Thiết kế bộ điều khiển AC DC điều chỉnh tốc độ động cơ DC

Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử Nhận xét giáo viên hướng dẫn GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử Ngày Tháng Năm 2014 Giáo viên hướng dẫn Nhận xét giáo viên phản biện GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử Ngày Tháng Năm 2014 Giáo viên phản biện GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử Lời nói đầu Ngày nay, điện tử cơng suất đóng vai trò quan trọng q trình cơng nghiệp hố đất nước Sự ứng dụng điện tử công suất hệ thống truyền động điện lớn nhỏ gọn phần tử bán dẫn việc dễ dàng tự động hố cho q trình sản xuất Các hệ thống truyền động điều khiển điện tử cơng suất đem lại hiệu suất cao Kích thước, diện tích lắp đặt giảm nhiều so với hệ truyền động thông thường như: khuếch đại từ, máy phát - động Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, nội dung mơn học Điện tử công suất truyền động điện chúng em giao thực đề tài: “Thiết kế, chế tạo mạch điều chỉnh tốc độ động DC dùng chỉnh lưu pha” Với hướng dẫn Thầy: Đỗ Công Thắng, chúng em tiến hành nghiên cứu thiết kế đề tài Trong trình thực đề tài khả kiến thức thực tế có hạn nên khơng thể tránh khỏi sai sót, kính mong thầy đóng góp ý kiến để đề tài hồn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Linh Lê Văn Lâm MỤC LỤC CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1Thông số động điện chiều 1.2Cấu tạo động điện chiều 1.3Nguyên lý làm việc động điện chiều: .10 1.4Phương trình đặc tính động điện kích từ độc lập 11 1.5 Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐCĐ chiều kích từ độc lập 14 1.6Nghiên cứu mạch chỉnh lưu pha có điều khiển 23 GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử 2)Mạch chỉnh lưu hình cầu pha có điều khiển 25 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN VÀ PHÂN TÍCH MẠCH LỰC 32 CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỀU KHIỂN 40 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN CHỌN THIẾT BỊ , THIẾT KẾ MẠCH 49 4.1Mục đích ý nghĩa 50 4.2Tính chọn mạch động lực: 50 4.3Tính tốn mạch điều khiển: .55 4.4Chọn tính toán mạch nguồn 59 4.5Thiết kế mạch 61 GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Thông số động điện chiều Các thông số động điện chiều sau: Uđm = 220 (V); Pđm = 0,27 (kW); I=1,2(A) f= 50 (Hz); 2p= 4; n1 = 2000(v/p)  Các thơng số lại động cơ: - Dòng điện phần ứng định mức động cơ: Iưđm = 1,2(A) - Hiệu suất :η đm = 0,76 Điện trở mạch phần ứng động cơ: U đm Rư = 0,5.(1- η đm ) I = 0,5.(1- 0,75).220÷1,2=22(Ω) đm - Điện cảm mạch phần ứng động cơ: Lư= γ 60.U đm = 0,1(H) 2π p.nđm I đm 1.2 Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều gồm có phần : Phần tĩnh (stator) phần động (rơtor) GVHD: Th.ĐỖ CƠNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử Hình 1.2.1: Động điện chiều Gồm phần sau: - Cực từ chính: Cực từ 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 kỹ thuật điện Cực từ gắn chặt vào vỏ nhờ bulơng Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện - Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt cực từ dùng để cải thiện đổi   chiều Gông từ: Dùng để làm mạch từ nối liền cực từ đồng thời làm vỏ máy Các phận khác: Nắp máy Cơ cấu chổi than 1.2.1 Phần quay (rotor): Gồm phận sau: a Lõi sắt phần ứng: GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ thông thường dùng thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm phủ cách điện hai đầu ép chặt lại Trên thép có dập hình dạng rãnh để sau ép lại đặt dây quấn vào b Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng phần sinh s.đ.đ có dòng điện chạy qua Thường làm dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện tròn, máy điện vừa lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây quấn cách điện với rãnh lõi thép c Cổ góp: Cổ góp hay gọi vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành chiều cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình nhạn cách điện với lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm hợp thành hình trụ tròn Đi vành góp có cao lên để để hàn đầu dây phần tử dây quấn vào phiến góp dễ dàng d Các phận khác: - Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy - Trục máy: Trên đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt ổ bi Trục máy thường làm thép Cacbon tốt 1.2.2 Phần quay (rotor): Gồm phận sau: a Lõi sắt phần ứng: Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ thông thường dùng thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm phủ cách điện hai đầu ép chặt lại Trên thép có dập hình dạng rãnh để sau ép lại đặt dây quấn vào b Dây quấn phần ứng: GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử Dây quấn phần ứng phần sinh s.đ.đ có dòng điện chạy qua Thường làm dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện tròn, máy điện vừa lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây quấn cách điện với rãnh lõi thép c Cổ góp: Cổ góp hay gọi vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành chiều cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình nhạn cách điện với lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm hợp thành hình trụ tròn Đi vành góp có cao lên để để hàn đầu dây phần tử dây quấn vào phiến góp dễ dàng d Các phận khác: - Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy - Trục máy: Trên đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt ổ bi Trục máy thường làm thép Cacbon tốt 1.3 Nguyên lý làm việc động điện chiều: b A F® t + n I a I c F ® t d B - Hình 1.3.1:Sơ đồ nguyên lý làm việc động điện chiều Khi cho điện áp chiều U đặt vào chổi than A B dây quấn phần ứng có dòng điện Iư dẫn ab, cd có dòng điện nằm từ trường chịu lực điện từ Fđt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ xác định theo quy tắc bàn tay trái GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử Trong đó: Ud: điện áp tải U2: điện áp thứ cấp máy biến áp Chọn Thyristor loại BT151-650R có thông số sau : Ung max= 650V ; Iđm= 7,5A ; Ug = 1,5V : Ig max = 15mA Tx= 100µs ; Sx = 0,1 Ton = 2ms ; Toff = 70ms b Tính chọn diode cơng suất Tương tự thông số Thyristor Uchọn=Ungc max.ku=311,13.1,7=528,9(V) Ichọn=kI.Klv=2,5.1,968=4,92(A) Chọn diode công suất 1N5406 : Chịu Ungcmax =600v, URMS=400V, Imax=10A 4.2.2 Bảo vệ nhiệt cho van Khi làm việc với dòng điện chạy qua vanc ó sụt điện áp có tổnt thất cơng suất ∆P Tổn hao sinh nhiệt đốt nóng van bán dẫn Mặt khác van bán dẫn làm việc nhiệt độ cho phép T cp Nếu nhiệt độ cho phép van bị phá hỏng Để van bán dẫn làm việc an tồn khơng bị chọc thủng nhiệt ta phải chọn thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý - Tổn hao công suất Thyristor là: GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử ∆P = ∆Uv.Ilv = 0,7 1,40= 0,98(W) Diện tích bề mặt tỏa nhiệt là: Sm = ∆P K m τ Trong đó: ∆P : tổn hao cơng suất van τ : độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường Chọn nhiệt độ môi trường Tmt= 400C Nhiệt độ làm việc cho phép T cp= 1250C, chọn nhiệt độ cánh tản nhiệt tỏa nhiệt Tlv= 800C Vậy: τ = Tlv - Tmt = 125 - 40 = 850C Km hệ số tỏa nhiệt đối lưu xạ chọn Km= (W/m2 oC) Sm = 2,72 10 −3 (m2) 4.2.3 Chọn cầu chì Dùng cầu chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch đầu chỉnh lưu, dòng điện định mức dây chảy nhóm 2CC là: I2CC = 1,1.Id = 1,1.1,23 = 1,353 (A) ⇒ Chọn cầu chảy nhóm 2CC loại (A) 4.2.4 Thiết kế cuộn kháng san LD: Cuộn kháng lọc LD mắc nối tiếp vào mạch phần ứng động làm giảm dòng điện gián đoạn, làm giảm xung dòng điện chiều đồng thời cải thiện dòng điện chuyển mạch động điện chiều GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử Với Uđm= 220 (V); Id= Iđm= 1,2(A); f= 50 (Hz) Giá trị mong muốn điện cảm lọc tính theo cơng thức sau: L= Ru mđm W1 (k sb ) −1 Trong đó: Rư tổng trở mạch phần ứng ; Rư=22(Ω) mđm= 2: số lần đập mạch điện áp chỉnh lưu chu kỳ sơ đồ cầu chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn W1= π f1: tần số góc điện áp xoay chiều ksb= k đmv 0,667 = = 9,5 k đmr 0,07 Trong đó: kđmv= 0,667: hệ số đập mạch vào kđmr= 0,07: hệ số đập mạch Suy ra: L= 0,33 (H) 4.3 Tính tốn mạch điều khiển:  Mạch điều khiển tính xuất phát từ yêu cầu xung mở Thyristor: • Điện áp điều khiển: Uđk= Ug= 1,5(V) • Dòng điện điều khiển: Iđk= 15 (mA) • Độ rng xung iu khin tx= 100 ( àA ) Mức độ sụt biên độ xung: Sx= 0,1 • Độ đối xứng cho phép: ∆α = 40 • Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: Unguồn= 15 (V) GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử 4.3.1 Tính tốn phần tử mạch điều khiển - Xung cưa: Ta có f = 50Hz => T = 1/f = 20ms =>1 chu kì xung cưa : T1 = 10ms Sườn lên : 9.5 ms Sườn xuống : 0.5ms Chọn tụ cưa: C10 có giá trị : 500pF - µ F Thời điểm phát xung: tTr = V11 R9 C10 Vref K Dòng nạp tụ: I10 = Điện áp tụ: V10 = Vref K R9 Vref K t R9 C10 TCA 785 hãng SIEMEN chế tạo sử dụng để điều khiển thiết bị chỉnh lưu, thiết bị chỉnh dòng điện áp xoay chiều Có thể điều chỉnh góc α từ 00 đến 1800 điện Thơng số chủ yếu TCA là: - Điện áp nguồn ni: Dòng điện tiêu thụ: Điện áp ra: Điện áp cưa: US= 15V IS= 10mA I= 50mA URC max= (US- 2) V GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử Điện trở mạch tạo điện áp cưa: R9= (20 ÷ 500) kΩ Điện áp điều khiển: U11 = - 0,5 ÷ (US – 2) V Dòng điện đồng bộ: IS = 200 ( µ A) Tụ điện: C10 = 0,5 ( µ F) Tần số xung ra: f = (10 ÷ 500) Hz Chọn giá trị ngồi thực tế: C10=0,1(µF); C12 = 4,7nF ; R9 = 33kΩ Biến trở điều chỉnh xung cưa: VR1= 10kΩ Biến trở điều chỉnh chân 11(điện áp điều khiển):VR2 = 10kΩ Khâu đồng pha chọn R8 = 1MΩ 4.3.2 Tính chọn khuếch đại cách ly Hình 4.3.2.Sơ đồ, câú tạo cách ly quang GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử Chọn loại MOC 3020 Yêu cầu: MOC 3020 - Input diode:  Dòng điện vào (DC) 50(mA)  Năng lượng tổn hao 250 : 100mW - Output (max)  Điện áp vào điều khiển : 250V  Dòng vào điều khiển : 1,5A  Dòng điều khiển (50Hz ≤ f ≤ 60Hz) T = 250: I = 100mA T = 700: I = 50mA Igt U  Tổn hao lượng (TA=250C): 300mW Điện áp TCA Umax=Vcc=15V Sụt áp diode lúc điện áp lại là:U=Vcc - 0.7= 15-(0.7*2)=13,6( V) MOC3020 có dòng vào chân Igt=50mA, lúc ta có điện trở cần mạch là: Rin= 13,6 = 50.10 -3 Ω =272 ( Ω ) => Chọn trở R8=R9=220 Ω Điện áp sụt đầu MOC Us=3V dòng điện vào để điều khiển BT151 dẫn Igt=15mA, nên ta có: Rout= U V - Us 220 - = =14,466(k Ω ) Igt 15 * 10 -3 => Chọn trở R7=R11=10(k Ω ) GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử 4.4 Chọn tính tốn mạch nguồn u cầu : Điện áp chiều ổn định, đáp ứng yêu cầu dòng điện điện áp mạch điều khiển Do yêu cầu điện áp nguồn nuôi TCA785 15 (V), sử dụng IC 7815 ổn áp Hình 4.4.1 Mạch nguồn  Chọn máy biến áp: Với tiêu đầu Ura =15V, đặc tính kĩ thuật IC 7815 điện áp vào IC cần thỏa mãn từ +5V > +24V Với điện áp lưới U=220V Chọn biến áp : 220VAC/15VAC  Chọn chỉnh lưu: U1v=220V, điện áp đặt ngược nên diode chỉnh lưu Ungmax=U2 n1 = U1max n =220 15 = 20,5 V Dòng điện qua diode: có I2=1(A) GVHD: Th.