Thiết kế hệ điều khiển động cơ lồng sóc bằng bộ điều chỉnh pha thyristor

ộ môn, đề tài của em đã được hoàn thành. Do thời gian có hạn và trình độ còn hạn chế nên đề tài của em chắc còn nhiều thiếu xót. Rất mong các thầy cô chỉ bảo trong buổi bảo vệ để em rút ra được những kinh nghiệm cho công việc sau này. Qua đây, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Bách Khoa đã dìu dắt em trong năm năm học vừa qua. Em xin trân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Thiết bị điện - Điện tử đã trực tiếp dạy dỗ và trang bị cho em những kiến thức kỹ năng chuyên nghành bổ ích. Em vô cùng biết ơn thầy giáo Phó giáo sư, Tiến sĩ - Bùi Đình Tiếu là người đã trực tiếp và tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Sẽ trở thành một cán bộ kỹ thuật, em luôn tự nhủ phải không ngừng học tập trau dồi kiến thức và kỹ năng, áp dụng sáng tạo những hiểu biết của mình đã học vào những công việc thực tế, để xứng đáng với danh hiệu kỹ sư tốt nghiệp từ Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.  Chương 1 giới thiệu về động cơ không đồng bộ ba pha và các phương pháp điều khiển I - giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ ba pha I.1 Khái quát về động cơ không đồng bộ ba pha. Trong quá trình khai thác sử dụng các tài nguyên thiên nhiên phục vụ cho nền kinh tế quốc dân nói riêng và các hoạt động của xã hội nói chung, không thể không nói đến sự biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Trong đó, đĐộng cơ điện là thiết bị biến đổi từ điện năng thành cơ năng có vai trò rất to lớn trong sản xuất công nghiệp, nông nghiệp , dân dụng và rất nhiều lĩnh vực khác. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ và kỹ thuật hiện đại. Đặc biệt trong lĩnh vực điện tử và bán dẫn công suất ( transistor công suất, thyristor, triac…) đã tạo điều kiện cho việc sử dụng các động cơ điện có hiệu quả và tạo ra nhiều phương án để lựa chọn những loại động cơ thích hợp. Hiện nay, động cơ điện không đồng bộ được sử dụng rộng rãi chiếm tỷ lệ rất cao với mức công suất nhỏ từ vài chục W đến mức công suất trung bình hàng trăm kW. Với những ưu điểm nổi bật của nó như: Giá thành hạ (chỉ bằng 1/6 động cơ điện một chiều), làm việc tin cậy chắc chắn, hiệu suất cao.v.v. Đặc biệt đối với động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc có kết cấu rôto rất đơn giản và vận hành thuận tiện. Ngoài ra động cơ không đồng bộ còn dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm thiết bị biến đổi kèm theo đỡ phức tạp cho hệ thống. Các lĩnh vực ứng dụng của động cơ không đồng bộ như: Trong công nghiệp thường dùng làm nguồn lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ ., v.v. Trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió. Trong nông nghiệp dùng trong các trạm bơm hay máy gia công nông sản phẩm. Trong đời sống sinh hoạt hàng ngày, động cơ điện không đồng bộ cũng chiếm một vị trí rất quan trọng như làm quạt gió,máy bơm nước, tủ lạnh máy điều hoà nhiệt độ v.v.Tóm lại, cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hoá và tự động hoá thì phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng được cải thiện và mở rộng. Tuy nhiên, với mỗi loại động cơ đều có những nhược điểm riêng của nó. Đối với động cơ không đồng bộ bên cạnh những ưu điểm kể trên nó có một số nhược điểm sau: Đặc tính điều chỉnh không tốt, cosj không cao lắmthấp, khống chế các quá trình quá độ khó khăn. Riêng đối với động cơ rô to lồng sóc có đặc tính khởi động tương đối xấu. Chính vì những lý do đó nên ứng dụng của nó trong một số điều kiện cụ thể còn có phần bị hạn chế. Trong một số lĩnh vực cần những yêu cầu trên người ta hay dùng động cơ điện một chiều. Đối với động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ tương đối tốt dải điều chỉnh tương đối rộng độ chính xác tương đối cao nhờ việc sử dụng hệ thống có phản hồi vòng kín. Tuy nhiên, nó có những nhược điểm cố hữu không tránh khỏi. Vành đổi chiều là một hạn chế lớn nhất của động cơ một chiều, kiểu cấu tạo phức tạp của vành đổi chiều làm gia tăng giá thành của động cơ một chiều. Chổi than và vành đổi chiều là nguyên nhân sinh ra những tia lửa gây lên những hỏng hóc không mong muốn. Nói chung, với những ưu điểm nổi bật của động cơ không đồng bộ thì việc ứng dụng nó trong những lĩnh vực của cuộc sống ngày càng được phát triển và cải tiến về mọi mặt. I.2 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha. Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta sử dụng sơ đồ thay thế động cơ gần đúng như hình 1.1. Sơ đồ thay thế được thiết lập với các giả thiết sau: - Các pha của động cơ là đối xứng - Các thông số của mạch không thay đổi nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở của mạch rô to không phụ thuộc tần số của dòng điện chạy trong nó, mạch từ không bão hoà. - Tổng dẫn mạch vòng từ hoá không thay đổi, dòng điện từ hoá Im không phụ thuộc vào phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stator động cơ. - Bỏ qua các tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép. I1 Ef X1 R1 Ef X2 Ef X m R m I m I2’ Ef U1 Ef Hình 1.1- Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ. - Điện áp lưới là hình sin và đối xứng. Các kí hiệu trên sơ đồ: Uf : Trị số hiệu dụng của điện áp pha stator. I : Dòng điện từ hoá. I1 : Dòng điện stator. I2’ : Dòng điện rô to đã qui đổi. X : Điện kháng mạch từ hoá. X1 : Điện kháng stator. X2 : Điện kháng rô to đã qui đổi. Rm Điện trở tác dụng mạch từ hoá. R1 : Điện trở tác dụng cuộn dây stator. R2’ : Điện trở tác dụng cuộn dây rô to đã qui đổi. S : Độ trượt của động cơ . S =. : Tốc độ đồng bộ. f 1 : Tần số của điện áp nguồn đặt vào stator. P : Số đôi cực từ của động cơ. ω : Tốc độ góc của động cơ. Từ sơ đồ thay thế ta tính được: I1 = Uf Trong đó: Xnm = X1 + X2 : điện kháng ngắn mạch. I2’ = Công suất điện từ chuyển từ stator sang rôto: Pđt = Mđt.ω1 Mđt : mô men điện từ của động cơ. Nếu bỏ qua tổn thất phụ thì: Mđt = Mcơ = M Dựa vào điều kiện cân bằng công suất trong động cơ: Pđt = Pcơ + DP2 Trong đó: Pcơ : công suất cơ đưa ra trên trục động cơ. DP2: công suất tổn hao trong rô to. Thay trên vào ta có: M.ω1 = M.ω + DP2 Suy ra DP2 = M.(ω – ω1) = Mω1.S Mặt khác DP2 = 3.R2’I2’2 Suy ra M = Thay I2’ ở trên vào ta được : M = Mth Mnm ω1 sth s ,ω M Hình 1.2 - Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ. Đặc tính của phương trình như hình 1.2 trình bày ở dưới. Có thể xác định cực trị của đặc tính bằng cách tìm đạo hàm của phương trình đặc tính cơ theo độ trượt S và cho nó bằng không. Các giá trị tìm được như sau: Sth = Mth = Thông thường người ta hay sử dụng phương trình đặc tính cơ dạng Klox để tính toán cho thuận lợi. Bằng cách lập tỷ số giữa M và Mth qua một số biến đổi ta được phương trình đặc tính cơ dạng Klox đơn giản sau: M = Trong đó: a = Đối với động cơ công suất lớn thường R1 << R2 có thể bỏ qua R1. Phương trình có dạng gần đúng: M = Trong đó: Sth = Mth = Trong một số trường hợp cho phép ta sử dụng những đặc tính gần đúng bằng cách tuyến tính đặc tính tại điểm làm việc của động cơ. ỉ Các thông số ảnh hưởng đến đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ. Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ cho ta thấy được có thể thay đổi các thông số của động cơ để điều khiển được tốc độ của động cơ. Ta có các thông số ảnh hưởng sau: ảnh hưởng của điện trở (R1)và điện kháng(X1) stator. ảnh hưởng của điện trở (R2) và điện kháng(X2) rô to. ảnh hưởng của điện áp nguồn cấp (Uf). ảnh hưởng của tần sốnguồn cấp (f1). ảnh hưởng của số đôi cực (P). Từ các tham số ảnh hưởng ở trên là cơ sở để có thể xây dựng nên các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ cụ thể sẽ được trình bày ở phần sau. II - Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha. Trên thực tế, chúng ta đã nghiên cứu nhiều về vấn đề điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ. Nhưng nhìn chung thì các phương pháp điều chỉnh tốc độ đều có những ưu khuyết điểm của nó và chưa giải quyết được toàn bộ vấn đề như: phạm vi điều chỉnh, năng lượng tiêu thụ, độ bằng phẳng, khả năng tự động hoá, vận hành đơn giản.v.v. Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực điện tử công suất và vi xử lý đã cho ra đời những sản phẩm nhỏ gọn, đa chức năng có chỉ tiêu kỹ thuật cao, thì việc ứng dụng nó vào truyền động điện nói chung và điều khiển động cơ nói riêng đã tạo nên một bước phát triển nhẩy vọt. Dưới đây ta sẽ trình bày một số phương pháp điều khiển động cơ cụ thể. II.1 Điều khiển động cơ bằng cách thay đổi số đôi cực stator. II.1.1 Nguyên lý điều khiển. Tốc độ không tải lý tưởng và tốc độ của động cơ không đồng bộ được xác định như sau: ω1 = ; ω = ω1(1- S) Khi thay đổi số đôi cực P thì làm cho ω1 thay đổi từ đó thay đổi được tốc độ động cơ ω và làm thay đổi được đặc tính cơ của động cơ. Thông qua việc xác định đặc tính cơ ở trên ta thấy với việc thay đổi số đôi cực thì có thể điều khiển được tốc độ động cơ mà không làm thay đổi độ cứng đặc tính cơ của động cơ. II.1.2 Phương pháp điều khiển. Để có thể thay đổi được số đôi cực ta thay đổi cách đấu dây ở stator của động cơ . Với cùng hai cuộn dây tuỳ theo cách đấu thuận hay ngược mà cho ta bước cực khác nhau (P khác nhau). Cùng hai cuộn dây đó có thể đấu nối tiếp hay song song theo yêu cầu điện áp và dòng điện. Hình4.3 trình bày cách đấu để tạo động cơ điện hai cấp tốc độ thành loại mômen không đổi và công suất không đổi (tuỳ theo cách đấu Y hay D và cách đấu dây quấn pha song song hay nối tiếp). Dây quấn stator có thể nối thành bao nhiêu cực khác nhau thì có thể điều chỉnh động cơ bấy nhiêu cấp. Với động cơ không đồng bộ rôto đây quấn thì việc thay đổi số đôi cực stator đồng thời phải thay đổi cách đấu dây rôto tương ứng cho số đôi cực bằng nhau. Điều này không thuận lợi, vì vậy người ta không dùng phương pháp này để điều khiển tốc độ động cơ rôto dây quấn. Ngược lại, rôto lồng sóc có thể thích ứng với bất cứ số đôi cực nào của stator do đó có thể sử dụng phương pháp này để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc. Thông thường người ta chế tạo động cơ hai, ba hoặc bốn cấp tốc độ . A B C Hình 4.3a - Sơ đồ đấu dây quấn khi đổi tốc độ theo tỷ lệ 2:1 với mômen không đổi./ A B C Hình 4.3b - Sơ đồ đấu dây quấn khi đổi tốc độ theo tỷ lệ 2:1 với công suất không đổi. A B C If If If If If If If If A B C M M w,s w,s Hình 4.4 - Đặc tính cơ của động cơ tương ứng đối với hai sơ đồ đấu dây ở trên. P2=2.p1 p1 P2=2.p1 p1 0 0 II.1.3 Ưu nhược điểm của phương pháp. Với việc điều khiển tốc độ động cơ bằng thay đổi số đôi cực cho ta những ưu điểm sau: thiết bị điều khiển đơn giản, các đặc tính cơ cứng, động cơ làm việc chắc chắn, tổn hao phụ không đáng kể, điều chỉnh và khống chế tốc độ đơn giản.v.v. Bên cạnh những ưu điểm kể trên phương pháp có môt số nhược điểm: kích thước động cơ lớn, phạm vi điều chỉnh không rộng lắm, chỉ ứng dụng cho động cơ các cấp tốc độ nhẩy cấp lớn và động cơ rôto lồng sóc, hiệu suất sử dụng dây quấn thấp.v.v. Chính vì còn nhiều nhược điểm nên phương pháp không được áp dụng nhiều trên thực tế. II.2 Phương pháp thay đổi điện trở phụ Rôto. II.2.1 Nguyên lý điều khiển. Đối với phương pháp này, chỉ có thể áp dụng với động cơ điện rôto dây quấn. Thông qua vành trượt ta nối một biến trở ba pha có thể điều chỉnh được vào dây quấn rôto. Khi đưa điện trở phụ R2f vào rôto thì dựa vào các biểu thức của các đại lượng ta có: tốc độ không tải lý tưởng ω1, mô men tới hạn Mth không đổi. Trong khi đó độ trượt tới han Sth tăng nên: Sth = Vậy khi thay đổi R’2f ta thay đổi được độ trượt tới hạn và từ đó làm cho độ cứng đặc tính cơ của động cơ thay đổi và làm cho tốc độ động cơ thay đổi điều chỉnh được động cơ. Bằng việc đưa thêm điện trở phụ vào mạch rôto ta đồng thời hạn chế được dòng điện khởi động của động cơ. Dưới đây là đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ rôto. M sth sth1 sth2 ω1 Mth s ,ω Mnm Mnm1 Mnm2 Hình 1.5 - Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ rô to. đttn Rf1 Rf2 0 II.2.2 Phương pháp điều khiển. Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hiện đại và đặc biệt là các thiết bị thuộc lĩnh vực bán dẫn thì việc điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ bằng việc thay đổi điện trở phụ sử dụng van bán dẫn thường được sử dụng rất nhiều. Khi sử dụng van bán dẫn người ta có thể điều chỉnh trơn điện trở mạch rôto và rất thuận lợi cho việc tự đông hoá việc điều chỉnh T A B C R0 Rf D1 D2 Hình 1.5 - Sơ đồ nguyên lý phương pháp thay đổi điện trở phụ rô to. ĐC Trên đây là sơ đồ nguyên lý của phương pháp điều khiển điện trở mạch rôto bằng van bán dẫn. Phương pháp này thường được gọi là phương pháp “ điện trở xung “. Bằng việc điều chỉnh thời điểm đóng mở thyristor T ta có thể thay đổi được điện trở phụ đưa vào mạch rôto của động cơ. - Khi cấp xung mở cho thyristor T dẫn, khi đó làm ngắn mạch điện trở phụ trong mạch rôto không có điện trở phụ đưa vào. - Khi thyristor khoá, thì điện trở phụ được đưa vào mạch rôto. Gọi t1, t2 lần lượt là thời gian đóng và mở của thyristor T. Vậy chu kỳ đóng mở của thyristor T là: tck = t1 + t2 Từ đó ta có thể xác định điện trở trung bình đưa vào mạch rôto là: Rtb = Rf ( 1-∂ ) Trong đó: ∂ = Vậy khi thay đổi thời điểm mở T từ đó làm thay đổi được ∂ dẫn đến Rtb đưa vào rôto thay đổi và điều khiển được tốc độ động cơ. Việc điều chỉnh thời điểm đóng mở T nhờ một mạch điều khiển cụ thể. II.2.3 Ưu nhược điểm của phương pháp. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đã tạo điều kiện cho việc áp dụng các phương pháp điều khiển một cách thuận lợi. Trong đó, việc sử sụng phương pháp thay đổi điện trở rôto có một ưu điểm nổi bật là dễ tự động hoá. Phương pháp này còn có còn có một số ưu điểm khác như: hạn chế được dòng khởi động, làm tăng khả năng mở máy và phạm vi điều chỉnh nhờ việc đưa thêm Ro vào mạch rôto, có chi phí vận hành sửa chữa thấp. Nhược điểm của phương pháp là: việc điều khiển có độ ổn định thấp, việc thêm điện trở vào mạch rôto làm tăng tổn thất cho động cơ và làm cho hiệu suất động cơ giảm xuống. Với những ưu điểm của phương pháp thì nó được ứng dụng khá nhiều trong thực tế. II.3 Phương pháp thay đổi điện áp stator. II.3.1 Nguyên lý điều khiển. Khi điện áp lưới (U1) thay đổi, ví dụ giảm xuống x lần điện áp định mức Uđm ( U1 = xUđm). Như ta đã biết từ mối quan hệ đặc cơ của động cơ ở phần trước, mômen động cơ tỷ lệ với bình phương điện áp do đó M1= x2Mđm. Nếu mômen tải không đổi thì tốc độ động cơ giảm xuống, hệ số trượt tăng lên và tốc độ động được điều chỉnh bằng việc thay đổi điện áp. Dưới đây là đặc tính cơ của động cơ khi điều chỉnh điện áp stator. S,ω ω1 sth M Mth1 Mth2 Mth3 Hình 1.6 - Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp stator. Sth Uđm U1 U2 U2<U1<Uđm Tuy nhiên, khi thay đổi điện áp thấp xuống thì kéo theo Mth cũng giảm xuống( ~U2 ). Trong khi đó, độ trượt tới hạn Sth không phụ thuộc điện áp được giữ không đổi. Điều này làm gới hạn phạm vi điều chỉnh của phương pháp. II.3.2 Phương pháp điều khiển. T B C ĐC U = var U = const Hình 1.6 - Sơ đồ điều chỉnh điện áp nhờ bộ điều chỉnh pha thyristor. A B C Để thay đổi được điện áp stator có rất nhiều phương pháp như: dùng biến áp tự ngẫu, khuyếch đại từ bộ biến đổi bán dẫn. Song hiện nay, người ta hay dùng các thiết bị bán dẫn (thyristor,diod,triac ) để thay đổi điện áp stator điều khiển tốc độ động cơ. Bằng việc dùng sơ đồ bán dẫn đã tạo ra được những ưu điểm hơn hẳn so với các loại khác. Dưới đây là sơ đồ thông dụng của phương pháp này. A B C U = const B C U = var B C ĐC B C Nguyên lý hoạt động của sơ đồ ta sẽ trình bày cụ thể ở phần sau. III.3.3 Ưu nhược điểm của phương pháp. Đây là phương pháp điều khiển đơn giản. Với việc sử dụng sơ đồ dùng các linh kiện bán dẫn tạo điều kiện cho việc tự động hoá rễ ràng và điều khiển thuận tiện. Phương pháp này thích hợp với truyền động mà mômen tải tỷ lệ với tốc độ quay như tải quạt gió, bơm ly tâm.... Song với mỗi phương pháp điều khiển đều có nhược điểm riêng của nó. Nhược điểm lớn nhất của phương pháp là điện áp cấp vào động cơ không sin chứa sóng hài bậc cao gây tổn thất trong động cơ. Mômen tới hạn giảm bình phương lần so độ giảm điện áp do đó phạm vi điều chỉnh bị hạn chế. Tuy vậy, với những ưu điểm của phương pháp thì nó vẫn được sử dụng rộng rãi trong thực tế. II.4 Phương pháp thay đổi tần số nguồn cấp . II.4.1 Nguyên lý điều khiển. Từ biểu thức tốc độ không tải và tốc độ làm việc của động cơ không đồng bộ sau: ω1 = ; ω = ω1(1- S) s,ω M f13 Mth f12 f11 f1đm f21 f22 f2<f1đm f1>f1đm w1đm w21 w22 w12 w11 w13 Hình 1.6 - Đặc tính cơ hi thay đổi tần số nguồn cấp 0 Khi tần số nguồn cấp (f1) thay đổi làm cho tốc độ không tải lý tưởng( ω1) thay đổi do đó điều chỉnh được tốc độ (ω) của động cơ. Khi đó đặc tính cơ của động cơ thay đổi chính vì vậy mà ta có thể điều chỉnh được mômen khởi động một cách thích hợp. Trên đây là đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi tần số nguồn cấp: - Khi f > fđm ta có Mth ~ 1/ f2 Khi f < fđm đồng thời giữ Φ = const khi đó Mth=const Chú ý, trong phương pháp thay đổi tần số này khi tần số thay đổi làm cho dòng điện và từ thông thay đổi theo vì vậy cần phải thay đổi cả điện áp đảm bảo động cơ làm việc ổn định. Cho nên yêu cầu bộ nguồn biến tần cần phải thiết kế đặc biệt thay đổi cả tần số và điện áp cấp vào động cơ. Tuỳ theo những yêu cầu cụ thể mà ta có thể tìm được mối liên hệ giữa tần số và điện áp. Ví dụ: khi năng lực quá tải không đổi thì ta có quan hệ , hay khi đảm bảo công suất cơ Pcơ không đổi thì ta có quan hệ . Tóm lại, tần số và điện áp cùng phải thay đổi theo một qui luật nhất đinh khi điều khiển tốc độ động cơ bằng thay đổi tần số. Nguồn cấp Điều khiển f1=const Biến tần ĐC f2=var Hình1.9 - Sơ đồ khối phương pháp thay đổi tần số nguồn. ~ ~ Sơ đồ cấu trúc của hệ biến tần: II.4.2 Phương pháp điều khiển. Để thay đổi tần số nguồn xoay chiều đặt vào động cơ ngày nay người ta dùng các bộ biến tần trực tiếp hoặc bộ biến tần gián tiếp, đây là những loại biến tần kiểu tĩnh. Ngoài ra, người ta còn thay đổi tần số bằng bộ biến tần kiểu quay gồm một máy phát đồng bộ có tốc độ thay đổi để phát ra nguồn điện có tần số thay đổi. Tuy nhiên, với sự phát triển mạnh mẽ của các linh kiện điện tử cùng những ưu điểm nổi bật của nó mà bộ biến tần kiểu quay ngày nay ít được sử dụng. Hình1.10 trình bày sơ đồ nguyên lý của bộ biến tần trực tiếp dùng cho động cơ không đồng bộ ba pha. Bộ biến đổi này biến đổi trực tiếp lưới điện sang tần số thích hợp bằng việc điều khiển góc mở của các thyristor theo qui luật nhất định. A B CĐC ĐC fvarĐC TĐC TĐC TĐC Hình1.10 - Sơ đồ bộ biến tần trực tiếp Hình1.11 trình bày bộ biến tần gián tiếp, bộ biến tần này thông qua khâu chỉnh lưu cầu ba pha thành dòng điện một chiều rồi dùng ngịch lưu dòng tạo ra lưới xoay chiều có tần số mong muốn. Việc điều chỉnh tần số thông qua góc mở thyristor ở khâu nghịch lưu dòng. A B C U,f = const U,f = var ĐC Hình1.11 - Sơ đồ bộ biến tần gián tiếp. II.4.3 Ưu nhược điểm của phương pháp. Trong các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ thì phương pháp biến tần là có những ưu điểm vượt trội về các lĩnh vực như: dải điều chỉnh, độ chính xác, gọn nhẹ, điều chỉnh rễ ràng.... Tuy nhiên, việc thiết kế bộ biến tần là tương đối phức tạp và tốn kém nó cần phải có sự thay đổi đồng thời cả điện áp nguồn cấp. Với những ưu điểm nổi bật của nó thì phương pháp này đang được ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực của xã hội. II.5 phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng nối tầng. II.5.1 Nguyên lý điều khiển. Phương pháp này dựa trên nguyên lý điều khiển dòng rô to I2 qua đó làm cho mômen M động cơ thay đổi và từ đó điều khiển được tốc độ động cơ. Để thay đổi được dòng điện I2 ta đưa một sức điện động phụ vào vào mạch rô to Ef, sức điện động phụ này có thể là một chiều hoặc xoay chiều. Ta có dòng rô to: I2 = Khi Ef thay đổi làm cho dòng rôto thay đổi làm mômen động cơ thay đổi và tốc độ động cơ được điều chỉnh. II.5.2 phương pháp điều khiển. Với việc đưa sức điện động phụ (Ef) vào mạch rôto ta có thể tận dụng được công suất trượt tổn hao trên rôto. Đối với động cơ công suất lớn tổn hao này là tương đối lớn. Thông thường để đưa sức điện động phụ vào mạch rôto người ta sử dụng hệ nối tầng điện và hệ nối tầng cơ. Nhưng phương pháp nối tầng bằng điện được sử dụng phổ biến hơn cả. Hình 1.12 trình bày sơ đồ nối tầng điện bằng van bán dẫn. A B C E2 ĐC BA Ef L D1 D2 T1 T2 Hình1.12 - Sơ đồ nối tầng điện dùng van bán dẫn. Với sơ đồ này Ef được tạo ra từ bộ nghịch lưu việc điều chỉnh Ef thông qua việẹc điều chỉnh góc mở aα của bộ nghịch lưu từ đó điều khiển được tốc độ động cơ và tận dụng công suất trượt trả về lưới. i II.5.3 Ưu nhược điểm của phương pháp. Đối với những động cơ công suất lớn thì tổn hao công suất trượt trên rô to là đáng kể vì vậy sử dụng phương pháp có thể giảm được tổn thất không mong muốn. Tuy nhiên phương pháp này tương đối phức tạp cho nên với động cơ công suất nhỏ thì phương pháp không được áp dụng. chương 2 tính toán các thông số và vẽ đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp stator I - TíNH TOáN CáC THÔNG Số CủA Động cơ. Các số liệu của động cơ đã cho như sau: Công suất định mức : Pđm= 100 Kw Điện áp định mức c : Uđm= 380 V Tốc độ đồng bộ : N1 = 1500 v/p Độ trượt định mức : Sđm = 0,12 Bội số mômen cực đại : l1 = 2,3 Bội số dòng mở máy y : l2 = 4 Hiệu suất định mức : h = 0,85 Hệ số công suất định mức: cosjđm= 0,85 Từ các số liệu trên ta có thể tính được các thông số khác của động cơ: Công suất đầu vào của động cơ: P1 = w Dòng điện định mức của động cơ: Iđm= A Tốc độ định mức của động cơ: nđm = n1- n1Sđm =1500 - 1500. 0,12 = 1320 v/p wđm = r/s Mômen định mức của động cơ: Mđm = N.m Mômen cực đại của động cơ: Mmax= l1.Mđm= 2,3.723,79 = 1664,7 N.m Dòng khởi động của động cơ: Ikđ = l2. Iđm =4.210 = 840 A Tham khảo và áp dụng các công thức tính các thông số của động cơ từ số liệu ghi trên nhãn máy dùng cho việc thiết kế sau này ta có: Điện trở stator Rs = 0,017 W Điện kháng tản stator X1 = 0,177 W Điện kháng tản rôto qui đổi về stator X2 = X1 = 0,177 W điện kháng ngắn mạch Xnm = X1 + X2 = 0,354 Điện cảm tản stator LdS = mH Điện cảm tản rôto LdR = LdS = 0,56 mH Điện cảm ngắn mạch Lnm = LdR + LdS = 1,12 mH II - Đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính khi điều chỉnh điện áp stator II.1 Đặc tính cơ tự nhiên. Để dựng đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không đồng bộ ta sử dụng biểu thức dạng Kloxklox như đã biết ở phần trước: M = Với động cơ công suất như ở đây Pđm =100 Kw có thể coi là động cơ công suất lớn và coi R1 << R2 do đó ta có a gần bằng 0 và biểu thức Klox có dạng đơn giản như sau: M = Thay các số liệu đã biết tại điểm định mức như: Mđm, Sđm, Mth vào phương trình trên ta tìm được độ trượt tới hạn Sth: Mđm = => Giải phương trình trên ta tìm được : Sth = 0,524 Vậy phương trình đặc tính cơ gần đúng như sau: M = w* M* M*nmtn đttn w*th M*thtn Uđm Hình 2.1- Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ. w*1 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0 Từ phương trình đặc tính cơ như trên ta vẽ được dạng của đặc tính cơ tự nhiên của động cơ đã cho như hình 2.1h cơ ở dưới đây: Đây là đặc tính cơ tự nhiên cuẩ động cơ đã cho . II.2 Đặc tính cơ khi điều chỉnh điện áp stator. Để vẽ đặc tính cơ điều chỉnh điện áp ta giả thiết điện áp cấp cho động cơ là hình sin. Với việc thay đổi điện áp stator thì như đã phân ttích ở phần trước ta có độ trượt tới hạn Sth không đổi mômen tỷ lệ với bình phương điện áp. Dựa vào đặc tính cơ tự nhiên ở trên ta có thể dựng được các đường đặc tính điều chỉnh. Giả sử cấp cho động cơ điện áp U1 tương ứng có đặc tính cơ M1 = f1(s). Với mọi giá trị của s ta đều có biểu thức: hay M1 = w* M* M*nmtn đttn w*th M*thtn 0.9Uđm 0.8Uđm 0.7Uđm 0.5Uđm 0.25Uđm Uđm Hình 3.2- Đặc tính cơ của động cơ khi điều chỉnh điện áp đặt vào stator. w*1 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0 Trên cơ sở đó ta có thể dựng được đặc tính điều chỉnh với các điện áp cấp khác nhau. Dưới đây là đặc tính điều chỉnh với các mức điện áp cấp 0,9Uđm; 0,8.Uđm ; 07Uđm; 0,5Uđm ; 0,25.Uđm . Để xác định đặc tính làm việc giới hạn của động cơ ta phải dựa vào đặc tính cơ của tải cụ thể từứ đó có thể xác định điện áp tối thiểu cần cấp cho động cơ. CHƯƠNG III THIếT Bị ĐIềU CHỉNH PHA Và TíNH TOáN THIếT Kế Bộ NGUồN I - THIếT Bị ĐIềU CHỉNH PHA I.1 Hệ điều chỉnh pha động cơ. Nguyên lý của bộ điều chỉnh pha. Uđk R L T2 T1 UL Hình 3.1- Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh xoay chiều một pha dùng thyristor. Để đơn giản cho việc phân tích ta sử dụng sơ đồ điều chỉnh xoay chiềèu một pha đối xứng dùng hai thyristor mắc song song ngược để giải thích nguyên lý hoạt động của bộ điều chỉnh pha. Có thể coi động cơ điện là tải gồm có điện cảm và điện trở và từ đó ta có sơ đồ nguyên lý được trình bày như hình 3.1. a j p b U q 2p Ut it Hình 3.2- Dạng điện áp và dòng tải của sơ đồ trên. 0 Giả thiết điện áp lưới đưa vào bộ điều chỉnh pha là hình sin có dạng Ul=Umsinq. Tại thời điểm a cấp xung điều khiển T1 ở nửa chu kỳ dương của điện áp lưới T1 phân cực thuận cho phép dòng điện chảy qua. Vì mạch có tính cảm nên dòng chỉ bằng không tại thời điểm b > p. ở nửa chu kỳ âm của điện áp lưới T2 phân cực thuận tại thời điểm a+p cấp xung điều khiển T2 tương tự như T1, T2 dẫn thông cho dòng điện chảy qua. Dạng điện áp tải cho ở dưới. ỉ Tại thời điểm a phát xung mở T1 ta có phương trình: Lsinq Giải phương trình trên theo tích phân kinh điển với điều kiện đầu i(q=a)=0 ta có: It = sin(q-j) + sin(a-j) Trong đó: Z = j = arctg Gọi khoảng van dẫn là l thì l có thể xác định theo điều kiện: i(q=a+l)=0, thay vào biểu thức tính dòng ta được phương trình: Sin(l+a-j) - sin(a-j)=0 Phương trình trên không giải tích được nên thường được tính dưới dạng đồ thị. ỉ Tại thời điểm q = a+p phát xung mở T2, quá trình làm việc tương tự như trên với dạng điện áp và dòng điện âm. Nếu giảm góc mở a thì khoảng dẫn của van tăng nên, điện áp và dòng điện trên tải tăng lên. Khi l = p thì dòng điện sẽ liên tục và điện áp ra bằng điện áp nguồn. Thế l = p và biểu thức xác dịnh l ta được: a = j Như vậy, để thay đổi điện áp từ 0 đến điện áp nguồn ta chỉ cần thay đổi góc mở a từ p đến j. Việc giảm a< j là vô nghĩa vì điện áp ra không thể nhận được giá trị cao hơn điện áp nguồn. Một điều chú ý là khi góc mở a<j thì thyristor sẽ không mở được vì do tải cảm nên thyristor vẫn còn phân cực ngược do đó độ rộng của xung phải vượt qua góc j thì thyristor mới mở được. Trong thực tế để giải quyết vấn đề này người ta thường phát xung chùm. Ta nhận thấy rằng điện áp lưới là sin nhưng qua bộ điều chỉnh pha cho điện áp không sin có nhiều thành phần sóng hài bậc cao. Đây là một nhược điểm rất lớn của phương pháp này. ỉ Khi các van mở điện áp tức thời trên tải là: Ut = Umsinq với q = (a á a+l) ỉ Khi các van khoá điện áp tức thời trên tải là: Ut = 0 với q = (j á a ) Sử dụng chuỗi Fourier để phân tích sóng điện áp tải từ đó xác định được thành phần sóng cơ bản của điện áp tải. Đây là thành phần sóng có vai trò quyết định nhất đối với tải nó là thành phần sinh công cơ học có ích. Khai triển chuỗi Fourier ta có: F(x) = hoặc F(x) = Trong đó: ak, bk là các hằng số fourier . ak = bk = Ak = j = arctg Thay ệ số k =1 và f(x) =Umsinq ta tìm được sóng cơ bản U(1) của điện áp tải. Ta thấy sóng cơ bản là hàm số phụ thuộc a ,j (U(1)=f(a,j)). ở đây coi gần đúng U(1) là điện áp cấp cho tải sau bộ biến đổi và đặt: ng = Đối với tải là động cơ không đồng bộ thì góc phụ tải j là hàm của độ trượt s (j = f(s)). Mối quan hệ của j và s được thể hiện ở hình 3.3. s 0 1 j Hình 3.3 - Quan hệ j = f(s). 0,2 0,4 0,6 0,8 60 40 20 80 n2 j0 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 a=1100 0 Hình 3.4 - Đặc tính vạn năng của hệ điều chỉnh pha. Đồ thị gn2 = f2(a,j) được dựng ở hình 3.4 và coi là đồ thị vạn năng được dùng cho các hệ điều áp xoay chiều động cơ không đồng bộ. Từ đặc tính vạn năng trên mà ta xác định được các đặc tính cần thiết từ các yêu cầu cụ thể. Ví dụ: khi cho trước phụ tải của động cơ ta có được góc phụ tải j, từ yêu cầu của điện áp cấp cho tải U(1) dựa vào đồ thị vạn năng ta tìm được góc mở a và từ đó xác định được Uđk theo mối quan hệ tương ứng của mạch điều khiển. I.2 Các phương pháp thay đổi điện áp. Trong chương trước ta đã đề cập sơ qua về phương pháp điều khiển động cơ bằng thay đổi điện áp. Trong chương này ta sẽ phân tích cụ thể về phương pháp này. Hình 3.5 trình bày sơ đồ khối nguyên lý điều khiển động cơ bằng thay đổi điện áp stator. ở hình vẽ, bộ biến đổi có thể sử dụng là: biến áp tự ngẫu, khuếch đại từ, bộ biến đổi bán dẫn... Nguồn cấp Điều khiển U = const Bộ biến đổi ĐC U = var Hình3.5 - Sơ đồ khối phương pháp thay đổi điện áp nguồn. I.2.1 Dùng biến áp tự ngẫu. U2 W1 Ub W2 Za Zs A B C ĐC w,s w1 Sth1 Sth3 Sthtn Sth2 đttn U1 U2 Mth3 Mth2 Mth1 Hình 3.6- Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ điều chỉnh của phương pháp dùng biến áp tự ngẫu. 0 Sơ đồ nguyên lý và đặc tính điều chỉnh của phương pháp thể hiện ở dưới: M Đây là bộ biến đổi tương đối đơn giản, tuy nhiên việc diều chỉnh vô cấp điện áp là tương đối khó khăn đặc biệt là khi dòng lớn. Việc tự động điều chỉnh rất khó thực hiện. Do vậy, nó ít được ứng dụng trong việc điều khiển động cơ công suất lớn. Nếu ký hiệu các đại lượng điện từ của mỗi pha biến áp như trên