đồ án môn học Lời nói đầu N gày nay, Khoa học _ Kĩ thuật đóng vai trò quan trọng thiếu trình phát triển kinh tế, cnh hđh đất nớc Trong thành tựu khoa học kỹ thuật phục vụ công phát triển đất nớc thành công, phải kể đến đóng góp nghành tự động hoá đời sống, nh sản xuất công nghiệp mà Điện tử công suất góp phần giải toán kĩ thuật phức tạp lĩnh vực tự động hóa Việc ứng dụng điện tử công suất vào truyền động điện điều khiển tốc độ động xí nghiệp công nghiệp đại ngày nhiều thiếu Một ứng dụng đtcs sản xuất công nghiệp điều khiển tốc độ động chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu) băm xung chiều có đảo chiều theo nguyên tắc không đối xứng Đồ án gồm phần sau: Phần A: Cơ sở lý thuyết Chơng I: Giới thiệu chung động điện chiều Chơng II: Động điện chiều kích từ Nam châm vĩnh cửu Chơng III: Các mạch băm xung chiều Chơng IV: Mạch điều khiển cho băm xung chiều có đảo chiều Phần B: Tính toán thiết kế Chơng V: Thiết kế mạch lực Chơng VI: Thiết kế mạch điều khiển Chơng VII: Thiết kế nguồn cấp cho mạch điều khiển Chơng VIII: Mô hệ thống máy tính Mặc dù chúng em nỗ lực cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi cộng với tâm cao nhất, song trình độ có hạn nên chúng em tránh khỏi nhiều sai sót, chúng em kính mong nhận đợc phê bình, góp ý thầy cô giáo bạn để đồ án chúng em đợc hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn Tự Động Hoá xncn, đặc biệt thầy giáo phạm quốc hải tạo điều kiện tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án môn học Sinh viên thực Lê Thị Thùy Linh Đề Thiết kế băm xung chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc không đối xứng) để điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ nam châm vĩnh cửu với số liệu cho trớc nh sau: Phơng án Điện áp lới điện (VAC) 220 Dòng điện định mức (A) 18 Điện áp phần ứng (V) 48 Phạm vi điều chỉnh tốc độ 15:1 đồ án môn học Sinh viên thực hiện: Lê Thị Thùy Linh Giáo viên hớng dẫn: Thầy Phạm quốc hải Nhóm đồ án ĐTCS Lớp TĐH1 K48 Tài liệu tham khảo Điện tử công suất _ Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh _ NXB Khoa Học Kỹ Thuật HN - Điện tử công suất (tập 1, tập 2) _ Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh _ NXB Khoa Học Kỹ Thuật HN Máy điện _Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu _ NXB Khoa Học Kỹ Thuật HN Bộ Khuếch đại xử lý IC tuyến tính _ William D Stanley _ NXB Khoa Học Kỹ Thuật HN Phân tích giải mạch điện tử công suất _ Phạm Quốc Hải, Dơng văn Nghi _ NXB Khoa Học Kỹ Thuật HN - Điện tử công suất _ Nguyễn Bính _ NXB giáo dục 2000 Truyền Động điện _ Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền _ NXB Khoa Học Kỹ Thuật HN Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất _ Trần Văn Thịnh _ NXB giáo dục Bài giảng điện tử công suất _ Trần trọng Minh _ NXB giáo dục 2000 đồ án môn học 10 trang Web http://Alldatasheet.com http://INF.com http://IGBT-scaledriver.com www.st.com www.kitsrus.com http://www.ee.ttu.edu http://homepages.which.net Mục lục Nội dung Tài liệu tham khảo A sở lý thuyết Chơng I: giới thiệu chung động điện chiều I.Vài nét tổng quan máy điện chiều Cấu tạo máy điện chiều Nguyên lý hoạt động động điện chiều Phân loại động điện chiều Các đại lợng định mức II Động điện chiều kích từ nam châm vĩnh cửu Giới thiệu động chiều kích từ nam châm vĩnh cửu (PMDC) Đặc tính làm việc động điện kích từ độc lập Đờng đặc tính Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động kích từ độc lập Các chế độ làm việc động Chơng II: Mạch băm xung chiều Bộ biến đổi xung áp nối tiếp II Bộ biến đổi xung áp song song III Bộ biến đổi xung áp chiều có điện áp lớn nhỏ điện áp vào IV Bộ chopper lớp C (bộ đảo dòng) V Bộ đảo áp VI Bộ băm xung chiều có đảo chiều VII Kết luận: Chơng III: Mạch điều khiển cho mạch băm xung chiều Trang 6 6 7 8 10 12 14 18 20 21 21 22 23 25 29 30 đồ án môn học I Yêu cầu chung mạch điều khiển II Nguyên tắc chung mạch điều khiển III Tính toán mạch điều khiển 1) Khâu tạo dao động khâu tạo điện áp tam giác 2) Khâu so sánh 3) Khâu xử lý tín hiệu 4) Khâu logic phân xung 5) Khâu tạo trễ 6) Khâu cách ly 7) Khâu tạo điện áp đóng mở van 8) Khâu phản hồi B tính toán thiết kế Chơng IV: thiết kế mạch lực I Tính chọn diode công suất II Chọn van IGBT III Thiết kế nguồn