Thiết kế và chế tạo mạch xung áp một chiều

Nguyờn tắc hoạt động của bộ băm xung ỏp một chiều làm việc ở chế độ giảm ỏp Chương IV: Giới thiệu về cỏc linh kiện được sử dụng trong mạch 4.1.. Việc ứng dụng điện tử công suất vàotruy

Đồ án môn họcSinh viên thực hiện : 1 Trần Trờng Xuân

2 Trần Thị Yến

Khoá học : 2008-1012

Ngành đào tạo : Tự động hóa

 Số liệu cho trớc:

- Các trang thiết bị đo, kiểm tra tại xởng thực tập, thí nghiệm điện

- Các tài liệu, giáo trình chuyên môn

 Nội dung cần hoàn thành:

1 Lập kế hoạch thực hiện

2 Phân tích một số sơ đồ mạch xung áp và các nguyên tắc điều khiển

3 Thiết kế, chế tạo mạch xung áp một chiều đảm bảo yêu cầu:

- Cấp điện cho Động cơ DC có các thông số U đm = 220VDC, I = 2,65A

- Có đảo chiều quay động cơ.

- Bảo vệ quá dòng điện, quá nhiệt độ cho phần tử công suất

- 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 A 0 , Folie 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 dới 2cm; đề mục các chơng (phần) chữ viết hoa cỡ 13, các đề mục chính chữ thờng in đậm, nội dung chính chữ 14 Cấu trúc thuyết minh theo yêu cầu hiện hành của bộ môn.

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hưng Yên, Ngày….tháng… năm 2010 Giáo Viên Hướng Dẫn

Nguyễn Đình Hùng

Mục lục

A cơ sở lý thuyết

Chương I : Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều

Chương II: Vài nét tổng quan về máy điện 1 chiều

2 1 Cấu tạo của máy điện một chiều

2.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

2 3 Phân loại các động cơ điện 1 chiều

2 4 Các đại lợng định mức

2 5 Đặc tính làm việc của động cơ điện kích từ độc lập

2.5.1 Đờng đặc tính cơ

2.5.2 Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ kích từ độc lập

2.5.3.Các chế độ làm việc của động cơ

Chương III: Giới thiệu về bộ băm xung ỏp 1 chiều

3.1 Bộ băm xung ỏp một chiều

3.2 Giới thiệu chung

3.3 Nguyờn tắc hoạt động của bộ băm xung ỏp một chiều làm

việc ở chế độ giảm ỏp

Chương IV: Giới thiệu về cỏc linh kiện được sử dụng trong mạch

4.1 Giới thiệu chung về cỏc linh kiện

4.2 Chớp vi xử lý 89C51

4.3 Một số linh kiện khác được sử dụng trong mạch

4.4 Giới thiệu về IGBT

Chương V: Sơ đồ nguyên lý và hoạt động các khối trong mạch

5.1 Khối nguồn

5.2 Khối tạo tin hiệu điều khiển(mạch vi xử lý)

5.3 Khối cách li, khuyếch đại điện áp

Lời nói đầu

gày nay, Khoa học _ Kĩ thuật đóng một vai trò quan trọng và không thểthiếu trong quá trình phát triển kinh tế quốc dõn Trong những thành tựukhoa học – kỹ thuật phục vụ công cuộc phát triển đất nớc thành công, phải

kể đến cả những đóng góp của ngành tự động hoá trong cả đời sống, cũng nh trongsản xuất công nghiệp mà Điện tử công suất góp phần giải quyết những bài toán kĩthuật phức tạp trong lĩnh vực tự động hóa Việc ứng dụng điện tử công suất vàotruyền động điện điều khiển tốc độ động cơ trong các xí nghiệp công nghiệp hiện

đại ngày càng nhiều và không thể thiếu Một trong những ứng dụng của ĐTCStrong sản xuất công nghiệp là điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng bộ bămxung một chiều có đảo chiều theo nguyên tắc đối xứng

N

Trong quỏ trỡnh học tập tại trường Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yờnnhững kiến thức cơ bản về chuyờn ngành đó được cỏc Thầy,cụ trong khoa điện tửnhiệt tỡnh giảng dạy Đồng thời được sự hướng dẫn của thầy: Nguyễn Đình

Hùng chỳng em đó thiết kế xây dựng lờn "mạch xung áp một chiều điều khiển động cơ,cú đảo chiều quay ” Sau một thời gian tập trung nghiờn cứu, tỡm

tũi, học hỏi, đặc biệt dưới sự chỉ bảo, hướng dẫn nhiệt tỡnh của thầy: Nguyễn

Đỡnh Hựng cựng cỏc thầy cụ trong khoa đó giúp đỡ, tạo điều kiện cho chúng

A Á CƠ SỞ LÁ THUYẾT

Chương I:GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 1 CHIỀU

Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện 1 chiều vẫn đợc coi là một loại máyquan trọng, không thể thiếu Nó có thể dùng làm động cơ điện, máy phát điện haydùng trong những điều kiện làm việc khác Động cơ điện một chiều giữ một vị trínhất định nh trong công nghiệp giao thông vận tải, và ở các thiết bị cần điều khiểntốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (nh trong máy cán thép, máy công cụ lớn,

đầu máy điện ) Một động cơ điện một chiều có giá thành đắt hơn các động cơkhông đồng bộ hay các động cơ xoay chiều khác do sử dụng nhiều kim loại màuhơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn nhng do những u điểm của nó màmáy điện một chiều vẫn đóng vai trò không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại

Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện haymáy phát điện tuỳ theo những điều kiện làm việc khác nhau Song u điểm lớn nhấtcủa động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải Nếu nh bảnthân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng đợc hoặc nếu đáp ứng đợc thì phảichi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (nh bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điệnmột chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực,mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lợng cao

Động cơ điện một chiều có công suất nhỏ khoảng 75% ữ 85%, động cơ điện

có công suất trung bình và lớn khoảng 85% ữ 94% Công suất lớn nhất của động cơ

điện một chiều vào khoảng 10000kw, điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000V.Hiện nay, hớng phát triển là cải tiến tính năng của vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tếcủa động cơ và chế tạo những máy có công suất lớn hơn Với trình độ hiểu biết cònhạn chế, quyển đồ án môn học này chỉ đề cập tới vấn đề “thiết kế bộ băm xung mộtchiều để điều chỉnh tốc độ ( có đảo chiều quay ) ”

CHƯƠNG II: V I NẫT T À ỔNG QUAN VỀ M Y Á ĐIỆN MỘT CHIỀU

2.1 Cấu tạo của máy điện một chiều.

Kết cấu của máy điện một chiều có thể phân tích thành 2 phần chính là phầntĩnh và phần quay.

a Phần tĩnh (stato): Là bộ phận đứng yên của máy gồm các bộ phận chính

sau:

- Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trờng gồm có lõi sắt cực từ và dâyquấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những láthép kỹ thuật điện hay thép cacbon ghép lại Trong máy điện nhỏ, có thểdùng thép khối Dây quấn kích từ đợc quấn bằng dây đồng có bọc cách

điện

- Cực từ phụ: đợc đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõithép của cực từ phụ thờng đợc làm bằng thép khối Dây quấn của cực từphụ giống nh dây quấn của cực từ chính

- Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy

- Các bộ phận khác: nắp máy, cơ cấu chổi than…

b Phần động (roto): gồm có những bộ phận sau:

- Lõi sắt phần ứng: dùng để dẫn từ Thờng dùng bằng những lá thép kỹthuật điện có phủ cách điện mỏng 2 mặt ghép lại để giảm tổn hao do dòng

điện xoáy gây nên

- Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạyqua Dây quấn phần ứng thờng làm bằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ, dây quấn phần ứng có tiết diện tròn còn trong máy

điện cỡ trung bình và lớn, dây quấn phần ứng có tiết diện hình chữ nhật

- Cổ góp: còn đợc gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiềudòng điện xoay chiều thành một chiều

- Các bộ phận khác gồm có: cánh quạt, trục máy…

2.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều.

Động cơ điện một chiều hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ: Khi đặtvào trong từ trờng một dây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trờng

sẽ tác dụng một từ lực vào dòng điện (vào dây dẫn) và làm cho dây dẫn chuyển

động Chiều của từ lực đợc xác định theo quy tắc bàn tay trái

Khi cho dòng điện kích thích vào cuộn dây kích thích ở Stato, trong khe hởkhông khí sẽ sinh ra từ thông Còn khi cho dòng điện phần ứng đi vào cuộn dâyphần ứng đặt trong roto, thì dới tác dụng của từ trờng này trong dây quấn sẽsinh ra momen điện từ trên trục máy kéo roto quay Vì vậy, chiều quay của máy

điện từ do lực điện từ tác dụng lên các thanh dẫn có chiều từ phải sang trái vàlực điện từ có giá trị f = B.l.i

2.3 Phân loại các động cơ điện 1 chiều.

Tuỳ theo cách kích thích từ của động cơ, mà ngời ta phân các loại động cơ điệnmột chiều theo các loại sau:

- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: là loại động cơ 1 chiều có cuộnkích từ đợc cấp điện từ một nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấpcho roto Thờng là các động cơ có công suất lớn để điều chỉnh dòng điệnkích từ đợc thuận lợi và kinh tế hơn I = I

- Động cơ một chiều kích từ song song: cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng

đợc cấp điện bởi cùng một nguồn điện I = I + It

- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp: cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộndây phần ứng Cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chếtạo dễ dàng nên ta có I = I =It Động cơ loại này đợc sử dụng rất nhiềuchủ yếu trong nghành kéo tải bằng điện

- Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp: từ thông đợc tạo ra do tác dụng đồngthời của 2 cuộn kích từ: một cuộn song song và một cuộn nối tiếp I = Iu+It

Mỗi loại động cơ trên sẽ tơng ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều khiển

và ứng dụng tơng đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố

2.4 Các đại lợng định mức

- Chế độ làm việc định mức đợc đặc trng bằng những đại lợng ghi trên nhãn máy và gọi là những lợng định mức Trên nhãn máy thờng ghi những đại l-ợng sau:

o Công suất định mức Pđm (kW hay W): là công suất cơ đa ra ở đầu trụcmáy

2 5.Đặc tính làm việc của động cơ điện kích từ độc lập.