hình 3.6 thì tổng trở của biến áp được xác định theo biểu thức sau: Zba = Zs + Za()2 Trong đó: K = - Hệ số biến áp. Khi điều chỉnh điện áp ra để cấp cho stator động cơ thì hệ số k thay đổi đồng thời Zs và Za cũng thay đổi (khi giảm Ub thì Zba tăng lên). Đặc tính điều chỉnh vẽ ở hình 3.6 1.2.2 Dùng khuếch đại từ + - Uđk D1,2 D3,4 D5,6 * * * * * * ĐC A B C Mth1 Mth1 Mth2 Sth w1 w,S đttn U1 U2 U3 Hình 3.7- Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ điều chỉnh của phương pháp dùng khuếch đại từ. 0 Sơ đồ hệ điều chỉnh._. được thể hiện ở dưới, trong sơ đồ các diod là để tạo hồi tiếp trong cho khuếch đại từ. M ứng với mỗi giá trị của dòng điện điều khiển ta có một giá trị điện áp rơi trên kháng Uk gần như không phụ thuộc vào dòng điện của động cơ. Nếu coi tổng trở của khuếch đại từ không đổi ta có đặc tính cơ như hình 3.7. Phương pháp này có một số nhược điểm như: kích thước kồng kềnh cộng thêm cần phải có mạch từ nên nó hiện nay ít được sử dụng. I.2.3 Dùng thiết bị điều chỉnh pha. Trong các phương pháp điều khiển động cơ bằng thay đổi điện áp nguồn cấp thì việc sử dụng hệ điều chỉnh pha là có ưu điểm hơn cả so với các phương pháp khác. Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị bán dẫn với những ưu việt của nó đã thúc đẩy phạm vi sử dụng của hệ điều chỉnh pha động cơ một cách rộng rãi cùng với sự phong phú của các sơ đồ của hệ. T1 T2 Zt UL Hình 3.8- Sơ đồ đối với tải một pha. Với tải một pha ta sử dụng sơ đồ dùng hai thyristor mắc song song ngược: Với tải ba pha thì có rất nhiều cách mắc sơ đồ các van khác nhau. Tuỳ theo tính chất của tải mà ta có sơ đồ đấu Y, Y0 hay D. Ngoài ra, với từng loại tải ba đầu dây hay sáu đầu dây mà có cách đấu cho phù hợp. Dưới đây là một số sơ đồ cụ thể của tải ba pha. T1 T4 T3 T6 T5 T2 Tải 3 pha U,U0 ,D A B C a ZC T6 T1 T4 T3 ZA ZB A B C T6 T5 T2 b ZC Hình 3.9- Sơ đồ hệ điều chỉnh pha đối xứng với tải ba pha. ZAB ZBC ZAC T5,2 T3,6 T1,4 A B C C T5,2 T3,6 T1,4 ZB ZA A B C d Trong các sơ đồ trên có thể thay thế mỗi cặp thyristor song song ngược bằng một triac. Vì lý do kinh tế hay yêu cầu của tải không cao thì người ta có thể dùng sơ đồ không đối xứng chỉ có van bán dẫn ở hai pha hoặc trong một pha thay hai thyristor bằng một thyristor và một diod như hình 3.5. Ngoài ra còn một số sơ đồ đặc biệt khác nữa. T1 D1 T2 D2 T3 D3 Tải 3 pha U,U0 ,D A B C T1 D1 T2 D2 Tải 3 pha U,U0 ,D A B C Hình 3.10 - Sơ đồ điều chỉnh pha không đối xứng với tải ba pha Nguyên lý hoạt động của các sơ đồ trên tương tự như nguyên lý hoạt động của sơ đồ một pha ở trên.Việc điều chỉnh điện áp nhờ vào việc điều khiển góc mở của các thyristor. Tuy nhiên đây là tải ba pha nên dạng điện áp có sự khác biệt, tùy theo việc dẫn mở các van mà địên áp tải có thể là điện áp dây, điện áp pha hoặc bằng không. Trong các sơ đồ ba pha ở trên thì sơ đồ điều khiển đối xứng cho ta chất lượng điện áp tốt nhất. II - Lựa chọn và tính toán thiết kế bộ nguồn II.1 Lựa chọn sơ đồ. Do yêu cầu chất lượng điện áp điều khiển cho phù hợp với yêu cầu của tải là cần chất lượng điện áp tốt, vì vậy ta lựa chọn một trong các sơ đồ điều khiển đối xứng ở hình 3.11. Mặc dù, có một số khó khăn về mạch điều khiển và giá thành hệ thống nhưng sơ đồ này có nhiều ưu điểm: - Điều khiển đối xứng cho chất lượng điện áp tốt tránh gây phát nóng động cơ và nâng cao hiệu suất. - Độ ổn định của sơ đồ và khả năng chịu quá tải tốt hơn các sơ đồ khác. - Làm việc tốt với tải điện cảm. Hình 3.11 - Các sơ đồ điều chỉnh pha đối xứng dùng để lựa chọn cho động cơ. ZC ZA ZB T1 T4 T3 T6 T5 A B C ZA ZB ZC T1 T4 T3 T6 T5 A B C O ZA,C ZA,B ZB,C T1 T4 T3 T6 T5 A B C T2 T2 T2 Với sơ đồ tải đấu U0 ( hình a), dòng điện tải chảy từ nguồn về trung tính nên mỗi pha hoạt động độc lập với nhau tương tự như điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha. Với sơ đồ tải đấu U và D dòng chảy từ pha nọ về pha kia nên việc dẫn các van ở các pha có ảnh hưởng lẫn nhau. Lựa chọn sơ đồ. Giả sử cấp điện áp của lưới là 0,4 kV, tải là động cơ 380/220 - U/D nên ta sẽ chọn một trong hai sơ đồ đấu U và U0 . ở hai sơ đồ này, điện áp trên tải không phải là hình sin nhưng mức độ không sin ở sơ đồ U0 nhỏ hơn ở sơ đồ U. Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu ở sơ đồ U là biên độ điện áp dây còn ở sơ đồ Uo là biên độ điện áp pha. Do vậy, ở sơ đồ U 0 có thể chọn van có điện áp ngược nhỏ hơn. Tuy nhiên, để thuận lợi cho vận hành động cơ có thể tùy ý có hay không có dây trung tính, tải có thể đấu U hay D ta sẽ chọn sơ đồ U để thiết kế. Hoạt động của sơ đồ đấu U. Để điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ ta cấp xung mở cho các thyristor theo những điều kiện nhất định. Dạng điện áp ra của sơ đồ ở một thời diểm nhất định phụ thuộc vào số lượng các thyristor ở các pha dẫn. - Khi mỗi pha có một van dẫn tương ứng với tải được mắc đầy đủ cả ba pha vào lưới nên điện áp pha trên tải bằng điện áp pha nguồn tương ứng nếu tải đối xứng. - Khi có hai van dẫn ở hai pha thì pha còn lại bị ngắt khỏi nguồn, điện áp một pha trên tải sẽ bằng Udây hai pha tương ứng của nguồn. - Khi không có van nào dẫn tải bị ngắt khỏi nguồn điện áp trên tải bằng không. Dựa vào nguyên lý trên ta vẽ được dạng điện áp tải của từng pha. ở hình dưới vẽ dạng điện áp trên tải pha A với giả thiết góc mở a = 600 và khoảng dẫn là l = 1500. - Trong khoảng 0 - 1 : T4,T5,T6 dẫn UA = UA1. - Trong khoảng 1 - 2 : T1,T4 dẫn UA = 0. - Trong khoảng 2 - 3 : T1,T5,T6 dẫn UA = UA1. - Trong khoảng 3 - 4 : T1,T6 dẫn UA =UA1B1. - Trong khoảng 4 - 5 : T1,T2,T6 dẫn UA = UA1. - Trong khoảng 5 - 6 : T1,T2 dẫn UA = UA1C1. - Trong khoảng 6 - 7 : T1,T2,T3 dẫn UA = UA1. - Trong khoảng 7 - 8 : T1,T4 khóa UA = 0. - Trong khoảng 8 - 9 : T2,T3,T4 dẫn UA = UA1. - Trong khoảng 9 -10 : T3,T4 dẫn UA = UA1B1. - Trong khoảng 10-11: T3,T4,T5 dẫn UA = UA1. - Trong khoảng 11-12: T4,T5 dẫn UA = UA1C1. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 T4 T4 T1 T1 T5 T5 T2 T2 T6 T6 T3 U UC UA UB 1/2UAB 1/2UAC t Hình3.12 - Dạng điện áp pha A của sơ đồ Y khi a = 600,l=1500. t Điện áp các pha còn lại tương tự như pha A. II.2 Tính chọn các thiết bị trong mạch động lực. II.2.1 Tính chọn van động lực. Để lựa chọn van ta dựa vào các yếu tố cơ bản sau: điện áp ngược max đặt lên van dòng qua van, sơ đồ mắc van, điều kiện tỏa nhiệt của van. Điện áp ngược lớn nhất của van. Với sơ đồ đã chọn điện áp ngược lớn nhất của van phải chịu là biên độ điện áp dây của nguồn. Unmax =Ud = .380 = 537 V Điện áp của van cần chọn. Uđmv ³ Kdt.Unmax = 1,8.537 = 966,6 V Trong đó : Kdt : là hệ số dự trữ điện áp. Chọn Kdt =1,8. Dòng điện định mức của van. Đối với sơ đồ đã chọn, trong một chu kỳ của điện áp nguồn dòng qua van chỉ trong chu kỳ. ở đây dòng qua van là dòng điện định mức của động cơ ( coi thời gian khởi động động cơ là nhỏ không ảnh hưởng đến van) do đó dòng điện hiệu dụng qua van là: Ihd = IđmĐ. A Cần phải chọn điều kiện tỏa nhiệt để van bán dẫn làm việc an toàn không bị chọc thủng vì nhiệt. Chọn điều kiện làm việc của van có cánh tỏa nhiệt đủ diện tích bề mặt có quạt đối lưu không khí do đó theo TL1 thì dòng định mức của van cần chọn là: Iđmv >= 1,6.Ihd = 1,6.148,49 = 237,59 A Từ các thông số cơ bản của van đã tính và dựa vào bảng số liệu của các loại van ta lựa chọn van có thông số như sau: Chọn 6 thyristor của nga có ký hiệu T15 - 300 có các thông