Thiết Kế Chế Tạo Mạch Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Một Chiều Có P=270w ,U=220v

Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ song song.. Ph

MỤC LỤC

Lời nói đầu……….…5

Phần I Cở sở lý thuyết……… 6

1.1máy biến áp ….………6

1.1.1Khái niệm, ký hiệu, cấu tạo MBA………6

1.1.1.1 Khái niệm……… 6

1.1.1.2 Cấu tạo………6

1.1.1.3Nguyên tắc hoạt động máy biến thế……….7

1.1.1.4Phân loại……….7

1.2 Động cơ điện một chiều………8

1.2.1 Cấu tạo………8

1.2.1.1 Phần cảm (stator)……… 8

1.2.1.2 Phần ứng (rotor)……… 9

1.2.2Động cơ điện một chiều kích từ độc lập………10

1.2.2.1Nguyên lý làm việc của động cơđiện một chiều……… 10

1.2.2.2 Giới th chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông………, 14

1.2.3 mở máy và chế độ hãm động cơ điện một chiều……… 15

1.2.3.1Mở máy……….15

1.2.3.2Các trạng thái hãm động cơ……….16

1 2.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ………17

1.2.4.1 Thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp………17

1.2.4.2 Thay đổi điện trở phần ứng Rư…………17

1.2.4.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông 18

1.2.5 Lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ……… 19

1.3băm xung một mạch chiều……… 19

1.3.1 Giới thiệu chung về bộ băm xung một chiều……… … 19

1.3.1.1 Nguyên lý……… 19

1.3.1.2 Các phương pháp điều khiển điện áp 20

1.3.1.2.2 Điều khiển liên tục bằng cách mắc nối tiếp với tải 1

transistor 20

1.3.1.2.3 Điều khiển bằng băm áp (băm xung) 21

1.3.2 Giới thiệu một số loại van dùng trong mạch băm xung………21

1.3.2.1 Trasistor công suất……… 21

1.3.2.2 Transistor Mos công suất………22

1.3.2.3Tiristor:……… 22

1.3.3 cách loại mạch băm xung……… 24

1.3.3.1 Băm áp nối tiếp 24

1.3.3.1.1 Nguyên lý băm áp một chiều nối tiếp 24

1.3.3.1.2 Các sơ đồ động lực băm áp nối tiếp 25

1.3.3.2 Băm áp song song 26

1.3.3.2.1 Nguyên lý băm áp song song 26

1.3.3.3 Băm áp nối tiếp kết hợp song song 27

1.3.4 Ngoài ra còn các loại băm xung khác như 28

1.3.5 Các phương pháp điều chỉnh điện áp ra trong mạch băm xung…… 29

1.3.5.1Phương pháp thay đổi độ rộng xung……….…29

1.3.5.2Phương pháp xung - tần……… …29

1.3.5.3 Phương pháp xung - thời gian………30

Chương 2 CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH………30

2.1 IC NE555………30

2.1.1Cấu trúc bên trong của IC NE555……… 30

2.1.2các thông số cơ bản của IC NE555……… 31

2.2 IC nguồn ổn áp 32

2.2.1Kí hiệu 32

2.3Điện trở……… 33

2.4 Tụ điện……… 34

2.5Mosfet……… 34

2.6 Opto PC817 35

2.6.1Cấu tạo 35

2.6.2 Tác dụng và mục đích……… 36

chương 3 tính toán và lựa chọn linh kiện………36

Chương 4 thi công mạch………37

4.1Sơ đồnguyên lý từng khối………37

4.1.1Khối nguồn……….37

4.1.2 Khối dao động (tạo xung)………38

4.1.3Liên kết giữa mạchdao động và bộ phận cách ly……… 38

4.2Sơ đồ toàn mạch………39

4.3 nguyên lí hoạt động……….40

4.4 sơ đồ mạch board………41

Lời nói đầu

Trong giai đoạn công nghiệp hóa,hiện đại hóa nền kinh tế đất nước,ngày

càng có nhiều thiết bị bán dẫn công suất hiện đại được sử dụng rộng rãi trong tấtcảcác lĩnh vực sản xuất,phục vụ đời sống con người Một trong những ứng

