Tính chọn các thiết bị bảo vệ: Xem xét việc thêm tính năng như chức năng đảo chiều, điều chỉnh tốc độ khoan, v.vĐảm bảo rằng máy khoan được thiết kế với các biện pháp an toàn như cảm biế
TỔNG QUAN MÁY KHOAN
Khái niệm và phân loại máy khoan
Máy khoan cầm tay là một dụng cụ điện, có công dụng khoan, đục, vặn vít,… và thường được sử dụng trong các công trường, công xưởng và xưởng mộc Ngoài ra, máy khoan còn được nhiều người sử dụng trong các công việc khoan lỗ, vặn vít, hay sửa chữa các vật dụng trong gia đình.
Máy khoan cầm tay hoạt động nhờ vào dòng điện trực tiếp hoặc pin được lắp từ bên trong Trên thị trường có nhiều loại máy khoan được phân chia dựa vào những tính năng khác nhau như khoan trên gỗ, tường, bê tông, kim loại,…
Máy giúp cho việc khoan đục, vặn vít,… trên các bề mặt vật liệu trở lên dễ dàng hơn, giúp con người tiết kiệm được nhiều sức lực cũng như thời gian.
Là dụng cụ cầm tay làm từ chất liệu thép bền chắc và sáng đẹp Tay cầm được sản xuất từ chất liệu nhựa cứng siêu bền, cách điện, cách nhiệt, tuyệt đối an toàn, vừa tay, đem đến cảm giác an toàn khi sử dụng.
Với kích thước và thiết kế nhỏ gọn nhưng tích hợp đầy đủ tính năng của nhiều thiết bị cùng với độ bền cao, máy khoan là sản phẩm đã được đông đảo người tiêu dùng lựa chọn.
1.1.2 Phân biệt các loại máy khoan cầm tay
Máy khoan điện là loại máy thường được sử dụng trong các công xưởng, công trường chế tạo máy móc, thiết bị vì có công suất hoạt động lớn, vận hành mạnh mẽ và bền bỉ với các tính năng như khoan tường, khoan gỗ hay trên các vật liệu bằng kim loại hiệu quả. Ưu điểm của máy khoan điện chính là không cần phải thay pin cho máy khi hết pin, nhưng trái lại nó sẽ hạn chế về phạm vi làm việc Để sử dụng trong gia đình, bạn cũng có thể chọn các lại máy khoan điện có công suất vừa phải để phù hợp nhu cầu sử dụng.
Máy khoan pin nổi bật với thiết kế nhỏ gọn, sử dụng năng lượng pin sạc để hoạt động thay vì phải cắm điện như máy khoan điện Mức điện áp của máy từ 12V, 18V, 24V,… do đó bạn có thể lựa chọn loại máy có mức điện áp phù hợp với nhu cầu và tính chất công việc khác nhau.
Máy có công suất rất mạnh mẽ, khả năng hoạt động dứt khoát, nhanh gọn và có thể sử dụng trên nhiều vật liệu như gỗ, bê tông, kim loại Đồng thời, máy khoan pin còn có thể ứng dụng hiệu quả cho việc lắp đặt, sửa chữa tùy vào nhu cầu sử dụng.
Máy khoan động lực là dòng máy có công suất hoạt động mạnh mẽ và là công cụ đắc lực cho người dùng trong việc khoan lỗ, vặn vít,… trên các vật liệu khác nhau như: gỗ, kim loại, bê tông,… do đó, máy khoan động lực là sản phẩm thích hợp cho những công việc lắp ráp, sửa chữa chuyên nghiệp.
Hình 1.3 Máy khoan động lực
Là dòng máy khoan có công suất cực mạnh, trọng lượng lớn, là sản phẩm thích hợp để sử dụng ở các công trình xây dựng vì có khả năng xử lý tốt các bề mặt vật liệu có độ cứng cao như nền đá, bê tông.
Máy có hai khả năng khoan là khoan thường và khoan búa.
Các dòng máy khoan vặn vít có thiết kế nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, dễ cầm nắm khi thao tác Máy khoan có thể thực hiện dễ dàng, nhanh chóng việc tháo, vặn vít trên các bề mặt như thép, gỗ,… hiệu quả Ngoài ra, máy còn được tích hợp đèn led thông minh hỗ trợ quá trình làm việc trong các điều kiện thiếu sáng.
Hình 1.5 Máy khoan vặn vít
1.1.2.6 Máy khoan bàn Được thiết kế dạng trụ đứng với một bàn nâng đỡ vật liệu nằm gần chân đế của máy, có cấu trúc chính bao gồm: Chân đế, cọt bàn, trục chính và mâm cặp Máy khoan bàn có chức năng chính là khoan lỗ trên các bề mặt vật liệu như sắt, thép,….
Là loại máy có kích thước và trọng lượng lớn, nên khó di chuyển Tính năng của máy được dùng để khoan lỗ trên các vật liệu lớn Phần đế của máy được gắn nam chân từ tính có tác dụng giữ máy không bị di chuyển khi khoan, hỗ trợ các thao tác trên cao, ngang, dọc được dễ dàng hơn.
Vai trò của máy khoan
Là sản phẩm được sản xuất nhằm giúp đỡ người dùng dễ dàng khoan các loại lỗ trên bề mặt vật liệu tùy theo mục đích, phù hợp với cả nhu cầu gia đình và dành cho anh em thợ sửa chữa, lắp đặt đồ gia dụng.
Với thiết kế gọn nhẹ, thiết kế hiện đại, tay cầm chắc chắn tạo cảm giác an toàn,động cơ mạnh mẽ với công suất cao, có chức năng điều khiển tốc độ động cơ giúp khoan chính xác, ổ bi được định mức tải động cao hơn đem lại cho máy tuổi thọ dài hơn Máy khoan cầm tay giúp bạn tiết kiệm thời gian để hoàn thành công việc một cách nhanh nhất.
Nguyên lý cơ bản làm việc máy khoan
Khi bạn muốn khởi động máy, hãy mở nguồn cấp điện cho máy trước rồi sau đó mới điều chỉnh điện áp.
Nguồn điện đó sẽ tạo ra dòng điện một chiều đi đến chổi than làm cho động cơ của máy hoạt động Động cơ quay sẽ làm chuyển động qua bộ truyền động khiến trục gắn với mũi khoan quay theo, khi đó máy khoan sẽ thực hiện các thao tác khoan của người sử dụng.
Chuyển động làm việc của máy khoan
Chuyển động chính trong máy khoan là chuyển động quay mũi khoan Chuyển động ăn dao là dịch chuyển mũi khoan dọc theo trục quay của nó đi xuống chi tiết cần gia công.
Tốc độ quay của mũi khoan (chuyển động chính), vòng/phút S - chuyển động ăn dao, mm/vòng.
Chuyển động chính máy khoan thường dùng hệ truyền động với động cơ KĐB 3 pha roto lồng sóc.
Phạm vi điều chỉnh tốc độ trục chính yêu cầu D = (50 ÷ 60), thực hiện bằng hộp tốc độ.
Chuyển động ăn dao cũng được thực hiện từ động cơ truyền động trục chính với hộp tốc độ ăn dao.
Chuyển động chính: Đi từ động cơ đến hộp tốc độ , rồi đến hộp trục chính làm dụng cụ cắt quay tròn (n: đơn vị vòng/phút)
Chuyển động chạy dao: Đi từ trục chính máy khoan đến hộp chạy dao rồi đến trục chính, máy làm trục chính chạy tịnh tiến lên xuống thực hiện chuyển động chạy dao.
Các loại máy khoan phổ biến trên thị trường
T Tên máy khoan Điện áp (V) Công suất
Máy khoan động lực pin Bosch
7 Máy khoan vặn vít động lực dùng pin 12
30Bảng 1.1 Các loại máy khoan phổ biến trên thị trường
Kết luận
Theo dữ liệu từ bảng 1.1, ta thấy các loại máy khoan phổ biến trên thị trường được ứng dụng để khoan các vật liệu cứng cần momen lớn, nên thường sử dụng các loại động cơ xoay chiều có công suất lớn Trong phạm vi đề tài thiết kế một máy khoan cầm tay, ứng dụng vào khoan các vật liệu không yêu cầu momen và công suất quá lớn Vì vậy, sau thời gian tìm hiểu nhóm em thống nhất chọn máy khoan điện động cơ điện một chiều. Động cơ một chiều có những ưu điểm sau:
+ Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt.
