Thiết kế mạch biến đổi điện áp một chiều cấp nguồn cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Thiết kế mạch biến đổi điện áp một chiều cấp nguồn cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập sử dụng IC tạo dao động NE555. Sử dụng phương pháp băm xung PWM để điều chỉnh cấp độ của động cơ điện một chiều.

LỜI NĨI ĐẦU Động chiều có nhiều ứng dụng điều khiển sản xuất cơng nghiệp Trong địi hỏi động phải có nhiều cấp tốc độ tăng giảm dễ dàng Với đời phát triển khoa học kỹ thuật vấn đề điều khiển động chiều khơng cịn vấn đề khó khăn Động điều khiển với nhiều cấp tốc độ khác nhau, điều khiển dừng, đảo chiểu, nhanh chậm dễ dàng Trên sở kiến thức học từ điện tử công suất Chúng em thực tập lớn: Tính tốn thiết kế mạch biến đổi điện áp chiều – chiều cấp nguồn cho động điện chiều kích từ độc lập thực chức sau: - Đảo chiều quay động - Điều chỉnh cấp tốc độ động Tuy nhiên , kiến thức chúng em hạn chế đề cập hết vấn đề đề tài này, khơng thể tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn Nhóm thực hiện: Nguyễn Văn An Phùng Tiến Bộ Tạ Hữu Đức Trịnh Trường Giang Vũ Xuân Hiếu - MỤC LỤC CHƯƠNG I: DẪN NHẬP I ĐẶT VẤN ĐỀ II GIỚI HẠN ĐỀ TÀI III MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU IV YÊU CẦU CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU I.NGUYÊN LÝ VÀ CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CƠ II ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP CHƯƠNG III : CÁC PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU I CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI ĐẶC TÍNH CƠ II PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP BĂM XUNG CHƯƠNG IV : MẠCH BĂM XUNG I SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ II CẤU TẠO IC NE555 III PHÂN TÍCH THIẾT KẾ MẠCH BĂM XUNG PWM IV NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHƯƠNG V : MẠCH ĐỘNG LỰC I CẤU TẠO MẠCH ĐỘNG LỰC II NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CHƯƠNG VI:LINH KIỆN ĐƯỢC SỬ DỤNG CHƯƠNG VII: MẠCH THỰC TẾ CHƯƠNG I: DẪN NHẬP I ĐẶT VẤN ĐỀ Động điện chiều động điện hoạt động với dòng điện chiều Động điện chiều ứng dụng rộng rãi ứng dụng dân dụng công nghiệp Thông thường động điện chiều chạy tốc độ nối với nguồn điện, nhiên điều khiển tốc độ chiều quay động với hỗ trợ mạch điện tử Nhưng mạch điện tử thiết kế để diều chỉnh tốc độ động ? Để trả lời câu hỏi nhóm xin giới thiệu mạch điều chỉnh tốc độ động hiệu sử dụng IC555 II GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Có phương pháp thay đổi tốc độ động : - Thay đổi tốc độ động phương pháp thay đổi dòng điện - Thay đổi tốc độ động phương pháp thay đổi điện áp Trong phần tập trung nghiên cứu phương pháp thay đổi tốc độ động phương pháp thay đổi điện áp đặt lên động Có nhiều mạch thay đổi tốc độ động , phần xin giới thiệu mạch thay đổi tốc độ động dùng IC555 III MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Mục đích hàng đầu mạch thay đổi tốc độ động dùng ic 555 nghiên cứu mạch ứng dụng IC555 để thay đổi điện áp ngõ từ thay đổi tốc độ quay động Qua trình nghiên cứu mạch tạo điều kiện cho sinh viên hệ thống lại kiến thức học môn điện tử công suất qua thấy tầm quan trọng mơn học này, đồng thời góp phần nâng cao khả ứng dụng học sinh viên vào thực tiễn IV U CẦU Tính tốn thiết kế mạch biến đổi điện áp chiều – chiều cấp nguồn cho động điện chiều kích từ độc lập thực chức sau: - Đảo chiều quay động - Điều chỉnh cấp tốc độ động CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Trong