Điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ điện một chiều

BẢN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………… Ngày 10 tháng năm 2010 Giảng viên hướng dẫn MỤC LỤC MỤC LỤC CHƯƠNG I:CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1.Giới thiệu phương pháp PWM 1.1.1.Nguyên lý phương pháp PWM 1.1.4.1.Ưu điểm: 11 1.2.1.Các dạng mạch cầu H .11 Trong sản xuất nay, động điện Không Đồng Bộ chiếm ưu so với động điện chiều Đó đời máy biến tần, việc điều chỉnh tốc độ động điện Khơng Đồng Bộ việc khó khăn Do vậy, động điện chiều với đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt dùng nhiều trong ngành cơng nghiệp có u cầu cao điều chỉnh tốc độ 15 2.1 NGUYÊN LÝ CHUNG .15 2.2 CẤU TẠO CHUNG 16 2.2.1 STATO .16 2.2.2 Roto 17 2.3 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 18 2.3.1 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông θ 19 2.3.2 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở phụ Rf mạch phần ứng 20 2.3.3 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp .21 22 CHƯƠNG III:PHÂN TÍCH SỰ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH THIẾT KẾ .22 3.1.Sơ đồ khối mạch điều khiển 22 3.2.Hoạt động khối .22 3.2.1 Mạch lặp 22 3.3.Một số yêu cầu mạch điều khiển 25 3.3.1.Xung điều khiển phải đảm bảo yêu cầu độ lớn điện áp dòng điều khiển : 25 3.3.2.Độ lớn xung điều khiển 25 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO .38 LỜI NĨI ĐẦU Ngày cơng nghệ khoa học kỹ thuật khơng ngừng phát triển Trong nghành kỹ thuật điện tử đạt nhiều thành tựu to lớn sống người.Cùng với phát triển ngành cơng nghệ kỹ thuật điện-điện tử có bước phát triển vượt bậc.Trong thời đại máy móc dần thay người làm việc để làm việc động điện quan trọng việc truyền động cho cấu đó.Gắn liền với việc sử dụng động trình điều khiển động cho phù hợp với yêu cầu thực tế Với mong muốn tìm hiểu, ứng dụng tiến khoa học kỹ thuật đại vào phục vụ sản xuất phục vụ đời sống người hướng dẫn giúp đỡ thầy “” Em thực đề tài: “ Điều khiển tốc độ đảo chiều động điện chiều ”.Do trình độ hiểu biết hạn chế, nên dù cố gắng việc thực đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót Mong thầy(cô) bảo thêm để em hiểu vấn đề sâu sắc Em xin chân thành cảm ơn thầy “ Trần Quang Phú” nhiệt tình giúp em hồn thành tốt đồ án Sinh viên thực hiện: CHƯƠNG I:CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1.Giới thiệu phương pháp PWM Phương pháp điều chế PWM có tên tiếng anh 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 đến thay đổi điện áp Sử dụng PWM điều khiển nhanh chậm động hay cao dùng để điều khiển ổn định tốc độ động Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải PWM tham gia điều chế mạch nguồn : boot, buck, nghịch lưu pha pha PWM gặp nhiều thực tế mạch điện điều khiển Điều đặc biệt PWM chuyên dùng để điều khiển phần tử điện tử cơng suất có đường đặc tính tuyến tính có sẵn nguồn chiều cố định Các PWM biến đổi có tần số khác độ rộng sườn dương sườn âm Để dễ hiểu ta có hình vẽ sau : Hình 1.1.Đồ thị dạng xung điều chế PWM Sơ đồ 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 Nhìn hình vẽ ta tính điện áp tải : + Đối với PWM = 25% ==> Ut = Umax.(t1/T) = Umax.25% (V) + Đối với PWM = 50% ==> Ut = Umax.50% (V) + Đối với PWM = 75% ==> Ut = Umax.75% (V) Cứ ta tính điện áp đầu tải với độ rộng xung 1.1.1.Nguyên lý phương pháp 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 nhiện vụ mạch van bán dẫn Xét hoạt động đóng cắt van bán dẫn Dùng van đóng cắt Mosfet Hình.1.2.Sơ đồ đóng ngắt nguồn với tải Hình 1.3.Đồ thị xung van điều khiển đầu 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 nguồn Ud 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 : Gọi to 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 % Như ta nhìn hình đồ thị dạng điều chế xung ta có : Điện áp trùng bình tải : + Ud = 12.20% = 2.4V ( với D = 20%) + Ud = 12.40% = 4.8V (Vói D = 40%) + Ud = 12.90% = 10.8V (Với D = 90%) 1.1.2.Các cách để tạo PWM để điều khiển Để tạo PWM có hai cách thơng dụng : Bằng phần cứng phần mềm Trong phần cứng tạo phương pháp so sánh từ trực tiếp từ IC dao động tạo xung vuông : 555, LM556 Trong phần mềm tạo chip lập trình Tạo phần mềm độ xác cao tạo phần cứng Nên người ta hay sử dụng phần mềm để tạo PWM 1.1.2.1 Tạo phương pháp so sánh Để tạo phương pháp so sánh cần điều kiện sau : + Tín hiệu cưa : Xác định tần số PWM + Tín hiệu tựa điện áp chuẩn xác định mức cơng suất điều chế (Tín hiệu DC) Xét sơ đồ mạch sau : Hình.1.4.Tạo xung vng phương pháp so sánh Chúng ta sử dụng so sánh điện áp đầu vào xung cưa (Saw) tín hiệu chiều (Ref) + Khi Saw < Ref cho điện áp 0V + Khi Saw > Ref cho điện áp Urmax Và thay đổi Ref Output lại có chuỗi xung độ rộng D thay đổi với tần số xung vuông Output = tần số xung cưa Saw Với tần số xác định f = 1/(ln.C1.(R1+2R2) nên cần điều chỉnh R2 thay đổi độ rộng xung dễ dàng Ngồi 555 nhiều IC tạo xung vuông khác 1.1.2.2 Tạo phương pháp dùng IC dao động Như bít có nhiều IC tạo trực tiếp xung vng mà khơng cần phải tạo tín hiệu tam giác làm tích hợp sẵn hết ta việc lắp vào xong Tơi lấy ví dụ dùng dao động IC555 IC vừa đơn giản lại dễ kiếm Hình 1.5.Mạch tạo xung đơn giản dung 555 Với tần số xác định f = 1/(ln.C1.(R1+2R2) nên cần điều chỉnh R2 thay đổi độ rộng xung dễ dàng Ngồi 555 nhiều IC tạo xung vuông khác 1.1.2.3 Tạo xung vuông phần mềm Đây cách ưu cách để tạo xung vuông Với tạo phần mềm cho độ xác cao tần số PWM Với lại mạch đơn giản nhiều Xung tạo dựa xung nhịp CPU 1.1.3.Một vài ứng dụng bật PWM 1.1.3.1.PWM điều khiển động Điều mà dễ nhận thấy PWM hay sử dụng động để điều 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 1.6.Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động DC Đây mạch đơn giản điều khiển động Nếu muốn điều khiển động quay thuận quay ngược phải dùng đến cầu H 1.1.3.2 Trong biến đổi xung áp Trong biến đổi xung áp PWM đặc biệt quan trọng việc điều chỉnh dòng điện điện áp tải.Bộ biến đổi xung áp có nhiều loại biến đổi xung áp nối tiếp biến đổi xung áp song song Lấy mạch nguyên lý đơn giản nguồn Boot đơn giản.Đây mạch nguyên lý Hình 1.7.Sơ đồ mạch nguyên lý mạch nguồn Boot Đây nguyên lý mạch nguồn Boot Dùng xung điều khiển để tạo tích lũy lượng từ trường để tạo điện áp tải lớn điện áp vào Ngồi PWM sử dụng chuyển đổi DC -AC , hay biến tần, nghịch lưu 10 Hình 3.5.Đồ thị so sánh điện Uđk với Urc T¬ng tù nh mạch so sánh thờng gặp Khâu so sánh PWM b¸o hiệu can điện áp cần so sỏnh v in ỏp chun t ú xác định thời điểm mở khoá van bán dẫn Đu vào khâu gồm có hai tín hiệu, điện áp tựa (điện áp tam giác) điện áp chiều làm điện áp điều khiển Từ hình 3.5 thấy chu kỳ điện áp tựa (in ap rng ca) có hai thi điểm điện áp tựa điện áp điều khiển Tại thời điểm đó, đầu khâu so sánh đổi dấu điện áp chng hn điện ap mức dương chuyển xuống mức am v ngc li Tơng ứng với thời điểm đột biến điện áp đầu khâu so sánh cần có lệnh mở khoá van bán dẫn iu khiển đong ngắt IRF Z44 Bằng cach điều chỉnh biến trở để Udk thay đổi ta dạng xung đầu thay đổi tương ứng điện áp thay đổi 3.3.Một số yêu cầu mạch điều khiển 3.3.1.Xung điều khiển phải đảm bảo yêu cầu độ lớn điện áp dòng điều khiển : -Giá trị nhỏ không vượt giá trị cho phép nhà sản xuất -Giá trị nhỏ phải đảm bảo mở thyristor điều kiện -Tổn hao công suất cực điều khiển phải nhỏ giá trị cho phép 3.3.2.Độ lớn xung điều khiển -Khi tải mạch có điện cảm lớn dòng điện chậm nên phải tăng độ rộng xung điều khiển.Thông thường độ rộng xung điều khiển không nhỏ 0,5µs 3.3.3.Chia độ dốc Người ta chia độ dốc xung điều khiển làm hai phần: Độ dốc sườn trước độ dốc sườn sau.Để mở Thyristor 25ung sườn phía người ta thường sử dụng sườn sau để mở Thyristor Vì vậy, độ dốc sườn trước xung điều khiển cao Thyristor tốt Thông thường 25 yêu cầu độ dốc xung điều khiển là: d dik = 0,1( A/ µs) dt 3.3.4.Độ đối xứng xung kênh điều khiển Trong biến đổi nhiều pha, nhiều van, độ đối xứng xung điều khiển kênh định đến đặc tính hệ Nếu xung điều khiển khơng đối xứng dòng điện pha có gí trị hình dạng khác làm cân sức từ động máy biến áp Do làm tăng cơng suất máy biến áp 3.3.5.Độ tin cậy Mạch điều khiển phải đảm bảo làm việc tin cậy điều kiện nhiệt độ mơi trường thay đổi, tín hiệu nhiều tầng… Xung điều khiển phải phụ thuộc vào dao động nhiệt độ, dao động điện áp nguồn, khử nhiễu cảm ứng không để Thyristor mở ý muốn 3.3.6.Lắp ráp vận hành Mạch điều khiển mạch điện phải sử dụng hết thiết bị có sẵn, dễ lắp ráp,dễ thay thế,dễ điều chỉnh , lắp lẫn khối có khả làm việc độc lập 3.4.Sơ đồ chân số IC mạch Sơ đồ chân IC LM324 26 Hình 3.7.Sơ đồ chân LM324 Hình 3.8 Sơ đồ chân 7404 Bảng 3.1 Bảng trạng thái 27 4.Sơ đồ mạch thiết kế khối hoàn chỉnh: Khối điều khiển tốc độ Khối đảo chiều thuận ngược Khối nguồn KHỐI ĐẢO CHIỀU KHỐI NGUỒN ĐỘNG CƠ KHỐI ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ 5.Sơ đồ mạch nguyên lý 28 6.Sơ đồ mạch board 7.Mạch nguồn: 29 Để tạo điện áp ổn định nguồn nuôi 12 (V) ta chọn vi mạch ổn áp Điện áp đầu vào ta chọn: Uvào= 12(V) Điện áp đầu ra: Ura= 12 (V) Dòng điện ra: Ira= ( ÷ 1) (A 78L12 có: Tụ C1, C3 để lọc thành phần sóng hài bậc cao chọn: C1= 2200 µF / 35(V ) 8.Mạch điều khiển Khâu cách ly,tạo điện áp đóng mở IRE Để thay đổi tốc độ động ta thay đổi Uđkthơng qua chiết áp Khi Uđk thay đổi làm cho γ thay đổi độ rộng xung thay đổi Khâu tạo dao động tạo điện áp: Chu kỳ xung tam giác T=4RC R1 R2 ta chọn tần số băm xung f=500Hz phù hợp với yêu cầu tải động Ta có T=1/ f =1 / 500 = 2(ms) Vậy ta có: T = 4RC R1 =2.10-3 R2 Chọn :R1=R2=47k Ω , chän C= 0,001uF ⇒ R=100 k Ω • Mạch lặp 30 Hình 3.2.Mạch lặp 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 • Khâu so sánh điện áp: Hình 3.4.Mạch so sánh điện áp - Đây thực chất bơ cộng đảo dấu Khi đó: Uss1= -Uss2 31 Hình 3.5.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 goomg có hai tín hiệu,điện áp tựa (điện áp tam giác) điện áp chiều làm điện áp điều khiển hình 3.5 Từ hình 3.5 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 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 điều khiển đóng ngắt mosfet.Bằng cách điều chỉnh biến trở để Udk thay đổi ta dạng xung đầu thay đổi tương ứng điện áp thay đổi 9.Mạch công suất: 32 Mạch công suất dùng MOSFET để băm xung cung cấp điện áp đặt vào động dùng Role để đảo chiều điện đáp đặt vào động làm cho động quay theo hai chiều thay đổi tốc độ a.Ký hiệu Mosfet: b.Đặc tính MOSFET MOSFET hay gọi transistor có cực cách li, có tác dụng khóa K Việc kích đóng hay mở khỏa K tùy thuộc vào điện áp đạt vào chân G FET.VG âm dương Đặc tính dẫn MOSFET Điều khiển động phương pháp điều xung PWM đưa điện áp trung bình tải chọn van kích mở áp Từ thơng số tính tốn ta sử dụng van IRF460-20A-500V-0,22ohm 33 Hình 1.1.Hình dạng ký hiệu IRFP460A Dòng ID=20A dòng danh định Trên thực tế dòng I d nhỏ dòng danh định Do nhiều yếu tố tác động dễ bị đánh thủng để bảo vệ IRF khỏi gai điện song hài bậc thấp ta sử dụng tụ nối tiếp với điện trở mắc song song với IRF(Thực tế với động cơng suất lớn có từ dư lớn dễ gây song hài bậc cao nên khó để bảo vệ hồn tồn cho IRF) Trong trường hợp với động công suất nhỏ ta sử dụng diode 10A mắc song song ngược để bảo vệ IRF khỏi dòng ngược Bảng 1.1 Thơng số IRFP460A 25oC Bảng 1.2 Diode ký sinh IRFP460A 34 Hình 1.2 Đồ thị hàm ID=f(VDS) 25oC 105oC Hình 1.3 Đồ thị hàm ID=f(VGS) hàm rDS=f(Tj) *Tính tốn tản nhiệt Tổn hao công suất mosfet là:∆P = 2,2(W) Diện tích bề mặt tỏa nhiệt là: S m= (1) Trong đó: ∆P : tổn hao cơng suất van τ : độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường Chọn nhiệt độ môi trường Tmt= 250C Nhiệt độ làm việc cho phép Tcp= 1500C Vậy: τ = Tlv - Tmt = 150 - 25 = 1250C Km hệ số tỏa nhiệt đối lưu xạ, Km = (6÷10).10 −4 (W/cm ) Chọn Km= 8.10-4 (W/cm2) Sm = 2,2 8.10−4.125 = 22(cm2) CHỌN RƠ LE ĐĨNG CẮT 35 Role thực q trình đảo chiều tác động công tắc đảo chiều Chọn role có Itt>Ikđ Khi đảo chiều động ta giảm góc mở van (tránh đảo chiều trực tiếp dòng hãm lớn) nên ta chọn van có tiếp điểm chịu dòng khơng cần q lớn Chọn role trung gian IEC255 Hình 2.1 Role IEC255 Ký hiệu Uđm(V) Iđm(A) Tiếp điểm IEC255 12VDC 10 2NO+ 2NC Bảng 2.1 Thơng số role trung gian 10 Phân tích 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 36 CHƯƠNG IV:KẾT LUẬN Trong suốt trình thực đề tài này, với nhiều cố gắng nỗ lực em với hướng dẫn, bảo tận tình thầy Trần Quang Phú em hồn 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 em nhận thức rõ lý thuyết thực hành có khoảng cách không nhỏ, vấn đề đặt cho em phải tìn hiểu khắc phục khúc mắc trình thực 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 tránh khỏi có sai sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn để đồ án chúng em hoàn chỉnh Xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện: 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO  SÁCH Tác giả Trần Trọng Minh Tên sách Giáo trình điện tử cơng suất Nhà xuất Nhà xuất giáo dục,xuất 11-2007 Nguyễn Bính Điện tử công suất Nhà xuât khoa học kỹ thuật,xuất 32000 Lê văn Doanh Điện tử công suất Nhà xuât khoa học kỹ thuật  TÀI LIỆU ĐIỆN TỬ Các tài liệu Internet http://hoiquandientu.com//index.php?go=category_3&mode=1&page=3 http://www.3c.com.vn/Story/vn/hotrokhachhang/kienthucmaytinh/2009/2/51 264.html http://bmtbd.uct.edu.vn/forum/showthread.php?t=693 http://www.ant7.com/forum/forum_post.asp?TID=7026 http://nvn.net.vn/forum/showthread.php?197-Nguy%C3%AAn-t%E1%BA %AFc-%C4%91i%E1%BB%81u-ch%E1%BA%BF-PWM-Pulse-WidthModulation http://server.hocavr.com/writing/hbridge.htm 38 http://www.qsl.net/n/n4xy//PDFs/Semiconductor_Data_Sheets/irf450.pdf http://www.ctu.edu.vn/colleges/tech/bomon/dien/Bai%20giang/ktd2/Bai %202-%20Dong%20co%20mot%20chieu.pdf http://www.datasheets.org.uk/pdf/getfile.php?dir=Datasheets-20&file=DSA394058.pdf&scan= http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/134/49732_DS.pdf http://www.parl.clemson.edu/~wjones/371/chips/7402.pdf 39 ... phương pháp điều chỉnh tốc độ • Các chế độ khởi động động điện chiều 2.1 NGUYÊN LÝ CHUNG Động điện chiều hoạt động dựa nguyên lý tượng cảm ứng điện từ I Hình 2.1.Cấu tạo động điện chiều Như ta... động điện Không Đồng Bộ chiếm ưu so với động điện chiều Đó đời máy biến tần, việc điều chỉnh tốc độ động điện Khơng Đồng Bộ việc khó khăn Do vậy, động điện chiều với đặc tính điều chỉnh tốc độ. .. CHƯƠNG II.GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 14 Trong sản xuất nay, động điện Không Đồng Bộ chiếm ưu so với động điện chiều Đó đời máy biến tần, việc điều chỉnh tốc độ động điện Khơng Đồng Bộ việc