chỉnh lu chiều cấp điện cho động điện chiều kích từ độc lập Chơng V: thiết kế mạch điều khiển I Khâu tạo dao động khâu tạo ca II Khâu so sánh III Khâu xử lý tín hiệu IV Khâu lôgic phân xung V Khâu tạo trễ VI Khâu cách ly VII.Khâu tạo điện áp đóng mở IGBT VIII Khâu phản hồi tốc độ dòng điện Chơng VI: thiết kế nguồn cấp cho mạch điều khiển I Tính toán tham số cho mạch nguồn nuôi Chơng VIII: Mô hệ thống máy tính 30 30 31 31 32 32 33 33 34 35 35 37 37 37 38 39 42 42 43 43 44 45 46 47 48 50 50 54 A sở lý thuyết A sở lý thuyết Chơng I Giới thiệu chung động điện chiều Trong sản xuất đại, máy điện chiều đợc coi loại máy quan trọng, thiếu Nó dùng làm động điện, máy phát điện hay dùng điều kiện làm việc khác Động điện chiều giữ vị trí định nh công nghiệp giao thông vận tải, thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục phạm vi rộng (nh máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ) Một động điện chiều có giá thành đắt động không đồng hay động xoay chiều khác sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp nhng u điểm mà máy điện chiều đóng vai trò thiếu sản xuất đại Ưu điểm động điện chiều dùng làm động điện hay máy phát điện tuỳ theo điều kiện làm việc khác Song u điểm lớn động điện chiều điều chỉnh tốc độ khả tải Nếu nh thân động không đồng đáp ứng đợc đáp ứng đợc phí thiết bị biến đổi kèm (nh biến tần ) đắt tiền động điện chiều điều chỉnh rộng xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lợng cao Động điện chiều có công suất nhỏ khoảng 75% ữ 85%, động điện có công suất trung bình lớn khoảng 85% ữ 94% Công suất lớn động điện chiều vào khoảng 10000kw, điện áp vào khoảng vài trăm 1000V Hiện nay, hớng phát triển cải tiến tính vật liệu, nâng cao tiêu kinh tế động chế tạo máy có công suất lớn Với trình độ hiểu biết hạn chế, đồ án môn học đề cập tới vấn đề thiết kế băm xung chiều để điều chỉnh tốc độ có đảo chiều động chiều kích từ nam châm vĩnh cửu theo nguyên tắc không đối xứng I Vài nét tổng quan máy điện chiều Cấu tạo máy điện chiều Kết cấu máy điện chiều phân tích thành phần phần tĩnh phần quay a Phần tĩnh (stato): Là phận đứng yên máy gồm phận sau: - Cực từ chính: phận sinh từ trờng gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện hay thép cacbon ghép lại Trong máy điện nhỏ, dùng thép khối Dây quấn kích từ đợc quấn dây đồng có bọc cách điện - Cực từ phụ: đợc đặt cực từ dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép cực từ phụ thờng đợc làm thép khối Dây quấn cực từ phụ giống nh dây quấn cực từ - Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền cực từ, đồng thời làm vỏ máy - Các phận khác: nắp máy, cấu chổi than b Phần động (roto): gồm có phận sau: A sở lý thuyết - Lõi sắt phần ứng: dùng để dẫn từ Thờng dùng thép kỹ thuật điện có phủ cách điện mỏng mặt ghép lại để giảm tổn hao dòng điện xoáy gây nên - Dây quấn phần ứng: phần sinh s.đ.đ có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thờng làm dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ, dây quấn phần ứng có tiết diện tròn máy điện cỡ trung bình lớn, dây quấn phần ứng có tiết diện hình chữ nhật - Cổ góp: đợc gọi vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành chiều - Các phận khác gồm có: cánh quạt, trục máy Nguyên lý hoạt động động điện chiều Động điện chiều hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ: Khi đặt vào từ trờng dây dẫn cho dòng điện chạy qua dây dẫn từ trờng tác dụng từ lực vào dòng điện (vào dây dẫn) làm cho dây dẫn chuyển động Chiều từ lực đợc xác định theo quy tắc bàn tay trái Khi cho dòng điện kích thích vào cuộn dây kích thích Stato, khe hở không khí sinh từ thông Còn cho dòng điện phần ứng vào cuộn dây phần ứng đặt roto, dới tác dụng từ trờng dây quấn sinh momen điện từ trục máy kéo roto quay Vì vậy, chiều quay máy trùng với chiều quay momen điện từ Theo quy tắc bàn tay trái, momen điện từ lực điện từ tác dụng lên dẫn có chiều từ phải sang trái lực điện từ có giá trị f = B.l.i Phân loại động điện chiều Tuỳ theo cách kích thích từ động cơ, mà ngời ta phân loại động điện chiều theo loại sau: - Động điện chiều kích từ độc lập: loại động chiều có cuộn kích từ đợc cấp điện từ nguồn điện độc lập với nguồn điện cấp cho roto Thờng động có công suất lớn để điều chỉnh