+ Bền bỉ, tuổi thọ lớn.
+ Động cơ điện một chiều có chổi than có hiệu suất tốt.
+ Mật độ mô-men xoắn tương đối cao đối với các động cơ này.
+ Động cơ một chiều chạy êm và phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng.
+ Khả năng quá tải tốt và nhiễu điện từ nhỏ.
+ Tốc độ động cơ nhanh.
+ Khởi động tốt, hiệu suất cao.
TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
Khái niệm động cơ
Động cơ điện một chiều DC (Direct Current Motor) là động cơ được điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói cách khác thì đây là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp DC – điện áp một chiều.
Hình 2.8 Động cơ một chiều (DC)
Cấu tạo động cơ
Gồm có 4 bộ phận chính như sau:
+ Stator: Là một hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện.
+ Rotor: Là phần lõi được quấn các cuộc dây để tạo thành nam châm điện.
+ Chổi than (brushes): Giữ nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp.
+ Cổ góp (commutator): Làm nhiệm vụ tiếp xúc và chia nhỏ nguồn điện cho các cuộn dây trên rotor Số lượng các điểm tiếp xúc sẽ tương ứng với số cuộn dây trên rotor.
Hình 2.9 Sơ đồ cấu tạo động cơ
Phân loại động cơ
Căn cứ vào phương pháp kích từ, chia động cơ điện một chiều thành những loại sau đây:
+ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
+ Động cơ điện một chiều kích từ song song
+ Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
+ Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp
+ Động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.
STT Loại động cơ điện Ưu điểm Nhược điểm
1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
- Khả năng điều khiển tốc độ và hướng quay cao.
- Tính linh hoạt trong ứng dụng điều khiển.
- Cần một hệ thống điều khiển chất lượng cao
2 Động cơ điện một chiều kích từ song song
- Điều chỉnh tốc độ dễ dàng
3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
- Cấu trúc đơn giản và chi phí thấp.
- Thích hợp cho các ứng dụng có yêu cầu đơn giản.
- Khả năng điều khiển thấp, đặc biệt là về tốc độ.
- Hiệu suất có thể giảm khi tải thay đổi.
4 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp bao gồm hai cuộn dây kích từ, trong đó có: một cuộn mắc vào phần ứng, một cuộn sẽ mắc song song vào phần ứng.
- Khả năng điều khiển tốc độ và hướng quay tốt.
- Có thể cung cấp lực xoắn cao và ổn định.
- Phức tạp hơn so với một số loại động cơ khác.
- Chi phí có thể cao.
- Đòi hỏi kiến thức kỹ thuật cao để thiết lập và bảo trì.
5 Động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.
- Khả năng điều khiển tốc độ và hướng quay hạn chế.
- Hiệu suất có thể giảm khi tải thay đổi.
Nguyên lý làm việc của động cơ
Stato của động cơ một chiều thường là một hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện, rotor gồm có các cuộn dây quấn và được kết nối với nguồn điện một chiều.
Một phần quan trọng khác của động cơ một chiều chính là bộ phận chỉnh lưu, bộ phận này làm nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong chuyển động quay của rotor là liên tục, thông thường bộ phận này sẽ có 2 thành phần: một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.
Nếu trục của động cơ điện một chiều được kéo bằng một lực ngoài thì động cơ này sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một suất điện động cảm ứng (Electromotive force) Khi vận hành ở chế độ bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một điện áp được gọi là sức phản điện động (counter-EMF) hoặc sức điện động này sẽ tương tự như sức điện động phát khi động cơ sử dụng như một máy phát điện Như vậy điện áp đặt trên động cơ sẽ bao gồm 2 thành phần: sức phản điện động và điệp áp tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phản ứng [12]
Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều
Ưu điểm và nhược điểm động cơ
2.5.1 Ưu điểm Động cơ 1 chiều có hiệu suất làm việc tốt.
Mật độ momen xoắn tương đối cao mang lại động năng lớn. Động cơ 1 chiều DC vận hành êm, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng.
Khả năng nhiễm điện từ nhỏ, chịu quá tải tốt.
Khi hoạt động phát ra tiếng ồn.
Bộ phận cổ góp trong quá trình vận hành ma sát nhiều dẫn đến hao mòn, cần sửa chữa và bảo dưỡng thường xuyên
Phần cổ góp này trong quá trình hoạt động phát sinh ra tia lửa điện, nên không dùng được trong các môi trường dễ gây cháy nổ.
Giá thành đắt, công suất không cao.
Ứng dụng
Nhờ có các loại động cơ điện một chiều khác nhau, nên có rất nhiều ứng dụng cho loại động cơ DC này. Ở xung quanh chúng ta, động cơ DC nhỏ được sử dụng trong các công cụ, đồ chơi và các thiết bị gia dụng khác nhau.
Trong công nghiệp, các ứng dụng của động cơ DC bao gồm băng tải, máy khoan,bàn xoay và ứng dụng như phanh có đảo chiều.
Phương trình đặc tính cơ ở chế độ xác lập của động cơ một chiều kích từ độc lập
Hình 2.11 Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Phương trình mô tả động cơ điện một chiều kích từ độc lập (hình 2.4):
Suất điện động cảm ứng: e(t) = K.Φ.ω(t) = K b ω(t) (2.2)
Phương trình mô tả quan hệ điện cơ: j dω(t ) dt + B l ω(t) = T e (t) - T l (t) (2.4)
Sơ đồ thay thế của mạch phần ứng động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Phương trình điện áp của mạch phần ứng ở chế độ xác lập:
Phương trình đặc tính cơ – điện: ω = K V a e Φ - K R a e Φ I a (2.6)
Từ phương trình momen điện từ của động cơ, rút ra dòng điện phần ứng:
Thay vào phương trình đặc tính cơ – điện ta có: ω = K V a e Φ - R a
M e = M m = M Phương trình đặc tính cơ: ω = K V a e Φ - R a
Phương trình gồm 2 thành phần: ω = ω 0 – Δω (2.10)
Tốc độ không tải lý tưởng: ω 0 = K V a e Φ (2.11) Độ sụt tốc độ do ảnh hưởng của tải: Δω = R a
Phương trình đặc tính cơ và phương trình đặc tính cơ – điện đều có dạng bậc nhất, là phương trình đường thẳng
Hình 2.13 Sơ đồ phương trình đặc tính cơ và phương trình đặc tính cơ – điện Đặc tính cơ tự nhiên: ω = V a ,đm
Tổng quan cấu trúc truyền động động cơ một chiều
2.8.1 Cấu trúc hệ truyền động
Hình 2.14 Cấu trúc hệ truyền động
BĐ là Bộ biến đổi, dùng để biến đổi loại dòng điện, biến đổi loại nguồn, biến đổi mức điện áp, biến đổi số pha, biến đổi tần số
Các BBĐ thường dùng là máy phát điện, các chỉnh lưu không điều khiển và có điều khiển, các bộ biến tần. Đ là động cơ điện, dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hay cơ năng thành điện năng (khi hãm điện).
Các động cơ điện thường dùng: động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha, động cơ điện một chiều.
TL là khâu truyền lực, dùng để truyền lực từ động cơ điện đến cơ cấu sản xuất hoặc dùng để biến đổi dạng chuyển động (bánh răng, thanh răng, trục vít, xích, đai truyền, các bộ ly hợp cơ hoặc điện từ.
CT là cơ cấu sản xuất hay cơ cấu làm việc, thực hiện các thao tác sản suất và công nghệ. ĐK là khối điều khiển, là các thiết bị dùng để điều khiển BBĐ, động cơ điện Đ, cơ cấu truyền lực.
2.8.2 Cấu trúc hệ truyền động động cơ một chiều
Hình 2.15 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động động cơ điện một chiều
2.8.3 Cấu trúc hệ truyền động đề tài máy khoan điện động cơ một chiều
Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động đề tài máy khoan điện động cơ một chiều
Kết luận
Qua sự tìm hiểu phân tích tổng quan về các loại động cơ điện một chiều, thì loại động cơ điện một chiều kích từ độc lập với một số ưu điểm nổi trội hơn phù hợp với phạm vi đề tài máy khoan Nhóm thống nhất chọn động cơ điện một chiều kích từ độc lập để thiết kế mô hình.
Khối bảo vệ và khối điều khiển Động cơ DC Khối Chỉnh
Với cấu trúc tổng quan về hệ truyền động động cơ một chiều thì nhóm thiết kế tối ưu hóa hệ thống bao gồm các bộ phận chính như sau: Khối chỉnh lưu, khối điều khiển và khối bảo vệ hệ thống được mô tả sơ đồ hình 2.9.
TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ
Tốc độ yêu cầu của tải
Chọn tốc độ quay động cơ bao gồm các giai đoạn như sau:
Tốc độ không tải: n = 2000 (vòng/phút).
Tốc độ có tải: n = 1400 (vòng/phút).
Hình 3.17 Đồ thị tốc độ quay mong muốn của động cơ
3.1.1 Quá trình chuyển động tốc độ quay mong muốn của động cơ
Giai đoạn 1 từ 0 ÷ 2s: Động cơ chạy ở chế độ không tải n = 2000 (vòng/phút). Giai đoạn 2 từ 2 ÷ 3s: Mũi khoan tiếp xúc với tải n = 1800 (vòng/phút).
Giai đoạn 3 từ 3 ÷ 4s: Mũi khoan đi vào bề mặt tải n = 1500 (vòng/phút).
Giai đoạn 4 từ 4 ÷ 6s: Động cơ chạy ở mức ổn định n = 1400 (vòng/phút).
Giai đoạn 5 từ 6 ÷ 7s: Mũi khoan, khoan xuyên qua tải n 50 (vòng/phút).Giai đoạn 6 từ 7 ÷ 8s: Động cơ chạy khi đã khoan qua tải n = 1700 (vòng phút).Giai đoạn 7 từ 8 ÷ 8.5: Tắt động cơ n = 850 (vòng/phút).
Momen mong muốn của tải
Chọn momen động cơ gồm các giai đoạn như sau:
Momen sau khi khoan xong: M = 0.3 (N.m)
Hình 3.18 Đồ thị momen mong muốn của động cơ
3.2.1.Qu á trình chuyển động momen mong muốn của động cơ
Giai đoạn 1 từ 0 ÷ 2 (s): Động cơ chạy ở chế độ không tải M c 1 = 0.1 (Nm).
Giai đoạn 2 từ 2 ÷ 3 (s): Mũi khoan tiếp xúc với tải M c 2 = 3,4 (Nm).
Giai đoạn 3 từ 3 ÷ 4 (s): Mũi khoan đi vào bề mặt tải M c 3 = 3 (Nm).
Giai đoạn 4 từ 4 ÷ 6 (s): Động cơ khoan ở mức ổn định M c4 = 2,5 (Nm).
Giai đoạn 5 từ 6 ÷ 7 (s): Mũi khoan, khoan xuyên qua tải M c 5 = 1,4 (Nm).
Giai đoạn 6 từ 7 ÷ 8 (s): Giảm momen khi đã khoan qua tải M c 6 = 0,3 (Nm).Giai đoạn 7 từ 8 ÷ 8.5 (s): Tắt động cơ M c 7 = 0,15 (Nm).
Công suất của động cơ từng giai đoạn
Hình 3.19 Đồ thị công suất mong muốn của động cơ
3.4 Giá trị trung bình momen và công suất
Giá trị định mức momen và công suất
Với hệ số dữ trữ k = 1,1 ÷ 1,3
Ta chọn k = 1,3, động cơ chọn cần thỏa mãn:
Lựa chọn động cơ một chiều
Dựa vào T dm và P dm vừa tính, chọn động cơ DC 775 có các thông số như sau: Tên: Motor DC 775 trục tròn chổi than
+ Tốc độ không tải: 8800 vòng/phút
+ Chiều dài trục đầu ra: 10,2mm
Giá trị đẳng trị momen và công suất
Kiểm nghiệm động cơ
3.8.1 Kiểm nghiệm phát nóng của động cơ
Phương pháp momen đẳng trị:
Suy ra động cơ phù hợp.
3.8.2 Kiểm nghiệm quá tải của động cơ Động cơ đồng bộ:
Suy ra động cơ phù hợp.
Tính toán sơ bộ momen xoắn và công suất cần thiết để khoan trong các loại vật liệu khác nhau
Với hệ thống máy khoan điện động cơ DC nhóm em chọn hai vật liệu chính để khoan là gỗ và nhựa.
3.9.1 Xác định độ cứng (Mohs) của vật liệu
Gỗ thông (mềm) có độ cứng: H 1 = 2 (Mohs).
Nhựa PVC có độ cứng: H 2 = 1 (Mohs).
3.9.2 Momen xoắn cần thiết của vật liệu
3.9.2.1 Gỗ thông (mềm) Đường kính lỗ khoan: d 1 = 6 (mm)
Hệ số momen xoắn vật liệu: k 1 = 0,05 ÷ 0,1; chọn k 1 = 0,1
Momen xoắn cần thiết là: M 1 = k 1 d 1 H 1 = 0,1.6.2 = 1,2 (N.m) (3.16)
3.9.2.2 Nhựa PVC Đường kính lỗ khoan: d 2 = 6 (mm)
Hệ số momen xoắn vật liệu: k 2 = 0,02 ÷ 0,05; chọn k 2 = 0,05
Momen xoắn cần thiết là: M 2 = k 2 d 2 H 2 = 0,05.6.1 = 0,3 (N.m) (3.17)
3.9.3 Công suất cần thiết của vật liệu
Tốc độ không tải động cơ: n = 2000 (vòng/phút)
Hiệu suất của máy khoan: η = 0,5 ÷ 0,8; chọn η = 0,7
Công suất cần thiết là: P 1 = M 1 × n = 1,2.2000 9,55 = 251,3 (W) (3.18)
Công suất cần thiết là: P 2 = M 2 × n = 0,3.2000 9,55 62,8(W) (3.19)
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Các phương pháp điều khiển tốc độ của động cơ DC
Điều chỉnh điện trở phần ứng bằng cách mắc điện trở phụ. Điều khiển điện áp phần ứng. Điều chỉnh từ thông.
Điều chỉnh điện trở phần ứng bằng cách mắc điện trở phụ
Trong phương pháp này người ta giữ U ư =U đm ; Ф =Ф đm và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng.
Tốc độ động cơ: ω = ω 0 - ∆ω = KФ U đm đm - R ư + R fư (KФ đm ) 2 Iư = KФ U đm đm - KФ R ư Σ đm Iư
Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng: ω 0 = U đm
=const (4.2) Độ cứng đặc tính cơ:
Hình 4.20 Đồ thị đường đặc tính tốc độ động cơ β=∆ M
Khi Rf =0 thì độ cứng đặc tính cơ tự nhiên:
R (4.4) β tn có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các đường đặc tính có điện trở phụ Như vậy khi mắc nối tiếp điện trở R f vào phần ứng, nếu R f càng lớn thì độ dốc của đường đặc tính, số vòng quay và tốc độ động cơ càng giảm. Tuy nhiên phạm vi điều chỉnh hẹp và phụ thuộc vào tải (tải càng lớn phạm vi điều chỉnh càng rộng), không thực hiện được ở vùng gần tốc độ không tải Điều chỉnh có tổn hao lớn Người ta thường chỉ dùng để làm điện trở điều chỉnh tốc độ ở chế độ làm việc lâu dài.
4.2.2 Đặc điểm của phương pháp Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn.
Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm).
Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục.
4.2.3 Đánh giá các chi tiết điều khiển
Tính liên tục: phương pháp này không thể điều khiển liên tục được mà phải điều khiển nhảy cấp.
Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số momen tải Tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh
Min càng nhỏ Phương pháp này có thể điều chỉnh trong dải D = 3:1.
Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn.
Chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản.
Điều khiển điện áp phần ứng
4.3.1 Nguyên lý điều khiển Điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn (máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển).
Ta có: Rf = 0; RưΣ = Rư =const ; Φ=Φđm = const
Thay đổi điện áp đặt vào phần ứng thì:
Khi thay đổi phần ứng (thay đổi theo chiều giảm điện áp) Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lí tưởng ω 0 =U ư
KФ thay đổi tùy thuộc vào giá trị điện áp phần ứng.
Do đó ta thu được họ đặc tính mới song song và thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên tức là vùng điều khiển tốc độ nằm dưới dưới tốc độ định mức.
Tốc độ không tải lý tưởng: ω 0 x = U x
K Ф đm (4.8) Độ cứng đặc tính cơ: β=−(KФ) 2
Như vật khi thay đổi điện áp phần ứng thì các đường đặc tính cơ song song với nhau độ dốc của đường đặc tính, số vòng quay, momen ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch và tốc độ động cơ giảm Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng thì chỉ thay đổi được theo chiều tốc độ giảm (vì mỗi cuộn dây đã được thiết kế với Udm, nên không thể tăng điện áp đặt lên cuộn dây), phạm vi điều chỉnh hẹp.
4.3.2 Đặc điểm của phương pháp Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng thấp. Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh.
Hình 4.21 Đường đặc tính cơ điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập bằng phương pháp thay đổi điện áp mạch phần ứng. Độ cứng đặc tính cơ cao và được giữ không đổi trong toàn dải điều chỉnh.
Chỉ thay đổi tốc độ về phía giảm.
Rất dễ tự động hóa khi dùng chỉnh lưu có điều khiển.
Phương pháp này điều khiển với momen không đổi vì Φ và Iư đều không đổi.
4.3.3 Đánh giá các chi tiết điều khiển
Sai số tốc độ lớn (sai số tốc độ bằng sai số tốc độ của đặc tính cơ tự nhiên).
Tính liên tục: Điện áp của động cơ điều khiển bằng bộ biến đổi các bộ biến đổi hiện nay đều có công suất bé nên có thể điều chỉnh liên tục.
Dải điều chỉnh có thể đạt được D = 10:1. Đây là phương pháp duy nhất có thể điều chỉnh liên tục tốc độ động cơ trong vùng tốc độ thấp hơn tốc độ định mức đối với động cơ một chiều.
Điều chỉnh từ thông
Ta thay đổi dòng kích từ I kt để thay đổi từ thông.
Bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mực với kích thích tối đa (Φ = Φ max ) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông Φ tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức.
Tốc độ không tải lý tưởng tăng: ω 0 x = K ω U đ m x (4.10) Độ cứng đặc tính cơ giảm: β = −( K ω x )
Ta thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên.
Dòng điện ngắn mạch không đổi:
Momen ngắn mạch thay đổi:
Khi ta giảm từ thông thì tốc độ động cơ tăng lên và độ cứng của đặc tính cơ giảm Nhưng nếu cứ tiếp tục giảm dòng kích từ thì tới một lúc nào đó tốc độ không tăng được nữa vì do momen điện từ của động cơ giảm Phương pháp thay đổi từ thông để điều chỉnh theo chiều tăng (từ tốc độ định mức), phạm vi điều chỉnh rộng, tổn hao điều chỉnh nhỏ (ưu) nhưng không điều chỉnh ở dưới tốc độ định mức (nhược) Do vậy thông thường được áp dụng hợp với phương pháp khác nhằm tăng phạm vi điều chỉnh.
4.4.2 Đặc điểm của phương pháp
Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng.
Phương pháp này chỉ điều chỉnh ở cùng tải không quá lớn so với định mức.
Việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch.
Hình 4.22 Đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập giảm từ thông.
Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều khiển với công suất không đổi.
4.4.3 Đánh giá các chi tiết điều khiển
Sai số tốc độ lớn: Đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên. Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy Có thể điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D = 3:1.
Tính liên tục: Vì công suất của cuộn dây kích từ bé, dòng điện kích từ nhỏ nên ta có thể điều chỉnh liên tục với Φ 1.
Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên tục và kinh tế (Vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kính từ với dòng kích từ = (1-10)% I nm của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp.
Kết luận phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ DC
Qua việc xét ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ta thấy rằng phương pháp điều khiển điện áp phần ứng là triệt để và có nhiều ưu điểm hơn hai phương còn lại nên nhóm quyết định chọn phương pháp điều khiển điện áp phần ứng để điều khiển tốc độ động cơ một chiều.
Các phương pháp điều khiển điệp áp phần ứng
4.6.1 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng vi điều khiển
Vi điều khiển tạo ra xung vuông, độ rộng xung có thể thay đổi bằng cách lập trình cho vi điều khiển.
Xung điều khiển sẽ được đưa vào để kích dẫn cho mosfet, tạo ra xung cấp cho động cơ Độ rộng xung càng lớn, động cơ quay càng nhanh.
Mạch đơn giản, có công suất và hiệu suất cao Vì được lập trình nên có thể dễ dàng thay đổi bằng phần mềm Và có thể mở rộng thêm các ứng dụng khác chạy song song
Vi điều khiển có giá cao Cần lập trình cho vi điều khiển đọc giá trị biến trở và xuất xung PWM Không thể đảo chiều động cơ.
Hình 4.23 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ động cơ bằng vi điều khiển
4.6.2 Phương pháp băm xung sử dụng vi điều khiển, module điều khiển
Arduino sẽ đọc giá trị từ biến trở, sau đó xuất tín hiệu ra các chân để điều khiển module điều khiển động cơ
Module điều khiển động cơ tích hợp mạch cầu H và phương pháp băm xung PWM (pulse with modulation).
Một mạch cầu H chứa bốn chân chuyển mạch, điện trở hoặc mosfet, với động cơ ở trung tâm tạo thành một cấu hình giống như chữ H Bằng cách kích hoạt hai công tắc cụ thể cùng một lúc, chúng ta có thể thay đổi hướng của dòng điện, do đó thay đổi hướng quay của động cơ.
Hình 4.24 Sơ đồ nguyên lý phương pháp băm xung sử dụng vi điều khiển, module điều khiển động cơ
PWM hay thay đổi độ rộng xung là một kỹ thuật cho phép chúng ta điều chỉnh giá trị trung bình của điện áp đến thiết bị điện tử bằng cách bật và tắt nguồn với tốc độ nhanh. Điện áp trung bình phụ thuộc vào chu kỳ xung, hoặc lượng thời gian tín hiệu bật so với lượng thời gian tín hiệu tắt trong một khoảng thời gian quy định.
4.6.2.3 Ưu điểm Điều khiển độc lập hai động cơ một chiều hoặc một động cơ bước Giá thành rẻ và mạch nhỏ gọn, đơn giản đấu nối
Vì được lập trình nên có thể dễ dàng thay đổi bằng phần mềm Và có thể mở rộng thêm các ứng dụng khác chạy song song.
Hình 4.26 Độ rộng xung của PWM
Hình 4.27 Sơ đồ khối module L298N
Arduino UNO có giá cao hơn so với mạch dùng IC555 Cần lập trình cho Arduino đọc giá trị biến trở và xuất xung PWM
Công suất của mạch nhỏ, chỉ áp dụng cho động cơ công suất nhỏ, điện áp thấp. Phương pháp mạch cầu H dùng 4 mosfet kênh N.
4.6.3 Phương pháp mạch cầu H dùng 4 mosfet kênh N
Chức năng của mạch cầu H là điều khiển chiều và tốc độ động cơ một chiều. Phần điều khiển có thể dùng vi điều khiển hoặc IC555 phát xung PWM Tốc độ động cơ tăng khi thay đổi độ rộng xung từ 50% về 0 hoặc 100% Động cơ đảo chiều quay khi độ rộng xung thay đổi qua cột mốc 50%.
Phần mạch lái dùng IC IR2103 để đảm bảo khi dẫn các Mosfet dẫn bão hòa, tăng hiệu suất cho mạch.
Mạch công suất dùng bốn Mosfet công suất lớn để phù hợp cho cả tải động cơ lớn.
Mạch điều khiển và động lực được cách ly tốt nên điện áp phần điều khiển không phụ thuộc phần mạch công suất
Do đó điều khiển được động cơ công suất lớn, điện áp lên đến 220V Điều khiển đảo chiều động cơ bằng biến trở.
Mạch điện phức tạp, cần có kiến thức cơ bản về điện tử để làm mạch này.
4.6.4 Phương pháp điều khiển tốc độ bằng mosfet đơn giản
Hình 4.28 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H dùng 4 mosfet kênh N
Mạch điện đơn giản điều khiển động cơ một chiều bằng Mosfet: Điều chỉnh tốc độ bằng biến trở.
Dựa trên nguyên lý cầu phân áp, điều chỉnh điện áp ở cực G để điều khiển Mosfet Điện áp phân áp tăng thì điện áp rơi trên Mosfet giảm, tốc độ động cơ tăng lên.
Mạch điện đơn giản chỉ với vài linh kiện có thể thay đổi điều chỉnh điện áp động cơ một chiều 12 (V) công suất nhỏ.
Công suất nhỏ do điện áp rơi trên Mosfet lớn, nếu động cơ lớn sẽ làm nóng mau chết Mosfet
Thiết kế này làm Mosfet không dẫn bão hòa nên động cơ không thể đạt tốc độ tối đa.
4.6.5 Mạch băm xung PWM sử dụng IC NE555 kết hợp công tắc ba cực
Hình 4.29 Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ bằng mosfet đơn giản
Hình 4.30 Sơ đồ nguyên lý mạch băm xung PWM
IC NE555 là loại IC tạo ra một xung dao động không ổn định trên chân OUT của nó, độ rộng xung được điều chỉnh bằng cách thay đổi giá trị điện trở, tụ điện kết nối với các chân của IC. Đầu ra sẽ được đưa vào chân kích của mosfet, biến mosfet trở thành khoá K đóng mở tạo xung cấp vào cho động cơ Tốc độ động cơ sẽ thay đổi.
Kết hợp với công tắc ba cực gắn sau mạch điều khiển để đảo chân cấp nguồn, động cơ sẽ đảo chiều.
Giá thành rẻ, linh kiện đơn giản
Có thể điều chỉnh dải rộng tốc độ động cơ
IC NE555 hoạt động ổn định, tin cậy
Có thể đảo chiều bằng công tắc ba cực.
Do giới hạn về công suất nên mạch chỉ phù hợp với động cơ có công suất nhỏ, trung bình.
Có thể gặp phải nhiễu từ các linh kiện khác.
Kết luận các phương pháp điều khiển điện áp phần ứng
Qua 4 phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp điều khiển điện áp phần ứng được phân tích và đánh giá trên, nhóm lựa chọn mạch băm xung PWM sử dụng IC NE555, kết hợp công tắc ba cực đảo chiều động cơ.
Tính toán mạch băm xung PWM sử dụng IC NE555
Vì tần số của mạch dao động dùng IC NE555 bị thay đổi theo giá trị biến trở, nên nhóm em chọn tần số tối đa để tính toán là 150 (Hz).
Dựa vào công thức tính mạch IC NE555 [18] Ta có:
1+t 2 = 1 ln2×C( R 1+R 2 )+ln 2 ×C × R 2 = 150 (Hz) Lựa chọn R1 = 1000(ohm) và C = 10 −7 (F), thay vào biểu thức(), ta có:
Lựa chọn R2 là biến trở để thay đổi độ thời gian xung lên mức cao để thay đổi điện áp đầu vào từ đó thay đổi tốc độ động cơ.
CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ BẢO VỆ
5.1 Tổng quan mạch bảo vệ
Mạch bảo vệ là các thiết bị tự đóng cắt nguồn điện tự động khi hệ thống xảy ra các sự cố như quá tải, quá dòng, ngắn mạch, quá nhiệt… Bảo vệ hệ thống, bảo vệ người sử dụng an toàn, tránh các trường hợp cháy, nổ.
Với đề tài máy khoan điện nhóm em sử dụng bảo vệ các thiết bị điện, động cơ và mạch điều khiển tốc độ.
Các thiết bị trong mạch bảo vệ
Là một công tắc (khóa K) điện từ và được vận hành bởi một dòng điện tương đối nhỏ có thể bật hoặc tắt một dòng điện lớn hơn rất nhiều Bản chất của relay là một nam châm điện và hệ thống các tiếp điểm đóng cắt có thiết kế module hóa giúp dễ dàng lắp đặt.
Có nhiều loại relay với cấu trúc khác nhau, từ loại 2 chân cho đến loại hàng chục chân Tuy nhiên, để sử dụng hiệu quả thì ít nhất cần 4 chân, với 2 chân cấp điện và 2 chân dẫn điện ra các thành phần khác Ngoài ra, Relay cũng có nhiều chức năng và ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
Relay đều có hai phần chính, đó là nam châm và mạch tiếp điểm.
Nam châm tạo ra lực hút giúp đảo trạng thái của rơ le từ NO (mở) sang NC (đóng) và ngược lại Các ký hiệu NO và NC trong relay để bảo vệ dòng điện được gọi là Nature open và Nature close.
Mạch tiếp điểm của relay có nhiệm vụ cho phép dòng điện truyền qua khi được nam châm tác dụng lên và chúng được cách ly với cuộn hút.
Cấu tạo đơn giản đó đã giúp rơ le hoạt động tốt, không bị ảnh hưởng bởi các sự cố khác, dễ dàng thay thế và lắp đặt Mặc dù relay có kích thước nhỏ nhưng chúng có thể chuyển hướng một dòng điện cực lớn và rất an toàn.
5.2.1.3 Nguyên lý hoạt động relay
Khi một dòng điện chạy qua relay, dòng điện này sẽ tạo ra một từ trường hút bằng cách chạy qua một cuộn dây trong relay Từ trường hút này sẽ kích hoạt việc đóng hoặc mở các tiếp điểm điện bên trong relay thông qua đòn bẩy và làm thay đổi trạng thái của chúng.
Nói đơn giản hơn, relay tương tự như một cánh cửa trung gian cho phép dòng điện có thể chuyển đổi qua lại giữa các thành phần Relay giống như một “công tắc gián tiếp” có thể mở hoặc đóng dòng điện mà không làm hư hại các thành phần ở phía sau và có khả năng chịu được dòng điện cực lớn.
Một cách diễn đạt khác chính xác hơn là relay bảo vệ hoạt động như một đòn bẩy trung gian, cho phép dòng điện nhỏ đi qua để mở hoặc đóng một dòng điện lớn hơn mà không cần kết nối dòng điện như một công tắc trực tiếp.
Relay đóng vai trò quan trọng trong bảo vệ mạch bằng cách giám sát và điều khiển dòng điện trong mạch điện Chúng có thể phát hiện các điều kiện bất thường như quá dòng, quá áp và ngắn mạch, và nhanh chóng ngắt mạch để ngăn ngừa hỏng hóc cho các thành phần nhạy cảm hoặc quá nhiệt.
5.2.1.5 Chức năng của Relay bảo vệ
Khi phát hiện ra điều bất thường, relay bảo vệ sẽ có các chức năng sau:
+ Phần lỗi của hệ thống sẽ bị cô lập một phần.
+ Relay sẽ hoạt động nhanh để làm giảm thiểu thiệt hại và nguy hiểm.
+ Phân biệt và chỉ cô lập phần bị lỗi.
+ Độc lập và đáng tin cậy.
+ An toàn và có sự ổn định.
+ Giảm chi phí bảo vệ và chống lại các mối nguy hiểm tiềm tàng.
Cầu chì là khí cụ điện dùng để bảo vệ thiết bị và lưới điện tránh sự cố ngắn mạch, hạn chế tình trạng cháy, nổ Cụ thể hơn, cầu chì là thiết bị dùng để bảo vệ đường dây dẫn, thiết bị điện và mạch điện trong điều kiện mạch hoặc cường độ dòng điện quá tải.
