đồ án môn học điện tử công suất '''' tốc độ động cơ điện một chiều và thiết kế mạch ''''

Chỉ tiêu điều chỉnh tốc độ: Điều chỉnh tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động điện tự độngnhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của các máy sản xuất.. Để đánh giá chất lượng c

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 4

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 5

LỜI NÓI ĐẦU 6

PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU: 7

1.1 Chỉ tiêu điều chỉnh tốc độ: 7

1.2 Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi từ thông : 8

1.3 Điều chỉnh bằng thay đổi điện áp phần ứng động cơ: 9

1.4 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng: 12

PHẦN 2: THIẾT KẾ MẠCH 15

CHƯƠNG I: MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU 15

I.1 Giới thiệu chung 15

I.2 Chức năng 15

I.3 Nguyên lý hoạt động của mạch thực tế: 19

I.3.1 Khâu tinh chỉnh 19

I.3.2 Khâu điều chỉnh thô: 19

CHƯƠNG II: MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 20

1 Mạch phát xung 20

1.1 Giới thiệu IC HA555N 20

1.2 Cấu tạo bên trong và nguyên tắc hoạt động của IC 555 21

1.3 Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính các giá trị trong mạch: 24

1.4 Ứng dụng của IC 555: 26

1.5 Mạch ứng dụng: 27

2 Khâu logic: 29

3 Phần tử cách li: 30

4 Mạch động lực 30

CHƯƠNG III: CHẾ TẠO VÀ KIỂM TRA MẠCH 32

3.1 Tư liệu ban đầu và các thiết bị cần thiết cho quả trình lắp mạch: 32

3.2 Quá trình lắp thử mạch: 32

TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

GVHD: Bùi Trung Thành

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hưng Yên, tháng 6 năm 2009

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Hưng Yên, tháng 6 năm 2009

GVHD: Bùi Trung Thành

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kĩ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghịêp địên tử thì các thiết bị điện tử có công suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các nghành kinh tế quốc dân và đời sống hang ngày đã và đang được phát triển hết sứa mạnh mẽ.

Tuy nhiên để đáp ứng nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công nghiệp thì các nghành điện tử công suất luôn phải nghiên cứu và tìm ra giải pháp tối ưu nhất Đặc biệt với chủ chương công nghiệp hoá hiện đại hoá của nhà nước, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vào trong sản xuất Do đó đỏi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an toàn chính xác Đó là nhiệm vụ của nghành điện tử công suất cần phải giải quyết.

Để giải quyết vấn đề này thì nước ta cần phải có đội ngũ thiết kế đông

đảo tài năng Sinh viên nghành Tự động hoá tương lai không xa sẽ đứng trong

đội ngũ này, do đó mà phải tự trang bị cho mình những kiến thức, trình độ và sự

hiểu biết sâu rộng Do đó bài tập lớn Điện tử công suất là một bài kiểm tra

khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên, và cũng là điều kiện để cho sinh

viên nghành Tự động hoá tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về điện tử công

suất Vì vậy là sinh viên năm thứ hai mới bắt đầu làm quen với những kiến thức

về chuyên nghành, chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế nên khi làm bài tập lớn cần phải có sự hướng dẫn của các thầy cô giáo

Qua đồ án này đã giúp chúng em hiểu them được rất nhiều kiến thức về

bộ môn này cũng như hiểu them được kiến thức chuyên nghành tự động hoá của mình.

Xin chân thành cảm ơn!

Ngày 01 tháng 6 năm 2009 Nhóm sinh viên

PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN

MỘT CHIỀU:

1.1 Chỉ tiêu điều chỉnh tốc độ:

Điều chỉnh tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động điện tự độngnhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của các máy sản xuất Để đánh giá chất lượng củamột hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêu sau:

- Sai số tốc độ: Là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt vàthường được tính theo phần trăm (%)

ω ω

=

% S

= ω

Trong đó: i là giá trị tốc độ ổn định đạt được ở cấp i

i+1: Giá trị tốc độ đạt được ở cấp kế tiếp (i++1)

Hệ điều chỉnh vô cấp nếu 

i

i + 1 ω

=

ω  1 tức là hệ truyền đông

Có thể làm việc ổn định với mọi giá trị trong suốt dải điều chỉnh

Hệ điều chỉnh có cấp khi nó chỉ làm việc ổn định ở một số gí trị tốc độ trong dải điềuchỉnh

- Độ rộng điều chỉnh (dải điều chỉnh):

Dải điều chỉnh hay phạm vi điều chỉnh là tỉ số giữa giá trị lớn nhất của tốc độ làm việcứng với mô men tải đã cho

Giá trị cực đại max bị hạn chế bởi độ bền cơ học của động cơ và với động cơ một chiều

nó còn bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp Tốc độ nhỏ nhất 𝜔min bị chặn

GVHD: Bùi Trung Thành

dưới bởi yêu cầu về mô men khởi động và khả năng quá tải và về sai số tốc độ làmviệc cho phép.

Nhìn vào phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều:

M

)k(

PPk

U

2 f

­

­   



ΦΦ

ω

Có thể điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng những phương pháp sau:

+ Điều chỉnh từ thong kích từ của động cơ

+ Điều chỉnh điện trở trên mạch phần ứng

+ Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ

Điều chỉnh từ thong kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mô men điện

từ của động cơ M = kIvà sức điện động quay của động cơ E = k

Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến Vì vậy hệ điều chỉnh từ thong cũng là hệphi tuyến

Thường khi điều chỉnh từ thong thì điện áp được giữ nguyên ở giá trị định mức do đóđặc tính cơ thấp.

Trong vùng điều chỉnh từ thong chính là đặc tính cơ có điện áp phần ứng định mức, từthong định mức được gọi là đặc tính cơ bản (đôi khi chính là đặc tính cơ tự nhiên ).Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của

cổ góp điện Khi giảm từ thong để tăng tốc độ quay của động cơ đồng thời điều kiệnchuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi

+ ưu- nhược điểm:

- điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp này ta thu được tố độ động cơlơan hơn tốc độ định mức và điều chỉnh về phía giảm từ thông

- Khi giảm từ thong ta thu được đặc tính cơ dốc hơn đặc tính cơ định mức Do đó

độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thong

- Chỉ làm việc trong phạm vi tải nhỏ chứ không dung được cho tải lớn vì M =kIư giảm từ thông thì mômen giảm rất nhiều

- Khi điều chỉnh bằng giảm từ thong rất dễ mất đến mất từ thong làm cho dòngđiện tăng lên rất nhanh làm hỏng động cơ

Đặc tính điều chỉnh khi thay đổi điện áp

Khi điều chỉnh tốc độ động cơ theo điện áp phần ứng động cơ thì điện áp kích từ làkhông đổi Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập, cần cóthiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, bộ phận chỉnh lưu điềukhiển… Các thiết bị náy có chức năng biến năng lượng xoay chiều thành một chiều cósức điện động Eb điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Uđb

Phương trình cân bằng điện áp ở chế độ xác lập:

Eb – E = I (Rb = Rd)

Phương trình đặc tính cơ:

M.)k

(

RR

k

E

2 b

Vì từ thong của động cơ điện được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng khôngđổi Còn tốc độ tải lí tưởng phụ thuộc vào điện áp điều khiển Uđk

Để thấy được dải điều chỉnh tốc độ ta thấy đựơc tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặnbởi đặc tính cơ bản được giữ ở giá trị định mức

Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi sai số tốc độ và về mô men khởiđộng Khi mômen tải là định ứng thì tốc độ lớn nhất và nhỏ nhất là:

ω = Mβ® m

max max ω 0

ω ω0 β® m

min min

Trong đó kM là hệ số quá tải về mômen

Vì họ đường đặc tính cơ là đường thẳng song song nên theo độ cứng đặc tính cơ ta có:

min = (Mnmmin – Mđm)

β

M

=β

(kM-1)

1 1 β

dm M

dm o

k

M M

10

M

β ω

dm

max

Vậy với tải có tính mômen không đổi thì phạm vi điều chỉnh không vượt quá 10 Do

đó, muốn nâng cao dải điều chỉnh phải cấu trúc theo hệ kín

Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng các đặc tính cơ trong toàn dải là nhưnhau Do đó, độ sụt tốc tương đối sẽ đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất của dảiđiều chỉnh

min 0 min

0

min min 0

ω

ω ω

S  M dm S cp

min 0



Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thong kích từ được giữnguyên, do đó mômen cho phép của hệ sẽ là không đổi

Mcp = kđm Iđm = Mđm

Ưu điểm: Độ điều chỉnh trơn, dải điều chỉnh rộng Có thể giảm tốc độ xuống thấp mà

đặc tính cơ vẫn cứng dẫn đến độ ổn định tốc độ cao Mômen mở máy giảm khôngnhiều, Khi giảm tốc độ sẽ xảy ra hiện tượng hãm tái sinh