dụng của Điện tử công suất là điều khiển tốc độ động cơ điện.Đây là lĩnh vực

quan trọng và ngày một phát triển Hiện nay các nhà sản xuất không ngừng chorađời các sản phẩm và công nghệ mới về các phần tử bán dẫn công suất và cácthiết bịđiều khiển đi kèm Xuất phát từ những nhu cầu thực tiễn, bộ môn Điệntử côngsuất- Truyền động điện đã được giảng dạy rộng rãi ở các trường đại học,cao đẳngtrong cả nước nhằm đáp ứng nhu cầu về điều khiển, đo lường và điềuchỉnh các dâytruyền công nghiệp Trước sự đa dạng và khả năng ứng dụng rộngrãi trong đờisống thực tế hiện nay thì việc tìm hiểu, thiết kế và ứng dụng Điệntử công suất đã

thôi thúc chúng em chọn đề “ Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển tốc độ động

cơ một chiều có P=270w ,U=220v”

Do kinh nghiệm và thời gian hạn chế, tập đồ án này chắc chắn khôngtránh khỏinhững thiếu sót Chúng em rất mong nhận được góp ý, giúp đỡ củathầy cô và cácbạn để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn

Nhóm sinh viên thực hiện:

MBA được cấu tạo gồm 1 cuộn dây sơ cấp và vài cuộn dây thứ cấp cuốn trên cùng

1 khung đỡ bằng giấy cách điện, nhựa hay bekelit, bekelit trong có lõi từ khép kín.Lõi thép của biến áp có thể dùng các lá thép kỹ thuật điện ghép lại hoặc dùng lõi Feritte đúc Một số ít trrường hợp dùng biến áp có lõi không khí

cuộn sơ cấp là cuộn người ta đưa dòng điện xoay chiều vào, cuộn thứ cấp là cuộn người ta lấy dòng điện đã biến đổi ra để sử dụng

1.1.1.3Nguyên tắc hoạt động máy biến thế

Hoạt động của máy biến thế dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Một trong hai cuộn dây của máy biến thế được nối với mạch điện xoay chiều, và gọi là cuộn sơ cấp Cuộn thứ hai được nối với tải tiêu thụ và gọi là cuộn thứ cấp Dòng điện trong

cuộn sơ cấp làm phát sinh một từ trường biến thiên trong lõi thép Từ thông biến thiên của từ trường đó qua cuộn thứ cấu (cũng quấn trên lõi thép) gây ra một dòng điện cảm ứng chạy trong cuộn thứ cấp và trong tải tiêu thụ

1.2 Động cơ điện một chiều

Phần cảm là phần tạo ra từ trường tĩnh của động cơ gồm có các phần sau đây:

+ Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường, nó gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ

+ Lõi sắt kích từ được làm bằng lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon ghép 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 kỹ thành một khối và và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ

- Cực từ phụ: được đặt giữa các cực chính và dùng để cải thiện đổi chiều, lõithép thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn giống như cực từ chính.

- Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy

- Chổi than : là các thanh Cacbon được tiếp xúc với cổ góp để đưa dòng điện

từ nguồn một chiều vào rôto Chổi than được đặt ở trung tính hình học của động cơ

1.2.1.2 Phần ứng (rotor):

Phần ứng là phần cho dòng điện một chiều chạy trong nó, tương tác giữa dòng điện

I và từ thông Φ sinh ra mômen quay Nó gồm ba phần chính:

- Lõi thép : là các lá thép kĩ thuật điện (Fe - Si) mỏng ghép lại với nhau, trên có

xẻ rãnh để đặt các bối dây

- Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua,

nó được cấu tạo gồm các dây đồng tròn được ghép thành các phần tử (bối dây), cácbối dây được ghép theo kiểu dây quấn xếp đơn hay dây quấn phức tạp tuỳ yêu cầu mômen lớn hay nhỏ

- Cổ ghóp : gồm các phiến góp được cách điện với nhau, các phiến góp được nối với các đầu mút của các bối dây để đưa dòng điện vào phần ứng

Ngoài ra còn có các bộ phận khác gồm cánh quạt dùng để làm ngội máy, trục máy

Tùy theo phương pháp kích từ người ta chia động cơ một chiều thành các dạng kích từ nối tiếp, kích từ song song, kích từ hỗn hợp, kích từ độc lập

Hình I- Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (a), kích từ song song(b), kích từ hỗn hợp(c), và kích từ độc lập(d)

Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi

là động cơ kích từ song song

1.2.2Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

1.2.2.1Nguyên lý làm việc của động cơđiện một chiều

Động cơ điện phải có hai nguồn năng lượng

- Nguồn kích từ cấp vào cuộn kích từ đẻ sinh ra từ thông kích từ

- Nguồn phần ứng được đưa vào hai chổi than để đưa vào hai cổ

góp của phần ứng

Khi cho điện áp một chiều vào hai chổi điện trong dây quấn phần ứng có

điện Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làmrôto quay Chiều của lực được xác định bằng qui tắc bàn tay trái

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau

Do có phiếu góp nhiều dòng điện dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụngkhông thay đổi

Khi quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư

chiều của suất điện động được xác định theo qui tắc bàn tay phải, ở động cơ mộtchiếu sđđ Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động Phương trình cân bằng điện áp :

U = E ư + R ư I ư +I ư d i /d t

- Phương trình đặc tính cơ: là phương trình biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ (n)

và mômen (M) của động cơ có dạng chung :

=

Thông qua phương trình này, ta có thể thấy được sự phụ thuộc của tốc độ

độngcơ và mômen động cơ và các thông số khác (mômen, từ thông ), từ đó đưa raphương án để điều chỉnh động cơ (tốc độ) với phương án tối ưu

Với những điều kiện Uư = const, It = const thì động cơ hầu như không đổi, Vivậy quan hệ trên là tuyến tính và đường đặc tính cơ của động cơ là đường thẳng.Thường dạng của đặc tính cơ của động cơ mà giao điển với trục tung ứng vớimômen ngắn mạch còn giao điểm với trục tung ứng vơi tốc độ không tải củađộng cơ

Người ta đưa thêm đại lượng β= để đánh giá độ cứng Đặc tính càng dốc càng cứng ( β càng lớn) tức là mômen biến đổi nhiều nhưng tốc độ biến đổi ít và ngượclại Đặc tính càng ít dốc càng mềm tức là mômen biến đổi ít nhưng tốc độ biến đổinhiều thay đổi

Để hiểu được nguyên lý và lựa chọn phương pháp điều chỉnh tối ưu, trước

hết ta đi xét đặc tính của động cơ điện Đó là quan hệ giữa tốc độ quay với

mômen(hoặc dòng điện) của động cơ

- Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ: nếu động cơ vận hành ở chế độ định mức(điện áp, tần số, từ thông định mức và không nối thêm các điện kháng, điện trởvào động cơ).Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có các điểm làm việc định mức có giátrịMđm, ωđm

- Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số

nguồn hoặc nối thêm các điện trở, điện kháng

Để so sánh các đặc tính cơ với nhau, người ta đưa ra khái niệm độ cứng của đặctính cơ: β=∆Μ/∆ω (tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc)

Đặc tính cơ của động cơđiện một chiều kích từđộc lập

Sơ đồ kích từ độc lập được thể hiện như dưới đây:

Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng vàmạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau: gọi là động cơ điệnkích từ độc lập.

Phương trình đặc tính cơ xuất phát:

+ N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

+ A: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

Suy ra :

Φ=(*)

Biểu thức (*) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

Mặt khác mômen điện từ của động cơ được xác định M dt = K Φ.I u

R=

Từ đó có thể tốc độ động cơ điện một chiều phụ thuộc vào các đại lượng là: Uư,

R, I Như vậy thông qua các đại lượng biến thiên này mà ta có thể điều khiểnđược tốc độ động cơ một chiều

1.2.2.2 Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều

Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều

người ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ Theo đó ứng với mỗicách ta có các loại động cơ điện loại:

- Kích thích độc lập: khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn, mạch

điện phần ứng và mạch kính từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên

I = Iư

- Kích thích song song: khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện

áp không đổi, mạch kích từ được mắc song song với mạch phần ứng nên

I = Iu+It

- Kích thích nối tiếp: cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng cuộn kích

từ có tiết diện lớn, điện trở nhơ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng nên ta có I = I =It

- Kích thích hỗn hợp ta có : I = Iu +It

Với mỗi loại động cơ trên thì sẽ tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuậtđiều khiển và ứng dụng là tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố

Trong đề tài này chỉ xét đến động cơ điện một chiều kích từ độc lập và biện

pháp hữu hiệu nhất để điều khiển loại động cơ này

1.2.3 mở máy và chế độ hãm động cơ điện một chiều:

.

n a

N p

=0

Dòng điện phần ứng lúc mở máy là: Iumở = u

R U

vì Ru nhỏ Iumở lớn khoảng (20 ÷ 30) Iđm làm hỏng chổi than và cổ góp Để dảm dòng điện mở máy ta dùng các biện pháp sau:

+ Dùng biến trở mở máy Rmở:

Mắc biến trở này vào mạch phần ứng lúc có biến trở này :

I =U/(Rư+Rmở )Lúc đầu để Rmở max, trong quá trình mở này tốc độ tăng lên Eư tăng lên và điện trởnày giảm dần đến 0, máy làm việc đúng điện áp định mức

+ Giảm điện áp đặt vào phần ứng:

Phương pháp là phương pháp thường dùng hơn cả nó dòi hỏi có một nguồn điện cóthể điều chỉnh được điện áp như nguồn chỉnh lưu, hệ máy phát động cơ hay bộ băm xung một chiều.Phương pháp này dùng kết hợp với việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng rất tiện lợi

1.2.3.2Các trạng thái hãm động cơ:

Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mô men quay ngược chiều tốc độ quay.Trong tất cả các trạng thái hãm động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát Tùy theocách biến đổi năng lượng cơ trong khi hãm người ta chia làm 3 trạng thái hãm:a) Hãm tái sinh:

Năng lượng động cơ trả vể nguồn xẩy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng Khi hãm tái sinh Eu>Uu, động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới , so với chế độ động cơ dòng điện và mô men hãm đã đổi chiều Đường đặc tính cơ trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần

tư thứ II và thứ IV của mặt phẳng toạ độ.Trong trạng thái hãm tái sinh dòng điện hãm đổi chiều và công suất đưa trả về lưới điện có giá trị P = (E –U) I

b) Hãm ngược:

Năng lượng của nguồn và động cơ bị tiêu tán dưới dạng nhiệt Xẩy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động do mômen thế năng quay ngược chiều với mômen điện từ của động cơ Mômen sinh

ra bởi động cơ chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản suất có hai trường hợp hãm ngược :

+ Đưa điện trở vào mạch phần ứng

+ Đảo chiều điện áp phần ứng

c) Hãm động năng:

Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học củađộng cơ đã tích luỹ được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt

Như vậy ta thấy hãm tái sinh là phương pháp hãm tiết kiệm được năng lượngnhất, và điều này là rất cần thiết, nhất là đối với các động cơ chạy bằng acqui.Vì vậy, trong khi thiết kế bộ băm điện áp, ta cố gắng điều khiển động cơ hãm tái sinh

1 2.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều có đặc điểm là:

- Ưu điểm : điều chỉnh tốc độ dễ dàng, nhiều kênh điều khiển

- Nhược điểm: sử dụng nguồn điện một chiều

Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn như hiện nay máy điện một chiều dã trở thành một cơ cấu không thể thiếu trong truyền động điện

Từ phương trình về vận tốc:

U1 U2 U3

TN ( Udm)

n0 ncb n1 n2 n3

M n

MC

Udm> U1> U2> U3 ncb> n1> n2> n3

TN Rf1 Rf2 n3

n2 n1 ncb n0 n

2

.

.

.

Φ− Φ = Φ− Φ

=

K

R M K

U K

R I K

ω

Ta có các phương pháp để điều chỉnh tốc độ động

cơ điện một chiều

1.2.4.1 Thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp:

Đặc điểm :

- Đặc tính cơ là các đường song song với đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, do đó

độ cứng của đặc tính cơ không thay đổi

- Do U chỉ có thể giảm do đó chỉ có thể điều chỉnh giảm tốc độ của động cơ

- Có thể thay đổi U băng các van bán dẫn

1.2.4.2 Thay đổi điện trở phần ứng R ư :

1 2 ñm

0 MC M2 M1 Mn

ncb

n1 n2 n

M

ñm>1>2 ncb< n1< n2

Đặc điểm :

- Khi thêm Ruf vào phần ứng động cơ thì độ cứng của đặc tính cơ giảm hay đặc tính cơ của động cơ giảm đi có nghĩa là với một sự thay đổi rất nhỏ của tải sẽ dẫn đến một sự thay đổi rất lớn của ω nên không ổn định do đó trên thực tế điều chỉnh tốc độ băng Ru ít được sử dụng

- Ngoài ra khi thêm Ru vào phần ứng cũng có nghĩa là tăng tổn hao làm nóngđộng cơ Phương pháp này chỉ sử dụng để giảm dòng mở máy khi khởi động động cơ

1.2.4.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông:

Đặc điểm :

- Vì từ thông trong lõi thép rất dễ bão hoà nên người ta thường chỉ điều chỉnh giảm từ thông trong động cơ

- Khi từ thông Φdm giảm đến Φi thì có một Mik nào đó, khi Mc< Mik việc giảm

Φ sẽ làm tăng tốc độ động cơ, khi Mc>Mik việc giảm Φ sẽ làm tốc độ động cơ.Trên thực tế điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là rất khó thực hiện

vì quan hệ Φ(ω) là phi tuyến

1.2.5 Lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ:

có thể thực hiện chức năng mở lại máy (reset) và hãm tái sinh động cơ.

1.3băm xung một mạch chiều

1.3.1 Giới thiệu chung về bộ băm xung một chiều:

cáchcó chu kỳ để điều chỉnh hệ số γ đảm bảo thay đổi được giá trị điện áp trung

bình trên tải

1.3.1.2 Các phương pháp điều khiển điện áp một chiều

18

U tb

1.3.1.2.1Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện trở

Sơ đồ

Hình 2.1.2.1 a :mắc nối tiếp với tải một điện trở

Dòng điện và điện áp được tính:

Nhược điểm của phương pháp là hiệu suất thấp và không điều chỉnh liên tục khidòng tải lớn

1.3.1.2.2 Điều khiển liên tục bằng cách mắc nối tiếp với tải 1 transistor

Hình2.1.2.1 b :mắc nối tiếp với tải 1 transistor

1.3.1.2.3 Điều khiển bằng băm áp (băm xung)

Băm áp một chiều là bộ biến đổi điện áp một chiều thành xung điện áp Điều

IC B

UBE IE

C

1.3.2 Giới thiệu một số loại van dùng trong mạch băm xung

1.3.2.1 Trasistor công suất

Transistor công suất có cấu trúc và ký hiệu như sau:

Trong quá trình van dẫn hoặc khoá công suất tiêu tán pc=UCE.IC=0

Để chuyển trạng thái phải đi qua vùng khuyếch đại IC≠0, UCE≠0 ,tổn thất trên van chủ yếu là khi van chuyển trạng thái và tỉ lệ thuận với tần số hoạt động của

van.Khi làm việc với tần số f>5 kHz hoặc VCEO≥60V, IC>5A phải có mạch trợ giúp

để tránh cho van bị quá nhiệt gây hỏng van

- Các thông số của transistor công suất:

+ IC: Dòng colectơ mà transistor chịu được

+ UCEsat: Điện áp UCE khi transistor dẫn bão hòa

+ UCEO: Điện áp UCE khi mạch badơ để hở, IB = 0

+ UCEX: Điện áp UCE khi badơ bị khóa bởi điện áp âm, IB < 0

+ ton : Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị điện áp nguồn U giảm xuống 0V

+ tf : Thời gian cần thiết để iC từ giá trị IC giảm xuống 0

+ tS : Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị UCESat tăng đến giá trị điện áp nguồn U

+ P : Công suất tiêu tán bên trong transistor Công suất tiêu tán bên trong transistor được tính theo công thức: P = UBE.IB + UCE.IC

+ Khi transistor ở trạng thái mở: IB = 0, IC = 0 nên P = 0

+ Khi transistor ở trạng thái đóng: UCE = UCESat

( a )