ĐỖ CƠNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử Id = I2 = 0.5( A) Tần số biến áp chỉnh lưu :f= 100Hz - Chọn loại diode: 1N4007 - Ổn áp chọn: IC 7815 để có điện áp Ura=15(V) - Chọn tụ lọc: điện áp lớn 20,5(V) nên chọn tụ lọc có điện áp Umax= 25(V) cao Chọn độ gợn sóng sau khối chỉnh lưu K=5%= 0.05 Chu kỳ: T= =0.01 s f Khi đó: CL= T =0,0013F 3RK Ta chọn tụ lọc C3 : 2200µF / 25V Sử dụng tụ không phân cực C4 mắc song song (C4=0,1µF)  Hiển thị: mắc led nối tiếp với R6 để báo hiệu mạch điều khiển có nguồn Với R6=1,2kΩ GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử 4.5 Thiết kế mạch  Sơ đồ nguyên lý: GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử  Sơ đồ board  Nguyên lí hoạt động mạch là: GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử - IC TCA 785 (có tích hợp khâu dồng pha, so sánh, tạo xung, sửa xung ,khuyếch đại) tạo xung điều khiển đến kích mở cho Thyristor BT151 ( T1 T2) - Chân 11 TCA chân nhận điện đáp điều khiển ( từ đến 11V) để thay dổi góc kích mở Thyristor từ đến 180 độ - Mạch lực ta dùng mạch cầu chỉnh lưu bán điều khiển Giả sử ta đạt điện áp diều khiển thay đổi từ đến 15V vào chân 11 IC TCA785, chân 14 15 IC TCA785 xuất chuỗi xung thay đổi góc mở từ đến 180 độ - Nguyên lí hoạt động mạch lực:  Giả sử bán kì ta có điện áp + đặt vào X2-1, điện áp âm X2-2 Lúc mạch điều khiển tạo xung (với góc anpha tuỳ vào điện áp điều khiển) tới kích mở T1 Dòng điện có chiều từ X2-1 qua cầu chì, qua cuộn cảm, qua tải, qua D4 âm nguồn  Ở bán kì lại X2-2 + X2-1 âm Lúc mạch điều khiển xuất xung tới kích mở T2 Dòng điện có chiều từ X2-2 qua T2, qua cuộn cảm, qua tải, qua D1, qua cầu chì X2-1  Vậy dòng điện có chiều cố định từ XO-1 X0-2 điều chỉnh từ đến 200V DC  Phương hướng mở rộng đề tài: Đề tài:”Thiết kế chế tạo biến đổi AC-DC điều chỉnh tốc độ dộng DC” đề tài tương đối hấp dẫn, có ứng dụng vơ thiết thực đời sống người Với độ linh hoạt xác cao, hệ thống mạch không phức tạp, giá thành hợp lý nên sử dụng rộng rãi xưởng thực hành, xí nghiệp, nhà máy, khu chế xuất….Với đề tài chúng em mở rộng nội dung nghiên cứu thêm khâu mạch điều khiển thay cho TCA 785.Nhưng trình độ hạn chế nên chưa biến ước mơ thành thực Đơi làm việc chưa khoa học,tìm linh kiện chưa tối ưu…Nhưng nhìn chung mạch thiết kế có độ xác tính ổn định cao, chống nhiễu tốt… GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử LỜI KẾT Sau thời gian nghiên cứu đề tài giúp đỡ nhiệt tình thầy giáo hướng dẫn Đỗ Cơng Thắng chúng em hồn thành Đồ án mơn học điện tử công suất truyền động điện.Trong trình làm đồ án chúng em rút nhiều kiến thức môn học cách thay đổi điện áp phần ứng động điện chiều,biết phương pháp đảo chiều quay động Đồng thời,chúng em tích lũy nhiều kinh nghiệm quy trình tác phong làm đồ án Tuy đồ án chúng em hồn thành song nhiều thiếu sót hạn chế mặt thời gian,kiến thức kinh nghiệm.Chúng em mong nhận đóng góp thầy bạn để đồ án hồn chỉnh GVHD: Th.ĐỖ CƠNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử Một lần chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn thầy cô khoa nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em hồn thành tốt đồ án Chúng em xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Linh Lê Văn Lâm TÀI LIỆU THAM KHẢO Điện tử công suất : GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG Trang Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện - Điện tử Giáo trình truyền động điện : Một số trang wed : http://www.alldatasheet.com/ http://www.dientuvietnam.net/ GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG Trang ... truyền động điện ta cần ý vào tiêu sau để đánh giá chất lượng hệ thống truyền động điện: - Hướng điều chỉnh tốc độ: Hướng điều chỉnh tốc độ ta điều chỉnh để có tốc độ lớn hay bé so với tốc độ tốc độ. .. động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn, đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao dãy điều chỉnh tốc độ rộng b Các tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ: Khi điều chỉnh tốc độ. .. tốc độ với tự động thay đổi tốc độ phụ tải thay đổi động điện Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động điện chiều có nhiều ưu việt so với loại động khác Khơng có khả điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà