Điều khiển quạt theo nhiệt độ và chuyển động

Quạt hoạt động theo các chế độ dựa trên thang đo của Cảm biến nhiệt độ và Cảm biến chuyển động.

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: PHẠM VĂN CHƯƠNG

Lớp: 51CKCD

Chuyên ngành: Công nghệ cơ điện tử

Đề tài: "Thiết kế, chế tạo hệ thống tự động thay đổi tốc độ quạt theo nhiệt độ môi trường mô hình nhà thông minh”

Số trang: 109 Số chương: 05 Tài liệu tham khảo:

Hiện vật: Mô hình + 2 Đĩa CD + 2 Quyển báo cáo

NHẬN XÉT

Kết luận

Nha Trang, ngày tháng năm 2012

Cán bộ hướng dẫn ( ký và ghi rõ họ tên )

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI

Họ và tên sinh viên: PHẠM VĂN CHƯƠNG

Lớp: 51CKCD

Chuyên ngành: Công nghệ cơ điện tử

Đề tài : "Thiết kế, chế tạo hệ thống tự động thay đổi tốc độ quạt theo nhiệt độ môi trường mô hình nhà thông minh”

Số trang: 109 Số chương: 05 Tài liệu tham khảo:

Hiện vật: Mô hình + 2 Đĩa CD + 2 Quyển báo cáo

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Kết luận

Nha Trang, ngày tháng năm 2012

CÁN BỘ PHẢN BIỆN

( Ký ghi rõ họ tên )

_ Điểm phản biện

Bằng số Bằng chữ

Nha Trang, ngày tháng năm 2012

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

( Ký ghi rõ họ tên )

Điểm chung

Bằng số Bằng chữ

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay trên thế giới với sự bùng nổ của các ngành công nghệ thông tin, điện tử…

Đã làm cho đời sống của con người ngày càng hoàn thiện Các thiết bị tự động hóa đã ngày càng ăn sâu vào trong sản xuất và thậm chí là vào cuộc sống sinh hoạt hằng ngày của mỗi con người Do đó một ngôi nhà thông minh không còn là mơ ước của con người nữa mà nó đã trở thành hiện thực hóa Qua báo chí, các phương tiện truyền thông, những kiến thức đã học cùng với mong muốn thiết kế một nguôi nhà tự động

hóa đáp ứng được nhu cầu sinh hoạt hằng ngày Vì vậy, “ Ngôi nhà thông minh” là sự

lựa chọn rất khả thi để làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp

Trong thời gian làm đồ án, thầy Phạm Đình Trung chỉ bảo và hỗ trợ rất nhiệt tình

trong quá trình thực hiện, hoàn thành được đồ án này Em xin chân thành cảm ơn thầy!

Dù bản thân đã có nhiều cố gắng tìm hiểu, nhưng vì giới hạn về thời gian cũng như kiến thức bản thân nên chắc cũng không tránh khỏi thiếu xót Em rất mong nhận được

sự góp ý của mọi người Em xin chân thành cảm ơn

Sinh viên thực hiện

PHẠM VĂN CHƯƠNG

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC CÁC HÌNH x

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu chung 2

1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 6

1.2.1 Mục tiêu chung 6

1.2.2 Nội dung nghiên cứu 6

1.3 Giới hạn đề tài 7

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 8

2.1 Mô tả bài toán 9

2.2 Phương pháp nghiên cứu 11

2.3 Xây dựng bài toán điều khiển tốc độ quạt điện 11

2.3.1 Quạt điện 11

2.3.2 Phương pháp điều khiển động cơ xoay chiều một pha 15

CHƯƠNG 3:THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 41

3.1.1 Sơ đồ nguyên lý 42

3.1.2 Nguyên lý hoạt động 42

3.1.3 Các linh kiện trong mạch 43

3.1.4 Sơ đồ mạch in 47

3.2 Mạch xác định điểm 0 47

3.2.1 Sơ đồ nguyên lý 47

3.2.2 Nguyên tắc hoạt động 47

3.2.3 Các linh kiện trong khối 49

3.2.4 Sơ đồ mạch in 51

3.3 Mạch Công Suất 52

3.3.1 Sơ đồ nguyên lý 52

3.3.2 Nguyên lý hoạt động 52

3.3.3 Các linh kiện có trong mạch 55

3.4 Mạch Vi điều khiển 60

3.4.1 Sơ đồ nguyên lý 60

3.4.2 Nguyên lý hoạt động 61

3.4.3 Các linh kiện có trong mạch 61

3.4.4 Sơ đồ mạch in 62

3.5 Khối hiển thị LCD 62

3.5.1 Sơ đồ nguyên lý 62

3.5.2 Nguyên lý hoạt động 63

3.6 Sơ đồ mạch in 65

CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 66

4.1 Quy trình chế tạo mạch điện 67

4.1.1 Chuẩn bị 67

4.1.2 Thi công lắp ráp 67

4.2 Mạch điện thành phẩm 68

4.3 Thử nghiệm và kiểm tra hệ thống 70

4.3.1 Kiểm tra nguồn 70

4.3.2 Kiểm tra mạch công suất 71

4.4 Thử nghiệm và kiểm tra độ ổn định 71

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 74

5.1 Kết luận 75

5.1.1 Kết quả đạt được 75

5.1.2 Kết quả chưa đạt được 75

5.2 Đề xuất 75

5.2.1 Đề xuất phần cứng 75

5.2.2 Đề xuất phần mềm 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 PHỤ LỤC 78

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Địa chỉ nhiệt độ và độ ẩm cảm biến SHT 32

Bảng 2.2: Các giá trị tham số SHT10 34

Bảng 3.1: Các giá trị tham chiếu góc kích và điện áp tức thời 54

Bảng 3.2: Góc mở α với từng loại tải 60

Bảng 3.3: Bảng sơ đồ chân LCD1602 63

Bảng 4.1: Kiểm tra nhiệt độ và mức tốc độ 73

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Một số thiết bị được điều khiển trong nhà thông minh 4

Hình 1.2: Bản thiết kế quạt của Mechanism vào 27 tháng 11 năm 1830 5

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của hệ thống 9

Hình 2.2: Sơ đồ giải thuật điều khiển quạt điện 10

Hình 2.3: Cấu tạo của quạt điện 12

Hình 2.4: Các bộ phận khác của quạt điện 12

Hình 2.5: Sơ đồ đấu dây của quạt trần 13

Hình 2.6: Sơ đồ đấu dây của quạt bàn 15

Hình 2.7: Sơ đồ mạch điều khiển quạt 16

Hình 2.8: Các phương án điều áp một pha 18

Hình 2.9: Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng bán dẫn 19

Hình 2.10: Hình dạng đường cong điện áp điều khiển 20

Hình 2.11: Đồ thị dạng xung điều chế PWM 21

Hình 2.12: Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra 21

Hình 2.13: Biểu đồ xung PWM 23

Hình 2.14: Tùy chỉnh cấu hình trong Codevision 23

Hình 2.15: Các phương án điều áp một pha 24

Hình 2.16: Cấu tạo của Thermocouples 26

Hình 2.17: Hình ảnh của Thermistor 27

Hình 2.18: Cảm biến LM35 28

Hình 2.19: Thông số kĩ thuật SHT10 29

Hình 2.20: Các chân vào ra SHT10 30

Hình 2.21: Cách ghép nối SHT10 với MCU 30

Hình 2.22: Hàm truyền giao tiếp SHT10 31

Hình 2.23: Khung truyền dữ liệu SHT10 33

Hình 2.24: Đồ thị độ ẩm SHT10 35

Hình 2.25: Cảm biến chuyển động PIR 36

Hình 2.26: Khoảng cách quét PIR 37

Hình 2.27: Nguyên lý phát hiện chuyển động ngang của các nguồn thân nhiệt 38

Hình 2.28: Cấu tạo cảm biến PIR 39

Hình 2.29: Nguyên lý kính hội tụ 40

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 42

Hình 3.2: Sơ đồ khối mạch nguồn 42

Hình 3.3: IC LM7805 44

Hình 3.4: Diode bán dẫn 45

Hình 3.5: Tụ điện 45

Hình 3.6: Sơ đồ mạch in của mạch nguồn 47

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý mạch xác định điểm 0 47

Hình 3.8: Dạng xung vào/ra mạch bắt 0v 49

Hình 3.9: Diode Zener 50

Hình 3.10: OPTO 51

Hình 3.11: Sơ đồ mạch in mạch công suất 51

Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý mạch công suất 52

Hình 3.13: Dạng xung mở triac 53

Hình 3.14: MOC3020 56

Hình 3.15: Sơ đồ chân BTA16 57

Hình 3.16: Đặc tuyến V-A 58

Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý và layout mạch vi điều khiển 60

Hình 3.18: Sơ đồ mạch in vi điều khiển 62

Hình 3.19: Sơ đồ nguyên lý và layout mạch vi điều khiển 62

Hình 3.20: Sơ đồ chân của LCD1602 63

Hình 3.21: Sơ đồ ghép nối chân LCD1602 64

Hình 3.21: Sơ đồ layout toàn mạch 65

Hình 4.1: Hình ảnh mạch điều khiển và nguồn 68

Hình 4.2: Mạch hiển thị LCD và module PIR 69

Hình 4.3: Mặt trước hộp điều khiển 69

Hình 4.4: Kiểm tra mạch có bị đứt hay chập mạch không 70

Hình 4.5: Kiểm tra mạch nguồn 70

Hinh 4.6: Hình ảnh đồ án hoạt động 71

Hình 4.7: Hiển thị LCD ở các mức nhiệt độ khác nhau 72

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung

Năm 2009, Tập đoàn Smart life đưa ra khái niệm về một hệ thống nhà thông minh tiêu chuẩn của mình (I -solution), đồng thời xây dựng và phát triển giải pháp hệ thống nhà thông minh theo khái niệm tiêu chuẩn này bao gồm:

