Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều dùng tiristor

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kĩ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghịêp địên tử thì các thiết bị điện tử có công suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều. Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các nghành kinh tế quốc dân và đời sống hang ngày đã và đang được phát triển hết sứa mạnh mẽ.Tuy nhiên để đáp ứng nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công nghiệp thì các nghành điện tử công suất luôn phải nghiên cứu và tìm ra giải pháp tối ưu nhất. Đặc biệt với chủ chương công nghiệp hoá hiện đại hoá của nhà nước, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vào trong sản xuất. Do đó đỏi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an toàn chính xác. Đó là nhiệm vụ của nghành điện tử công suất cần phải giải quyết.Để giải quyết vấn đề này thì nước ta cần phải có đội ngũ thiết kế đông đảo tài năng. Sinh viên nghành Tự động hoá tương lai không xa sẽ đứng trong đội ngũ này, do đó mà phải tự trang bị cho mình những kiến thức, trình độ và sự hiểu biết sâu rộng. Do đó bài tập lớn Điện tử công suất là một bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên, và cũng là điều kiện để cho sinh viên nghành Tự động hoá tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về điện tử công suất. Vì vậy là sinh viên năm thứ hai mới bắt đầu làm quen với những kiến thức về chuyên nghành, chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế nên khi làm bài tập lớn cần phải có sự hướng dẫn của các thầy cô giáo..Qua đồ án này đã giúp chúng em hiểu them được rất nhiều kiến thức về bộ môn này cũng như hiểu them được kiến thức chuyên nghành tự động hoá của mình. Xin chân thành cảm ơn

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kĩ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghịêp địên tử thì các thiết bị điện tử có công suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều.

Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các nghành kinh tế quốc dân và đời sống hang ngày đã và đang được phát triển hết sứa mạnh mẽ.

Tuy nhiên để đáp ứng nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công nghiệp thì các nghành điện tử công suất luôn phải nghiên cứu và tìm ra giải pháp tối ưu nhất Đặc biệt với chủ chương công nghiệp hoá hiện đại hoá của nhà nước, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vào trong sản xuất Do đó đỏi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an toàn chính xác Đó

là nhiệm vụ của nghành điện tử công suất cần phải giải quyết.

Để giải quyết vấn đề này thì nước ta cần phải có đội ngũ thiết kế

đông đảo tài năng Sinh viên nghành Tự động hoá tương lai không xa sẽ

đứng trong đội ngũ này, do đó mà phải tự trang bị cho mình những kiến

thức, trình độ và sự hiểu biết sâu rộng Do đó bài tập lớn Điện tử công

suất là một bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên,

và cũng là điều kiện để cho sinh viên nghành Tự động hoá tự tìm hiểu và

nghiên cứu kiến thức về điện tử công suất Vì vậy là sinh viên năm thứ

hai mới bắt đầu làm quen với những kiến thức về chuyên nghành, chưa

có nhiều kinh nghiệm thực tế nên khi làm bài tập lớn cần phải có sự hướng dẫn của các thầy cô giáo

Qua đồ án này đã giúp chúng em hiểu them được rất nhiều kiến thức về bộ môn này cũng như hiểu them được kiến thức chuyên nghành

tự động hoá của mình.

Xin chân thành cảm ơn!

PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG

CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU:

1.1 Chỉ tiêu điều chỉnh tốc độ:

Điều chỉnh tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền độngđiện tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của các máy sản xuất Đểđánh giá chất lượng của một hệ thống truyền động điện thường căn cứvào một số chỉ tiêu sau:

- Sai số tốc độ: Là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc

độ đặt và thường được tính theo phần trăm (%)

ω ω

=

% S

= ω

Trong đó: i là giá trị tốc độ ổn định đạt được ở cấp i

i+1: Giá trị tốc độ đạt được ở cấp kế tiếp (i++1)

Hệ điều chỉnh vô cấp nếu 

i

i + 1 ω

=

ω  1 tức là hệ truyền đông

Có thể làm việc ổn định với mọi giá trị trong suốt dải điều chỉnh

Hệ điều chỉnh có cấp khi nó chỉ làm việc ổn định ở một số gí trị tốc độtrong dải điều chỉnh.

- Độ rộng điều chỉnh (dải điều chỉnh):

Dải điều chỉnh hay phạm vi điều chỉnh là tỉ số giữa giá trị lớn nhất củatốc độ làm việc ứng với mô men tải đã cho

min ω max ω

P 

Giá trị cực đại max bị hạn chế bởi độ bền cơ học của động cơ và với động

cơ một chiều nó còn bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp.Tốc độ nhỏ nhất 𝜔min bị chặn dưới bởi yêu cầu về mô men khởi động vàkhả năng quá tải và về sai số tốc độ làm việc cho phép

Nhìn vào phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều:

M

) k (

P P k

U

2 f

­



Φ Φ

ω

Có thể điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng những phươngpháp sau:

+ Điều chỉnh từ thong kích từ của động cơ

+ Điều chỉnh điện trở trên mạch phần ứng

+ Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ

1.2 Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi từ thông :

Điều chỉnh từ thong kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh

mô men điện từ của động cơ M = kIvà sức điện động quay của động cơ

d ω + r

+ Xét trường hợp x < đm khi  giảm dẫn đến o tăng và độ cứng đặc tính

cơ giảm dần Việc tăng tốc độ khi  giảm chỉ dung trong một giới hạnnhất định, khi phụ tải lớn hơn giới hạn phụ tải nào đó thì việc giảm dầnđến việc giảm tốc độ

Thường khi điều chỉnh từ thong thì điện áp được giữ nguyên ở giá trịđịnh mức do đó đặc tính cơ thấp

Trong vùng điều chỉnh từ thong chính là đặc tính cơ có điện áp phần ứngđịnh mức, từ thong định mức được gọi là đặc tính cơ bản (đôi khi chính làđặc tính cơ tự nhiên ) Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạnchế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện Khi giảm từ thong đểtăng tốc độ quay của động cơ đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổgóp cũng bị xấu đi

+ ưu- nhược điểm:

- điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp này ta thu được tố độđộng cơ lơan hơn tốc độ định mức và điều chỉnh về phía giảm từ thông

- Khi giảm từ thong ta thu được đặc tính cơ dốc hơn đặc tính cơ địnhmức Do đó độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thong

- Chỉ làm việc trong phạm vi tải nhỏ chứ không dung được cho tảilớn vì M = kIư giảm từ thông thì mômen giảm rất nhiều

- Khi điều chỉnh bằng giảm từ thong rất dễ mất đến mất từ thong làmcho dòng điện tăng lên rất nhanh làm hỏng động cơ.

-1.3 Điều chỉnh bằng thay đổi điện áp phần ứng động cơ:

Đặc tính điều chỉnh khi thay đổi điện áp

Khi điều chỉnh tốc độ động cơ theo điện áp phần ứng động cơ thì điện ápkích từ là không đổi Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiềukích từ độc lập, cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích

từ độc lập, bộ phận chỉnh lưu điều khiển… Các thiết bị náy có chức năngbiến năng lượng xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điềuchỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Uđb

Phương trình cân bằng điện áp ở chế độ xác lập:

M ) k

(

R R

k

E

2 b

Vì từ thong của động cơ điện được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơcũng không đổi Còn tốc độ tải lí tưởng phụ thuộc vào điện áp điều khiển

ω = Mβ® m

max max ω 0

ω ω0 β® m

min min

Vì họ đường đặc tính cơ là đường thẳng song song nên theo độ cứng đặctính cơ ta có:

min = (Mnmmin – Mđm)

β

M

= β

1 ®m

(kM-1)

1 1

β )

dm M

dm o

k

M M

cơ Có thể tính sơ bộ:

10

M

β ω

min 0 min

0

min min 0

ω

ω ω

S  M dm S cp

min 0



Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thong kích từđược giữ nguyên, do đó mômen cho phép của hệ sẽ là không đổi

Mcp = kđm Iđm = Mđm

Ưu điểm: Độ điều chỉnh trơn, dải điều chỉnh rộng Có thể giảm tốc độ

xuống thấp mà đặc tính cơ vẫn cứng dẫn đến độ ổn định tốc độ cao.Mômen mở máy giảm không nhiều, Khi giảm tốc độ sẽ xảy ra hiện tượnghãm tái sinh

Không có tổn thất trong mạch phần ứng Phương pháp này có thể áp dụngcho non tải, tải định mức

Nhược điểm: Chỉ điều chỉnh tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản Muốn thay

đổi phải có nguồn điện áp phần ứng

1.4 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng:

Đây là phương pháp kinh điển dung để điều chỉnh tốc độ động cơ trongnhiều năm

Nguyên lí điều khiển:

Trong phương pháp này người ta giữ U = Uđm;  = đm và nối thêm điệntrở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng:

Rf = 0

Rf1

Rf2

 0

k M

Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ

Ứng với điện trở phụ Rf=0 ta có đặc tính cơ tự nhiên TN có giá trị lớnnhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng cứng hơn tất các đặc tính cóđiện trở phụ

Như vật khi thay đổi điện trở phụ ta có được một họ đặc tính cơthấp hơn đặc tính cơ tự nhiên

 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, sai số tốc độ cànglớn

- Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dướitốc độ định mức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm)

- Chỉ áp dụng cho động cơ có công suất nhỏ, vì tổn hao trên điện trởphụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động

cơ điện trong cầu trục

 Đánh giá các chỉ tiêu:

- Tính liên tục: Phương pháp này không thể điều khiển lien tục được

mà phải điều khiển nhảy cấp

- Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải Tải càng nhỏ thìdải điều chỉnh D = max / min càng nhỏ Phương pháp này có thể điềuchỉnh trong dải D=3:1

- Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trênđiện trở lớn

- Chất lượng không cao dù điều khiển rất dơn giản



Nhận xét: Qua các phương pháp điều chỉnh trên ta thấy phương

pháp điều chỉnh phần ứng động cơ là phù hợp vì khi thay đổi điện ápphần ứng động cơ, ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ

tự nhiên Khi thay đổi điện áp thì Mnm, Inm của động cơ giảm, tốc độ củađộng cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định

PHẦN 2: THIẾT KẾ MẠCH

CHƯƠNG I: MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

I.1 Giới thiệu chung

LM 723 là một bộ điều chỉnh điện áp được thiết kế chủ yếu cho một loạt những ứng dụng Bởi chính bản thân nó, nó sẽ cho dòng ra lên tới

150mA; đồng thời bên ngoài có thể bổ xung thêm dòng điện để được dòng cung cấp cho tải như mong muốn Trên đường đặc tính của mạch dòng dự trữ vô cùng chậm, và sự cung cấp này tạo nên sự tuyến tính đồngthời hoặc giới hạn dòng phản hồi

LM 723 được sử dụng rộng rãi,ngoài việc sử dụng làm bộ đièu chỉnh điện

áp nó còn được sử dụng với những chức năng như bộ điều chỉnh dòng điện hay bộ điều khiển nhiệt độ

I.2 Chức năng

+ Tạo ra dòng điện đầu ra 150mA không cần thêm transistor mắc mạch ngoài

+ Tạo ra dòng tới 10A bằng cách mắc thêm transistor mạch ngoài

+ Điện áp đầu vào tối đa 40V

+ Điện áp ra có thể điều chỉnh từ 2V đến 37V

Sơ đồ chân:

số

4 Inverting input Đầu vào –IN của OP-AMP bên trong

8 NC Không dùng

13 Frequency compesation Chân so sánh tần số

đựơc đưa đến đầu vào đảo và đầu vào không đảo, đầu ra sẽ được dung để điều khiển cực bazơ của transistor 1 để lấy tín hiệu ra tại chân E của T1 Đồng thời việc kích mở của T1 còn phụ thuộc vào việc dẫn mở của Transistor 2 Nếu T2 dẫn sâu thì điện áp đầu ra tạichân E của T1 giảm và ngược lại.

Sơ đồ nguyên lý:

Những giá trị được ước lượng :

Xung điện áp từ V+ tới V- (50ms) 50V

Điện áp liên tục từ V+ đến V- 40V

Sự chênh lệch điện áp vào- ra 40V

Sai lệch của điện áp đầu vào

Hốc DIP 400mW

I.3.1 Khâu tinh chỉnh

Tín hiệu lấy ra từ chân 6 ssẽ được phân áp qua bộ phân áp gồm Pot 6 vàPot 2 và R8 sẽ được đưa vào chân 2 của LM723 Ta có: IIC= ICT2+ IBT1 Do

đó việc điều chỉnh điện áp của chân 2 sẽ làm thay đổi dòng trên ICT2 vàlàm thay đổi dòng và áp tại đầu ra của IC Do đó khâu này có thể điềuchỉnh điện áp ra ở một phạm vi nhỏ

I.3.2 Khâu điều chỉnh thô:

Bao gồm các biến trở Pot1, pot3, Pot5, Pot4 Thông qua điều chỉnh khốinày sẽ giúp thay đổi điện áp đặt vào chân 4 Khi Tăng điện trở thì điện áp

vào chân 4 sẽ nhỏ dẫn đến điện áp tăng Và ngược lại khi giảm điện trởthì điện áp đầu ra sẽ giảm.

CHƯƠNG II: MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Sau đây chúng tôi xin được giới thiệu sơ qua về IC HA555

1.1 Giới thiệu IC HA555N

IC HA555 N gồm có 8 chân

- chân số 1(GND): cho nối mase để lấy dòng cấp cho IC

- chân số 2(TRIGGER): ngõ vào của 1 tần so áp.mạch so áp dùng cáctransistor PNP Mức áp chuẩn là 2*Vcc/3.

- Chân số 3(OUTPUT): Ngõ ra trạng thái ngõ ra chỉ xác định theo mứcvolt cao(gần bằng mức áp chân 8) và thấp (gần bằng mức áp chân 1)

- Chân số 4(RESET): dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nốimasse thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạngthái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6

- Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): dùng làm thay đổi mức áp chuẩntrong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài chonối mase Tuy nhiên trong hầu hết các mạch ứng dụng chân số 5 nốimasse qua 1 tụ từ 0.01uF  0.1uF, các tụ có tác dụng lọc bỏ nhiễu giữ chomức áp chuẩn ổn định

- Chân số 6(THRESHOLD) : là ngõ vào của 1 tầng so áp khác Mạch sosánh dùng các transistor NPN mức chuẩn là Vcc/3

- Chân số 7(DISCHAGER) : Có thể xem như 1 khóa điện và chịu điềukhiển bỡi tầng logic Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đónglại.ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC

555 dùng như 1 tầng dao động

- Chân số 8 (Vcc): cấp nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC Nguồn nuôicấp cho IC 555 trong khoảng từ +5v  +15v và mức tối đa là +18v

1.2 cấu tạo bên trong và nguyên tắc hoạt động của IC 555

- Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành

3 phần Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3 VCC nối vàochân dương của Op-amp 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2 Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [1] và FF được

kích Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF = [1] và FFđược reset

b Ngyên tắc hoạt động:

Ký hiệu 0 là mức thấp(L) bằng 0V, 1 là mức cao(H) gần bằng VCC.Mạch FF là loại RS Flip-flop

điện áp ở chân 6 không vượt quá V2 Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0,

- V+2 > V-2 Do đó O2 = 1.

- R = 1, S = 0 > Q=0, /Q = 1

- Q = 0 > Ngõ ra đảo trạng thái = 0

- /Q = 1 > Transistor dẫn, điện áp trên chân 7 xuống 0V !

- Tụ C xả qua Rb Với thời hằng Rb.C

- Điện áp trên tụ C giảm xuống do tụ C xả, làm cho điện áp tụ C nhảyxuống dưới 2Vcc/3

- /Q = 0 > Transistor không dẫn -> chân 7 không = 0V nữa và tụ C lạiđược nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3.

* Quá trình lại lặp lại

=> Kết quả: Ngõ ra OUT có tín hiệu dao động dạng sóng vuông, có chu

- Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là 2Vcc/3, và kết thúc xả

ở thời điểm điện áp trên C bằng Vcc/3 Xả điện với thời hằng là Rb.C

- Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện

1.3 cơ sở lý thuyết và phương pháp tính các giá trị trong mạch:

Để tính chu kỳ dao động T của 1 mạch dao động tạo xung ta cần phảitính được thời gian ngưng dẫn của tụ khi nạp và xả

Ta có sơ đồ mạch đơn giản để tính thời gian ngưng dẫn khi tụ nạp xả

Tn = 0.693*(R1+R2)*C2Thời gian ngưng dẫn ở mức áp thấp cũng là lúc tụ C2 xả dòng qua R2

Tx = 0.693*R2*C2Như vậy chu kỳ của tín hiệu sẽ là : T = Tn+Tx

T = 0.693*(R1+2*R2)*C2

* Ta có dạng song ra :

Dạng xung tại ngõ out(3):

1.4 ứng dụng của IC 555:

Ứng dụng của 555 là rất lớn, ngoài ứng dụng hay dùng là mạchphát xung nó còn dùng để đo điện dung Điện dung hoặc cảm biến dạngđiện dung được nối vào mạch, khi thay đổi sẽ làm tần số đầu ra thay đổi.Việc đo tần số với vi điều khiển thì đơn giản rồi Khi sử dụng cách này,cần phải có điện trở thật chính xác để tránh sai số.ngoài ra IC 555 còn cónhiều ứng dụng trong thực tế như: dùng làm mạch cho khởi độngtrễ,mạch phát ra âm thanh,điều chế xung, dùng để đo tốc độ quay củamáy hát đĩa, dùng trong thiết bị chống trộm và tia hồng ngoại……

1.5 Mạch ứng dụng:

R 4

Giả sử chọn tần số dao động của mạch là f=1(kHz), chọn C2=100(nF),R1=R2

+ Muốn thay đổi tần số giữ nguyên độ rộng xung thì R1 và R2 phảiđược thay đổi cùng lúc(cùng tăng hoặc cùng giảm giá trị như nhau).

+ Muốn thay đổi độ rộng xung (giữ nguyên tần số) thì R1 và R2phải được thay đổi cùng lúc và có chiều ngược lại (khi R1 tăng thì R2phải giảm cùng giá trị như nhau)

 Dạng tín hiệu ra chân 3 của mạch:

 Dạng tín hiệu ra tại chân 7

Với hai dang tín hiệu thu được ở hai đầu ra ta thấy tín hiệu ra tại chân 3

có xung vuông hơn chân 7 nên ta lấy tín hiệu ra ở chân 3 và ta cũng thuđược một giá trị điện áp ổn định tại chân 3 là 4.9 V

Để thay đổi tốc độ động cơ ta chỉ cần thay đổi độ rộng xung tức là ta sethay đổi tần số phát ra của mạch Do đó, trong mạch có sử dụng 2 biến trởthay cho 2 điện trở R1 và R2 để tiện thay đổi tần số phát xung

2. Khâu logic:

Với khâu này ta sử dụng các cổng logic để điều khiển kích mở cácMOSFET thông qua phần tử cách li OPTO Sau đây là mạch logic dungcổng AND tích hợp 74*08 và cổng NOT 74*04:

Giả sử chuyển công tắc sang vị trí 3 của S1 và chân 1,2 của IC2A ta có bảng trạng thái:

1 2 3 4 5 6 9 1

0

8 12

13

11

1 2 3 9 1

0

8 12

13

11

1 2 1

1

10

13

12

Các đèn báo:

Đèn màu xanh sáng báo hiệu đã có xung phát từ chân 3 của NE555

Đèn màu vàng sáng báo hiệu đã có tín hiệu vào chân anôt của diode

3. Phần tử cách li:

Có tác dụng cách ly mạch động lực và mạch điều khiển