Thiết kế, chế tạo module điện tử công suất điều khiển động cơ điện một chiều

LINK DOWNLOAD MIỄN PHÍ TÀI LIỆU "Thiết kế, chế tạo module điện tử công suất điều khiển động cơ điện một chiều ": http://123doc.vn/document/568721-thiet-ke-che-tao-module-dien-tu-cong-suat-dieu-khien-dong-co-dien-mot-chieu.htm

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


5
MỤC LỤC
BẢN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN 1
BẢN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 2
LỜI NÓI ĐẦU 3
LỜI CẢM ƠN 4
PHẦN I. DẪN NHẬP LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 7
1. CƠ SỞ KHOA HỌC 7
2. CƠ SỞ THỰC TIỄN 7
3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 7
4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 7
5. ỨNG DỤNG CỦA SẢN PHẨM 8
PHẦN II: NỘI DUNG 8
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ PHƢƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN 8
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 8
1.1.1. Cấu tạo của động cơ điện một chiều 8
1.1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều 10
1.1.3. Một số lại động cơ điện một chiều 10
1.1.4. Các đại lƣợng định mức 11
1.1.5. Đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 11
1.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐÔNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 13
1.2.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá chất lƣợng hệ thống điều chỉnh tốc độ 13
1.2.2. Các phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ điện 14
1.2.3. Hệ truyền động điều khiển động cơ điện một chiều 20
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ VAN CÔNG SUẤT VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU
KHIỂN 27
2.1. TỔNG QUAN VỀ VAN CÔNG SUẤT 27
2.1.1. Diode công suất 30
2.1.2. Transistor công suất BJT 32
2.1.3. Transistor trƣờng MOSFET 34
2.1.4. IGBT 37
2.1.5. TIRISTOR 39
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


6
2.1.6. TIRISTOR khóa bằng cực điều khiển GTO 43
2.1.7. TRIAC 46
2.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 47
2.2.1. Một số mạch chỉnh lƣu một pha không điều khiển 47
2.2.2. Một số mạch chỉnh lƣu một pha có điều khiển 57
CHƢƠNG III: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MODULE ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 64
3.1. Ý TƢỞNG THIẾT KẾ 64
3.2. THIẾT KẾ GIAO DIỆN MODULE 64
3.3. CÁC THÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ 64
3.4. THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC 65
3.5. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 68
3.5.1. Chức năng và cấu trúc của hệ thống điều khiển bộ biến đổi 68
3.5.2. Các yếu tố cơ bản đối với hệ thống điều khiển 69
3.5.3. Sơ đồ nguyên lý cấu trúc hệ thống điều khiển 72
3.5.4. Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển 72
3.6. SƠ ĐỒ BỐ TRÍ LINH KIỆN 91
CHƢƠNG IV. KẾT QUẢ KHẢO SÁT 91
KẾT LUẬN 92
K.1. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC 92
K.2. HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO 92
PHỤ LỤC 93
P.4.1. LẮP MẠCH CHẠY THỬ NGHIỆM 93
P.4.2. MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ KẾT NỐI THỬ NGHIỆM 94
P.4.3. KẾT QUẢ KHẢO SÁT VỚI TẢI ĐỘNG CƠ THEO YÊU CẦU ĐỀ TÀI . 95
P.4.4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT MỞ RỘNG 97





ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


7
PHẦN I. DẪN NHẬP LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
1. Cơ sở khoa học.
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ ngày nay, đã đem lại nhiều ứng
dụng và thành quả to lớn phục vụ nhu cầu đời sống thiết thực của con ngƣời. Đặc biệt đối
với hai lĩnh vực điện – điện tử đã trở nên quen thuộc và phục vụ phần lớn nhu cầu về mọi
mặt đời sống của con ngƣời. Và đặc biệt là ứng dụng mạnh mẽ của điện tử công suất
trong công nghệ điều khiển.
2. Cơ sở thực tiễn.
Động cơ một chiều đƣợc sử dụng từ lâu trong các hệ truyền động có điều khiển tốc
độ yêu cầu dải điều chỉnh lớn, độ ổn định tốc độ cao và các hệ thƣờng xuyên hoạt động ở
chế độ khởi động, hãm và đảo chiều. Nhờ có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt nên đƣợc sử
dụng rất phổ biến trong công nghiệp. Một số ứng dụng quan trọng của động cơ 1 chiều
nhƣ truyền động cho xe điện, máy công cụ, máy nâng vận chuyển
Đó là nhiệm vụ mà chuyên ngành điện – điện tử cần nghiên cứu và cải tiến công
nghệ Từ ý tƣởng đó cùng với những nhu cầu từ thực tiễn, nhóm đồ án chúng em đã
quyết định chọn đề tài: “Thiết kế, chế tạo module điện tử công suất điều khiển động cơ
điện một chiều”.
3. Mục đích nghiên cứu.
Dựa vào những kiến thức đã học về điện tử công suất, kết hợp với các kiến thức về
kỹ thuật điện tử để nghiên cứu và đƣa ra phƣơng pháp điều khiển hiệu quả.
Nhằm ôn lại những kiến thức đã học cũng nhƣ nâng cao trình độ chuyên môn để
phục vụ cho công việc sau khi ra trƣờng.
Sản phẩm hoàn thành có thể làm thiết bị ứng dụng trong giảng dạy của nhà trƣờng.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu.
Tham khảo các tài liệu điện tử công suất kết hợp với các thiết bị module có sẵn của
nhà trƣờng.
Tìm hiểu các phƣơng pháp điều khiển động cơ điện một chiều.
Bằng cách vận dụng các kiến thức đạt đƣợc trong quá trình học tập, tham khảo tài
liệu. Nhóm thực hiện tiến hành tìm hiểu, thiết kế, thi công, và thử nghiệm module trong
nhiều tình huống và điều kiện khác nhau. Quá trình thực nghiệm giúp nhóm thực hiện tự
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


8
hoàn thiện và bổ sung dần các kiến thức mới. Đặc biệt là tìm đƣợc hƣớng nghiên cứu
thích hợp nhất để hoàn chỉnh và tối ƣu đề tài.
5. Ứng dụng của sản phẩm.
Sản phẩm hoàn thành ứng dụng cho giáo dục làm nhiệm vụ điều khiển động cơ
điện một chiều rất là tiện ích với kiểu dáng module. Ngoài ra nhóm còn thiết kế thêm một
số phần tử để có thể ứng dụng và khảo sát ở một số loại tải khác nhau.


PHẦN II. NỘI DUNG
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU.
1.1.1. Cấu tạo của động cơ điện một chiều.
Gồm 2 phần chính: Phần tĩnh (stato) và phần động (rôto)
a) Phần tĩnh hay stato.
Đây là phần đứng yên của máy, bao gồm các bộ phận chính sau:
 Cực từ chính:
Là bộ phận sinh ra từ trƣờng gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài
lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kĩ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5
đến 1mm đƣợc ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện một chiều cỡ nhỏ có thể dùng thép
khối . Cực từ đƣợc gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bu lông. Dây quấn kích từ đƣợc quấn
bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều đƣợc bọc cách điện kĩ thành một khối
tẩm sơn cách điện trƣớc khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ đƣợc đặt trên các
cực từ này đƣợc nối tiếp với nhau.
 Cực từ phụ:
Cực từ phụ đƣợc đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép
của cực từ phụ thƣờng làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu
tạo giống nhƣ dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ đƣợc gắn với vỏ máy nhờ những
bulong.


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


9
 Gông từ :
Gông từ dùng làm mạch nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy .Trong động cơ
điện một chiều cỡ vừa và nhỏ thông thƣờng dùng thép dày uốn và hàn lại. Trong máy điện
cỡ lớn thƣờng dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy.
 Các bộ phận khác:
- Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hỏng dây quấn và an
toàn cho ngƣời. Trong máy điện vừa và nhỏ lắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ
bi. Trong trƣờng hợp này nắp máy thƣờng làm bằng gang.
- Cơ cấu chổi than: Để đƣa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao
gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chạy lên cổ góp. Hộp
chổi than đƣợc cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có
thể quay đƣợc để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh
xong thì dùng vít cố định lại.
b) Phần quay hay roto.
 Lõi sắt phần ứng:
Dùng để dẫn từ. Thƣờng dùng những tấm thép kĩ thuật điện dày 0,5mm phủ cách
điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá
thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào.
 Dây quấn phần ứng:
Dây quấn phần ứng là phần sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây
quấn phần ứng thƣờng làm bằng dây đồng có bọc cách điện.
 Cổ góp:
Dùng để chuyển dòng điện xoay chiều thành một chiều . Cổ góp gồm nhiều phiến
đồng đƣợc mạ cách điện với nhau bằng lỗ mica dài từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một
hình trụ tròn. Hai đầu trụ tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp trụ
tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của
các phần tử dây quấn và các phiến góp đƣợc dễ dàng.
 Các bộ phận khác:
- Cánh quạt: dùng để quạt gió làm mát máy. Máy điện một chiều thƣờng chế tạo
theo kiểu bảo vệ, ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Cánh quạt nắp trên trục máy
khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ, gió đi qua vành góp, cực
từ lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm mát máy.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


