Tài liệu Thiết kế bộ băm xung một chiều

Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Mục lục Chương I Khái Quát Công Nghệ………………………………….……......3 I.1) Cấu tạo…………………………………………………………3 I.2) Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song song ………………………………………………………….4 I.3) Mở máy và hãm động cơ điện một chiều………………….......5 I.4) Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song.......6 I.5) Lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ………………………….8 Chương II Tính Chọn Mạch Lực………….…………………………….........9 II.1) Giới thiệu chung về bộ băm xung một chiều………….….........9 II.2) Chọn Mạch Lực……………………………………………….10 II.2.1) Nguyên lí hoạt động……………………………………..10 II.2.2)Công thức tính toán………………………………………11 II.3) Tính toán mạch lực ………………………………….…..........13 Chương III – Tính chọn mạch điều khiển ……………………………...........14 III.1) Chọn các khâu trọng mạch điềukhiển…………………………14 III.1.1) Mạch tạo điện áp răng cưa……………………………..14 III.1.2) Mạch so sánh……………………………………...........16 III.1.3) Mạch chia, mạch tạo trễ và mạch khuếch đạị xung…….17 III.1.4) Mạch phản hồi...……………………………………......18 III.1.5) Sơ đồ mạch điều khiển.………….………………...........19 III.2) Tính chọn thiết bị ……………………………………………..20 III.2.1)Mạch tạo điện áp răng cưa……………………………20 III.2.2)Mạch so sánh………………………………………….21 III.2.3) Mạch chia, mạch tạo trễ và mạch khuếch đại xung…22 III.2.4)Mạch phản hồi…………………………………………22 Bảng trị số toàn bộ các phần tử và linh kiện được sử dụng…………..............23 Tài liệu tham khảo………………………………………………………........24 Đào Thị Hiện 1 Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Lời nói đầu Trong thực tế ngày nay, chúng ta có rất nhiều các loại động cơ như đông cơ điện đồng bộ,động cơ không đồng bộ, động cơ điện một chiều…, trong đó động cơ điện một chiều có những ưi điểm riêng và rất nhiều các ứng dụng trong thực tế; Động cơ điện một chiều đã ra đời từ rất lâu và cùng với sự phát triển của trình độ khoa học kỹ thuật, những ưu điểm của chúng ngày càng được tận dụng một cách triệt đẻ, tinh vi và sang tạo . Để động cơ điện một chiều hoạt động đúng thao yều cầu công nghệ, ta cần rất nhiệu yếu tố như công nghệ chế tạo, người vận hành … trong đó , bộ điều chỉnh điện áp một chiều ( băm xung một chiều – BXMC) có vai trò đặc biệt quan trong, bộ BXMC càng tối ưu càng dễ vận hànhm, tăng chất lượng làm việc và tăng tuổi thọ của động cơ. Ngày nay , sử dụng động cơ điện một chiều luôn luôn gắn liện với , không thể thiếu một yếu tố rất quan trọng đó là bộ điều chỉnh BXMC. Vậy thiết kế bộ BMXC như thế nào ? Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, chúng em được giao đồ án môn học điện tử công suất với đề tài : Thiết kế bộ băm xung môtj chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song lấy nguồn nặp từ acqui. Với sự cố gắng của bản thân nói riêng và của nhóm nói chung cùng sự hướng dẫn của các thầy cô giáo trong bộ môn và đặc biệt là TS. Võ Minh Chính đã trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này, Đồ án được bao gồm ba phần chính : 1. Chương I 2. Chương II 3. Chương III : Khái Quát Công Nghệ : Tính Chọn Mạch Lực : Tính Chọn Mach Điều Khiển. Do lần đầu làm đồ án chưa có kinh nghiệm nên em không tránh khỏi những sai sót, mong các thầy cô giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo để kiến thức của em vể bản đồ án được hoàn thiện hơn. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn !. Hà nội, ngày 25 tháng 12 năm 2009 Sinh Viên Đào Thị Hiện Đào Thị Hiện 2 Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Chương I – Khái Quát Công Nghệ I.1) Cấu tạo máy điện một chiều Máy điện một chiều cấu tạo gồm hai thành phần chính: gồm phần tĩnh và phần quay. 1) Phần cảm (stator): 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, lõi thép 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. 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), các bối 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 nguội 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. Đào Thị Hiện 3 Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều 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 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 nay động cơ được gọi là động cơ kích từ song song. I.2) Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song song: 1) Định nghĩa: Phương trình đặc tính cơ là đồ thị miêu tả mối quan hệ giữa mô men điện từ Mđt và tốc độ góc ω của động cơ. 2) Đặc tính cơ: E 0 = U − I .Ru   E0 = K .Φ.ω Từ phương trình cân bằng điện áp : U I .Ru U M .Ru ω= − = − K .Φ K .Φ K .Φ K .Φ 2 ⇒ Độ cứng đặc tính cơ: β = TN MC MC1 U k .Φ : tốc độ không tải lí tưởng. Đào Thị Hiện n0 nyc n1 M ∆Μ ( K .Φ) 2 = ∆ω Ru β càng lớn đặc tính cơ càng cứng . Đồ thị: ω0 = n 4 U .K .Φ Mmm= Ru : Mômen mở máy. Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều I.3) Mở máy và hãm động cơ điện một chiều: 1) Mở máy: Từ phương trình điện áp phần ứng : U=Eu+Ru.Iu ⇒ Iu = U − Eu Ru U p.N .n.Φ Khi mở máy n=0 ⇒ Eu= 60 a =0.Dòng điện phần ứng lúc mở máy là: Iumở = Ru vì Ru nhỏ Iumở lớn khoảng (20 ÷ 30) Iđm làm hỏng chổi than và cổ góp. Để giảm dòng điện mở máy ta dùng các biện pháp sau: + Dùng biến trở mở máy R mở: Mắc biến trở này vào mạch phần ứng lúc có biến trở này : Iưmở =U/(Rư+Rmở ) Lúc đầu để Rmở max, trong quá trình mở này tốc độ tăng lên Eư tăng lên và điện trở này 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 có thể 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. 2) Các 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 theo cách 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 Đào Thị Hiện 5 Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều 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 và 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 của động 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 lượng nhất, 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. I.4) Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song: 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 đã trở thành một cơ cấu không thể thiếu trong truyền động điện. Từ phương trình về vận tốc: ω= I .Ru M .Ru U U − = − K .Φ K .Φ K .Φ K .Φ 2 . Ta có các phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều như sau : 1) Thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp: n n0 ncb n1 TN( Udm) n2 U1 U2 U3 n3 Udm > U1 > U2 > U3 ncb > n1 > n2 > n3 M MC Đào Thị Hiện 6 Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều 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. 2) Thay đổi điện trở phần ứng Ru: n n0 ncb n1 TN Rf1 n2 Rf2 n3 0 0 < Rf1 < Rf2 < Rf3 ncb > n1 > n2 > n3 MC M, I Rf3 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 nóng động cơ. Phương pháp này chỉ sử dụng để giảm dòng mở máy khi khởi động động cơ. 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. Đào Thị Hiện 7 Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều - 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. n n1 n2 Φ1 Φ2 φñm > φ1 > φ2 ncb < n1 < n2 Φ ñm ncb M 0 MC M2 M1 Mn 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. I.5) Lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ: Từ các phân tích trên, ta thấy trong các phương pháp điều chỉnh tốc độ trên thì phương pháp điều chỉnh tốc độ nhờ thay đổi điện áp phần ứng là khả thi và tin cậy nhất, bởi vì dễ điều chỉnh và có đặc tính cơ cứng. Với sự phát triển của kĩ thuật bán dẫn ngày nay thì phương pháp điều chỉnh này hoàn toàn dễ dàng thực hiện được và đem lại hiệu quả cao. Trong khuôn khổ đồ án này, ta sẽ thiết kế bộ băm xung một chiều có đảo chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, ngoài ra nữa còn có thể thực hiện chức năng mở lại máy (reset) và hãm tái sinh động cơ. Đào Thị Hiện 8 Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều CHƯƠNG II - TÍNH CHỌN MẠCH LỰC II.1) Giới thiệu chung về bộ băm xung một chiều: 1) Nguyên lý: Bộ băm điện áp một chiều cho phép từ nguồn điện một chiều U s tạo ra điện áp tải Ura cũng là điện áp một chiều nhưng có thể điều chỉnh được. US Ura BBĐ một chiều Ura t1 t2 t T Ura là một dãy xung vuông (lý tưởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2. Điện áp ra bằng giá trị trung bình của điện áp xung: U ra = γ .Us (γ=t1/T). Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi này là dùng quy luật đóng mở các van bán dẫn công suất một cách có chu kỳ để điều chỉnh hệ số γ đảm bảo thay đổi được giá trị điện áp trung bình trên tải. 2) Các phương pháp điều chỉnh điện áp ra: a) Phương pháp thay đổi độ rộng xung: Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T ⇒ Giá trị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là: U tai = t1 .U S = ε .U S T trong đó: ε= t1 T là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ. Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 < ε ≤ 1) Đào Thị Hiện 9 Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều b) Phương pháp xung - tần: Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1 =const. Khi đó: U tai = t1 .U S = t1 . f .U S T Vậy Ura=US khi f = 1 t1 và U ra=0 khi f=0. Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phương pháp trên. Thực tế phương pháp biến đổi độ rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bị biến tần đi kèm. II.2) Chọn Mạch Lực Do yêu cầu của đồ án là thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song, Thoả mãn các yêu cầu trên ta có thể chọn mạch lực là bộ biến đổi xung áp hai nhịp . Sơ đồ hình vẽ: iD1 + Us - D1 iK1 it V1 L iD2 V2 iK2 EĐ D2 Đ/c UR Trong đó :V1,V2 là các van điều khiển hoàn toàn. D1,D2, là các diot. Sơ đồ này cho phép động cơ làm việc ở góc phần tư thứ nhất ( chế độ động cơ) và góc phần tư thứ hai ( chế độ hãm). II.2.1) Nguyên lí hoạt động Các van V1, V2 được đóng mở ngược pha với nhau trong chu kỳ T. Van V1 dẫn điện trong khoảng 0 ÷ t1 (V2 khoá), K2 dẫn điện trong khoảng t1 ÷ t2 (V1 khoá). Van V1 và V2 được điều khiển bởi các tín hiệu điều khiển Ug1 và Ug2. Trong quá trình làm việc có thể có ba trạng thái sau : Đào Thị Hiện 10 Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Trạng thái 1: Nếu UR > EĐ, ( U = E.γ) năng lượng từ nguồn luôn được cấp cho động cơ. Động cơ sẽ luôn làm việc ở góc phần tư thứ nhất (hình e). Trong khoảng từ 0 ÷ t1 dòng điện sẽ đi từ nguồn qua V1 và qua động cơ : iV1 = it = i1. Trong khoảng từ t1 ÷ t3 dòng điện sẽ đi từ nguồn qua diot D2 và: iD2 = it . Trạng thái 2 : Nếu UR < EĐ, dòng năng lượng sẽ đi từ động cơ trở về nguồn qua diot D1 và động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh (hình f). Trong khoảng từ 0 ÷ t1 dòng điện sẽ đi từ động cơ về nguồn qua D1 và qua : iD1 = it = i1, động cơ hãm tái sinh. Trong khoảng từ t1 ÷ t3 khi V2 mở, dòng tải khép mạch qua V2 và: i V2 = it, động cơ thực hiện hãm động năng. Trạng thái 3 : Nếu UR ≈ EĐ , ở trạng thái này dòng tải có thể đảo dấu (Hình g). Trong khoảng từ 0 ÷ to tương ứng với trạng thái U R < EĐ động cơ làm việc như máy phát tra năng lượng về nguồn qua D1 và: iD1 = it = i1. Trong khoảng từ to ÷ t1 tương ứng với trạng thái U R > EĐ, nguồn sẽ cấp năng lượng cho động cơ thông qua V1 : iK1 = it. Trong khoảng từ t1 ÷ t2, V2 mở (V1 khoá) dòng tải vẫn giữ nguyên theo chiều cũ (trong mạch có điện cảm L) nên dòng tải khép mạch qua diot D2 và i D2 = it và sẽ giảm về 0 tại thời điểm t2 (năng lượng tích trữ trong cuộn cảm L lúc này giảm về 0). Trong khoảng từ t2 ÷ t3, sức điện động của động cơ sẽ làm cho dòng điện đảo chiều và dòng tải sẽ đi qua V2 (động cơ làm việc ở chế độ hãm động năng). II.2.2)Công thức tính toán : (γ = - Giá trị trị trung bình điện áp trên tải : Utb =γUs t1 ) T - Giá trị dòng trung bình qua van V1 : I K 1 = γI t - Giá trị dòng trung bình qua diot D1: I D1 = γI t - Giá trị dòng trung bình qua van V2: I K 2 = (1 − γ ) I t - Giá trị dòng trung bình qua diot D2: I D 2 = (1 − γ ) I t - Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các van: Ung = US Đào Thị Hiện 11 Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 Đồ án ĐTCS Ug1 T a) b) t1 0 Ug2 Thiết kế bộ băm xung một chiều t2 t 0 t UR US c) U tb 0 t iV1 iV iD2 e) f) 0 iV 0 t iD1 t iV2 i g) 0 t0 iD1 t2 t1 iV1 iD2 t3 t iV2 uD1, uD1 h) US 0 t Đồ thị điện áp và dòng điện Đào Thị Hiện 12 Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều II.3)Tính toán mạch lực: II.3.1) Chọn van V1,V2 Để đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của van V1, V2 trên sơ đồ thì các thiết bị bán dẫn công suất sau có thể đáp ứng được: GTO, BJT, MOSFET, IGBT. Đối với bộ băm xung một chiều dùng cho động cơ có điện áp định mức 12V dòng điện 40A thì sử dụng van IGBT làm khóa đóng cắt là hợp lí. - Để chọn van IGBT, ta cần tính toán I C MAX (dòng trung bình lớn nhất qua van) và điện áp ngược lớn nhất UCES của van IGBT. - Vì mỗi van IGBT đều có một diode nối ngược chiều nên nó không phải chịu điện áp ngược. Các giá trị dòng áp lớn nhất sẽ đạt được khi mạch hoạt động ở các chế độ khắc nghiệt nhất đối với từng van. - Ta có dòng điện lớn nhất qua van là dòng định mức qua tải: Imax = Itải = 40 (A). - Vậy Ichọn = ki.Imax = 4.40 = 160 (A) ,ở đây ta chọn k i = 4 (với điều kiện làm mát tự nhiên). - Chọn IGBT là loại GA200SA60U so nhà sản xuất IR có thông số sau: Loại Ucemax/(v) Icmax /(A) Uce(sat) / Pdmax /(W) Ices /µA (V) GA200SA60U 600 200 1,9 500 1000 II.3.2 Chọn Diot D1,D2: - Chọn diot D1, D2 có điện áp ngược lớn hơn U ngmax = US = 12(V), và có dòng làm việc max lớn hơn hoặc bằng I chọn = ki.Imax = 4.40 = 160A (với điều kiện làm mát tự nhiên). - Vậy chọn D1, D2 là loại B3-200do Đông Âu sản xuất: Ký hiệu Ihd Itb Uo Rđ Ungmax RT I rò -5 (A) (A) (V) 10 Ω (V) oC/W (mA) B3-200 320 200 1,1 110 600-3600 0,12 10 Đào Thị Hiện 13 Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển So Sánh tạo xung Tạo điện áp răng cưa Mạch chia, mạch tạo trễ, mạch khuếch đại xung Van động lực Tải Uđk Ucđ Uph Phản hồi III.1) Chọn Các Khâu Trong Mạh Điều Khiển : III.1.1) Mạch tạo điện áp răng cưa: Mạch này có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa răng cưa với tần số theo ý muốn của người thiết kế. Mạch này gồm mạch phát xung dao động dùng IC555 và mạch tạo điện áp tựa răng cưa dùng BT. Mạch như hình vẽ Đào Thị Hiện 14 Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều 8 R1 4 Ucc 7 R R2 6 OA1 T1 R R S T Q1 OA2 2 R4 R3 Q R0 3 T3 T2 U rc C2 U3 C1 R IC 555 1 Đồ thị điện áp xung : U3 Urc T1 t1 t2 T2 t3 t T t Đồ thị điện áp xung Nguyên lý : Giả sử tại thời điểm t = 0, U3 = Ucc (điện áp đầu ra của vi mạch IC555), T2 mở làm cho T3 khoá, tụ C2 được nạp điện qua R4 tới điện áp U RC = U CC T1 . RC Đồng thời tại thời điểm này, vì U3 = Ucc nên đầu ra Q của Triger RS có điện áp 0 =>T1 khoá, tụ C1 được nạp điện qua R1 và R2, U = U (1 − e c1 cc Đào Thị Hiện 15 − t ( R1+R 2 ) C ). Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Tại t =t1, U C1 ≥ 2U CC làm OA1 thay đổi trạng thái, Triger thay đổi trạng thái 3 => Q1 = 0, Q = Ucc => T1 mở, tụ C1 phóng điện qua T1 và R2. Trong giai đoạn này vì Q1 = U3 = 0 => T2 khoá làm T3 dẫn, tụ C2 được phóng điện qua T3. Tại t = t2, U C1 = U CC làm OA2 chuyển trạng thái => Triger chuyển trạng thái 3 => Q = 0, T1 tụ C1 được nạp điện. Đồng thời trong thời gian này Q1 =U3 = Ucc => T2 mở, T3 khoá => tụ C2 lại được nạp điện, và quá trình trở lại trạng thái ban đầu. Đồ thị điện áp như hình vẽ trên. Tính toán : T = C1.(R1+2R2).ln2 ; U RC = T1 = C1.(R1+R2).ln2 ; T2 = C1.R2.ln2 ; U CC T1 . RC III.1.2) Mạch so sánh : Mạch này có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa răng cưa với điện áp điều khiển. Tại các thời điểm điện áp răng cưa bằng điện áp điều khiển thì phát lệnh đi mở các van bán dẫn. Mạch so sánh sử dụng IC khuếch đại thuật toán, sơ đồ mạch như hình vẽ. Urc Uđk R5 R6 -E - OA3 + +E Rhc Dz Ura Nguyên lý : Điện áp đầu ra của khâu tạo xung sẽ được đưa vào đầu vào đảo của KĐTT và điện áp điều khiển sẽ được đưa vào đầu vào không đảo của KĐTT. Nếu U RC>Uđk thì điện áp Ura = +E, nếu URC toff của van thời gian này sẽ được tính toán sau khi chọn van mạch lực. γT ttr UG Đào Thị Hiện T 17 Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Mạch khuếch đại: tạo ra xung có đủ công suất (đủ điện áp và dòng điện) đi mở hoặc đóng van động lực và thêm nhiệm vụ cách ly mạch lực với mạch điều khiển Vì điện áp của mạch lực là nguồn ác quy có điện áp 36V, điện áp thấp nên không cần thiết phải có mạch cách ly giữa nguồn điều khiển với nguồn lực. Để đảm bảo chất lượng xung điều khiển , giảm kích thước mạch điều khiển ta chọn mạch chia, mạch tạo trễ và mạch khuếch đại xung sử dụng vi mạch NAND, AND, BT và Photo – Transistor . Sơ đồ hình vẽ NAND 2.1 +15V C3 +5V AND2.1 +25V R20 R1.8 Ug1 R1.7 T 1.4 AND 1 Ura R1.9 T 1.5 AND 2.2 NAND 2 +15V C3 +5V NAND 2.2 R20 R2.8 +25V R2.9 Ug2 R2.7 T 2.4 T 2.5 Start Stop +5V III.1.4) Mạch phản hồi : Mạch phản hồi có nhiệm vụ ổn định tốc độ của động cơ khi tải thay đổi. Ta thấy rằng tải thay đổi làm tốc độ của động cơ cũng thay đổi nếu như không có khâu phản hồi. Do vậy, để ổn định tốc độ cho động cơ ta thiết kế mạch phản hồi âm tốc độ, dùng máy phát tốc nối cứng trục với động cơ Đào Thị Hiện 18 Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Khi tải động cơ thay đổi ( giảm ), tốc độ của động cơ cũng thay đổi ( tăng) làm tốc độ của máy phát tốc FT cũng thay đổi ( tăng) dẫn đến điện áp phản hồi Uph= kFT. nFT cũng thay đổi ( tăng ) và ngược lại ( mặc dù điện áp điều khiển vẫn giữ nguyên ). Do vậy ta sẽ lấy điện áp phản hồi âm tốc độ thông qua máy phát tốc FT so sánh với điện áp đặt Uđ. Mạch phản hồi như hình vẽ : Từ mạch phản hồi ta có e= R13 + R12 R R11 × × U d − 13 × U ph R12 R11 + R10 R12 Chọn R10= R11=R12=R13 nên e =Ud - Uph U dk Ud e + R14 R 15 = R16  1 1    + R17 + R16  R14 R15  Chọn R14 = R15 = R16 = R17 nên Uđk = Uđ + e Ở chế tĩnh , chỉnh định VR2 sao cho Uđ = Uph đển e = 0 Ở chế độ động nếu Uph > Ud ( tức tốc độ của đông cơ tăng) thì e mang dấu âm và do đó Uđk cũng giảm làm góc dẫn γ của van động lực giảm, điện áp đặt vào động cơ giảm, tốc độ của động cơ được giảm về giá trị đặt và ngược lại +15V +15V R10 R21 R11 RX OA2 R12 Ud R 13 +15V R14 e R15 Udk OA3 Ð/C -15V -15V WR1 R17 WR2 Uph FT R16 III.1.5) Sơ đồ mạch điều khiển III.2. Tính chọn thiết bị. III.2.1) Mạch tạo điện áp răng cưa : Đào Thị Hiện 19 Lớp CH Tự Động Hóa- K 12 Đồ án ĐTCS Thiết kế bộ băm xung một chiều Từ trên ta có : T = C1.(R1+2R2).ln2 ; T1 = C1.(R1+R2).ln2 ; T2 = C1.R2.ln2 ; T=T1+T2 = C1.(R1+2R2).ln2; U RC = U CC T1 RC Để phù hợp với yêu cầu của tải là động cơ thì cần có dãy xung vuông có tần số f = 500hz ; f = 1 1 1 => T = f = 500 = 0,002s = 2ms . T Theo đề tài thì dải điều chỉnh của động cơ là 10/1 => γ = 1/10 ÷ 1 ; γ = Mặt khác α < γ min = 1 = 0,1 . 10 Vậy chọn α = 0,04 => T1 . T T2 = αT = 0,04.2 = 0,08ms Chọn IC 555 là loại NA555, có các thông số : Loại NA555 Chọn C1 = 0,1µF => R2 = R1 = UCC(V) 4,5÷16 UI (V) UCC IO(mA) ±200 T2 0,08 = .10 3 = 1,15 KΩ C1 ln 2 0,1.0,693 ; T1 (2 − 0,08) − R2 = .10 3 − 1,15.10 3 = 26,55 KΩ C1 ln 2 0,1.0,0693 Chọn C2 = 0,1µF, Ucc = 15V => I CT 3 = U CC 15 = = 0,54mA R4 27,7.10 3 R4 = T1 (2 − 0,08).10 −3 = = 27,7 KΩ ln 2.C 1 ln 2.0,1.10 −6 => Chọn Tranzito T2, T3 là loại N-P-N có I C> 15mA, có Uce>Ucc=15V .Vậy chọn T2, T3 có thông số sau : Loại BC15 5 I bT 3 = Pmax(mW) fmax(Mhz) Tmax(oC) 175 400 175 Vcb 40 Vce 40 Veb 3 Ic(mA) β/α 20 20/70 I CT 3 20 U 15 = = 1mA => R3 = CC = = 15KΩ β 20 I bT 3 1.10 −3 Chọn R0 = R3 = 15KΩ III.2.2) Mạch so sánh : Chọn R5 , R6 có giá trị là 10KΩ. Đào Thị Hiện 20 Lớp CH Tự Động Hóa- K 12