TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

Dưới đây là bài báo khoa học “Thiết kế hệ thống truyền động điện động cơ một chiều sử dụng bộ điều chỉnh vạn năng” của GS.TSKH. Thân Ngọc Hoàn; KS. Nguyễn Văn Tuấn - Khoa Điện – Điện tử, Đại học Dân lập Hải Phòng

1.Đặt vấn đề

Trong phòng thí nghiệm của bộ môn Tự động điện Công nghiệp đã có bộ điều chỉnh vạn năng-kết quả của một đề tài nghiên cứu khoa học của giáo viên Bộ môn. Để có thể áp dụng bộ điều khiển này cho các hệ thống truyền động điện tự động khác nhau, Bộ môn đã giao cho sinh viên Nguyễn văn Tuấn đề tài NCKH  “Thiết kế hệ thống tự động truyền động điện dòng một chiều sử dụng bộ điều chỉnh vạn năng’ dưới đây là nội dung và kết quả nghiên cứu của đề tài này..

2. Sơ đồ khối hệ thống

Trên H.1 là sơ đồ khối một hệ thống tự động truyền động điện cần thiết kế và xây dựng

H.1 Sơ đồ khối hệ thống tự động truyền động điện

Trong đó: Đ-tín hiệu đặt, R-Bộ diều chỉnh vạn năng; BĐ-Bộ biến đổi; M-Động cơ chấp hành; PH-Cơ cấu phản hồi.

Để xây dựng hệ thống truyền động điện dùng bộ điều chỉnh vạn năng cần thực hiện các bước sau: tính toán, thiết kế chế tạo các phần tử rồi ghép lại thành hệ truyền động điện một chiều hoàn chỉnh ứng dụng bộ điều khiển vạn năng. .

3. Thiết kế các bộ phận của hệ thống.

3.1. Thiết kế bộ chỉnh lưu tạo điện áp nguồn.

Động cơ điện một chiều kích từ song song với các thông số cơ bản:

P_đm=0,5 Kw; U_đm =120 V; I_đm=          4,2A; n = 2500 v/p

Từ giá trị điện áp định mức của động cơ ta chọn phương án cấp nguồn cho động cơ sử dụng bộ chỉnh lưu cả dùng cầu diode chỉnh lưu từ điện áp 100V ~ lên điện áp 130V DC cấp nguồn cho động cơ công suất và tụ loc nguồn dùng diode công suất.

Điện áp sau chỉnh lưu 1/2 chu kỳ dung diode công suất:

U_ra = 0,9U_n = 0,9.100 = 90 (V);I_D  = I_tải = 4,15A

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode:U_N= U_n =100=140V

Từ các tính toán trên ta chọn loại cầu diode có dòng chịu tối đa I_max = 25A, điện áp ngược tối đa U_N < 800V.

Do chỉnh lưu một nửa chu kỳ nên điện áp sau chỉnh lưu có độ đập mạch cao, vì lí do đó ta sử dụng thêm tụ lọc nguồn để san phẳng điện áp sau chỉnh lưu nhằm tăng chất lượng cho bộ nguồn.

Tụ công suất chọn loại SH.CAPACITOR cấp điện áp 500V, điện dung 20μF.

Sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu:

Hình 2. Sơ đồ nguyên lí bộ chỉnh lưu

Khi làm việc  dòng điện chạy qua van có sụt áp, do đó có tổn hao công suất Dp, tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác, van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép T_cp nào đó, nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt cho van.

Tồn thất công suất trên van:

Dp = DU . I_lv=  6 .4,15  =  24,9 (w)

Diện tích bề mặt toả nhiệt:

S_m= Dp/(k_m. t)

Trong đó:

Dp  -  tổn hao công suất (w)

t  -  độ chênh lệch so với môi trường.

Chọn nhiệt độ môi trường T_mt = 40⁰C. Nhiệt độ làm việc cho phép của Diode T_cp= 125⁰C. Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt T_lv=  80⁰ c

t  =  T_lv - T_mt= 40⁰ c

K_mhệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. Chọn K_m=  8 [ w/m² . ⁰ C ]

Vậy: s_m= 0,0778 (m² )

Chọn loại cánh toả nhiệt có 8 cánh, kích thước mỗi cánh a x b  = 8 x 6,5 (cm x cm).

Tổng diện tích toả nhiệt của cánh:

S =  8 . 2 . 8 .6,5  =  832 (cm² )

3.2. Thiết kế mạch chuyển đổi công suất.

Trong hệ truyền động điện, bộ chuyển đổi công suất có tác dụng nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển và đưa ra những tác động đến cơ cấu chấp hành theo những phương án được định sẵn ( thay đổi điện áp phần ứng, thay từ thông, đảo chiều quay… )

Bộ điều khiển vạn năng phát ra tín hiệu xung PWM(Điều chỉnh độ rộng xung) để điều chỉnh van điện tử công suất lực thay đổi điện áp cấp cho phần ưng động cơ, đồng thời cấp tín hiệu quyết định chiều quay của động cơ.

Ở đây lựa chọn thiết kế hệ Xung áp – Động cơ sử dụng phương pháp xung áp mạch đơn để điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ.

Tính toán lựa chọn van lực:

Điện áp sau chỉnh lưu U_ra= 130V. Giá trị điện áp đỉnh U_đỉnh= 311V.

Dòng làm việc định mức của động cơ I_đm = 4,2A;Tần số băm xung PWM từ bộ điều khiển

Từ các thông số trên chọn van cho bộ biến đổi sử dụng IGBT loại FGA25N120AND

Tính toán bảo vệ cho van lực:

Tồn thất công suất trên van: Dp  = DU . I_lv= 0, 6 .4,15  =  2,49 (w)

Diện tích bề mặt toả nhiệt:     S_m= Dp/ (K_m. t)

Chọn nhiệt độ môi trường T_mt= 40⁰C. Nhiệt độ làm việc cho phép của Diode T_cp= 125⁰C. Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt do  T_lv=  80⁰ c  nên t =  T_lv- T_mt=  40⁰ c; Chọn K_m= 8 [ w/m² . ⁰ C ]

Vậy: s_m= 0,00778(m² )

Chọn loại cánh toả nhiệt có 8 cánh, kích thước a x b  = 5 x 5 (cm x cm).

Tổng diện tích toả nhiệt của cánh:S= 8.2.5.5=400 (cm² )

Thiết kế mạch điều khiển kích mở cho IGBT.

Sơ đồ thiết kế mạch phát xung mở cho IGBT biểu diễn trên H.3

Hình 3. Mạch kích mở cho IGBT

Tín hiệu hiệu điều khiển dạng xung PWM từ bộ điều khiển cấp đến chân 1 của opto 4N35, đây là loại foto quang có tần số hoạt động cao lên tới 1MHz, linh kiên này rất thích hợp trong mạch kích mở IGBT nhằm tác dụng cách ly mát điều khiển và mát động lực.

Tín hiệu xung PWM từ chân 4 của opto 4N35 được đưa qua 1 tầng khuếch đạ tín hiệu sủ dụng transistor D468, đây cũng là một loại transistor có tần số làm việc tương đối cao thường được sử dụng để khuếch đại tín hiệu mở van trong các mạch băm xung PWM.

Thiết kế mạch đảo chiều quay động cơ.

Ở đây lựa chọn phương án đảo chiều quay động cơ bằng giải pháp đảo chiều điện áp phần ứng cấp cho động cơ.

Tín hiệu đảo chiều quay cho động cơ cấp tù bộ điều khiển dưới dạng logic mức cao được đưa qua 1 opto PC817 nhằm cách ly mát điều khiển sau đó đưa tới 1 tầng khuếch đại sử dụng transistor A1815 cấp nguồn cho cuộn hút role Omron đóng các cặp tiếp điểm đảo chiều điện áp cấp cho phần ứng động cơ.

Dưới đây là sơ đồ thiết kế cho mạch đảo chiều động cơ H.4:

Thiết kế khâu phản hồi tốc độ.

Khâu phản hồi tốc độ sử dụng encoder đo tốc độ trên H.5 biểu diễn nguyên tắc cấu tạo chuyển đổi quang học được sử dụng trong encorder. Nguyên lý làm việc của encoder như sau: nguồn sáng tạo các tia sang đi qua bộ phân phân sinh quang có thể là diot quang hoặc Tranzitor quang.

Đĩa quay được đặt giữa hai phần tử trên. Cấu tạo của đĩa có thể làm bằng vật liệu trong suốt và có những mảng chắn ánh sáng gắn đều nhau hoặc ngược lại đĩa có thể làm bằng vật liệu không cho ánh sáng chiếu qua, trên chu vi của đĩa người ta tạo những lỗ hoặc khe có khoảng cách đều nhau .

H.5 Nguyên tắc cấu tạo chuyển đổi quang học

     Trục quay của encoder được kết nối với trục động cơ thông qua hệ thống buli - curoa với tỷ lệ truyền 1:4, nhằm làm giảm tốc độ quay của encoder giúp tăng đọ chính xác cho khâu phản hồi

Thiết kế bộ nguồn cho mạch điều khiển.

Hình .6. Sơ đồ  mạch nguồn cho mạch điều khiển mở IGBT và điều khiển đảo chiều quay động cơ

Điện áp xoay chiều 12V qua cầu diode chỉnh lưu thành điện áp một chiều đưa qua IC ổn áp loại LM7812C/TO ổn định điện áp 12VDC cấp nguồn cho các linh kiện trong mạch điều khiển.

Trên H.7 là hình ảnh mạch chuyển đổi công suất, còn H.8 là hình ảnh hệ thống truyền động điện xây dựng.

Hình 7. Mạch mở IGBT

H.8 Mô hình hệ thống tđ đ với bộ chỉnh lưu vạn năng

KẾT LUẬN

Trên đây đã trình bày tất cả những vấn đề liên quan tới thiết kế, thực hiện một hệ thống tự động truyền động điện dòng một chiều sử dụng bộ điều chỉnh vạn năng trong phòng thí nghiệm tự động của bộ môn tự động công nghiệp. Hệ thống hoạt động tốt, ổn định và đạt yêu cầu đề ra.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1.Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Cơ sở truyền động điện, NXB  KHKT.

2.GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn, TS Nguyễn Tiến Ban, Điều khiển tự động các hệ thống Truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật.

3.Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công ,Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất Lý thuyết thiết kế ứng dụng, Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật.

4.Trần Văn Thịnh, Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất, Nhá xuất bản Giáo dục.

Nội dung đính kèm: Thiết kế hệ thống truyền động điện động cơ một chiều sử dụng bộ điều chỉnh vạn năng.pdf