Một hệ thống nhà thông minh phải gắn kết được các hệ thống An ninh - An toàn, Chiếu sáng, Điều khiển nhiệt độ - Quản lý năng lượng, hệ thống âm thanh, Video - Camera giám sát, Intercom - Chuông cửa có hình, Rèm tự động, Bơm bể bơi, Bơm tưới, và các hệ thống khác theo yêu cầu Các hệ thống này có thể giao tiếp và hoạt động tương tác với nhau để tạo ra một hệ thống điều khiển thống nhất

Cũng theo I – Solution, một hệ thống nhà thông minh có thể chỉ bao gồm một vài hệ thống hoặc tất cả các hệ thống trên Trong một ngôi nhà thông minh, Các hệ thống hoạt động tương tác với nhau giúp ngôi nhà trở nên hiện đại, tiện nghi và an toàn hơn

Và hơn hết, hệ thống nhà thông minh phải đảm bảo các thiết bị vẫn có các tính năng của các thiết bị thông thường

Năm 2012, Smarthome đưa ra khái niệm về nhà thông minh là hệ thống tự động, hệ thống tiết kiệm điện năng và hơn thế nữa Tất nhiên là các chức năng trên không thể thiếu được trong các dòng sản phẩm và những dịch vụ trên thị trường và một số những dịch vụ tốt hơn cả trong trí tưởng tượng là một số nhà sản xuất hữu hạn có khả năng cung cấp các sản phẩm cho phép điều khiển toàn bộ ngôi nhà từ xa thông qua Internet

Vietnet (2011) định nghĩa một tòa nhà thông minh là được trang bị cơ sở hạ tầng viễn thông cho phép nó phản ứng liên tục và thích ứng với những điều kiện thay đổi, sử dụng các nguồn tài nguyên hiệu quả hơn và làm tăng sự thoải mái và an toàn cho người sử dụng Một tòa nhà thông minh đem lại những lợi ích này qua các hệ thống điều khiển tự động như: hệ thống HVAC (hệ thống thông gió và điều hòa không khí);

hệ thống an ninh; hệ thống an toàn cháy nổ và hệ thống quản lý năng lượng/ánh sáng Chẳng hạn như: trong trường hợp có hỏa hoạn, hệ thống báo cháy liên lạc với hệ thống

an toàn để mở cửa Hệ thống an toàn liên lạc với hệ thống HVAC để điều chỉnh lưu lượng không khí nhằm ngăn không cho lửa lan rộng

SaleBIT (2012) nhận định các hệ thống của nhà thông minh bao gồm: Hệ thống tiết kiệm năng lượng, hệ thống điều khiển chiếu sáng, hệ thống âm thanh, hệ thống camera giám sát, hệ thống an ninh, các hệ thống tăng tính tiện ích cho ngồi nhà vv

Tất cả các hệ thống trên được tổ chức phối hợp với nhau và được lập trình theo sự kiện

và nhu cầu sử dụng của ngôi nhà Tất cả thông tin đều được tập trung tại trung tâm điều khiển controller, tại đây sẽ xử lý mọi thông tin điều khiển ngôi nhà một cách tiện nghi và thông minh nhất

Có thể nói, nhà thông minh là một ý tưởng tương đối rộng, nó có thể bao gồm từ những thiết bị điều khiển đơn giản như điều khiển tivi bằng điều khiển từ xa (hồng ngoại) cho đến những điều khiển tự động bằng cảm ứng hay lập trình tự động như thay đổi ánh sáng, nhiệt độ phòng tùy theo sở thích của chủ nhân hay thay đổi nhiệt độ để phù hợp với các điều kiện thời tiết thay đổi để tạo sự dễ chịu nhất cho người sử dụng Cũng vì sự đa dạng ấy nên cũng đã có rất nhiều những kĩ thuật khác nhau đã từng được áp dụng trong các giải pháp về nhà thông minh như điều khiển ánh sáng (on/off, dimmer, scence, timer, logic, ) và khí hậu, điều khiển mành, rèm, cửa cổng, những hệ thống an ninh và giám sát, camera, chuông hình, điều khiển hệ thống âm thanh giải trí trong gia đình hay các hệ thống tự động chăm sóc vườn cây…Và các thành phần để triển khai những kĩ thuật này có một số loại như sau: các thiết bị điều khiển bằng phần cứng, các phần mềm điều khiển, các thiết bị cảm ứng Việc kết nối các thành phần này cũng sử dụng rất nhiều loại môi trường truyền nhận đa dạng như điều khiển tự động bằng cảm biến, có dây như cáp quang, hay không dây như loại sóng RF (Radio Frequency), wifi, GPRS, tín hiệu hồng ngoại…)

Hình 1.1: Một số thiết bị được điều khiển trong nhà thông minh

Lãnh thổ Việt Nam nằm trọn trong vùng nhiệt đới với miền bắc mang khí hậu cận nhiệt đới ẩm ấm, bắc trung bộ là khí hậu nhiệt đới gió mùa, miền nam và nam trung bộ mang đặc điểm nhiệt đới Xavan Với đặc điểm khí hậu như vậy, quạt điện là thiết bị điện gần như không thể thiếu trong mỗi ngôi nhà ở Việt Nam

Quạt điện hay Quạt máy là một thiết bị dẫn động bằng điện được dùng để tạo ra các luồng gió nhằm phục vụ lợi ích cho con người (nhất là giảm sức nóng của cơ thể, hạ nhiệt, giúp con người cảm thấy mát, thoải mái), thông gió, thoát khí, làm mát, hoặc bất

kỳ tác động liên quan đến không khí trong môi trường sống

Khi hoạt động, quạt điện gồm các cánh quạt xoay nhanh tạo ra các dòng khí Các nhà sản xuấ tthiết kế mỗi quạt điện có nhiều mức độ quay khác nhau từ mức cao nhất đến mức thấp nhất Nguyên lí hoạt động của quạt điện được tận dụng rất nhiều trong đời thường, chẳng hạn như phong tốc kế (thiết bị đo gió) và tuốc bin gió thường được thiết kế tương tự như quạt điện

Nguồn gốc của quạt điện được tạo ra theo cơ chế hoạt động giống như quạt kéo ở vùng Trung Đông vào đầu thế kỷ 19 Đó là một hệ thống gồm một cái khung làm bằng vải bạc kết nối với một sợi dây dẫn kéo tới và lui tạo ra luồng gió

Hình 1.2: Bản thiết kế quạt của Mechanism vào 27 tháng 11 năm 1830

Sau cuộc cách mạng công nghiệp vào cuối thế kỷ 19, các nhà máy thủy lực đã tạo ra một loại quạt dẫn động bằng đai Họ thay trục giữa của quạt bằng bộ phận máy móc động và từ đó quạt điện bắt đầu được phát triển dần Một trong những người tạo ra quạt máy đầu tiên là Omar-Rajeen Jumala vào năm 1832 Ông gọi phát minh của mình

là máy quạt ly tâm, hoạt động giống như máy bơm không khí Các loại quạt ly tâm này được sử dụng rất thành công ở trong các nhà máy vào năm 1832-1834 Và khi Thomas Alva Edison và Nikola Tesla phát hiện ra nguồn năng lượng điện cho toàn thế giới vào cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, và từ đó các loại quạt chạy bằng cơ học đã cải tiến thành quạt điện Giữa năm 1882 đến năm 1886, Tiến sĩ Schuyler Skaats Wheeler đã phát triển thành loại quạt bàn và quạt điện cá nhân Một công ty động cơ điện ở Mỹ Crocker & Curtis đã mua lại sản phẩm này và đưa vào thị trường cho người sử dụng Năm 1882, Philip Diehl đã giới thiệu đến chiếc quạt điện trần và Diehl được xem là cha đẻ của chiếc quạt điện hiện đại ngày nay

Mặc dù quạt điện được xem là một trong những thiết bị điện dùng phổ biến nhất trên thế giới Trong một ngôi nhà thông minh cũng không thể thiếu thiết bị điện này Tuy nhiên, với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học công nghệ như hiện nay, một ngôi nhà

thông minh sử dụng quạt điện điều khiển một cách cơ học như hiện nay là điều khó có thể chấp nhận

Thực tế cho thấy, chưa có nghiên cứu một cách khoa học để thông minh hóa quạt điện, đáp ứng nhu cầu cấp bách của thực tiễn Trong khuôn khổ thời lượng của một luận văn tốt nghiệp, đề tài này nghiên cứu thông minh hóa thiết bị quạt máy chạy nguồn điện xoay chiều một pha, dựa trên cơ sở tín hiệu điều khiển là cảm biến nhiệt độ và cảm biến chuyển động

1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu chung

Vận dụng kiến thức đã học nghiên cứu điều khiển quạt máy chạy nguồn điện xoay chiều một pha dựa vào tín hiệu điều khiển là cảm biến nhiệt độ và cảm biến dịch chuyển

Sau khi tạo ra được sản phẩm của đề tài có thể ứng dụng vào thực tế cho những nơi như: hệ thống các phòng ban trong cơ quan xí nghiệp, các khách sạn, nhà nghỉ, hoặc các hộ gia đình có nhu cầu sử dụng…

1.2.2 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về quạt máy dùng nguồn điện xoay chiều một pha

- Tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ

- Tìm hiểu và thiết kế mạch điều khiển tốc độ quay của quạt dựa vào tín hiệu điều khiển từ cảm biến nhiệt độ

- Tìm hiểu về cảm biến dịch chuyển

- Tìm hiểu và thiết kế mạch điều khiển quạt điện dựa vào tín hiệu điều khiển từ cảm biến dịch chuyển

- Tìm hiểu vi điều khiển Atmega32

- Kết hợp hai tín hiệu điều khiển từ cảm biến nhiệt độ và cảm biến dịch chuyển để chế tạo quạt điện thông minh

1.3 Giới hạn đề tài

Kết quả cuối cùng của đề tài là giải pháp công nghệ và sản phẩm dưới dạng mô hình của quạt điện thông minh, có tốc độ quay của quạt phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Dựa vào cảm biến dịch chuyển, quạt chỉ hoạt động khi ngôi nhà thực sự có nhu cầu (có người) Mô hình quạt thông minh này không chỉ áp dụng trong nhà thông minh mà sẽ được áp dụng rộng rãi trong cuộc sống sinh hoạt hàng ngày của con người Tuy nhiên

do thời gian có hạn, kinh phí, cơ sở vật chất và năng lực chế tạo còn hạn chế, mặc dù đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu về mặt công nghệ, nhưng sản phẩm có hình dáng, mẫu mã chưa đẹp chưa thể bán trên thị trường Tuy nhiên nếu được đầu tư công nghệ thực sự, sản phẩm của nghiên cứu có thể đáp ứng được tất cả các yêu cầu trên

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

2.1 Mô tả bài toán

Với mục tiêu tự động điều khiển tốc độ quạt điện theo nhiệt độ môi trường và khi có người nhằm ứng dụng cho mô hình nhà thông minh, mô hình bài toán được xây dựng như sau:

Hệ thống hoạt động theo chương trình đã nạp trên ROM, qua sự điều khiển của MCU Atemega32 Tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ và cảm biến chuyển động được đưa vào vi điều khiển để xử lí rồi truyền tín hiệu ra các chân điều khiển

Dựa vào chương trình đã nạp trong VĐK và tín hiệu mà nó nhận được, mà MCU cho các thiết bị ngoại vi hoạt động: Điều khiển quạt điện hoạt động theo chương trình định sẵn

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của hệ thống

Hình 2.2: Sơ đồ giải thuật điều khiển quạt điện

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu dựa trên nguyên tắc phải phù hợp với thực tế nghĩa là hệ thống phải được thiết kế đơn giản trong việc lắp đặt, dễ dàng trong việc phát triển hệ thống, có tính ổn định trong thu thập dữ liệu và mang lại hiệu quả kinh tế khi sử dụng Thay thế sức người bằng máy móc, tiết kiệm thời gian Người sử dụng dễ dàng vận hành, bảo trì Giá thành hợp lý, đảm bảo an toàn khi sử dụng, ít bị ảnh hưởng do thời

tiết Dựa vào những yếu tố đã nêu trên ta nên tìm hiểu về những vấn đề sau:

- Tìm hiểu về các phương pháp thiết kế mô hình trên thực tế từ đó lựa chọn phương pháp tối ưu nhất để dễ dàng cho việc thiết kế mô hình

- Thiết kế mạch bằng chương trình orcad nhỏ gọn phù hợp với mô hình

- Viết code bằng phầm mềm chuyên dụng codevision

- Lắp ráp mạch hoàn chỉnh

- Thử nghiệm và sửa chữa mạch để hoàn thiện đề tài

- Đưa ra thực tế sử dụng để kiểm tra và đánh giá kết quả đồng thời hoàn thiện chương trình điều khiển

2.3 Xây dựng bài toán điều khiển tốc độ quạt điện

2.3.1 Quạt điện

Hiện nay, quạt điện có rất nhiều loại và sử dụng hai động cơ là động cơ một pha và động cơ ba pha Với yêu cầu đặt ra là quạt điện sử dụng trong điện dân dụng thường được sử dụng điện lưới một pha trong đời sống hằng ngày Vì vậy nghiên cứu này sẽ

sử dụng động cơ điện xoay chiều một pha

Hình 2.3: Cấu tạo của quạt điện

Quạt điện có cấu tạo gồm :

- Cánh quạt: làm bằng kim loại hay nhựa được tạo dáng để tạo ra gió khi quay

- Động cơ điện xoay chiều 1 pha

- Lưới bảo vệ: dụng cụ để bảo vệ cánh quạt và động cơ trước tác động từ bên ngoài

(gãy cánh, kẹt động cơ)

- Bộ phận điều chỉnh tốc độ quay và thay đổi hướng gió

Hình 2.4: Các bộ phận khác của quạt điện

2.3.1.1 Nguyên lý hoạt động của quạt điện

Khi cho dòng điện vào quạt thì từ trường tạo bởi hai cuộn chạy và cuộn đề hợp thành

từ trường quay nhờ sự lệch pha gữa hai dòng điện trong hai cuộn Từ trường quay này tác động lên roto làm phát sinh dòng điện ứng chạy trong roto

Dòng điện ứng dưới tác dụng của từ trường quay tạo ra moment quay làm quay roto theo chiều từ trường quay

Tốc độ quay của quạt được xác định:

Quạt trần có thể đấu dây theo từ cực thật và từ cực giả

Quạt trần điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm điện áp đặt vào động cơ quạt Có rất nhiều cách giảm điện áp đưa vào động cơ quạt, nhưng thông thường người ta dùng cuộn cảm kháng Khoảng sụt áp trên cuộn cảm kháng không quá 30% điện áp nguồn Nếu cao hơn, sẽ làm quạt chạy quá chậm và phát nhiệt

Quạt bàn

Hình 2.6: Sơ đồ đấu dây của quạt bàn

Về nguyên tắt đấu dây, quạt bàn thông thường đấu cực thật và thường có 4 từ cực Cuộn tốc độ quấn chung với cuộn đề và được phân bố đề trên các cuộn đề

2.3.2 Phương pháp điều khiển động cơ xoay chiều một pha

Động cơ điện xoay chiều một pha là động cơ điện xoay chiều không cổ góp được chạy bằng điện một pha Loại động cơ điện này được sử dụng khá rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống như động cơ bơm nước, động cơ quạt, động cơ trong các hệ thống tự động… Khi sử dụng loại động cơ này người ta thường cần điều chỉnh tốc độ

Để điều khiển tốc độ động cơ một pha người ta có thể sử dụng các phương pháp sau:

- Thay đổi số vòng dây của Stator

- Mắc nối tiếp với động cơ một điện trở hay cuộn dây điện cảm

- Điều khiển điện áp đưa vào động cơ

Trước đây điều khiển tốc độ động cơ bằng điều khiển điện áp xoay chiều đưa vào động

cơ, người ta thường sử đụng hai cách phổ biến là mắc nối tiếp với tải một điện trở hay một điện kháng hoặc là điều khiển điện áp bằng biến áp như là các ổn áp Chúng đều

có nhược điểm là kích thước lớn và khó điều khiển liên tục khi dòng điện lớn

Ngày nay với việc ứng dụng Tiristor và Triac vào điều khiển, người ta có thể điều khiển động cơ một pha bằng bán dẫn

Hình 2.7: Sơ đồ mạch điều khiển quạt

Trong đó : T : Triac điều khiển điện áp trên quạt

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 Triac

Điện áp và tốc độ của quạt có thể điều khiển bằng cách điều chỉnh biến trở VR Tuy nhiên điều khiển này không triệt để vì ở vùng điện áp nhỏ khi Triac dẫn ít rất khó điều khiển

Tốc độ quạy của quạt có thể được 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 vậy Triac được mở thông khi điện áp trên tụ đạt điểm dẫn

thông Diac Kết quả là muốn tăng tốc độ của quạt ta cần giảm điện trở của VR để tụ nạp nhanh hơn Triac dẫn sớm hơn điện áp ra lớn hơn Ngược lại điện trở của VR càng lớn tụ nạp càng chậm, Triac mở càng chậm lại điện áp và tốc độ của quạt giảm xuống

Có thể điều khiển liên tục tốc độ quạt, sử dụng cho các loại tải khác như điều khiển độ sáng của đèn sợi đốt, điều khiển bếp điện Nhưng nếu chất lượng Triac hay Diac kém thì ở vùng tốc độ thấp quạt sẽ xuất hiện tiếng ù do thành phần một chiều của dòng điện

2.3.2.1 Bộ điều áp xoay chiều một pha

Nguyên lý bộ điều áp xoay chiều một pha

Các bộ biến đổi điện áp xoay chiều dùng để biến đổi điện áp hiệu dụng đặt lên tải Nguyên lý của bộ biến đổi này là dùng các phần tử van bán dẫn nối tải với nguồn trong một khoảng thời gian t1 rồi lại cắt đi trong một khoảng thời gian t0 theo một chu kỳ lặp lại T Bằng cách thay đổi độ rộng của t1 hay t0 trong khoảng thời gian T ta thay đổi được giá trị điện áp trung bình trên tải Nguyên lý này có ưu điểm là điều chỉnh điện

áp ra trong một phạm vi rộng và vô cấp, hiệu suất cao vì tổn thất trên các phần tử điện

tử công suất nhỏ Điều áp xoay chiều thường được sử dụng trong điều khiển chiếu sáng, đốt nóng, trong khởi động mềm và điều chỉnh tốc độ quạt gió hoặc máy bơm

Một số sơ đồ mạch động lực

Hình 2.8 giới thiệu một số mạch điều áp xoay chiều một pha

Hình 2.8a là điều áp xoay chiều điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện kháng hay điện trở phụ (tổng trở phụ) biến thiên Sơ đồ mạch điều chỉnh này đơn giản

dễ thực hiện Tuy nhiên, mạch điều chỉnh kinh điển này hiện nay ít được dùng, do hiệu suất thấp (nếu Zf là điện trở) hay cosφ thấp (nếu Zf là điện cảm)

Hình 2.8 Các phương án điều áp một pha

từ 0 đến trị số bất kì, lớn hay nhỏ hơn điện áp vào Nếu cần điện áp ra có điều chỉnh,

mà vùng điều chỉnh có thể lớn hơn điện áp vào, thì phương pháp phải dùng biến áp là tất yếu Tuy nhiên, khi dòng tải lớn, sử dụng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh, khó đạt được yêu cầu như mong muốn, đặc biệt là không điều chỉnh liên tục được, do chổi than khó chế tạo để có thể chí tiếp xúc trên một vòng dây của biến áp

Hai giải pháp điều áp xoay chiều trên hình 2.8a, 2.8b có chung ưu điểm là điện áp hình sin, đơn gian Có chung nhược điểm là quán tính điều chỉnh chậm và không điều chỉnh liên tục khi dòng tải lớn Sử dụng sơ đồ bán dẫn để điều chỉnh xoay chiều, có thể khắc phục được những nhược điểm vừa nêu

Các sơ đồ điều áp xoay chiều bằng bán dẫn trên hình 2.8c được sử dụng phổ biến Lựa chọn sơ đồ nào trong các sơ đồ trên tùy thuộc dòng điện, điện áp tải và khả năng cung cấp các linh kiện bán dẫn Có một số gợi ý như lựa chọn các sơ đồ hình 2.8c như sau :

Hình 2.9: Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng bán dẫn

a Bằng hai tiristor song song ngược

Tuy nhiên, việc điều khiển hai Tiristor song song ngược đôi khi có chất lượng điều khiển không tốt lắm, đặc biệt là khi cần điều khiển đối xứng điện áp, nhất là khi cung cấp cho tải đòi hỏi thành phần điện áp đối xứng (chẳng hạn như biến áp hay động cơ xoay chiều) Khả năng mất đối xứng điện áp tải khi điều khiển là do linh kiện mạch điều khiển Tiristor gây nên sai số Điện áp tải thu được gây mất đối xứng như so sánh trên hình 2.9b

Điện áp và dòng điện không đối xứng như hình 2.9b cũng cấp cho tải, sẽ làm cho tải

có thành phần dòng điện một chiều, các cuộn dây bị bão hòa, phát nóng và bị cháy Vì

vậy việc định kì kiểm tra, hiệu chỉnh lại mạch là việc nên thường xuyên làm đối với sơ

đồ mạch này Tuy nhiên, đối với dòng điện tải lớn thì đây là sơ đồ tối ưu hơn cả cho việc lựa chọn

Hình 2.10: Hình dạng đường cong điện áp điều khiển

a Mong muốn

b Không mong muốn

Để khắc phục nhược điểm vừa nêu về việc ghép hai Tiristor song song ngược, Triac ra đời và có thể mắc theo sơ đồ hình 2.10b Sơ đồ này có ưu điểm là các đường cong điện

áp ra gần như mong muốn như hình 2.10a, nó còn có ưu điểm hơn khi lắp ráp Sơ đồ mạch này hiện nay được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp Tuy nhiên Triac hiện nay được chế tao với dòng điện không lớn (nhỏ hơn 400A), nên với những dòng điện tải lớn cần được ghép song song với các Triac Lúc đó sẽ phức tạp hơn về lắp ráp

và khó điều khiển song song Những tải có dòng điện trên 400A thì sơ đồ hình 2.10b ít dùng

2.3.2.2 Điều khiển theo phương pháp PWM

Việc sử dụng PWM để điều khiển động cơ một chiều (Động cơ DC) là một điều rất phổ biến Đối với việc sử dụng phần mềm AVR để điều khiển thì một điều rất dễ dàng

Với ưu điểm là dễ dàng trong việc thiết kế và sử dụng các linh kiện Cùng với việc dễ dàng viết chương trình điều khiển nên PWM được sử dụng nhiều hiện nay

PWM 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 Các PWM khi biến đổi thì có cùng một tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm

Hình 2.11: Đồ thị dạng xung điều chế PWM

Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn của tải và một cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt Phần tử thực hiện nhiệm vụ đó trong mạch các van bán dẫn

Hình 2.12: Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra

Trong khoảng thời gian 0  t0 ta cho van G mở toàn bộ điện áp nguồn Ud được đưa ra tải Còn trong khoảng thời gian t0  T cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải Vì vậy với t0 thay đổi từ 0  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 t1 là thời gian xung ở sường dương

T là thời gian của cả sườn âm và dương

Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải

D = t1/ T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % tức là PWM

U d = U max (t 1 / T) Hay U d = U max D

Như vậy ta nhìn trên đồ thị dạng điều chế xung thì ta có: Điện áp trung bình trên tải sẽ

là :

 Ud = 12.20% = 2.4V ( với D= 20%)

 Ud = 12.40% = 4.8V ( với D= 40%)

 Ud = 12.90% = 10.8V ( với D= 90%)

Hình 2.13: Biểu đồ xung PWM

Đối với việc sử dụng phần mềm AVR để điều khiển PWM ta cần phải cài đặt các thông số cơ bản như lựa chọn Timer (Timer 0, Timer 1, Timer 2, Timer 3), giá trị tần

số, chọn kiểu đầu ra (inverted, noninverted),…

Hình 2.14: Tùy chỉnh cấu hình trong Codevision

Việc cần làm chỉ là thay đổi trị số OCR1A hoặc OCR1B (nếu sử dụng Timer1) cho thích hợp để điều khiển động cơ

Việc sử dụng PWM để điều khiển tương đối dễ dàng, linh kiện và thiết bị đơn giản Nhưng về hiệu năng sử dụng thì kém hơn nhiều nên nó ít được sử dụng để điều khiển động cơ xoay chiều mà chỉ dùng nhiều ở động cơ một chiều

Một nhược điểm quan trọng của việc dùng PWM này đó là khi ta cần đưa tốc độ quạt xuống thấp thì không ổn định và có tiếng ồn Gây khó chịu cho người sử dụng, hiệu quả sử dụng thấp

2.3.2.3 Điều khiển góc mở Triac

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 Triac khi 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

Sơ đồ dạng sóng đầu ra của van khi điều chỉnh góc mở:

Hình 2.15: Các phương án điều áp một pha

Nhìn từ hình trên ta thấy do tải có tính cảm kháng 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 điện cảm ứng thì mạch có thể không hoạt động hoàn toàn

Nguyên nhân của hiện tượng này gồm có các lí do :

 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 trong vùng từ φ1 cho đến π nếu có phát xung điều khiển T2 thì T2 không dẫn được

 Do khi có điện cảm, dòng điện không biến thiên đột ngột tại thời điểm mở Tiristor, điện cảm càng lớn khi dòng điện biến thiên càng chậm Nếu độ rộng xung điều khiển hẹp, dòng điện khi có xung điều khiển không đủ lớn hơn dòng điện duy trì,

do đó van bán dẫn không tự giữ dòng điện Kết quả không có dòng điện, van sẽ không

mở Hiện tượng này sẽ thấy ở cuối và đầu chu kỳ điện áp, lúc đó điện áp tức thời đặt vào van bán dẫn khóa luôn Chỉ khi nào điện áp mở ở van đủ lớn hơn dòng dòng điện duy trì, dòng điện mới tồn tại trong mạch Để khắc phục hiện tượng này là tạo xung gián đoạn bằng chùm xung liên tiếp từ thời điểm mở van cho tới cuối bán kỳ

2.3.2.4 Cảm biến nhiệt độ

Nhiệt độ từ môi trường sẽ được cảm biến hấp thu, tại đây tùy theo cơ cấu của cảm biến

sẽ biến đại lượng nhiệt này thành một đại lượng điện nào đó Các loại cảm biến đều là cái vỏ bảo vệ, phần tử cảm biến nằm bên trong cái vỏ ở đó có chất bán dẫn, lưỡng kim

Do đó việc đo có chính xác hay không tùy thuộc vào việc truyền nhiệt từ môi trường vào đến phần tử cảm biến tổn thất bao nhiêu (một trong những yếu tố quyết định giá cảm biến nhiệt)

Có nhiều loại cảm biến như :

Cặp nhiệt điện

Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu

Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi (mV)

Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao

Nhược điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao

Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắc nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…

Tầm đo: -100oC  1400oC

Hình 2.16: Cấu tạo của Thermocouples

Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng (hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh (hay là đầu chuẩn) Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh một sức điện động V tại đầu lạnh Một vấn đề đặt ra

là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T Các bạn lưu ý điều này để chọn đầu dò

Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến không chính xác là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó và bộ điều khiển cho thích hợp (offset trên bộ điều khiển)

Thermistor

Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt…