b. Phương pháp thay đổi tần số xung
2.1. Các thông số của động cơ
- Công suấtP= 5W - Điện áp Uđm= 12VDC - Dòng Iđm= 500mA
- Công suất điện Pđ= Uđm.Iđm = 12.0,5= 6 W (2.1) - Tốc độ nđm= 1000v/phút - Hiệu suất 0.84 (2.2) - Điện trở phần ứng Rư= = 1,92Ω (2.3) - Tốc độ động cơ: = = = 104,7 rad/s (2.4) Từ phương trình (3.4):
Dựa vào đồ thị hình 2.24 ta thấy dòng ngắn mạch xảy ra khi tốc độ , từ phương trình (3.4) ta tính được dòng ngắn mạch(dòng khởi động): Inm= = = 6,25 A Momen ngắn mạch: Mnm=K .Inm=0,1.6,25=0,625N.m Tốc độ không tải (khi I = 0):
=120 rad/s
Dòng tính toán Itt>Ikđ. Trên thực tế khi chế tạo động cơ các nhà sản xuất đã có các biện pháp hạn chế đòng khởi động như : roto rãnh sâu, ro to rãnh chéo, riêng động cơ không đồng bộ còn có roto lồng sóc kép.
2.2. Chọn van điều khiển
Điều khiển động cơ bằng phương pháp điều xung PWM đưa điện áp trung bình ra tải vì vậy chọn van được kích mở bằng áp.
Ta chọn IRF540
*Ký hiệu
Hình 2.2.2. Ký hiệu và hình ảnh IRF 540
Van động lực được dùng trong sơ đồ này là loại transistor trường hay MOSFET có tên là IRF 540 .Nó là MOSFET loại N (N-CHANNEL) có thể chịu được dòng lên đến 25A và tần số đóng ngắt rất cao (1MHz).Nó dùng để đóng ngắt và khuếch đại điện áp cung cấp cho động cơ DC.Xung điện áp được đưa vào qua chân G của IRF 540,giả sử ban đầu xung điện áp có điện áp >0 IRF dẫn => có điện áp đầu ra,tại thời điểm thứ 2 xung điện áp có giá trị =0 IRF khóa điện áp đầu ra là =0 và cứ như vậy tạo ra điện áp đầu ra có dạng xung vuông. Một số thông số cơ bản của IRF 540 :
Thông số Min Max Đơn vị Điều kiện VDSS Điện áp đánh thủng 100 --- V VGS = 0V, ID = 250µA RDS(on) Điện trở cực DS --- 44 m VGS= 10V, ID = 16A VSD Điện áp trước diot --- 1,2 V IS = 16A, VGS = 0V
VGS Điện áp cực cửa Gate 2.0 4.0 V VDS=VGS, ID = 250µA IDS Dòng D-S cực đại --- 33 A --- P Công suất cực đại --- 130 W --- 2.3. Các linh kiện khác 2.3.1. Điện trở a. Khái niệm
- Điện trở là sự cản trở dòng điện chảy trong vật dẫn điện - Ký hiệu: R
- Được xác định bằng biểu thức R = U/I - Đơn vị là: Ohm
b. Phân loại
* Phân loại theo cấu tạo
Có 4 loại cơ bản :
Điện trở than: Dùng bột than ép lại dạng thanh có trị số điện trở từ vài Ω
đến vài chục MΩ, công suất 1/8 W đến vài W. Loại dùng chất Nicken-Crôm có trị số ổn định hơn điện trở than, giá thành cao .Công suất điện trở thường là
1/2 W.
Điện trở ôxit kim loại: Dùng chất oxit-thiếc chịu được nhiệt độ cao và độ ẩm cao. Công suất điện trở thường là 1/2 W.
Điện trở dây quấn: Dùng các loại hợp kim để chế tạo các loại điện trở cần trị số nhỏ hay cần dòng điện chịu đựng cao. Công suất điện trở vài W đến vài chục W.
Điện trở xi măng: Thành phần cấu tạo chính là xi măng. Công dụng chính là dùng trong các mạch hạn dòng có công suất lớn. Ưu điểm chính của loại này là công suất lớn và ít bị cháy chập khi mạch bị quá tải.
* Phân loại theo công dụng
Biến trở
Biến trở còn được gọi là chiết áp được cấu tạo gồm một điện trở màng than hay dây quấn có dạng hình cung góc quay 270 độ .Có một trục xoay, ở giữa nối một con trượt làm bằng than hay làm bằng kim loại có biến trở than, con trượt sẽ ép lên mặt điện trở để tạo kiểu nối tiếp xúc làm thay đổi trị số điện trở khi xoay trục.
