Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bằng LM324

Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp Lời nói đầu Chương I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Động điện chiều .4 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Nguyên lý làm việc động điện chiều 1.1.3 Mở máy điều chỉnh tốc độ động .7 1.2 Phương pháp PWM 14 1.2.1 Giới thiệu phương pháp PWM 14 1.2.2 Nguyên lý phương pháp PWM 15 1.2.3 Các cách để tạo PWM để điều khiển 16 1.2.4 Một vài ứng dụng bật PWM 18 1.3 Bộ biến đổi xung áp chiều 21 1.3.1 Đặt vấn đề 21 1.3.2 Nguyên lí chung biến đổi xung áp chiều 21 1.3.3 Các dạng băm xung .23 Chương II : MỘT SỐ LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH .29 2.1 MOSFET IRF540 29 2.1.1 Sơ lược MOSFET 29 2.2 OPTO PC817 .33 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 thông Dòng 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 33 Chương III – THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH 34 Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp 3.1 Sơ đồ khối .34 3.2 Khối nguồn 34 3.2.1.Khối nguồn I 34 3.3 Khối tạo PWM .40 3.3.2 Mạch lặp ổn định điện áp 41 3.3.3 Khâu so sánh điện áp 42 3.4 Khối cách ly 44 3.5 Bộ biến đổi 45 3.6 Mạch đảo chiều 48 Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp Lời nói đầu Điện tử cơng 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 công 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 truyền động điện lần này, chúng em nhận đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp” Sau thời gian nghiên cứu, chúng em chế tạo thành công điều khiển điện áp chiều 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 công sản phẩm Tuy nhiên, chúng em nhận giải đáp hướng dẫn kịp thời giáo "Trần Thị Thường", 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 q trình thực đồ án chúng em khơng thể tránh khỏi sai sót, mong q thầy 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! Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp Chương I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Động điện chiều 1.1.1 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 dòng 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 1.1.2 Nguyên lý làm việc động điện chiều Động điện chiều hoạt động dựa nguyên lý tượng cảm ứng điện từ I Hình 1.1.2.a - Cấu tạo động điện chiều Như ta biết dẫn có dòng điện đặt từ trường chịu tác dụng lực từ Vì cho dòng điện chiều vào chổi than A chổi than B dẫn chịu tác dụng lực từ Bên cạnh dòng điện vào dẫn nằm cực N dẫn nằm cực S nên tác dụng từ trường lên dẫn sinh mơ men có chiều khơng đổi làm cho roto máy quay Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp 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 thơng 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 không quay được, Eư = theo biểu thức U = Eư + RưIư dòng 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 * Cấu tạo chung : Phần động điện chiều bao gồm hai phần 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 có dây quấn kích từ Phần tĩnh bao gồm phận sau: cực từ chính, cực từ phụ, gơng từ phận khác Hình 1.1.2.b - Cấu tạo stato a Cực từ Là phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép KTĐ hay thép cácbon dày đến mm ép lại tán chặt Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp 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 dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép cực tù phụ thường làm thép khối thân cực từ phụ có đặt dây quấn, mà cấu tạo giống dây quấn cực từ 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 vỏ máy d Các phận khác Ngoài ba phận có phận khác : 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 dòng điện từ phần quay ngồi Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt hộp chổi than nhờ lò 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 Hình 1.1.2.c - Cấu tạo roto Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp a Lõi sắt phần ứng Dùng để dẫn từ Thường làm thép KTĐ (thép hợp kim silix) dày mm bôi cách điện mỏng hai mặt ép chặt lại để giảm tổn hao dòng điện xốy gây nên b Dây quấn phần ứng Là phần sinh sức điện động có dòng 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 tròn 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, miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt phải đai chặt dây quấn Nêm làm tre, gỗ hay ba-ke-lit c Cổ góp Cổ góp (còn 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 tròn dùng hai vành ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành góp có cao 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 1.1.3 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 lên tới khoảng 20 đến 25 lần Iđm , làm hỏng cổ góp, chổi than ảnh hưởng đến lưới điện Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp Để giảm dòng điện mở máy, dùng biện pháp : - Dùng biến trở mở máy RMở Mắc biến trở mở máy vào mạch phần ứng, dòng điện mở máy lúc có biến trở mở máy: IưMở = U/( Rư+RMở) Lúc đầu để biến trở RMở lớn nhất, trình mở máy, tốc độ tăng lên, điện trở mở máy giảm dần đến không - Giảm điện áp đặt vào phần ứng Hình 1.1.3.a – Sơ đồ mở máy động giảm điện áp đặt vào phần ứng Phương pháp sử dụng có nguồn điện chiều điều chỉnh điện áp * Điều chỉnh tốc độ động chiều Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình tính tốc độ động sau: n= U − I u ( Ru + R f ) E = = n0 − ∆n với C e θ C e θ Hay : n = U  n0 = C θ  e  ∆n = I u ( Ru + R f )  C e θ ( Ru + R f ).M U − C e θ C M C eθ Từ hai phương trình ta thấy n (tốc độ động cơ) phụ thuộc vào θ (từ thông), R (điện trở phần ứng), U (điện áp phần ứng) Vì để điều chỉnh tốc độ động điện chiều ta có ba phương án - Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông θ Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp - Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi cách thay đổi điện trở phụ R f mạch phần ứng - Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp - Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông θ Hình 1.1.3.b - Sơ đồ thay mạch điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thơng Hình 1.1.3.c - Đồ thị đặc tính động điện chiều thay đổi từ thông θ Đồ thị hình cho thấy đường đặc tính động điện chiều ứng với giá trị khác từ thơng Khi từ thơng giảm n tăng ∆n tăng nhanh ta thấy độ dốc đường đặc tính khác Chúng tụ điểm trục hồnh ứng với dòng điện lớn : I = (U/Rư) Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ lớn tốc độ định mức Giới hạn việc điều chỉnh tốc độ quay phương pháp 1:2; 1:5; 1:8 Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp Tuy nhiên có nhược điểm sử dụng phương pháp phải dùng biện pháp khống chế đặc biệt cấu tạo công nghệ chế tạo phức tạp, khiến giá thành máy tăng - Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở phụ Rf mạch phần ứng Ta có: n = ( Ru + R f ).M U − C e θ C M C eθ Từ thông không đổi nên n0 không đổi, có ∆n thay đổi Một điều dễ thấy là, ta đưa thêm Rf giảm Rư nên điều chỉnh tốc độ tốc độ định mức Do Rf lớn đặc tính mềm nên tốc độ thay đổi nhiều tải thay đổi (từ đồ thị cho thấy, I biến thiên ứng với dải biến thiên I đường đặc tính mềm tốc độ thay đổi nhiều hơn) Hình 1.1.3.d - Đồ thị đặc tính động điện chiều thay đổi điện trở phụ Rf mạch phần ứng - Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp phần ứng Hình 1.1.3.e – Sơ đồ khối Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ định mức Tuy nhiên cách điện thiết bị thường tính tốn cho điện áp định mức nên thường giảm điện áp U Khi U giảm Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang 10 Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp Hình 3.2.1.b – Sơ đồ nguyên lý khối nguồn I Điện áp giảm áp từ 220 VAC xuống 12 VAC thông qua biến áp cách li Nhờ Diode chỉnh lưu cầu tín hiệu xoay chiều nắn thành dạng chiều Điện chiều dạng sóng nhấp nhơ Hình 3.2.1.c – Dạng sóng điện áp trước sau chình lưu cầu Điện áp lưới có giá trị lớn : 12 = 17 V Dòng điện lớn qua Diode chỉnh lưu cầu : 1A ( thực tế dòng qua khoảng 0.15A ) Hệ số gợn sóng (khi khơng lắp tụ lọc) : K = 0,49 Tần số điện áp chỉnh lưu : f = 2.f0 = 2.50 = 100 Hz Trong đề tài em sử dụng Diode chỉnh lưu cầu KBP307 Để tín hiệu chiều phẳng (khơng nhấp nhơ) Ta lắp thêm tụ chiều C1 để lọc tín hiệu nhấp nhơ Giá trị tụ C1 tính sau : Theo datasheet diode cầu KBP307 sụt áp 1,5 V Vậy điện áp lớn đặt nên tụ lọc C1 : 17 - 1,5 = 14,5 V Trong mạch chỉnh lưu cầu toàn phần : Hệ số đập mạch : mđm = Tần số góc : wt = 2πf0 = 2π.50 = 100 rad/s Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang 35 Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp Điện trở máy biến áp : Rt = = 5,7 Ω Chọn hệ số gợn : K = 0,1 Ta có : C1 = = 2792.10-6 F = Trong đề tài em sử dụng tụ lọc C có giá trị 3300 uF, chịu điện áp tối đa 25 V Tụ lọc cao tần C3 có giá trị 100nF để lọc nhiễu san phẳng gai sót lại sau tụ C Do IC LM324 mạch tạo PWM relay sử dụng nguồn 12 V nên em sử dụng IC 7812 để ổn áp, cho dòng chiều 12 VDC ổn định dùng cho mạch tạo PWM relay đảo chiều Công suất tiêu hao IC 7812 tính cơng thức : Pth = (Uv – Ur).I Khi cho mạch hoạt động em đo I ≈ 0,15 A (cả relay đóng) Khi : Pth = (15.5 – 12).0,15 = 0,525 W Tổng trở tương đương mạch thu mạch điều khiển nuôi khối nguồn I : R= = 80 Ω Để đảm bảo điện áp đầu hồn tồn ổn định, khơng bị nhiễu gây ảnh hưởng tới hoạt động linh kiện khối thu khối điều khiển em sử dụng thêm tụ C2 C2 có giá trị tính sau : C2 = = 398.10-6 F Trong đề tài em dùng tụ C2 có giá trị 470uF/50V Dùng thêm tụ lọc cao tần C4 có giá trị 1nF Do khối nguồn nối trực tiếp với Relay khối điều khiển nên em dùng thêm Diode 1N4007 để bảo vệ IC 7805 không bị phá hủy áp ngược Relay đóng/cắt Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang 36 Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp 3.2.2 Khối nguồn II Khối nguồn II dùng mạng điện lưới 220 V AC, tần số 50 Hz ổn áp thành nguồn chiều 24 VDC ổn định Nguồn 220VA C MBA Chỉnh 220V/24 lưu V Hình 3.2.2.a – Sơ đồ khối khối nguồn II San phẳng lọc nhiễu Hình 3.2.2.b – Sơ đồ nguyên lý khối nguồn II Điện áp giảm áp từ 220 V AC xuống 24 V AC thông qua biến áp cách li Nhờ Diode chỉnh lưu cầu tín hiệu xoay chiều nắn thành dạng chiều Điện chiều dạng sóng nhấp nhơ Hình 3.2.2.c – Dạng sóng điện áp trước sau chình lưu cầu Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang 37 Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp Điện áp lưới có giá trị lớn : 24 = 34 V Dòng điện lớn qua Diode chỉnh lưu cầu : 1A ( dòng lớn biến áp em sử dụng tải ) Hệ số gợn sóng (khi khơng lắp tụ lọc) : K = 0,49 Tần số điện áp chỉnh lưu : f = 2.f0 = 2.50 = 100 Hz Trong đề tài em sử dụng Diode chỉnh lưu cầu RS507 Để tín hiệu chiều phẳng (khơng nhấp nhô) Ta lắp thêm tụ chiều C5 để lọc tín hiệu nhấp nhơ Giá trị tụ C5 tính sau : Theo datasheet diode cầu RS507 sụt áp 1,5 V Vậy điện áp lớn đặt nên tụ lọc C5 : 34 - 1,5 = 32.5 V Trong mạch chỉnh lưu cầu toàn phần : Hệ số đập mạch : mđm = Tần số góc : wt = 2πf0 = 2π.50 = 100 rad/s Chọn hệ số gợn : K = 0,1 Khi cho mạch hoạt động em đo I ≈ A (khi mở duty cycle xung PWM lên 100%) Tổng trở tương đương mạch thu mạch điều khiển nuôi khối nguồn II : R= = 12 Ω C5 có giá trị tính sau : C5 = = 2653.10-6 F Trong đề tài em dùng tụ C3 có giá trị 3300uF/35V Dùng thêm tụ lọc cao tần C4 có giá trị 100nF Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang 38 Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp Hình 3.a – Sơ đồ nguyên lý toàn mạch Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang 39 Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp 3.3 Khối tạo PWM 3.3.1 Khâu tạo dao động tao xung tam giác Hình 3.3.1.a – Mạch tạo xung vng điện áp cưa Tạo điện áp cưa cách tích phân xung vng U2:A Xung vng tạo nhiều cách khác Tích phân xung q 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 U2:A có hồi tiếp dương điện trở R6, đầu có trị số điện áp nguồn dấu phụ thuộc hiệu điện áp hai cổng V+ (chân 3) V- (chân 2) Đầu vào V+ có hai tín hiệu : Một tín hiệu khơng đổi lấy từ đầu U2:A, tín hiệu biến thiên lấy từ đầu U2:B Điện áp chuẩn để so sánh để định đổi điện áp U2:A trung tính vào V- Giả sử đầu U2:A U1 dương, qua khuếch đại U2:B, tích phân đảo dấu cho điện áp có phần xuống điện áp cưa Sườn xuống điện áp tựa tới lúc điện áp vào R6, R5 trái dấu tới V + = đầu U2:A đổi dấu thành âm Chu kì điện áp OA1 luân phiên đổi dấu cho ta điện áp hình sau Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang 40 Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp Hình 3.3.1.b - Dạng sóng sau qua khâu tạo xung Tần số điện áp cưa tính: f= Bằng cách chọn trị số điện trở tụ điện ta có điện áp tựa có tần số mong muốn Trong mạch em sử dụng R5 =10k, R6 = 100k, R7 = 100k, C7 = 10 nF Khi đó, tần số điện áp tựa mạch : f=2500 3.3.2 Mạch lặp ổn định điện áp Mạch lặp có chức ổn định điện áp đầu lấy từ cầu phân áp ổn định dùng làm điện áp so sánh với điện áp tựa bên để tạo xung vuông Điện áp phụ thuộc vào vị trí biến trở Điện trở R8 R9 giới hạn điện áp cho tương xứng với xung cưa bên Trong đồ án này, điện áp lặp giới hạn khoảng : Umin = = = 3,17 V Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang 41 Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp Umin = = = 8,83 V Hình 3.3.2.a – Mạch lặp ổn định điện áp 3.3.3 Khâu so sánh điện áp 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 Hình3.3.2.e- Đồ thị so sánh điện Uđk với Urc Urc : điện áp tựa lấy đưa vào chân 10 Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang 42 Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp Uđk : điện áp điều khiển đưa vào chân Uss : xung vuông lấy chân Kết luận : 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 chuyển qua khối cách ly để tác động lên biến đổi xung áp Bằng cách điều chỉnh biến trở để Udk thay đổi ta dạng xung đầu thay đổi tương ứng điện áp thay đổi Hình 3.3.3.b – Sơ đồ nguyên lý mạch tạo PWM Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang 43 Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp 3.4 Khối cách ly Hình 3.4.a – Sơ đồ khối cách ly LED báo hiệu Một LED xanh để báo hiệu có hay khơng tín hiệu PWM vào khối cách ly OPTO PC817 cách ly mạch tạo PWM mạch đảo chiều dùng nguồn 12 VDC với mạch động lực dùng nguồn 24 VDC OPTO PC817 yêu cẩu dòng vào tối thiểu 20 uA sụt áp diode phát quang 1,4 V Ta có : 450kΩ Trong mạch em sử dụng R10 có giá trị : 4k5 Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang 44 Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp 3.5 Bộ biến đổi Hình 3.5.a – Bộ biến đồi DC-DC giảm áp Buck Đây kiểu biến đổi nguồn cho điện áp đầu nhỏ so với điện áp đầu vào Em lựa chọn nguồn động có điện áp đinh mức 24 V, tăng điện áp lên làm hỏng động Mạch có cấu tạo nguyên lý đơn giản dùng van đóng cắt nguồn điện phần lọc đầu Điện áp đầu điều biến theo độ rộng xung Khi IRF540 đóng tức nối nguồn vào mạch lúc dòng điện qua cuộn cảm dòng điện cuộn cảm tăng lên, tụ điện nạp điện đồng thời cung cấp dòng điện qua tải Khi IRF540 mở tức ngắt nguồn khỏi mạch Khi lượng từ trường tích lũy cuộn cảm lượng điện trường tích lũy tụ điện trước phóng qua tải Cuộn cảm có xu hướng giữ cho dòng điện khơng đổi giảm dần Tụ điện có xu hướng giữ cho điện áp khơng đổi giảm dần Q trình đóng cắt liên tục tạo tải điện áp trung bình theo luật băm xung PWM Dòng điện qua tải dạng xung tam giác đảm bảo cho dòng liên tục qua tải Tần số đóng cắt cao để đảm bảo triệt nhiễu công suất cho mạch Tuy nhiên, đóng ngồi lượng để tải hoạt động lượng đồng thời tích lũy vào tụ điện cuộn cảm nên lúc giá trị trung bình dòng điện điện áp tải không phụ thuộc vào giá trị duty cycle xung PWM mà phụ thuộc vào giá trị tụ điện cuộn cảm tốc độ nạp lượng chúng Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang 45 Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp * Thông số động (động sử dụng đồ án động điện chiều kích từ độc lập) Điện áp định mức Udm = 24V Dòng điện định mức Iđm = 2A Tốc độ không tải lý tưởng n0 = 3000 v/p Tôc độ định mức nđm = 2700 v/p Cơng suất định mức Pđm = 30W Dòng làm việc động Ilv = Iđm = 2A Dòng điện lúc khởi động Ikđ = 2Ilv = 2x2 = 4A Chọn hệ số an toàn cho mạch kU = 2,5 kI=1,5 * Tính chọn thơng sớ MOSFET Dòng điện làm việc mà van phải chịu Ilv (van) = kI.Ikđ = 1,5x4 = A Ta chọn van có dòng làm việc đỉnh Ilvđvan ≥ 2.Ilv (van) = 2x6 =12 A Điện áp chạy van Uv = kU.Uđm = 2,5x24x = 84,8V Ta chọn van có Ulvvan ≥ 84.8V => Chọn van bán dẫn IRF540N Van bán dẫn loại IRF540N đóng ngắt dòng lên đến 30A, chịu điện áp U DS lên đến 100V khơng dẫn đóng ngắt với tần số cao lên đến 1MHz Do dòng làm việc định mức động 2A lên ta không cần thêm hệ thống tản nhiệt cho IRF540N Tuy nhiên đồ án em dùng thêm cánh tản nhiệt * Tính chọn cầu chì Icc cần chọn khoảng 1,15 dòng Iđm => Ta chọn cầu chì có dòng định mức : Icc = 1,15x2 = 2,3 A * Tốc độ động Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang 46 Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp Dải điều chỉnh tốc độ động từ đến n0 = 3000 v/p phụ thuộc vào độ rộng xung PWM đưa vào cực G IRF540N (trong đồ án em cho động chạy không tải) Tuy nhiên phụ thuộc phi tuyến ảnh hưởng từ việc tích lũy lượng điều áp Buck Khi độ rộng xung PWM 0% ứng với điện áp điều khiển mạch tạo PWM : Uđk = 3,17V Thì tốc độ động : v/p Khi độ rộng xung PWM 100% ứng với điện áp điều khiển mạch tạo PWM : Uđk = 8,83 V Thì tốc độ động : n0 = 3000 v/p Ghi chu : Do động đồ án khơng phải động điên chiều kích từ độc lập nên khơng có giá trị từ thơng kích từ cố định nên dòng qua động tốc độ thay đổi phức tạp, em khơng biết hệ số tự cảm cuộn kích từ, cuộn dây phần ứng động nên em khơng tính điện áp ngược đặt lên IRF540N Tuy nhiên có diode ngược bảo vệ nên khơng bị ảnh hưởng nhiều Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang 47 Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp 3.6 Mạch đảo chiều Hình 3.6.a - Sơ đồ nguyên lý khối đảo chiều Về khối đảo chiều gồm relay mắc song song ngược tạo mạch giống cầu H * Tính chọn điện trở đầu vào cho transistor hạn dòng cho relay Relay JQC-3F cần khoảng dòng khoảng 50mA đóng Chọn transistor C828 có dòng bão hòa 50mA Hệ số khuếch đại Transistor C828 khoảng 180 lần Trừ sụt áp UBE Transistor C828 điện áp rơi trở : 12 – 0,7 = 11,3 V Như cần điện trở R14 R15 có giá trị khoảng : R14 = R15 40 kΩ Trong mạch em dùng điện trở R14 R15 có giá trị 39 kΩ Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang 48 Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp 3.7 Chế tạo mạch Hình 3.7.a – Sơ đồ mạch in khối nguồn I II J1 J3 BR1 BR2 C1 C2 C5 C3 C6 C4 U1 D6 R1 R2 D1 D2 I1 I2 J2 J4 : Nơi cấp nguồn 220VAC lấy từ điện lưới : Lần lượt diode chỉnh lưu cầu KBP307 RS507 khối nguồn I II : Tụ hóa 3300uF/25V : Tụ hóa 470uF/50V : Tụ hóa 3300uF/35V : Tụ gốm 104 : Tụ gốm 102 : IC ổn áp 7812 : Diode ngược 1N4007 : Điện trở 1k : Điện trở 4k7 : LED xanh : LED đỏ : Cầu chì : Điểm lấy nguồn 12VDC : Điểm lấy nguồn 24VDC Giáo viên hướng dẫn : Trần Thị Thường Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Trần Văn Trường Trang 49 ... Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều biến đổi xung áp Chương I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Động điện chiều 1.1.1 Khái niệm Động điện nói chung động điện chiều nói riêng thiết bị điện từ quay,... pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều có phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động tốt hay sử dụng thu đặc tính có độ cứng khơng đổi, điều chỉnh tốc độ. .. 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