số: Dòng điện định mức của van Iđm = 300 A Điện áp định mức của van Uđm= 1000 V Tốc độ tăng trưởng điện áp cho phép 200 Tốc độ tăng trưởng dòng điện cho phép 200 Nhiệt độ của lớp bán dẫn lớn nhất cho phép t0max=1250C Dòng điện duy trì Ih =500mA Sụt áp lớn nhất của thyristor ở trạng thái dẫn DU = 1,6 V Dòng điện lớn nhất của xung điều khiển cho phép Iđk = 250 mA Điện áp điều khiển lớn nhất cho phép Uđk = 3 V Dòng điện rò cực đại Ir =30 mA Thời gian chuyển mạch Tcm= 75 ms II.2.2 Tính chọn các thiết bị bảo vệ. Thiết bị đóng cắt từ xa. Để đóng cắt tải và điều khiển từ xa ta sử dụng một công tắc tơ ba pha. Dựa vào số liệu dòng điện và điện áp của động cơ ta chọn công tắc tơ sau: Ký hiệu:GMC-300; Iđm = 300A; Uđm=380V; Pđm =132kW của hãng LG Industrial Systems Co.,Ltd. Bảo vệ động cơ. Để bảo vệ quá tải và ngắn mạch của động cơ và dùng cho cả việc đóng cắt ta sử dụng aptomat. Aptomat được chọn theo điều kiện làm việc lâu dài dựa vào các yêu cầu sau: IđmAP ³ Itt và UđmAP ³ Utt Trong đó: - Itt là dòng điện tính toán đối với tải là động cơ thì Itt là dòng điện định mức của động cơ. - Utt là điện áp định mức của mạng điện cung cấp (điện áp định mức của động cơ). Ta chọn Aptomat chỉnh định xoay chiều ba pha bảo vệ hỗn hợp có: Iđm =1,1IđmĐ = 1,1.210 = 231 A Uđm = UđmĐ =380 V Tra catalog chọn Aptomat có các thông số sau: Ký hiệu: GBL203E ; số cực: 3 ; Iđm =250A; Uđm=380V ; IN =85kA, của hãng LG Industrial Systems Co.,Ltd. Chỉnh định dòng ngắn mạch : Inmcđ= Ikđ. Thông thường k chọn trong khoảng 1,6 á 2,5 với giá trị nhỏ dành cho thiết bị khởi động nhiều, giá trị lớn dành cho thiết bị khởi động ít. Chọn k= 2 ta có: Inmcđ = l1.IđmĐ. = 4.210.0,5 = 420 A Chỉnh định dòng quá tải : Iqtcđ = 1,25 IđmĐ = 1,25.210 = 262,5A Bảo vệ ngắn mạch các thyristor Chọn cầu chì tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các van. Có nhiều cách đặt cầu chì trong mạch để bảo vệ van bán dẫn: - Đặt nối tiếp với từng thyristor. - Đặt nối tiếp với nhóm thyristor mắc song song. Các thông số đặc chưng cho cầu chì là điện áp định mức và dòng điện định mức. Không được đặt cầu chì vào mạch điện có điện áp và dòng điện lớn hơn điện áp và dòng điện định mức của dây chảy. ở đây do dòng khởi động của động cơ lớn (4 lần Iđm), dây chảy là loại tác động nhanh vì vậy phải chọn sao cho ở thời gian khởi động thì cầu chảy không tác động. Việc chọn một cách chính xác tương đối khó khăn vì vậy ta chọn các thông số của cầu chảy theo kinh nghiệm. Chọn cầu chảy có : Uđm = 380 V Iđm = 1,2.IhdV =1,2.149 =179 A Bảo vệ quá nhiệt cho các thyristor. Khi có dòng điện chảy qua van sẽ có sụt áp DU trên điện trở thuận của van nên có tổn hao công suất trên van. Tổn hao này sẽ đốt nóng van làm cho van bị quá nhiệt. Nếu không có biện pháp làm mát van một cách thích hợp thì tổn hao nhiệt sẽ làm van bị đánh thủng không còn tác dụng nữa. Sau đây ta sẽ tính toán cánh tỏa nhiệt để bảo vệ van. Tổn hao công suất trên van: DP = DU.Ihd = 1,6.149 = 238,4 W Diện tích bề mặt cần thiết: Sm ³ Trong đó: Km : hệ số tỏa nhiệt bề mặt bằng đối lưu và bức xạ chọn Km = 14 W/m2 0C. t : độ chênh nhiệt cho phép giữa vỏ thyristor và môi trường. Chọn nhiệt độ môi trường Tmt=400C, tra thông số của thyristor có nhiệt độ lớn nhất cho phép ở vỏ Tv = 800 C t = Tv- Tmt = 400C Vậy ta có: Sm ³ = 0,4257 m2 Trên đây chỉ là tính toán sơ bộ trong thực tế cần tăng cường làm mát nhiều hơn. Bảo vệ quá điện áp. Giống như hầu hết các thiết bị bán dẫn, thyristor rất nhạy với điện áp cao với sự quá điện áp trong thời gian rất ngắn cũng có thể làm hỏng van. Những yếu tố điện áp ảnh hưởng lớn nhất tới van cần bảo vệ là: Điện áp đặt vào lớn quá thông số của van. Xung điện áp do chuyển mạch van. Xung điện áp từ phía lưới xoay chiều, nguyên nhân thường gặp là do cắt tải có điện cảm lớn trên đường dây. Để bảo vệ van khi làm việc dài hạn mà không bị quá điện áp chúng ta phải chọn các van theo điện áp ngược max đặt lên van. Để bảo vệ xung điện áp do quá trình đóng cắt các van ta dùng mạch R-C mắc song song với các van bán dẫn. Khi có sự chuyển mạch van suất hiện xung điện áp ở bề mặt lớp tiếp giáp của van do có mạch R-C tạo thành mạch vòng phóng các xung điện áp quá độ đó bảo vệ được van an toàn. Các thông số của mạch R-C có thể tính chính xác tuy nhiên việc tính chính xác mất rất nhiều thời gian và phụ thuộc thông số của van và phụ tải. Thông thường, người ta thường chọn các thông số gần đúng theo kinh nghiệm. Chọn R và C như sau: R = ( 5 á 30 ) W C = (0,5á 4) mF R C T Hình 3.13 - Mạch bảo vệ xung điện áp do đóng cắt cho van. II.3 Sơ đồ mạch lực của hệ thống. Hình 3.15 trình bày sơ đồ mạch lực của hệ điều chỉnh pha động cơ ba pha dùng thyristor. cc cc R C T1 T4 cc cc R C T3 cc cc R C T6 T2 T5 AP K K K A B C ĐC M cc K K D Hình 3.15 - Sơ đồ mạch lực của hệ điều chỉnh pha động cơ cc cc CHƯƠNG 4 THIếT Kế MạCH ĐIềU KHIểN Như ta đã biết, thyristor chỉ mở cho dòng chạy điện qua khi có điện áp dương đặt trên Anod-Catot (UAK>0) và có xung điện áp dương đặt vào cực điều khiển. Sau khi thyristor đã mở thì xung điều khiển không còn có tác dụng gì nữa khi đó dòng điện chảy qua thyristor do thông số của mạch động lực quyết định. Do vậy, cần phải xây dựng một mạch điều khiển để cho phép thyristor hoạt động theo những qui luật nhất định. Chức năng của mạch điều khiển như sau: - Điều chỉnh thời điểm cấp xung điều khiển mở thyristor trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên Anod- Catot của thyristor. ĐF SS KĐ,TX Uđf Uđk Hình 4.-19-: Sơ đồ khối của mạch điều khiển. T - Tạo ra các xung đủ điều kiện điều khiển mở thyristor (xung điều khiển thường có biên độ từ 2 đến 10 V, độ rộng xung Tx = 20 á 100ms đối với các thiết bị thông thường, Tx< 10 ms đối với các thiết bị biến đổi tần số cao). Sơ đồ khối của mạch điều khiển được trình bày ở hình dưới: + Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo điện áp tựa (Urc) trùng pha với điện áp UAK hoặc biến thiên theo qui luật phù hợp. Thường điện áp tựa biến thiên theo quy luật tuyến tính hay arccoss. + Khâu so sánh có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển(Uđk). Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau (Uđk = Urc) thì thông báo gửi sang khâu khuếch đại. + Khâu khuếch đại tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor. Xung mở thysitor cần có yêu cầu sau: - Sườn trước dốc thẳng đứng, để đảm bảo yêu cầu thyristor mở tức thời. Thường dùng xung nhọn hoặc xung chữ nhật. - Đủ công suất( đủ điện áp và dòng điện ). - Cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực. - Đủ độ rộng xung ( độ rộng xung lớn hơn thời gian mở thyristor). I - Nguyên tắc điều khiển Trong thực tế hiện nay, người ta hay dùng hai nguyên tắc điều khiển đó là nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính và nguyên tắc thẳng đứng arccoss để thực hiện việc điều chỉnh góc mở của thyristor cho phù hợp với mục đích yêu cầu. I.1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính. t t U p Xđk p Uđk Urc Utải t t Hình 4.2- 9-: Sơ Dạng điện áp của nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính.đồ khối của mạch điều khiển 0 2p Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào thyristor, để có thể điều khiển được góc mở a của thyristor trong vùng điện áp dương UAK ta tạo một điện áp tựa dạng tam giác, thường được gọi là điện áp răng cưa. Dùng điện áp một chiều Uđk so sánh với điện áp tựa đó và tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau phát lệnh mở thyristor tại góc mở a. Bằng việc thay đổi Uđk ta có thể thay đổi được góc mở a qua đó điều khiển được điện áp ra. Thyristor được mở cho tới cuối bán kỳ (cho tới khi dòng điện bằng không). Dưới đây là giản đồ miêu tả nguyên tắc trên. I.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos. Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp: - Một điện áp đồng bộ vượt trước UAK của thyristor một góc bằng p/2 ( nếu UAK = Asinwt thì Uđb = Bcoswt). - Điện áp điều khiển là điện áp một chiều có thể điều khiển theo hai phía dương và âm. Đem so sánh hai điện áp trên và tai thời điểm hai điện áp bằng nhau ứng với góc mở a phát lệnh mở thyristor. Tại thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển ta có: Uđb = Bcosa =Uđk => a = - Khi Uđk = B thì a = 0 ; - Khi Uđk = 0 thì a = ; - Khi Uđk = -B thì a = p; t t U p Xđk Uđk Ut Utải t Uđp 2p 0 Hình 4.-39-: Sơ Dạng điện áp của nguyêntắc điều khiển arccoss.đồ khối của mạch điều khiển p 0 Như vậy khi thay đổi Uđk từ -B á B ta thay đổi được góc mở a từ 0á180o. Hình 4.3 trình bày dạng điện áp của nguyên lý. ii - một số sơ đồ điển hình các khâu trong mạch điều khiển II.1 Khâu đồng pha. Hiện nay, mạch điều chỉnh chỉnh lưu hay điều chỉnh xoay chiều thường được thiết kế theo nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là đặc tính điều chỉnh phi tuyến. Do vậy khi cần đặc tính điều chỉnh tuyến tính ta dùng phương pháp thẳng đứng arccos. Dưới đây là một số khâu đồng pha điển hình:. Ur R1 D2 D1 F * -E C U1 B R2 Hình 4.-49-: Sơ Sơ đồ đồng pha dùng diod và tụ và dạng điện áp.đồ khối của mạch điều khiển UA Ur * A U1 R1 D F A -E C Ur B R2 Tr Hình 4.-59-: Sơ Sơ đồ đông pha dùng transistor và dạng điện áp.đồ khối của mạch điều khiển UA Ur * * ghép quang Ur C R2 +E D U1 U1 Ur Hình 4.-69-: Sơ Sơ đồ đồng pha dùng diod quang và dạng điện áp.đồ khối của mạch điều khiển U1 Ur R3 Tr B A + - - + C R2 -E D Hình 4.-79-: Sơ Sơ đồ đồng pha dùng KĐTT và dạng điện ápđồ khối của mạch điều khiển UB Ur * * U1 U2 R3 R1 R2 C - + i- i+ U+ U- Is I1 Hình 4.-89-: Sơ Sơ đồ đồng pha nguyên tắc arcoss và dạng điện áp.đồ khối của mạch điều khiển U1 U2 Hoạt động của các sơ đồ - Hình 14.4: - Khi điện áp tại A dương dòng qua R1 và D1 khi đó nếu bỏ qua sụt áp trên diod thì VB= V0 nên UBC > 0 làm D2 thông hay là Vc=0o. Do đó điện áp ra Ur = 0. - Khi điện áp tại A âm, diod D1 và D2 làm hở mạch, tụ được nạp qua R2 với hằng số thời gian nạp tụ t=R2.C. Khi B âm hơn C tụ C vẫn được nạp. Tới một lúc nào đó UB tăng và C âm hơn B, D2 dẫn tụ xả qua thứ cấp biến áp -R1 - D2 . Điện áp ra là điện áp trên tụ C. * Nhược điểm của sơ đồ này là điện áp tựa ( điện áp nạp tụ) không phủ hết nửa chu kỳ của điện áp đồng pha, góc mở van bị giới hạn. do vậy sơ đồ này ít được sử dụng. - Hình 24.5: - Khi điện thế điểm A dương, transintor khoá tụ được nạp qua một điện trở R2 với hằng số thời gian t=R2C. - Khi điện thế điểm A âm TR dẫn tụ xả qua TR. Điện áp tựa là điện áp trên tụ phần tụ nạp. * Sơ đồ này có điện áp tựa biến thiên tuyến tính phủ hết nửa chu kỳ của điện áp đồng pha UAK cho phép điều chỉnh được vị chí xung điều khiển từ 0 đến 1800. - Hình 4.63: Với sự ra đời của linh kiện ghép quang, người ta có thể dùng nó để tạo điện áp tựa. - Khi U1 âm D dẫn Dq khoá làm cho TRq khoá tụ nạp qua R2 với hằng số thời gian t=R2C. - Khi U1 dương D khoá Dq dẫn mở thông TRq tụ xả qua TRq xuống điểm mass của mạch. Điện áp tựa là phần tụ nạp. - Hình 4.7: Trong nửa chu kỳ dương của điện áp UA, do UA được đưa vào đầu đảo của OA1 nên VB=-VSAT ( điện áp bão hoà của OA = 0,9Ecc ). Khi UA đổi dấu, VB lật trạng thái VB=VSAT. Khi B âm, diod D1 dẫn, TR1 khoá ta có mạch tích phân đảo. Điện áp đầu ra của của OA2 có dạng tam giác. đối với xung dương B, D1 khoá TR1 mở thông Điện áp tựa sẽ bằng đầu vào đảo U- mà ta có U-=U+ =0 nên Urc =0. * Việc sử dụng khuếch thuật toán có nhiều ưu điểm như: mạch gọn nhẹ với hệ số khuếch đại của khuếch thuật toán rất lớn (A=104 á 105) nên chỉ cần một sai lệch rất nhỏ của hiệu Ud= U+ - U- thì đầu ra đã lật trạng thái điều đó cho phép điều chỉnh chính xác ở vùng điện áp lân cận 0. - Hình 54.8: Sơ đồ này cho phép tạo ra U2 = Um coswt khi điện áp đầu vào là U1=Umsinwt. Vận dụng hai định luật cơ bản củab khuếch đại thuật toán: i-=i+=0 ud=u+-u-=0 Ta có thể viết: is =-i1 u+ = U1=I1.R1+u-= I1.R1 + rút I1 ra thay vào biểu thức của U2 = Is.R2+ u- và chọn R1=R2, R3=Xc ta có : U2=Umcoswt. ( Tham khảo tài liệu 1) II.2 Khâu so sánh. Urc Uđk Ura +E Tr B Hình 4.-99-: Sơ Sơ đồ so sánh dùng transistor và dạng điện áp.đồ khối của mạch điều khiển -Urc Uđk U ra U t 0 + Sơ đồ dùng transistor. t t Với sơ đồ này cho phép so sánh hai điện áp trái dấu. Điện áp tại điểm B là UB= Urc + U đk . Khi giá trị này dương thì transistor mở thông điện áp ra bằng không. Tại thời điểm ỗUrcỗ= Uđk , tiếp giáp BE của Tr bắt đầu phân cực ngược làm cho Tr khoá => Ura= +E. Sự thay đổi trạng thái đầu ra cho ta đánh dấu được sđược thời điểm cần mở thyristor. Với việc sử dụng Tr có nhược điểm là Tr làm việc ở chế độ khuếch đại với điện áp UB cỡ mV chứ không phải chế độ đóng cắt như ta mong muốn. Điều đó làm thời điểm mở thyristor bị lệch khá xa so với thời điểm cần mở chính xác tại ỗUrcỗ= Uđk. + Sơ đồ dùng khuếch đại thuật toán Urc Uđk Ura OA + - R1 R2 Hình 4.-109-: Sơ Sơ đồ so sánh một cổng dùng KĐTT.đồ khối của mạch điều khiển Urc Uđk Ura OA + - R2 Hình 4.-119-: Sơ Sơ đồ so sánh hai cổng dùng KĐTT.đồ khối của mạch điều khiển R1 Như đã nói ở phần trước, khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại rất lớn, chỉ cần một giá trị rất nhỏ của Ud = U+ -U- là đầu ra đã chuyển trạng thái. Vì vậy, ứng dụng khuếch thuật toán làm khâu so sánh cho kết quả rất tốt. Hình trên vẽ sơ đồ hai khâu so sánh dùng khuếch đại thuật toán. Hình 4.10: Sơ đồ này áp dụng cho việc so sánh hai điện áp trái dấu. - Điện thế tại cổng đảo : U- = Urc- ( Urc- Uđk). - Nếu R1=R2 thì U = Vì U+=0 nên Ud=U-. - Khi ỗUdkỗ< Urc thì Ura = -Vsat. Uđk Ur Urc t U Hình 4.-139-: Sơ Dạng điện áp của sơ đồ so sánh một cổng.đồ khối của mạch điều khiển -Vsat +Vsat - Khi ỗUdkỗ> Urc thì Ura= Vsat. Hình 4.11: Sơ đồ so sánh hai cổng cho phép so sánh hai điện áp cùng dấu: Tacó: Ud = Uđk-Urc - Khi Ud > 0 (Uđk > Urc) thì Ura = Vsat. - Khi Ud Urc) thì Ura =-Vsat. Uđk Ur Urc t U Hình 4.-129-:D Sơ ạng điện áp của sơ đồ so sánh hai cổng.đồ khối của mạch điều khiển +Vsat -Vsat 0 Với dạng điện áp tựa tạo được từ các khâu đồng pha đã nêu, khi tăng điện áp điều khiển Uđk, góc mở thyristor tăng và điện áp cấp cho tải giảm. Như vậy, điện áp ra và điện áp điều khiển có quan hệ ngược. Điều này không thích hợp cho thói quen điều khiển thuận chiều. Để tạo ra mối quan hệ thuận ta sử dụng khâu cộng đảo dùng khuếch đại thuật toán đệm giữa đồng pha và so sánh. Sơ đồ mạch và điện áp tựa như hình vẽ dưới. R0 R R R/2 -E Uadd Urc2 + - Urc1 Hình 4.-149-: Sơ Sơ thay đổi sườn điện áp tựa và dạng điện áp.đồ khối của mạch điều khiển Urc1 Urc2 + Biểu thức của điện áp ra Urc2 : Urc2 = - Để có Urc2 mong muốn như hình vẽ điện áp U phải ngược dấu với Urc1 và có độ lớn bằng biên độ Urc1. Với việc chọn thích hợp ta có thể nâng cao biên độ của Urc2. Điều này làm dải thay đổi điện áp điều chỉnh được tăng nên thuận lợi cho quá trình điều khiển. II.3 Khâu khuếch đại tạo xung. R2 R1 D1 D2 Xđk Uv BAX Tr R2 R1 D1 D2 +E Xđk Uv BAX D3 Tr1 Tr2 Hình 4.