VR VR
Hình 2.3.1: Kí hiệu và hình dáng của biến trở
Nhiệt trở
Là loại điện trở có trị số thay đổi theo nhiệt độ. Có hai loại nhiệt trở :
• Nhiệt trở có hệ số nhiệt âm: Là loại nhiệt trở khi nhận giá trị cao hơn thì trị số điện trở giảm xuống và ngược lại.
• Nhiệt trở có trị số nhiệt dương: Là loại nhiệt trở khi nhận nhiệt độ cao hơn thì trị số điện trở tăng lên.
• Nhiệt trở thường dùng để ổn định nhiệt cho các tầng khuếch đại công suất hay làm linh kiện cảm biến trong các hệ thống tự động điều khiển theo nhiệt độ.
TH
Hình 2.3.2: Kí hiệu ,hình dáng của nhiệt trở
Quang trở
Thường được chế tạo từ chất sulfur-catmium, lên trên kí hiệu thường ghi chữ CdS. Quang trở có trị số điện trở lớn hay nhỏ tuỳ thuộc cường độ chiếu sáng vào nó. Độ chiếu sáng càng mạnh thì điện trở có trị số càng nhỏ và ngược lại. Quang trở thường dùng trong các mạch tự động điều khiên bằng ánh sáng, báo động …
CdS
Hình 2.3.3. Kí hiệu hình dáng của quang trở
Điện trở cầu chì
• Điện trở cầu chì có tác dụng bảo vệ quá tải như các cầu chì của hệ thống điện nhà nhưng nó được dùng trong các mạch điện tử để bảo vệ cho mạch nguồn hay các mạch có dòng tải lớn như các transistor công suất. Khi có dòng điện qúa lớn hơn trị số cho phép thì điện trở sẽ bị nóng và bị đứt.
• Điện trở cầu chì có trị số rất nhỏ khoảng vài Ohm.
Hình 2.3.4. Kí hiệu hình dáng của điện trở cầu chì
Điện trở tuỳ áp: Viết tắt là VDR
• Đây là loại điện trở có trị số thay đổi theo điện áp đặt vào hai cực. Khi điện áp đặt vào giữa hai cực ở dưới trị số danh định thì VDR có trị số còn thấp coi như ngắn mạch
• Điện trở tuỳ áp có hình dáng giống như nhiệt trở nhưng nặng như kim loại.
Ứng dụng của điện trở
• Trong sinh hoạt, điển trở được dùng để chế tạo các loại dụng cụ điện như: Bàn ủi, bếp điện, bóng đèn …
FUSISTỎR TOR
• Trong công nghiệp, điện trở để chế tạo các thiết bị sấy, giới hạn dòng điện khởi động của động cơ …
• Trong lĩnh vực điện tử, điện trở được nạp cho pin nickel-cadmium.
2.3.2. Tụ điện
a.Khái niệm
- Tụ điện là một loại linh kiện thụ động trong mạch điện tử. - Ký hiệu là : C
- Đơn vị là: F
b. Phân loại
Tụ điện được chia làm hai loại chính là:
• Tụ điện không phân cực tính dương và âm:
Hình 2.1. Tụ điện không phân cực dương và âm • Tụ điện phân cực tính được chia làm nhiều dạng:
•
Hình 2.2. Tụ phân cực tính
Tụ oxit hóa (thường gọi là tụ hóa)
Tụ hóa có điện dung lớn từ 1μF đến 10.000μF là loại tụ có phân loại cực tính dương và âm.
Hình 2.3.Kí hiệu và hình dáng của tụ hóa
Tụ gốm
- Tụ gốm có điện dung từ 1 ρF đến 1μF, là loại tụ không có cực tính, điện áp làm việc vài trăm volt.
- Về hình dáng tụ gồm có nhiều dạng và có nhiều cách ghi trị số điện dung C khác nhau.
C=0,01μF C=100 ρF C=22ŋ F
Hình 2.4. Kí hiệu, hình dáng, cách đọc tụ gốm
Tụ giấy
Là loại tụ không có cực tính gồm có hai bản cực là các băng kim loại dài, ở giữa có lớp cách điện là giấy tẩm dầu cuộn lại thành ống. Điện áp đánh thủng đến vài trăm volt.
Hình 2.5. Kí hiệu, hình dáng của tụ giấy
Tụ mica
Là loại tụ không có cực tính, điện dung từ vài ρF đến vài trăm ŋF, điện áp làm việc rất cao, trên 1000V. Trên tụ mica được sơn các chấm màu để chỉ trị số điện dung và cách đọc giống như cách đọc trị số điện trở.
Hình 2.6. Tụ mica
Tụ màng mỏng
.01
Là loại tụ có chất điện môi là các chất polyester (PE), polyetylen (PS), điện dung từ vài trăm ρF đến vài chục μF, điện áp làm việc đến hàng ngàn volt.
Hình 2.7. Tụ màng mỏng
Tụ tang
Là loại tụ có phân cực tính, điện dung có thể rất cao nhưng kích thước nhỏ từ 0.1μF đến 100μF, điện áp làm việc thấp chỉ vài chục volt.
c. Ứng dụng
Tụ dẫn diện ở tần số cao
Tín hiệu âm tần, âm thanh bổng thuộc loại tần số cao nên tín hiệu âm bổng sẽ được qua tụ C để đưa vào loa bổng, có âm trầm có tần số thấp sẽ bị chặn lại. Do đó tín hiệu âm trầm chỉ đưa vào loa trầm.
Tụ nạp xả điện trong mạch
Mạch nắn điện chỉ có tác dụng cho bán kỳ dương của dòng điện xoay chiều đi qua và không cho bán kì âm đi qua. Nếu có tụ C đặt song song với tải ở ngõ ra thì tụ sẽ nạp điện khi điện áp tăng lên và xả điện khi điện áp giảm xuống làm cho dòng điện được liên tục và giảm bớt mức gợn sóng của dòng điện xoay chiều hình sin.
2.3.3. IC LM324
IC khuếch đại thuật toán LM324N được tạo bởi bốn bộ khuếch đại thuật toán (OP-OAMP) độc lập được tích hợp trên một chip đơn. Điểm đặc biệt của LM324 là nó được thiết kế để hoạt động với nguồn nuôi có vùng điện áp rộng. LM324N có thể hoạt động với cả nguồn đôi. Nguồn cấp cho cực máng thấp và độc lập với biên độ điện áp cung cấp.
Vùng điện áp lối vào: -0.3V đến +32V
Dòng cực máng nhỏ: 0.7mA
Dòng offset lối vào: 30nA max
Điện áp offset lối vào: 3mA max
Vùng nhiệt độ hoạt động: 0 đến 70 độ C
Ứng dụng:
Mạch khuếch đại công suất
Mạch so sánh
Mạch nháy theo nhạc
Mạch sạc pin cho xe đạp điện
Mạch cộng tín hiệu, mạch trừ tín hiệu, mạch khuếch đại vi sai
Điều khiển tự động hóa PID
*Bảng thống kê linh kiện
Tên linh kiện Thông số Loại linh kiện Số lượng
R1-R4 100K-1/4W Resistor 4 R5 47K-1/4W Resistor 1 R6-R7 3,3K-1/4W Resistor 2 R8 2,7K-1/4W Resistor 1 R9 470 Ω-1/4W Resistor 1 VR1 100K Variable resistor 1 C1 100 μF-50V Ceramic disk capacitor 1 Công tắc 6A125VAC 1 D1 KBP307 MIC 1
LED Led red 2
D2 1N4004 Silicon diode 1
Q1 IRF 315 N channel
MOSFET 1
Chương 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH.
3.1. Sơ đồ khối.
Nguyên lý hoạt động : Khối nguồn cung cấp nguồn điện hoạt động cho toàn mạch bao gồm cả khối điều khiển, khối công suất và động cơ.Trong đó khối điều khiển và khối công suất sử dụng nguồn 12V DC.Đông cơ sử dụng nguồn 24V DC.Tất cả đều được lấy chung từ 1 máy biến áp thông qua cầu điode trở thành nguồn 1 chiều.
Khối điều khiển khiển bao gồm 2 phần là phần đảo chiều và phần điều khiển tốc độ động cơ.Khối điều khiển cấp điện áp điều khiển cho khối công suất, khối công suất làm việc theo tín hiệu điều khiển nhận được từ khối điều khiển sau đó điều khiển động cơ
3.2. Mạch lực* Sơ đồ nguyên lý. * Sơ đồ nguyên lý. ĐẢO CHIỀU KHỐI CÔNG SUẤT KHỐI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHỐI NGUỒN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ Uđ Uđk Uư
Mạch công suất dùng 1 con MOSFET để băm xung cung cấp điện áp đặt vào động cơ.Ngoài ra sử dụng 1 cầu chì để bảo vệ MOSTFET .
Hình 2.2.1.a-Sơ đồ nguyên lý mạch lực.
- Mostfet đóng cắt nguồn của động cơ theo tín hiệu xung điện áp nhận được từ mạch điều khiển.Từ đó thay đổi được tốc độ động .Cầu chì có tác dụng bảo vệ cho Mosfet khi có hiện tượng quá áp xảy ra
3.3. Mạch điều khiển.
3.3.1. Mạch đảo chiều động cơ.
Sử dung rơle vơi 2 công tắc được điểu khiển bởi cuộn hút thông qua công tắc gạt.
*Nguyên Lý hoạt đông:
Khi ta gạt công tắc, có dòng điện chạy qua rơ le, dòng điện này sẽ chạy qua cuộn dây bên trong và tạo ra một từ trường hút. Từ trường hút này tác động lên một đòn bẩy bên trong làm đóng hoặc mở các tiếp điểm điện và như thế sẽ làm thay đổi trạng thái của rơ le. Số tiếp điểm điện bị thay đổi trong trường hợp này là 2.Mỗi lần gạt công tắc sẽ làm dòng điện chạy trong động cơ sẽ khác nhau, từ âm sang dương hoặc từ dưng sang âm và từ đó chiều đông cơ cũng được thay đổi.
3.3.2. Mạch điều khiển tốc độ động cơ .
a) Khâu tạo dao động và tạo điện áp.
Chu kỳ xung tam giácT=4RC 2 1
R R
Ở đây ta chọn tần số băm xung f=500Hz phù hợp với yêu cầu tải động cơ
-Ta có T=1/ f =1 / 500 = 2(ms) Vậy ta có: T = 4RC 2 1 R R =2.10-3 -Chọn :R1=R2=47k Ω , chän C= 0,001uF ⇒R=100 k Ω *Mạch lặp. Hình 3.3.2.a-Mạch lặp.
Mạch lặp có chức năng ổn định điện áp đầu ra lấy từ cầu phân áp đưa vào đầu vào không đảo của ic khuếch đại thuật toán
.Ta có:
-Vout=[R2/(R1+R2)]*Vin R1=R2=100K nên :
-Vout=[R2/2R2]*Vin =Vin/2=12v/2v=6V b) .Khâu tạo xung vuông và điện áp răng cưa
Hình 2.3.2.b- Mạch tạo xung vuông và điện áp răng cưa
Hình 3.3.2.c-Dạng sóng sau khi qua khâu tạo xung
Tạo điện áp răng cưa bằng cách tích phân xung vuông ở OA1.Xung vuông có thể tạo bằng nhiều cách khác nhau. Tích phân xung này là quá trình xả,nạp tụ. Nếu điện áp vào khâu tích phân không đối xứng có thể xuất hiện sai số đáng kể.
Điện áp răng cưa trên mang tính phi tuyến cao. Điện áp răng cưa sẽ nhận được tuyến tính hơn khi sử dụng sơ đồ 1. Khuếch dại OA1 có hồi tiếp dương bằng điện trở R3, đầu ra có trị số điện áp nguồn và dấu phụ thuộc hiệu điện áp hai cổng V+ và V-
Đầu vào V+ có hai tín hiệu: Một tín hiệu không đổi lấy từ đầu ra của đoạn OA1, một tín hiệu biến thiên lấy từ đầu ra của OA4. Điện áp chuẩn để so sánh để quyết định
U1 U4
U
đổi điện áp ra của OA1 là trung tính vào V-. Giả sử đầu ra của OA1 dương,U1>0 khuếch dại OA2, tích phân đảo dấu cho điện áp có phần đi xuống của điện áp răng cưa. Sườn xuống của điện áp tựa tới lúc điện áp vào R3,R5 trái dấu tới khi nào V+ = 0 đầu ra của OA1 đổi dấu thành âm. Chu kì điện áp ra của OA1 cứ luân phiên đổi dấu như vậy cho ta điện áp ra như hình 2.
Tần số điện áp răng cưa được tính:
f =
Bằng cách chọn các trị số của điện trở và tụ điện ta có được điện áp tựa có Chu kỳ như mong muốn.
Chu kỳ là: T = 4.R3.C4.
Điện áp ra là: Ur = Umax.
Hình 3.3.2.d- Mạch so sánh điện áp.
-Đây thực chất là một bộ cộng đảo dấu. Khi đó: Uss1= -Uss2.
Hình3.3.2.e- Đồ thị so sánh điện Uđk với Urc.
Tương tự như các mạch so sánh thường gặp.Khâu so sánh của PWM báo hiệu sự cân bằng giữa điện áp cần so sánh và điện áp chuẩn từ đó xác định thời điểm mở và khóa van bán dẫn.Đầu vào của khâu này gồm có hai tín hiệu,điện áp tựa (điện áp tam giác) và điện áp một chiều làm điện áp điều khiển như hình 3.2.2.e
Từ hình3.2.2.e thấy rằng trong mỗi chu kỳ điện áp tựa có hai thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển.Tại các thời điểm đó,đầu ra của khâu so sánh đổi dấu chẳng hạn điện áp đang ở mức dương sẽ chuyển sang mức âm và ngược lại.Tương ứng với các thời