Thiết kế và chế tạo mạch xung áp một chiều

Việc ứng dụng điện tử công suất vào truyền 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

L

R

Ld Rd

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

Tên đề tài: Thiết kế chế tạo mạch xung áp một chiều

 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.

Giáo viên hớng dẫn:

1 Nguyễn Đình Hùng

Ngày giao đề tài: 05-04-2010 Ngày hoàn thành:

NHẬN xÐt CỦA GI O VI£N H Á ƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hưng Yªn, Ngày….th¸ng… năm 2010 Gi¸o Viªn 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

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 c¸ch li, khuyếch đại điện ¸p

Lời nói đầu

gày nay, Khoa học _ Kĩ thuật đóng một vai trò quan trọng và không thể thiếu trong quá trình phát triển kinh tế quốc dõn Trong những thành tựu khoa 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 trong sản xuất công nghiệp mà Điện tử công suất góp phần giải quyết những bài toán kĩ thuật phức tạp trong lĩnh vực tự động hóa Việc ứng dụng điện tử công suất vào truyền 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 ĐTCS trong sản xuất công nghiệp là điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng bộ băm xung 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 Yờn những kiến thức cơ bản về chuyờn ngành đó được cỏc Thầy,cụ trong khoa điện

tử nhiệt 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 em hoàn thành đồ ỏn môn học này

Chỳng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo: Nguyễn Đình Hùng, cùng các thầy, cô giáo đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án môn học này!

Nhóm sinh viên thực hiện

A C – Ơ SỞ LÍ THUYẾT

Chương I:GIỚI THIỆU CHUNG VỀ M Y Á ĐIỆN 1 CHIỀU

Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện 1 chiều vẫn đợc coi là một loại máy quan trọng, không thể thiếu Nó có thể dùng làm động cơ điện, máy phát điện hay dùng trong những điều kiện làm việc khác Động cơ điện một chiều giữ một vị trí nhất

định nh trong công nghiệp giao thông vận tải, và ở các thiết bị cần điều khiển tốc 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 cơ không đồng bộ hay các

động cơ xoay chiều khác do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn nhng do những u điểm của nó mà máy 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 hay máy phát điện tuỳ theo những điều kiện làm việc khác nhau Song u điểm lớn nhất của động cơ

điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải Nếu nh bản thân động cơ không

đồng bộ không thể đáp ứng đợc hoặc nếu đáp ứng đợc thì phải chi phí các thiết bị biến đổi

đi kèm (nh bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện một 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 tế của động cơ và chế tạo những máy có công suất lớn hơn Với trình độ hiểu biết còn hạn chế, quyển đồ án môn học này chỉ đề cập tới vấn đề “thiết kế bộ băm xung một chiều 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 phần tĩnh 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 dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon ghép lại Trong máy điện nhỏ, có thể dùng 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 Lõi thép của cực từ phụ thờng đợc làm bằng thép khối Dây quấn của cực từ phụ 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 kỹ thuật 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 chạy qua 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 chiều dòng 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 đặt vào 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 hở không khí sẽ sinh ra từ thông Còn khi cho dòng điện phần ứng đi vào cuộn dây phần ứng đặt trong roto, thì dới tác dụng của từ trờng này trong dây quấn sẽ sinh ra momen điện từ trên trục máy kéo roto quay Vì vậy, chiều quay của máy trùng với chiều quay của momen điện từ Theo quy tắc bàn tay trái, momen

điện từ do lực điện từ tác dụng lên các thanh dẫn có chiều từ phải sang trái và lực 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 điện một chiều theo các loại sau:

- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: là loại động cơ 1 chiều có cuộn kích từ đợc cấp điện từ một nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho roto Thờng là các động cơ có công suất lớn để điều chỉnh dòng điện kích 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 cuộn dây phần ứng Cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng nên ta có I = I =I t Động cơ loại này đợc sử dụng rất nhiều chủ yếu trong nghành kéo tải bằng điện.

- Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp: từ thông đợc tạo ra do tác dụng đồng thời của 2 cuộn kích từ: một cuộn song song và một cuộn nối tiếp I = I u

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 cảm nên trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức điện động cảm ứng (hay còn gọi là sức phản 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

+

=E Iư.RưU

R – điện trở mạch phần ứng, Ω

.

cp cb ct

r cP - 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

ư

Ik

M= φ

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

M)k(

Rk

=

2.5.1.Đờng đặc tính cơ.

Phơng trình đờng đặc tính cơ

M)k(

Rk

U

2

ưφ

−φ

=

có dạng một hàm bậc nhất y=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 M C = 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 M C = 0 (do lực ma sỏt luôn tồn tại khi động cơ quay) Tốc độ ω

Khi toàn bộ các thông số điện của động cơ là định mức nh thiết kế và không

mắc thêm điện trở phụ vào mạch động cơ thì ư ư

R

R Σ =

và phơng trình đặc tính cơ sẽ là:

M)k(

Rk

U

2 dm

ư dm

dm

φ

−φ

=ω

M

đờng đặc tính cơ lúc này gọi là đờng đặc tính cơ tự nhiên biểu diễn trên hình vẽ.

Điểm A trên hình vẽ gọi là điểm làm việc định mức Ngời ta đa thêm đại lợng

càng mềm tức là mômen biến đổi ít nhng tốc độ biến đổi nhiều thay đổi.

Phơng trình đặc tính cơ còn đợc viết dới dạng:

ω

∆

−ω

=

Với độ sụt dốc tỷ lệ với mô men tải:

M)k(

R

dm

ưφ

ư

dm dm

R

Uk

dm nm

RU

Dòng điện Inmthờng = (10 ữ

20)Iđm Nó có thể gây cháy hỏng động cơ nếu hiện tợng tồn tại kéo dài Do đó, khi mở máy phải thêm điện trở phụ Rp vào mạch 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

.

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 cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nghĩa là có thể giảm dòng điện kích từ ( Ikt ≤Iktdm

) Do đó chỉ có thể thay đổi về phía giảm từ thông Khi giảm từ thông, các đặc tính dốc hơn và có tốc độ không tải lớn hơn

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 càng tăng, 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 cắt nhau 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, phơng pháp 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 điều chỉnh thấp

b Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng.

Nếu nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng thì phơng trình đặc tính cơ trở thành:

Mk

)RR(n

=

Khi tăng điện trở mạch phần ứng, đặc tính cơ dốc hơn nhng vẫn giữ nguyên tốc

độ không tải lý tởng Trên hình vẽ bên, ta có các đờng đặc tính cơ ứng với các trị số khác nhau của Rf, trong đó ứng với Rf = 0 là đặc tính cơ tự nhiên

Nhận xét:

- Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng mềm và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn

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

- Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng nên tổn hao công 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

min

maxD

ω

ω

=

càng nhỏ Phơng pháp này thờng cho D≈5ữ1

- Về nguyên tắc, phơng pháp này cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi đều điện trở 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 ph ơng pháp này Vì phơng pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dới tốc độ định mức, và luôn kèm 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 và thực 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 dụng hoặc đợc thực hiện trong một phạm vi rất hẹp Đặc điểm của

ph-ơng pháp này là lúc điều chỉnh tốc độ, momen không đổi vì φ

và I đều không

đổi Điện áp phần ứng 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.

+ Tốc độ không tải lý tởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp U đk 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 tính ứng với

điện áp định mức và từ thông định mức Tốc độ nhỏ nhất của dải điều khiển bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mô men khởi động.

+Với một cơ cấu máy cụ thể có M dm

M

K ,

,

max 0

ω

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.

- Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điều chỉnh xác

định là nh nhau nên sai số tốc độ t ơng 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 phơng pháp này đợc sử dụng rộng rãi.

2.5.3.Các chế độ làm việc của động cơ.

R

UI

tơng đối lớn Đối với

động cơ có công suất càng lớn thì R thờng có giá trị càng nhỏ và dòng I nm càng lớn

Điều này làm xấu chế độ chuyển mạch trong động cơ, đốt nóng mạnh động cơ và gây sụt áp lới điện Tình trạng này càng xấu hơn nếu hệ TĐĐ 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 động cơ 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: I mm = (1,5 ữ

2,5).I đm

Phơng pháp điều khiển giảm điện áp phần ứng không chỉ giúp khống chế dòng ngắn mạch ở chế độ khởi động còn hạn chế đợc điện áp khởi động.

- Chế độ hãm:

Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngợc chiều tốc độ quay

Động cơ điện 1 chiều có 3 trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngợc và hãm động năng.

+ 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 So với chế

độ động cơ, dòng điện và mômen hãm đã đổi chiều xác định theo biểu thức:

0R

kk

R

EU

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 động cơ sinh năng lợng hữu ích.

+ Hãm ngợc.

Xảy ra khi phần ứng dới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động hoặc do thế năng quay ngợc chiều với mô men điện từ của động cơ, mômen của động cơ khi đó chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất.

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 một máy phát nối tiếp với lới điện, biến điện năng nhận từ lới điện và cơ năng thành 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 làm việc của động cơ và có thể khá lớn

+ Hãm động năng.

Là trạng thái động cơ làm việc nh một máy phát mà năng lợng cơ học của

động cơ đợc tích luỹ trong quá trình làm việc trớc đó biến thành điện năng tiêu tán dới dạng nhiệt.

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

điện một chiều và đóng vào một điện trở hãm:

h

ư

hd h

ư

ư

kR

R

EI

+

φω

=+

−

=

0Ik

Mh = φ hd <

Chứng tỏ I hd và M hd 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 dây kích

từ vẫn phải nối với nguồn Muốn khắc phục ngời ta sử dụng phơng pháp hãm động năng tự kích từ Nó xảy ra khi ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích từ ra khỏi l ới 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 tính không tải của máy phát điện tự kích thích là phi tuyến so với phơng pháp hãm 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 đặc biệt hãm động năng tự kích vì không tiêu thụ năng lợng từ lới và đặc biệt có thể 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 tay trái Khi đảo chiều từ thông hay đảo chiều dòng điện thì từ lực có chiều ngợc lại

Vậy muốn đảo chiều quay của động cơ điện một chiều có thể thực hiện 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 đối xứng 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 vòng dây lớn, hệ

số tự cảm lớn, do đó thời gian đảo chiều tăng lên nên phơng pháp này ít dùng Ngoài ra, dùng phơng pháp đảo chiều từ thông thì khi từ thông qua 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 là hằng 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 là phù hợp giải pháp mà ngời ta thờng dùng hiện nay là băm xung áp điều khiển bằng bộ băm xung áp một chiều mà ta sẽ đề cập ở vấn đề tiếp theo.

3.1 Bộ băm xung ỏp một chiều

3.1.1 Gi ớ i thi ệ u chung:

Bộ băm xung áp một chiều dùng để biến đổi điện áp một chiều E thành xung điện áp một chiều có trị số trung bình Utb có thể thay đổi được.

Khi bộ áp trị số trung bình Utb của các xung điện áp đặt vào phụ tải có thể điều chỉnh từ trị số không đến trị số lớn nhất bằng điện áp một chiều E cung cấp cho bộ băm: 0 < Utb ≤ E

Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp có thể điều chỉnh cho điện

áp trung 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 liên tục một cách chu kỳ Nó được sử dụng rộng rãi trong các máy vận chuyển, trong truyền 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 với phương pháp điều chỉnh điện áp một chiều liên tục, ít nhạy cảm với môi trường vì tham số điều chỉnh là thời gian đóng mở để đặt hoặc cắt nguồn trên tải, kích thước nhỏ Tuy nhiên bộ băm xung áp có nhược điểm là : phải dùng cùng với bộ lọc đầu ra do đó làm tăng quán tính của qúa trình điều khiển khi

sử dụng các mạch điều khiển kín Nếu tần số đóng mở lớn sẽ phát sinh ra nhiễu vô tuyến

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 bằng tiristo 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 ngắt điện thì u = 0

Sơ đồ nguyên lý:

E U

Trị số trung bình của điện áp một chiều đặt lên phụ tải là:

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

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

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 Các tranzito không cần mạch để khoá lại như tiristo nên rất đơn giản và có thể làm việc với tần số tương đối lớn Các bộ băm dùng tranzito công suất có thể đạt

tới tần số băm từ 10 đến 100 kHz một cách dễ dàng Khi dùng bộ băm xung áp

có thể không cần dùng cuộn cảm san bằng hoặc chỉ cần cuộn cảm có điện cảm nhỏ nối tiếp với tải cũng đủ san bằng dòng điện trên tải thành dòng điện một chiều có trị số không đổi

Nhược điểm của bộ băm điện bằng Tranzito là có công suất nhỏ, chỉ đạt

cỡ vài 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 không đổi 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 tải thực tế là không đổi , mục đích là giảm hệ số đập mạch nâng cao chất lượng điều 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

áp một chiều quyết định giới hạn tần số làm việc của bộ biến đổi Để tránh các sóng không mong muốn và từ đấy tránh được mômen đập mạch thì tần số phải lớn hơn một mức nào đó Tần số đóng cắt càng nhanh thì càng giảm được kích thước của bộ lọc, nhưng nếu quá lớn sẽ sinh ra nhiễu vô tuyến Vì

vậy phải cân nhắc 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 rẻ tiền,tổn hao khi dẫn nhỏ nhưng có nhược điểm là mở chậm nên chỉ sử dụng rộng rãi 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,nhưng Tiristor lại cho phép dễ bảo vệ chống lại các sự cố hơn Transistor

SỬ DỤNG TRONG MẠCH

4 I/O PORTS BUS CONTROL SERIAL PORT EXTERNAL INTERRUPTS CPU

ON - CHIP RAM ETC TIMER 0 TIMER 1 ADDRESS/DATA TXD RXDP0P1P2P3

Hình 1.2: Bố trí bên trong của sơ đồ khối 8051

1.2.3 các thành viên khác của họ 8051

Có hai bộ vi điều khiển thành viên khác của họ 8051 là 8052 và 8031

a- Bộ vi điều khiển 8052:

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 sẽ thấy nó trong kho linh kiện Đó là do 8051 có dới nhiều dạng kiểu bộ nhớ khác nhau nh UV - PROM, Flash và NV - RAM mà chúng đều có số đăng ký linh kiện khác nhau Việc bàn luận về các kiểu dạng bộ nhớ ROM khác nhau sẽ đợc trình bày 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 AT89C51 còn 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 sản xuất 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 vài giây trong tơng quan so với 20 phút hoặc hơn mà 8751 yêu cầu Vì lý do này mà AT89C51 để phát triển một hệ thống dựa trên bộ vi điều khiển yêu cầu một bộ đốt ROM mà có hỗ trợ bộ nhớ Flash Tuy nhiên lại không yêu cầu bộ xoá ROM Lu ý rằng trong bộ nhớ Flash ta phải xoá toàn bộ nội dung của ROM nhằm để lập trình lại cho nó Việc xoá bộ nhớ Flash đợc thực hiện bởi chính bộ đốt PROM và đây chính 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 đợc lập 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 phẩm trên 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.

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, IC đệm 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

2 Hoạt động chung:

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 chỉ dòng 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 suất này sử dụng điện áp và dòng điện khá cao, điện áp đánh thủng của tiếp giáp một mặt 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 trong vùng 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 hạt