Luận văn Điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ điện một chiều

Luận văn Điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ điện một chiều Mục lục BẢN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………………..... ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………..... ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ……………………………………… Ngày ….tháng …. Năm 2010 Giảng viên hướng dẫn (Ký,ghi rõ họ và tên) LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay công nghệ khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển .Trong đó nghành kỹ thuật điện tử đã đạt được nhiều thành tựu to lớn trong cuộc sống của con người.Cùng với sự phát triển đó ngành công nghệ kỹ thuật điện-điện tử cũng đã có những bước phát triển vượt bậc.Trong thời đại hiện nay máy móc đã và đang dần thay thế con người làm việc và để làm được việc đó các động cơ điện cũng rất quan trọng trong việc truyền động cho các cơ cấu đó.Gắn liền với việc sử dụng động cơ là quá trình điều khiển động cơ sao cho phù hợp với yêu cầu thực tế . Với mong muốn tìm hiểu, ứng dụng những tiến bộ của khoa học kỹ thuật hiện đại vào phục vụ sản xuất và phục vụ đời sống con người hơn nữa được sự hướng dẫn và giúp đỡ của thầy “ Vũ Hồng Sơn ”.Nhóm em đã thực hiện đề tài: “ Điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ điện một chiều ” .Do trình độ hiểu biết còn hạn chế, nên dù cố gắng hết sức trong việc thực hiện đề tài cũng không tránh khỏi thiếu sót .Mong các thầy(cô) chỉ bảo thêm để chúng em hiểu vấn đề được sâu sắc hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy “ Vũ Hồng Sơn ” đã nhiệt tình giúp đỡ chúng em hoàn thành tốt bản đồ án này Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tần Lý Trung Tấn. CHƯƠNG I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1.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 độ động cơ. Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM nó còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như là : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha...PWM chúng ta còn gặp nhiều trong thực tế và các mạch điện điều khiển. Điều đặc biệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặc tính là tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hoặc là sườn âm. Để dễ hiểu hơn ta có hình vẽ sau : Hình 1.1.Đồ thị dạng xung điều chế PWM 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  =  (t1/T).100 (%)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.(t1/T) = 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. 1.1.1.Nguyên lý của phương pháp PWM Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn tới tải và một cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt. Phần tử thực hiện nhiện vụ đó trong mạch các van bán dẫn.Xét hoạt động đóng cắt của một van bán dẫn. Dùng van đóng cắt bằng Mosfet Hình.1.2.Sơ đồ đóng ngắt nguồn với tải Hình 1.3.Đồ thị xung của van điều khiển và đầu ra Trên là mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung của chân điều khiển và dạng điện áp đầu ra khi dùng PWM.* Nguyên lý : Trong khoảng thời gian 0 - to ta cho van G mở toàn bộ điện áp nguồn Ud được đưa ra tải. Còn trong khoảng thời gian to - T cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải. Vì vậy với to thay đổi từ 0 cho đến T ta sẽ cung cấp toàn bộ , một phần hay khóa hoàn toàn điện áp cung cấp cho tải.+ Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :Gọi to là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở )còn T là thời gian của cả sườn âm và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải. ==> Ud = Umax.( t1/T) (V) hay Ud = Umax.Dvới D = t1/T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % Như vậy ta nhìn trên hình đồ thị dạng điều chế xung thì ta có : Điện áp trùng bình trên tải sẽ là :+ Ud = 12.20% = 2.4V ( với D = 20%)+ Ud = 12.40% = 4.8V (Vói D = 40%)+ Ud = 12.90% = 10.8V (Với D = 90%) 1.1.2.Các cách để tạo ra được PWM để điều khiển Để tạo được ra PWM thì hiện nay có hai cách thông dụng : Bằng phần cứng và bằng phần mềm. Trong phần cứng có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay là từ trực tiếp từ các IC dao động tạo xung vuông như : 555, LM556...Trong phần mềm được tạo bằng các chip có thể lập trình được. Tạo bằng phần mềm thì độ chính xác cao hơn là tạo bằng phần cứng. Nên người ta hay sử dụng phần mềm để tạo PWM1.1.2.1 Tạo bằng phương pháp so sánhĐể tạo được bằng phương pháp so sánh thì cần 2 điều kiện sau đây :+ Tín hiệu răng cưa : Xác định tần số của PWM+ Tín hiệu tựa là một điện áp chuẩn xác định mức công suất điều chế (Tín hiệu DC)Xét sơ đồ mạch sau : Hình.1.4.Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh Chúng ta sử dụng một bộ so sánh điện áp 2 đầu vào là 1 xung răng cưa (Saw) và 1 tín hiệu 1 chiều (Ref) + Khi Saw Ref thì cho ra điện áp là UrmaxVà cứ như vậy mỗi khi chúng ta thay đổi Ref thì Output lại có chuỗi xung độ rộng D thay đổi với tần số xung vuông Output = tần số xung răng cưa Saw.Với tần số xác định được là f = 1/(ln.C1.(R1+2R2) nên chỉ cần điều chỉnh R2 là có thể thay đổi độ rộng xung dễ dàng. Ngoài 555 ra còn rất nhiều các IC tạo xung vuông khác 1.1.2.2 Tạo bằng phương pháp dùng IC dao độngNHư chúng ta đã bít thì có rất nhiều IC có thể tạo được trực tiếp ra xung vuông mà không cần phải tạo tín hiệu tam giác làm gì vì trong đó nó đã tích hợp sẵn hết cả rồi và ta chỉ việc lắp vào là xong. Tôi lấy ví dụ dùng dao động IC555 vì con IC này vừa đơn giản lại dễ kiếm Hình 1.5.Mạch tạo xung đơn giản dung 555 Với tần số xác định được là f = 1/(ln.C1.(R1+2R2) nên chỉ cần điều chỉnh R2 là có thể thay đổi độ rộng xung dễ dàng. Ngoài 555 ra còn rất nhiều các IC tạo xung vuông khác 1.1.2.3 Tạo xung vuông bằng phần mềm.Đây là cách tôi ưu trong các cách để tạo được xung vuông. Với tạo bằng phần mềm cho độ chính xác cao về tần số và PWM. Với lại mạch của chúng ta đơn giản đi rất nhiều. Xung này được tạo dựa trên xung nhịp của CPU 1.1.3.Một vài ứng dụng nổi bật của PWM 1.1.3.1.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. Cái này được ứng dụng nhiều trong điều khiển động cơ 1 chiều. và sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển động cơ DC là :  Hình 1.6.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. 1.1.3.2. Trong các bộ biến đổi xung ápTrong 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 xung áp có nhiều loại như là biến đổi xung áp nối tiếp và bộ biến đổi xung áp song song. Lấy 1 mạch nguyên lý đơn giản trong bộ nguồn Boot đơn giản.Đây chỉ là mạch nguyên lý.  Hình 1.7.Sơ đồ mạch nguyên lý của mạch nguồn BootĐây là nguyên lý của mạch nguồn Boot. Dùng xung điều khiển để tạo tích lũy năng lượng từ trường để tạo điện áp ra tải lớn hơn điện áp vào.Ngoài những cái trên thì PWM còn được sử dụng trong các bộ chuyển đổi DC -AC , hay trong biến tần, nghịch lưu. 1.1.4.Ưu nhược điểm của mạch PWM dùng làm mạch điều khiển động cơ DC: 1.1.4.1.Ưu điểm: - Transistor ở lối ra chỉ có duy nhất hai trạng thái (ON hoặc OFF) do đó loại bỏ được mất mát về năng lượng đốt nóng hay năng lượng rò rỉ tại lối ra. - Dải điều khiển rộng hơn so với mạch điều chỉnh tuyến tính. - Tốc độ mô tơ quay nhanh hơn khi cấp chuỗi xung điều chế theo kiểu PWM so với khi cấp một điện áp tương đương với điện áp trung bình của chuỗi xung PWM. 1.1.4.2.Nhược điểm: - Cần các mạch điện tử bổ trợ - giá thành cao- Các xung kích lên 12 Volt có thể gây nên tiếng ồn nếu mô tơ không được gắn chặt và tiếng ồn này sẽ tăng lên nếu gặp phải trường hợp cộng hưởng của vỏ. - Ngoài ra việc dùng chuỗi xung điều chế PWM có thể làm giảm tuổi thọ của mô tơ. 1.2.Giới thiệu về mạch cầu H Mạch cầu H là được gọi là mạch cầu H vì  nó được cấu tạo bởi 4 transitor hay là Fet. Đôi khi mạch cầu H cũng được cấu tạo bởi 2 transitor hay Fet Tác dụng của transitor và Fet là các van đóng mở dẫn dòng điện từ nguồn xuống tải với công suất lớn. Tìn hiệu điều khiển các van là tín hiệu nhỏ (điện áp hay dòng điện) và cho dẫn dòng và điện áp lớn để cung cấp cho tải. Hiểu  như thế này tín hiệu điều khiển của mình là  nhỏ thường là tín hiệu đầu ra của vi điều khiển là nhỏ hơn 5V (do các điều chế PWM) mà điều khiển động cơ cần dòng điện và điện áp lớn. Các van điều khiển hay các chân điều khiển chỉ cần tín hiệu nhỏ (Điện áp hay dòng điện) là mở khóa (Transitor) dẫn dòng cho tải. Nên thế mới dùng mạch cầu HMạch cầu H có thể đảo chiều dòng điện qua tải nên thế nó hay được dùng trong các mạch điều khiển động cơ DC và các mạch băm áp. Đối với mạch điều khiển động cơ thì mạch cầu H có thể đảo chiều động cơ quá là đơn giản. Chỉ cần mở khóa các van đúng chiều mà mình muốn. 1.2.1.Các dạng của mạch cầu H Mạch cầu H được cấu tạo bởi 3 dạng chính: a,Dạng 1 Được cấu tạo bởi 4 transitor (Fet) Cùng kênh N.Nguyên lý mạch được cấu tạo như sau (dùng transitor để mình họa) Hình 1.8. Sơ đồ nguyến lý mạch cầu H dùng Transistor Đối với dạng này thì được cấu tạo bởi các transitor cùng kênh N. và chỉ cần 2 tín hiệu điều khiển kích mở các transitor b,Dang 2 Được cấu tạo bởi 2 cặp đôi transitor P,N hay FET (Thuận Ngược). Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của nó được cấu tạo như sau Hình 1.9.Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H dùng Transistor P,N hay Fet Đối với thiết kế này quả là thấy khá là ổn định .Và như thế chúng ta sẽ thấy là cần 4 tín hiệu điều khiển nhưng trong thực tế mình chỉ cần 2 tín hiệu điều khiển đã có thể điều khiển được Cho nên kiểu dạng 2 này được sử dụng nhiều trong lĩnh vực điều khiển hơn. c,Dạng 3 Mạch cầu H dùng Rơle:Là một dạng “công tắc”(switch) cơ điện (electrical mechanical device),chúng gồm các tiếp điểm cơ được điều khiển đóng mở bằng dòng điện .Với khả năng đóng mở các tiếp điểm ,rơ le đúng là một lựa chọn tốt để làm khóa cho mạch cầu H.Thêm nữa chúng lại được điều khiển bằng tín hiệu điện,Nghĩa là chúng ta có thể dùng AVR (hay bất kỳ chip điều khiển nào) để điều khiển Rowle, qua đó điêu khiển mạch cầu H. Hình 1.10 Cấu tạo và hình dáng của rơle thông dụng 1.2.2.Nguyên tắc hoạt động chung của mạch cầu H Trong hình 1, hãy xem 2 đầu Vvà GND là 2 đầu (+) và (-) của ắc quy, “đối tượng” là động cơ DC mà chúng ta cần điều khiển , “đối tượng” này có 2 đầu A và B, mục đích điều khiển là cho phép dòng điện qua “đối tượng” theo chiều A đến B hoặc B đến A.Thành phần chính tạo nên mạch cầu H chính là 4 “khóa” L1.L2,R1 VÀ R2(L:Left,R:Right). Ở điều kiện bình thường 4 khóa này “mở”,mạch cầu H không hoạt động.Tiếp theo ta khảo sát hoạt động của mạch cầu H thông qua các hình minh họa 1.11a và 1.11b Hình 1.11.Nguyên lý hoạt động mạch cầu H Giả sử bằng cách nào đó mà 2 khóa L1 và R2 được “đóng lại” (L1 và R1 vẫn mở), dễ dàng hình dung có một dòng điện chạy từ V qua khóa L1 đến đầu A và xuyên qua đối tượng đến đầu B của nó trước khi qua R2 và vè GND (Như hình 1.11a).Như thế, với giả sử này sẽ có dòng điện chạy qua đối tượng theo chiều từ A đến B.Bây giờ hãy giả sử khác đi rằng R1 và L2 đóng trong khi L1 và R2 mở ,dòng điện lại xuất hiện và lần này nó sẽ chạy qua đối tượng theo chiều từ B đến A như trong hình 1.11b (V->R1->A->L2->GND).Vậy là đã rõ chúng ta có thể dung mạch cầu H để đảo chiều dòng điện qua một “đối tượng”(hay cụ thể là đảo chiều động cơ) 1.2.3 Ưu nhược điểm của cầu H.a ) Ưu điểm : Sử dụng cầu H làm cho mạch trở nên đơn giản hơn và chỉ cần 1 nguồn điện.b) Nhược điểm : Nếu như mạch điều khiển thì cùng bật 2 công tắc ở cùng 1 nửa cầu thì sẽ mạch động lực của chúng ta bị ngắn mạch nguồn. Nếu hiện tượng xảy ra trong 1 thời gian ngắn (Quá độ ) Sẽ xuất hiện dòng trùng dẫn qua van công suất làm tăng công suất tiêu tán trên van. Nếu thời gian trùng dẫn đủ dài, dòng trùng dẫn sẽ lớn làm cháy van công suất. CHƯƠNG II.GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Trong nền sản xuất hiện nay, động cơ điện Không Đồng Bộ đang chiếm ưu thế so với động cơ điện một chiều. Đó là do sự ra đời của các máy biến tần, tuy vậy việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện Không Đồng Bộ vẫn còn là việc khó khăn. Do vậy, động cơ điện một chiều với đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt vẫn còn được dùng nhiều trong trong các ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ. Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu về động cơ điện một chiều dưới các góc độ: Nguyên lý hoạt động chung. Cấu tạo chung. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ. Các chế độ khởi động của động cơ điện một chiều. 2.1. NGUYÊN LÝ CHUNG Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên nguyên lý của hiện tượng cảm ứng điện từ. I Hình 2.1.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. Để tiến hành mở máy, đặt mạch kích từ vào nguồn Ukt, 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 Φmax tức là phải giảm điện trở của mạch kích từ Rkt 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 Eư = 0 và theo biểu thức U = Eư + RưIư thì dòng điện Iư sẽ rất lớn làm cháy động cơ. Nếu mômen do động cơ điện sinh ra lớn hơn mômen cản (M > Mc) rôto bắt đầu quay và suất điện động Eư sẽ tăng lên tỉ lệ với tốc độ quay n. Do sự xuất hiện và tăng lên của Eư, dòng điện Iư sẽ giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm hơn. 2.2. CẤU TẠO CHUNG. Động cơ điện một chiều bao gồm hai phần chính là: Phần tĩnh: Stato. Phần quay: Roto. 2.2.1. STATO. Đây là phần đứng yên của máy. Phần tĩnh bao gồm các bộ phận sau: cực từ chính, cực từ phụ, gông từ và các bộ phận khác. 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. 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 vỏ 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 than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than đúng chỗ. 2.2.2. Roto. 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. 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 ứng. 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 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. 2.3. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình 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. 2.3.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông θ M(Iư) θδ’’’ θδ’’ θδ’ θδđm n (vòng/phút) n0’’’ n0’’ n0’ n0đm Mđm(Iđm) Hình.2.2.Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều 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 = (U/Rư). 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. 2.3.2. 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). Tuy nhiên phương pháp này làm tăng công suất và giảm hiệu suất. n (vòng/phút) n0 Rf0 Rf1 Rf2 Rf3 Mđm(Iđm) M(Iư) Hình.2.3.Đồ thị đặc tính khi tải thay đổi 2.3.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp. n (vòng/phút) M(Iư) 4 2 3 1 (Uđm) Mđm(Iđm) Hình.2.4.Đồ thị đặc tính khi thay đổi điện áp 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 chỉ dùng cho động cơ điện một chiều kích thích 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 CHƯƠNG III.PHÂN TÍCH SỰ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH THIẾT KẾ 3.1.Sơ đồ khối của mạch điều khiển mạch lặp Tạo xung vuông Tạo xung răng cưa Mạch so sánh Van động lực Hình.3.1.Sơ đồ khối mạch điều khiển 3.2.Hoạt động của từng khối 3.2.1 Mạch lặp Hình 3.2.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=24v/2v=12V 3.2 .2 Khâu tạo xung vuông và điện áp răng cưa : Hình 3.3.a Hình 3.3.b T¹o ®iÖn ¸p tam gi¸c bằng cách tÝch ph©n xung vu«ng ở OA 1 nh­ h×nh 3.3.a .Xung vu«ng cã thÓ t¹o b»ng nhiÒu c¸ch kh¸c nhau. TÝch ph©n xung nµy chÝnh lµ qu¸ tr×nh n¹p, x¶ tô. NÕu ®iÖn ¸p vµo kh©u tÝch ph©n kh«ng ®èi xøng cã thÓ xuÊt hiÖn sai sè ®¸ng kÓ. §iÖn ¸p răng cưa trªn h×nh 3.3.b mang tÝnh phi tuyÕn cao. §iÖn ¸p răng cưa sẽ nhËn ®­îc tuyÕn tÝnh h¬n khi sö dông s¬ ®å h×nh 3.3.a. KhuÕch ®¹i OA 1 cã håi tiÕp d­¬ng b»ng ®iÖn trë R3, ®Çu ra cã trÞ sè ®iÖn ¸p nguån vµ dÊu phô thuéc hiÖu ®iÖn ¸p hai cæng V+, V-. §Çu vµo V+ cã hai tÝn hiÖu, mét tÝn hiÖu kh«ng ®æi lÊy tõ ®Çu ra cña OA 1, mét tÝn hiÖu biÕn thiªn lÊy tõ ®Çu ra cña OA 4. §iÖn ¸p chuÈn so s¸nh ®Ó quyÕt ®Þnh ®æi dÊu ®iÖn ¸p ra cña OA 1 lµ trung tÝnh vµo V-. Gi¶ sö ®Çu ra cñaOA 1 d­¬ng U1 > 0 khuÕch ®¹i OA 2 tÝch ph©n ®¶o dÊu cho ®iÖn ¸p cã s­ên ®i xuèng cña ®iÖn ¸p răng cưa. S­ên ®i xuèng cña ®iÖn ¸p tùa tíi lóc ®iÖn ¸p vµo R3, R5 tr¸i dÊu, tíi khi nµo V+ = 0 ®Çu ra cña OA 1 ®æi dÊu thµnh ©m. Chu kú ®iÖn ¸p ra cña OA 1 cø lu©n phiªn ®æi dÊu nh­ vËy cho ta ®iÖn ¸p ra nh­ h×nh3.1.b. TÇn sè cña ®iÖn ¸p răng cưa ®­îc tÝnh F=14.R4.C1.R5R3 = 14.100.10.10^-8.47100. =500Hz B»ng c¸ch chän c¸c trÞ sè cña ®iÖn trë vµ tô ®iÖn ta cã ®­îc ®iÖn ¸p tùa cã tÇn sè nh­ mong muèn. 3.2.3.Khâu so sánh điện áp: Hình 3.4.Mạch so sánh điện áp Hình 3.5.Đồ thị so sánh điện Uđk với Urc T­¬ng tù nh­ c¸c m¹ch so s¸nh th­êng gÆp. Kh©u so s¸nh cña PWM b¸o hiệu sự cân bằng giữa điện áp cần so sánh và điện áp chuẩn từ đó x¸c ®Þnh thêi ®iÓm më vµ kho¸ van b¸n dÉn. §ầu vµo cña kh©u nµy gåm cã hai tÝn hiÖu, ®iÖn ¸p tùa (®iÖn ¸p tam gi¸c) vµ ®iÖn ¸p mét chiÒu lµm ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn như trên hình 3.5 Tõ h×nh 3.5 thÊy r»ng trong mçi chu kú ®iÖn ¸p tùa (điện áp răng cưa) cã hai thời ®iÓm ®iÖn ¸p tùa b»ng ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn. T¹i c¸c thêi ®iÓm ®ã, ®Çu ra cña kh©u so s¸nh ®æi dÊu ®iÖn ¸p chẳng hạn điện áp đang ở mức dương sẽ chuyển xuống mức âm và ngược lại. T­¬ng øng víi c¸c thêi ®iÓm ®ét biÕn ®iÖn ¸p ®Çu ra cña kh©u so s¸nh cÇn cã lÖnh më hoÆc kho¸ van b¸n dÉn mµ ở đây chính là điều khiển đóng ngắt IRF 540. Bằng cách điều chỉnh biến trở để Udk thay đổi ta được dạng xung đầu ra thay đổi tương ứng điện áp sẽ thay đổi 3.2.4 Van động lực: Hình 3.6.Van động lực 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. 3.3.Một số yêu cầu đối với mạch điều khiển 3.3.1.Xung điều khiển phải đảm bảo yêu cầu về độ lớn của điện áp và dòng điều khiển : -Giá trị nhỏ nhất không vượt quá giá trị cho phép của nhà sản xuất . -Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo mở được thyristor trong mọi điều kiện -Tổn hao công suất trên các cực điều khiển phải nhỏ hơn giá trị cho phép . 3.3.2.Độ lớn xung điều khiển . -Khi tải của mạch có điện cảm lớn thì dòng điện chậm nên phải tăng độ rộng xung điều khiển.Thông thường độ rộng xung điều khiển không nhỏ hơn 0,5ms. 3.3.3.Chia độ dốc. Người ta chia độ dốc xung điều khiển làm hai phần: Độ dốc sườn trước và độ dốc sườn sau.Để mở Thyristor có thể XXXung sườn phía nào cũng được nhưng người ta thường sử dụng sườn sau để mở Thyristor. Vì vậy, độ dốc sườn trước xung điều khiển càng cao thì Thyristor càng tốt. Thông thường yêu cầu độ dốc của xung điều khiển là: d( A/ ms). 3.3.4.Độ đối xứng của xung trong các kênh điều khiển . Trong bộ biến đổi nhiều pha, nhiều van, độ đối xứng của các xung điều khiển giữa các kênh sẽ quyết định đến đặc tính ra của hệ .Nếu xung điều khiển không đối xứng thì dòng điện trong các pha sẽ có gí trị và hình dạng khác nhau làm mất cân bằng sức từ động của máy biến áp. Do đó làm tăng công suất máy biến áp. 3.3.5.Độ tin cậy . Mạch điều khiển phải đảm bảo làm việc tin cậy trong mọi điều kiện như nhiệt độ môi trường thay đổi, tín hiệu nhiều tầng…. Xung điều khiển phải ít phụ thuộc vào sự dao động của nhiệt độ, dao động của điện áp nguồn, khử được nhiễu cảm ứng và không để Thyristor mở ngoài ý muốn . 3.3.6.Lắp ráp và vận hành. Mạch điều khiển cũng như mạch điện phải sử dụng hết các thiết bị có sẵn, dễ lắp ráp,dễ thay thế,dễ điều chỉnh , lắp lẫn và mỗi khối có khả năng làm việc độc lập. 3.4.Sơ đồ chân của một số IC trong mạch Sơ đồ chân của IC LM324 Hình 3.7.Sơ đồ chân LM324 Hình 3.8 .Sơ đồ chân 7402 Bảng 3.1 Bảng trạng thái 4.Sơ đồ mạch thiết kế các khối hoàn chỉnh: Khối điều khiển tốc độ Khối đảo chiều thuận ngược KHỐI ĐẢO CHIỀU Khối nguồn ĐỘNG CƠ KHỐI NGUỒN KHỐI ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ SƠ ĐỒ MẠCH NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ TRÊN EAGLE SƠ ĐỒ MẠCH BORD THIẾT KẾ TRÊN EAGLE Tạo nguồn nuôi IC: Để tạo điện áp ra ổn định của nguồn nuôi 12 (V) ta chọn vi mạch ổn áp 78L12 có: Điện áp đầu vào ta chọn: Uvào= 24(V) Điện áp đầu ra: Ura= 12 (V) Dòng điện ra: Ira= ( 01) (A Tụ C1, C3 để lọc thành phần sóng hài bậc cao chọn: C1= 2200 Mạch điều khiển Kh©u c¸ch ly, t¹o ®iÖn ¸p ®ãng më IRF §Ó thay ®æi tèc ®é cña ®éng c¬ th× ta thay ®æi U®k th«ng qua chiÕt ¸p. Khi U®k thay ®æi lµm cho γ thay ®æi vµ ®é réng xung thay ®æi (®iÖn ¸p phÇn øng thay ®æi). Kh©u t¹o dao ®éng vµ t¹o ®iÖn ¸p: Chu kú xung tam gi¸c T=4RC ë ®©y ta chän tÇn sè b¨m xung f = 500 Hz phï hîp víi yªu cÇu t¶i ®éng c¬. Ta cã T=1/ f =1 / 500 = 2(ms) VËy ta cã T = 4RC =2.10-3 Chän R1=R2=47k , chän C= 0,001uF R=100 k Mạch lặp Hình 3.2.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 Khâu so sánh điện áp: Hình 3.4.Mạch so sánh điện áp §©y thùc chÊt lµ mét bé céng ®¶o dấu Khi ®ã Uss1= -Uss2 Hình 3.5.Đồ thị so sánh điện Uđk với Urc T­¬ng tù nh­ c¸c m¹ch so s¸nh th­êng gÆp. Kh©u so s¸nh cña PWM b¸o hiệu sự cân bằng giữa điện áp cần so sánh và điện áp chuẩn từ đó x¸c ®Þnh thêi ®iÓm më vµ kho¸ van b¸n dÉn. §ầu vµo cña kh©u nµy gåm cã hai tÝn hiÖu, ®iÖn ¸p tùa (®iÖn ¸p tam gi¸c) vµ ®iÖn ¸p mét chiÒu lµm ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn như trên hình 3.5 Tõ h×nh 3.5 thÊy r»ng trong mçi chu kú ®iÖn ¸p tùa (điện áp răng cưa) cã hai thời ®iÓm ®iÖn ¸p tùa b»ng ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn. T¹i c¸c thêi ®iÓm ®ã, ®Çu ra cña kh©u so s¸nh ®æi dÊu ®iÖn ¸p chẳn g hạn điện áp đang ở mức dương sẽ chuyển xuống mức âm và ngược lại. T­¬ng øng víi c¸c thêi ®iÓm ®ét biÕn ®iÖn ¸p ®Çu ra cña kh©u so s¸nh cÇn cã lÖnh më hoÆc kho¸ van b¸n dÉn mµ ở đây chính là điều khiển đóng ngắt IRF 540. Bằng cách điều chỉnh biến trở để Udk thay đổi ta được dạng xung đầu ra thay đổi tương ứng điện áp sẽ thay đổi Các thông số của động cơ điện 1 chiều như sau: Uđm = 24 (V) Pđm = 60W (W) f= 500 (Hz) 2p= 4 = 0.6 - Dòng điện phần ứng định mức động cơ: Iđm = = 4.1 (A) - Điện trở mạch phần ứng động cơ: Rư = 0,5.(1- ). = 0,5.(1- 0,6). 1,1 () Ta văn biến trở R=1k thì ta có V- =R4+R5R2+R4+R5.Vin=4.98,8.12=6.7(v) V(-) <V(+) Tần số dao động mức ra chân 7 là T=0.625ms Thì ta có tốc độ góc quay của động cơ là : W= 2π60 1T= n60 ( W=2πT ) n=60T=600.625.60.10^-3 = 1600 (vòng/phút) Tính Toán Mạch lực 1.Mạch động lực Nhóm sử dụng mạch cầu H bằng các MOSFET (IRF540 và IRF9540) để thiết kế mạch động lực nhằm cấp nguồn và điều khiển đảo chiều động cơ.Ngoài ra còn có một MOSFET làm nhiệm vụ cấp PWM để điều khiển tốc độ động cơ.Trong đò án nhóm sư dụng MOSFET loại cảm ứng. Đặc tính của MOSFET IRF540 (thường đóng) IRF9540 (thường mở) Hình 4.1 MOSFET loại cảm ứng MOSFET hay còn gọi là transistor có cực của cách li, có tác dụng như một khóa K. Việc kích đóng hay mở khỏa K tùy thuộc vào điện áp đạt vào chân G của FET.VG có thể âm hoặc dương Ta có đặc tính dẫn của MOSFET như hình Một số thông số quan trọng của MOSFET (IRF540) - Dòng làm việc Max từ 23A ~ 33A tùy nhiệt độ môi trường cao hay thấp - Kích dẫn bằng áp 0~20V - Nhiệt độ làm việc -55C ~ 175 C - Thời gian trễ +IRF 540 : turn on (11ns) và turn off (39ns) - Tần số chuyển mạch cực đại 1Mhz Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H dùng MOSFET .Phân tích mạch Mạch dùng 4 MOSFET (4 IRF540) để tạo cầu H điều khiển chiều động cơ. .IRF540 như một khóa thường mở, Theo mạch bình thường - Khi ta kích mức 1 vào chân A : Q2 đóng lại Q4 mở ra, dòng điện đi từ nguồn qua Q2,Q4 về Mass - Khi ta kích mức 1 vào chân B : Q2,Q4 đóng lại, dòng điện đi từ nguồn qua Q1,Q3 qua động cơ đến về Mass. - Khi có xung PWM thì MostFet sẽ đóng ngắt liên tục theo xung để điều khiển điện áp trung bình qua động cơ từ đó điều khiển được tốc độ động cơ. Ưu điểm của mạch : - Tránh được hiện tượng trùng dẫn do cùng 1 lúc chỉ có Q2, Q4 hoặc Q3, Q1 đóng mà thôi. - Có khả năng hãm : Khi ngưng cấp nguồn do quán tính nên trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng.Nếu ta cấp mức 1 hoặc mức 0 vào 2 chân A và B thì sẽ triệt tiêu CHƯƠNG IV:KẾT LUẬN Trong suốt quá trình thực hiện đề tài này, với nhiều cố gắng và nỗ lực của các thành viên trong nhóm cùng với sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy Vũ Hồng Sơn 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 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 tìn 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. Xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tần Lý Trung Tấn TÀI LIỆU THAM KHẢO SÁCH Tác giả Tên sách Nhà xuất bản Trần Trọng Minh Giáo trình điện tử công suất Nhà xuất bản giáo dục,xuất bản 11-2007 Nguyễn Bính Điện tử công suất Nhà xuât bản khoa học và kỹ thuật,xuất bản 3-2000 Lê văn Doanh Điện tử công suất Nhà xuât bản khoa học và kỹ thuật TÀI LIỆU ĐIỆN TỬ Các tài liệu trên Internet