Đề tài thiết kế và chế tạo mạch điều khiển tốc độ DC

LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN LỜI NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG BẢO VỆ MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các phương pháp điều khiển động chiều 1.2.1 Giới thiệu số loại động điện chiều 1.2.2 Động điện kích từ độc lập 1.3 Các vấn đề khác điều khiển động điện chiều 18 1.3.1 Các góc phần tư làm việc 18 1.3.2 Các chế độ làm việc động điện chiều kích từ độc lập 18 1.3.3.Vấn đề phụ tải 22 CHƯƠNG II:MỘT SỐ MẠCH BĂM XUNG MỘT CHIỀU (BXDC) ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 24 2.1 Giới thiệu băm xung chiều (BXDC) 24 2.1.1 Phương pháp thay đổi độ rộng xung 25 2.1.2 Phương pháp thay đổi tần số xung 25 2.1.3 Nhận xét 25 2.2 Các dạng băm xung 26 2.2.1 Xung áp nối tiếp 26 2.2.2 Xung áp song song 27 2.2.3 Xung áp đảo dòng lớp B 27 2.2.4 Xung áp đảo áp lớp B 29 CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 30 3.1 Yêu cầu chung mạch điều khiển 30 3.2 Nguyên lý mạch 30 3.2.1 nguyên tắc chung mạch điều khiển 30 3.2.2.Sơ đồ nguồn nuôi 34 3.2.3 Khối tạo dao động tạo xung cưa 35 3.2.4 Khâu so sánh 36 3.2.5 Khâu công suất 37 TỔNG KẾT 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 LỜI NÓI ĐẦU Trong giai đoạn công nghiệp hoá, đại hoá kinh tế đất nước, ngày có nhiều thiết bị bán dẫn công suất đại sử dụng rộng rãi tất lĩnh vực sản xuất, phục vụ đời sống người Đặc biệt lĩnh vực điều chỉnh tự động sử dụng van bán dẫn Trong lĩnh vực điều chỉnh tự động nói chung lĩnh vực giao thông nói riêng việc đòi hỏi cần có điều chỉnh nhằm tiết kiệm lượng ngày đòi hỏi thay Bên cạnh lĩnh vực giao thông việc sử dụng động xăng, diezen ngày có xu hướng giảm nhược điểm như: Tiêu hao nhiều lượng, ô nhiễm môi trường Đồng thời với thành tựu khoa học kỹ thuật việc chế tạo động điện ngày hoàn thiện Song song với phát triển đòi hỏi phải có điều khiển loại động với chất lượng tốt nhất, thoả mãn yêu cầu kinh tế kỹ thuật nhằm sử dụng thay động cũ Bộ băm xung áp chiều sử dụng van bán dẫn tương lai đáp ứng nhu cầu cần thiết điều khiển điều chỉnh tốc độ động điện chiều Do đề tài hay nên sau học xong môn Điện tử công suất truyền động điện, chúng em Th.s Lê Thị Minh Tâm– giảng viên khoa Điện – Điện tử trường ĐHSPKT Hưng Yên, giao cho chúng em đề tài “Thiết kế chế tạo mạch điều khiển tốc độ DC’’ Chúng em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Đặt vấn đề Cùng với tiến văn minh nhân loại, chứng kiến thấy phát triển rầm rộ kể quy mô lẫn trình độ sản xuất đại Trong phát triển ta điện máy tiêu thụ điện đóng vai trò thiếu không muốn nói chủ chốt Nó trước làm tiền đề mũi nhọn định thành công hệ thống sản xuất công nghiệp Không quốc gia nào, sản xuất công nghiệp không sử dụng điện máy điện Do tính ưu việt hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải ,cả máy phát động điện xoay chiều có cấu tạo đơn giản, dễ vận hành mà máy điện xoay chiều ngày sử dụng rộng rãi phổ biến Tuy nhiên động điện giữ vị trí quan