10
- Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục máy
thƣờng làm bằng thép cacbon tốt.
1.1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều.
Động cơ điện phải có hai nguồn năng lƣợng.
- Nguồn kích từ cấp vào cuộn kích từ để sinh ra từ thông kích từ.
- Nguồn phần ứng đƣợc đƣa vào hai chổi than để đƣa vào cổ góp của phần ứng.

Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều
Khi cho điện áp 1 chiều U đặt vào 2 chổi than A và B trong dây quấn phần ứng có
dòng điện I
ƣ
các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trƣờng sẽ chịu lực điện từ F
đt

tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ đƣợc xác định theo quy tắc bàn tay trái.
Khi phần ứng quay đƣợc nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau do có
phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng không đổi đảm bảo động cơ có
chiều quay không đổi. Khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trƣờng sẽ cảm ứng sức điện
động E
ƣ
chiều của s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tay phải.
Ở động cơ điện một chiều sức điện động E
ƣ
ngƣợc chiều với dòng điện I
ƣ
nên E
ƣ
còn
gọi là sức phản điện động.
Phƣơng trình cân bằng điện áp: U= E
ƣ
+R
ƣ
.I
ƣ

Trong đó: R
ƣ
: Điện trở phần ứng
I
ƣ
:Dòng điện phần ứng
E
ƣ
: Sức điện động
1.1.3. Một số loại động cơ điện một chiều.
+ Động cơ điện kích thích độc lập.
+ Động cơ điện kích thích song song.
+ Động cơ điện kích thích nối tiếp.
+ Động cơ điện kích thích hỗn hợp.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


11
1.1.4. Các đại lượng định mức.
Chế độ làm việc định mức đƣợc đặc trƣng bằng những đại lƣợng ghi trên nhãn
máy và gọi là những lƣợng định mức. Trên nhãn máy thƣờng ghi những đại lƣợng
sau:
- Công suất định mức P
đm
(kW hay W): là công suất cơ đƣa ra ở đầu trục máy.
- Điện áp định mức U
đm
(V).
- Dòng điện định mức I
đm
(A).
- Tốc độ định mức n
đm
(vòng/phút).
Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phƣơng pháp kích từ, dòng điện kích từ và các số liệu về
điều kiện sử dụng.
1.1.5. Đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Do đối tƣợng điều khiển là động cơ điện một chiều kích từ độc lập mà nhà trƣờng
sẵn có nên chúng em lựa chọn phƣơng án nghiên cứu về loại động cơ điện một chiều loại
kích từ độc lập.
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 kích từ độc lập với nhau lúc này động cơ đƣợc
gọi là động cơ kích từ độc lập.

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Khi động cơ làm việc , rotor mang cuộn ứng quay trong từ trƣờng của cuộn cảm nên
trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức phản điện động có chiều ngƣợc với điện áp đặt vào
phần ứng động cơ.
Phƣơng trình điện áp ở mạch phần ứng động cơ: U
ƣ
= E
ƣ
+ I
ƣ
(R
ƣ
+ R
f
)
Trong đó:
 U
ƣ
: Điện áp phần ứng ( V).
 E
ƣ
: Sức điện động phần ứng (V).
 R
ƣ
: Điện trở của mạch phần ứng ( Ω).
 R
f
: Điện trở phụ của mạch phần ứng ( Ω).
UKT
Uu
Rf
RKT
CKT
E
IKT
+
-
+
-
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


12
 I
ƣ
: Dòng điện mạch phần ứng (A).
Sức điện động E
ƣ
của phần ứng động cơ là tỷ lệ với tốc độ quay của rôto: Eƣ = k.Φ.ω
Trong đó:
  =

2
hệ số cấu tạo của động cơ.
 Φ: Từ thông qua một cực từ (Wb).
 ω : Tốc độ góc của rôto,  =

9,55
( rad/s).
 p: Số đôi cực từ chính.
 N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
 a: Số đôi mạch nhánh song song.
 n: Tốc độ quay (Vòng/phút).
Ta có phƣơng trình đặc tính cơ điện của động cơ là:  =
ư



ư
+



ư

Mặt khác mômen điện từ của động cơ:
M
đt
= k.Φ.I
ƣ

ư
=

đ


Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì M
cơ
= M
đt
= M
Từ các phƣơng trình trên ta có: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều :
 =
ư



ư
+

()
2

Khi toàn bộ các thông số điện của động cơ là định mức và không mắc thêm điện trở
phụ thì phƣơng trình đặc tính cơ là:
 =
ư



ư
()
2

Đặc tính cơ của phƣơng trình này gọi là đặc tính cơ tự nhiên.
Đây là sơ đồ đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ:

Hình 1.3. a. Đặc tính cơ điện b. Đặc tính cơ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


13
Trên đồ thị I
ƣ
= 0 hoặc M = 0, ta có:
 =
ư

=
0

ω
0
: Đƣợc gọi là tốc độ không tải lý tƣởng của động cơ.
Còn khi ω
0
, ta có: 
ư
=

ư

ư
+

= I
nm
M = k.Φ.I
nm
= M
nm
I
nm
và M
nm
đƣợc gọi là dòng điện và mômen ngắn mạch. Mặt khác cũng có thể viết dƣới
dạng:
 =

ư



ư

=
0

 =

ư



()
2
=
0

Trong đó: R = R
ƣ
+ R
f
và 
0
=

ư


Độ sụt tốc độ:
 
M
K
RR
fu
.
.
2





1.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU.
Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều là rất quan trọng nó có thể
giúp ta dễ dàng chọn lựa phƣơng phù hợp cho từng hệ thống riêng biệt .
Về phƣơng diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ƣu việt hơn so
với loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu
trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lƣợng điều chỉnh cao
trong dải điều chỉnh tốc độ rộng.

1. 1.2.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá chất lượng hệ thống điều chỉnh tốc độ.
Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn cứ vào
các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lƣợng của hệ thống truyền động điện:
 Phạm vi điều chỉnh tốc độ ( Dải điều chỉnh ).
Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất n
max
và tốc độ bé nhất n
min

mà ngƣời ta có thể điều chỉnh đƣợc tại giá trị phụ tải là định mức:
D = n
max
/n
min
.
Trong đó:
- n
max
: Đƣợc giới hạn bởi độ bền cơ học.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


14
- n
min
: Đƣợc giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ, thông thƣờng
ngƣời ta chọn n
min
làm đơn vị.
Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào yêu cầu của từng hệ thống,
khả năng từng phƣơng pháp điều chỉnh.
 Sai số tốc độ (sai lệch tĩnh).
Là đại lƣợng đặc trƣng cho độ chính xác tốc độ đặt n
đ
.


% =

đ


đ
 100%
Trong đó : n
đ
: Tốc độ đặt (rad/s).
n : Là tốc độ thực tế của động cơ (rad/s).
Khi n = n
đ
thì hệ thống đạt đƣợc độ chính xác cao.
S càng nhỏ thì độ chính xác càng cao.
 Độ trơn trong điều chỉnh tốc độ.
Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ. Độ liên tục khi điều chỉnh tốc
độ  đƣợc đánh giá bằng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau:
 = n
i+1
/n
i

Trong đó:
n
i
: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ i.
n
i + 1
: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ ( i + 1 ).
Với n
i
và n
i + 1
đều lấy tại một giá trị moment nào đó.
 tiến càng gần 1 càng tốt, phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ càng liên tục. Lúc này hai cấp
tốc độ bằng nhau, không có nhảy cấp hay còn gọi là điều chỉnh tốc độ vô cấp.


2. 1.2.2. Các phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều.
1.2.2.1. Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bằng điện trở phần ứng.
Bằng cách thay đổi điện trở phụ nối tiếp mạch phần ứng:
 =
ư



ư
+



ư

Khi thay đổi R
f
thì 
0
=



không đổi.
 Nguyên lý điều khiển: