp này chỉ cho phép điều chỉnh giảm tốc độ _ + -> Ck t Ikt -> Iu + _ DC BBD Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng Quá trình điều chỉnh tốc độ nhờ thay đổi điện áp phần ứng được giải thích trên hình vẽ Page 17 N CHUYấN NGNH II Quá trình thay đổi tốc độ khi điều chỉnh điện áp Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm A trên độc tính cơ 1 ứng với điện áp U1... phương trình đặc tính cơ điện : n = [(Ubh .).K1.K IƯ.RƯ ].Kđ b) Xây dựng đặc tính cơ điện của hệ thống ) Xây dựng đường đặc tính cơ cao nhất Đảm bảo tính an toàn cho hệ thống thì tốc độ lớn nhất của động cơ ứng với tốc độ định mức nmax = nđm = 2390 (v/ph ) và điện áp chủ đạo đầu vào bộ khuyếch đại là lớn nhất Ucđ = Ucđmax Vì phương trình đặc tính cơ là tuyến tính bậc nhất nên ta chỉ cần xác định hai điểm... xuống U2 động cơ thay đổi từ điểm A có tốc độ hơn ( D < A) A trên đường 1 xuống điểm 0 có tốc độ nhỏ trên đường 2 (ứng với điện áp U2) Trong khi giảm tốc độ theo cách giảm điện áp phần ứng, nếu giảm mạnh điện áp nghĩa là chuyển nhanh từ tốc độ cao xuống tốc độ thấp thì cùng với quá trình giảm tốc độ có thể xảy ra quá trình hãm tái sinh Đồng thời với quá trình tăng tốc mô men động cơ bị giảm và quá trình... xác định được hệ số khuyếch đại của khâu trung gian ta chỉ xét khi động cơ làm việc ổn định (chỉ có khâu âm tôc độ tác động ) khi đó sơ đồ khối của hệ thống như hình vẽ: Sơ đồ khối của hệ thống khi chỉ có khâu phản hồi âm tốc độ tác động Trong đó :K Là hệ số khuếch đại tốc độ KI : Hệ số khuếch đại dòng điện K : Là hệ số khuếch đại của bộ biến đổi KĐ : là hệ số khuếch đại động cơ a) Phương trình đăc tính. .. nguyên tắc phương pháp này cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi đều điện trở, nhưng vì dòng điện Rôto lớn nên việc chuyển đổi điện trở sẽ khó khăn phức tạp Thực tế thường sử dụng chuyển đổi theo từng cấp điện trở Page 21 N CHUYấN NGNH II CHƯƠNG II : Thiết kế hệ thống truyền động điện điều chỉnh và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều dùng chỉnh l-u - động cơ Với thông số của động cơ như sau: Mã hiệu 31 Uđm... cùng tác động Phương trình đặc tính cơ : n = U KĐ = [( Ucđ .n ).K. ng ] IƯ.RƯ KĐ U cd K ( K i K D K l. ng + I u Ru K D ) n= 1 + K Trong đó = IƯ Ing Ing giá trị dòng điện ngắt với khâu phản hồi âm dòng ) Thành lập phương trình đặc tính cơ khi chỉ có khâu âm dòng tác động Khi tốc độ âm tốc độ đạt giá trị bão hoà thì lúc đó : Uđk =Ubh Uđk :Điện áp điều khiển khi có tác động của khâu âm tốc độ Page . một số phương pháp, đặc điểm, yêu cầu mạch điều chỉnh ổn định tốc độ động cơ DC. 3. Tính toán, thiết kế, chế tạo mạch điều chỉnh và ổn định tốc độ động cơ DC đảm bảo yêu cầu: - P = 300-370W;. 2007-2012 Ngành đào tạo : Tên đề tài: Tính toán, thiết kế, chế tạo mạch điều khiển và ổn định tốc độ động cơ DC v Số liệu cho trước: - Các trang thiết bị đo, kiểm tra, biến tần, nguồn công suất. mắc mạch kích từ so với mạch phần ứng mà động cơ điện một chiều đợc chia ra : - Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (hình a) - Động cơ điện một chiều kích từ song song (hình b) - Động cơ