Khi động cơ làm việc, roto mang cuộn ứng quay trong từ trờng của cuộn cảmnên trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức điện động cảm ứng (hay còn gọi là sứcphản điện động) có chiều ngợc với chiều của điện áp đặt vào phần ứng động cơ.Phơng trình điện áp ở mạch rôto sẽ là:

Σ+

rr

rcP - điện trở cuộn phụ, Ω

Sức điện động phần ứng là tỉ lệ với tốc độ quay của roto: E=kφω

Trong đó:

φ

- từ thông qua một cực từ, Wb

ω

- tốc độ góc của roto, rad/s

k – hệ số phụ thuộc vào kết cấu của động cơ: 2 a

N.pk

π

=

với:

p – số đôi cực từ chính

N – số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng

a – số mạch nhánh song song của cuộn ứng

Nhờ lực từ trờng tác dụng vào dây quấn phần ứng khi có dòng điện, roto quay

dới tác dụng của momen quay

Ik

Phơng trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập

M)k(

Rk

U

2φ

−φ

Rk

U

2

φ

−φ

=

có dạng một hàm bậc nhấty=B + Ax, nên đờng biểu diễn trên hình vẽ H.2 là một đờng thẳng với độ dốc

âm Đờng đặc tính cắt trục hoành 0ω

tại điểm có tung độ ω = kφ

Uo

Tốc độ ω

o

là tốc độ ứng với MC = 0, nghĩa là khi không có lực cản nào cả Đó là tốc độ lớn

nhất của động cơ mà không thể đạt ở chế độ động cơ vì không bao giờ xảy ra

MC = 0 (do lực ma sỏt luôn tồn tại khi động cơ quay) Tốc độ ω

Rk

U

2 dm dm

dm

φ

−φ

=ω

dm

dm o

k

U

φ

=ω

càng cứng (β

càng lớn) tức làmômen biến đổi nhiều nhng tốc

độ biến đổi ít và ngợc lại Đặc tính

=

Với độ sụt dốc tỷ lệ với mô men tải:

M)k(

R

dmφ

=

Mm.n và In.m gọi là mômen ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch Đó là giá trị

mômen lớn nhất và dòng điện ngắn nhất của động cơ khi đợc cấp điện đầy đủ

mà tốc độ bằng 0

Ta có:

nm dm

dm dm

R

Uk

và

dm nm

rôto để hạn chế dòng điện mở máy và khi động cơ đang chạy bị dừng lại, cần

phải nhanh chóng cắt điện

2.5.2.Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ kích từ độc lập.

(Bằng cách điều chỉnh các thông số điện)

a Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông φ

.

Rf1 Rf2 Rf3

M(I ) Mđm(Iđm) 0

Muốn thay đổi từ thông động cơ, ta tiến hành thay đổi dòng kích từ của

động cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ Phơng pháp này chophép tăng điện trở vào mạch kích từ nghĩa là có thể giảm dòng điện kích từ

Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có đặc điểm:

- Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tởng của đặc tính cơ càngtăng, tốc độ động cơ càng lớn

- Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông

- Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh: D≈3:1

- Chỉ thay đổi đợc tốc độ về phía tăng theo phơng pháp này

- Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các đặc tính sẽ cắtnhau và do vậy, với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từ thông giảm.Còn với tải lớn, tốc độ có thể tăng hoặc giảm tuỳ theo tải Thực tế, phơngpháp này chỉ sử dụng với tải không quá lớn so với định mức

- Phơng pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch

kích từ với dòng kích từ là (1ữ10)

%dòng định mức của phần ứng Tổn hao

)RR(n

M(I ) 0

n n04 n01 n02

n 03

4 1 2 3 (U đm )

- Phơng pháp này chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm (do chỉ có thểtăng thêm điện trở)

- Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng nên tổn haocông suất dới dạng nhiệt trên điện trở khi điều chỉnh khá lớn

- Dải điều chỉnh phụ thuộc trị số mômen tải tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh

càng nhỏ Phơng pháp này thờng cho D≈5ữ1

- Về nguyên tắc, phơng pháp này cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi đều điệntrở nhng vì dòng điện rôto lớn nên việc chuyển đổi điện trở sẽ khó khăn

và thờng sử dụng chuyển đổi theo từng cấp điện trở

Thực tế ngày nay ngời ta không dùng phơng pháp này Vì phơng pháp nàychỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dới tốc độ định mức, và luônkèm theo tổn hao năng lợng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ

điện Vì vậy phơng pháp này chỉ áp dụng ở động cơ điện có công suất nhỏ vàthực tế thờng dùng ở động cơ điện trong cần trục

c Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.

Phơng pháp này chỉ áp dụng đợc đối với động

cơ điện 1 chiều kích từ độc lập hoặc động cơ điện

kích thích song song làm việc ở chế độ kích thích

độc lập Khi thay đổi U ta có một họ đặc tính cơ

có cùng một độ dốc (hình vẽ )

Trên hình vẽ: đờng 1 – ứng với Uđm, đờng 2,

3 ứng với Uđm > U2 > U3 và đờng 4 – ứng với U4

> Uđm

Vì không cho phép vợt quá điện áp định mức

nên phơng pháp này chỉ cho phép điều chỉnh

giảm tốc độ, việc điều chỉnh tốc độ trên tốc độ định mức không đợc áp dụnghoặc đợc thực hiện trong một phạm vi rất hẹp Đặc điểm của phơng pháp này là

lúc điều chỉnh tốc độ, momen không đổi vì φ

và I đều không đổi Điện áp phầnứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ

Chú ý: + Phơng pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng

không đổi trong toàn dải điều chỉnh

MC I: Động cơ

+ Tốc độ không tải lý tởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệ thống do đó

có thể nói phơng pháp này điều khiển là triệt để

+ Giải điều chỉnh tốc độ của hệ tthống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tínhứng với điện áp định mức và từ thông định mức Tốc độ nhỏ nhất của dải điềukhiển bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mô men khởi động

+Với một cơ cấu máy cụ thể có ω0max,K , M M dm xác định vì vậy phạm vi điều

chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng

Phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có các u điểm nh sau:

- Hiệu suất điều chỉnh cao (phơng trình điều khiển là tuyến tính, triệt để)nên tổn hao công suất điêù khiển nhỏ

- Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mômen ngắnmạch giảm, dòng ngán mạch giảm Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động

động cơ

- Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điềuchỉnh xác định là nh nhau nên sai số tốc độ tơng

đối (sai số tĩnh) của đặc tính cơ thấp nhất không

đợc vợt quá sai số cho phép cho toàn dải điều

chỉnh Phơng pháp này có thể điều chỉnh trơn

trong toàn bộ dải điều chỉnh

Tuy vậy phơng pháp này đòi hỏi công suất điều

chỉnh cao và đòi hỏi phải có một bộ nguồn có thể

thay đổi trơn điện áp ra, xong nó là không đáng

kể so với vai trò và u đIểm của nó Vậy nên

ph-ơng pháp này đợc sử dụng rộng rãi

U

2φ

−φ

R

UI

tơng đối lớn Đốivới động cơ có công suất càng lớn thì R thờng có giá trị càng nhỏ và dòng Inmcàng lớn Điều này làm xấu chế độ chuyển mạch trong động cơ, đốt nóngmạnh động cơ và gây sụt áp lới điện Tình trạng này càng xấu hơn nếu hệTĐĐ thờng phải mở máy, đảo chiều, hãm điện thờng xuyên nh máy trục,máy cán đảo chiều, thang máy lên xuống…Vậy để đảm bảo an toàn cho độngcơ và các cơ cấu truyền động cũng nh tránh ảnh hởng xấu tới lới điện, phải

hạn chế dòng điện khi mở máy, không cho vợt quá giá trị: Imm = (1,5 ữ

+ Hãm tái sinh:

Xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tởng.Khi đó U > E Động cơ làm việc nh một máy phát điện song song với lới Sovới chế độ động cơ, dòng điện và mômen hãm đã đổi chiều xác định theobiểu thức:

0R

kk

R

EU

h K .I

Trị số hãm sẽ lớn dần cho đến khi cân bằng với mômen phụ

tải thì hệ thống làm việc ổn định với tốc độ ω d >ω0

Vì sơ đồ đấu dây củamạch động cơ không đổi nên phơng trình đặc tính cơ tơng tự nhng mômen cógiá trị âm Đờng đặc tính cơ nằm trong góc phần t thứ hai và thứ t ( hình vẽtrên )

Trong hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất đợc đa trả

về lới điện có giá trị P = (E - U).I Đây là phơng pháp hãm kinh tế nhất vì

Hãm ng ợc khi đ a điện trở phụ vào mạch phần ứng (tăng tải): Đặc tính

hãm ngợc sđđ tác dụng cùng chiều với điện áp lới, động cơ làm việc nh mộtmáy phát nối tiếp với lới điện, biến điện năng nhận từ lới điện và cơ năngthành nhiệt đốt nóng điện trở tổng mạch phần ứng, vì vậy tổn thất lớn

Đảo chiều điện áp phần ứng: Dòng điện Ih ngợc chiều với chiều làmviệc của động cơ và có thể khá lớn

f

EUI

Hãm động năng tự kích từ độc lập: Khi ta cắt phần ứng động cơ khỏi

l-ới điện một chiều và đóng vào một điện trở hãm:

h

hd h

kR

R

EI

+

φω

=+

−

=

0Ik

Mh = φ hd <

Chứng tỏ Ihdvà Mhd ngợc chiều với tốc độ ban đầu Năng lợng chủ yếu

đợc tạo ra do động năng tiêu tốn chỉ nằm trong mạch kích từ

Nhợc điểm là nếu mất điện thì không thực hiện hãm đợc do cuộn dâykích từ vẫn phải nối với nguồn Muốn khắc phục ngời ta sử dụng phơng pháphãm động năng tự kích từ Nó xảy ra khi ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích từ

ra khỏi lới điện khi động cơ quay để đóng vào một điện trở hãm

Trong quá trình hãm tốc độ giảm dần, dòng kích từ giảm dần và do đó

từ thông giảm dần và là hãm tốc độ vì vậy đặc tính cơ cũng nh đặc tínhkhông tải của máy phát điện tự kích thích là phi tuyến so với phơng pháphãm ngợc Hãm động năng có hiệu quả kém hơn khi chúng có cùng tốc độ

và mômen cản, tuy nhiên hãm động năng u việt hơn về mặt năng lợng đặcbiệt hãm động năng tự kích vì không tiêu thụ năng lợng từ lới và đặc biệt cóthể sử dụng đợc kể cả khi mất điện

- Đảo chiều quay động cơ

Chiều từ lực tác dụng vào dòng điện đợc xác định theo quy tắc bàn taytrái Khi đảo chiều từ thông hay đảo chiều dòng điện thì từ lực có chiều ngợclại

Vậy muốn đảo chiều quay của động cơ điện một chiều có thể thựchiện 1 trong 2 cách sau:

+ Hoặc đảo chiều từ thông (qua việc đảo chiều dòng kích từ)

+ Hoặc đảo chiều dòng điện phần ứng

Đờng đặc tính cơ của động cơ khi quay thuận và quay ngợc là đốixứng nhau qua gốc tọa độ (hình vẽ)

Phơng pháp đảo chiều từ thông thực hiện nhẹ nhàng vì mạch từ thông

có công suất nhỏ hơn mạch phần ứng Tuy vậy, vì cuộn kích từ có số vòngdây lớn, hệ số tự cảm lớn, do đó thời gian đảo chiều tăng lên nên phơng phápnày ít dùng Ngoài ra, dùng phơng pháp đảo chiều từ thông thì khi từ thôngqua trị số 0 có thể làm tốc độ tăng quá, không tốt

c Vấn dề phụ tải.

Đặc tính của phụ tải cũng là vấn đề cần phải quan tâm khi điều khiển

động cơ điện một chiều ở đây ta sẽ chỉ xét trờng hợp phụ tải có mômen làhằng số trong toàn dải điều chỉnh và đặc tính phụ tải là tuyến tính

Qua phân tích trên đây, việc điều khiển điện áp phần ứng đợc chọn làphù hợp giải pháp mà ngời ta thờng dùng hiện nay là băm xung áp điềukhiển bằng bộ băm xung áp một chiều mà ta sẽ đề cập ở vấn đề tiếp theo

CHƯƠNG III :BỘ BĂM XUNG ÁP MỘT CHIỀU

3.1 Bộ băm xung áp một chiều

Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp có thể điều chỉnh cho điện áptrung bình trên tải Utb đạt đến giá trị lớn hơn điện áp E đặt của nguồn điện:

E < Utb <∝

Bộ băm xung áp một chiều được coi như là một công tắc tơ tĩnh đóng mở liêntục một cách chu kỳ Nó được sử dụng rộng rãi trong các máy vận chuyển, trongtruyền động máy cắt gọt, trong giao thông đường sắt, ôtô chạy điện, xe rùa bốc

dỡ hàng, trong kỹ nghệ điện hoá

Thiết bị băm xung làm việc với hiệu suất cao tổn hao năng lượng ít hơn so vớiphương pháp điều chỉnh điện áp một chiều liên tục, ít nhạy cảm với môi trường

3.1.2 Nguyên tắc hoạt động của bộ băm xung áp một chiều làm việc ở chế độ giảm áp.

Bộ băm xung áp một chiều là một khoá điện H làm bằng tranzito hay bằngtiristo được điều khiển đóng mở một cách chu kỳ Khi làm việc ở chế độ giảm áp

bộ băm xung áp một chiều H được đặt nối tiếp giữa nguồn điện áp một chiều E

và phụ tải như trên hình vẽ

a)Trị số trung bình của điện áp trên tải Utb

Khi bộ băm H đóng điện thì điện áp đặt lên tải có trị số u = E Còn khi H ngắtđiện thì u = 0

Sơ đồ nguyên lý:

E E T

T Edt T

udt T

T T

1 1

với Tđ là thời gian đóng của khoá H, hay độ rộng xung T là chu kì băm, hay

chu kì xung α = T

T d

là hệ số lấp đầy xung áp còn gọi là tỉ số chu kì: ta có α≤ 1.Bằng cách biến đổi trị số của hệ số α ta nhận được các trị số khác nhau củađiện áp trung bình của điện áp trung bình Utb trên phụ tải

Có thể cho α biến đổi bằng hai cách:

1 - Cố định chu kì băm T, thay đổi thời gian đóng điện Tđ của bộ băm, ta có bộbăm tần số cố định

2 - Cố định thời gian đóng điện Tđ, biến đổi chu kì băm T, ta có bộ băm tần sốbiến thiên

Nếu Tđ = 0 thì α = 0 ta có Utb = 0 lúc này bộ băm thường xuyên ngắt mạch.Khi Tđ = T, ta có α =1 và Utb = E, bộ băm thường xuyên đóng mạch điện Bộ bămxung áp một chiều thường đóng điện và ngắt điện liên tục với tần số cao (200 ÷

500Hz) nên thường là một khoá bán dẫn

b)Sơ đồ thực tế của bộ xung áp một chiều dùng transistor

Bộ băm xung áp sử dụng tranzito có tần số băm lớn khoảng vài kilohert Cáctranzito không cần mạch để khoá lại như tiristo nên rất đơn giản và có thể làmviệc với tần số tương đối lớn Các bộ băm dùng tranzito công suất có thể đạt tớitần số băm từ 10 đến 100 kHz một cách dễ dàng Khi dùng bộ băm xung áp cóthể không cần dùng cuộn cảm san bằng hoặc chỉ cần cuộn cảm có điện cảm nhỏnối tiếp với tải cũng đủ san bằng dòng điện trên tải thành dòng điện một chiều cótrị số không đổi

Tải Chỉnh lưu không điều khiển

L2 K

D C1

Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp một chiều

Ld Rd

Nhược điểm của bộ băm điện bằng Tranzito là có công suất nhỏ, chỉ đạt cỡvài kilôoát đến vài chụ kilôoát là cùng

Sơ đồ của bộ băm xung áp một chiều dùng Tranzito

Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc như một công tác tơ tĩnh (K) đóng

mở liên tục 1 cách chu kì Nhờ vậy mà biến đổi được điện áp một chiều khôngđổi E thành các xung điện áp một chiều Utb có trị số có thể điều chỉnh được.Điện áp Utb này đặt vào phần ứng động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ ô tô

Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp thì 0<Utb<E

Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp thì E<Utb<0

Trong sơ đồ trên L, C là bộ phận lọc để san bằng và giữ cho điện áp tảithực tế là không đổi , mục đích là giảm hệ số đập mạch nâng cao chất lượngđiều chỉnh

Điện áp trên tải thu được phụ thuộc vào tần số đóng cắt khoá K

Trong khi đó các hạn chế về công nghệ và tổn hao của bộ biến đổi điện ápmột chiều quyết định giới hạn tần số làm việc của bộ biến đổi Để tránh các sóngkhông mong muốn và từ đấy tránh được mômen đập mạch thì tần số phải lớnhơn một mức nào đó Tần số đóng cắt càng nhanh thì càng giảm được kíchthước của bộ lọc, nhưng nếu quá lớn sẽ sinh ra nhiễu vô tuyến Vì vậy phải cânnhắc để lựa chọn được bộ biến đổi làm việc ở dải tần thích hợp( dưới 1KHz).Thực tế thường dùng tần số băm khoảng 400Hz ÷ 600Hz.

Thực tế khoá K trên sơ đồ nguyên lý được thay bằng khoá điện tử cụ thể

là Tiristor hoặc Transistor(Công suất hoặc MOS)

Dùng Tiristor có ưu điểm là trị số giới hạn cao ,làm việc chắc chắn rẻtiền,tổn hao khi dẫn nhỏ nhưng có nhược điểm là mở chậm nên chỉ sử dụng rộngrãi ở tần số đóng mở thấp (dưới 500Hz)

Transistor MOS thích hợp với dải tần số chuyển mạch cao hơn 100KHz

Transistor công suất thích hợp với dải tần từ 10->100Khz,có giá thành rẻ hơn,tổn hao ít hơn MOS.

Với hệ thống dùng Transistor thì yêu cầu làm mát không cao bằng Tiristor,nhưngTiristor lại cho phép dễ bảo vệ chống lại các sự cố hơn Transistor

CHƯƠNG IV: GIỚI THIỆU VỀ C C LINH KI Á ỆN

SỬ DỤNG TRONG MẠCH

5.1.Giới thiệu chung về các linh kiện

a.Chíp vi x ử lý AT89C51.

ADDRESS/DATA TXD RXD P0 P1 P2 P3

Bộ vi điều khiển 8052 là một thành viên khác của họ 8051, 8052 có tất cả các

đặc tính chuẩn của 8051 ngoài ra nó có thêm 128 byte RAM và một bộ định thời

nữa Hay nói cách khác là 8052 có 256 byte RAM và 3 bộ định thời Nó cũng có

8K byte ROM Trên chíp thay vì 4K byte nh 8051 Xem bảng 1.4

Bảng1.4: so sánh các đặc tính của các thành viên họ 8051.

Nh nhìn thấy từ bảng 1.4 thì 8051 là tập con của 8052 Do vậy tất cả mọi

ch-ơng trình viết cho 8051 đều chạy trên 8052 nhng điều ngợc lại là không đúng

1.2 Các bộ vi điều khiển 8051 từ các hãng khác nhau.

Mặc dù 8051 là thành viên phổi biến nhất của họ 8051 nhng chúng ta sẽthấy nó trong kho linh kiện Đó là do 8051 có dới nhiều dạng kiểu bộ nhớ khácnhau nh UV - PROM, Flash và NV - RAM mà chúng đều có số đăng ký linh kiệnkhác nhau Việc bàn luận về các kiểu dạng bộ nhớ ROM khác nhau sẽ đợc trìnhbày ở chơng 14 Phiên bản UV-PROM của 8051 là 8751 Phiên bản Flash ROM đ-

ợc bán bởi nhiều hãng khác nhau chẳng hạn của Atmel corp với tên gọi là AT89C51còn phiên bản NV-RAM của 8051 do Dalas Semi Conductor cung cấp thì đợc gọi

là DS5000 Ngoài ra còn có phiên bản OTP (khả trình một lần) của 8051 đợc sảnxuất bởi rất nhiều hãng

- Bộ vi điều khiển AT8951 từ Atmel Corporation.

Chíp 8051 phổ biến này có ROM trên chíp ở dạng bộ nhớ Flash Điều này là

lý tởng đối với những phát triển nhanh vì bộ nhớ Flash có thể đợc xoá trong vàigiây trong tơng quan so với 20 phút hoặc hơn mà 8751 yêu cầu Vì lý do này màAT89C51 để phát triển một hệ thống dựa trên bộ vi điều khiển yêu cầu một bộ đốtROM mà có hỗ trợ bộ nhớ Flash Tuy nhiên lại không yêu cầu bộ xoá ROM Lu ýrằng trong bộ nhớ Flash ta phải xoá toàn bộ nội dung của ROM nhằm để lập trìnhlại cho nó Việc xoá bộ nhớ Flash đợc thực hiện bởi chính bộ đốt PROM và đâychính là lý do tại sao lại không cần đến bộ xoá Để loại trừ nhu cầu đối với một bộ

đốt PROM hãng Atmel đang nghiên cứu một phiên bản của AT 89C51 có thể đợclập trình qua cổng truyền thông COM của máy tính IBM PC

Bảng 1.5: Các phiên bản của 8051 từ Atmel (Flash ROM).

Chữ C trong ký hiệu AT89C51 là CMOS

Cũng có những phiên bản đóng vỏ và tốc độ khác nhau của những sản phẩmtrên đây Xem bảng 1.6 Ví dụ để ý rằng chữ “C” đứng trớc số 51 trong AT 89C51-12PC là ký hiệu cho CMOS “12” ký hiệu cho 12 MHZ và “P” là kiểu đóng vỏ DIP

và chữ “C” cuối cùng là ký hiệu cho thơng mại (ngợc với chữ “M” là quân sự ).Thông thờng AT89C51 - 12PC rát lý tởng cho các dự án của học sinh, sinh viên

Bảng 1.6: Các phiên bản 8051 với tốc độ khác nhau của Atmel.

Mã linh kiện Tốc độ Số chân Đóng vỏ Mục đích

Sơ đồ chân 89C51

4.2 Một số linh kiờn khỏc như:

Tụ điện, điện trở, cọc nguồn, dăm cắm, IC ổn ỏp 7805-7815, diode, ICđệm 74245 để đệm dũng và ỏp cho vi điều khiển, điện trở thanh ( kộo dũng cho

vi điều khiển ), transistor, nỳt bấm, cụng tắc, led, cầu chỉnh lưu, tản nhiệt…

4.3.Giới thiệu về IGBT

1 Khái niệm: là loại Tranzitor lỡng cực có điều khiển cách ly Nó kết hợp hai u

điểm của Tranzitor bipolar và MOSFET là chịu đợc dòng lớn và điều khiển bằng điện ỏp

E G

IGBT thờng đợc điều khiển ở trạng thái ON/OFF giống nh MOSFET bằng cách đặt

điện áp lên cực cửa VG ( do vùng tuyến tính nhỏ nên dùng kiểu ON/OFF)

Trạng thái làm việc OFF:

Nếu điện áp đa vào cực cửa so với Emitơ nhỏ hơn điện áp ngỡng Vth thì không tạo

ra đợc vùng tiếp giáp ngợc nh MOSFET Cho nên thiết bị ở trạng thái OFF trong ờng hợp này một điện áp phân cực thuận sẽ đặt lên tiếp giáp ngợc J2, lúc này chỉdòng điện rò chảy qua tiếp giáp có trị số rất nhỏ

tr-Điện áp đánh thủng theo chiều thuận bằng điện áp đánh thủng của tiếp giáp này,

đây là một tham số rất quan trọng Bởi vì trong trong thực tế các thiết bị công suấtnày sử dụng điện áp và dòng điện khá cao, điện áp đánh thủng của tiếp giáp mộtmặt nó phụ thuộc vào lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất nhỏ (N-) gọi là lớp N-

Đây là nguyên nhân làm cho lớp tạp chất nồng độ thấp mở rộng ra và do vậy trongvùng nghèo diện tích này sẽ có điện trờng cực đại

Trong vùng này mật độ tạp chất của lớp N- phải ít hơn nhiều so với lớp P kế cận,cấu tạo nh vậy nó cho phép thiết bị có thể chịu đợc điện áp đánh thủng lên 600V.Lớp đệm N+ có tác dụng tạo sự khuếch tán dễ dàng qua tiếp giáp J2 cho các hạtdẫn đến colector P của Transitor lỡng cực Tạp chất của lớp này sẽ suy giảm rấtmạnh hình thành nên điện dung tiếp giáp Điện dung này phụ thuộc vào điện áp

đánh thủng của tiếp giáp J3 là tiếp giáp phân cực ngợc khi chịu điện áp ngợc, tácdụng của vùng đệm này là để làm mỏng bớt vùng N Do đó làm cho IGBT khóa( mở ) dễ dàng hơn

Trạng thái làm việc ON:

Khi ta đặt lên một điện áp VG lớn hơn điện áp ngỡng VTH nó sẽ làm cho vùng phân cực ngợc ở dới cực cửa, hình thành lên một kênh liên kết giữa nguồn tới vùng

N ( là tiếp giáp J2), các điện tử sẽ đợc chảy vào từ nguồn vào vùng này ngay thời

điểm tiếp xúc J3 đợc phân cực thuận Các lỗ trống đợc chảy vào vùng nghèo điện tích N- ( J2) Sự chảy vào các hạt dẫn này làm thay đổi độ lớn của vùng nghèo điện tích, trong đó cả mật độ điện tử và lỗ trống sẽ lớn hơn mật độ ban đầu trong lớp N- , điều này sẽ làm cho IGBTchuyển sang trạng thái ON, bởi vì điện trở của vùng N- giảm xuống rất nhanh, một số lỗ trống chảy vào sẽ đợc kết hợp với điện tử trongvùng N - trở thành những phần tử trung hòa tức thời, rồi tiếp tục khuếch tán đến vùng P (collector)

Hoạt động của IGBT có thể đợc mô tả tơng tự nh Transitor PNP Trong đó dòng

điện bazơ đợc cung cấp dòng của MOSFET thông qua kênh và mạch tơng đơng củathiết bị này đợc mô tả trong hình (a), hình (b) mô tả một mạch tơng đơng đầy đủ gồm một Transitor NPN nối song song thể hiện đợc nguồn kiểu MOSFET N+ nguồn P và vùng dẫn N- nó đồng thời thể hiện cả điện trở của lớp P Nếu dòng điện

đi qua điện trở này đủ lớn nó làm giảm điện áp rơi trên tiếp giáp phân cực thuận bởivùng N+ đợc kích hoạt, do đó nó có thể đợc xem nh sơ đồ tơng đơng một Transitor khi cực điều khiển (G) bị mất điện áp, các điện tử trong lớp N+ sẽ không chảy vào lớp P nữa và IGBT chuyển qua trạng thái khóa.

CHƯƠNG V: SƠ ĐỒ NGUYấN L… VÀ HOẠT ĐỘNG

Đầu vào X1-1 được nối với nguồn vào qua MBA( máy biến áp ), qua cầu chỉnh lưu B1,B2 tạo thanh nguồn DC,được lọc và san phẳng bởi 2 tụ C1 và C2,diện áp sau khi chỉnh lưu được đưa qua 2 IC 7805 nhằm tạo điện áp +5V cung cấp cho mạch vi điều khiển và các phần mạch khác qua 2 đầu ra X2 và X3.

5.2.Khối tạo xung điều khiển:

5.2.1.Nút ấ n

Nguyên lý hoạt động:

Khối nút bấm nhằm sử dụng đế chọn các chế độ hoạt động khác nhau của mạch xung áp nhằm chọn các chế độ ứng với các độ rộng xung và các tần số khác nhau

Ta sử dụng 20 nút bấm 10 nút chọn các tần số lần lượt từ: 5000Hz, 5500Hz, 6000Hz, 6500Hz, 7000Hz, 7500Hz, 8000Hz, 85000Hz, 9000Hz, 9500Hz

và 10 nút chọn các chế độ độ rộng xung khác nhau lần lượt là: 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, và 95%

Sơ đồ nguyên lý của khối nút bấm

5.2.2 Khối vi điều khiển ( băm xung áp điều khiển các tần số và các độ rộng

xung khác nhau )

• Nguyên lý hoạt động:

Các đầu ra JP4,JP5 được nối với khối nút bấm ( kết nối 2 khối với nhau ),khối nút bấm đưa tín hiệu vào để chọn các chế độ xung áp khác nhau do vi điều khiển xử lý,

Xung đầu ra được đưa qua chân P2.5 mắc qua tran T1,qua IC đệm 742445 ( nhằmđệm đủ dòng áp để đưa ra điều khiển ),Và đầu ra cuối được đưa ra qua công tắc

và đưa đến 2 đầu ra là dăm JP3

Code lập trình băm xung áp dùng vi xử lý.( trình bày phần sau )

5.3.Khối khuyếch đại điện áp ( cách ly) kích mở cho IGBT

2 đầu ra ) được dùng để kích mở cho các cặp van chéo nhau qua các dăm JP4 và JP5 ( như hình vẽ ) cuae bên mạch cầu H Các diode zener +15V được dùng

để ghim điện áp +15V để phân cực cho IGBT

5.5.Khối công suất

5.5.1.Mạch cầu H sử dụng điều khiển động cớ công suất lớn

Mạch cầu H là mạch cầu được cấu tạo bởi 4 transitor hay là Fet ( mắc với nhau như hình chữ H ) Đôi khi mạch cầu H cũng được cấu tạo bởi 2 transitor hay Fet Tác dụng của transitor và Fet là các van đóng mở dẫn dòng điện từ nguồn xuống tải Tìn hiệu điều khiển các van là tín hiệu nhỏ (điện áp hay dòng điện) và cho dẫn dòng và điện áp lớn để cung cấp cho tải Như thế này tín hiệu điều khiển của mình là nhỏ thường là tín hiệu đầu ra của vi điều khiển là nhỏ hơn 5V (do các điều chế PWM) mà điều khiển động cơ cần dòng điện và điện

áp lớn Các van điều khiển hay các chân điều khiển chỉ cần tín hiệu nhỏ (Điện áphay dòng điện) là mở khóa (Transitor) dẫn dòng cho tải

Mạch cầu H có thể đảo chiều dòng điện qua tải nên thế nó hay được dùng trong các mạch điều khiển động cơ DC và các mạch băm áp Đối với mạch điều khiển động cơ thì mạch cầu H có thể đảo chiều động cơ quá là đơn giản Chỉ cần mở khóa các van đúng chiều mà mình muốn

1) Các dạng cấu tạo của mạch cầu H

Mạch cầu H được cấu tạo bởi 2 dạng chính thường gặp là:

a) Dạng 1 : Được cấu tạo bởi 4 transitor (Fet) Cùng kênh N Sơ đồ nguyên lý

mạch được cấu tạo như sau :( mạch dùng transitor để mình họa)

Đối với dạng này thì được cấu tạo bởi các transitor cùng kênh N và chỉ cần 2 tínhiệu điều khiển kích mở các transitor

b) Dạng 2 : Được cấu tạo bởi 2 cặp đôi transitor P,N hay FET (Thuận ngược) Sơ

đồ nguyên lý cấu tạo của nó được cấu tạo như sau: (mạch dùng transitor mình họa )

2) Nguyên tắc hoạt động của mạch cầu H.

Ở đây chỉ xét đến nguyên lý hoạt động và hoạt động như thế nào của mạch cầu

H Cho nên em lấy BJT là ví dụ còn Fet thì nó gần tương đương như thế

Theo thực tiễn thì thấy kiểu dạng 2 được dùng nhiều hơn nên chúng em phân tích nguyên tắc hoạt động của mạch kiểu dạng 2 Và được vẽ lại dễ nhìn như sau :

Mạch cầu H này được điều khiển bởi 4 tín hiệu đóng mở các van đó là các tín hiệu 1 và tín hiệu 2,tín hiệu 3 và tín hiệu 4 ( Như trên hình vẽ ) và điều khiển được 2 chiều ( Có nghĩa là đảo chiều dòng điện ) Xét từng chế độ thuận và nghịch

Như chúng ta đã bit điều kiện để đóng mở để các transitor thông là:

+ Đối với kênh N để mở thì Ube > 0 và mở transitor bằng dòng điện

+ Đới với transitor kênh P để mở thì Ube <= 0 Thường thì bằng 0 là nó sẽ mở

* Điều khiển với chế độ thuận.

Ở chế độ thuận này cấp 4 tín hiệu điều điều khiển vào 4 con Transitor và điều kiện để có dòng thuận chạy qua tải trong 1 thời điểm là :