Không có tổn thất trong mạch phần ứng Phương pháp này có thể áp dụng cho non tải,tải định mức

Nhược điểm: Chỉ điều chỉnh tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản Muốn thay đổi phải có

nguồn điện áp phần ứng

Đây là phương pháp kinh điển dung để điều chỉnh tốc độ động cơ trong nhiều năm.Nguyên lí điều khiển:

Trong phương pháp này người ta giữ U = Uđm;  = đm và nối thêm điện trở phụ vàomạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng:

k M





Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ

Ứng với điện trở phụ Rf=0 ta có đặc tính cơ tự nhiên TN có giá trị lớn nhất nên đặctính cơ tự nhiên có độ cứng cứng hơn tất các đặc tính có điện trở phụ

Như vật khi thay đổi điện trở phụ ta có được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặctính cơ tự nhiên

 Đặc điểm của phương pháp:

- Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơcàng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn

- Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ địnhmức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm)

- Chỉ áp dụng cho động cơ có công suất nhỏ, vì tổn hao trên điện trở phụ làmgiảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cầu trục

 Đánh giá các chỉ tiêu:

GVHD: Bùi Trung Thành

- Tính liên tục: Phương pháp này không thể điều khiển lien tục được mà phảiđiều khiển nhảy cấp.

- Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải Tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh

D = max / min càng nhỏ Phương pháp này có thể điều chỉnh trong dải D=3:1

- Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở lớn

- Chất lượng không cao dù điều khiển rất dơn giản



Nhận xét: Qua các phương pháp điều chỉnh trên ta thấy phương pháp điều

chỉnh phần ứng động cơ là phù hợp vì khi thay đổi điện áp phần ứng động cơ, ta đượcmột họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên Khi thay đổi điện áp thì Mnm,

Inm của động cơ giảm, tốc độ của động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định

PHẦN 2: THIẾT KẾ MẠCH CHƯƠNG I: MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

I.1 Giới thiệu chung

LM 723 là một bộ điều chỉnh điện áp được thiết kế chủ yếu cho một loạt những ứng dụng Bởi chính bản thân nó, nó sẽ cho dòng ra lên tới 150mA; đồng thời bên ngoài

có thể bổ xung thêm dòng điện để được dòng cung cấp cho tải như mong muốn Trên đường đặc tính của mạch dòng dự trữ vô cùng chậm, và sự cung cấp này tạo nên sự tuyến tính đồng thời hoặc giới hạn dòng phản hồi

LM 723 được sử dụng rộng rãi,ngoài việc sử dụng làm bộ đièu chỉnh điện áp nó còn được sử dụng với những chức năng như bộ điều chỉnh dòng điện hay bộ điều khiển nhiệt độ

I.2 Chức năng

+ Tạo ra dòng điện đầu ra 150mA không cần thêm transistor mắc mạch ngoài

+ Tạo ra dòng tới 10A bằng cách mắc thêm transistor mạch ngoài

+ Điện áp đầu vào tối đa 40V

1 NC Không dùng đến

4 Inverting input Đầu vào –IN của OP-AMP bên trong IC

5 Non-inverting input Đầu vào +IN của OP-AMP bên trong IC

13 Frequency compesation Chân so sánh tần số

Sơ đồ khối:

Bao gồm các khối:

- Tạo điện áp chuẩn VREF = 6-7 V thông qua Voltage reference Amplifier

- Điều chỉnh điện áp ra: Sử dụng Ic khuếch đại thuật toán (Error Amplifier) cùng với hai transistor Lúc này tín hiệu đầu vào sẽ đựơc đưa đến đầu vào đảo và đầu vào không đảo, đầu ra sẽ được dung để điều khiển cực bazơ của transistor

1 để lấy tín hiệu ra tại chân E của T1 Đồng thời việc kích mở của T1 còn phụ thuộc vào việc dẫn mở của Transistor 2 Nếu T2 dẫn sâu thì điện áp đầu ra tại chân E của T1 giảm và ngược lại

Sơ đồ nguyên lý:

Những giá trị được ước lượng :

Xung điện áp từ V+ tới V- (50ms) 50V

GVHD: Bùi Trung Thành

Vùng nhiệt độ cho phép 0 0

Nhiệt độ mạch 3000C(hàn trong thời gian không quá 4s)

Tính chịu nhiệt 𝜽JA

Không khí tĩnh 1000C/W

500LF/ Luồng không khí nhỏ nhất 610C/WBình kim loại (không khí tĩnh) 1560C/WBình kim loại (500LF/luồng không khí nhỏ nhất) 890C/W

𝜽JC

CERDIP 220C/W

Bình kim loại 370C/W

Giới hạn ESD 1200V

I.3 Nguyên lý hoạt động của mạch thực tế:

S

ơ đồ nguyên lí:

I.3.1 Khâu tinh chỉnh

Tín hiệu lấy ra từ chân 6 ssẽ được phân áp qua bộ phân áp gồm Pot 6 và Pot 2 và R8 sẽđược đưa vào chân 2 của LM723 Ta có: IIC= ICT2+ IBT1 Do đó việc điều chỉnh điện ápcủa chân 2 sẽ làm thay đổi dòng trên ICT2 và làm thay đổi dòng và áp tại đầu ra của IC

Do đó khâu này có thể điều chỉnh điện áp ra ở một phạm vi nhỏ

I.3.2 Khâu điều chỉnh thô:

Bao gồm các biến trở Pot1, pot3, Pot5, Pot4 Thông qua điều chỉnh khối này sẽ giúpthay đổi điện áp đặt vào chân 4 Khi Tăng điện trở thì điện áp vào chân 4 sẽ nhỏ dẫnđến điện áp tăng Và ngược lại khi giảm điện trở thì điện áp đầu ra sẽ giảm

GVHD: Bùi Trung Thành

CHƯƠNG II: MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Sau đây chúng tôi xin được giới thiệu sơ qua về IC HA555

1.1 Giới thiệu IC HA555N

IC HA555 N gồm có 8 chân

- chân số 1(GND): cho nối mase để lấy dòng cấp cho IC

- chân số 2(TRIGGER): ngõ vào của 1 tần so áp.mạch so áp dùng các transistor PNP.Mức áp chuẩn là 2*Vcc/3

- Chân số 3(OUTPUT): Ngõ ra trạng thái ngõ ra chỉ xác định theo mức volt cao(gầnbằng mức áp chân 8) và thấp (gần bằng mức áp chân 1)

- Chân số 4(RESET): dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối masse thì ngõ

ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức

áp trên chân 2 và 6

- Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối mase Tuy nhiên tronghầu hết các mạch ứng dụng chân số 5 nối masse qua 1 tụ từ 0.01uF  0.1uF, các tụ cótác dụng lọc bỏ nhiễu giữ cho mức áp chuẩn ổn định

- Chân số 6(THRESHOLD) : là ngõ vào của 1 tầng so áp khác Mạch so sánh dùng cáctransistor NPN mức chuẩn là Vcc/3

- Chân số 7(DISCHAGER) : Có thể xem như 1 khóa điện và chịu điều khiển bỡi tầnglogic Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì nó mở ra Chân 7

tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động

- Chân số 8 (Vcc): cấp nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC Nguồn nuôi cấp cho IC

555 trong khoảng từ +5v  +15v và mức tối đa là +18v

1.2 cấu tạo bên trong và nguyên tắc hoạt động của IC 555

- Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành

3 phần Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương củaOp-amp 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2 Khi điện áp ở chân 2nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [1] và FF được kích Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3VCC, chân R của FF = [1] và FF được reset

b Ngyên tắc hoạt động:

GVHD: Bùi Trung Thành

Khi mới đóng mạch, tụ C nạp qua Ra, Rb, với thời hằng (Ra+Rb)C.

- /Q = 1 > Transistor dẫn, điện áp trên chân 7 xuống 0V !

- Tụ C xả qua Rb Với thời hằng Rb.C

- Điện áp trên tụ C giảm xuống do tụ C xả, làm cho điện áp tụ C nhảy xuống dưới2Vcc/3

- /Q = 0 > Transistor không dẫn -> chân 7 không = 0V nữa và tụ C lại được nạp điệnvới điện áp ban đầu là Vcc/3.

* Quá trình lại lặp lại

=> Kết quả: Ngõ ra OUT có tín hiệu dao động dạng sóng vuông, có chu kỳ ổn định

- Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện

1.3 cơ sở lý thuyết và phương pháp tính các giá trị trong mạch:

Để tính chu kỳ dao động T của 1 mạch dao động tạo xung ta cần phải tính được thờigian ngưng dẫn của tụ khi nạp và xả

Ta có sơ đồ mạch đơn giản để tính thời gian ngưng dẫn khi tụ nạp xả

Từ mạch tương đương suy ra: