Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ. 1.1. Lời nói đầu. Điện tử công suất và truyền động điện là một môn học hay và lý thú, cuốn hút được nhiều sinh viên theo đuổi. Chúng em muốn được tiếp cận và hiểu sâu hơn nữa bộ môn điện tử công suất và truyền động điện.Vì vậy, đồ án môn học chế tạo sản phẩm là điều kiện tốt giúp chúng em kiểm chứng được lý thuyết đã được học.Trong đồ án điện tử công suất lần này, chúng em đã được nhận đề tài “Nghiên cứu, thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều có đảo chiều ”. Sau thời gian nghiên cứu, chúng em đã chế tạo thành công bộ điều khiển điện áp xoay chiều 1 pha đáp ứng được cơ bản yêu cầu của đề tài.
MỞ 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 môn 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 “Thiết kế, chế tạo mạch xung áp đơn nối tiếp điều khiển động 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 thầy giáo Nguyễn Viết Ngư góp ý kiến bạn sinh viên lớp Được chúng em xin chân thành cảm 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! Nhóm sinh viên thực hiện: Lê Bảo Sơn Đoàn Văn Mạnh GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ ĐOÀN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ ĐOÀN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN Mục lục GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ ĐOÀN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN CHƯƠNG I:GIỚI THIỆU LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH 1.1 Điện trở a Khái niệm - Điện trở cản trở dòng điện vật dẫn điện, có vật dẫn điện tốt điện trở nhỏ R= Trong : R điện trở Đơn vị Ω điện trở suất L chiều dài dây dẫn S tiết diện dây dẫn b Hình dáng, kí hiệu cách đọc * Hình dáng ký hiệu: Trong thực tế điện trở loại linh kiện điện tử khơng phân cực, linh kiện quan trọng mạch điện tử, chúng làm từ hợp chất cacbon kim loại pha theo tỷ lệ mà tạo điện trở có điện dung khác Hình 1.1 Ký hiệu điện trở Đơn vị đo Ω, KΩ, MΩ 1MΩ = 1000 KΩ = 1000000Ω GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ ĐOÀN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN * Cách đọc trị số điện trở thực tế Đọc theo màu sắc theo quy ước quốc tế Hình 1.2 Màu điện trở thường gặp Màu Bạc Vàng Đen Nâu Đỏ Cam Vàng Xanh Lục Tím Xám Trắng Trị số Sai số 10% 5% 1% 2% 0.5% 0.25% 0.1% Bảng 1: Các trị số màu điện trở Giá trị điện trở vẽ thân điện trở Đối với điện trở có vạch màu vạch màu giá trị điện trở vạch thứ sai số điện trở GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ ĐOÀN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN + Đối với điện trở vạch màu: vạch giá trị vạch đầu số, vạch thứ vạch mũ… vạch cuối sai số điện trở Hình 1.3 Cách đọc giá trị điện trở vạch màu + Đối với điện trở 5,6 vạch: vạch đầu đọc giá trị điện trở, vạch vạch mũ, vạch sai số Hình 1.4 Cách đọc giá trị điện trở 5, vạch màu + Đối với điện trở dán giá trị điện trở hai số đầu,10 mũ số thứ + Đối với loại điện trở nhỏ 10Ω: giá trị điện trở vạch 1+ vạch chia cho 10 mũ vạch Vạch 3: đen = 1, vàng = 1, bạc = Một số loại điện trở thường dùng khác: GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ ĐỒN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN Hình 1.5 Một số loại điện trở khác 1.2 Tụ điện Hình 1.6: Hình dạng tụ điện a Khái niệm Tụ điện linh kiện điên tử thụ động sử dụng rộng rãi mạch điện tử, chúngđược sử dụng mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao dộng GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ ĐOÀN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN b Cấu tạo tụ điện Cấu tạo tụ điện gồm hai cực đặ song song, có lớp cách điện gọi điện mơi Người ta thường dùng giấy, gốm, mica, giấy tẩm hóa chất làm chất điện môi tụ điện phân loại theo tên gọi chất điện môi c Điện dung-Đơn vị-Kí hiệu tụ điện Điện dung đại lượng nói lên khả tích điện hai cực tụ điện, điện dung tụ diện phụ thuộc vào diện tích cực, vật liệu làm chất điện môi khoảng cách hai cực theo công thức: C = ξ S / d Trong C: điện dung tụ điện ξ: Là số điện môi lớp cách điện d: chiều dày lớp cách điện S: diện tích cực tụ điện * Đơn vị điện dung tụ: Đơn vị Fara (F), 1Fara lớn thực tế thường dùng đơn vị nhỏ MicroFara(µF), NanoFara(nF), PicoFara(pF) * Ký hiệu: Tụ điện có ký hiệu C (Capacitor) Hình 1.7 Kí hiệu mạch vẽ điện GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ ĐOÀN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN d Phân loại tụ điện Tụ điện có nhiều loại như: Tụ giấy, tụ gốm, tụ mica , tụ hoá tính chất ta phân tụ hai loại tụ khơng phân cực tụ phân cực -Tụ giấy, tụ gốm: Tụ giấy tụ gốm có trị số ghi ký hiệu Tụ gốm không phân cực - Tụ hố( Tụ có phân cực ): Tụ hố tụ có phân cực âm dương , tụ hố có tr ị số lớn giá trị từ 0,47µF đến khoảng 4.700 µF , tụ hố th ường đ ược s dụng mạch có tần số thấp dùng để lọc nguồn, tụ hoá ln ln có hình trụ - Tụ xoay: Tụ xoay tụ xoay để thay đổi giá trị điện dung, tụ thường lắp Radio để thay đổi tần số cộng hưởng ta dò đài e Ứng dụng - Cho điện áp xoay chiều qua ngăn điện áp chiều lại, tụ sử dụng để truyền tín hiệu tầng khuyếch đại có chênh lệch điện áp chiều - Loc điện áp xoay chiều sau đãđược chỉnh lưu (loại bỏ pha âm) thành điện áp chiều phẳng nguyên lý tụ lọc nguồn - Với điện AC (xoay chiều) tụ dẫn điện với điện DC( chiều ) tụ lại trở thành tụ lọc tụ giấy tụ gốm (trị số nhỏ) thường lắp mạch cao tần tụ hố (trị số lớn) thường lắp mạch âm tần hoăc lọc nguồn điện có tần số thấp 1.3 Máy biến áp GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ ĐOÀN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN Hình 1.8 Hình dạng máy biến áp a Khái niệm cấu tạo biến áp Biến áp thiết bị để biến đổi điện áp xoay chiều, cấu tạo bao gồm cuộn sơ cấp (đưa điện áp vào) hay nhiều cuộn thứ cấp ( lấy điện áp sử dụng) quấn lõi từ thép lõi ferit Hình 1.9 Ký hiệu máy biến áp b Tỷ số vòng / vol biến áp Gọi n1và n2 số vòng quộn sơ cấp thứ cấp U1 I1 điện áp dòngđiện vào cuộn sơ cấp U2 I2 điện áp dòngđiện từ cuộn thứ cấp Ta có hệ thức sau : U1 / U2 = n1 / n2 Điện áp hai cuộn dây sơ cấp thứ cấp tỷ lệ thuận với số vòng dây quấn U1 / U2 = I2 / I1 Dòngđiện hai đầu cuộn dây tỷ lệ nghịch với điện áp, nghĩa ta lấy điện áp cao cho dòng nhỏ 10 GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ 10 ĐOÀN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN -Nhược điểm: lớn phương pháp điều áp phải dùng điều khiển phức tạp, nên vốn đầu tư chi phí vận hành cao *Nhận xét: Như vậy, qua cách điều chỉnh tốc độ động chiều, ta thấy phương pháp có suất khơng cao, giá thành cao, phức tạp.Vì vậy, cách tối ưu sử dụng PWM để điều chỉnh tốc độ động chiều 3.4.Điều chỉnh tốc độ động chiều phương pháp PWM a Giới thiệu PWM Phương pháp điều chế PWM ( Pulse Width Modulation) phương pháp điều chỉnh điện áp tải hay nói cách khác phương pháp điều chế dựa thay đổi độ rộng chuỗi xung vuông dẫn đếm thay đổi điện áp Đó dạng xung điều chế chu kì thời gian xung lên (Sườn dương) thay đổi dãn co vào Và độ rộng tính phần trăm tức độ rộng tính sau : độ rộng = (t1/T).100 (%) Như thời gian xung lên lớn chu kì điện áp đầu lớn Cứ ta tính điện áp đầu tải với độ rộng xung b Nguyên lý PWM Đây phương pháp thực theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn tới tải cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt.Phần tử thực nhiệm vụ van bán dẫn Xét hoạt động đóng cắt van bán dẫn.Dùng van đóng cắt Mosfet 33 GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ 33 ĐOÀN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN Hình 3.4 Hoạt động đóng cắt xung MOSFET Trên mạch nguyên lý điều khiển tải PWM giản đồ xung chân điều khiển dạng điện áp đầu dùng PWM Nguyên lý : Trong khoảng thời gian - to ta cho van G mở toàn điện áp nguồnUd đưa tải Còn khoảng thời gian to - T cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải Vì với to thay đổi từ T ta cung cấp toàn , phần hay khóa hồn tồn điện áp cung cấp cho tải + Cơng thức tính giá trị trung bình điện áp tải : 34 GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ 34 ĐOÀN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN Gọi t0 thời gian xung sườn dương (khóa mở )còn T thời gian sườn âm dương, Umax điện áp nguồn cung cấp cho tải ==> Ud = Umax.