TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DRIVER CÔNG SUẤT CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ BẰNG NAM CHÂM VĨNH CỬU CÓ CÔNG SUẤT TỚI 1KW VỚI ĐIỆN ÁP LÀM VIỆC LÊN TỚI 220V Chủ nhiệm đề tài: Thành viên tham gia: THS ĐỒNG XUÂN THÌN THS LÊ VĂN TÂM THS ĐỖ KHẮC TIỆP Hải Phòng, tháng 4/2016 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 3 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 4 Phương pháp nghiên cứu, kết cấu công trình nghiên cứu Kết đạt đề tài Chương 1: Tổng quan động điện chiều 1.1 Khái niệm 1.2 Phân loại động điện chiều 1.3 Cấu tạo động điện chiều 1.3.1 Cấu tạo chung 1.3.2 Stato 1.3.3 Rôto 1.4 Nguyên lý làm việc 1.5 Động điện chiều công suất nhỏ 1.6 Điều khiển tốc độ động điện chiều 10 1.7 Phương pháp PWM 12 1.8 Mạch cầu H 13 Chương 2: Thiết kế mạch 16 2.1 Phần mềm thiết kế mạch 16 2.2 Các linh kiện sử dụng 18 2.2.1 MOSFET IRF460 19 2.2.2 IC điều khiển cầu H IR2184 19 2.2.3 IC logic SN7402N 22 2.2.4 IC 4N35 6N137 23 2.3 Thiết kế mạch 23 2.3.1 Mạch nguyên lý 23 2.3.2 Mạch in 26 KẾT LUẬN 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO 28 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Động điện chiều đối tượng điều khiển quen thuộc lĩnh vực điều khiển tự động hóa Đây loại động đặc biệt cấu trúc phương pháp điều khiển Ưu điểm lớn loại động việc điều chỉnh tốc độ đơn giản láng Tuy nhiên nhược điểm động nhiều nên người làm điều khiển muốn thay chúng loại động khác Nhiều năm trước, khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ dẫn tới đời biến tần khiến cho động điện chiều công suất lớn có điện áp công tác lớn gần bị xóa bỏ thay vào cụm biến tần - động điện dị roto lồng sóc Nhưng động điện chiều công suất điện áp nhỏ (tối đa 24V) tồn điều khiển tự động hóa ưu điểm vượt trội Hiện nay, nhiều thiết bị trang bị trở lại động chiều công suất lớn có điện áp cao (lên tới 220V), dẫn tới vấn đề điều khiển chế tạo mạch công suất phù hợp cho động vấn đề cần quan tâm Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Động điện chiều kích từ nam châm vĩnh cửu loại động điện chiều có cấu tạo tương đối đặc biệt hạn chế nhược điểm động chiều Loại động có nhiều ưu điểm vượt trội mặt điều khiển so với loại động khác Để điều khiển tốc độ loại động chủ yếu dùng phương pháp băm xung để thay đổi điện áp phần ứng cấp vào động Hiện nay, hầu hết động điện chiều sử dụng mà có nhu cầu điều chỉnh tốc độ thường động có điện áp công suất nhỏ Với động có công suất lớn 1KW điện áp lớn 110V mạch công suất động gặp khó khăn Chính nhóm tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo driver công suất cho động điện chiều kích từ nam châm vĩnh cửu có công suất tới 1KW với điện áp làm việc lên tới 220V” Đề tài sau hoàn thiện ứng dụng phòng thực hành trường Đại học cao đẳng ứng dụng nhà máy, xí nghiệp Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu +) Mục tiêu nghiên cứu đề tài: Chế tạo thành công driver công suất cho động điện chiều kích từ nam châm vĩnh cửu +) Đối tượng nghiên cứu đề tài: Driver công suất cho động điện chiều kích từ nam châm vĩnh cửu +) Phạm vi nghiên cứu: Đề tài nghiên cứu vấn đề nghiên cứu, chế tạo driver công suất cho động chiều kích từ nam châm vĩnh cửu có công suất tới 1KW điện áp làm việc lên tới 220V Những vấn đề khác không giải đề tài Cụ thể sau: - Nghiên cứu lý thuyết cấu trúc động điện chiều kích từ nam châm vĩnh cửu - Nghiên cứu lý thuyết mạch công suất - Chế tạo mạch driver công suất - Chạy thử nghiệm đánh giá chất lượng sản phẩm Phương pháp nghiên cứu, kết cấu công trình nghiên cứu +) Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết vận dụng vào chế tạo sản phẩm thực tế: - Nghiên cứu lý thuyết động điện chiều kích từ nam châm vĩnh cửu - Nghiên cứu phần mềm thiết kế mạch - Thiết kế mạch - Chạy thử nghiệm nghiệm thu sản phẩm +) Kết cấu công trình nghiên cứu: Đề tài gồm có 03 phần: Chương 1: Tổng quan động điện chiều Chương 2: Thiết kế mạch Kết đạt đề tài Chế tạo thành công mô hình thực tế, có thử nghiệm thực tế phòng thí nghiệm khoa Điện - Điện tử, trường Đại học Hàng hải Việt Nam Chương 1: Tổng quan động điện chiều 1.1 Khái niệm Động điện chiều thiết bị điện quay, dùng để biến đổi lượng điện chiều thành trục động 1.2 Phân loại động điện chiều a Theo phương pháp kích từ - Máy điện chiều kích từ song song - Máy điện chiều kích từ nối tiếp - Máy điện chiều kích từ hỗn hợp - Máy điện chiều kích từ độc lập Hình 1.1 Các loại động điện chiều b Theo tốc độ quay - Máy điện chiều quay với tốc độ thấp - Máy điện chiều quay với tốc độ trung bình - Máy điện chiều quay với tốc độ cao 1.3 Cấu tạo động điện chiều 1.3.1 Cấu tạo chung Cấu tạo chung máy điện chiều hình 1.2 1-Vỏ máy 2- Lõi thép rôto 3- Cực từ 4- Cực từ phụ 5- Cuộn dây cực từ 6- Cuộn dây cực từ phụ 7- Cuộn dây phần ứng 8- Cổ góp 9- Chổi than 10- Khe khí 11- Bệ máy 12- Móc để di chuyển máy 13- Trục máy Ngoài hai nắp máy, ổ bi, hộp đấu dây, giá đỡ chổi than, cánh quạt làm mát Hình 1.2 Cấu tạo chung máy điện chiều 1.3.2 Stato + Vỏ máy: Được làm thép đúc dạng khối làm nhiệm vụ bảo vệ máy dẫn từ mạch từ stato Vì từ thông  = const nên lõi từ không cần ghép từ thép kĩ thuật điện + Cực từ : Được gắn chặt vào mặt vỏ máy bu lông Về nguyên tắc cực từ làm thép khối (  = const ), dòng điện rôto dòng điện xoay chiều sinh từ thông phần ứng  từ thông xoay chiều, phần mỏm cực chế tạo thép kỹ thuật điện ghép lại với Nhưng gây khó khăn cho việc chế tạo Để thuận tiện cho việc chế tạo cực từ thép kỹ thuật điện ghép lại với hình 1.3 Hình 1.3 Cấu tạo mỏm cực + Cuộn dây cực từ chính: Là cuộn dây kích từ máy chiều, đặt cực từ gồm cuộn kích từ nối tiếp cuộn kích từ song song (nếu máy kích từ hỗn hợp) Các cuộn kích từ quấn theo khuôn sẵn + Cực từ phụ : Làm nhiệm vụ cải thiện trình đảo chiều (Chống tia lửa cổ góp chổi than) Cực từ phụ đặt cuộn dây cực từ Cuộn dây cực từ phụ nối nối tiếp với cuộn dây phần ứng Cực từ phụ đặt hai cực từ khác tên kề Cực từ phụ làm thép khối (Vì tụt sâu so với cực từ nên chịu ảnh hưởng từ thông phần ứng  từ thông xoay chiều) Các cuộn dây cực từ cuộn dây cực từ phụ cách điện với lõi từ + Giá đỡ chổi than: Giá dịch chuyển chổi than cổ góp Giá làm nhiệm vụ đỡ chổi than Điều chỉnh giá để chổi nằm đường trung tính hình học (Khi tải) trung tính vật lí (Khi có tải) Giá đỡ cần chổi cách điện Các chổi tỳ lên cổ góp nhờ lò xo + Nắp máy : Làm nhiệm vụ bảo vệ máy Phía cổ góp nắp có cửa sổ cúp xuống để thông gió chánh nước bắn vào Có thể mở cửa sổ để quan sát tia lửa cổ góp + Bảng đầu dây: Là nơi đưa điện vào (ĐC) lấy điện (MF) Bảng đầu dây có kí hiệu hình 1.4 Hình 1.4 Bảng đấu dây hình 1.4 kí hiệu : AB – Cuộn dây phần ứng; GH – Cuộn bù ; EF – Cuộn nối tiếp ; CD – Cuộn kích từ song song Thường đầu BG nối với sẵn nên hộp sáu đầu hình H1-10b + Biển máy : Gắn vỏ máy ghi đại lượng định mức : nđm , Uđm , Iđm , Iktđm , Uktđm … 1.3.3 Rôto + Lõi thép: Có dạng hình trụ, ghép từ thép kĩ thuật điện với Trên thép người ta dập sẵn rãnh để đặt dây quấn phần ứng Các thép dập sẵn lỗ để luồn trục + Dây quấn phần ứng: Được đặt rãnh phần ứng, đầu dây bẻ cong để tiện xếp phần đầu cuộn dây cho gọn gàng Các rãnh lót cách điện dây quấn mạch từ Ngoài dây quấn phần ứng có đai chằng để đai khỏi bị bung lực ly tâm lớn + Cổ góp : Được làm từ phiến đồng ghép lại với Một đầu phiến nối với đầu dẫn cuộn dây phần ứng Các phiến góp cách điện cách điện với trục + Cánh quạt: Được làm nhôm hay sắt, dùng để làm mát máy + Giá đỡ chổi than chổi than: Để đưa điện lấy điện vào 1.4 Nguyên lý làm việc Nếu cho dòng điện chiều vào hai chổi A,B ( B+ , A- ) hình 1.5a Hình 1.5 Nguyên lý làm việc động điện chiều Thì dòng điện vào dẫn nằm cực S dẫn nằm cực N Nên tác dụng từ trường không đổi N-S lên cạnh khung dây sinh Mq có chiều không đổi làm quay khung hình 1.5a Tại hình 1.5b ta thấy chiều lực điện từ Fđt có chiều không đổi hình 1.5a (Lực điện từ cạnh khung xác định theo quy tắc bàn tay trái) 1.5 Động điện chiều công suất nhỏ - Stator động điện chiều công suất nhỏ thường hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện, rotor có cuộn dây quấn nối với nguồn điện chiều, phần quan trọng khác động điện chiều phận chỉnh lưu, có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện chuyển động quay rotor lien tục Thông thường phận gồm có cổ góp chổi than tiếp xúc với cổ góp Hình 1.6 Động điện chiều công suất nhỏ Phương trình động chiều: • E= K Φ.omega (1) • V= E+Rư.Iư (2) • M= K Φ Iư (3) Với: • Φ: Từ thông cực( Wb) • Iư: dòng điện phần ứng (A) • V : Điện ap phần ứng (V) • Rư: Điện trở phần ứng (Ohm) • omega: tốc độ động cơ(rad/s) • M : moment động (Nm) • K: số, phụ thuộc cấu truc động 1.6 Điều khiển tốc độ động điện chiều - Thông thường, tốc độ quay động điện chiều tỷ lệ với điện áp đặt vào nó, ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện Điều khiển tốc độ động cách điều khiển điểm chia điện áp bình ắc quy, điều khiển cấp nguồn thay đổi được, dung điện trở mạch điện tử… Chiều quay động thay đổi cách thay đổi chiều nối dây phần tự kích, phần ứng, thay đổi hai Thông thường thực công tắc tơ đặc biệt (Công tắc tơ đổi chiều) 10 Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý khởi động động theo chiều thuận Với sơ đồ ta thấy L1 R2 mở làm cho động cấp nguồn (+) vào A (-) vào B, lúc động quay thuận Để đảo chiều động ta sử dụng phương pháp đảo chiều điện áp phần ứng, tức đảo chiều điện áp cấp vào A B Cụ thể, ta mở khóa R1, L2 đồng thời khóa L1, R2 Hình nguyên lý sau: Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý đảo chiều động 14 Với sơ đồ động cấp nguồn phần ứng theo chiều ngược lại dẫn tới động khởi động theo chiều ngược lại Điều chỉnh tốc độ phương pháp PWM việc ta điều chỉnh thời gian đóng/mở cặp khóa Nếu điều khiển nhầm cặp khóa gây tượng ngắn mạch làm hỏng hoàn toàn khóa điện tử 15 Chương 2: Thiết kế mạch 2.1 Phần mềm thiết kế mạch Hiện có nhiều phần mềm chuyên dụng để thiết kế mạch Proteus, Altium, Orcad, … tác giả sử dụng phần mềm Proteus để thiết kế mạch Tiến hành download phần mềm từ trang chủ theo địa sau: http://www.labcenter.com/index.cfm Sau download ta phần mềm Proteus hình 2.1: Hình 2.1 Phần mềm proteus Sau ta tiến hành cài đặt phần mềm cách click vào file.exe ta bắt đầu cài đặt hình 2.2 Hình 2.2 Giao diện cài đặt phần mềm 16 Tiếp theo ta nhấn Next để cài đặt bước để cài đặt đơn giản ta nhấn Finish Sau cài đặt thành công phần mềm ta có giao diện phần mềm hình 2.3 Hình 2.3 Giao diện khởi động phần mềm Proteus Để tạo Project ta chọn New, cửa sổ thiết lập hình 2.4 Hình 2.4 Giao diện thiết lập cho New Project Nhấn Next ta có giao diện để vẽ sơ đồ mạch nguyên lý hình 2.5 17 Hình 2.5 Giao diện để vẽ mạch nguyên lý Để vẽ mạch in ta nhấn vào biểu tượng PCB Layout, giao diện để vẽ mạch in hình 2.6 Hình 2.6 Giao diện để vẽ mạch in 2.2 Các linh kiện sử dụng Các linh kiện sử dụng mạch linh kiện điện tử quen thuộc, gồm có: điện trở, tụ điện, Mosfet, IC điều khiển cầu IR2184, IC logic SN7402 18 2.2.1 MOSFET IRF460 Để đáp ứng yêu cầu động điện chiều ta phải chọn loại Mosfet có điện áp công tác cao dòng làm việc lớn, dựa linh kiện thực tế tác giả chọn Mosfet IRF460 Hình ảnh thực tế sau: Hình 2.7 Hình ảnh thực tế Mosfet IRF460 Các thông số Tranzitor cụ thể sau: - Điện áp làm việc tối đa: 500 (V) - Dòng điện cực máng: 13 -> 20 (A) - Thời gian đóng cắt (TON TOFF) 100 (ns) 2.2.2 IC điều khiển cầu H IR2184 Để điều khiển cầu Tranzitor H chọn IC điều khiển (IC driver) chuyên dụng dung thuật toán điều khiển trình điều khiển cặp Tranzitor Nếu dung thuật toán để điều khiển cặp Tranzitor phải đảm bảo lập trình điều khiển thật xác liên tục giám sát dòng qua động giám sát dòng qua Tranzitor Trong trình điều khiển đảo chiều phải đảm bảo dòng qua động “0” trước mở cặp Tranzitor ngược lại Với trường hợp lập trình điều khiển Tranzitor hay xảy tình trạng ngắn mạch nhánh cầu H gây hậu nghiêm trọng Để đảm bảo tính an toàn tác giả lựa chọn sử dụng IC driver chuyên dụng 19 IR2184 Đây loại IC chuyên dụng để điều khiển cầu Tranzitor (cầu H) Có 02 kiểu đóng gói IC thực tế, kiểu chân kiểu 14 chân (Như hình 2.8), sản phẩm tác giả sử dụng loại chân, dạng IC dán Hình 2.8 Các kiểu IC 2184 thực tế Để hiểu rõ nguyên lý hoạt động IC ta nhìn vào biểu đồ trạng thái tín hiệu dựa trạng thái tín hiệu vào (Hình 2.9) Nhìn vào biểu đồ ta thấy tín hiệu phụ thuộc vào trạng thái hai tín hiệu vào, tín hiệu thứ IN – tín hiệu băm xung PWM, tín hiệu thứ hai tín hiệu điều khiển cho phép kênh (SD) Nguyên lý hoạt động cụ thể sau: - Nếu tín hiệu SD mức logic hai tín hiệu LO HO phụ thuộc hoàn toàn vào trạng thái xung băm, xung trạng thái HO mức LO mức 0, ngược lại, xung mức HO mức LO mức Nói cách khác SD mức HO lặp lại trạng thái xung băm LO ngược lại trạng thái xung băm - Ngược lại, tín hiệu SD mức logic tín hiệu LO HO mức logic mà không phụ thuộc vào trạng thái xung băm Tín hiệu thường dùng để khóa MOSFET cần thiết Để đảm bảo an toàn cho MOSFET tránh tượng trùng dẫn hay gọi tượng ngắn mạch dẫn tới hư hỏng MOSFET IC thiết 20 kế cách đặc biệt với thời gian trễ trước xuất tín hiệu Cụ thể thể Biểu đồ trạng thái hai tín hiệu (Hình 2.10) Hình 2.9 Biểu đồ tín hiệu dựa tín hiệu vào Hình 2.10 Biểu đồ trạng thái hai tín hiệu Nhìn vào biểu đồ ta thấy tín hiệu vào SD mức logic tín hiệu băm xung thay đổi trạng thái tín hiệu không thay đổi mà có trễ thời gian để đảm bảo an toàn Cụ thể xét sơ đồ kết nối điển hình (Hình 2.11) ta có: 21 Hình 2.11 Sơ đồ kết nối điển hình Khi tín hiệu IN mức tín hiệu LO mức tức Mosfet phía dẫn, tín hiệu HO mức tức Mosfet phía khóa Nếu Mosfet phía chưa khóa mà Mosfet phía dẫn khiến cho nguồn khép kín trực tiếp từ VCC qua Mosfet tới GND, tức bị ngắn mạch nguồn qua Mosfet, điều làm cho Mosfet bị hỏng Để tránh tượng này, tín hiệu IN chuyển từ mức lên mức 1, thay tín hiệu HO chuyển lên mức tín hiệu LO chuyển xuống mức tín hiệu LO chuyển xuống mức trước tín hiệu HO chuyển lên mức logic Khi mà LO chuyển hoàn toàn xuống mức (tức Mosfet phía bị khóa hoàn toàn) tín hiệu chân HO bắt đầu chuyển lên mức (tức Mosfet phía dẫn) Tương tự vậy, tín hiệu IN chuyển từ mức xuống mức tín hiệu HO chuyển từ xuống trước, sau tín hiệu HO chuyển hoàn toàn xuống mức tín hiệu LO bắt đầu chuyển từ mức lên mức 2.2.3 IC logic SN7402N Để điều khiển khởi động đảo chiều động ta phải dùng IC IR2184 hoạt động phối hợp với thông qua IC logic 7402 Để thực việc đảo chiều thuận lợi đơn giản ta giữ kênh để băm xung PWM kênh để định xung băm cho IC 2184 Khi tín hiệu vào đồng nghĩa với việc Mosfet kênh LO IC 2184 dẫn tức đầu phần ứng động nối với 0V nguồn Và việc băm xung dùng để điều khiển kênh HO IC 2184 lại 22 IC SN7402 tổ hợp mạch logic, mạch NOR, bảng trạng thái logic IC sau: Bảng 2.1 Bảng trạng thái IC 7402 INPUT OUTPUT A B Y H x L x H L L L H Dựa bảng trạng thái ta thấy, để giữ xung băm kênh ta cần cho số chân kênh mức logic 0, muốn ngắt xung kênh ta cho số chân kênh mức logic 2.2.4 IC 4N35 6N137 Để cách ly mạch công suất mạch điều khiển ta dùng cách ly quang Trong mạch tác giả sử dụng 02 phần tử cách ly quang 4N35 cho tín hiệu đảo chiều động 6N137 cho tín hiệu băm xung tần số cao 2.3 Thiết kế mạch 2.3.1 Mạch nguyên lý Việc ta lấy số linh kiện cần thiết sử dụng mạch, trường hợp linh kiện thư viện phần mềm ta phải tiến hành tạo linh kiện Sau có đủ linh kiện cần thiết hình 2.12 Ta tiến hành thiết kế mạch có hình 2.13 23 Hình 2.12 Các linh kiện cần thiết Hình 2.14 Sơ đồ mạch nguyên lý đầy đủ 24 Trong chia thành khối mạch, gồm có mạch nguồn, mạch cách ly quang xử lý tín hiệu điều khiển mạch điều khiển động a Mạch nguồn Hình 2.15 Mạch nguồn b Mạch cách ly quang xử lý tín hiệu Hình 2.16 Mạch cách ly quang xử lý tín hiệu c Mạch điều khiển động Hình 2.17 Mạch điều khiển động 25 2.3.2 Mạch in Hình 2.18 Sơ đồ mạch in Hình 2.19 Hình ảnh 3D mạch Hình ảnh 3D sử dụng để người thiết kế biết hình ảnh thực tế sản phẩm sau hoàn thành, đồng thời hình ảnh để giúp cho việc lắp ráp linh kiện board mạch thuận lợi xác 26 KẾT LUẬN - Đề tài giải vấn đề đặt ra, nghiên cứu chế tạo mạch driver công suất cho động điện chiều có điện áp lên lới 220V công suất 1KW - Còn số vấn đề chưa giải cần tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện chế tạo driver công suất cho động điện chiều có điện áp công suất cao 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO GS.TS Thân Ngọc Hoàn, Máy điện, NXB Xây dựng, 2003 Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Máy điện 1, 2, NXB Khoa học kỹ thuật, 2001 http://codientu.org/threads/341/ http://www.dientuvietnam.net/forums/forum/c%C6%A1-s%E1%BB%9F%C4%90i%E1%BB%87n-%C4%90i%E1%BB%87nt%E1%BB%AD/c%C6%A1-s%E1%BB%9F-thi%E1%BA%BFtk%E1%BA%BF-ph%E1%BA%A7n-c%E1%BB%A9ng-thi%E1%BA%BFtk%E1%BA%BF-m%E1%BA%A1ch-in/16047-v%E1%BA%BDm%E1%BA%A1ch-b%E1%BA%B1ng-proteus 28