Cấu tạo cầu chì khá đơn giản Bộ phận quan trọng nhất của cầu chì là một dây chì mắc nối tiếp với hai đầu dây dẫn trong mạch điện Các thành phần còn lại gồm: hộp giữ cầu chì, các chấu mắc, nắp cầu chì.
Cầu chì được phân thành 4 loại cơ bản:
+ Theo môi trường hoạt động: cầu chì cao áp, cầu chì hạ áp, cầu chì nhiệt.
+ Theo cấu tạo: cầu chì loại hở, cầu chì loại vặn, cầu chì loại hộp, cầu chì ống. + Theo đặc điểm: cầu chì sứ, cầu chì nổ, cầu chì hộp, cầu chì ống, cầu chì tự rơi. + Theo số lần sử dụng: cầu chì sử dụng một lần, cầu chì có thể thay dây, cầu chì có thể tự kết nối mạch điện.
Cầu chì hoạt động theo nguyên lý tự chảy hoặc uốn cong để tách ra khỏi mạch điện khi cường độ dòng điện trong mạch tăng đột biến Để hiểu rõ hơn, chúng ta cùng phân tích nguyên lý làm việc của cầu chì trong 2 trường hợp: khi hoạt động với dòng định mức và khi xảy ra sự cố ngắn mạch.
Khi mạch làm việc chế độ bình thường: Một dòng điện định mức chạy qua cầu chì, nhiệt lượng sinh ra không gây nên sự nóng chảy Sự cân bằng nhiệt được thiết lập mà không gây ra sự già hóa hay phá hỏng bất cứ phần tử nào của cầu chì
Khi xảy ra sự cố ngắn mạch: Lúc này, điện ngắn mạch lớn hơn dòng điện định mức Sự cân bằng trên cầu chì bị phá hủy Nhiệt năng tăng cao, làm nóng chảy phần tử ngắn mạch của cầu chì, từ đó làm hở mạch hai đầu cầu chì.
5.2.2.5 Công dụng của cầu chì
Dùng để bảo vệ an toàn cho hệ thống đường dây dẫn, thiết bị điều khiển, mạch điện, động cơ điện và máy biến áp Với thiết kế nhỏ nhẹ, đơn giản và khả năng bảo vệ cực kỳ tốt cho nên cầu chì được sử dụng một cách phổ biến Trong các công trình hiện đại, cầu chì còn dần thay thế cho aptomat với nhiều tính năng vượt trội.
Kết luận các thiết bị trong mạch bảo vệ
Các thiết bị bảo vệ hệ thống được phân tích trên có nhiều ưu điểm và chức năng nhưng phù hợp với phạm vi mô hình nhỏ là hệ thống máy khoan điện động cơ một chiều nhóm chọn thiết bị relay để làm mạch bảo vệ hệ thống.
Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ XH-W1209
Cảm biến nhiệt độ là thiết bị được dùng để đo lường sự thay đổi về nhiệt độ của các đối tượng cần kiểm soát và ổn định về nhiệt Cảm biến nhiệt có khả năng thực hiện các phép đo nhiệt độ với độ chính xác cao hơn nhiều so với các phép đo nhiệt độ thông thường khác Khi sử dụng, cảm biến sẽ phát hiện sự thay đổi nhiệt độ của đối tượng cần đo để đưa ra tín hiệu, xử lý tín hiệu thông báo nhiệt độ đến người sử dụng thiết bị.
Cảm biến đo nhiệt độ gồm 2 dây dẫn kim loại khác nhau được gắn vào đầu nóng và đầu lạnh Bộ phận cảm biến đóng vai trò cực kì quan trọng, được đặt bên trong vỏ bảo vệ sau khi đã kết nối với đầu nối và quyết định hoàn toàn đến độ chính xác của các phép đo.
Cảm biến nhiệt độ được hoạt động dựa vào sự thay đổi điện trở của kim loại so với sự thay đổi nhiệt độ vượt trội Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh sẽ có một sức điện động được phát sinh ở phần đầu lạnh Lúc này, nhiệt độ ở đầu lạnh sẽ luôn được ổn định và đo được, phụ thuộc vào chất liệu Nguyên lý hoạt động này chủ yếu dựa trên mối quan hệ giữa kim loại và nhiệt độ, khi nhiệt độ bằng 0 thì điện trở sẽ ở mức 100 Ω, điện trở của kim loại tăng lên khi nhiệt độ tăng lên và ngược lại.
5.4.2 Mạch cảm biến nhiệt độ XH-W1209
Mạch cảm biến nhiệt độ XH-W1209 có ngõ ra relay dạng thường mở, có hiển thị nhiệt độ bằng led 7 đoạn Đặc biệt với module này ta có thể cài đặt mức nhiệt độ (1 mức) hoặc khoảng nhiệt độ để kích đóng ngắt relay Nhờ tính năng hữu dụng này mà người sử dụng có thể dễ dàng sáng tạo nhiều ứng dụng thú vị như: máy ấp trứng, cảnh báo nhiệt độ, làm mát tự động,
Hình 5.39 Module mạch cảm biến nhiệt độ XH-W1209
+ Program Updates Interface: Giao diện cập nhật
+ Digital Display: Màn hình kĩ thuật số
+ Sensor Interface: Giao diện cảm biến
+ Program power supply: Nguồn cấp
+ Temperature sensor: Cảm biến nhiệt độ
+ DC 12V power supply: Nguốn cấp 12V DC
+ Output relay: Đầu ra relay
+ Reduce button: Nút nhấn giảm
+ Plus button: Nút nhấn tăng
+ Setting button: Nút nhấn thiết lập
5.4.2.2 Thông số kỹ thuật Điện áp nguồn một chiều: 12 (V)
Không bật relay dòng điện tiêu thụ của mạch là: I ≤ 10 (mA)
Khi bật relay dòng điện tiêu thụ của mạch là I ≤ 60 (mA) Độ chính xác 0.1 (℃))
Phạm vi kiểm soát nhiệt độ -50 ÷ 110 (℃))
Relay chịu tải dòng tối đa 20 (A) tại 125 (VAC), 20 (A) tại 14 (VDC) Kích thước 40×48.5 (mm)
Lỗ gắn M3x2 Đầu dò nhiệt độ trở nhiệt NTC (10K 5%) dài 0.5 (m) có khả năng chống thấm nước.
Sử dụng led 7 đoạn 3 số 0.28 int màu đỏ hiển thị.
Ba phím chức năng: Setup, Tăng (+), Giảm (-)
Yêu cầu môi trường: nhiệt độ -10 ÷ 60 (℃)); Độ ẩm 20% -85%
Sử đụng để đo nhiệt độ
Kiểm soát nhiệt độ theo giá trị mong muốn của người dùng ứng dụng trong việc ấp trứng, đun nước, làm lạnh,…
Khởi động, mạch hiển thì nhiệt độ môi trường đo được.
Khi relay đóng, led báo (màu đỏ) sẽ sáng và led báo tắt khi đèn tắt.
Mạch có hai chế độ hoạt động:
Chế độ làm lạnh, mạch khống chế nhiệt độ môi trường không vượt quá giá trị T0 (do người dùng đặt) Khi nhiệt độ môi trường lớn hơn T0, relay đóng; máy làm lạnh hoạt động Nhiệt độ môi trường giảm đến giá trị T0 – t ( t là nhiệt độ trễ do người dùng cài đặt, mặc định ban đầu là 2 ), relay ngắt, máy làm lạnh dừng hoạt động Lúc này nhiệt độ môi trường tăng lên quá nhiệt độ T0 thì relay lại đóng, máy lạnh hoạt động Như vậy nhiệt độ môi trường được khống chế trong khoảng từ T0 đến T0 – t.
