đồ án mạch và thiết bị điện tử '''' điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ''''

Nhóm sinh viên thực hiên : 1 Vũ Thành Long 2 Tạ Quốc Mạnh Khóa : 2010-2014 Ngành đào tạo : kỹ thuật điện Tên đề tài :Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều  Động cơ điện một chiều :

Đồ án mạch và thiết bị điện tử " Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều "

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

1 CẤU TẠO CHUNG 3

1.1 STATO 3

1.2 Roto 4

2.Nguyên lí chung: 5

3.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 6

3.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông θ 7

3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng 7

3.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp 8

3.3 Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp PMW 9

4 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỘNG CƠ 10

5.Phương pháp PMW 10

1 Nguyên lý của PWM 10

2.Cách điều khiển độ rộng xung của PWM 12

3.Ưu nhược điểm của mạch PWM dùng làm mạch điều khiển động cơ DC: 13

Nhóm sinh viên thực hiên : 1 Vũ Thành Long

2 Tạ Quốc Mạnh

Khóa : 2010-2014

Ngành đào tạo : kỹ thuật điện

Tên đề tài :Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

 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 :

1 C U T O CHUNG ẤU TẠO CHUNG ẠO CHUNG.

Động cơ điện một chiều bao gồm hai phần chính là:

1.1 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

1.2 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

2.Nguyên lí chung:

Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên nguyên lý của hiện tượng cảm ứng điện từ

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

I

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 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

3.Các ph ương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ng pháp đi u ch nh t c đ đ ng c đi n m t chi u ều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ốc độ động cơ điện một chiều ộ động cơ điện một chiều ộ động cơ điện một chiều ơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ện một chiều ộ động cơ điện một chiều ều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình sau:

C e θ=

U −I u(R u+R f)

C e θ =n0−Δnn

với { n 0 = U

C e θ ¿ ¿¿¿

hay

C e θ−

(R u+R f) M

C M C e θ2

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 bốn phương án

trên mạch phần ứng.

 Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp PWM

M(Iư)

θδ’’’

θδ’’

θδ’

θδđm

n (vòng/phút) n0’’’

n0’’

n0’

n0đm

Mđm(Iđm)

3.1 Đi u ch nh t c đ b ng cách thay đ i t thông ều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ốc độ động cơ điện một chiều ộ động cơ điện một chiều ằng cách thay đổi từ thông θ ổi từ thông θ ừ thông θ θ

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

3.2 Đi u ch nh t c đ b ng cách thay đ i đi n tr ph R ều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ốc độ động cơ điện một chiều ộ động cơ điện một chiều ằng cách thay đổi từ thông θ ổi từ thông θ ện một chiều ở phụ R ụ R f trên m ch ạch

ph n ng ần ứng ứng.

Ta có:

C e θ−

(R u+R f) M

C M C e θ2

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

n (vòng/phút) n0

Rf0

Rf1

Rf2

Rf3 Mđm(Iđm) M(Iư)

n (vòng/phút)

M(Iư)

4

2 3

1 (Uđm)

Mđm(Iđm)

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

3.3 Đi u ch nh t c đ b ng cách thay đ i đi n áp ều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ốc độ động cơ điện một chiều ộ động cơ điện một chiều ằng cách thay đổi từ thông θ ổi từ thông θ ện một chiều

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

3.3 Đi u ch nh t c đ b ng ph ều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ốc độ động cơ điện một chiều ộ động cơ điện một chiều ằng cách thay đổi từ thông θ ương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ng pháp PMW

Phương pháp điều chế PWM ( 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 đếm sự thay đổi điện áp ra

Để dễ hiểu hơn ta có hình vẽ sau :

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

4 CÁC CH TIÊU ĐÁNH GIÁ CH T L Ỉ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỘNG CƠ ẤU TẠO CHUNG ƯỢNG ĐỘNG CƠ NG Đ NG C ỘNG CƠ Ơ

1.Chỉ tiêu kỹ thuật

• Động cơ được chọn phải thích ứng với môi trường làm việc:

• Tuỳ theo môi trường: khô - ướt, sạch - bẩn, nóng - lạnh, hoá chất ăn mòn, dễ nổ, , mà chọn các động cơ kiểu: hở - kín, chống nước, chống hoá chất, chống nổ, nhiệt đới hoá,

• Động cơ được chọn phải thoả mãn điều kiện phát nóng khi làm việc bình thường cũng như khi quá tải (đây là điều kiện cơ bản)

• Động cơ được chọn phải đảm bảo tốc độ yêu cầu: tốc độ định mức,

có điều chỉnh tốc độ hay không, phạm vi điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh trơn hay điều chỉnh có cấp

• Chọn loại động cơ thông dụng hay động cơ có điều chỉnh tốc độ

• Động cơ được chọn phải đảm bảo khởi động, hãm, đảo chiều tốt 2.Chỉ tiêu kinh tế

• Động cơ được chọn phải làm việc với hiệu suất kinh tế cao

• Vốn đầu tư bé, chi phí vận hành ít

Từ các phương pháp trên,dủa vào những thong số và cấu tạo của mạch đồ án,chúng em chon “Phương pháp điều chỉnh tốc độc động cơ một chiều bằng phương pháp PMW”

5.Ph ương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ng pháp PMW

1 Nguyên lý của 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

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.D

với 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%)

2.Cách điều khiển độ rộng xung của PWM

Có rất nhiều cách để điều chỉnh độ rộng xung đầu ra cho PWM Với sơ đồ của

đề tài này thì độ rộng xung đầu ra được điều chỉnh theo phương pháp so sánh

Để 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 :

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 0V

+ Khi Saw > Ref thì cho ra điện áp là Urmax

Và 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

3 u nh Ư ược điểm của mạch PWM dùng làm mạch điều khiển động cơ c đi m c a m ch PWM dùng làm m ch đi u khi n đ ng c ểm của mạch PWM dùng làm mạch điều khiển động cơ ủa mạch PWM dùng làm mạch điều khiển động cơ ạch ạch ều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ểm của mạch PWM dùng làm mạch điều khiển động cơ ộ động cơ điện một chiều ơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều DC:

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

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

SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH ĐIỀU KHIỂN

mạch

lặp

Tạo xung vuông

Tạo xung răng cưa

Mạch

so sánh

Van động lực