Trong đồ án điện tử công suất lần này, chúng em đã được nhận đề tài “Tính toán, thiết kế chế tạo mạch điều khiển tốc độ động cơ vạn năng”.. Loại động cơ điện này được sử dụng khá rộng rã
Trang 1Trường ĐHSP Kỹ thuật hưng Yên
Khoa điện - điện tử
Cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Đồ án môn học
Sinh viên thực hiện : 1 Nguyễn Văn Dương (tuyentrieu96@gmail.com)
2 Triệu Văn Tuyên
Số liệu cho trước:
- Các trang thiết bị đo, kiểm tra tại xưởng thực tập, thí nghiệm ĐTCS- TNMĐ
- Các tài liệu, giáo trình chuyên môn.
Nội dung cần hoàn thành:
1 Lập kế hoạch thực hiện
2 Tìm hiểu bề động cơ điện vạn năng và phạm vi ứng dụng.
3 Phân tích một số mạch điều khiển tốc độ động cơ điện vạn năng
Trang 2P = 100W; U = 220V.
- Kiểm tra, thử nghiệm sản phẩm tại phòng 205B1.
5 Sản phẩm của đề tài đảm bảo tính công nghiệp và có tính khả thi trong thực tiễn.
6 Trình bày quyển thuyết minh theo yêu cầu: font – times new roman; lề phải 2.5cm; lề trái 3cm; cách trên 2cm, cách dưới 2cm; đề mục các chương (phần) chữ viết hoa cỡ 13, các đề mục chính chữ thường in đậm, nội dung chính chữ 13 Cấu trúc thuyết minh theo yêu cầu hiện hành của bộ môn.
Giáo viên hướng dẫn:
1 Nguyễn Đình Hùng
Ngày giao đề tài: 22-08-2013 Ngày hoàn thành: 22-10-203
LỜI NÓI ĐẦU
Điện tử công suất là một môn học hay và lý thú, cuốn hút được nhiều sinh viên theo đuổi Là những sinh viên chuyên ngành hệ thống điện, chúng em muốn được tiếp cận và hiểu sâu hơn nữa bộ môn điện tử công suất.Vì vậy, đồ án môn học chế tạo sản phẩm là điều kiện tốt giúp chúng em kiểm chứng được lý thuyết đã được học
Trong đồ án điện tử công suất lần này, chúng em đã được nhận đề tài “Tính toán, thiết kế chế tạo mạch điều khiển tốc độ động cơ vạn năng” Sau thời gian nghiên cứu,
chúng em đã chế tạo thành công bộ điều khiển điện áp xoay chiều 1 pha đáp ứng được cơ bản yêu cầu của đề tài
Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, chúng em đã gặp một số vướng mắc về lý thuyết và khó khăn trong việc thi công sản phẩm Tuy nhiên, chúng em đã nhận được sự
giải đáp và hướng dẫn kịp thời của thầy Nguyễn Đình Hùng, sự góp ý kiến của các bạn
sinh viên trong lớp Đựơc như vậy chúng em xin chân thành cảm ơn và mong muốn nhận được nhiều hơn nữa sự giúp đỡ, chỉ bảo của thầy giáo và bạn trong các đồ án sau này Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Nhóm thực hiện:
Triệu Văn Tuyên.
Trang 3Nguyễn Văn Dương.
Trang 4MỤC LỤC:
Khoa điện - điện tử 1
PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7
1 Khái niệm 7
Cấu tạo động cơ vạn năng 8
1.3 Một số mạch ứng dụng của động cơ vạn năng 10
PHẦN II: THIẾT KẾ MẠCH 12
CHƯƠNG I: THIẾT KẾ 12
1.1 Tính toán thiết kế để chế tạo mô hình 12
1.1.1.Tính chọn van động lực 12
1.2.Sơ đồ khối 13
1.3.Phân tích từng khối 14
1.3.1 Khối nguồn 14
1.3.2 Mạch lực 14
1.3.3.Mạch điều khiển 17
1.3.3.1.Phân tích 17
1.3.3.2 Nguyên lý hoạt động 18
1.3.3.3.Sơ đồ 19
CHƯƠNG II :LẮP RÁP MẠCH 19
2.1 Chọn thiết bị bảo vệ 19
2.1.1 Chọn thiết bị bảo vệ quá nhiệt 19
2.1.2 Chọn thiết bị bảo vệ quá dòng điện cho van 20
2.1.3 Chọn thiết bị bảo vệ quá điện áp cho van 21
2.3.Sơ đồ board 25
Trang 52.4.Sơ đồ bố trí thiết bị 26 2.5.Phương hướng phát triển của đề tài 26
Trang 6KẾ HOẠCH THỰC HIỆN CÔNG VIỆC
-Nhận đồ án
-Đưa ra ý tưởng thực hiện
-Phân chia công việc
Cả nhóm
-Tìm hiểu bộ điều áp xoay chiều Triệu Tuyên-Tìm hiểu sơ đồ mạch lực mạch điều khiển Triệu Tuyên-Tìm kiếm linh kiện liên quan đến đồ án Nguyễn Dương
-Đưa ra cơ sở lý thuyết của đô án
-Xây dựng sơ đồ khối
-Lựa chọn mạch lực, mạch điều khiển
Cả nhóm
-Ráp mạch, khảo sát trên panel Nguyễn Dương
Trang 7PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT1.
Khái niệm
Động cơ vạn năng (gọi tắt là động cơ một pha) là động cơ điện xoay chiều không cổgóp được chạy bằng điện một pha Loại động cơ điện này được sử dụng khá rộng rãitrong công nghiệp và trong đời sống như động cơ bơm nước,động cơ quạt,ngoài ra còn có
cả bóng đèn trong các hệ thống tự động Khi sử dụng loại động cơ này người ta thườngcần điều chỉnh tốc độ ví dụ như quạt bàn ,quạt trần,bóng đèn
1.1 Đặc tính của động cơ vạn năng:
- Vận hành với tốc độ cao có thể đạt tới 10.000 vòng/phút
- Momen quay lớn so với các động cơ khác
- Khi làm việc với dòng điện một chiều thì số vòng cuộn kích từ nhiều hơn và hiệu suất cao hơn
- Phần cảm (stato) đấu nối tiếp với phần ứng (roto) qua 2 chổi than đặc trên đường trung tính hình học và đối xứng qua tâm
- Dòng điện qua mỗi nhánh của phần ứng bằng 1/2 dòng điện chính qua chổ than
1.2 Công dụng của động cơ vạn năng:
- Động cơ vạn năng được sử dụng nhiều trong công nghiệp, giao thông vận tải và dân dụng như: các loại quạt lắp trên ôtô, động cơ cho máy may, máy bơm nước, máy hút bụi, máy cắt, máy khoan từ…
* Đối với máy khoan từ:
Cấu tạo động cơ vạn năng AC máy khoan từ
- Việc điều chỉnh tốc độ động cơ dựa trên nguyên tắc làm giảm điện áp đầu vào động cơ bằng cuộn cảm kháng, thường quấn chung với cuộn dây cực từ
Trang 8Ưu điểm nổi bậc của động cơ vạn năng là thuận tiện, chỉ với 2 dây điện nguồn có tần số công nghiệp là có thể làm máy quay ở tốc độ cao Máy lại có khả năng điều chỉnh tốc độ
dễ dàng bằng biến trở rất thuận lợi cho người sử dụng: động cơ máy may, máy khoan đế
từ…
Cấu tạo động cơ vạn năngĐộng cơ vạn năng hay còn gọi là động cơ cổ góp điện, cấu tạo gồm 2 phần:
1 Stato: Phần đứng yên (Phần cảm) bên trong có gắn cực từ chính và cực từ phụ
Cấu tạo Stato động cơ vạn năng
2 Rotor: Phần quay hay còn gọi là phần ứng
Trang 9Cấu tạo rotor
Rotor bao gồm: trục, lõi thép, dây quấn và cổ góp
- Lõi thép: gồm các lá thép kỹ thuật điện góp lại thành hình trụ Trên bề mặt lõi thép, người ta dập rãnh ở xung quanh và được quấn dây theo một trật tự nhất định
Các đầu cuộn dây này được nối ra đầu cổ góp để tạo thành mạch kín gọi là phần ứng
- Dây quấn phần ứng thường làm bằng đồng, nhôm tròn hoặc dẹp
- Cổ góp điện ( vành đổi chiều) được cấu tạo bởi nhiều phiến đồng ghép lại và được cách điện độc lập với nhau bởi mica Nó cũng được cách điện với trục rotor bằng ống phíp.Nhiệm vụ của cổ góp điện là chỉnh lưu suất điện động xoay chiều thành suất điện động một chiều trên các chổi than
- Chổi than tiếp xúc tì lên cổ góp
Trang 101.3 Một số mạch ứng dụng của động cơ vạn năng.
Một trong những ứng dụng rất rộng rãi của điều áp xoay chiều là điều khiển động cơđiện một pha mà điển hình là điều khiển tốc độ quay của quạt điện và điều khiển chiếusáng bóng đèn
Chức năng của các linh kiện trong sơ đồ hình 15 - 4:
T - Triac điều khiển điện áp trên động cơ
VR - biến trở để điều chỉnh khoảng thời gian dẫn của Triac
R - điện trở đệm
D - diac - định ngưỡng điện áp để Triac dẫn
C - Tụ điện tạo điện áp ngưỡng để mở thông diac
Điện áp và tốc độ của động cơ có thể được điều khiển bằng cách điều chỉnh biến trở
VR trên hình a Tuy nhiên sơ đồ điều khiển này không triệt để, vì ở vùng điện áp nhỏ khiTriac dẫn ít rất khó điều khiển
Sơ đồ hình b có chất lượng điều khiển tốt hơn Tốc độ quay của động cơ có thểđược điều khiển cũng bằng biến trở VR Khi điều chỉnh trị số VR ta điều chỉnh việc nạp
tụ C lúc đó điều chỉnh được thời điểm mở thông diac và thời điểm Triac dẫn Như vậyTriac được mở thông khi điện áp trên tụ đạt điểm dẫn thông diac Kết quả là muốn tăngtốc độ của quạt ta cần giảm điện trở của VR để tụ nạp nhanh hơn, Triac dẫn sớm hơn điên
áp ra lớn hơn Ngược lại điên trở của VR càng lớn tụ nạp càng chậm Triac mở càng chậmlại điện áp và tốc độ của quạt nhỏ xuống
* Mạch điều khiển trên đây có ưu điểm:
- Có thể điều khiển liên tục tốc độ động cơ - có thể sử dụng cho các loại tải khác nhưđiều khiển độ sáng của đèn sợi đốt, điều khiển bếp điện rất có hiệu quả
-Kích thước mạch điều khiển nhỏ, gọn
* Nhược điểm:
Nếu chất lượng Triac, diac không tốt thì ở vùng tốc độ thấp quạt sẽ xuất hiện tiếng
ù do thành phần một chiều của dòng điện
Trang 12PHẦN II: THIẾT KẾ MẠCHCHƯƠNG I: THIẾT KẾ 1.1 Tính toán thiết kế để chế tạo mô hình
Dòng điện định mức của van cần chọn
Ilv =30%Idmvan = 3.786 A
Với các thông số trên theo datasheet cũng như độ phổ biến ngoài thị trường chúng
em quyết định lựa chọn loại van sau :
Trang 13BTA-136 600E có các thông số sau:
Điện áp định mức: Uđm = 600 V
Dòng điện định mức: Iđm = 4 A
Dòng điện điều khiển: Iđk = 50 m A
Điện áp điều khiển: Uđk = 1.5V
Dòng điện rò: Ir = 500µA.
Dòng điện duy trì: Ih = 15 mA
Sụt trên van khi mở: ∆U = 1.7 V
Thời gian giữ xung điều khiển: tx = 2µs
Tốc độ tăng điện áp:
dt
du
= 500 V/ µs.
Nhiệt độ làm việc cực đại: T0C = 1250C
Trên đây là thông số em chọn ứng với tải là động cơ điện một pha công suất nhỏ.cácgiá trị của nguồn khó có thể vượt qua giá trị này nên chúng em quyết định sử dung TCA
600E làm van mạch lực
Các giá trị trên em lấy trên datasheet của triac
Với các giá trị của van đều đáp ứng và sát các thông số yêu cầu của đông cơ nênchúng em quyết định sử dụng van này trong mạch
1.2.Sơ đồ khối
Trang 141.3.2 Mạch lực
Với yêu cầu của đề tài là thiết kế bộ điều áp xoay chiều cho động cơ (tải R+L) nênchúng em chọn sơ đồ dùng TRIAC để điều khiển vì sơ đồ dùng Triac có những ưu điểmsau:
- Công suất tải là không lớn nên Triac đáp ứng đầy đủ về công suất đáp ứng
- Mạch điều khiển Triac đơn giản
Trang 15- Giá thành rẻ, vận hành đơn giản.
a Sơ đồ mạch
Hình 13:Sơ đồ khối mạch lực
b.Nguyên lý làm việc
Tín hiệu được đưa vào chân điều khiển G của Triac Triac có nhiệm vụ điều khiển
mở dẫn dòng từ đó ta nhận được giá trị điện áp trên tải tương ứng với góc mở của triackhi ta điều chỉnh biến trở V11 để điều chỉnh độ rộng xung vuông tương ứng tải ở trên sơ
đồ có thể đặt trước hoặc sau van đều được :
Dưới đây là sơ đồ dạng sóng đầu ra của van khi điều chỉnh góc mở:
Trang 16Nhìn từ hình trên ta thấy do tải có tính cảm khám nên khi tắt vẫn có một phần điện
áp trả lại của động cơ Nên có thể xuất hiện một vùng không hoạt động nếu diện cảm lớnthì mạch có thể không hoạt động hoàn toàn
Nguyên nhân của hiện tượng này như sau :
Em xin trình bày với 2 thyiristor mắc song song ngược (tương tự 1 triac)
Khi điện áp nguồn U1 đã đổi dấu mà cuộn dây điện cảm chưa xả hết năng lượng,
làm cho T1 vẫn dẫn từ π cho đến φ1 nếu T1 đang dẫn chứng tỏ T1 đang phân cực thuận
và điện áp Ua1a2>0.Khi T1 phân cực thuận chứng tỏ T2 phân cực ngược Do đó trongvùng từ φ1 cho đến π nếu có phát xung điều khiển T2 thì T2 không dẫn được Phần này
em cũng đã trình bày ở trên
Thứ 2 là do khi có điện cảm, dòng điện không biến thiên đột ngột tại thời điểm mởthyristor,điện cảm càng lớn khi dòng điện biến thiên càng chậm Nếu độ rộng xung điềukhiển hẹp, dòng điện khi có xung điều khiển không đủ lớn hơn dòng điện duy trì,do đóvan bán dẫn không tự giữ dòng điện Kết quả không có dòng điện, van sẽ không mở Hiệntượng này sẽ thấy ở cuối và đầu chu kỳ điện áp, lúc đó điện áp tức thời đặt vào van bándẫn nhỏ Khi kết thúc xung điều khiển, dòng điện còn nhỏ hơn dòng duy trì nên van bándẫn khoá luôn Chỉ khi nào điện áp mở ở van đủ lớn hơn dòng dòng điện duy trì, dòngđiện mới tồn tại trong mạch
Để khắc phục hiện tường này là tạo xung gián đoạn bằng chùm xung liên tiếp nhưhình vẽ dưới đây Từ thời điểm mở van cho tới cuối bán kỳ:
Dưới đây là sơ đồ:
Trang 17Tuỳ theo tải có điện cảm lớn cỡ nào mà ta thiết kế chọn độ rộng xung cho hợp lý
1.3.3.Mạch điều khiển
1.3.3.1.Phân tích
Điều khiển Triac trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay có rất nhiều phương pháp khácnhau thường gặp là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính Theo nguyên tắcnày để điều khiển góc mở α của Triac ta tạo ra một điện áp tựa dạng tam giác (điện áp
tựa răng cưa Urc) Dùng một điện áp một chiều Uđk để so sánh với điện áp tựa Tại thờiđiểm hai điện áp này bằng nhau(Uđk= Urc)
Trong vùng điện áp dương anot thì phát xung điều khiển cho tới cuối bán kỳ (hoặctới khi dòng điện bằng 0)
Để thực hiện ý đồ trên mạch điều khiển bao gồm 3 khâu cơ bản:
Trang 18Hình 14: Sơ đồ khối các khâu trong mạch điều khiển
* Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ khối như sau:
1 Khâu đồng bộ: Có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa Urc tuyến tính trùng pha với điện
áp Anot (cực G) của Thyristor (triac)
2 Khâu so sánh: Nhận tín hiệu điện áp tựa và điện áp điều khiển Có nhiệm vụ so
sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển Uđk Tìm thời điểm hai điện áp bằngnhau(Uđk= Urc) Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì phát xung điều khiển ở đầu ra
để gửi sang tầng tạo xung và khuếch đại xung
3 Khâu tạo xung và khuếch đại xung:
Có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Triac Xung để mở Triac cần có các yêu cầu:Sườn trước dốc thẳng đứng để đảm bảo mở Triac tức thời khi có xung điều khiển(Thường gặp là xung kim hoặc xung chữ nhật) đủ độ rộng (với độ rộng xung lớn hơn thờigian mở củacTriac) Cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực (nếu điện áp độnglực quá lớn) đủ công suất
1.3.3.2 Nguyên lý hoạt động.
Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch điều khiển được đưa đến khối đồng pha Đầu racủa khối này có điện áp thường là hình sin cùng tần số và có thể lệch pha một góc xácđịnh so với điện áp nguồn Điện áp này gọi là điện áp đồng bộ Vđb Đầu ra của mạch phátđiện răng cưa ta có các điện áp răng cưa đồng bộ về tần số và góc pha với điện áp đồng
bộ Các điện áp này gọi là điện áp răng cưa Vrc Điện áp răng cưa Vrc được đưa vào đầuvào của khối so sánh Tại đó có một tín hiệu khác nữa là điện áp một chiều điều chỉnh lấy
từ ngoài Hai tín hiệu này được mắc với cực tính sao cho tác động của chúng lên mạch sosánh là ngược chiều nhau Khối so sánh làm nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu này Tại thờiđiểm hai tín hiệu này bằng nhau thì tín hiệu đầu ra khối so sánh là các xung xuất hiện vớichu kỳ của Vrc Xung răng cưa có hai sườn trong đó có một sườn mà tại đó thì đầu rakhối so sánh xuất hiện một xung điện áp thì sườn đó là sườn sử dụng Vậy ta có thể thayđổi thời điểm của xung xuất hiện tại đầu ra khối so sánh bằng cách thay đổi Vđk khi giữnguyên dạng của Vrc
Trong một số trường hợp xung ra khối so sánh được đưa ngay đến đầu cực của thiết
bị cần điều khiển nhưng trong đa số các trường hợp thì tín hiệu ra khối so sánh chưa đủyêu cầu cần thiết Người ta phải thực hiện việc khuếch đại thay đổi lại hình dáng xung.Các nhiệm vụ này được thực hiên bởi một mạch gọi là mạch xung Đầu ra của khối tạoxung và khuếch đại xung sẽ được một chuỗi xung điều khiển có đủ các thông số yêu cầu
về công suất, độ dài, độ dốc mặt đầu của xung Tại thời điểm bắt đầu xuất hiện các xunghoàn toàn trùng với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối so sánh
Trang 19Ngày nay các mạch cổ điển như trên thường được thay thế bằng các IC tích hợp đầy
đủ các khâu, với kết cấu nhỏ gọn, giá thành rẻ và đạt được độ chính xác rất cao IC TCA
2.1.1 Chọn thiết bị bảo vệ quá nhiệt.
Triac làm việc với dòng điện tối đa Imax = 1.136 A chịu một tổn hao trên van là (∆P1)
và khi chuyển mạch (∆P2) Tổng tổn hao sẽ là:
∆P = ∆P1 +∆P2 ≈ ∆P1 = ∆U.Ilv = 1,6.1.136 = 1,82W
Tổn hao công suất này sinh ra nhiệt Mặt khác van chỉ làm việc tới nhiệt độ tối đacho phép là T = 1250C Do đó phải bảo vệ van bằng cách gắn van bán dẫn lên cánh toảnhiệt
Trang 20Khi van bán dẫn được mắc vào cánh toả nhiệt bằng đồng hoặc nhôm, nhiệt độ củavan được toả ra môi trường xung quanh nhờ bề mặt của cánh toả nhiệt Sự toả nhiệt này lànhờ vào sự chênh lệch nhiệt giữa cánh toả nhiệt và môi trường xung quanh Khi cánh toảnhiệt nóng lên, nhiệt độ xung quanh cánh toả nhiệt nóng lên Nhiệt độ xung quanh cánhtoả nhiệt tăng lên Làm cho tốc độ dẫn nhiệt ra môi trường không khí bị chậm lại Diệntích bề mặt toả nhiệt được tính:
Stn = K tn.τ
P
∆
Tổn hao công suất: ∆P = 1,82W
Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường:τ = Tlv – Tmt
Có Tlv = 1250C, chọn nhiệt độ môi trường: Tmt = 400C
82 , 1 4
− = 26,76 cm2
Hình 16: Hình dạng cánh tản nhiệt cho Triac.
2.1.2 Chọn thiết bị bảo vệ quá dòng điện cho van.
*Chọn cầu chì tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch nguồn:
Icc = 1,1Ilv = 1,1.1,136 = 1,25 A