Chế độ sưởi ấm, mạch khống chế nhiệt độ môi trường không dưới giá trị T0 (do người dùng đặt) Khi nhiệt độ môi trường nhỏ hơn T0, relay đóng; máy làm sưởi hoạt động Nhiệt độ môi trường tăng đến giá trị T0 + t ( t là nhiệt độ trễ do người dùng cài đặt, mặc định ban đầu là 2 ), relay ngắt, máy sưởi dừng hoạt động Lúc này nhiệt độ môi trường giảm xuống dưới nhiệt độ T0 thì relay lại đóng, máy sưởi hoạt động Như vậy nhiệt độ môi trường được khống chế trong khoảng từ T0 đến T0 + t.
Cấp nguồn 12v để mạch khởi động, trạng thái ban đầu màn led sẽ hiển thị nhiệt độ môi trường. Để cài đặt nhiệt độ T0, nhấn phím SET 1 lần lúc này, led hiển thị chuyển sang nhiệt độ cài đặt và nhấp nháy Nhấn hoặc giữ phím (+)/(-) để tăng/giảm để cài đặt Nhấn phím SET thêm một lần nữa để hoàn thành. Để cái đặt chức năng khác, nhấn và giữ nút SET trong 5 giây Sau 5 giây Led hiển thị chữ P0 Nhấn phím (+),(-) để chuyển sang P1, P2, P3, P4, P5, P6. Mỗi P sẽ tương ứng với cài đặt một giá trị:
Mã Tính năng Dải điều chỉnh Mặc định
P0 Cài đặt chế độ nóng lạnh H/C C
P1 Thiết lập sai số nhiệt độ 0,1 ÷ 30 2.0
P2 Cài đặt nhiệt độ cao nhất 110 110
P3 Cài đặt nhiệt độ thấp nhất -30 -30
P6 Cài đặt nhiệt độ báo động 0 ÷ 110 OFF
Bảng 5.3 Bảng thiết lập cài đặt mạch bảo vệ
Kết luận
Module mạch cảm biến nhiệt độ kiểm soát nhiệt độ hiệu quả có độ chính sát cao, khi nhiệt độ tăng bất thường cảm biến đo được gửi tín hiệu về xử lý hiển thị nhiệt độ ra led nếu vượt mức cho phép đóng cắt nguồn điện bảo vệ động cơ.
Khi nhiệt độ tăng nhanh led sẽ không hiển thị kịp được quá trình tăng nhiệt độ.Module mạch có sai số trong quá trình hoạt động.
TÌM HIỂU VỀ CẤU TRÚC, THẾT BỊ VÀ THIẾT KẾ THI CÔNG HỆ THỐNG
Cấu trúc hệ thống
Hệ thống máy khoan điện sử dụng động cơ một chiều được thiết kế dựa trên một số tiêu chí của người sử dụng bao gồm:
Hệ thống máy khoan có nhiều chế độ khác nhau đảm bảo được các nhu cầu sử dụng trong cuộc sống Dựa vào đó nhóm thiết kế đưa ra 2 chế độ hoạt động là khoan lỗ và vặn vít.
Hệ thống máy khoan thiết kế với bộ điều chỉnh tốc độ để người dùng có thể chọn tốc độ phù hợp với từng loại vật liệu Kết hợp chức năng đảo chiều động cơ và mạch bảo vệ hệ thống khi xảy ra trường hợp quá nhiệt, quá tải hoặc ngắn mạch đảm bảo an toàn khi sử dụng thiết bị.
Các linh kiện sử dụng hệ thống
6.2.1.1 Thông số kỹ thuật Điện áp: 12 (V)
Tốc độ: 7200 (RPM) Đường kính trục: 5 (mm)
Bộ chỉnh lưu Mạch điều khiển
Mạch bảo vệ quá nhiệt
Hình 6.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống
6.2.2 Đầu nối B10 – 5mm Đầu Giữ Khoan B10 kẹp mũi khoan, thanh trục từ 0.6 – 6 (mm).
Dùng Đầu Nối B10-5 để kết nối đầu giữ này với thanh trục hoặc motor có đường kính trục 5mm.
+ Vật liệu: Thép hợp kim
+ Đường kính thân lớn nhất: 30 (mm)
+ Đường kính đầu vào: 10 (mm)
+ Đường kính trục kẹp: 0.6 – 6 (mm)
Nguồn Power Adaptor AC-DC 12V - 2A được sử dụng để cấp nguồn cho hệ thống, nguồn có thiết kế nhỏ gọn.
+ Điện áp ngõ vào: 100~240 (VAC) , 50/60 (Hz).
+ Điện áp đầu ra: 12-24 (VDC) , 2 (A).
Cấu tạo đơn giản có 6 chân, bao gồm ba cực chính: 1 cực đầu vào, 2 cực đầu ra. Thường sử dụng để đảo chiều động cơ.
Hình 6.4 Nguồn một chiều DC
Nguồn đầu vào đấu dây vào hai chân giữa, nguồn đầu ra đấu dây hai chân ngoài chéo nhau Công tắc có ba vị trí: vị trí giữa là ngắt nguồn đầu vào, hai vị trí ngoài thường hở (NO), khi ta chuyển trạng thái sang hai vị trí NO thì động cơ sẽ chạy theo chiều đấu dây.
IC555 Là một mạch định thời nguyên khối tạo ra độ trễ hoặc dao động thời gian chính xác và rất ổn định Ngoài các ứng dụng của nó như là một bộ dao động đơn ổn và bộ dao động bất ổn, bộ định thời 555 cũng có thể được sử dụng trong bộ chuyển đổi nguồn DC - DC, đầu dò logic số, máy phát sóng, bộ điều chỉnh điện áp,…
IC555 gồm có một OP-AMP dùng để so sánh điện áp, 1 mạch là transistor giúp xả điện Cấu tạo rất đơn giản nhưng nó được coi là một mạch tích hợp hoạt động rất tốt và có độ chính xác khá cao Với đặc tính của IC555 thì chân cấp nguồn sẽ được hoạt động với dải điện áp từ 2 ÷ 18 (V), cùng với đó là chuẩn đầu ra tương thích khi được cấp nguồn 5V với dòng điện rút ra có thể lên đến 200 (mA).
Với nguồn điện áp đầu vào nằm trong dải từ 2 ÷ 18 (V).
Dòng điện tiêu thụ: 6 ÷ 15 (mA).
Công suất tiêu thụ lớn nhất ( Pmax): 600 (mW).
Hình 6.5 Công tắc ba cực
Hình 6.6 Sơ đồ nguyên lý đấu dây Điện áp logic đầu ra ở mức cao (mức1): 0.5 ÷ 15 (V). Điện áp logic đầu ra ở mức thấp (mức 2): 0.03 - 0.06 (V).
Tạo xung. Điều chế được độ rộng xung (PWM). Điều chế vị trí xung (PPM Hay dùng trong thu phát hồng ngoại).
Chân 1 (GND): Chân nối GND để cung cấp dòng cho IC.
Chân 2 (TRIGGER): Chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh, sử dụng như một chân chốt tần số áp Mạch so sánh sử dụng transistor PNP với điện áp chuẩn là 2/3 Vcc.
Chân 3 (OUTPUT): Chân xuất ra tín hiệu logic Mức 0 và mức 1 được xác định bởi trạng thái tín hiệu.
Hình 6.8 Cấu hình chân IC555
Chân 4 (RESET): Điều khiển trạng thái đầu ra của IC 555 Khi chân 4 được nối với Mass, đầu ra sẽ ở mức 0 Khi chân 4 ở mức cao, trạng thái đầu ra phụ thuộc vào mức áp chân 2 và chân 6.
Chân 5 (CONTROL VOLTAGE): Sử dụng để thay đổi mức điện áp chuẩn trong IC 555.
Chân 6 (THRESHOLD): Chân đầu vào so sánh điện áp.
Chân 7 (DISCHARGE): Khóa điện tử điều khiển từ tầng logic của chân 3 Khi đầu ra là 0, khóa này được đóng Chân 7 tự nạp và xả điện cho mạch R-C.
Chân 8 (Vcc): Nguồn cấp cho IC 555 với mức điện áp từ 2 – 18 (V).
IRFZ44 là transistor MOSFET sở hữu khả năng chuyển mạch tốc độ cao, lý tưởng để sử dụng trong các ứng dụng mà chuyển mạch tốc độ cao là yêu cầu quan trọng Nó có khả năng điều khiển tải lên đến 49 (A) và điện áp tải tối đa có thể là 55 (V).
Dòng tải liên tục: 49 (A) (tại 25 độ C), 35A (tại 100 độ C) Dòng xung đỉnh: 160 (A_ Điện áp VGS: +/-20 (V) Điện áp VDS: 55 (V) Nhiệt độ hoạt động: -55 ÷ 175 (độ C)
Hướng IRFZ44N phía trước mặt thì sơ đồ chân theo thứ tự từ trái qua phải lần lượt là chân 1 (chân cổng G), chân 2 (chân máng D), chân 3 (chân nguồn S)
6.2.7.1 Khái niệm Điốt (Diode) là một linh kiện điện tử bán dẫn chỉ cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều duy nhất mà không chạy ngược lại Điốt bán dẫn thường đều có nguyên
Hình 6.9 Sơ đồ chân IRFZ44N
Hình 6.10 Diode lý cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N và được nối với 2 chân ra là anode và cathode.
Diode hoạt động trên nguyên tắc dòng điện đi từ cực Anot sang cực Katot mà không cho phép dòng điện đi theo chiều ngược lại.
Sơ đồ cho thấy dòng điện chạy qua một diode như sau:
+ Khi cực dương (+) của nguồn được nối vào đầu P và cực âm (-) nối với đầu N, các lỗ dương của chất bán dẫn loại P và cực dương của nguồn đẩy lẫn nhau (cùng cực nên đẩy nhau) Các điện tử tự do của chất bán dẫn loại N và cực âm của nguồn đẩy lẫn nhau Vì vậy đẩy chúng về khu vực nối P-N Do đó các điện tử tự do và các lỗ dương này hút lẫn nhau cho dòng điện chạy qua.
+ Khi đảo ngược các cực ở nguồn, các lỗ dương của chất bán dẫn loại P và cực âm của nguồn hút lẫn nhau (khác cực nên hút nhau) Các điện tử tự do của chất bán dẫn loại N và cực dương của nguồn hút lẫn nhau Vì vậy kéo xa khỏi khu vực nối P-N.
Hình 6.12 Nguyên lý hoạt động diode
Kết quả là một lớp không chứa các điện tử tự do hoặc các lỗ dương được tạo nên ở khu vực nối P-N ngăn chặn dòng điện chạy qua.
Một số diode phổ biến:
Biến trở hay còn gọi chiếc áp là thiết bị điện trở thuần có thể điều chỉnh biển đổi được theo ý muốn người sử dụng.
Gồm có 3 phần chính + Cuộn dây được làm bằng hợp kim có điện trở suất lớn
+ Con chạy/chân chạy Cho khả năng chạy dọc cuộn dây để làm thay đổi giá trị trở kháng.
+ Chân ngõ ra gồm có 3 chân (3 cực) Trong số ba cực này, có hai cực được cố định ở đầu của điện trở Các cực này được làm bằng kim loại. Cực còn lại là một cực di chuyển và thường được gọi là cần gạt Vị trí của cần gạt này trên dải điện trở sẽ quyết định giá trị của biến trở.
Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động cấu tạo bởi hai bản cực đặt song song được ngăn cách bởi lớp điện môi, tụ điện có tính chất cách điện một chiều nhưng cho dòng điện xoay chiều đi qua nhờ nguyên lý phóng nạp.
6.2.9.2 Ký hiệu các loại tụ điện
Nguyên lý phóng nạp của tụ điện được hiểu là khả năng tích trữ năng lượng điện như một ắc quy nhỏ dưới dạng năng lượng điện trường Nó lưu trữ hiệu quả các electron và phóng ra các điện tích này để tạo ra dòng điện. Nhưng nó không có khả năng sinh ra các điện tích electron Đây cũng là điểm khác biệt lớn của tụ điện với ắc qui Nguyên lý nạp xả của tụ điện là tính chất đặc trưng và cũng là điều cơ bản trong nguyên lý làm việc của tụ điện Nhờ tính chất này mà tụ điện có khả năng dẫn điện xoay chiều Nếu điện áp của hai bản mạch không thay đổi đột ngột mà biến thiên theo thời
Hình 6.14 Cấu tạo biến trở
Hình 6.16 Ký hiệu các loại tụ điện gian mà ta cắm nạp hoặc xả tụ rất dễ gây ra hiện tượng nổ có tia lửa điện do dòng điện tăng vọt Đây là nguyên lý nạp xả của tụ điện khá phổ biến.
Thiết kế mạch điều khiển
6.3.2 Tính toán kiểm nghiệm sơ đồ mạch
Dạng sóng ngõ ra và dạng sóng của tụ C trong quá trình nạp xả luân phiên:
Hình 6.17 Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch điều khiển
Hình 6.18 Dạng sóng ngõ ra và dạng sóng của tụ C trong quá trình nạp luân phiên
Thời gian tụ nạp điện từ 1/3 đến 2/3 Vcc bằng với thời gian đầu ra mức cao là
= 0,693.(1.10 3 + 50.10 3 50%).100.10 −9 = 1,8018.10 −3 (s) Thời gian tụ xả điện từ 2/3 đến 1/3 Vcc bằng với thời gian đầu ra mức thấp là:
Tổng chu kỳ dao động là:
T = T HIGH + T LOW = 3,5343.10 −3 (s) (6.3) Tần số dao động là: f = T 1 = 1
6.3.3 Chạy mô phỏng chu kỳ dao động mạch điều khiển
Hình 6.18 Dạng sóng ngõ ra và dạng sóng của tụ C trong quá trình nạp luân phiên
Hình 6.19 Mô phỏng chu kỳ dao động mạch điều khiển
Chu kỳ dao động mô phỏng là T = 3,89 (mS) = 3,89.10 −3 (S) (6.5)
Tần số dao động mô phỏng là f = T 1 = 257,07 (Hz) (6.7)
6.3.4 Thiết kế mạch in và mô phỏng mạch 3D
Hình 6.19 Mô phỏng chu kỳ dao động mạch điều khiển
Hình 6.20 Sơ đồ mạch in
6.3.5 Linh kiện mạch điều khiển
STT Loại Kí hiệu Giá trị
Bảng 6.4 Linh kiện được sử dụng trong mạch
6.3.6 Thi công mạch thực tế
Hình 6.22 Mạch điều khiển thực tế
Mô hình máy khoan hoàn chỉnh
Vật liệu chính thiết kế vỏ máy khoan là nhựa PVC.
Kết luận
6.6.1 Mạch điều khiển tốc độ động cơ
Tín hiệu xung vuông ngõ ra ổn định.
Sử dụng mạch điều khiển giúp cho chúng ta kiểm soát, điều chỉnh được tốc độ một cách dễ dàng và chính xác.
Việc điều chỉnh tốc độ phù hợp giúp động cơ hoạt động hiệu quả hơn, tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu tiếng ồn.
Ngoài ra, mạch điều khiển tốc độ mở rộng khả năng ứng dụng của động cơ DC, giúp chúng có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Tuy nhiên, trong một số trường hợp việc thiết kế và sử dụng mạch đòi hỏi kiến thức chuyên môn về điện tử.
6.6.2 Mô hình hệ thống máy khoan
Tốc độ quay động cơ nhanh.
Mạch bảo vệ hoạt động ổn định.
Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, dễ sử dụng, giá thành rẻ, tiết kiệm điện năng hơn so với các loại động cơ khác.
Hình 6.23 thực nghiệm mô hình máy khoánHình 6.24 Mô hình máy khoan hoàn chỉnh
Nhìn chung, máy khoan sử dụng động cơ DC là một lựa chọn phù hợp cho các nhu cầu khoan cơ bản như khoan gỗ, nhựa, kim loại mỏng Tuy nhiên, nếu bạn cần một chiếc máy khoan có công suất lớn, mô-men xoắn cao, độ ồn thấp hoặc tuổi thọ dài hơn, bạn nên cân nhắc lựa chọn các loại máy khoan sử dụng động cơ khác.