Thiết kế mạch biến đổi điện áp một chiều cấp nguồn cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập

LỜI NĨI ĐẦU
Động cơ 1 chiều có nhiều ứng dụng trong điều khiển và sản xuất
nhất là trong công nghiệp. Trong đó địi hỏi động cơ phải có nhiều cấp
tốc độ có thể tăng giảm dễ dàng.
Với sự ra đời và phát triển của khoa học kỹ thuật vấn đề điều
khiển động cơ 1 chiều khơng cịn là vấn đề khó khăn. Động cơ có thể
điều khiển với nhiều cấp tốc độ khác nhau, điều khiển dừng, đảo
chiểu, nhanh chậm dễ dàng được.
Trên cơ sở những kiến thức đã học từ điện tử công suất. Chúng
em đã thực hiện bài tập lớn: Tính tốn thiết kế mạch biến đổi điện
áp một chiều – một chiều cấp nguồn cho động cơ điện một chiều
kích từ độc lập thực hiện các chức năng sau:
- Đảo chiều quay động cơ.
- Điều chỉnh 3 cấp tốc độ động cơ.
Tuy nhiên , do kiến thức của chúng em cịn hạn chế khơng thể
đề cập hết các vấn đề trong đề tài này, do đó khơng thể tránh khỏi
những thiếu sót. Rất mong được nhận sự đóng góp ý kiến của thầy và
các bạn .
Nhóm thực hiện:
Nguyễn Văn An
Phùng Tiến Bộ
Tạ Hữu Đức
Trịnh Trường Giang
Vũ Xuân Hiếu
-

MỤC LỤC


CHƯƠNG I: DẪN NHẬP
I. ĐẶT VẤN ĐỀ............................................................................

II. GIỚI HẠN ĐỀ
TÀI...................................................................
III. MỤC ĐÍCH NGHIÊN
CỨU...................................................
IV. YÊU
CẦU...............................................................................
CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU
I.NGUYÊN LÝ VÀ CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CƠ...........................................................................................................
II. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP............
CHƯƠNG III : CÁC PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
I. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ ĐIỆN
MỘT CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI ĐẶC TÍNH CƠ..
II. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP BĂM XUNG....................................
CHƯƠNG IV : MẠCH BĂM XUNG
I. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ................................................................
II. CẤU TẠO IC NE555................................................................
III. PHÂN TÍCH THIẾT KẾ MẠCH BĂM XUNG PWM...........
IV. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH ĐIỀU
KHIỂN....................................................................................................
CHƯƠNG V : MẠCH ĐỘNG LỰC
I. CẤU TẠO MẠCH ĐỘNG LỰC................................................
II. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC.......................................................
CHƯƠNG VI:LINH KIỆN ĐƯỢC SỬ DỤNG
CHƯƠNG VII: MẠCH THỰC TẾ

CHƯƠNG I: DẪN NHẬP
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động
với dòng điện một chiều. Động cơ điện một chiều ứng
dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như
trong công nghiệp. Thông thường động cơ điện một
chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhất khi nối với nguồn
điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ và chiều
quay của
động cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử
Nhưng mạch điện tử được thiết kế như thế nào để
diều chỉnh tốc độ của động cơ ? Để trả lời câu hỏi trên
thì nhóm xin giới thiệu một mạch điều chỉnh tốc độ
động cơ khá hiệu quả sử dụng IC555.
II. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Có 2 phương pháp thay đổi tốc độ của động cơ là :
- Thay đổi tốc độ động cơ bằng phương pháp thay
đổi dòng điện.
- Thay đổi tốc độ động cơ bằng phương pháp thay
đổi điện áp.
Trong phần này tập trung nghiên cứu phương pháp
thay đổi tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi
điện áp đặt lên động cơ.
Có rất nhiều mạch thay đổi tốc độ động cơ , trong
phần này xin giới thiệu mạch thay đổi tốc độ động cơ
dùng IC555.
III. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU


Mục đích hàng đầu của mạch thay đổi tốc độ động

cơ dùng ic 555 là nghiên cứu mạch ứng dụng IC555 để
thay đổi điện áp ngõ ra từ đó thay đổi tốc độ quay của
động cơ.
Qua quá trình nghiên cứu mạch cũng tạo điều kiện
cho sinh viên hệ thống lại những kiến thức đã học trong
bộ môn điện tử công suất qua đó thấy được tầm quan
trọng của mơn học này, đồng thời góp phần nâng cao
khả năng ứng dụng những gì đã học của sinh viên vào
thực tiễn.
IV. YÊU CẦU
Tính tốn thiết kế mạch biến đổi điện áp một chiều – một chiều
cấp nguồn cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập thực hiện các
chức năng sau:
- Đảo chiều quay động cơ.
- Điều chỉnh 3 cấp tốc độ động cơ.

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Trong rất nhiều máy móc cần đến các loại động cơ điện một chiều
với những mức công suất to nhỏ khác nhau phù hợp với chức năng
hoạt động của nó. Động cơ điện một chiều dùng để biến đổi điện năng
thành cơ năng hay cơ năng thành điện năng (khi hãm).


Trong động cơ điện có rất nhiều loại khác nhau như: Động cơ
điện xoay chiều ba pha không đồng bộ Rotor lồng sóc hay dây quấn,
động cơ điện xoay chiều ba pha có cổ góp. Động cơ điện một chiều có
những loại:
• Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
• Động cơ điện một chiều kích từ song song

• Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
• Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp hay kích từ nam
châm vĩnh cửu
Động cơ điện một chiều được sử dụng rộng rãi và phổ biến
trong các dây truyền thiết bị, các cơ cấu vận hành như thang máy,
máy nâng... Có vai trị quan trọng và cần thiết trong q trình cơng
nghiệp hố và hiện đại hố của đất nước ta hiện nay.
I. NGUYÊN LÝ VÀ CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CƠ
 Nguyên lý
Đặt trong từ trường một dây dẫn, cho dịng điện chạy qua dây
dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một lực từ vào vào dây dẫn(dòng điện)
và làm dây dẫn chuyển động.
Chiều của từ lực được xác định bằng quay tắc bàn tay trái. Động
cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng đều hoạt động
theo quy tắc này.

 Cấu tạo của động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều gồm hai phần chính là phần tĩnh (Stator)
và phần động (Rotor).
 Phần tĩnh:
• Cực từ tĩnh
• Cực từ phụ
• Gơng từ


• Các bộ phận khác: nắp máy, cơ cấu chổi than
 Phần quay:
• Lõi sắt phần ứng
• Dây quấn phần ứng
• Cổ góp

• Các bộ phận khác: cánh quạt, trục quay
II. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
Ở động cơ điện một chiều kích từ độc lập, cuộn kích từ cấp điện
từ nguồn điện ngồi độc lập với nguồn điện cấp cho rotor (Cuộn ứng).
Và khi nguồn điện một chiều có cơng suất khơng đủ lớn, mạch điện
phần ứng và mạch điện phần kích từ được mắc vào hai nguồn điện
một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ điện
một chiều kích từ độc lập.

 Đảo chiều động cơ:



Chiều từ lực tác dụng vào dòng điện được xác định theo quy tắc
bàn tay trái. Khi đảo chiều quay từ thơng hay đảo chiều dịng điện thì
từ lực có chiều ngược lại.
Muốn đảo chiều động cơ điện một chiều có thể thực hiện một
trong hai cách như hình vẽ trên và đường đặc tính cơ của động cơ khi
quay thuận và khi quay ngược là đối xứng nhau qua gốc toạ độ.
Đảo chiều từ thông được thực hiện nhẹ nhàng vì mạch từ thơng
có cơng suất nhỏ hơn mạch phần ứng. Tuy vậy vì cuộn kích từ có số
vịng dây lớn, hệ số tự cảm lớn, do đó thời gian đảo chiều tăng lên nên
phương pháp này ít được sử dụng. Ngồi ra dùng phương pháp đảo
chiều từ thơng thì khi từ thơng qua trị số 0 có thể làm tốc độ tăng
nhanh, không tốt cho động cơ.