nhiều máy móc cần đến loại động điện chiều với mức công suất to nhỏ khác phù hợp với chức hoạt động Động điện chiều dùng để biến đổi điện thành hay thành điện (khi hãm) Trong động điện có nhiều loại khác như: Động điện xoay chiều ba pha không đồng Rotor lồng sóc hay dây quấn, động điện xoay chiều ba pha có cổ góp Động điện chiều có loại: • Động điện chiều kích từ độc lập • Động điện chiều kích từ song song • Động điện chiều kích từ nối tiếp • Động điện chiều kích từ hỗn hợp hay kích từ nam châm vĩnh cửu Động điện chiều sử dụng rộng rãi phổ biến dây truyền thiết bị, cấu vận hành thang máy, máy nâng Có vai trị quan trọng cần thiết q trình cơng nghiệp hố đại hố đất nước ta I NGUYÊN LÝ VÀ CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CƠ  Nguyên lý Đặt từ trường dây dẫn, cho dòng điện chạy qua dây dẫn từ trường tác dụng lực từ vào vào dây dẫn(dòng điện) làm dây dẫn chuyển động Chiều từ lực xác định quay tắc bàn tay trái Động điện nói chung động điện chiều nói riêng hoạt động theo quy tắc  Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều gồm hai phần phần tĩnh (Stator) phần động (Rotor)  Phần tĩnh: • Cực từ tĩnh • Cực từ phụ • Gơng từ • Các phận khác: nắp máy, cấu chổi than  Phần quay: • Lõi sắt phần ứng • Dây quấn phần ứng • Cổ góp • Các phận khác: cánh quạt, trục quay II ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Ở động điện chiều kích từ độc lập, cuộn kích từ cấp điện từ nguồn điện ngồi độc lập với nguồn điện cấp cho rotor (Cuộn ứng) Và nguồn điện chiều có cơng suất khơng đủ lớn, mạch điện phần ứng mạch điện phần kích từ mắc vào hai nguồn điện chiều độc lập với nhau, lúc động gọi động điện chiều kích từ độc lập  Đảo chiều động cơ: Chiều từ lực tác dụng vào dòng điện xác định theo quy tắc bàn tay trái Khi đảo chiều quay từ thông hay đảo chiều dịng điện từ lực có chiều ngược lại Muốn đảo chiều động điện chiều thực hai cách hình vẽ đường đặc tính động quay thuận quay ngược đối xứng qua gốc toạ độ Đảo chiều từ thông thực nhẹ nhàng mạch từ thơng có cơng suất nhỏ mạch phần ứng Tuy cuộn kích từ có số vịng dây lớn, hệ số tự cảm lớn, thời gian đảo chiều tăng lên nên phương pháp sử dụng Ngồi dùng phương pháp đảo chiều từ thơng từ thơng qua trị số làm tốc độ tăng nhanh, không tốt cho động CHƯƠNG III : CÁC PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU I CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI ĐẶC TÍNH CƠ Điều chỉnh tốc độ động điện chiều từ phương trình : ω = (U/KΦ) – (Ru Σ /(K ( Φ)^2) M Có cách điều chỉnh dựa vào thơng số phương trình : U, Φ, Rư tổng Do ta có cách sau: - Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp phần ứng - Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở mạch phần ứng - Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông Sau ta tìm hiểu phương pháp :  Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp phần ứng : * ) Sơ đồ cấu trúc phương pháp  Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông: * ) Sơ đồ cấu trúc phương pháp :  Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở mạch phần ứng : II PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP BĂM XUNG Ngoài việc điều khiển hay ổn định tải PWM cịn tham gia điều chế mạch nguồn : boot, buck, nghịch lưu pha pha… PWM gặp nhiều thực tế mạch điều khiển PWM chuyên dùng để điều khiển phần tử điện tử cơng suất có đường đặc tính tuyến tính có sẵn nguồn chiều cố định Nên PWM ứng dụng nhiều thiết bị điện-điện tử CHƯƠNG IV : MẠCH BĂM XUNG I SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ II CẤU TẠO IC NE555 - GND (1): Nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay gọi chân chung - TRIGGER (2): Là chân đầu vào thấp điện áp so sánh Được dùng chân chốt hay ngõ vào tần so áp Mạch so sánh dùng Transitor PNP với mức điện áp chuẩn 2/3Vcc - OUTPUT (3): Là chân dùng để lấy tín hiệu logic Trạng thái tín hiệu xác định theo mức Trong mức cao tương ứng gần với Vcc (PWM=100%) mức tương đương với 0V Trong thực tế mức không 0V mà khoảng từ (0.35 ->0.75V) - RESET (4): Lập định mức trạng thái Khi chân số nối mass ngõ mức thấp Còn chân nối vào mức áp cao trạng thái ngõ tùy theo mức áp chân 6.Nhưng mạch để tạo dao động thường hay nối chân lên VCC - CONTROL VOLTAGE (5): Làm thay đổi mức áp chuẩn IC 555 theo mức biến áp hay dùng điện trở cho nối GND Chân khơng nối để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF tụ lọc nhiễu giữ cho điện áp chuẩn ổn định - THRESHOLD (6): Là chân đầu vào so sánh điện áp khác dùng chân chốt - DISCHAGER (7): Có thể coi chân khóa điện tử chịu điều khiển bỡi tầng logic chân Khi chân mức áp thấp khóa đóng lại.ngược lại mở Chân tự nạp xả điện cho mạch R-C lúc IC 555 dùng tầng dao động - VCC (8): Chân cung cấp áp dịng cho IC hoạt động Khơng có chân coi IC chết Nó cấp điện áp từ 2V đến 18V (Tùy loại 555 thấp NE7555) III PHÂN TÍCH THIẾT KẾ MẠCH BĂM XUNG PWM Mạch đa hài phi ổn sử dụng IC NE555 (Mạch 1) Đây mạch ứng dụng ic 555 dùng để làm mạch đa hài phi ổn tạo xung vng • Trong mạch, chân Threshold nối với chân Trigger , nên hai chân có chung điện áp điện áp tụ C • Chân Control Voltage có tụ 1uF nối mass để lọc nhiều tần số cao làm ảnh hưởng đến điện áp chuẩn 2/3Vcc • Chân Reset nối với nguồn +Vcc nên khơng dùng chức Reset • Chân Dischager xả điện nối vào hai điện trở (R1 R2) tạo đường xả điện cho tụ • Chân Output cho xung vng  Một số cơng thức tính tốn mạch: • Khi Transistor T2 (Transistor nối với chân Dischager) có VB =0 nên ngưng dẫn để tụ C nạp điện với thời gian nạp (Thời gian xung mức High chu kì) : T nạp=ln2*(R1+R2)*C • Khi ngõ chân Output có điện áp thấp Khi ngõ T2 dẫn bảo hịa chân Dischager nối mass ngăn tụ C nạp điện mà phải xả điện qua R2 qua T2 xuống mass Tụ C xả điện với số thời gian (Thời gian xung mức Low chu kì) là: T xả=ln2.R2.C • Điện áp ngõ chân có dạng hình vng với chu kỳ: T = T nạp + T xả • Do thời gian nạp thời gian xả tụ không (T nạp> Tt xả) nên tín hiệu hình vng khơng đối xứng Tần số tín hiệu đầu : f = 1/(ln2.C.(R1 + 2R2))  Dạng xung vuông đầu mạch 1: *Mục đích mạch kích khởi cho mạch đa hài đơn ổn phía sau có điện áp thấp ngõ Mạch đa hài đơn ổn sử dụng ic NE555 (mạch 2) Đặc điểm mạch đơn ổn có xung âm hẹp có giá trị lớn 1/3*Vcc tác động vào chân số Threshold mạch thay đổi trạng thái ngõ chân Out có xung dương Độ rộng xung dương ngõ không phụ thuộc vào độ rộng xung kích mà phụ thc vào mạch định RT.C, sau mạch trở lại trạng thái ban đầu Sau dạng xung vuông đầu có xung âm kích (từ mạch ne555 đa hài phi ổn) vào chân Threshold (Threshold ne555 mạch đa hài đơn ổn) : (*Chú thích: Xung đầu mạch đa hài phi ổn (màu vàng), xung đầu mạch đa hài đơn ổn (màu xanh dương).) - Cấp độ 1: R=10k - Cấp độ 2: R=7k - Cấp độ 3: R=5k Khi vừa có xung âm chân Trigger (Mạch 2) ngõ bắt đầu có xung dương tụ C bắt đầu nạp điện Thời gian xung dương t không tùy thuộc vào độ rộng xung âm ngõ vào mà tùy thuộc số thời gian T mạch định Nếu dùng biến trở VR thay cho Rt ta thay đổi độ rộng xung ra, cách khác thay đổi tụ C điện dung có trị số khác Các thông số mạch Khi cấp điện tụ nạp theo hàm mũ đồng thời với thời gian tụ nạp ngõ chân Output (Mạch 1) có xung dương Vậy thời gian xung dương tồn ngõ tính theo công thức: T nạp = ln2*(1+15)*10^-3 = 0,01104(s) Khi tụ xả điện áp ngõ có mức thấp thời gian tồn mức thấp ngõ là: 4(s) T xả =ln2.1.10^-3 = 6,9.10^- Như chu kỳ xung vuông chân Output (Mạch 1) là: T=0,01104+6,9.10^-4 =0,01173 (s) Khi có xung âm kích vào chân Trigger (Mạch 2) ngõ chân Output (Mạch 2) có mức điện áp cao ,thời gian xung dương tồn ngõ phụ thuộc vào mức trở theo công thức: T x =1,1.Rt.1.10^-6 (s) Như có xung âm kích khởi vào chân Trigger (Mạch 2) ngõ chân Output (Mạch 2) có mức điện áp cao qua cầu phân phân cực cho TRANSISTOR dẫn Transistor có cơng dụng cơng tắc để điều khiển cho động Thông qua mức trở Rt ta điều chỉnh điện áp đặt vào động tốc độ hoàn toàn phụ thuộc vào cách điều chỉnh mức trở Nếu chọn trở có giá trị 10 K thời gian xung dương sau: T x=1,1.10.10^-3=0,011(s) III NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG : Trong sơ dố ta sử dụng IC556 với mục đích - Mạch mạch đa hài phi ổn tạo xung vuông để kích khởi cho mạch - Mạch mạch đa hài đơn ổn với mục đích điều chỉnh độ rộng xung dương ngõ thông qua mức điện trở Khi có xung âm kích vào mạch đa hài đơn ổn từ mạch đa hài phi ổn ngõ mạch đa hài đơn ổn có xung dương , độ rộng xung dương ngõ không phụ thuộc vào độ rộng xung âm mà phụ thuộc vào linh kiện mạch (tức phụ thuộc vào mức trở tụ 1uf ) Khi có xung dương ngõ mạch đa hài đơn ổn điều khiển làm cho Transistor dẫn cho dòng điện qua motor làm motor hoạt động CHƯƠNG VII : MẠCH ĐỘNG LỰC I CẤU TẠO MẠCH ĐỘNG LỰC - Động DC 3-6V - Transistor NPN C828 0,1A 25V - Ta sử dụng mạch cầu H dung Transistor NPN đấu chéo để đảo chiều tốc độ động II NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC Xung từ mạch điều khiển băm xung đa hài đơn ổn ne555 điều khiển làm cho Transistor dẫn cho dòng điện qua motor làm motor hoạt động Chiều thuận xung điều khiển PWM kích T1 T4 mở dòng chạy từ T1 qua động qua T4 âm nguồn Ở chiều ngược lại xung xung điều khiển PWM kích T2 T3 mở dịng chạy từ T2 qua động qua T3 âm nguồn CHƯƠNG VII:LINH KIỆN ĐƯỢC SỬ DỤNG • Mạch Cầu H Đảo Chiều Động Cơ sử dụng NPN Transistor C828 • Motor Chiều 3V-6V_DC • Mạch Tạo Xung Sử Dụng IC 555 (NE555) • Tản Nhiệt Và IC L7805 • Tụ Điện - Các tụ hóa phân cực 1000uF, 470uF: lọc điện áp đầu vào đầu ổn áp, làm việc nguồn tích cung cấp điện có sụt áp đầu ra, từ ổn định mức điện áp - Các tụ gốm 104: San phẳng dạng điện áp ổn định • Led • Điện Trở Điện trở hạn dòng bảo vệ Led, đèn Led giúp kiểm tra mạch nguồn có hoạt động ổn định hay khơng • Cơng Tắc giúp đóng ngắt mạch nguồn đầu vào có cố CHƯƠNG VIII: MẠCH THỰC TẾ ... quay II ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Ở động điện chiều kích từ độc lập, cuộn kích từ cấp điện từ nguồn điện độc lập với nguồn điện cấp cho rotor (Cuộn ứng) Và nguồn điện chiều có cơng... lớn, mạch điện phần ứng mạch điện phần kích từ mắc vào hai nguồn điện chiều độc lập với nhau, lúc động gọi động điện chiều kích từ độc lập  Đảo chiều động cơ: Chiều từ lực tác dụng vào dòng điện. .. VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU I.NGUYÊN LÝ VÀ CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CƠ II ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP CHƯƠNG III : CÁC PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU