Đề tài nghiên cứu, thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều có đảo chiều

Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử MỤC LỤC Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Lời nói đầu Điện tử công suất truyền động điện môn học hay lý thú, hút nhiều sinh viên theo đuổi Chúng em muốn tiếp cận hiểu sâu môn điện tử cơng suất truyền động điện.Vì vậy, đồ án mơn học chế tạo sản phẩm điều kiện tốt giúp chúng em kiểm chứng lý thuyết học.Trong đồ án điện tử công suất lần này, chúng em nhận đề tài “Nghiên cứu, thiết kế mạch điều khiển tốc độ động chiều có đảo chiều ” Sau thời gian nghiên cứu, chúng em chế tạo thành công điều khiển điện áp xoay chiều pha đáp ứng yêu cầu đề tài Trong suốt thời gian thực đề tài, chúng em gặp số vướng mắc lý thuyết khó khăn việc thi cơng sản phẩm.Tuy nhiên, chúng em nhận giải đáp hướng dẫn kịp thời cô giáo "Nguyễn Phương Thảo", góp ý kiến bạn sinh viên lớp Được chúng em xin chân thành cảm Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử ơn mong muốn nhận nhiều giúp đỡ, bảo thầy cô giáo bạn đồ án sau Do kiến thức hạn chế nên trình thực đồ án chúng em khơng thể tránh khỏi sai sót, mong quý thầy cô hội đồng bảo vệ bỏ qua có đóng góp ý kiến để chúng em hồn thiện đồ án tốt Chúng em xin chân thành cảm ơn! 1.2 Kế hoạch thực đồ án Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử STT Tuần 1 Công việc thực -Nhận đồ án Người thực Cả nhóm -Đưa ý tưởng thục -Phân chia cơng việc -Tìm hiểu động điện chiều sơ đồ mạch lực mạch điều khiển Huấn -Tìm kiếm linh kiện liên quan đến đồ án Long 3+4 -Đưa sở lí thuyết đồ án Cả nhóm -Xây dựng sơ đồ khối -Lựa chọn mạch lực, mạch điều khiển 5+6 -Thiết kế sơ đồ ngun lí Cả nhóm -Tính chọn thơng số -Ráp mạch, khảo sát panel Cả nhóm -Đo đạc, kiểm tra tín hiệu Tiến hành làm sản phảm Cả nhóm -Lắp ráp -Chuẩn bị nội dung làm lí thuyết Cả nhóm -Chuẩn bị bảo vệ Cả nhóm NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử Ngày Tháng Năm CHỮ KÝ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Động điện chiều 2.1.1 Khái niệm Động điện nói chung động điện chiều nói riêng thiết bị điện từ quay, làm việc theo nguyên lý điện từ Khi đặt vào từ trường dây dẫn cho dịng điện chạy qua dây dẫn từ trường tác dụng lực từ vào dòng điện (vào dây dẫn ) làm dây dân chuyển động Động điện biến đổi điện thành 2.1.2 Nguyên lý làm việc động điện chiều Động điện chiều hoạt động dựa nguyên lý tượng cảm ứng điện từ Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử I Hình 2.1.2.a - Cấu tạo động điện chiều Như ta biết dẫn có dịng điện đặt từ trường chịu tác dụng lực từ Vì cho dịng điện chiều vào chổi than A ở chổi than B dẫn chịu tác dụng lực từ Bên cạnh dịng điện vào dẫn nằm cực N ở dẫn nằm cực S nên tác dụng từ trường lên dẫn sinh mơ men có chiều khơng đổi làm cho roto máy quay Khi nguồn điện chiều có cơng suất khơng đủ lớn mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào hai nguồn chiều độc lập với nhau, lúc động gọi động kích từ độc lập Để tiến hành mở máy, đặt mạch kích từ vào nguồn Ukt, dây kích từ sinh từ thông Φ Trong tất trường hợp, mở máy phải đảm bảo có Φmax tức phải giảm điện trở mạch kích từ Rkt đến nhỏ Cũng cần đảm bảo khơng xảy đứt mạch kích thích Φ = 0, M = 0, động khơng quay được, Eư = theo biểu thức U = Eư + RưIư dịng điện Iư lớn làm cháy động Nếu mômen động điện sinh lớn mômen cản (M > Mc) rôto bắt đầu quay suất điện động Eư tăng lên tỉ lệ với tốc độ quay n Do xuất tăng lên Eư, dòng điện Iư giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử *Cấu tạo chung: Phần động điện chiều bao gồm hai phần chính là: Phần tĩnh: Stato Phần quay: Roto * Stato : Stato gọi phần cảm gồm lõi thép thép đúc, vừa mạch từ vừa vỏ máy Gắn với stato cực từ chính có dây quấn kích từ Phần tĩnh bao gồm phận sau: cực từ chính, cực từ phụ, gơng từ phận khác Hình 2.1.2.b- Cấu tạo stato a Cực từ Là phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép KTĐ hay thép cácbon dày 0.5 đến mm ép lại tán chặt Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện cuộn dây bọc cách điện thành khối tẩm sơn cách điện trước đặt lên cực từ Các cuộn dây nối nối tiếp với b.Cực từ phụ Cực từ phụ đặt cực tù chính dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép cực tù phụ thường làm thép khối thân cực từ phụ có đặt dây quấn, Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử mà cấu tạo giống dây quấn cực từ chính Cực từ phụ gắn vào vỏ nhờ bulông c.Gông từ Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền cực từ , đồng thời làm v ỏ máy d Các phận khác Ngồi ba phận chính cịn có phận khác như: Nắp máy, cấu chổi than -Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi bị vật rơi vào làm hỏng dây quấn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện -Cơ cấu chổi than: Để đưa dịng điện từ phần quay ngồi Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt hộp chổi than nhờ lị xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than cố định lên giá chổi than cách điện với giá Giá chổi quay để đưa vị trí chổi than chỗ *Roto: Roto động điện chiều bao gồm phận sau: lõi sắt phần ứng, dây quấn phần ứng, cổ góp phận khác Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử Hình 2.1.2.c- Cấu tạo roto a Lõi sắt phần ứng Dùng để dẫn từ Thường làm thép KTĐ (thép hợp kim silix) dày 0.5 mm bôi cách điện mỏng ở hai mặt ép chặt lại để giảm tổn hao dịng điện xốy gây nên b.Dây quấn phần ứng Là phần sinh sức điện động có dịng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ (công suất vài kilowatt) thường dùng dây có tiết diện trịn Trong máy điện vừa lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật Dây quấn cách điện cẩn thận với rãnh lõi thép Để tránh bị văng sức li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt phải đai chặt dây quấn Nêm làm tre, gỗ hay ba-ke-lit Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử c Cổ góp Cổ góp (cịn gọi vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành chiều Cổ góp có nhiều phiến đồng có nhạn cách điện với lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm hợp thành trụ tròn Hai đầu trụ trịn dùng hai vành ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành góp có cao ít để hàn đầu dây phần tử dây quấn vào phiến góp dễ dàng d Các phận khác Cánh quạt: dùng dể quạt gió làm nguội động Động điện chiều thường chế tạo theo kiểu bảo vệ Ở hai đầu nắp động có lỗ thơng gió Cánh quạt lắp trục động Khi động quay, cánh quạt hút gió từ ngồi vào động Gió qua vành góp, cực từ, lõi sắt dây quấn qua quạt gió ngồi làm nguội động Trục máy: đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt ổ bi Trục động thường làm thép cácbon tốt 2.1.3 Mở máy điều chỉnh tốc độ động a) Mở máy động điện chiều Phương trình cân điện áp: U=Eư + RưIư suy Iư= (U- Eư)/ Rư Khi mở máy, tốc độ n=0 suy Eư = kE nfi =0 suy Iư= U/ Rư Vì Rư nhỏ, dòng điện phần ứng Iư lúc mở máy lớn Iư=(20¸25) Iđm , làm hỏng cổ góp, chổi than ảnh hưởng đến lưới điện Để giảm dòng điện mở máy, dùng biện pháp : - Dùng biến trở mở máy RMở Mắc biến trở mở máy vào mạch phần ứng, dịng điện mở máy lúc có biến trở mở máy: IưMở =U/( Rư+RMở) Trang 10 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử - Mostfet đóng cắt nguồn động theo tín hiệu xung điện áp nhận từ mạch điều khiển.Từ thay đổi tốc độ động Cầu chì có tác dụng bảo vệ cho Mosfet có tượng áp xảy 3.2.2 Tính chọn linh kiện 3.2.2.1.Tính chọn Mostfet * Thơng số động - Điện áp định mức Udm = 24V - Dòng điện định mức Iđm = 2,5A - Tôc độ định mức n = 4000 v/p - Công suất định mức Pđm = 30W - Dòng làm việc động Ilv = Iđm = 2.5A -Dòng điện lúc khởi động Ikđ = 2Ilv = 2x2.5 = 5A -Chọn hệ số an toàn cho mạch kU = 2,5 kI=1,5 * Từ ta tính chọn thơng số MOSFET - Dịng điện làm việc mà van phải chịu Ilv (van) = kI.Ikđ = 1,5.5 = 7,5A +Ta chọn van có dịng làm việc đỉnh Ilvđvan ≥ 2.Ilv (van) = 2.5x6 =15A -Điện áp chạy van Uv = kU Uđm = 2,5x24 = 84,8V Ta chọn van có Ulvvan ≥ 84.8V => Van bán dẫn chọn IRF 460N Động mạch loại động điện chiều có cơng suất 30W chọn van bán dẫn loại IRF 460N đóng ngắt dịng lên đến 37.5A đóng ngắt với tần số cao lên đến 1MHZ sau điện áp qua Trang 35 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử Thông số Min VDSS RDS VSD VGS IDS P Điện áp đánh thủng Điện trở cực DS Điện áp trước diode Điện áp cực Gate Dịng D-S cực đại Cơng suất cực đại Max Đơn vị 500 V - 0.27 Ω 1,8 V 2,0 4,0 V - 250 µA - 300 W Điều kiện khâu so VGS = 0V ID = 1.0mA VGS = 10v ID =14 A IS = 16 A VGS = V VDS=VGS ID = 250µA VDS=400V VGS=0 - sánh có dạng xung vng cách thay giá trị biến trmà ta có thê thay độ dẫn MOSFET từ thay đổi điện áp đầu hai đầu động * Một số thông số IRF 460 Trang 36 đổi đổi Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử 3.2.2.2Tính chọn cầu chì Icc ≥ (Ikđ / C) với Ikđ : dòng điện khởi động lớn động điện, theo tính toán ở ta cóIkđ =5A C: Bội số dịng điện mở máy động có dịng điện mở máy lớn nhất, với động ta sử dụng có thời gian khởi động ngắn (3÷10)s nhẹ nhàng ta chọn bội số C=2,5 => Icc ≥ 5: 2,5=2 A Vậy ta chọn cầu chì có Icc ≥ 2A 3.3 Mạch điều khiển 3.3.1 Mạch đảo chiều động Sử dung rơle vơi công tắc điểu khiển bởi cuộn hút thông qua công tắc gạt Hình 3.3.1- Sơ đồ nguyên lý mạch đảo chiều động *Nguyên Lý hoạt đông: Khi ta gạt cơng tắc, có dịng điện chạy qua rơ le, dịng điện chạy qua cuộn dây bên tạo từ trường hút Từ trường hút tác động lên địn bẩy bên làm đóng mở tiếp điểm điện làm thay đổi trạng thái rơ le Số tiếp điểm điện bị thay đổi trường hợp 2.Mỗi lần gạt công tắc Trang 37 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử làm dòng điện chạy động khác nhau, từ âm sang dương từ dưng sang âm từ chiều đông thay đổi * Giới thiệu OPTO IC Opto (loại PC817C) Hình 3.2.1.b- Hình ảnh opto vẽ Opto loại linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm led photo diode hay photo transitor Được sử dụng để cách ly khối chênh lệch điện hay cơng suất khối cơng suất nhỏ (dịng nhỏ, điện áp 5V) với khối điện áp lớn dòng lớn áp lớn Nguyên lý hoạt động opto là: Khi đặt điện áp 5v vào chân 1,2 opto làm cho led sáng xảy hiệu ứng quang điện làm cho chân thơng Dịng điện chân qua chân opto.Nhờ tín hiệu mạch mạch lực mạch điều khiển liên lạc với mà đảm bảo cách ly mặt dòng điện điện áp khối 3.3.2 Mạch điều khiển tốc độ động a) Khâu tạo dao động tạo điện áp Chu kỳ xung tam giácT=4RC R1 R2 Ở ta chọn tần số băm xung f=500Hz phù hợp với yêu cầu tải động Trang 38 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử -Ta có T=1/ f =1 / 500 = 2(ms) Vậy ta có: T = 4RC -Chọn :R1=R2=47k ⇒ R=100 k R1 R2 Ω =2.10-3 , chän C= 0,001uF Ω -Mạch lặp C7 Hình 3.3.2.a-Mạch lặp _ 10 + Mạch lặp có chức ổn định điện áp đầu lấy từ cầu phân áp đưa vào đầu vào không đảo ic khuếch đại thuật tốn Ta có: -Vout=[R2/(R1+R2)]*Vin R1=R2=100K nên : -Vout=[R2/2R2]*Vin =Vin/2=12v/2v=6V b) Khâu tạo xung vuông điện áp cưa R5 R3 R4 Trang 39 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử Hình 3.3.2.b- Mạch tạo xung vng điện áp cưa U U1 U4 t Hình 3.3.2.c-Dạng sóng sau qua khâu tạo xung Tạo điện áp cưa cách tích phân xung vuông ở OA1.Xung vng tạo nhiều cách khác Tích phân xung chính trình xả,nạp tụ Nếu điện áp vào khâu tích phân khơng đối xứng xuất sai số đáng kể Điện áp cưa mang tính phi tuyến cao Điện áp cưa nhận tuyến tính sử dụng sơ đồ Khuếch dại OA1 có hồi tiếp dương điện trở R3, đầu có trị số điện áp nguồn dấu phụ thuộc hiệu điện áp hai cổng V+ VĐầu vào V+ có hai tín hiệu: Một tín hiệu không đổi lấy từ đầu đoạn OA1, tín hiệu biến thiên lấy từ đầu OA4 Điện áp chuẩn để so sánh để định đổi điện áp OA1 trung tính vào V- Giả sử đầu OA1 dương,U1>0 khuếch dại OA2, tích phân đảo dấu cho điện áp có phần xuống điện áp cưa Sườn xuống điện áp tựa tới lúc điện áp vào R3,R5 trái dấu tới V+ = đầu OA1 đổi dấu thành âm Chu kì điện áp OA1 luân phiên đổi dấu cho ta điện áp hình Tần số điện áp cưa tính: Trang 40 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử f= Bằng cách chọn trị số điện trở tụ điện ta có điện áp tựa có Chu kỳ mong muốn Chu kỳ là: Điện áp là: T = 4.R3.C4 Ur = Umax c) Khâu so sánh điện áp Hình 3.3.2.d- Mạch so sánh điện áp -Đây thực chất cộng đảo dấu Khi đó: Uss1= -Uss2 Trang 41 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử Hình3.3.2.e- Đồ thị so sánh điện Uđk với Urc Tương tự mạch so sánh thường gặp.Khâu so sánh PWM báo hiệu cân điện áp cần so sánh điện áp chuẩn từ xác định thời điểm mở khóa van bán dẫn.Đầu vào khâu gồm có hai tín hiệu,điện áp tựa (điện áp tam giác) điện áp chiều làm điện áp điều khiển hình 3.2.2.e Từ hình 3.2.2.e thấy chu kỳ điện áp tựa có hai thời điểm điện áp tựa điện áp điều khiển.Tại thời điểm đó,đầu khâu so sánh đổi dấu chẳng hạn điện áp ở mức dương chuyển sang mức âm ngược lại.Tương ứng với thời điểm đột biến điện áp đầu khâu so sánh cần có lệnh mở khóa van bán dẫn mà ở chính điều khiển đóng ngắt IRF 460.Bằng cách điều chỉnh biến trở để Udk thay đổi ta dạng xung đầu thay đổi tương ứng điện áp thay đổi Trang 42 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử Hình 3.3.2.d- Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Để thay đổi tốc độ động ta thay đổi Uđk thông qua chiết áp Khi Uđk thay đổi làm cho γthay đổi độ rộng xung thay đổi 3.3.3: Khối nguồn Hình 3.3.2.d- Khối nguồn Trang 43 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử *Nguyên lý hoạt động khối nguồn Điện áp xoay chiều đưa qua MBA 12v xoay chiều Được chỉnh lưu cầu B2 cho điện áp 12v chiều cấp cho toàn mạch điện IC4 7812 ổn áp 12v chiều cấp cho khối điều khiển tạo xung Tụ điện để lọc điện san phẳng điện chiều, hạn chế nhiễu cho mạch Ngồi cịn sử dụng chỉnh lưu cầu lấy từ nguồn 24v máy biến áp chạy cho động 3.3.4 : Nguyên lý hoạt động toàn mạch -LM324 tạo băm xung PWM tùy chỉnh độ rộng xung thông qua biến trở đưa xung vào kích mở FET -Role có nhiệm vụ đảo chiều động cách thay đổi cực nguồn chiều vào động -FET kích mở xung PWM làm thay đổi điện áp trung bình đặt vào động làm thay đổi vận tốc động CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO MẠCH Trang 44 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử 4.1 Sơ đồ nguyên lý sơ đồ bord mạch Hình 4.1.a-Sơ đồ ngun lý tồn mạch Trang 45 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử Hình 4.1.b-Sơ đồ boad mạch 4.2 Phương hướng phát triển đề tài Ngày với phát triển khoa học-công nghệ ứng dụng điều chế biến đổi xung áp chiều phương pháp PWM, chúng em ứng dụng chế tạo thành công mô hình sản phẩm " Mạch điều khiển tốc độ động chiều có đảo chiều" Qua chúng em thấy tính ứng dụng cao đồ án ứng dụng vào thực tế để chế tạo sản phẩm thực ngồi sản phẩm mơ hình chúng em Trang 46 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử KẾT LUẬN Trong suốt trình thực đề tài này, với nhiều cố gắng nỗ lực chúng em với hướng dẫn, bảo tận tình "Nguyễn Phương Thảo" chúng em hoàn thành đề tài này.Tuy nhiên số hạn chế khâu thiết kế.Qua trình thực đề tài chúng em học hỏi nhiều vấn đề bổ ích Phương pháp điều khiển động phương pháp điều chế xung với PWM chúng em nâng cao khả thực hành làm mạch,tra cứu linh kiện.Đặc biệt trình trực tiếp bắt tay vào làm sản phẩm cụ thể chúng em nhận thức rõ lý thuyết thực hành cịn có khoảng cách khơng nhỏ, vấn đề đặt cho em phải tìm hiểu khắc phục khúc mắc trình thực hiện.Đây hành trang quý báu cho sinh viên bước vào sống nghề nghiệp sau Mặc dù có nhiều cố gắng trình làm đồ án,song hạn chế mặt thời gian khả nên khơng thể tránh khỏi có sai sót.Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn để đồ án chúng em hoàn chỉnh Chúng em xin chân thành cảm ơn! Trang 47 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Bính – Điện tử cơng suất – NXB Khoa Học Kỹ Thuật Võ Quang Lạp, Trần Xuân Minh – Kỹ thuật biến đổi – Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên Lê Văn Doanh – Điện tử công suất Lý thuyết, thiết kế ứng dụng – NXB Khoa Học Kỹ Thuật Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi – Phân tích giải mạch Điện tử công suất NXB Khoa học Kỹ Thuật Nguyễn Bính, Dương Văn Nghi – Giáo trình kỹ thuật biến đổi cơng suất lơnĐại Học Bách Khoa Hà Nội 1982 Trang 48 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử Trang 49 ... 3: THIẾT KẾ MẠCH 3 .1 Sơ đồ khối KHỐI NGUỒN Uđ Uư Uđk KHỐI ĐIỀU KHIỂN ĐẢO CHIỀU KHỐI CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ Nguyên lý hoạt động : Khối nguồn cung cấp nguồn điện hoạt động cho toàn mạch. .. khiển động nhanh , chậm, thuận ,nghịch ổn định tốc độ cho Cái ứng dụng nhiều điều khiển động chiều, sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động DC : Hình 2.3.4.a- Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động. .. sản phẩm điều kiện tốt giúp chúng em kiểm chứng lý thuyết học.Trong đồ án điện tử công suất lần này, chúng em nhận đề tài ? ?Nghiên cứu, thiết kế mạch điều khiển tốc độ động chiều có đảo chiều ”