THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT HƯNG YÊNKHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬĐỒ ÁN MÔN HỌC 3Tên đề tài : THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀUNhóm Sinh Viên thực hiện : Trần Đăng Hùng Nguyễn Thị HườngLớp : ĐĐTK12.1A1Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết NgưHưng yên – 2016NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN..............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................Hưng Yên, ngày…..tháng…... năm 2016Giáo viên hướng dẫnNHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN..............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................Hưng Yên, ngày…..tháng…..năm 2016 Giáo viên phản biệnLời nói đầuĐiện tử công suất và truyền động điện là hai 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 “Thiết kế, chế tạo mạch điều chỉnh tốc dộ động cơ điện 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.Sau khi nhận đề tài, nhờ sự giúp đỡ tận tình của giảng viên hướng dẫn thầy : “Nguyễn Viết Ngư ” cùng với sự lỗ lực cố gắng của cả nhóm, sự tìm tòi, nghiên cứu tài liệu, đến nay đồ án của chúng em về mặt cơ bản đã hoàn thành. Trong quá trình thực hiện dù đã rất cố gắng nhưng do trình độ còn hạn chế kinh nghiệm còn ít nên không thể tránh khỏi sai sót. Chúng em mong nhận được sự chỉ bảo giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo trong khoa để đồ án của chúng em ngày càng hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo“Nguyễn Viết Ngư” cùng với các thầy giáo trong khoa đã giúp chúng em hoàn thành đồ án.MỤC LỤCLỜI NÓI ĐẦU3MỤC LỤC4CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI51.1 Động cơ điện một chiều51.1.1 Khái niệm chung51.1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều51.1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều71.2 Mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ81.3 Bộ biến đổi xung áp 1 chiều có đảo chiều15CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MẠCH232.1 Sơ đồ khối232.2 Thiết kế mạch điều khiển232.2.1 Thiết kế mạch nguồn232.2.2 Thiết kế mạch điều khiển242.3 Thiết kế mạch lực252.3.1 Sơ đồ nguyên lý252.3.2 Tính toán và lựa chọn linh kiện26CHƯƠNG III:CHẾ TẠO MẠCH293.1 Sơ đồ nguyên lý293.2 Nguyên lý hoạt động293.3 Sơ đồ board313.4 Lắp mạch chạy thử và hiệu chỉnh323.5 Kết luận và hướng phát triển của đề tài32KẾT LUẬN33TÀI LIỆU THAM KHẢO34CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI1.1 Động cơ điện một chiều1.1.1 Khái niệm chung Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng là thiết bị điện từ quay, làm việc theo nguyên lý điện từ, khi đặt vào trong từ trường một dây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một lực từ vào dây dẫn làm dây dẫn chuyển động. Động cơ điện là thiêt bị biến đổi điện năng thành cơ năng.1.1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều Gồm hai phần: + Phần đứng yên gọi là phần tĩnh (stato) + Phần chuyển động gọi là phần quay (rôto) Hình.1.1 Hình ảnh động cơ điện một chiều Hình 1.2 Hình ảnh một số động cơ điện một chiều các loại Hình 1.3 Hình ảnh cụ thể bên trong của động cơ điện một chiều+) Phần tĩnh hay stato. Stator hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường. Gồm có mạch từ và dây cuốn kích thích lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ được kích từ bằng nam châm điện). Mạch từ được làm bằng sắt từ (thép đúc, thép đặc ) Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ (êmay). Các cuộn dây điện từ này được nối tiếp với nhau. • Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường 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 kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau.• Cực từ phụ:Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu rạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông.• Gông từ:Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại. Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy.• Các bộ phận khác: Bao gồm: Nắp máy : Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang. Cơ cấu chổi than: để đưa 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 chặy lên cổ góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá chổi than.+) Phần quay hay rôto Có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại. Là phần sinh ra suất điện động .Gồm có mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kĩ thuật ) xếp lại với nhau .Trên mạch từ có xẻ rãnh đẻ lồng dây quấn phần ứng (làm bằng dây điện từ ) Cuộn dây phần ứng gồm nhiều bôi dây nối với nhau theo một quy luật nhất định. Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các phiến đồng gọi là phiến góp. Các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện với trục gọi là cổ góp hay vành góp. Tỳ trên cổ góp là cặp trổi than làm bằng than graphit và được ghép sát vào thành cổ góp nhờ lò xo. • Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ 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 dặt dây quấn vào. Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió. Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt. Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto.• Dây quấn phần ứng:Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài kw thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm làm bằng tre, gỗ hay bakelit.• Cổ góp: Dùng để đổi chiều dòng điẹn xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và 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 được dễ dàng.1.1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Hình 1.4:Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều Khi cho điện áp 1 chiều U đặt vào 2 chổi than A và B trong dây quấn phần ứng có dòng điện Iư các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực điện từ Fđt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái. Khi phần ứng quay được 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 trường sẽ cảm ứng sức điện động Eư chiều của s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tay phải. Ở động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư còn gọi là sức phản điện động. Phương trình cân bằng điện áp: U= Eư+Rư.Iư Trong đó: Rư: điện trở phần ứng Iư: dòng điện phần ứng (A) Eư: sức điện động(V) Theo yêu cầu của đề bài ta xét hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều kích rừ độc lập. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có dòng điện kích từ không phụ thuộc vào dòng điện phần ứng nghĩa là từ thông của động cơ không phụ thuộc vào phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ.Hình 1.5: Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập1.2 Mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơa) Mở máy động cơ điện một chiều. Phương trình cân bằng điện áp: U=Eư + RưIư suy ra Iư= (U Eư) Rư Khi mở máy, tốc độ n=0 suy ra Eư = kE.n.φ =0 suy ra Iư= U Rư Vì Rư rất nhỏ, dòng điện phần ứng Iư lúc mở máy rất lớn Iư=(20÷25) Iđm , làm hỏng cổ góp, chổi than và ảnh hưởng đến lưới điện. Để giảm dòng điện mở máy, dùng các 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, trong quá trình mở máy, tốc độ tăng lên, điện trở mở máy giảm dần đến không.+ Giảm điện áp đặt vào phần ứng. Phương pháp này được sử dụng khi có nguồn điện một chiều có thể điều chỉnh được điện áp Hình 1.6: Sơ đồ mở máy động cơ bằng giảm điện áp đặt vào phần ứng.b) Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình tính tốc độ động cơ sau: với Hay : Từ hai phương trình trên ta thấy n (tốc độ của động cơ) phụ thuộc vào θ (từ thông), R (điện trở phần ứng), U (điện áp phần ứng).Vì vậy để điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều ta có ba phương án.+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông θ + Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng.+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông θ. Hình 1.7: Sơ đồ mạch điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông. Hình 1.8: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi thay đổi từ thông θ. Đồ thị hình trên cho thấy đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều ứng với các giá trị khác nhau của từ thông. Khi từ thông giảm thì n0 tăng nhưng ∆n còn tăng nhanh hơn do đó ta mới thấy độ dốc của các đường đặc tính cơ này khác nhau. Chúng sẽ cùng hôi tụ về điểm trên trục hoành ứng với dòng điện rất lớn: Iư = (URư). Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ định mức. Giới hạn trong việc điều chỉnh tốc độ quay bằng phương pháp này là 1:2; 1:5; 1:8. Tuy nhiên có nhược điểm khi sử dụng phương pháp là phải dùng các biện pháp khống chế đặc biệt do đó cấu tạo và công nghệ chế tạo phức tạp, khiến giá thành máy tăng.Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng. Ta có: + Từ thông không đổi nên n0 không đổi, chỉ có ∆n là thay đổi. Một điều dễ thấy nữa là, do ta chỉ có thể đưa thêm Rf chứ không thể giảm Rư nên ở đây chỉ điều chỉnh được tốc độ dưới tốc độ định mức.Do Rf càng lớn đặc tính cơ càng mềm nên tốc độ sẽ thay đổi nhiều khi tải thay đổi (từ đồ thị cho thấy, khi I biến thiên thì ứng với cùng dải biến thiên của I đường đặc tính cơ nào mềm hơn tốc độ sẽ thay đổi nhiều hơn). Hình 1.9: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng Hình 1.10:Sơ đồ mạch điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ cả trên và dưới định mức.Tuy nhiên do cách điện của thiết bị thường chỉ tính toán cho điện áp định mức nên thường giảm điện áp U. Khi U giảm thì n0 giảm nhưng ∆n là const nên tốc độ n giảm. Vì vậy thường chỉ điều chỉnh tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức. Còn nếu lớn hơn thì chỉ điều chỉnh trong phạm vi rất nhỏ. Đặc điểm quan trọng của phương pháp là khi điều chỉnh tốc độ thì mô men không đổi vì từ thông và dòng điện phần ứng đều không thay đổi (M =CM. θ. Iư). Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ trong giới hạn 1:10, thậm chí cao hơn nữa có thể đến 1:25. Phương pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng không đổi. Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp này điều khiển là triệt để. Dải điều chỉnh tốc độ của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp định mức và từ thông định mức.Tốc độ nhỏ nhất của dải điều khiển bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi động. Khi mômen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là: ω_max= ω_0maxM_đm(|β|)ω_min= ω_0minM_đm(|β|) Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là:M_nmmin= M_cmax= K_M.M_đm Trong đó KM là hệ số quá tải về mômen.Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết:ω_min= (M_nmminM_đm ) 1(|β|)= M_đm(|β|) (K_M1)D = (ω_0maxM_đm(|β|))((K_M1) M_đm(|β|))= ( (ω_0max |β|)M_đm 1)(K_M1) Với ω_0max,M_đm,K_M xác định ở mỗi máy, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng β. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ điện một chiều bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng 2 lần điện trở phần ứng động cơ. Do đó có thể tính sơ bộ được:(ω_0max |β| )M_đm ≤ 10 Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ động cơ không vượt quá 10 khi tải có đặc tính mômen không đổi. pháp chỉ dùng cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc song song làm việc ở chế độ kích từ độc lập. Điều chỉnh động cơ DC bằng PWM chính là sử dụng phương pháp này. Hình 1.11: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi thay đổi điện áp. Kết luận: Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện một chiều nhưng chỉ có phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng cách thay đổi điện áp Uư đặt vào phần ứng của động cơ là tốt nhất và hay được sử dụng nhất vì nó thu được đặc tính cơ có độ cứng không đổi, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không bị hao tổn.b) Động cơ điện một chiều kích từ song song. Để mở máy dùng biến trở mở máy RMở, để điều chỉnh tốc độ thường điều chỉnh Rđc. Đường đặc tính cơ n = (M)n = (U RưIư) kE (1) Mặt khác: Mđt = kM Iư (2) Từ (1) và (2) ta có:n= U kE RưM (kM kE 2) Thêm điện trở Rp vào mạch phần ứng thì ta có:n= U kE (Rư +Rp )M (kM kE 2). Hình 1.12:Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ song song. Đặc tính làm việc. Các đường quan hệ giữa tốc độ n, mômen M, dòng điện phần ứng Iư và hiệu suất h theo công suất cơ trên trục P2. Động cơ điện kích từ song song có đặc tính cơ cứng, và tốc độ hầu như không đổi khi công suất trên trục P2 thay đổi, chúng được dùng nhiều trong máy cắt kim loại, máy công cụ.1.3 Bộ biến đổi xung áp 1 chiều có đảo chiều Khái niệm: Các bộ biến đổi điện áp một chiều dùng để biến đổi điện áp hiệu dụng đặt lên tải . Nguyên lý của bộ biến đổi này là dùng các phần tử van bán dẫn nối tải với nguồn trong một khoảng thời gian t1 rồi lại cắt đi trong một khoảng thời gian t0 theo một chu kỳ lặp lại T . Bằng cách thay đổi độ rộng của t1 hay t0 trong khoảng T ta thay đổi được giá trị điện áp trung bình ra trên tải . Nguyên lý này có ưu điểm là điều chỉnh điện áp ra trong một phạm vi rộng và vô cấp, hiệu suất cao vì tổn thất trên các phân tử điện tử công suất rất nhỏ . Phân loại: Có nhiều cách phân loại các bộ biến đổi xung áp một chiều, tuỳ thuộc vào cách mắc khoá điện từ song song hay nối tiếp mà người ta chia các bộ biến đổi xung áp thành nối tiếp hay song song . Cũng có thể phân biệt bộ biến đổi tuỳ thuộc vào điện áp ra, ví dụ như bộ biến đổi xung áp có bộ biến đổi xung áp có điện áp ra nhỏ hơn điện áp vào, còn bộ biến đổi xung áp có bộ biến đổi xung áp có điện áp ra lớn hơn điện áp vào .Tuỳ thuộc vào dấu điện áp mà người ta chia ra: bộ biến đổi xung áp không đảo chiều hoặc bộ biến đổi xung áp có đảo chiều . Nguyên lí chung của bộ biến đổi xung áp một chiều Hình 1.13a: Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung Băm xung DC có chức năng biến đổi điện áp một chiều, nó có ưu điểm là có thể thay đổi điện áp trong một phạm vi rộng mà hiệu suất của bộ biến đổi cao và tổn thất của bộ biến đổi chủ yếu trên các phần tử đóng cắt rất nhỏ . So với các phương pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều như phương pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát một chiều, bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lưu có điều khiển . . . thì phương pháp dùng mạch băm xung có nhiều ưu điểm đáng kể : điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm năng lượng, kinh tế và hiệu quả cao, đồng thời đảm bảo được trạng thái hãm tái sinh của động cơ . Cùng với sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi các linh kiện bán dẫn công suất lớn đã tạo nên các mạch băm xung có hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độ nhạy cao, điều khiển trơn tru, chi phí bảo trì thấp, kích thước nhỏ . Mạch băm xung đặc biệt thích hợp với các động cơ một chiều công suất nhỏ .Điện thế trung bình đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn mặc dù điện thế đầu vào có thể là hằng số (ắc qui, pin) hoặc biến thiên (đầu ra của chỉnh lưu), tải có thể thay đổi .Với một giá trị điện thế vào cho trước, điện thế trung bình đầu ra có thể điều khiển theo hai cách :Thay đổi độ rộng xung .Thay đổi tần số băm xung . Nguyên lý: Nguyên lý chung là biến đổi giá trị của điện áp một chiều ở các mức khác nhau . Hình 1.13.b Sơ đồ Hình 1.13.c Dạng sóng a. Phương pháp thay đổi độ rộng xung Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T . Giá trị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là : Trong đó đặt : là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ. Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 Ust thì cho tín hiệu điều khiển mở van, ngược lại khóa van . Hình 1.13.d Dạng sóng sau khi sử dụng phương pháp PWM Bộ biến đổi đảo chiềuHình 1.14 Sơ đồ nguyên lý xung áp đảo áp S1,S2,S3,S4 là các van điều khiển hoàn toàn . Trong sơ đồ này cho phép điều chỉnh và đảo chiều quay của động cơ một cách linh hoạt, đặc tính làm việc cả ở 4 góc phần tư . Tuy nhiên, điều khiển các van sẽ rất phức tạp với nhiều phương pháp điều khiển như : điều khiển đối xứng, điều khiển không đối xứng, điều khiển hỗn hợp . Trong trường hợp này chúng em sử dụng phương pháp điều khiển đối xứng. Ở đây em không nghiên cứu sâu nên chỉ đưa ra biểu đồ xung và các trạng thái làm việc trong phương pháp điều khiển đối xứng. Hình 1.15: Biều đồ xung trong bộ biến đổi đảo chiều Theo phương pháp điều khiển này các cặp van S1 và S2; S3 và S4 lập thành hai cặp van mà trong mỗi cặp thì hai van được điều khiển đóng cắt đồng thời. Tín hiệu điều khiển được tạo ra bằng cách so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa (thường là dạng xung tam giác). Chế độ hoạt động:+ Trong khoảng 1: S1 và S2 được kích dẫn, S3 và S4 được kích tắt, động cơ được nối với nguồn U, dòng qua phần ứng tăng đến giá trị Imax.+ Trong khoảng 2: S1và S2 được kích tắt, S3¬ và S4 được kích dẫn, nhưng do tải có tính cảm kháng nên dòng điện phần ứng khép mạch qua D3 và D4 về nguồn, S3 và S4 bị đạt điện áp ngược bởi hai diode D3 và D4 nên khoá, dòng id giảm từ Imax về 0.+ Trong khoảng 3: S3 và S4 được kích dẫn, điện áp đặt lên động cơ là –U, dòng id tăng theo chiều ngược lại (giảm từ 0 về Imin theo chiểu dương).+ Trong khoảng 4: S3 và S4 được kích tắt, S1 và S2 được kích dẫn, nhưng do trước đó dòng id chạy theo chiều ngược lại nên dòng id tiềp tục chảy theo chiều cũ, khép mạch qua các diode D1 và D2 về nguồn; S1 và S2 bị đặt điện áp ngược bởi hai diode D1 và D2 phân cực thuận nên khoá, do đó id giảm theo chiều ngược lại từ Imin về 0.  CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MẠCH2.1 Sơ đồ khối2.2 Thiết kế mạch điều khiển2.2.1 Thiết kế mạch nguồn Sơ đồ nguyên lý: Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn Tính toán và lựa chon linh kiện+ Dùng mạng điện lưới 220 VAC, tần số 50 Hz ổn áp thành nguồn một chiều 12V DC với dòng tối đa 1A.+ Điện áp được giảm áp từ 220V AC xuống 12V AC thông qua một biến áp. Nhờ diode chỉnh lưu cầu tín hiệu xoay chiều sẽ nắn thành dạng một chiều. Điện một chiều này sẽ dưới dạng sóng nhấp nhô.+ Điện áp vào mạch chỉnh lưu có giá trị lớn nhất là:12 V = 17V.+ Dòng điện lớn nhất qua Diode chỉnh lưu cầu :1A. Để tín hiệu một chiều này được bằng phẳng hơn (không còn nhấp nhô).Ta lắp thêm tụ một chiều C để lọc tín hiệu nhấp nhô. Giá trị tụ C được tính như sau:+ Theo datasheet sụt áp trên diode cầu KBP307 là 1,1 V . Vậy điện áp lớnnhất đặt nên tụ lọc C là:17 1,1 = 15,9 V.+ Điện dung của tụ điện càng lớn thì khả năng lọc càng hiệu quả. Trị số tụ điện thường có giá trị từvài µF đến vài nghìn µF (tụ hóa).Trong đề tài này chúng em sử dụng tụ lọc chính C1 có giá trị 1000uF, chịu được điện áp tối đa 25V .+ Tụ gốm có giá trị 10000pF để lọc nhiễu và san phẳng những gai còn sót lại sau tụ C1. Do yêu cầu của từng khối trong mạch mà ở đây chúng em sử dụng 2 IC ổn áp. Ic 7805, ổn định điện áp đầu ra 5V DC để cung cấp cho phần mạch tạo xung. Ic 7812, ổn định điện áp đầu ra 12V DC để cung cấp cho mạch công suất cũng như động cơ 12V DC Nguyên lí mạch nguồn :+ Điện áp 220v qua biến áp được hạ áp xuống còn 12v AC cấp vào cầu diot để chỉnh lưu thành dòng điện 1 chiều qua tụ lọc 104 và 1000uf sẽ tạo ra điện áp 1 chiều. Đồng thời điện áp tiếp tục được đưa đến 2 ổn áp IC7805 và 7812 để tạo các mức điện áp chuẩn để cấp cho mạch tạo xung NE555 và mạch lực2.2.2 Thiết kế mạch điều khiển Sơ đồ: Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Nguyên lý hoạt động+ Để tạo ra nhưng thay đổi về độ rộng xung ta sư dụng phương pháp PWM phương pháp điều chế PWM ( Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đếm sự thay đổi điện áp ra+ Để dễ hiểu hơn ta có hình vẽ sau : .Hình 2.3 Biểu đồ xung vuông Sơ đồ trên là dạng xung điều chế trong 1 chu kì thì thời gian xung lên (Sườn dương) nó thay đổi dãn ra hoặc co vào. Và độ rộng của nó được tính bằng phần trăm tức là độ rộng của nó được tính như sau : Độ rộng = (t1T).100 (%) Uo = Uv.t1T (Điện áp đầu ra) Như vậy, thời gian xung lên càng lớn trong 1 chu kì thì điện áp đầu ra sẽ càng lớn. Nhìn trên hình vẽ trên thì ta tính được điện áp ra tải sẽ là :+ Đối với PWM = 25% ==> Ut = Umax.(t1T) = Umax.25% (V)+ Đối với PWM = 50% ==> Ut = Umax.50% (V)+ Đối với PWM = 75% ==> Ut = Umax.75% (V)Cứ như thế ta tính được điện áp đầu ra tải với bất kì độ rộng xung nào. Thực chất quá trình làm thay đổi độ rộng xung trong 555 thực chất là ta thay đổi thời gian nạp và xả của tụ điện. Thời gian nạp tụ điện tương đương với đầu ra ở mức cao còn thời gian xả tụ điện tương đương với thời gian ở mức thấp. Như vậy chỉ cần điều chỉnh hằng số thời gian nạp xả là có thể điều chỉnh được PWMXét mạch nguyên lý tạo xung vuông có điều chỉnh tần số và PWM. Ở trên các linh kiện chúng ta cần quan tâm là : R1 , RV2, C1. 1 trong 3 linh kiện này làm thay đổi được tần số và pwm đầu ra. Ở đây ta dùng biến trở RV2 để điều khiển vì điện trỏ nó dễ kiếm với lại nó thông dụng dễ đo đạc và tính toán. Ta có NE555 là IC dao động và tạo ra xung vuông có điểu chỉnh được tần số và PWM. + Khi tụ nạp điện thì chân 2 ở mức 0 và xung đầu ra ở mức cao+ Khi tụ xả điện thì chân 2 ở mức cao và xung đầu ra ở mức thấp. Tần số dao động chung là :f = 1(ln2.C1.(R1+2RV2))Hz Nhìn dựa vào công thức tính tần số thì ta thấy chỉ cần điều chỉnh giá trị R1, RV2, C1 thì tần số đầu ra thay đổi và ở đây ta dùng điều chỉnh RV2 cho đơn giản nếu muốn dùng điều khiển tụ điện thì cũng được nhưng mà không kinh tế. Hình 2.4 Sơ đồ xung vuông đầu ra+ Nhìn sơ đồ xung trên ta thấy chu kì dao động là : T = t1 + t2 (s) . Như vậy vấn đề của chúng ta ở đây là thay xung sườn dương tức là thay đổi thời gian của t1. Nếu mà t1 lớn trong 1 chu kì thì điện áp trung bình ra tải lớn còn thời gian của t1 nhỏ trong 1 chu kì thì điện áp trung bình sẽ nhỏ. Và đảm bảo t1 0 và UGS>0.+Máy điện làm việc ở góc phần tư thứ nhất (chế độ động cơ). Năng lượng cấp cho đông cơ được lấy từ nguồn thông qua van Q1 và Q4 dẫn trong khoảng (0 ÷ t¬1). Trong khoảng thời gian còn lại của chu kì (t1 ÷ T), năng lượng tích trữ trong điện cảm sẽ duy trì cho dòng điện đi theo chiều cũ.+ Muốn đảo chiều động cơ ta chỉ việc ngắt xung điều khiển khỏi cực G của van Q1 và Q4 đồng thời cấp xung điều khiển cho van Q2 và Q3 bằng cách gạt công tắc S1.2.3.2 Tính toán và lựa chọn linh kiện Tính chọn MOSTFETThông số động cơ Điện áp định mức Udm = 210V. Dòng điện định mức Iđm = 1.76A. Tốc độ định mức n = 2000 vp. Công suất định mức Pđm = 370W.Chọn hệ số dòng điện mở máy Kmm=2,5.+ Tính điện áp trung bình và dòng điện trung bình trên van:Gọi γ= TđT, nên 0 ≤ γ ≤1.Khi động cơ làm việc ở chế độ định mức: => Ut = Uđm = 210V, It = Iđm=1.76A. Xét thời điểm Q1 và Q4 dẫn:Ut= ( Tđ UđmTcUđm )T Trong đó: Tc= TTđ=> Ut= ( 2TđUđmTUđm )T = 2γUđmUđm = ( 2γ1 )Uđm Vậy với γ thay đổi trong khoảng (0,1) thì Ut nhận các giá tri tương ứng trong khoảng (0, Uđm)Ta có dòng trung bình trên tải: It = (Ut – E)RưTa thấy It không đổi vì khi Ut giảm thì tốc độ động cơ giảm làm E cũng giảm theo.=> It = Iđm= 1.76A.Dòng trung bình trên van: Itbvan = γIt = γIđmVậy với γ thay đổi trong khoảng (0, 1) thì Itbvan sẽ nhận các giá trị tương ứng trong khoảng (0, Iđm).Điện áp trung bình trên van: Utbvan = γUđmVới γ thay đổi trong khoảng (0, 1) thì Utbvan sẽ nhận các giá trị tương ứng trong khoảng (0, Uđm).+ Tính dòng mở máy của động cơ:Khi động cơ mở máy: Imm=IđmKmm=1.762,5= 4.4A=> Van bán dẫn được chọn là IRF 540 Động cơ trong mạch là loại động cơ điện một chiều có công suất là 370W chọn van bán dẫn loại IRF 540 nó có thể đóng ngắt dòng lên đến 37.5A và đóng ngắt với tần số rất cao lên đến 1MHZ sau khi điện áp qua khâu so sánh có dạng xung vuông bằng cách thay đổi giá trị của biến trở mà ta có thể thay đổi độ dẫn của MOSFET từ đó thay đổi điện áp đầu ra trên hai đầu động cơ. Một số thông số cơ bản của IRF 540:Thông sốMinMaxĐơn vịĐiều kiệnVDSSĐiện áp đánh thủng100VVGS = 0VID = 250 µARDSĐiện trở cực DS0.077ΩVGS = 10vID =17 AVSDĐiện áp trước diode1,8VIS = 16 AVGS = 0 VVGSĐiện áp cực Gate2,04,0VVDS=VGSID = 250µAIDSDòng DS cực đại20A VGS=10VTc=25ºCPCông suất cực đại300WThông số cơ bản của IRF 460. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch : 3.2 Nguyên lý hoạt động toàn mạch Nguồn 220v sau khi được hạ áp qua biến áp sẽ được dưa qua bộ chỉnh lưu của khối nguồn và qua các IC nguồn để tạo ra dòng 1 chiều +12V và +5V. Nguồn sẽ được cấp cho IC NE555 hoạt động. IC NE555 tạo ra các xung điều khiển thay đổi được dưa trên sự thay đổi của biến trở RV. Thời gian tụ C1 nạp thì chân 2 của IC có mức điện áp bằng 0 đầu ra chân 3 sẽ là mức dương . Thời gian tụ C1 xả qua R1 thi đầu ra chân 3 sẽ ở mức âm. Vì vậy khi thay đổi RV sẽ làm thay đổi thời gian phóng nạp của tụ c1 và sẽ làm thay đổi xung ra điều khiển. Van công suất cho dòng điện đi qua khi UDS> 0 và UGS>0. Máy điện làm việc ở góc phần tư thứ nhất (chế độ động cơ). Năng lượng cấp cho đông cơ được lấy từ nguồn thông qua van Q1 và Q4 dẫn trong khoảng (0 ÷ t¬1). Trong khoảng thời gian còn lại của chu kì (t1 ÷ T), năng lượng tích trữ trong điện cảm sẽ duy trì cho dòng điện đi theo chiều cũ. Muốn đảo chiều động cơ ta chỉ việc ngắt xung điều khiển khỏi cực G của van Q1 và Q4 đồng thời cấp xung điều khiển cho van Q2 và Q3 bằng cách gạt công tắc S1. Động cơ quay nhanh hay chậm là phụ thuộc vào sự điều chế xung của IC NE555 trong 1 chu kỳ T mức dương càng nhiều thì động cơ quay càng nhanh và ngược lại thì quay chậm.Khóa K có tác dụng đảo chiều động cơ.3.3 Sơ đồ board Hình 3.2 Sơ đồ board mạch  3.4 Lắp mạch chạy thử và hiệu chỉnhLắp mạch và hàn:Chạy thử: mạch đã chạy ổn định với động cơ 12V DC3.5 Kết luận và hướng phát triển của đề tài Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa họccông nghệ cũng như ứng dụng điều chế bộ biến đổi xung áp một chiều bằng phương pháp PWM, chúng em đã ứng dụng và chế tạo thành công mô hình sản phẩm Mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều và có đảo chiều. Qua đây chúng em thấy tính ứng dụng cao của đồ án này và có thể ứng dụng vào thực tế để chế tạo một sản phẩm thực sự ngoài sản phẩm mô hình của chúng em. KẾT LUẬNTrong suốt quá trình thực hiện đề tài này, với nhiều cố gắng và nỗ lực của chúng em cùng với sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của Thầy Nguyễn Viết Ngư chúng em đã hoàn thành đề tài này.Tuy nhiên cũng còn một số hạn chế trong khâu thiết kế.Qua quá trình thực hiện đề tài này chúng em đã học hỏi được rất nhiều vấn đề bổ ích về các Phương pháp điều khiển động cơ cũng như các phương pháp điều chế xung với PWM và chúng em cũng được nâng cao khả năng thực hành làm mạch,tra cứu các linh kiện.Đặc biệt là trong quá trình trực tiếp bắt tay vào làm những sản phẩm cụ thể chúng em nhận thức rõ hơn giữa lý thuyết và thực hành còn có một khoảng cách không nhỏ, vấn đề đặt ra cho em phải tìm hiểu và khắc phục những khúc mắc trong quá trình thực hiện.Đây là một hành trang quý báu cho những sinh viên bước vào cuộc sống nghề nghiệp sau này. Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong quá trình làm đồ án,song do hạn chế về mặt thời gian và khả năng nên không thể tránh khỏi có những sai sót.Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy và các bạn để đồ án của chúng em hoàn chỉnh hơn.Chúng em xin chân thành cảm ơn TÀI LIỆU THAM KHẢONguyễn Bính, Điện tử công suất, NXB Khoa Học Kỹ Thuật,năm 2003.Võ Quang Lạp, Trần Xuân Minh, Kỹ thuật biến đổi, Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên,năm 2007.Lê Văn Doanh, Điện tử công suất Lý thuyết, thiết kế và ứng dụng, NXB Khoa Học Kỹ Thuật,năm 2005.Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi , Phân tích và giải mạch Điện tử công suất NXB Khoa học Kỹ Thuật,năm 2005.Nguyễn Bính, Dương Văn Nghi , Giáo trình kỹ thuật biến đổi công suất lơn Đại Học Bách Khoa Hà Nội 1982.

Đồ án môn học Gv hướng dẫn, Thầy : Nguyễn Viết Ngư Trường : ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Điện - Điện tử TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Tên đề tài : THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU Nhóm Sinh Viên thực : Trần Đăng Hùng Nguyễn Thị Hường Lớp : Đ-ĐTK12.1A1 Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư Hưng yên – 2016 Trang Nhóm sv thực : Trần Đăng Hùng - Nguyễn Thị Hường Trường : ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Điện - Điện tử Đồ án môn học Gv hướng dẫn, Thầy : Nguyễn Viết Ngư NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Hưng Yên, ngày… tháng… năm 2016 Giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN Hưng Yên, ngày… tháng… năm 2016 Giáo viên phản biện Trang Nhóm sv thực : Trần Đăng Hùng - Nguyễn Thị Hường Đồ án môn học Gv hướng dẫn, Thầy : Nguyễn Viết Ngư Trường : ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Điện - Điện tử Lời nói đầu Điện tử cơng suất truyền động điện hai 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 điều chỉnh tốc dộ động điện chiều có đảo 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 Sau nhận đề tài, nhờ giúp đỡ tận tình giảng viên hướng dẫn thầy : “Nguyễn Viết Ngư ” với lỗ lực cố gắng nhóm, tìm tòi, nghiên cứu tài liệu, đến đồ án chúng em mặt hoàn thành Trong trình thực dù cố gắng trình độ cịn hạn chế kinh nghiệm cịn nên khơng thể tránh khỏi sai sót Chúng em mong nhận bảo giúp đỡ đóng góp ý kiến thầy cô giáo khoa để đồ án chúng em ngày hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo“Nguyễn Viết Ngư” với thầy giáo khoa giúp chúng em hoàn thành đồ án MỤC LỤC Trang Nhóm sv thực : Trần Đăng Hùng - Nguyễn Thị Hường Đồ án môn học Gv hướng dẫn, Thầy : Nguyễn Viết Ngư Trường : ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Điện - Điện tử LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Động điện chiều 1.1.1 Khái niệm chung Động điện nói chung động điện chiều nói riêng thiết bị điện từ quay, làm việc theo nguyên lý điện từ, đặt vào từ trường dây dẫn cho dòng điện chạy qua dây dẫn từ trường tác dụng lực từ vào dây dẫn làm dây dẫn chuyển động Động điện thiêt bị biến đổi điện thành 1.1.2 Cấu tạo động điện chiều - Gồm hai phần: + Phần đứng yên gọi phần tĩnh (stato) + Phần chuyển động gọi phần quay (rôto) Hình.1.1 Hình ảnh động điện chiều Trang Nhóm sv thực : Trần Đăng Hùng - Nguyễn Thị Hường Trường : ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Điện - Điện tử Đồ án môn học Gv hướng dẫn, Thầy : Nguyễn Viết Ngư Hình 1.2 Hình ảnh số động điện chiều loại Hình 1.3 Hình ảnh cụ thể bên động điện chiều +) Phần tĩnh hay stato - Stator hay cịn gọi phần kích từ động cơ, phận sinh từ trường Gồm có mạch từ dây kích thích lồng ngồi mạch từ (nếu động kích từ nam châm điện) - Mạch từ làm sắt từ (thép đúc, thép đặc ) - Dây quấn kích thích hay cịn gọi dây quấn kích từ làm dây điện từ (êmay) Các cuộn dây điện từ nối tiếp với • Cực từ chính: 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 kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại tán chặt Trong động điện nhỏ dùng Trang Nhóm sv thực : Trần Đăng Hùng - Nguyễn Thị Hường Trường : ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Điện - Điện tử Đồ án môn học Gv hướng dẫn, Thầy : Nguyễn Viết Ngư thép khối Cực từ gắn chặt vào vỏ máy nhờ bulơng Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện cuộn dây bọc cách điện kỹ thành khối tẩm sơn cách điện trước đặt cực từ Các cuộn dây kích từ đặt cực từ nối tiếp với • Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt cực từ dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép cực từ phụ thường làm thép khối thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu rạo giống dây quấn cực từ Cực từ phụ gắn vào vỏ máy nhờ bulơng • Gơng từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động điện nhỏ vừa thường dùng thép dày uốn hàn lại Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc Có động điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy • Các phận khác: Bao gồm: - Nắp máy : Để bảo vệ máy khỏi vật rơi vào làm hư hỏng dây quấn an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ vừa nắp máy cịn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp nắp máy thường làm gang - Cơ cấu chổi than: để đưa dịng điện từ phần quay ngồi Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt hộp chổi than nhờ lị xo tì chặy lên cổ góp Hộp chổi than cố định giá chổi than cách điện với giá chổi than +) Phần quay hay rơto - Có thể quay để điều chỉnh vị trí chổi than cho chỗ Sau điều chỉnh xong dùng vít cố định lại - Là phần sinh suất điện động Gồm có mạch từ làm vật liệu sắt từ (lá thép kĩ thuật ) xếp lại với Trên mạch từ có xẻ rãnh đẻ lồng dây quấn phần ứng (làm dây điện từ ) Trang Nhóm sv thực : Trần Đăng Hùng - Nguyễn Thị Hường Trường : ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Điện - Điện tử Đồ án môn học Gv hướng dẫn, Thầy : Nguyễn Viết Ngư - Cuộn dây phần ứng gồm nhiều bôi dây nối với theo quy luật định Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây đầu dây bối dây nối với phiến đồng gọi phiến góp - Các phiến góp ghép cách điện với cách điện với trục gọi cổ góp hay vành góp - Tỳ cổ góp cặp trổi than làm than graphit ghép sát vào thành cổ góp nhờ lị xo • Lõi sắt phần ứng: - Dùng để dẫn từ Thường dùng thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng hai mặt ép chặt lại để giảm tổn hao dịng điện xốy gây nên Trên thép có dập hình dạng rãnh để sau ép lại dặt dây quấn vào - Trong động trung bình trở lên người ta cịn dập lỗ thơng gió để ép lại thành lõi sắt tạo lỗ thơng gió dọc trục - Trong động điện lớn lõi sắt thường chia thành đoạn nhỏ, đoạn có để khe hở gọi khe hở thơng gió Khi máy làm việc gió thổi qua khe hở làm nguội dây quấn lõi sắt - Trong động điện chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng ép trực tiếp vào trục Trong động điện lớn, trục lõi sắt có đặt giá rơto Dùng giá rơto tiết kiệm thép kỹ thuật điện giảm nhẹ trọng lượng rơto • Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng phần phát sinh suất điện động có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ có cơng suất vài kw thường dùng dây có tiết diện trịn Trong máy điện vừa lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật Dây quấn cách điện cẩn thận với rãnh lõi thép - Để tránh quay bị văng lực li tâm, miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt đai chặt dây quấn Nêm làm tre, gỗ hay bakelit • Cổ góp: Trang Nhóm sv thực : Trần Đăng Hùng - Nguyễn Thị Hường Đồ án môn học Gv hướng dẫn, Thầy : Nguyễn Viết Ngư Trường : ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Điện - Điện tử - Dùng để đổi chiều dòng điẹn xoay chiều thành chiều Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có mạ cách điện với lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm hợp thành hình trục trịn Hai đầu trục trịn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp trụ trịn cách điện mica Đi vành góp có cao lên để hàn đầu dây phần tử dây quấn phiến góp dễ dàng 1.1.3 Nguyên lý làm việc động điện chiều b F®t + n I a I c F ®t d - Hình 1.4:Sơ đồ ngun lý làm việc động điện chiều - Khi cho điện áp chiều U đặt vào chổi than A B dây quấn phần ứng có dịng 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 Khi phần ứng quay nửa vịng vị trí dẫn ab, cd đổi chỗ có phiến góp đổi chiều dịng điện giữ cho chiều lực tác dụng khơng đổi đảm bảo động có chiều quay không đổi Khi động quay dẫn cắt từ trường cảm ứng sức điện động E chiều s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tay phải - Ở động điện chiều sức điện động E ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư gọi sức phản điện động - Phương trình cân điện áp: U= Eư+Rư.Iư Trong đó: Rư: điện trở phần ứng Trang Nhóm sv thực : Trần Đăng Hùng - Nguyễn Thị Hường Đồ án môn học Gv hướng dẫn, Thầy : Nguyễn Viết Ngư Trường : ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Điện - Điện tử Iư: dòng điện phần ứng (A) Eư: sức điện động(V) - Theo yêu cầu đề ta xét hệ điều chỉnh tốc độ động điên chiều kích rừ độc lập Động điện chiều kích từ độc lập có dịng điện kích từ khơng phụ thuộc vào dịng điện phần ứng nghĩa từ thơng động không phụ thuộc vào phụ tải mà phụ thuộc vào điện áp điện trở mạch kích từ + - U­ I E KT IKT + UKT - Hình 1.5: Sơ đồ nối dây động điện chiều kích từ độc lập 1.2 Mở máy điều chỉnh tốc độ động a) Mở máy đợng điện mợt chiều - Phương trình cân điện áp: U=Eư + RưIư suy Iư= (U- Eư)/ Rư - Khi mở máy, tốc độ n=0 suy Eư = kE.n.φ =0 suy Iư= U/ Rư - Vì Rư nhỏ, dịng điện phần ứng Iư lúc mở máy lớn Iư=(20÷25) Iđm , làm hỏng cổ góp, chổi than ảnh hưởng đến lưới điện - 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) Trang Nhóm sv thực : Trần Đăng Hùng - Nguyễn Thị Hường Trường : ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Điện - Điện tử Đồ án môn học Gv hướng dẫn, Thầy : Nguyễn Viết Ngư 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 Phương pháp sử dụng có nguồn điện chiều điều chỉnh điện áp Hình 1.6: Sơ đồ mở máy động giảm điện áp đặt vào phần ứng b) Điều chỉnh tốc độ động điện một chiều - Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình tính tốc độ động sau: n= U  n0 = C θ e   ∆n = I u ( Ru + R f )  C e θ U − I u ( Ru + R f ) E = = n0 − ∆n C e θ C e θ với Hay : Trang 10 Nhóm sv thực : Trần Đăng Hùng - Nguyễn Thị Hường Đồ án môn học Gv hướng dẫn, Thầy : Nguyễn Viết Ngư Trường : ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Điện - Điện tử CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MẠCH 2.1 Sơ đồ khối Khối nguồn Khối điều khiển Mạch lực Tải (Động cơ) 2.2 Thiết kế mạch điều khiển 2.2.1 Thiết kế mạch nguồn - Sơ đồ nguyên lý: Trang 23 Nhóm sv thực : Trần Đăng Hùng - Nguyễn Thị Hường Trường : ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Điện - Điện tử Đồ án môn học Gv hướng dẫn, Thầy : Nguyễn Viết Ngư Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn - Tính toán lựa chon linh kiện + Dùng mạng điện lưới 220 VAC, tần số 50 Hz ổn áp thành nguồn chiều 12V DC với dòng tối đa 1A + Điện áp giảm áp từ 220V AC xuống 12V AC thông qua biến áp Nhờ diode chỉnh lưu cầu tín hiệu xoay chiều nắn thành dạng chiều Điện chiều dạng sóng nhấp nhơ + Điện áp vào mạch chỉnh lưu có giá trị lớn là:12 V = 17V + Dòng điện lớn qua Diode chỉnh lưu cầu :1A Để tín hiệu chiều phẳng (khơng cịn nhấp nhô).Ta lắp thêm tụ chiều C để lọc tín hiệu nhấp nhơ - Giá trị tụ C tính sau: + Theo datasheet sụt áp diode cầu KBP307 1,1 V Vậy điện áp lớnnhất đặt nên tụ lọc C là:17 - 1,1 = 15,9 V + Điện dung tụ điện lớn khả lọc hiệu Trị số tụ điện thường có giá trị từvài µF đến vài nghìn µF (tụ hóa).Trong đề tài chúng em sử dụng tụ lọc C1 có giá trị 1000uF, chịu điện áp tối đa 25V + Tụ gốm có giá trị 10000pF để lọc nhiễu san phẳng gai cịn sót lại sau tụ C1 Do u cầu khối mạch mà chúng em sử dụng IC ổn áp Ic 7805, ổn định điện áp đầu 5V DC để cung cấp cho phần mạch tạo xung Ic 7812, ổn định điện áp đầu 12V DC để cung cấp cho mạch công suất động 12V DC Trang 24 Nhóm sv thực : Trần Đăng Hùng - Nguyễn Thị Hường Trường : ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Điện - Điện tử Đồ án môn học Gv hướng dẫn, Thầy : Nguyễn Viết Ngư - Nguyên lí mạch nguồn : + Điện áp 220v qua biến áp hạ áp xuống 12v AC cấp vào cầu diot để chỉnh lưu thành dòng điện chiều qua tụ lọc 104 1000uf tạo điện áp chiều Đồng thời điện áp tiếp tục đưa đến ổn áp IC7805 7812 để tạo mức điện áp chuẩn để cấp cho mạch tạo xung NE555 mạch lực 2.2.2 Thiết kế mạch điều khiển - Sơ đồ: Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển - Nguyên lý hoạt động + Để tạo thay đổi độ rộng xung ta sư dụng phương pháp 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 + Để dễ hiểu ta có hình vẽ sau : Trang 25 Nhóm sv thực : Trần Đăng Hùng - Nguyễn Thị Hường Đồ án môn học Gv hướng dẫn, Thầy : Nguyễn Viết Ngư Trường : ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Điện - Điện tử Hình 2.3 Biểu đồ xung vuông - 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 (%) - Uo = Uv.t1/T (Điện áp đầu ra) - Như vậy, 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 - Thực chất trình làm thay đổi độ rộng xung 555 thực chất ta thay đổi thời gian nạp xả tụ điện Thời gian nạp tụ điện tương đương với đầu mức cao thời gian xả tụ điện tương đương với thời gian mức thấp Như cần điều chỉnh số thời gian nạp xả điều chỉnh PWM Xét mạch nguyên lý tạo xung vng có điều chỉnh tần số PWM - Ở linh kiện cần quan tâm : R1 , RV2, C1 linh kiện làm thay đổi tần số pwm đầu Ở ta dùng biến trở RV2 để điều Trang 26 Nhóm sv thực : Trần Đăng Hùng - Nguyễn Thị Hường Đồ án môn học Gv hướng dẫn, Thầy : Nguyễn Viết Ngư Trường : ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Điện - Điện tử khiển điện trỏ dễ kiếm thơng dụng dễ đo đạc tính tốn - Ta có NE555 IC dao động tạo xung vng có điểu chỉnh tần số PWM + Khi tụ nạp điện chân mức xung đầu mức cao + Khi tụ xả điện chân mức cao xung đầu mức thấp * Tần số dao động chung : f = 1/(ln2.C1.(R1+2RV2))Hz - Nhìn dựa vào cơng thức tính tần số ta thấy cần điều chỉnh giá trị R1, RV2, C1 tần số đầu thay đổi ta dùng điều chỉnh RV2 cho đơn giản muốn dùng điều khiển tụ điện mà khơng kinh tế Hình 2.4 Sơ đồ xung vng đầu + Nhìn sơ đồ xung ta thấy chu kì dao động : T = t1 + t2 (s) Như vấn đề thay xung sườn dương tức thay đổi thời gian t1 Nếu mà t1 lớn chu kì điện áp trung bình tải lớn cịn thời gian t1 nhỏ chu kì điện áp trung bình nhỏ Và đảm bảo t1 UGS>0 +Máy điện làm việc góc phần tư thứ (chế độ động cơ) Năng lượng cấp cho đông lấy từ nguồn thông qua van Q1 Q4 dẫn khoảng (0 ÷ t 1) Trong khoảng thời gian cịn lại chu kì (t ÷ T), lượng tích trữ điện cảm trì cho dịng điện theo chiều cũ + Muốn đảo chiều động ta việc ngắt xung điều khiển khỏi cực G van Q1 Q4 đồng thời cấp xung điều khiển cho van Q2 Q3 cách gạt cơng tắc S1 2.3.2 Tính tốn lựa chọn linh kiện - Tính chọn MOSTFET Thông số động - Điện áp định mức Udm = 210V - Dòng điện định mức Iđm = 1.76A - Tốc độ định mức n = 2000 v/p - Công suất định mức Pđm = 370W Chọn hệ số dòng điện mở máy Kmm=2,5 + Tính điện áp trung bình dịng điện trung bình van: Gọi γ= Tđ/T, nên ≤ γ ≤1 Khi động làm việc chế độ định mức: Trang 29 Nhóm sv thực : Trần Đăng Hùng - Nguyễn Thị Hường Trường : ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Điện - Điện tử Đồ án môn học Gv hướng dẫn, Thầy : Nguyễn Viết Ngư => Ut = Uđm = 210V, It = Iđm=1.76A - Xét thời điểm Q1 Q4 dẫn: Ut= ( Tđ *Uđm-Tc*Uđm )/T Trong đó: Tc= T-Tđ => Ut= ( 2Tđ*Uđm-T*Uđm )/T = 2γ*Uđm-Uđm = ( 2γ-1 )*Uđm - Vậy với γ thay đổi khoảng (0,1) Ut nhận giá tri tương ứng khoảng (0, Uđm) Ta có dịng trung bình tải: It = (Ut – E)/Rư Ta thấy It khơng đổi Ut giảm tốc độ động giảm làm E giảm theo => It = Iđm= 1.76A Dịng trung bình van: Itbvan = γ*It = γ*Iđm Vậy với γ thay đổi khoảng (0, 1) Itbvan nhận giá trị tương ứng khoảng (0, Iđm) Điện áp trung bình van: Utbvan = γ*Uđm Với γ thay đổi khoảng (0, 1) Utbvan nhận giá trị tương ứng khoảng (0, Uđm) + Tính dòng mở máy động cơ: Khi động mở máy: Imm=Iđm*Kmm=1.76*2,5= 4.4A Trang 30 Nhóm sv thực : Trần Đăng Hùng - Nguyễn Thị Hường Đồ án môn học Gv hướng dẫn, Thầy : Nguyễn Viết Ngư Trường : ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Điện - Điện tử => Van bán dẫn chọn IRF 540 - Động mạch loại động điện chiều có cơng suất 370W chọn van bán dẫn loại IRF 540 đóng ngắt dịng lên đến 37.5A đóng ngắt với tần số cao lên đến 1MHZ sau điện áp qua khâu so sánh có dạng xung vng cách thay đổi giá trị biến trở mà ta thay đổi độ dẫn MOSFET từ thay đổi điện áp đầu hai đầu động - Một số thông số IRF 540: VDSS RDS VSD VGS IDS P Thông số Min Điện áp đánh 100 thủng Điện trở cực DS Điện áp trước diode Điện áp cực Gate Dịng D-S cực đại Cơng suất cực đại Max Đơn vị V Điều kiện VGS = 0V ID = 250 µA VGS = 10v ID =17 A IS = 16 A VGS = V VDS=VGS ID = 250µA VGS=10V Tc=25ºC - - 0.077 Ω 1,8 V 2,0 4,0 V - 20 A - 300 W Thông số IRF 460 - Sơ đồ nguyên lý toàn mạch : Trang 31 Nhóm sv thực : Trần Đăng Hùng - Nguyễn Thị Hường Trường : ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Điện - Điện tử Đồ án môn học Gv hướng dẫn, Thầy : Nguyễn Viết Ngư 3.2 Nguyên lý hoạt động toàn mạch - Nguồn 220v sau hạ áp qua biến áp dưa qua chỉnh lưu khối nguồn qua IC nguồn để tạo dòng chiều +12V +5V Nguồn cấp cho IC NE555 hoạt động IC NE555 tạo xung điều khiển thay đổi dưa thay đổi biến trở RV Thời gian tụ C1 nạp chân IC có mức điện áp đầu chân mức dương Thời gian tụ C1 xả qua R1 thi đầu chân mức âm Vì thay đổi RV làm thay đổi thời gian phóng nạp tụ c1 làm thay đổi xung điều khiển - Van cơng suất cho dịng điện qua UDS> UGS>0 - Máy điện làm việc góc phần tư thứ (chế độ động cơ) Năng lượng cấp cho đông lấy từ nguồn thông qua van Q1 Q4 dẫn khoảng (0 ÷ t 1) Trang 32 Nhóm sv thực : Trần Đăng Hùng - Nguyễn Thị Hường Trường : ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Điện - Điện tử Đồ án môn học Gv hướng dẫn, Thầy : Nguyễn Viết Ngư Trong khoảng thời gian lại chu kì (t ÷ T), lượng tích trữ điện cảm trì cho dịng điện theo chiều cũ - Muốn đảo chiều động ta việc ngắt xung điều khiển khỏi cực G van Q1 Q4 đồng thời cấp xung điều khiển cho van Q2 Q3 cách gạt công tắc S1 - Động quay nhanh hay chậm phụ thuộc vào điều chế xung IC NE555 chu kỳ T mức dương nhiều động quay nhanh ngược lại quay chậm.Khóa K có tác dụng đảo chiều động 3.3 Sơ đồ board Trang 33 Nhóm sv thực : Trần Đăng Hùng - Nguyễn Thị Hường Trường : ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Điện - Điện tử Đồ án môn học Gv hướng dẫn, Thầy : Nguyễn Viết Ngư Hình 3.2 Sơ đồ board mạch Trang 34 Nhóm sv thực : Trần Đăng Hùng - Nguyễn Thị Hường Trường : ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Điện - Điện tử Đồ án môn học Gv hướng dẫn, Thầy : Nguyễn Viết Ngư 3.4 Lắp mạch chạy thử hiệu chỉnh Lắp mạch hàn: Chạy thử: mạch đã chạy ổn định với động 12V DC 3.5 Kết luận hướng phát triển đề tài Ngày với phát triển khoa học-công nghệ ứng dụng điều chế biến đổi xung áp chiều phương pháp PWM, chúng em ứng dụng chế tạo thành cơng mơ hình sản phẩm " Mạch điều khiển tốc độ động chiều có đảo chiều" Qua chúng em thấy tính ứng dụng cao đồ án ứng dụng vào thực tế để chế tạo sản phẩm thực ngồi sản phẩm mơ hình chúng em Trang 35 Nhóm sv thực : Trần Đăng Hùng - Nguyễn Thị Hường Trường : ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Điện - Điện tử Đồ án môn học Gv hướng dẫn, Thầy : Nguyễn Viết Ngư KẾT LUẬN Trong suốt trình thực đề tài này, với nhiều cố gắng nỗ lực chúng em với hướng dẫn, bảo tận tình Thầy "Nguyễn Viết Ngư" chúng em hoàn 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 chúng em nhận thức rõ lý thuyết thực hành cịn có khoảng cách khơng nhỏ, vấn đề đặt cho em phải tìm hiểu khắc phục khúc mắc trình thực hiện.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 khơng thể tránh khỏi có sai sót.Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn để đồ án chúng em hoàn chỉnh Chúng em xin chân thành cảm ơn! Trang 36 Nhóm sv thực : Trần Đăng Hùng - Nguyễn Thị Hường Trường : ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Điện - Điện tử Đồ án môn học Gv hướng dẫn, Thầy : Nguyễn Viết Ngư TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Bính, Điện tử cơng suất, NXB Khoa Học Kỹ Thuật,năm 2003 Võ Quang Lạp, Trần Xuân Minh, Kỹ thuật biến đổi, Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên,năm 2007 Lê Văn Doanh, Điện tử công suất Lý thuyết, thiết kế ứng dụng, NXB Khoa Học Kỹ Thuật,năm 2005 Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi , Phân tích giải mạch Điện tử công suất NXB Khoa học Kỹ Thuật,năm 2005 Nguyễn Bính, Dương Văn Nghi , Giáo trình kỹ thuật biến đổi cơng suất lơn- Đại Học Bách Khoa Hà Nội 1982 Trang 37 Nhóm sv thực : Trần Đăng Hùng - Nguyễn Thị Hường ... tử - Kết luận: Cả phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều có phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều cách thay đổi điện áp Uư đặt vào phần ứng động tốt hay sử dụng thu đặc tính có độ cứng... 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 thơng θ Hình 1.7: Sơ đồ mạch điều chỉnh. .. 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