CHƯƠNG III : CÁC PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH
TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
I. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI ĐẶC TÍNH CƠ

Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều từ phương trình :
ω = (U/KΦ) – (Ru Σ /(K ( Φ)^2) M
Có 3 cách điều chỉnh dựa vào các thông số của phương trình
như : U, Φ, Rư tổng. Do vậy ta có các cách sau:
- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng .
- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần
ứng.
- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông .
Sau đây ta sẽ tìm hiểu các phương pháp :
 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng :


* ) Sơ đồ cấu trúc của phương pháp

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông:


* ) Sơ đồ cấu trúc của phương pháp :

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần
ứng :

II. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP BĂM XUNG


 Phương pháp điều xung PWM:
Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là
phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay còn gọi là phương pháp
điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến

sự thay đổi điện áp ra trung bình. Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1
tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm.

 Nguyên lý làm việc của PWM – Điều chế độ rộng xung Cách
thức hoạt động
Dãy xung điều khiển trên cùng, xung có độ rộng nhỏ nên dịng
ra dao động mạnh đồng thời có giá trị nhỏ động cơ chạy chậm. Nếu
độ rộng xung càng lớn thì động cơ DC chạy càng nhanh.
PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển. Điển hình nhất là
điều khiển động cơ và các bộ xung áp…Sử dụng PWM điều khiển độ
nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa, nó cịn được dung để điều
khiển sự ổn định tốc độ động cơ.


Ngồi việc điều khiển hay ổn định tải thì PWM còn tham gia
điều chế các mạch nguồn như : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3
pha…
PWM gặp nhiều trong thực tế ở các mạch điều khiển. PWM
chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử cơng suất có đường
đặc tính là tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định. Nên PWM
được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điện-điện tử.

CHƯƠNG IV : MẠCH BĂM XUNG
I. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ


II. CẤU TẠO IC NE555

- GND (1): Nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay còn gọi là
chân chung.

- TRIGGER (2): Là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh.
Được dùng như một chân chốt hay ngõ vào của một tần so
áp. Mạch so sánh ở đây dùng các Transitor PNP với mức điện
áp chuẩn là 2/3Vcc.
- OUTPUT (3): Là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic. Trạng
thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1. Trong đó
1 là mức cao tương ứng gần bằng với Vcc nếu (PWM=100%)
và mức 0 tương đương với 0V. Trong thực tế mức 0 này
không được 0V mà trong khoảng từ (0.35 ->0.75V).
- RESET (4): Lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối
mass thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức áp
cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và
6.Nhưng trong mạch để tạo được dao động thường hay nối
chân 4 lên VCC.
- CONTROL VOLTAGE (5): Làm thay đổi mức áp chuẩn
trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện
trở ngồi cho nối GND. Chân này có thể khơng nối cũng
được nhưng để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5


xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này
lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định.
- THRESHOLD (6): Là một trong những chân đầu vào so
sánh điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt.
- DISCHAGER (7): Có thể coi chân này như một khóa điện
tử và chịu điều khiển bỡi tầng logic của chân 3 .Khi chân 3 ở
mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì nó mở ra.
Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như
một tầng dao động.
- VCC (8): Chân cung cấp áp và dịng cho IC hoạt động.

Khơng có chân này coi như IC chết. Nó được cấp điện áp từ
2V đến 18V (Tùy từng loại 555 thấp nhất là NE7555)
III. PHÂN TÍCH THIẾT KẾ MẠCH BĂM XUNG PWM
1. Mạch đa hài phi ổn sử dụng IC NE555 (Mạch 1)


Đây là mạch ứng dụng ic 555 dùng để làm mạch
đa hài phi ổn tạo xung vng.
• Trong mạch, chân Threshold được nối với chân
Trigger , nên hai chân này có chung điện áp là
điện áp trên tụ C.
• Chân Control Voltage có tụ 1uF nối mass để lọc
nhiều tần số cao có thể làm ảnh hưởng đến
điện áp chuẩn 2/3Vcc.
• Chân Reset nối với nguồn +Vcc nên khơng
dùng chức năng Reset.
• Chân Dischager xả điện được nối vào giữa hai điện trở (R1
và R2) tạo đường xả điện cho tụ.
• Chân Output cho ra xung vng.
 Một số cơng thức tính tốn trong mạch:
• Khi Transistor T2 (Transistor nối với chân
Dischager) có VB =0 nên ngưng dẫn và để tụ
C nạp điện với thời gian nạp (Thời gian xung ở
mức High trong một chu kì) là :
T
nạp=ln2*(R1+R2)*C
• Khi ngõ ra ở chân Output có điện áp thấp.
Khi đó ngõ T2 dẫn bảo hòa và chân Dischager
nối mass ngăn tụ C nạp điện mà phải xả
điện qua R2 qua T2 xuống mass. Tụ C xả

điện với hằng số thời gian (Thời gian xung ở
mức Low trong 1 chu kì) là:
T xả=ln2.R2.C
• Điện áp ngõ ra chân 3 có dạng hình vuông
với chu kỳ:
T = T nạp + T xả


• Do thời gian nạp và thời gian xả tụ khơng bằng nhau (T
nạp> Tt xả) nên tín hiệu hình vng ra khơng đối xứng.
Tần số của tín hiệu đầu ra là :
f = 1/(ln2.C.(R1 + 2R2))
 Dạng xung vuông đầu ra của mạch 1:

*Mục đích của mạch trên là kích khởi cho mạch đa
hài đơn ổn phía sau khi có điện áp thấp ở ngõ ra.
2. Mạch đa hài đơn ổn sử dụng ic NE555
(mạch 2)


Đặc điểm của mạch đơn ổn là khi có xung âm hẹp
có giá trị lớn hơn 1/3*Vcc tác động vào chân số
Threshold thì mạch sẽ thay đổi trạng thái và ngõ ra
chân Out sẽ có xung dương ra. Độ rộng xung dương ở
ngõ ra không phụ thuộc vào độ rộng của xung kích mà
phụ thc vào mạch định thì RT.C, sau đó mạch sẽ trở
lại trạng thái ban đầu.
Sau đây là các dạng xung vng đầu ra khi có
xung âm kích (từ mạch ne555 đa hài phi ổn) vào chân
Threshold (Threshold của ne555 mạch đa hài đơn ổn) :

(*Chú thích: Xung đầu ra của mạch đa hài phi ổn
(màu vàng), xung đầu ra của mạch đa hài đơn ổn (màu
xanh dương).)
- Cấp độ 1: R=10k


- Cấp độ 2: R=7k


- Cấp độ 3: R=5k

Khi vừa có xung âm ở chân Trigger (Mạch 2) thì ngõ
ra bắt đầu có xung dương và tụ C bắt đầu nạp điện.
Thời gian xung dương ra t không tùy thuộc vào độ rộng
xung âm ở ngõ vào mà chỉ tùy thuộc hằng số thời gian
T của mạch định thì .Nếu dùng biến trở VR thay cho Rt
ta có thể thay đổi độ rộng xung ra, cách khác là thay
đổi tụ C bằng các điện dung có trị số khác nhau.
3. Các thơng số của mạch
Khi mới cấp điện thì tụ nạp theo hàm mũ đồng thời
với thời gian tụ nạp là ngõ ra chân Output (Mạch 1) có
xung dương. Vậy thời gian xung dương tồn tại ở ngõ ra
được tính theo cơng thức:
T nạp = ln2*(1+15)*10^-3 = 0,01104(s)
Khi tụ xả thì điện áp ngõ ra có mức thấp và thời
gian tồn tại của mức thấp ở ngõ ra là:


4(s)

T xả =ln2.1.10^-3 = 6,9.10^-

Như vậy chu kỳ xung vuông ở chân Output (Mạch
1) là:
T=0,01104+6,9.10^-4 =0,01173
(s)
Khi có xung âm kích vào chân Trigger (Mạch 2) thì
ngõ ra chân Output (Mạch 2) có mức điện áp cao ,thời
gian xung dương tồn tại ở ngõ ra phụ thuộc vào các
mức của trở theo cơng thức:
T x =1,1.Rt.1.10^-6 (s)
Như vậy khi có xung âm kích khởi vào chân Trigger
(Mạch 2) thì ngõ ra chân Output (Mạch 2) sẽ có mức
điện áp cao qua cầu phân thế phân cực cho
TRANSISTOR dẫn. Transistor có cơng dụng như là một
công tắc để điều khiển cho động cơ.
Thơng qua các mức trở Rt ta có thể điều chỉnh
được điện áp đặt vào động cơ và tốc độ của nó hồn
tồn phụ thuộc vào cách điều chỉnh mức trở.
Nếu chọn trở có giá trị là 10 K thì thời gian xung
dương như sau:
T x=1,1.10.10^-3=0,011(s)

III. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
:

Trong sơ dố trên ta sử dụng IC556 với 2 mục đích là

- Mạch 1 là mạch đa hài phi ổn tạo ra xung vng để
kích khởi cho

mạch 2
- Mạch 2 là mạch đa hài đơn ổn với mục đích là điều
chỉnh độ rộng
xung dương ở ngõ ra thông qua các mức điện trở.


Khi có xung âm kích vào mạch đa hài đơn ổn từ
mạch đa hài phi ổn thì ngõ ra của mạch đa hài đơn ổn
sẽ có xung dương ra , độ rộng xung dương ở ngõ ra
không phụ thuộc vào độ rộng của xung âm mà phụ
thuộc vào các linh kiện trong mạch (tức là phụ thuộc
vào các mức trở và tụ 1uf ). Khi có xung dương ở ngõ ra
mạch đa hài đơn ổn thì nó sẽ điều khiển làm cho
Transistor dẫn cho dòng điện đi qua motor làm motor
hoạt động.

CHƯƠNG VII : MẠCH ĐỘNG LỰC
I. CẤU TẠO MẠCH ĐỘNG LỰC

- Động cơ DC 3-6V
- Transistor NPN C828 0,1A 25V


- Ta sử dụng mạch cầu H dung 4 Transistor NPN đấu chéo để
đảo chiều tốc độ động cơ

II. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
Xung từ mạch điều khiển băm xung đa hài đơn ổn ne555 điều
khiển làm cho Transistor dẫn cho dòng điện đi qua
motor làm motor hoạt động.

Chiều thuận xung điều khiển PWM kích T1 và T4 mở dịng chạy
từ T1 qua động cơ qua T4 và về âm nguồn.
Ở chiều ngược lại xung xung điều khiển PWM kích T2 và T3 mở
dòng chạy từ T2 qua động cơ qua T3 và về âm nguồn.

CHƯƠNG VII:LINH KIỆN ĐƯỢC SỬ DỤNG


• Mạch Cầu H Đảo Chiều Động Cơ sử dụng NPN Transistor
C828

• Motor 1 Chiều 3V-6V_DC
• Mạch Tạo Xung Sử Dụng IC 555 (NE555)

• Tản Nhiệt Và IC L7805

•

Tụ Điện


- Các tụ hóa phân cực 1000uF, 470uF: lọc điện áp ở đầu vào
và đầu ra ổn áp, làm việc như một nguồn tích và cung cấp điện
khi có sụt áp ở đầu ra, từ đó ổn định mức điện áp.
- Các tụ gốm 104: San phẳng dạng điện áp ổn định hơn.

• Led
• Điện Trở
Điện trở hạn dịng bảo vệ Led, đèn Led giúp kiểm tra mạch
nguồn có hoạt động ổn định hay khơng.

• Cơng Tắc giúp đóng ngắt mạch nguồn đầu vào khi có sự cố.


CHƯƠNG VIII: MẠCH THỰC TẾ