dòng điện kích từ đợc thuận lợi kinh tế I = I - Động chiều kích từ song song: cuộn kích từ cuộn dây phần ứng đợc cấp điện nguồn điện I = I + It - Động chiều kích từ nối tiếp: cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng Cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng nên ta có I = I =It Động loại đợc sử dụng nhiều chủ yếu nghành kéo tải điện - Động chiều kích từ hỗn hợp: từ thông đợc tạo tác dụng đồng thời cuộn kích từ: cuộn song song cuộn nối tiếp I = Iu +It Mỗi loại động tơng ứng với đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều khiển ứng dụng tơng đối khác phụ thuộc vào nhiều yếu tố Các đại lợng định mức Chế độ làm việc định mức đợc đặc trng đại lợng ghi nhãn máy gọi lợng định mức Trên nhãn máy thờng ghi đại lợng sau: Công suất định mức Pđm (kW hay W): công suất đa đầu trục máy Điện áp định mức Uđm (V) Dòng điện định mức Iđm (A) Tốc độ định mức nđm (vg/phút) A sở lý thuyết Ngoài ghi kiểu máy, phơng pháp kích từ, dòng điện kích từ số liệu điều kiện sử dụng II Động điện chiều kích từ nam châm vĩnh cửu Giới thiệu động chiều kích từ nam châm vĩnh cửu (PMDC) Khi cuộn dây kích thích Stato máy điện chiều bình thờng đợc thay nam châm vĩnh cửu máy điện trở thành máy điện chiều kích từ nam châm vĩnh cửu Nhờ cấu tạo mà động PMDC có kích thớc nhỏ gọn, giá thành rẻ làm việc hiệu máy điện có cuộn dây kích thích bình thờng khác Mạch từ động chiều kích thớc nam châm vĩnh cửu phụ thuộc vào loại vật liệu sử dụng để làm nam châm vĩnh cửu Vật liệu để làm nam châm vĩnh cửu máy điện chiều gồm có alnicos, ferit, vật liệu quý nh samarium coban neođim sắt Bo Nam châm vĩnh cửu làm ferit đợc sử dụng nhiều máy điện chiều giá rẻ Còn máy điện chiều yêu cầu chất lợng, hiệu suất cao sử dụng vật liệu quý Trong nhiều năm qua, máy điện PMDC đợc ứng dụng rộng rãi đợc cải tiến H1 Cấu tạo đơn giản phát triển liên tục Ngày có động PMDC loại máy PMDC di chuyển dễ dàng không cần phải sử dụng đến ổ cắm điện đợc cung cấp lợng từ loại pin Điểm thuận lợi loại pin có dung lợng lớn, lâu hết lợng xạc nhiều lần PMDC đáp ứng đợc yêu cầu sau: - Hoạt động đơn giản - Có thể dự đoán xác đặc tính làm việc động - Mômen quay mômen khởi động lớn giảm tốc độ nhanh chóng - Đặc tính điều chỉnh tốc độ rõ ràng - Kích thớc nhỏ gọn - Tiết kiệm lợng cần lợng cung cấp cho mạch kích từ, thờng điện áp thấp lấy từ pin Các động PMDC đợc dùng thay cho nhiều động xoay chiều nơi có yêu cầu cao điều khiển đợc sử dụng nhiều hệ thống không dây PMDC đợc dùng nhiều trog thiết bị hoạt động pin nh xe lăn đến thiết bị vận chuyển hay để mở cửa, thiết bị hàn, hệ thống phát tia X, thiết bị bơm Các động PMDC giải pháp tốt việc điều chỉnh truyền động thiết bị truyền lợng có kích thớc nhỏ gọn, dải điều chỉnh tốc độ lớn, có khả thích ứng với biến động nguồn điện cung cấp Nhu cầu ứng dụng động PMDC ngày phát triển sản phẩm thờng sử dụng động PMDC là: - Bơm động học thủy lực - Cần trục thang máy động lực A sở lý thuyết - Các phơng tiện nâng, nhấc - Các hệ thống chạy lợng mặt trời - Và thiết bị hoạt động pin Động PMDC phù hợp với thiết bị dùng động bánh chúng sinh momen quay lớn tốc độ thấp Động PMDC đặc biệt phù hợp với việc điều chỉnh tốc độ thiết bị điều khiển tự động (với thiết bị này, động PMDC làm việc 5000 v/p) Vì động điện PMDC đợc kích từ nam châm vĩnh cửu nên ta coi thuộc loại động kích từ độc lập đề tài ta xét đặc điểm động kích từ độc lập Đặc tính làm việc động điện kích từ độc lập Khi động làm việc, roto mang cuộn ứng quay từ trờng cuộn cảm nên cuộn ứng lại xuất sức điện động cảm ứng (hay gọi sức phản điện động) có chiều ngợc với chiều điện áp đặt vào phần ứng động Phơng trình điện áp mạch rôto là: U = E + I R Trong đó: U điện áp lới, V E sức điện động động cơ, V I dòng điện phần ứng động cơ, A E R điện trở toàn mạch phần ứng, R = R + Rp RP điện trở phụ mạch phần ứng, R điện trở mạch phần ứng, R = r + rct + r cb + rcp r - điện trở cuộn dây phần ứng, rct - điện trở tiếp xúc chổi than phiến góp, rcb - điện trở cuộn bù, rcP - điện trở cuộn phụ, Sức điện động phần ứng tỉ lệ với tốc độ quay roto: E = k Trong đó: - từ thông qua cực từ, Wb - tốc độ góc roto, rad/s p.N k hệ số phụ thuộc vào kết cấu động cơ: k = 2a với: p số đôi cực từ N số dẫn tác dụng cuộn ứng a số mạch