Đang tải... (xem toàn văn)
Điện tử công suất và truyền động điện là một môn học hay và lý thú, cuốn hút được nhiều sinh viên theo đuổi. 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, em đã được nhận đề tài “Nghiên cứu, thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ 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.
!"#$%&#'()# *+,- .&/012 3#$!"#$45$6#7+,08 1 9:;<80+-=>? Ngày Tháng Năm CHỮ KÝ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 1 .@#ABCDE Điện tử công suất và truyền động điện là một môn học hay và lý thú, cuốn hút được nhiều sinh viên theo đuổi. 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, em đã được nhận đề tài “Nghiên cứu, thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ 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. Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, em đã gặp một số vướng mắc về lý thuyết và khó khăn trong việc thi công sản phẩm.Tuy nhiên, chúng em đã nhận được sự giải đáp và hướng dẫn kịp thời của cô giáo "Phạm Văn Kiêm", sự góp ý kiến của các bạn sinh viên trong lớp. Được như vậy em xin chân thành cảm ơn và mong muốn nhận được nhiều hơn nữa sự giúp đỡ, chỉ bảo của thầy cô giáo và bạn trong các đồ án sau này. Do kiến thức hạn chế nên trong quá trình thực hiện đồ án em không thể tránh khỏi sai sót, mong quý thầy cô trong hội đồng bảo vệ bỏ qua và có những đóng góp ý kiến để chúng em có thể hoàn thiện đồ án của mình tốt hơn nữa. Em xin chân thành cảm ơn! 2 F5.F5 9:;<80+-=>?EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE1 .@#ABCDEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEG F5.F5EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEH $%I#'13J.KLMEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEN 1E1EO#'5IB6#15$DEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEN 1.1.1. Khái niệm 5 1.1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều 5 1.1.3 . Mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ 9 a) Mở máy động cơ điện một chiều 9 -Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng 12 a. Phương pháp thay đổi độ rộng xung 17 b. Phương pháp thay đổi tần số xung 17 1.2.3 Các dạng băm xung cơ bản 18 Sơ đồ nguyên lý: 20 d).Xung áp nối tiếp 21 1EHE$%I#'/$/EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEGH 1.3.1.Giới thiệu về phương pháp PWM 23 1.3.2. Nguyên lý của phương pháp PWM 24 2.3.3.Các cách để tạo ra được PWM để điều khiển 26 26 2.3.4.Một vài ứng dụng nổi bật của PWM 27 $%I#'GP0.Q8.R3S>TU0 *EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEH2 GE1E5$V#'WX5YZBO#'5IEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEH2 2.3.1. Điện trở 32 2.3.2. Tụ điện 34 2.3.3. IC LM324 36 HE1E3IB[\$XEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEH] EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEH] 'D^"#_`$ aBO#'$X#'D[#5D#'5b/#'D[#B6#$ aBO#'5$ #ca5$dZ '[c5e\$XBD\$f#g\$X5V#'WDb!BO#'5IEh #'BA \$XBD\$f#!\$X5V#'WDbWi(F#'#'D[#1G+>EV#'5IWi(F#' #'D[#Gj+>Eb5eBDB%k5_b^5$D#'l1c^dm#/$V#'nDZ5CD B (ohp$#$#'D[#15$DEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEH] $XBD\$f#\$f#dZ '[cG/$C#_/$C#Be 5$D!/$C#BD \$f#X5BOBO#'5IE$XBD\$f#5b/B6#/BD\$f#5$ \$X5V#' 3 WDbg\$X5V#'WDb_c!65$o q#$6DBD\$f##$r#B%k5l\$X BD\$f#WZDBABD\$f#BO#'5IEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEH] HEGEa5$_45EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEHs * Sơ đồ nguyên lý 39 a5$5V#'WDb(t#'15 #03uvBfdwcxD#'5D#'5b/B6#/By ! BO#'5IE' hZWi(F#'15CD5$zBfde !603uvEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEHs EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEHs z#$GEGE1EZ{3IB[#'D^"#_`ca5$_45EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEHs HEHEa5$BD\$f#EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEHs 3.3.1. Mạch đảo chiều động cơ 39 c). Khâu so sánh điện áp 42 3.3.3: Khối nguồn 44 HEjE3IB[#'D^"#_`!WIB[d h(ca5$EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEjN |$%I#'$%&#'/$hf#5YZBEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEj] Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học-công nghệ cũng như ứng dụng điều chế bộ biến đổi xung áp một chiều bằng phương pháp PWM, 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 em 48 }.R8~0EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEj] 4 $%I#'13J.KLME 1E1EO#'5IB6#15$DE 1.1.1. Khái niệm. Động cơ điện nói chung và động cơ điện 1 chiều nói riêng là thiết bị điện từ quay, làm việc theo nguyên lý điện từ. Khi đặt vào trong từ trường 1 dây dẫn cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng lực từ vào dòng điện (vào dây dẫn ) và làm dây dân chuyển động. Động cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng. 1.1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều. Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên nguyên lý của hiện tượng cảm ứng điện từ. Hình 1.1.2.a - Cấu tạo động cơ điện một chiều Như ta đã biết thanh dẫn có dòng điện đặt trong từ trường sẽ chịu tác dụng lực từ. Vì vậy khi cho dòng điện một chiều đi vào chổi than A và đi ra ở chổi than B thì các thanh dẫn sẽ chịu tác dụng của lực từ. Bên cạnh đó do dòng điện chỉ đi vào thanh dẫn nằm dưới cực N và đi ra ở các thanh dẫn chỉ nằm trên cực S nên dưới tác dụng của từ trường lên các thanh dẫn sẽ sinh ra mô men có chiều không đổi và làm cho roto của máy quay. Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập. 5 I Để tiến hành mở máy, đặt mạch kích từ vào nguồn U kt , dây cuốn kích từ sinh ra từ thông Φ. Trong tất cả các trường hợp, khi mở máy bao giờ cũng phải đảm bảo có Φ max tức là phải giảm điện trở của mạch kích từ R kt đến nhỏ nhất có thể. Cũng cần đảm bảo không xảy ra đứt mạch kích thích vì khi đó Φ = 0, M = 0, động cơ sẽ không quay được, do đó E ư = 0 và theo biểu thức U = E ư + R ư I ư thì dòng điện I ư sẽ rất lớn làm cháy động cơ. Nếu mômen do động cơ điện sinh ra lớn hơn mômen cản (M > M c ) rôto bắt đầu quay và suất điện động E ư sẽ tăng lên tỉ lệ với tốc độ quay n. Do sự xuất hiện và tăng lên của E ư , dòng điện I ư sẽ giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm hơn. |bDa 5$D#' Phần động cơ điện một chiều bao gồm hai phần chính là: Phần tĩnh: Stato. Phần quay: Roto. |3Z Stato gọi là phần cảm gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy. Gắn với stato là các cực từ chính có dây quấn kích từE Phần tĩnh bao gồm các bộ phận sau: cực từ chính, cực từ phụ, gông từ và các bộ phận khác. Hình 1.1.2.b- Cấu tạo stato a. 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 được làm bằng các lá thép KTĐ hay thép cácbon dày 0.5 đến 1 mm ép lại và tán chặt. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt lên trên các cực từ. Các cuộn dây này được nối nối tiếp với nhau. 6 b.Cực từ phụ. Cực từ phụ được đặt giữa các cực tù chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép của cực tù phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn, mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ nhờ các bulông. c.Gông từ. Gông từ được dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ , đồng thời làm v ỏ máy. d. Các bộ phận khác. Ngoài ba bộ phận chính trên còn có các bộ phận khác như: Nắp máy, cơ cấu chổi than. -Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hỏng dây quấn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện. -Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi than được cố định lên giá chổi than và cách điện với giá đó. Giá chổi có thể quay được để đưa vị trí chổi than đúng chỗ. |U Roto của động cơ điện một chiều bao gồm các bộ phận sau: lõi sắt phần ứng, dây quấn phần ứng, cổ góp và các bộ phận khác. 7 Hình 1.1.2.c- Cấu tạo roto a. Lõi sắt phần ứng. Dùng để dẫn từ. Thường làm bằng những tấm thép KTĐ (thép hợp kim silix) dày 0.5 mm bôi cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. b.Dây quấn phần ứ.ng Là phần sinh ra sức 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 (công suất dưới vài kilowatt) 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 bị văng ra do sức li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc phải đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay ba-ke-lit. c. Cổ góp. Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Cổ góp có nhiều phiến đồng có đuôi nhạn cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một trụ tròn. Hai đầu trụ tròn dùng 8 hai vành ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành góp có cao hơn một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng. d. Các bộ phận khác. Cánh quạt: dùng dể quạt gió làm nguội động cơ. Động cơ điện một chiều thường được chế tạo theo kiểu bảo vệ. Ở hai đầu nắp động cơ có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên trục động cơ. 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 nguội động cơ. Trục máy: trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục động cơ thường được làm bằng thép cácbon tốt. 1.1.3 . Mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ. a) Mở máy động cơ điện một chiều. Phương trình cân bằng điện áp: U=E ư + R ư I ư suy ra I ư = (U- E ư )/ R ư Khi mở máy, tốc độ n=0 suy ra E ư = k E nfi =0 suy ra I ư = U/ R ư Vì R ư rất nhỏ, dòng điện phần ứng I ư lúc mở máy rất lớn I ư =(20¸25) I đm , 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 R Mở. Mắc biến trở mở máy vào mạch phần ứng, dòng điện mở máy lúc có biến trở mở máy: I ưMở =U/( R ư +R Mở ). Lúc đầu để biến trở R Mở lớn nhất, trong quá trình mở máy, tốc độ tăng lên, điện trở mở máy giảm dần đến không (hình 2.1.3.a ). - 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 9 [...]... ứng động cơ Do đó có thể tính sơ bộ được: Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ động cơ không vượt quá 10 khi tải có đặc tính mômen không đổi Phương 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 1.1.3.e- Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi thay đổi điện áp Kết luận :. .. 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 R f 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 10 Hình 1.1.3 a- Sơ đồ thay thế Hình 1.1.3.b- Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một... đương R-L-E *Nguyên lý hoạt động Chế độ động c : Trong khoảng 0 ≤ t ≤ , động cơ được nối nguồn qua , điện áp đặt lên động cơ là U Trong khoảng ≤ t ≤T , S1 ngắt, động cơ được nối ngắn mạch qua D 2 , điện áp đặt lên động cơ là 0 Chế độ hãm tái sinh: Trong khoảng 0 ≤ t ≤ γT , S2 ngắt, động cơ được nối nguồn qua D1 , điện áp đặt lên động cơ là U Trong khoảng γT ≤ t ≤ T , S2 dẫn, động cơ được nối ngắn mạch qua... 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 Uu 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... hỏng động cơ 1.3 Phương pháp PWM 1.3.1.Giới thiệu về phương pháp PWM Phương pháp điều chế PWM có tên tiếng anh là 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 đến sự thay đổi điện áp ra Sử dụng PWM điều khiển nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa nó còn được dùng để điều khiển ổn định tốc. .. và PWM Với lại mạch của chúng ta đơn giản đi rất nhiều Xung này được tạo dựa trên xung nhịp của CPU 2.3.4.Một vài ứng dụng nổi bật của PWM a PWM trong điều khiển động cơ Điều mà chúng ta dễ nhận thấy rằng là PWM rất hay được sử dụng trong động cơ để điều khiển động cơ như là nhanh , chậm, thuận ,nghịch và ổn định tốc độ cho nó 27 Cái này được ứng dụng nhiều trong điều khiển động cơ 1 chiều, và sơ đồ. .. 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 k : điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm năng lượng, kinh tế và hiệu quả cao, đồng thời đảm bảo được... khiển động cơ 1 chiều, và sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển động cơ DC là : Hình 1.3.4.a- Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển động cơ DC Đây là mạch đơn giản điều khiển động cơ Nếu muốn điều khiển động cơ quay thuận quay ngược thì phải dùng đến cầu H b Trong các bộ biến đổi xung áp Trong các bộ biến đổi xung áp thì PWM đặc biệt quan trọng trong việc điều chỉnh dòng điện và điện áp ra tải.Bộ biến đổi...Hình 1.1.3.a – Sơ đồ mở máy động cơ bằng giảm điện áp đặt vào phần ứng *Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình tính tốc độ động cơ sau: U n0 = C θ U − I u ( Ru + R f ) E e n= = = n0 − ∆n với C e θ C e θ ∆n = I u ( Ru + R f ) C e θ hay n = ( Ru + R f ).M U − C e θ C M C eθ 2 Từ hai phương trình trên ta thấy n (tốc độ của động cơ) phụ thuộc vào θ... 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 . = 0, M = 0, động cơ sẽ không quay được, do đó E ư = 0 và theo biểu thức U = E ư + R ư I ư thì dòng điện I ư sẽ rất lớn làm cháy động cơ. Nếu mômen do động cơ điện sinh ra lớn hơn mômen cản. là thay đổi. Một điều dễ thấy nữa là, do ta chỉ có thể đưa thêm R f chứ không thể giảm R ư nên ở đây chỉ điều chỉnh được tốc độ dưới tốc độ định mức. Do R f càng lớn đặc tính cơ càng mềm nên. 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: Do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ động cơ không vượt quá 10 khi tải có đặc tính mômen