Thiết kế, chế tạo module điện tử công suất điều khiển động cơ điện một chiều

BẢN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ................................................... 1 BẢN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ...................................................... 2 LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................. 3 LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. 4 PHẦN I. DẪN NHẬP LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .............................................................. 7 1. CƠ SỞ KHOA HỌC ................................................................................................ 7 2. CƠ SỞ THỰC TIỄN ................................................................................................ 7 3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ................................................................................... 7 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................................................... 7 5. ỨNG DỤNG CỦA SẢN PHẨM ............................................................................ 8 PHẦN II: NỘI DUNG ..................................................................................................... 8 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN .................................................................................................................. 8 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU........................................... 8 1.1.1. Cấu tạo của động cơ điện một chiều ................................................................ 8 1.1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều ......................................... 10 1.1.3. Một số lại động cơ điện một chiều ................................................................. 10 1.1.4. Các đại lƣợng định mức ................................................................................. 11 1.1.5. Đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập .................................... 11 1.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐÔNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU ......... 13 1.2.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá chất lƣợng hệ thống điều chỉnh tốc độ ..... 13 1.2.2. Các phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ điện ........................................ 14 1.2.3. Hệ truyền động điều khiển động cơ điện một chiều ...................................... 20 CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ VAN CÔNG SUẤT VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ........................................................................................................................... 27 2.1. TỔNG QUAN VỀ VAN CÔNG SUẤT ............................................................. 27 2.1.1. Diode công suất .............................................................................................. 30 2.1.2. Transistor công suất BJT ............................................................................... 32 2.1.3. Transistor trƣờng MOSFET ........................................................................... 34 2.1.4. IGBT .............................................................................................................. 37 2.1.5. TIRISTOR ...................................................................................................... 39 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6 2.1.6. TIRISTOR khóa bằng cực điều khiển GTO .................................................. 43 2.1.7. TRIAC ............................................................................................................ 46 2.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ............................................................... 47 2.2.1. Một số mạch chỉnh lƣu một pha không điều khiển ........................................ 47 2.2.2. Một số mạch chỉnh lƣu một pha có điều khiển .............................................. 57 CHƢƠNG III: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MODULE ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU ................................................................................... 64 3.1. Ý TƢỞNG THIẾT KẾ ...................................................................................... 64 3.2. THIẾT KẾ GIAO DIỆN MODULE ................................................................. 64 3.3. CÁC THÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ..................................................................... 64 3.4. THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC ...................................................................... 65 3.5. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN .................................................................... 68 3.5.1. Chức năng và cấu trúc của hệ thống điều khiển bộ biến đổi .................... 68 3.5.2. Các yếu tố cơ bản đối với hệ thống điều khiển ........................................ 69 3.5.3. Sơ đồ nguyên lý cấu trúc hệ thống điều khiển ......................................... 72 3.5.4. Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển .............................................. 72 3.6. SƠ ĐỒ BỐ TRÍ LINH KIỆN ............................................................................ 91 CHƢƠNG IV. KẾT QUẢ KHẢO SÁT ....................................................................... 91 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 92 K.1. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC .................................................................................. 92 K.2. HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..................................................................... 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 92 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 93 P.4.1. LẮP MẠCH CHẠY THỬ NGHIỆM ............................................................ 93 P.4.2. MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ KẾT NỐI THỬ NGHIỆM .................................. 94 P.4.3. KẾT QUẢ KHẢO SÁT VỚI TẢI ĐỘNG CƠ THEO YÊU CẦU ĐỀ TÀI . 95 P.4.4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT MỞ RỘNG ............................................................. 97

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1 BẢN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Hưng yên, ngày tháng năm 2012 Giáo viên hƣớng dẫn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2 BẢN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Hưng Yên, ngày tháng năm 2012 Giáo viên phản biện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật trong công nghiệp. Đặc biệt là các ứng dụng của điện – điện tử vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày với lƣợng nhu cầu là rất lớn. Tuy nhiên, để đáp ứng đƣợc nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công nghiệp thì ngành điện – điện tử phải luôn nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ƣu nhất. Đặc biệt với chủ trƣơng công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nƣớc, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao công nghệ bằng cách đƣa công nghệ điều khiển tự động vào trong sản xuất. Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và phƣơng pháp điều khiển an toàn, chính xác. Đặc biệt là việc ứng dụng điện tử công suất để điều khiển động cơ điện một chiều mang lại hiệu quả kinh tế rất cao đã và đang đƣợc nhiều doanh nghiệp tin tƣởng nghiên cứu đƣa vào ứng dụng. Đó là nhiệm vụ mà nghành điện – điện tử cần phải giải quyết. Chính vì vậy, mà nhóm chúng em đã tìm hiểu và nghiên cứu đề tài “Thiết kế, chế tạo module điện tử công suất điều khiển động cơ điện một chiều” với sự giúp đỡ của thầy Đỗ Quang Huy và thầy Đỗ Thành Hiếu. Trong quá trình thực hiện đề tài, mặc dù chúng em đã rất nỗ lực và cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi cộng với quyết tâm cao nhất, song do trình độ còn có hạn nên không thể tránh khỏi nhiều sai sót, chúng em kính mong nhận đƣợc sự góp ý của quý thầy cô giáo và các bạn. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo, đặc biệt là thầy Đỗ Quang Huy và thầy Đỗ Thành Hiếu đã tạo điều kiện và tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Nhóm sinh viên thực hiện: 1. Nguyễn Văn Vũ 2. Ngô Xuân Huân 3. Nguyễn Văn Hanh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4 LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy Đỗ Quang Huy và thầy Đỗ Thành Hiếu là ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ nhóm em trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành đồ án. Chúng em xin bày tỏ lòng cảm ơn tới các thầy cô, cán bộ thuộc Khoa điện – điện tử Trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật Hƣng Yên đã trang bị kiến thức và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện đề tài. Cảm ơn gia đình, bạn bè đã quan tâm, động viên giúp đỡ chúng em về tinh thần và vật chất trong quá trình học tập và thực hiện đề tài. Hưng Yên, ngày 12 tháng 06 năm 2012 Nhóm sinh viên 1. Nguyễn Văn Vũ 2. Ngô Xuân Huân 3. Nguyễn Văn Hanh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5 MỤC LỤC BẢN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN . 1 BẢN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 2 LỜI NÓI ĐẦU . 3 LỜI CẢM ƠN 4 PHẦN I. DẪN NHẬP LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 7 1. CƠ SỞ KHOA HỌC 7 2. CƠ SỞ THỰC TIỄN 7 3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU . 7 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 7 5. ỨNG DỤNG CỦA SẢN PHẨM 8 PHẦN II: NỘI DUNG . 8 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 8 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU . 8 1.1.1. Cấu tạo của động cơ điện một chiều 8 1.1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều . 10 1.1.3. Một số lại động cơ điện một chiều . 10 1.1.4. Các đại lƣợng định mức . 11 1.1.5. Đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 11 1.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐÔNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU . 13 1.2.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá chất lƣợng hệ thống điều chỉnh tốc độ . 13 1.2.2. Các phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ điện 14 1.2.3. Hệ truyền động điều khiển động cơ điện một chiều 20 CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ VAN CÔNG SUẤT VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN . 27 2.1. TỔNG QUAN VỀ VAN CÔNG SUẤT . 27 2.1.1. Diode công suất 30 2.1.2. Transistor công suất BJT . 32 2.1.3. Transistor trƣờng MOSFET . 34 2.1.4. IGBT 37 2.1.5. TIRISTOR 39 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6 2.1.6. TIRISTOR khóa bằng cực điều khiển GTO 43 2.1.7. TRIAC 46 2.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN . 47 2.2.1. Một số mạch chỉnh lƣu một pha không điều khiển 47 2.2.2. Một số mạch chỉnh lƣu một pha có điều khiển 57 CHƢƠNG III: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MODULE ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU . 64 3.1. Ý TƢỞNG THIẾT KẾ 64 3.2. THIẾT KẾ GIAO DIỆN MODULE . 64 3.3. CÁC THÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ . 64 3.4. THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC 65 3.5. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 68 3.5.1. Chức năng và cấu trúc của hệ thống điều khiển bộ biến đổi 68 3.5.2. Các yếu tố cơ bản đối với hệ thống điều khiển 69 3.5.3. Sơ đồ nguyên lý cấu trúc hệ thống điều khiển . 72 3.5.4. Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển 72 3.6. SƠ ĐỒ BỐ TRÍ LINH KIỆN 91 CHƢƠNG IV. KẾT QUẢ KHẢO SÁT . 91 KẾT LUẬN . 92 K.1. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC 92 K.2. HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI . 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 92 PHỤ LỤC 93 P.4.1. LẮP MẠCH CHẠY THỬ NGHIỆM 93 P.4.2. MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ KẾT NỐI THỬ NGHIỆM 94 P.4.3. KẾT QUẢ KHẢO SÁT VỚI TẢI ĐỘNG CƠ THEO YÊU CẦU ĐỀ TÀI . 95 P.4.4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT MỞ RỘNG . 97 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 7 PHẦN I. DẪN NHẬP LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1. Cơ sở khoa học. Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ ngày nay, đã đem lại nhiều ứng dụng và thành quả to lớn phục vụ nhu cầu đời sống thiết thực của con ngƣời. Đặc biệt đối với hai lĩnh vực điện – điện tử đã trở nên quen thuộc và phục vụ phần lớn nhu cầu về mọi mặt đời sống của con ngƣời. Và đặc biệt là ứng dụng mạnh mẽ của điện tử công suất trong công nghệ điều khiển. 2. Cơ sở thực tiễn. Động cơ một chiều đƣợc sử dụng từ lâu trong các hệ truyền động có điều khiển tốc độ yêu cầu dải điều chỉnh lớn, độ ổn định tốc độ cao và các hệ thƣờng xuyên hoạt động ở chế độ khởi động, hãm và đảo chiều. Nhờ có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt nên đƣợc sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp. Một số ứng dụng quan trọng của động cơ 1 chiều nhƣ truyền động cho xe điện, máy công cụ, máy nâng vận chuyển Đó là nhiệm vụ mà chuyên ngành điện – điện tử cần nghiên cứu và cải tiến công nghệ . Từ ý tƣởng đó cùng với những nhu cầu từ thực tiễn, nhóm đồ án chúng em đã quyết định chọn đề tài: “Thiết kế, chế tạo module điện tử công suất điều khiển động cơ điện một chiều”. 3. Mục đích nghiên cứu. Dựa vào những kiến thức đã học về điện tử công suất, kết hợp với các kiến thức về kỹ thuật điện tử để nghiên cứu và đƣa ra phƣơng pháp điều khiển hiệu quả. Nhằm ôn lại những kiến thức đã học cũng nhƣ nâng cao trình độ chuyên môn để phục vụ cho công việc sau khi ra trƣờng. Sản phẩm hoàn thành có thể làm thiết bị ứng dụng trong giảng dạy của nhà trƣờng. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu. Tham khảo các tài liệu điện tử công suất kết hợp với các thiết bị module có sẵn của nhà trƣờng. Tìm hiểu các phƣơng pháp điều khiển động cơ điện một chiều. Bằng cách vận dụng các kiến thức đạt đƣợc trong quá trình học tập, tham khảo tài liệu. Nhóm thực hiện tiến hành tìm hiểu, thiết kế, thi công, và thử nghiệm module trong nhiều tình huống và điều kiện khác nhau. Quá trình thực nghiệm giúp nhóm thực hiện tự ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 8 hoàn thiện và bổ sung dần các kiến thức mới. Đặc biệt là tìm đƣợc hƣớng nghiên cứu thích hợp nhất để hoàn chỉnh và tối ƣu đề tài. 5. Ứng dụng của sản phẩm. Sản phẩm hoàn thành ứng dụng cho giáo dục làm nhiệm vụ điều khiển động cơ điện một chiều rất là tiện ích với kiểu dáng module. Ngoài ra nhóm còn thiết kế thêm một số phần tử để có thể ứng dụng và khảo sát ở một số loại tải khác nhau. PHẦN II. NỘI DUNG CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. 1.1.1. Cấu tạo của động cơ điện một chiều. Gồm 2 phần chính: Phần tĩnh (stato) và phần động (rôto) a) Phần tĩnh hay stato. Đây là phần đứng yên của máy, bao gồm các bộ phận chính sau:  Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trƣờng 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 kĩ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm đƣợc ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện một chiều cỡ nhỏ có thể dùng thép khối . Cực từ đƣợc gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bu lông. Dây quấn kích từ đƣợc quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều đƣợc bọc cách điện kĩ thành một khối tẩm sơn cách điện trƣớc khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ đƣợc đặt trên các cực từ này đƣợc nối tiếp với nhau.  Cực từ phụ: Cực từ phụ đƣợc đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép của cực từ phụ thƣờng làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống nhƣ dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ đƣợc gắn với vỏ máy nhờ những bulong. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 9  Gông từ : Gông từ dùng làm mạch nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy .Trong động cơ điện một chiều cỡ vừa và nhỏ thông thƣờng dùng thép dày uốn và hàn lại. Trong máy điện cỡ lớn thƣờng dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy.  Các bộ phận khác: - Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hỏng dây quấn và an toàn cho ngƣời. Trong máy điện vừa và nhỏ lắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trƣờng hợp này nắp máy thƣờng làm bằng gang. - Cơ cấu chổi than: Để đƣa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chạy lên cổ góp. Hộp chổi than đƣợc cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay đƣợc để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại. b) Phần quay hay roto.  Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ. Thƣờng dùng những tấm thép kĩ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào.  Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thƣờng làm bằng dây đồng có bọc cách điện.  Cổ góp: Dùng để chuyển dòng điện xoay chiều thành một chiều . Cổ góp gồm nhiều phiến đồng đƣợc mạ cách điện với nhau bằng lỗ mica dài từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trụ tròn. Hai đầu trụ tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp đƣợc dễ dàng.  Các bộ phận khác: - Cánh quạt: dùng để quạt gió làm mát máy. Máy điện một chiều thƣờng chế tạo theo kiểu bảo vệ, ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Cánh quạt nắp trên trục máy khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ, gió đi qua vành góp, cực từ lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm mát máy. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 10 - Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục máy thƣờng làm bằng thép cacbon tốt. 1.1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều. Động cơ điện phải có hai nguồn năng lƣợng. - Nguồn kích từ cấp vào cuộn kích từ để sinh ra từ thông kích từ. - Nguồn phần ứng đƣợc đƣa vào hai chổi than để đƣa vào cổ góp của phần ứng. Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều Khi cho điện áp 1 chiều U đặt vào 2 chổi than A và B trong dây quấn phần ứng có dòng điện I ƣ các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trƣờng sẽ chịu lực điện từ F đt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ đƣợc xác định theo quy tắc bàn tay trái. Khi phần ứng quay đƣợc nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau do có phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng không đổi đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi. Khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trƣờng sẽ cảm ứng sức điện động E ƣ chiều của s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tay phải. Ở động cơ điện một chiều sức điện động E ƣ ngƣợc chiều với dòng điện I ƣ nên E ƣ còn gọi là sức phản điện động. Phƣơng trình cân bằng điện áp: U= E ƣ +R ƣ .I ƣ Trong đó: R ƣ : Điện trở phần ứng I ƣ :Dòng điện phần ứng E ƣ : Sức điện động 1.1.3. Một số loại động cơ điện một chiều. + Động cơ điện kích thích độc lập. + Động cơ điện kích thích song song. + Động cơ điện kích thích nối tiếp. + Động cơ điện kích thích hỗn hợp. . loại động cơ điện một chiều. + Động cơ điện kích thích độc lập. + Động cơ điện kích thích song song. + Động cơ điện kích thích nối tiếp. + Động cơ điện. phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều. 1.2.2.1. Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bằng điện trở phần ứng. Bằng cách thay đổi điện trở