nhánh song song cuộn ứng Nhờ lực từ trờng tác dụng vào dây quấn phần ứng có dòng điện, roto quay dới tác dụng momen quay A sở lý thuyết M = kI Phơng trình đặc tính động chiều kích từ độc lập R U = M k ( k) Đờng đặc tính R U M có dạng hàm bậc Phơng trình đờng đặc tính = k ( k) y=B + Ax, nên đờng biểu diễn hình vẽ H.2 đờng thẳng với độ dốc âm Đờng đặc tính cắt trục hoành điểm có U tung độ o = Tốc độ o tốc độ ứng với k MC = 0, nghĩa lực cản Đó tốc độ lớn động mà đạt chế độ động không xảy MC = (do lực masat tồn động quay) Tốc độ o đợc gọi tốc độ không tải lý tởng Khi toàn thông số điện động định mức nh thiết kế không mắc thêm điện trở phụ vào mạch động R = R phơng trình đặc tính là: U R = dm M c k dm ( k dm ) đờng đặc tính lúc gọi đờng đặc tính tự nhiên biểu diễn hình đm vẽ Điểm A hình vẽ gọi điểm làm việc định mức Ngời ta đa thêm đại l- Tạ o Đặc tính động điện U chiều kích từ độc lập ĐK A o = U dm k dm M So sá nh Tạ o xu ng ră ng ca Tạ o da o độ ng C M nm c M ợng = để đánh giá độ cứng Đặc h Đặc tính tự nhiên động điện ly chiều kích từ độc lập q tính dốc cứng ( lớn) u tức mômen biến đổi nhiều nhng tốc a độ biến đổi ngợc lại Đặc tính dốc n g mềm tức mômen biến đổi nhng tốc độ biến đổi nhiều thay đổi Phơng trình đặc tính đợc viết dới dạng: = o Với độ sụt dốc tỷ lệ với mô men tải: R M = M ( k dm ) Mđm A sở lý thuyết Mm.n In.m gọi mômen ngắn mạch dòng điện ngắn mạch Đó giá trị mômen lớn dòng điện ngắn động đợc cấp điện đầy đủ mà tốc độ Ta có: U U M nm = k dm dm = k dm I nm I nm = dm R R Dòng điện Inmthờng = (10 ữ 20)Iđm Nó gây cháy hỏng động tợng tồn kéo dài Do đó, mở máy phải thêm điện trở phụ R p vào mạch rôto để hạn chế dòng điện mở máy động chạy bị dừng lại, cần phải nhanh chóng cắt điện Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động kích từ độc lập (Bằng cách điều chỉnh thông số điện) a Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông Muốn thay đổi từ thông động cơ, ta tiến hành thay đổi dòng kích từ động qua điện trở mắc nối tiếp mạch kích từ Phơng pháp cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nghĩa giảm dòng điện kích từ ( I kt I ktdm ) Do thay đổi phía giảm từ thông Khi giảm từ thông, đặc tính dốc có tốc độ không tải lớn Phơng pháp điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông có đặc điểm: - Từ thông giảm tốc độ không tải lý tởng đặc tính tăng, tốc độ động lớn - Độ cứng đặc tính giảm giảm từ thông - Có thể điều chỉnh trơn dải điều chỉnh: D : - Chỉ thay đổi đợc tốc độ phía tăng theo phơng pháp - Do độ dốc đặc tính tăng lên giảm từ thông nên đặc tính cắt vậy, với tải không lớn (M1) tốc độ tăng từ thông giảm Còn với tải lớn, tốc độ tăng giảm tuỳ theo tải Thực tế, phơng pháp sử dụng với tải không lớn so với định mức - Phơng pháp kinh tế việc điều chỉnh tốc độ thực mạch kích từ với dòng kích từ (1 ữ 10) % dòng định mức phần ứng Tổn hao điều chỉnh thấp b Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở phụ Rf mạch phần ứng Nếu nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng phơng trình đặc tính trở thành: n (R + R f ) n = no M Rf = k no Khi tăng điện trở mạch phần ứng, đặc tính dốc nhng giữ nguyên tốc độ không Rf1 tải lý tởng Trên hình vẽ bên, ta có đờng đặc tính ứng với trị số khác Rf2 Rf, ứng với Rf = đặc tính tự Rf3 nhiên Nhận xét: 10 Mđm(Iđm) M(I) B tính toán thiết kế I1 = kBA I2 = U2 23,17 I2 = 14,688 =1,54 A U1 220 6- Hiệu suất thiết bị chỉnh lu 48.18 U I = d d = = 95% 907,2 S 7- Công suất biểu kiến máy biến áp : S2 = 3.U2.I2 = 3.23,17 14,688 = 1021 (VA) S1 = 3.U1.I1 = 3.220.1,54 = 1016 (VA) S1 + S 1021 + 1016 S= = 1019 (VA) 2 b Tính chọn Điốt : Tính chọn dựa vào yếu tố dòng tải, điều kiện toả nhiệt, điện áp làm việc Các thông số van đợc tính nh sau : +) Điện áp ngợc lớn mà điốt phải chịu : U Unmax = Knv.U2 = Knv d = 48 = 50,26 (V) Ku Trong : Knv = Ku= Điện áp ngợc van cần chọn : Unv = KdtU Un max = 2.50,26 = 100,53 V Trong : KdtU - hệ số dự trữ điện áp , chọn KdtU =2 +) Dòng làm việc van đợc tính theo dòng hiệu dụng : I 18 Ilv = Ihd = Khd Id = d = = 10,39 (A) 3 (Do sơ đồ cầu pha, hệ số dòng hiệu dụng: Khd = ) Chọn điều kiện làm việc van có cánh toả nhiệt đầy đủ diện tích toả nhiệt; Không có quạt đối lu không khí, với điều kiện dòng định mức van cần chọn: Iđm = Ki Ilv = 3,2.10,39 = 33,25 (A) Ki hệ số dự trữ dòng điện chọn Ki =3,2 từ thông số Unv ,Iđmv ta chọn Điôt loại C228B có thông số sau : Điện áp ngợc cực đại van : Un = 200 (V) Dòng điện định mức van : Iđm = 35 (A) Đỉnh xung dòng điện: : Ipik = 300 (A) Dòng điện xung điều khiển : Iđk = 40 mA Điện áp xung điều khiển : Uđk = 2,5 V Dòng điện rò : Ir = mA Sụt áp lớn tiristo trạng thái dẫn : U = 1,9 V Tốc độ biến thiên điện áp : du/dt = 50 V/s Thời gian chuyển mạch : tcm = 20 s 37 B tính toán thiết kế Nhiệt độ làm việc cho phép Chơng V : Tmax = 125 oC Thiết kế mạch điều khiển Trong mạch điều khiển, ta sử dụng IC khuếch đại thuật toán, chọn loại TL084 hãng Texas Instruments chế tạo, IC có khuếch đại thuật toán Các thông số TL084: Điện áp nguồn nuôi : Vcc = 12 (V) Hiệu điện hai đầu vào : 30 (V) Nhiệt độ làm việc : T = - 25 ữ 850 C Công suất tiêu thụ : P = 680 (mW) = 0,68 (W) Tổng trở đầu vào : Rin = 10 ( M) Dòng điện đầu : Ira = 30 ( pA) Tốc độ biến thiên điện áp cho phép : du/dt = 13 (V/às) 38 B tính toán thiết kế 14 12 13 11 10 - + + + - + Ucc Hình 1.39 Sơ đồ chân IC TL084 Dòng điện vào đợc hạn chế để Ilv < (m A) I Khâu tạo dao động khâu tạo ca Khuếch đại thuật toán chọn loại TL084 Với điện áp cung cấp 12V R Chu kỳ dao động: T = 4RC R2 Chọn tần số băm xung f = 400 Hz R1 1 Ta có: T = = = 2,5 ms = 0,0025 s = 2,5 ms Suy ra: T = 4RC R2 f 400 Điện áp khâu tạo dao động tạo ca có dạng ca có điện áp đỉnh điện áp bão hoà IC Với nguồn cấp cho OA 12 V điện áp bão hoà IC khoảng (80% ữ 90%).12V 10V Ta tính chọn R1, R2, R, C để điện áp max điện áp ca 10V Khi ta có: R U cc 12 = = = 1,2 R1 U rc 10 R2 = 1,2.R1 Chọn R1 = 33 k R2 = 1,2.R1 = 1,2.33 = 39,6 k , lấy giá trị chuẩn 39 k R 1,2 RC = 2,5.10 = 2,5.10 = 0,75.10-3 4.R1 39 B tính toán thiết kế chọn C = 0,1 àF suy R = 7,5 k II Khâu so sánh Điện áp ca có giá trị max = 10V sau đợc tạo thành từ khâu tạo dao động ca đợc đa vào khâu so sánh đợc so sánh với điện áp Uđk để tạo thành điện áp U ss1 Điện áp điều khiển đa vào khâu so sánh điện áp chiều điều chỉnh giá trị khoảng 10V đến + 10V III Khâu xử lý tín hiệu Khâu xử lý tín hiệu bao gồm phần tử NAND làm nhiệm vụ đảo dấu tín hiệu USS1 thành USS2 Phần tử NAND khâu xử lý tín hiệu đợc chọn vi mạch họ CMOS 74Cxx Tín hiệu vào EN đợc đa vào từ bên sở thông tin thu thập đợc từ khâu phản hồi.Tín hiệu EN dùng để điều khiển lúc cần đổi dấu USS1 lúc giữ nguyên quy tắc điều khiển EN: Tín hiệu vào Tín hiệuUra SS1 EN USS1 USS1 USS2 1 1 0 EN 1 0 USS1 USS2 Khâu xử lý tín hiệu Mức 1, thể giá điện áp vào tơng ứng mức cao, thấp Khi EN = 1: Khâu có tín hiệu trái dấu nhau: USS1 USS2 = - USS1 Khi EN = : Khâu có tín hiệu nhau: USS1 USS2 = USS1 Nói cách khác: tín hiệu EN sử dụng cần cho động hãm EN = IV Khâu lôgic phân xung Khâu lôgic phân xung dùng tín hiệu USS1 USS2 qua khâu xử lý tín hiệu để làm tín hiệu vào Khâu sử dụng IC GD75188 họ CMOS gồm phần tử NAND có cấu tạo nh hình vẽ bên Thông số: X1 X2 Y 0 1 1 1 Điện áp cung cấp: 12V Dải nhiệt độ làm việc đến 75o Công suất tiêu thụ 25oC với điện áp cung cấp 12V 576 mW Điện áp vào nhỏ mức cao 1,9 V 40 B tính toán thiết kế Điện áp vào lớn mức thấp 0,8 V Dòng vào mức cao 10 A Dòng vào mức thấp - 1,6 mA Chọn Diode loại D10D1 để làm nhiệm vụ chặn xung âm Các điện trở R7 đến R12 mạch chọn khoảng 10 k Sơ đồ tổng hợp khâu lôgic phân xung nh sau: Bảng trạng thái thể quy luật điều khiển không đối xứng nh sau: USS1 1 USS2 1 S1 S2 S3 S4 1 0 1 0 1 1 Trạng thái động Quay thuận Hãm Quay ngợc (đảo chiều quay) Hãm Nhận xét: không đợc để chế độ USS1 USS2 có giá trị xảy ngắn mạch gây cháy hỏng, chập mạch Tuy nhiên với quy luật điều chỉnh tín hiệu EN khâu xử lý tín hiệu, khó xảy trờng hợp USS1 USS2 V Khâu tạo trễ Ta có thời gian trễ Ttr = 0,693.R13.1C1.1 = 0,693.R13.2C1.2 = 0,693.R13.3C1.3 = 0,693.R1.4C1.4 Vì thời gian khóa IGBT nhỏ (~200ns) nên ta cần chọn Ttr = s = 0,693.R13.1C1.1 = 0,693.R13.2C1.2 = 0,693.R13.3C1.3 = 0,693.R13.4C1.4 Chọn C1.1 = C1.2 = C1.3 = C1.4 = 0,01 F 7.10 => R13.1 = R13.2= R13.3 = R13.4 = = 1010 = 1k 0,693.0,1.10 41 B tính toán thiết kế Chọn cổng NAND trigger smith loại GD4093B Chọn cổng AND loại CD4081 Toàn mạch điện phải dùng cổng AND nên ta chọn IC 4081 họ CMOS Một IC 4081 có cổng ADN, có thông số: +Nguồn nuôi IC: Vcc = 3ữ15 (V), chọn: Vcc = 12 (V) +Nhiệt độ làm việc: - 40o C ữ 80o C +Điện áp ứng với mức logic 1: 12(V) +Dòng điện nhỏ 1mA +Công suất tiêu thụ P = 2,5 (mW/1 cổng) IC GD4093B có thông số nh sau: + Nguồn nuôi: Vcc = đến 15V, chọn Vcc = 12V + Điện áp vào lớn mức thấp là: 5V + Điện áp vào nhỏ mức cao là: 7V + Thời gian trễ truyền tín hiệu 50 s VI Khâu cách ly Chọn ghép quang loại 4N35 có thông số: Dòng vào chạy qua Diode cực đại 60 mA, Dòng cực đại collector Tranzito quang: 150 mA, 42 B tính toán thiết kế Điện áp Tranzito 30V Điện áp cách ly 3350V Trong dòng điện chạy qua Diode quang có trị số khoảng (5 - 20mA), chọn 10mA 12V Chọn R15.i = = 1,2 k 0,01 Để tranzitor Q1 thông bão hoà cần IB > s Ic , mà IC chọn = 10 mA (ở trên) Do IB > 1,4 10.10 = 0,05 mA 300 Vậy Điện trở R14.i đợc chọn cho Uv 10,5 = = 210 k R14.i < I b 0,05.10 Chọn R14.i = 100 k Chọn R16.i = R17.i = R18.i có giá trị 100( ) Tầng Darlington chọn loại QM50HA-H Tranzito đệm cho QM50HA-H chọn loại D163 có thông số Ic = 6A; UCE = 100V VII Khâu tạo điện áp đóng mở IGBT Ta sử dụng Tranzito C828 có =300 làm việc nh khóa điện tử đóng mở theo chu kỳ xung đa vào qua khâu cách ly - Để Tranzito làm việc chế độ mở thông bão hòa cần IB > IC/ 15 (15) Khi Tranzito mở thông bão hòa IC = R 20.i + R 21.i Chọn R20.i = R21.i = 50 43 B tính toán thiết kế IC =30/100 = 0,3(A) => IB > 0,3 = (mA) 100 Uv 10 = =10 k I B 1mA Chọn R19 =3.3 k Tơng tự có R19.i = 3.3 ( k ) Vậy R19.i < VIII Khâu phản hồi tốc độ dòng điện Nh ta phân tích phần mạch lực ta biết, quy luật điều khiển không đối xứng có cách: ứng với cách động quay theo chiều khác nhau, muốn đảo chiều động phải đổi cách điều khiển van IGBT Tín hiệu USS1 USS2 đợc tạo đợc điều chỉnh từ khâu xử lý tín hiệu khâu so sánh Tín hiệu USS1 đợc tạo từ khâu so sánh đợc điều chỉnh thông qua việc điều chỉnh Uđk đợc tính toán từ trớc Điều chỉnh Uđk thay đổi đợc giá trị USS1 USS2 để điều khiển chế độ làm việc van IGBT theo quy luật lôgic đặt khâu lôgic phân xung Tín hiệu EN khâu xử lý tín hiệu định chế độ làm việc động (chiều quay động cơ) thuận hay nghịch, hay hãm Việc điều chỉnh Uss1 Uss2 Uđk có nghĩa điều chỉnh giá trị Điện áp đặt lên phần ứng động tỉ lệ với , nên điều chỉnh điều chỉnh đợc giá trị điện áp đặt lên phần ứng động Khi điều chỉnh đợc tốc độ động Nh vậy, phải điều chỉnh điện áp Uđk tín hiệu EN thu đợc từ khâu phản hồi tốc độ để điều chỉnh đợc chế độ làm việc động ứng với chế độ quay thuận quay ngợc dải điều chỉnh tốc độ 15:1 Tín hiệu EN mức cao (+12V) động làm việc chế độ thuận nghịch tín hiệu EN mức thấp (0V) động chế độ hãm Xét chế độ quay thuận (Uss1 =1; USS2 = 0) Van S1 S4 làm việc ngợc nhau, van S2 mở, van S3 khoá Theo phần lý thuyết Ta có: Ut = U mà có giá trị từ đến Khi = 1, điện áp đặt lên động có giá trị lớn ta có U t = U = Uđm = 48V tơng ứng với tốc độ lớn max Vì dải điều chỉnh tốc độ động 15 : Do dải điều chỉnh điện áp tải tơng ứng động 15 :1 Khi đó, tốc độ tơng ứng với điện áp đặt lên phần ứng động nhỏ U 48 U t = dm = = 3,2 V 15 15 U Và Utmin = Uđm = dm = 0,067 15 Nh dải điều chỉnh = 0,067 đến t + Ta có max = max = t0max=T = 2,5 ms (giá trị tạo thành khâu tạo dao T động) Mà Uđk > URC tín hiệu USS tạo thành có giá trị max, hình thành giá trị thời gian to cho động quay thuận Nh tomax = T tức Uđk có giá trị lớn = giá trị đỉnh xung ca = + 12V 44 B tính toán thiết kế Vậy Uđkmax = 12V cho điện áp phần ứng lớn tốc độ động lớn t +Ta có = o = 0,067 tomin = 0,067 2,5 = 0,1675 ms T to Do Uđkmin = U RC = 0,067.12 = 0,8 V tốc độ động nhỏ T Nh cách thay đổi Udk khoảng 0,8(V) đến 12(V) ta điều chỉnh đợc tốc độ động chế độ thuận dải điều chỉnh 15 :1 Xét chế độ quay ngợc (Uss1 =0; USS2 = 1) Van S3 S2 làm việc ngợc nhau, van S4 mở, van S1 khoá Theo phần lý thuyết Ta có: Ut = U mà có giá trị từ đến Khi = 1, điện áp đặt lên động có giá trị lớn ta có U t = U = Uđm = - 48V tơng ứng với tốc độ lớn max lúc điện áp đặt lên động ngợc với chiều điện áp cung cấp Vì dải điều chỉnh tốc độ động 15 : Do dải điều chỉnh điện áp tải tơng ứng động 15 :1 Khi đó, tốc độ tơng ứng với điện áp đặt lên phần ứng động nhỏ U 48 U t = dm = = 3,2 V 15 15 U Và Utmin = Uđm = dm = 0,067 15 Nh dải điều chỉnh = 0,067 đến t + Ta có max = max = t0max=T = 2,5 ms (giá trị tạo thành khâu tạo dao T động) Mà Uđk < URC tín hiệu USS tạo thành có giá trị 0, hình thành giá trị thời gian to cho động quay ngợc Nh tomax = T tức Uđk có giá trị nhỏ = giá trị đỉnh dới xung ca = - 12V Vậy Uđkmin = - 12V cho điện áp phần ứng lớn tốc độ động lớn theo chiều ngợc t +Ta có = o = 0,067 tomin = 0,067 2,5 = 0,1675 ms T to Do Uđkmin = U RC = 0,067.12 = - 0,8 V tốc độ động nhỏ theo T chiều ngợc Nh cách thay đổi Udk khoảng - 12(V) đến 0,8 (V) ta điều chỉnh đợc tốc độ động chế độ ngợc dải điều chỉnh 15 :1 Chơng VI Thiết kế nguồn cấp cho mạch điều khiển 45 B tính toán thiết kế Ta cần tạo nguồn điện áp 12V để cấp cho khâu hệ thống, nuôi IC, biến đổi, tốc độ điện áp đặt tốc độ Dùng mạch chỉnh lu cầu pha dùng điốt Chọn kiểu máy biến áp pha, trụ, trụ có cuộn dây: cuộn sơ cấp cuộn thứ cấp Và ta cần điện áp 15 (V) để cấp cho cách ly quang, nguồn điện áp đóng mở IGBT Ta dùng mạch chỉnh lu cầu pha dùng điôt Chọn kiểu máy biến áp pha ,3 trụ, trụ có cuộn dây: cuộn sơ cấp cuộn thứ cấp I tính toán tham số cho mạch nguồn nuôi a Cuộn thứ cấp thứ Ta chọn mạch chỉnh lu cầu pha dùng điốt, điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi: 12 U2 = = 8,48 V, ta chọn U2 = 9V Để ổn định điện áp nguồn nuôi ta dùng vi mạch ổn áp 7812 7912 có thông số chung nh sau: điện áp đầu vào: Uv = đến 35 V điện áp đầu ra: Ura = 12 V với IC 7812; Ura = - 12V với IC 7912 Dòng điện đầu ra: Ira = đến A 46 B tính toán thiết kế Tụ điện C1, C3 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao Chọn C1 = C2 = C3 = C4 = 470 àF ; U = 35 V b Cuộn thứ cấp thứ hai Ta cần tạo nguồn điện áp 15 (V) để cấp cho cách ly quang, nguồn điện áp đóng mở IGBT Để ổn định điện áp nguồn nuôi ta dùng vi mạch ổn áp 7815 7915 Điện áp đầu IC chọn 15V Điện áp đầu vào chọn 20V Điện áp thứ cấp cuộn a1,b1,c1 : 12 U2 = = 8,48 V, ta chọn U2 = 9V Để ổn định điện áp nguồn nuôi ta dùng vi mạch ổn áp LM7815 LM7915 Các thông số chung vi mạch này: Điện áp đầu vào : UV = 7ữ35 (V) Điện áp đầu : Ura= 15(V) với IC 7815 Ura= -15(V) với IC 7915 Dòng điện đầu ra: Ira = 0ữ1 (A) Tụ điện C5, C7 dùng để lọc thành phần sóng dài bậc cao Chọn C5 = C6 = C7 = C8 = 470 (àF) c Tính toán máy biến áp nguồn nuôi 1- Ta thiết kế máy biến áp dùng cho tạo nguồn nuôi, chọn kiểu máy biến áp pha trụ, trụ có cuộn dây, cuộn sơ cấp hai cuộn thứ cấp 2- Điện áp lấy thứ cấp máy biến áp làm điện áp đồng pha lấy thứ cấp làm nguồn nuôi: U2= 2U2đpha = UN = V 3- Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha: I2đpha = ( m A) 4- Công suất nguồn nuôi thứ cấp cho cách ly quang: P2 = 4.U2 I2d = 4.9.1.10-3 = 0,036 (W) 5- Công suất tiêu thụ IC TL 084 sử dụng làm khuếch thuật toán GD75188, phần tử họ CMOS 74Cxx CD4081; GD4093B P1 = PIC = 0,68 = 5,12 (W) - Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi PN = P1 + P2 = 0,036 + 5,12 = 5,15 (W) 7- Công suất máy biến áp có kể đến 5% tổn thất máy: S = 1,05 PN = 1,05 5,15 = 5,4 ( VA) 8- Dòng điện thứ cấp máy biến áp: I2 = S/ 6.U2 = 5,4/ (6.9) = 0,1 (A) 9- Dòng điện sơ cấp máy biến áp : I1 = S/ (3.U2 ) = 5,4/(3 220) = 0,0081 (A) 10- Tiết diện trụ máy biến áp đợc tính theo công thức kinh nghiệm : S =1,14( cm2) m.f kQ= 6- hệ số phụ thuộc phơng thức làm mát m= 3- số trụ biến áp Qt= kQ Trong đó: 47 B tính toán thiết kế f = 50- tần số điện áp lới 11- Chọn mật độ từ cảm B =1T trụ ta có số vòng dây sơ cấp : U1 w1 = = 8693 ( vòng) 4,44.f B.Qt 12- Chọn mật độ dòng điện J1= J2= 2,75 (A/mm2) Tiết diện dây quấn sơ cấp: S S1= = 0,003 (mm2) 3.U1.J1 đờng kính dây quấn sơ cấp : 4.S1 = 0,062 (mm) Chọn d1= 0,1 mm để đảm bảo độ bền Đờng kính có kể cách điện: dlcd= 0,12 (mm) 13- Số vòng dây quấn thứ cấp : W2 =W3 = W1 U2/ U1= 474 ( vòng) d Tính chọn điôt cho chỉnh lu nguồn nuôi : + Dòng điện hiệu dụng qua điôt : d1= ID.HD = I2 = 0,071 (A) + Điện áp ngợc lớn mà điôt phải chịu : UNmax= U2 = = 22 (v) + Chọn điôt có dòng định mức: Idm Ki IDMD = 10 0,1 =1,1 (A) Chọn điôt có điện áp ngợc lớn : Un = ku.UNmax = 22 = 44 (V) Chọn điôt loại KII208A có thông số: + dòng điện định mức: Idm = 1,5 (A) + điện áp ngợc cực đại điôt: UN = 100 (v) 48 B tính toán thiết kế Chơng VIII Mô hệ thống máy tính Sử dụng phần mềm Microsim Eval 7.1 mô kết mạch điều khiển mạch lực hệ thống I Mô kết mạch thiết kế A Điện áp sau khâu phát xung hình chữ nhật Chu kỳ: T = 2,5 ms B Điện áp ca 49 B tính toán thiết kế C Điện áp xung chữ nhật xung ca D điện áp so sánh Uss1 50 B tính toán thiết kế E điện áp so sánh Uss2 Nhận xét: kết mô mạch thiết kế tơng đối giống với kết tính toán 51 [...]... trung bình qua tải di Ta có L t + R.i t + E = U dt 1 T di t 1 T 1T 1T Do đó L + R.i t dt + E t dt = U t dt T o dt T 0 T0 T0 R.It + E = U U E It = R L U (1 b 11 ) (1 a 1 b 1 ) +Dòng trung bình qua van I S = R T (1 a 1 ) t e t0 e Rút gọn ta có IS = It a1 = b1 = +Dòng trung bình qua Điôt U.L. (1 a 1 b 1 ) (1 b 11 ) E ID = (1 ) = (1 )I t 1 a1 R +Giá trị trung bình điện áp ra tải Ut = U Vậy... 1 U d = [ T ì U (T T) ì ( U) ] = (2 1) U T U E (2 1) U E = -Dũng in trung bỡnh qua ng c l: Id = d R R D -in ỏp ngc ln nht t lờn cỏc Diode l U ng.max = U T 23 A cơ sở lý thuyết -Giá trị dòng trung bình qua tải là It = -Dòng trung bình qua Điôt : U E (2 1 ) R U 1T 2.U (1 b 11 ) (1 a 1 b 1 ) U E I D = i(t )dt = (1 ) (1 ) T0 R T 1 a1 R R E 2.U (1 ) U + E U (1 ) = (1 ) (2 1. .. đó xung ra là đối xứng Chu kì dao động: T= t1 + t2 = 2 t1 = 4 RC.(R1 / R2) 1 1 R Hay tần số xung f = = 4 RC 1 T R2 Tần số dao động phụ thuộc vào tần số băm xung của mạch lực, có thể từ vài trăm Hz đến vài chục KHz (thờng lấy chuẩn là 400 Hz) Giá trị C1 thờng đợc chọn theo tần số cao hay thấp Khi tần số khoảng vài trăm Hz thì tụ C1 có giá trị khoảng 0 ,1 àF Khi tần số khoảng vài chục KHz thì tụ C 1. .. e 1 E U 1 e ữ E L I min = ; I max = trong ú = T T ữ ữ R R 2 R R ữ R 2 ữ e 1 1 e I I U U (2 1) (1 ) nhp nhụ dũng in: I = max min d 2fL 16 fL 2 T 2 in ỏp trung bỡnh t trờn ng c: U d = 2 u d dt = 2 T 0 T T Udt = 2U = (2 1) U 0 U d E (2 1) U E = R R in ỏp ngc ln nht t lờn cỏc phn t l V Dũng in trung bỡnh Id = (2 1) U E R (2 1) U E Dũng trung bỡnh qua cỏc diot: I 2 = (1 )I d = (1 ... trớc cặp van T1,T2 một khâu tạo trễ Các cổng logic chạy họ CMOS với nguồn cung cấp là 12 V, cổng AND chọn loại CD40 81 Riêng cổng NAND phải chọn họ có ngỡng Trigger Smith,VD: loại GD4093B Thời gian trễ đợc xây dựng bởi ttrễ = 0,693.R 11. 1.C1 .1 Để mạch làm việc an toàn thì ta phải có ttrễ > toff của van Dựa vào Datasheet của loại IGBT đã chọn ta sẽ xác định R13 .1, C1 .1 Tụ C và R tạo thành những xung kim, độ... Trạng thái động cơ 1 0 1 1 0 0 Quay thuận 1 1 0 1 0 1 Hãm 0 1 0 0 1 1 Quay ngợc (đảo chiều quay) 1 1 0 1 0 1 Hãm Từ bảng trạng thái trên, ta dùng một bộ NAND họ CMOS GD7 518 8 dùng 4 phần tử NAND Sơ đồ tổng hợp của mạch logic phân xung: 29 A cơ sở lý thuyết Do các OA dùng nguồn nuôi hai cực tính nên sẽ xuất hiện các xung âm Vì vậy ta phải chặn các xung âm từ đầu ra bộ so sánh và bộ đảo dấu bằng các... max min = T 2 2R e 1 ữ ữ ữ T x2 1 nờn s dng cụng thc tớnh gn ỳng e x = 1 + x + ta c 2 U U Id (1 ) Id max = 8fL 2fL Do Dũng trung bỡnh qua S1 ( D1 ) l: I1 = Id Dũng trung bỡnh qua S2 ( D2 ) l: I 2 = (1 )I d V B o ỏp a Sơ đồ nguyên lý 19 A cơ sở lý thuyết b Nguyên tắc điều khiển Chu kỡ úng ct ca mi van l T, S1 v S2 c kớch dn lch pha mt khong thi gian T/2, mi van S1, S2 c kớch vi gúc dn... USS1 lúc nào thì giữ nguyên Phần tử NAND EN trong khâu xử lý tín hiệu có thể đợc chọn là một vi mạch của họ CMOS 74Cxx 4) Khâu logic phân xung Khâu xử lý tín hiệu Là khâu quyết định dạng xung đa tới các IGBT và điều khiển đóng mở các van này để tạo thành các chế độ quay thuận và quay nghịch của động cơ Ta lập bảng trạng thái sau: USS1 USS2 S1 S2 S3 S4 Trạng thái động cơ 1 0 1 1 0 0 Quay thuận 1 1 0 1. .. điốt là ID = (1 - )It Do đó giá trị dòng định mức của động cơ là Iđm = 18 A cũng chính bằng giá trị dòng điện lớn nhất qua điôt Khi đó dòng điện làm việc qua van cần chọn là: 34 B tính toán thiết kế 1 1 * I max = * 18 = 30 A 0,60 0,60 Ta chọn điốt loại 77 21 có các thông số sau: I van = Ký hiệu 77 21 Trong đó: Imax (A) 30 Un (V) 10 0 Ipik (A) 200 U (V) 1. 3 Ith (A) 80 Ir (A) 1mA Tcp(o C) 17 5 Imax dòng... t t (1 e ) + I min e R Trong khong S2 ( D2 ) dn, in ỏp t lờn ng c l 0, ta cú: di Ri + L + E = 0 dt (t T) (t T) Suy ra: i(t) = E (1 e ) + I max e R T T U e 1 E U 1 e ữ E L I min = ; I max = trong ú = T T ữ ữ R R R R ữ R ữ e 1 1 e i(t) = T T 1 1 in ỏp trung bỡnh trờn ng c: U d = u d dt = Udt =U T0 T0 U E U E = Dũng in trung bỡnh: Id = d R R T T (1 )T I I U 1+ e e