( t1/T) (V) hay Ud = Umax.D với D = t1/T hệ số điều chỉnh tính % d Cách điều khiển độ rộng xung PWM Có nhiều cách để điều chỉnh độ rộng xung đầu cho PWM Với sơ đồ đề tài độ rộng xung đầu điều chỉnh biến trở để điều chỉnh điện áp vào van thông qua icNE555 để tạo xung vuông đưa vào van để điều chỉnh độ rộng xung Các dạng mạch tạo xung vuông thường không phức tạp thiết kế, mạch tạo xung vuông thường sử dụng IC 555, mạch dao động đa hài sử dụng cổng logic số Yêu cầu chung mạch tạo xung vuông phải đảm bảo chu kỳ tần số ổn định, xác *Nhận xét: Qua phương pháp điều chỉnh tốc độ động ta thấy phương pháp điều chỉnh PWM tối ưu 35 GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ 35 ĐOÀN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN CHƯƠNG IV:THIẾT KẾ TÍNH TỐN, CHẾ TẠO MẠCH 4.1.Ngun lý hoạt động mạch Sơ đồ nguyên lý mạch: 36 GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ 36 ĐOÀN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN Hình 4.1 Sơ đồ ngun lý tồn mạch Tín hiệu điện áp điều chỉnh tay từ khối tao xung thông qua điều chỉnh biến trở VR Từ ta điều chế xung vng T on Toff thay đổi theo mức điện áp đưa tay, xung vuông đưa đến mosfet (mosfet làm nhiêm vụ công tắc bán dẫn) làm thay đổ dòng I B dẫn tới thay đổi IC dẫn tới thay đổi I2 từ làm thay đổi công suất cấp cho động để điều khiển tốc độ động DC 4.2 Khối nguồn ni Sơ đồ mạch nguồn: Hình 4.2 Sơ đồ mạch nguồn 37 GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ 37 ĐOÀN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN Chọn động có thơng số: P=15W U=12V,hiệu suất =85% Vậy ta có dòng định mức động là: P=U*I* I=P/U* =12/(0,85*12)=1,47 A Dòng khởi động động từ (1,5Iđm dòng khởi động động là: Ikđ=1,5*Iđm = 1,5*1,47=2,205A Vậy ta chọn máy biến áp có thơng số sau :có điện áp từ đến 15V có dòng điện lớn dòng điện khởi động động : Iba 2,205A ta chọn máy biến áp có dòng điện 3A Ta sử dụng chỉnh lưu cầu pha dùng diode ta có: Ud=2U2/ 0,9U2=0,9*15=13,5V Vậy điện áp qua chỉnh lưu là:13,5V Chọn IC ổn áp 7812 tạo điện áp chuẩn +12V để cung cấp cho mạch Thông số IC sau: Điện áp đầu vào từ 7V đến 35V Điện áp đầu +12V Dòng điện đầu xấp xỉ =1,17A Tụ C4, C5 để lọc thành phần sóng hài bậc cao Chọn C4=2200uF, C5=1000uF 38 GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ 38 ĐOÀN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN 5.3 Mạch điều khiển Hình 4.3 Sơ đồ mạch điều khiển * Mạch dao động tạo xung vuông: -Mạch dao động sử dụng linh kiện để phát tín hiệu dao động cụ thể để điều khiển thiết bị Có nhiều dạng tín hiệu xung phát từ mạch dao động: Như xung sin,xung vuông ,xung tam giác… -Có nhiều cách thiết kế mạch để tạo xung vuông, thiết kế mạch dùng transistor,thiết kế mạch dùng Op-Amp,v.v… * Lý chọn mạch tạo xung dung ICNE555: -IC NE555 phổ biến dễ kiếm Giá thành thấp ổn định -Mạch tạo xung dùng IC dẽ làm, dễ giải thích, dễ hiểu nguyên lý làm việc 39 GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ 39 ĐOÀN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN mạch Ở ta chọn mạch dao động xung vuông dùng IC NE555: Hình 4.4 Sơ đồ mạch tạo xung vng dùng NE555 Mạch điều khiển động chiều phương pháp điều chỉnh độ rộng xung (PWMcircuit–PulseWideModulation) hoạt động theo nguyên tắc cấp nguồn cho động chuỗi xung đóng mở với tốc độ nhanh Nguồn DC chuyển đổi thành tín hiệu xung vng Tín hiệu xung vng cấp cho động Nếu tần số chuyển mạch đủ lớn động chạy với tốc độ đặn phụ thuộc vào momen trục quay Với phương pháp PWM, điều chỉnh tốc độ động thông qua việc điều chế độ rộng xung, tức thời gian “đầy xung” (“on”) chuỗi xung vuông cấp cho động Việc điều chỉnh tác động đến cơng suất trung bình cấp cho động thay đổi 40 GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ 40 ĐOÀN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN tốc độ động cần điều khiển Hình 4.5 Biểu diển phụ thuộc tốc độ động vào độ rộng xung * Tính tốn thơng số mạch: -Bộ tạo xung có nhệm vụ tạo xung điều khiển dẫn hay khố transistor -Ta chọn giá trị thơng số linh kiện sau: + R1=1k Ω; VR=50kΩ + C4=0,01µF ;C1=47µF -Các thơng số cần tính tốn : -Thời gian tồn xung (xung on): T1 - Thời gian khơng có xung (xung off): T2 - Chu kỳ xung : T 41 GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ 41 ĐOÀN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN -Điện áp U1 điện áp sau tạo xung NE555 +Ta có công thức cụ thể sau : - T1=(VR+R1)*C1*ln2=0,7.(VR+R1).C1 - T2=R1.C1.ln2=0,7.R1.C1 - T=T1+T2 *Tính U1 ? -Với E biên độ xung tạo -Với xung on E ≈ Vcc nuôi IC = 2,5V -Với xung off E ≈ mass = 0V 4.4 Sơ đồ mạch lực Hình 5.6 Sơ đồ mạch lực Làm nhiệm vụ điều khiển động DC mosfet,mosfet đóng vai trò cơng tắc bán dẫn, UDS>0 có dòng chạy từ +VCC qua động DC mass Kết làm cho động chạy Khi UDS =0 khơng có dòng chạy từ +Vcc qua động mass Kết động không chạy.Động quay nhanh hay chậm phụ thuộc vào thời gian T “on” dài hay ngắn điều chế từ khối tạo xung vng 42 GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ 42 ĐỒN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN 4.5 Sơ đồ mạch board Hình 4.7 Sơ đồ mạch board 43 GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ 43 ĐOÀN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN 5.6 Sơ đồ tồn mạch thực tế Hình 4.8 Sơ đồ toàn mạch thực tế 4.7 Ưu điểm, nhược điểm mạch Ưu điểm: - Mosfet lối có hai trạng thái (ON OFF) loại bỏ mát lượng đốt nóng hay lượng rò rỉ lối - Dải điều khiển rộng so với mạch điều chỉnh tuyến tính -Tốc độ mơ tơ quay nhanh cấp chuỗi xung điều chế theo kiểu PWM so với cấp điện áp tương đương với điện áp trung bình chuỗi xung PWM Nhược điểm: -Cần mạch điện tử bổ trợ - giá thành cao - Các xung kích lên 12 Volt gây nên tiếng ồn mô tơ không gắn chặt 44 GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ 44 ĐOÀN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN tiếng ồn tăng lên gặp phải trường hợp cộng hưởng vỏ - Ngoài việc dùng chuỗi xung điều chế PWM làm giảm tuổi thọ motor 45 GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ 45 ĐOÀN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN LỜI KẾT Như vậy, sau thời gian làm việc với đồ môn học với đề tài :“Thiết kế, chế tạo mạch băm xung điện áp chiều nối tiếp điều khiển động chiều” với nỗ lực cố gắng thân, giúp đỡ bạn bè lớp, đặc biệt với giúp đỡ nhiệt tình, tận tâm thầy giáo Nguyễn Viết Ngư chúng em thực cách tương đối tốt yêu cầu mà đề tài đặt Nhưng bên cạnh đó, thời gian thực đề tài, với trình độ kiến thức có hạn nên khơng tránh khỏi sai sót Do chúng em mong nhận ý kiến đóng góp thầy giáo bạn để đề tài chúng em ngày hoàn thiện Chúng em xin cảm ơn tất thầy cô giúp đỡ chúng em Đặc biệt thầy Nguyễn Viết Ngư tận tình bảo để chúng em hồn thiện đề tài Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên thực hiện: Lê Bảo Sơn Đoàn Văn Mạnh 46 GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ 46 ĐOÀN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN TÀI LIỆU THAM KHẢO Điện tử cơng suất – Nguyễn Bính Điện tử công suất _lý thuyết_thiết kế_ứng dụng_Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh_NXB Khoa học kỹ thuật Tính tốn thiết kế thiết bị điện tử công suất – Trần Văn Thịnh - ĐHBK Hà Nội Giáo trình điện tử cơng suất – Cho hệ trung học chuyên nghiệp Một số website hay sử dụng: www.google.com.vn www.baigiang.violet.vn www.ebook.com.vn http://mualinhkien.vn/ http://banlinhkien.vn/ http://www.dientu4u.com/ http://www.dientuchiase.com/ http://www.dientuvietnam.net/forums/ 47 GVHD: NGUYỄN VIẾT NGƯ 47 ĐOÀN VĂN MẠNH SVTH: LÊ BẢO SƠN