trọng ngành sản xuất công nghiệp nặng công nghiệp giao thông vận tải, nói chung thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục phạm vi rộng, có công xuất lớn (như máy cán thép, đầu máy điện, máy công cụ lớn ) Mặc dù so với động xoay chiều để chế tạo động điện chiều cỡ giá thành đắt sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp ưu điểm mà động điện chiều thiếu sản xuất đại Ưu điểm động điện chiều dùng làm động hay máy phát điện điều kiện làm việc khác Song ưu điểm lớn động điện chiều điều chỉnh tốc độ khả tải Nếu thân động điện xoay đáp ứng đáp ứng phải tốn chi phí cho thiết bị kèm (như biến tần ) đắt tiền động điện chiều điều chỉnh rộng xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lượng cao Ngày hiệu suất động điện chiều công suất nhỏ khoảng 75% 85%, Ở động công suất trung bình lớn khoảng 85% 94% Công suất lớn động điện chiều vào khoảng 100MW, điện áp vào khoảng vài trăn đến 1000V Hướng phát triển cải tiến tính nâng vật liệu, nâng cao tiêu kinh tế động chế tạo máy công suất lớn vấn đề rộng lớn phức tạp với vốn kiến thức hạn hẹp phạm vi đề tài em không đề cập nhiều vấn đề lớn mà đề cập tới vấn đề thiết kế điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ độc lập Phương pháp chọn băm xung, chưa phương pháp mang lại hiệu kinh tế cao sử dụng rộng rãi tính đặc điểm mà ta phân tích đề cập sau 1.2 Các phương pháp điều khiển động chiều 1.2.1 Giới thiệu số loại động điện chiều Khi xem xét động điện chiều máy phát điện chiều người ta phân loại theo cách kích từ động Theo ta có loại động điện : - Kích từ độc lập: Khi nguồn điện chiều có công suất không đủ lớn, mạch điện phần ứng phần kích từ mắc vào hai nguồn chiều độc lập nên: I=Iư - Kích từ song song: Khi nguồn điện chiều có công suất vô lớn điện áp không đổi, mạch kích từ mắc song song với mạch điện phần ứng nên: I= Iư + Ikt - Kích từ nối tiếp: Cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng, cuộn kích từ có tiết diện lớn hơn, điện trở nhỏ hơn, số vòng chế tạo dễ dàng, ta có: I=Iư = Ikt - Kích từ hỗn hợp: ta có I = Iư +Ikt Với loại động tương ứng có đặc tính, đặc điểm kỹ thuật, điều khiển ứng dụng tương đối khác phụ thuộc vào nhiều nhân tố, đề tài ta xét đến động điện chiều kích từ độc lập biện pháp hữu hiệu để điều khiển loại động 1.2.2 Động điện kích từ độc lập * Phương trình đặc tính cơ: phương trình biểu thị mối quan hệ giữ tốc độ (ω) mômen (M) động có dạng chung: Thông qua phương trình này, ta thấy phụ thuộc tốc độ động vào mômen động thông số khác ( từ thông, điện trở phụ ), từ đưa phương án tối ưu để điều chỉnh tốc độ động Với điều kiện Uư = const, Ikt= const từ thông động gần không đổi, quan hệ tuyến tính đường đặc tính cộng thẳng Thường dạng đường đặc tính mà đường thẳng giao điểm với trục hoành ứng với điểm mômen ngắn mạch, giao điểm với trục tung ứng với điểm tốc độ không tải lý tưởng động Người ta đưa đại lượng để đánh giá độ cứng đường đặc tính Đặc tính dốc cứng (β lớn) tức mômen biến đổi nhiều tốc độ biến đổi ngược lại Đặc tính dốc mềm tức mômen biến đổi tốc độ thay đổi nhiều ω ω o ω đ m M ω đm Mn M m ωo ω đm Iđm Inm I Để hiểu nguyên lý lựa chọn phương pháp điều chỉnh tối ưu, trước hết ta xét đặc tính cua động điện Đó mối quan hệ tốc độ quay với mômen (hoặc dòng điện ) động Đặc tính tự nhiên động cơ, động vận hành chế độ định mức (điện áp, dòng điện, từ thông định mức, không nối thêm điện trở, điẹn kháng vào động ) Trên đường đặc tính tự nhiên ta có điểm làm việc định mức có giá trị (Mđm;ωđm) (Iđm;ωđm) Đặc tính nhân tạo động đặc tính ta thay đổi tham số nguồn nối thêm điện trở, điện kháng Để so sánh đặc tính với người ta đưa khái niệm độ cứng đặc tính (tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc ) a Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Sơ đồ kích từ độc lập: Khi nguồn điện chiều có công suất không đủ lớn mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào hai nguồn chiều độc lập nhau, lúc động gọi động kích từ độc lập Dựa vào sơ đồ viết cân điện áp mạch phần ứng sau: Uư = Eư + ( Rư + Rf )Iư Trong đó:  Uư: điện áp phần ứng (V)  Eư: sức điện động phần ứng (V)  Rư: điện trở phần ứng (Ω)  Rf: điện trở phụ mạch phần ứng (Ω)  Iư: dòng điện phần ứng (A) Với Rư = rư + rct + ri + rcf ;  rư : điện trở cuộn dây phần ứng  rct : điện trở tiếp xúc chổi than  ri : điện trở cuộn bù  rcf : điện trở cuộn cực từ phụ Sức điện động Eư xác định biểu thức: Eư = Trong đó: ω=K ω P: số đôi cực từ N: Số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng 10 điều khiển mở van, ngược lại khóa van t on t off on U Control Ura off 2.2 Các dạng băm xung Dựa vào cách mắc khoá xung, lọc nguồn cung cấp mà có dạng sơ đồ sau: 2.2.1 Xung áp nối tiếp Sơ đồ nguyên lý: Phần tử điều chỉnh quy ước khoá S (van bán dẫn điều khiển) Đặc điểm sơ đồ khoá S,cuộn cảm tải mắc nối tiếp Tải có tính chất cảm dung kháng Bộ lọc L-C, Diode D mắc ngược Ud có tác dụng thoát để thoát dòng tải khoá K ngắt + S đóng: U đặt vào đầu lọc Lý tưởng Ud=U (nếu bỏ qua sụt áp van) + S mở: Hở mạch nguồn tải, có dòng điện id lượng tích luỹ cuộn cảm L Ltải , dòng chạy qua D Ud= Như vậy, Ud U Tương ứng ta có biến đổi hạ áp Đặc tính truyền đạt: WI = Ud U 26 2.2.2 Xung áp song song Sơ đồ nguyên lý: Đặc điểm sơ đồ L mắc nối tiếp với tải, khoá S mắc song song với tải Cuộn cảm L không tham gia vào trình lọc gợn sóng mà có tụ C đóng vai trò + S đóng: dòng điện từ +Uqua L S -U Khi D tắt tụ có Uc (đã tích điện từ trước đó) + S ngắt: dòng điện từ +Uqua L D Tải -U Vì từ thông cuộn cảm L không giảm tức thời không L xuất suất điện động tự cảm eL= ω d dt , có cực tính với U Do tổng điện áp: Ud = U+eL Như ta có biến đổi tăng áp Đặc tính biến đổi tiêu thụ lượng từ nguồn U chế độ liên tục lượng truyền tải dạng xung nhọn Đặc tính truyền đạt: WI = Ud U =α 2.2.3 Xung áp đảo dòng lớp B  Sơ đồ nguyên lý: 27 Tải phần ứng động chiều kích từ độc lập thay mạch tương đương R-L-E Nguyên lý hoạt động :  Chế độ động cơ: Trong khoảng ≤ t ≤ γTđộng nối nguồn qua t1, điện áp đặt lên động U Trong khoảng γT≤ t ≤T , S1 ngắt, động nối ngắn mạch qua D , điện áp đặt lên động  Chế độ hãm tái sinh: Trong khoảng  t  T , S2 ngắt, động nối nguồn qua D1 , điện áp đặt lên động U Trong khoảng T  t  T , S2 dẫn, động nối ngắn mạch qua S2 , điện áp đặt lên động Khi S1 mở dòng điện từ nguồn chảy qua S1 qua tải trở âm nguồn Khi S1 khoá dòng tải ngắn mạch qua điod D1 đảm bảo dòng tải liên tục S1 khoá Để đảo chiều dòng điện phần ứng động (dòng id) ta cho S2 D2 vào vận hành S1 ngắt Khi ,do quán tính động quay theo chiều cũ bị ngắt khỏi nguồn  E > Lúc mạch tải có nguồn E ngắn mạch qua S2  xuất dòng điện chạy ngược lại chiều ban đầu Công suất điện từ động là:Pđt= Id.E > Công suất lúc tích luỹ cuộn cảm L Khi S2 ngắt, điện cảm L sinh sức điện động tự cảm (UL) chiều với E.Tổng hai sức điện động lớn điện áp nguồn US làm D2 dẫn ngược dòng nguồn trả lại phần lượng tích luỹ cuộn cảm L Để đảm bảo S2 dẫn dòng điện ngược dòng thuận qua D1 tắt ta phát xung vào mở S2 đồng thời với việc phát xung khoá S1 28 2.2.4 Xung áp đảo áp lớp B     S1 S2 D1 L1 C US   R D2 E    id S4   ud D4   S3 D3  S1,S2,S3,S4 cá van điều khiển hoàn toàn Trong sơ đồ cho phép điều chỉnh đảo chiều quay động cách linh hoạt, đặc tính làm việc góc phần tư Tuy nhiên, điều khiển van phức tạp, ta nêu sơ đồ không nghiên cứu sâu 29 CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.1 Yêu cầu chung mạch điều khiển Các yêu cầu chung với mạch điều khiển là: - Yêu cầu độ rộng xung điều khiển - Yêu cầu độ lớn xung điều khiển - Yêu cầu độ dốc sườn trước xung (càng cao việc mở tốt thông di DK  0,1A/μ, dt thường ) - Phát xung điều khiển đến van lực theo pha với góc điều khiển ỏ cần thiết - Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển αmin đến αmax tương ứng với phạm vi thay đổi điện áp tải mạch lực - Cho phép động làm việc với chế độ tính toán chế độ khởi động, hãm tái sinh, đảo chiều quay - Có độ đối xứng điều khiển tốt, tức góc điều khiển với van không vượt 10 đến 30 điện - Có khả chống nhiễu công nghiệp tốt: không gây nhiễu vô tuyến - Độ tác động mạch điều khiển nhanh - Thực yêu cầu bảo vệ van cần ngắt xung điều khiển có cố, thông báo tượng không bình thường lưới thân mạch điều khiển - Yêu cầu độ tin cậy 3.2 Nguyên lý mạch 3.2.1 nguyên tắc chung mạch điều khiển Nguyên tắc chung mạch điều khiển so sánh điện áp chiều UĐK thay đổi với điện áp cưa U có tần số dao động cao Khi điện áp cưa lớn điện áp UĐK so sánh tạo xung vuông kéo 30 dài đến điện áp cưa nhỏ UĐK Bằng cách thay đổi UĐK, thay đổi độ rộng xung điều khiển giữ tần số điều khiển không đổi UĐK Sơ đồ khối mạch điều khiển Mạch nguồn Khâu tạo So sánh dao động Khâu công suất tạo điện áp cưa Khâu tạo điện áp điều khiển 31 Giải thích nguyên lý mạch điều khiển: Khâu tạo tạo điện áp tam giác cho điện áp tựa có dạng tam giác thuận tiện cho khâu so sánh Khâu tạo điện áp tựa thực chất bao gồm khâu khâu phát xung đồng khâu tạo xung cưa (dạng tam giác) Khâu định tần số điều khiển van IRF 540 Điện áp tựa đưa vào khâu so sánh(comparator) với điện áp điều khiển để thu điện áp dạng xung thích hợp để kích hoạt đóng mở van Ta sử dụng phần cách ly để cách ly phần điều khiển phần động lực 32 Sơ đồ mạch 33 3.2.2.Sơ đồ nguồn nuôi Sơ đồ mạch nguồn chọn động có thông số p=12w U=24V hiệu suất =85% ta có dòng định mức động là: p=u*i* i=p/u* =15/(0,85*24)=0.74 A Dòng khởi động động từ (1,5 Iđm dòng khởi động động là: Ikd=1,5*Iđm = 1,5*0.74=1.11 A Vậy ta chọn máy biến áp có thông số sau :có điện áp từ đến 30v có dòng điện lớn dòng điện khởi động động : IBA 1.1 A ta chọn máy biến áp có dòng điện 3A Ta sử dụng chỉnh lưu cầu pha dùng diode ta có: UD=2 U2/ 0,9U2=0,9*30=27V Vậy điện áp qua chỉnh lưu là:27v Chọn ic ổn áp 7824 tạo điện áp chuẩn+ 24v để cung cấp cho mạch ic 7812 tạo điện áp +12v để cung cấp cho ic khác Thông số vi mạch sau: Điện áp đầu vào từ 24v đến 35v Điện áp đầu =24v với ic 7824 =12v với ic 7812 Dòng điện qua ic 7824 1A Tụ C1, C2, C3 để lọc thành phần sóng hài bậc cao 34 Chọn C1=1000uf, C2=1000uf,tụ C3=1000uf, hai tụ lọc nhiễu C104 dùng để lọc bỏ nhiễu 3.2.3 Khối tạo dao động tạo xung cưa Khối tạo dao động dạng xung vuông với tần số băm theo yêu cầu mạch điều khiển: Vcc Tạo xung vuông với tần số 2,5kHz ÷ 5kHz ta sử dụng vi mạch tạo dao động Timer555 với thông số cho R3 t off trên: VR Sơ đồ thay vi mạch sau: 6,2 Q :Trạng thái (mức logic)dầu thời điểm t,là đầu C đảo FF vi mạch Nguyên lý hoạt động: Khi Q =1 Transistor dẫn bão hoà U ,tụ dẫn điện qua Transistor nên điện áp tụ Uc giảm Khi tụ Uc giảm tới Uc= Vcc   Q =0.Khi Uc t t1 t2 T tăng tới Uc= Vcc   Q =1 Transistor lại dẫn bão hoà t Biểu đồ dạng sóng Timer555 chế độ đa hài phiếm định 35 Khoảng thời gian t1 phụ thuộc vào nạp,với nạp=(R3+VR)C Khoảng thời gian t2 phụ thuộc vào phóng , với phóng=R3C Qua tính toán ta t1=(R3+VR)*C*ln2 t2= R3*C*ln2 Chọn C=0.1F; R3=1.5k VR= 100k; ta tần số dao động Timer khoảng 22Hz Lấy xung cưa từ chân ne555 3.2.4 Khâu so sánh Ta sử dụng vi mạch LM 324 với sơ đồ sau: Mạch so sánh mạch báo hiệu điện áp cần so sánh Uv điện áp chuẩn Uref Đầu mạch so sánh mức logic cao thấp (điện áp dạng xung vuông có độ lớn phụ thuộc vào điện áp bão hoà vi mạch so sánh có độ rỗng xung phụ thuộc vào điện áp chuẩn) Nguyên lý hoạt động: 36 Uv +Vcc Uv - Ur +Ubh Uref + Uref Ur -Vcc +Ubh -Ubh - Khi Uv>Uref Ur=Ubh  Vcc(là mức cao) - Khi Uv[...]... hp Gii phỏp m ngi ta thng dựng hin nay l b bm xung ỏp.Chớnh l iu khin ng c bng b bm xung ỏp mt chiu m ta s cp vn tip theo 23 CHNG II:MT S MCH BM XUNG MT CHIU (BXDC) NG DNG TRONG IU KHIN TC NG C 2.1 Gii thiu v bm xung mt chiu (BXDC) BXDC cú chc nng bin i in ỏp mt chiu, nú cú u im l cú th thay i in ỏp trong mt phm vi rng m hiu sut ca b bin i cao v tn tht ca b bin i ch yu trờn cỏc phn t úng ct rt nh... c phõn b trờn c tớnh c cỏc gúc phn t tng ng vi chiu mụmen v tc nh hỡnh v I, III: trng thỏi ng c ( cựng chiu vi mụmen M ) II, IV: trng thỏi hóm ( ngc chiu vi mụmen M) II: I: động hãm M cơ M c c Pc=Md< 0 Pc=Md>0 0 M III: độngM cơ IV: hãm M c c Pc=Md> Pc=Md