-159-: Sơ Sơ đồ khâu khuếch đại tạo xung.đồ khối của mạch điều khiển ab ba * * * * Với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor, tầng khuếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng transistor công suất và biến áp xung. Sơ đồ mô tả ở dưới: Hoạt động của sơ đồ: t t t t Xđk ic ib Uv Hình 4.-169-: SơDạng điện áp của sơ đồ KĐTX .đồ khối của mạch điều khiển 0 u,i Tín hiệu vào lấy được từ đầu vào của khâu so sánh khi Uv= 1 thì transistor mở thông bão hoà cho dòng ic chạy qua. Trong vùng biến thiên của dòng điện ic ở cuộn sơ cấp biến áp xung thì trong cuộn thứ cấp của biến áp xung sẽ suất hiện một suất điện động cản ứng. Sức điện động cảm ứng đó được lấy ra làm xung điều khiển cho thyristor. Khi Uv = 0 Transistor bị khoá, ic giảm về không. Các điện áp cho ở hình dưới: + Tác dụng của các linh kiện: - R1: hạn chế dòng điện bazơ của transistor. - R2: hạn chế dòng điện Emitơ. - D1: bảo vệ transistor của cuộn sơ cấp của biến áp xung. - D2: chặn xung âm điều khiển thyristor. Khi transistor mở thông, dòng điện ic tăng theo hàm mũ: ic = với : điện cảm của biến áp xung. Khi transistor khoá dòng điện dạt đến độ lớn: I = Khi không có D1 thì năng lượng tích luỹ trong cuộn dây W = sẽ gây quá áp trên các cực C-E làm phá hỏng transistor và trên cuộn dây sơ cấp của biến áp xung. Sơ đồ a áp dụng cho mạch mà cần công suất điều khiển không lớn lắm do hệ số khuếch đại của transistor không lớn lắm. Khi cần công suất điều khiển lớn người ta dùng sơ đồ b. Với sơ đồ này bằng việc dùng hai transistor mắc theo kiểu darlington chúng có hệ số khuếch đại rất lớn bằng tích số hệ số khuếch đại của hai transistor. R2 R1 D1 D2 +E Xđk Uv BAX D3 Tr1 Tr2 Hình 4.-179-: Sơ Sơ đồ KĐTX dùng tụ hạn chế .đồ khối của mạch điều khiển * * C Trong thực tế, độ rộng của xung điều khiển chỉ cần bé( từ 10 á200ms) mà thời gian mở thông của transistor thường lớn hơn nhiều ( tối đa có thể tới một nửa chu kỳ của điện áp lưới 0,01s) làm cho công suất toả nhiệt dư của transitor tương đối lớn và ần kích thước cuộn dây của biến áp xung cũng cần phải lớn. Để giải quyết vấn đề này người ta dùng một tụ nối tầng C trước khâu khuếch đại tạo xung. Trong sơ đồ này transitor chỉ mở cho dòng điện đi qua trong thời gian nạp tụ với hằng số thời gian t = C( R1 + rbe) rất nhỏ. Khi tụ nạp đầy dòngngf qua tụ bằng không do đó dòng hiệu dụng qua transistor nhỏ hơn nhiều. II.4 Mạch tạo xung chùm. & SS XC Tới KĐTX Hình 4.-179-: Sơ Sơ đồ phối hợp tạo xung điều khiển .đồ khối của mạch điều khiển Đối với một số sơ đồ mạch, để giảm công suất cho tầng khuếch đại và tăng số lượng xung kích mở nhằm đảm bảo thyristor mở một cách chắc chắn. Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng khuếch đại người ta đưa thêm một cổng and với tín hiệu vào nhận từ khâu so sánh và từ bộ tạo xung chùm. R2 R1 R3 C OA + - a R4 R1 R2 R3 C + - - + b 1 2 6 7 8 4 3 5 C1 C2 R2 R1 +E Hình 4.-189-: CácSơ sơ đồ tạo xung chùm .đồ khối của mạch điều khiển c Ux Ux Ux Dưới đây là các sơ đồ tạo xung chùm: Đối với những mạch điều khiển công suất lớn thì việc dùng vi mạch 555 cho ta chất lượng xung khá tốt và sơ đồ cũng tương đối đơn giản. III - Lựa chọn và tính toán sơ đồ mạch điều khiển Lựa chọn sơ đồ mạch điều khiển Với việc phân tích hoạt động và ưu nhược điểm của từng sơ đồ ở từng khâu nói trên cho phép ta lựa chọn được một sơ đồ điều khiển cho từng kênh thích hợp. Trong sơ đồ đã chọn ta sử dụng một bộ tạo xung chùm cấp cho cả 6 kênh điều khiển cho 6 thyristor. Để yên tâm về công suất ra của chùm xung ta chọn bộ phát xung chùm IC 555. Sơ đồ điều khiển cho một pha dã lựa chọn được trình bày ở hình vẽ 4.19 (trang sau). Hoạt động của sơ đồ được trình bày dưới dạng điện áp ra ở các điểm của mạch điều khiển hình vẽ 4.20.(trang sau). tổng số bản vẽ:5 khoa điện trường đại hoc bach khoa hà nội MạCH ĐIềU KHIểN HAI THYISTOR MộT PHA thực hiện gv duyệt gvhd: Bùi Dình tiếu Vũ VĂN CÔNG ngày 11-5-04 bộ môn thiết bị điện-điện tử bản vẽ số 4 tỉ lệ: 1:1 theo tiêu chuẩn:tcvn U đf BAĐF A R 1 OA 1 B R 3 OA 2 D1 R 2 Tr1 C1 C VR 1 -E R 5 VR 2 R 4 OA 3 D R 6 R 7 OA 4 VR 3 U đk AND 1 & E G & AND 2 H R 8 Tr 3 R 9 D2 D3 D4 +E BAX T1 T4 U add 555 C A R B R A 7 8 4 3 5 C B F 1 2 +E 6 A R 1 OA 1 B Đ1 R 3 OA 2 C C1 R 5 R 4 VR 2 OA 3 R 6 D R 7 OA 4 AND 1 & G & AND 2 H R 8 Tr 3 R 9 D2 D3 BAX D4 Tr1 R 2 +E Pha a U khóa Dưới đây trình bày dạng điện áp ra ở các khâu của mạch điều khiển đã thiết kế, qua đó thể hiện được hoạt động của sơ đồ. UA UB Điện áp điểm A và B Điện áp điểm B và C UB UC Điện áp điểm C và D UC UD Điện áp điểm D và E UD UE Điện áp điểm F Điện áp điểm A và G UA UG Hình 4.20 - Dạng điện áp của mạch điều khiển. Tính toán sơ đồ mạch điều khiển Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành ngược từ tầng khuếch đại trở đi. Công suất của tầng khuếch đại phụ thuộc vào các thông số cực điều khiển của thyristor. Các thông số cực điều khiển của thyristor cần thiết là: - Điện áp điều khiển Uđk = 3 V - Dòng điện điều khiển Iđk = 250 mA - Độ rộng xung điều khiển tx = 75 ms - Mức sụt biên độ xung (thường chọn) Sx = 0,2 III.1Tính biến áp xung. H DH DB Bm B HS Hm D d b Hình 4.-199-: Sơ Dạng lõi sắt và đặc tính làm việc của biến áp xung .đồ khối của mạch điều khiển Chọn vật liệu sắt từ có ký hiệu 50 HM là hợp kim của Niken-Mănggan. Lõi sắt có dạng hình xuyến làm việc trên một phần đặc tính từ hoá có từ cảm bão hoà Bs = 0,7 Tesla. Điểm làm việc lấy trong phần tuyến tính của đặc tính từ hoá. Theo TL7, do vùng làm việc lằm trên một phần của đặc tính từ hoá chọn: DB = = 0,4 Tesla ; DH = 50 H Từ thẩm của lõi sắt từ: m = Trong đó: m0 =1,25.10-6 là độ từ thẩm tuyệt đối của không khí. Thể tích lõi sắt từ V = Q.L = Trong đó: Q : là tiết diện dẫn từ . L : chiều dài trung bình của đường sức. Chọn tỷ số biến áp xung K=1 do đó ta có: Điện áp sơ cấp và thứ cấp biến áp xung U1= U2 =Uđk = 3V Dòng điện sơ cấp và thứ cấp biến áp xung I1 = I2 = Iđk =250 mA Để cho xung tạo được có độ rộng xung đủ lớn đảm bảo mở thyristor một cách chắc chắn. Ta chọn độ rộng xung có độ rộng lớn hơn giá trị tx ở trên. Chọn tx =200ms. Thay vào biểu thức trên ta có thể tích biến áp xung là: V = m3 Tra bảng trong tài liệu 2 chọn các số liệu chuẩn gần đúng: V = 1,64 cm3 a = 4 mm b = 5 mm d = 22 mm D= 30 mm Q = 20 mm2 L = 82 mm Qcs = 38,2mm2 Do chọn tỷ số biến áp k=1 nên hai cuộn thứ cấp và sơ cấp của biến áp xung giống nhau cho nên việc tính toán đơn giản hơn. Các thông số được tính như sau: Số vòng dây của cuộn sơ và thứ cấp Theo định luật cảm ứng điện từ ta có: U1 = W1.Q.= W.Q. Suy ra: W= vòng Thông số dây quấn Chọn mật độ dòng điện J = 5 A/mm2 ta có tiết diện dây quấnlà: S = mm2 Đường kính dây quấn: d = mm Chọn dây tiêu chuẩn có đường kính: d = 0,25 mm S = 0,04909 mm2 III.2 Tính tầng khuếch đại. Chọn transistor dùng trong tầng khuếch đại là transistor công suất loại npn có mã hiệu 2N5320 có các thông số: Điện áp UCB khi hở mạch: UCB0 = 100 V Dòng colector lớn nhất: Icmax = 2A Hệ số khuếch đại dòng điện: b = 50 Dòng làm việc của transistor: Ic = I1 = 0,25A Dòng điện bazơ cần thiết: IB =A Trong tầng khuếch đại này transistor làm việc ở chế độ đóng cắt xung, khoá và mở thông bão hoà. Do công suất cần điều khiển cho thyristor nhỏ ( Uđk =3 V, Iđk = ,25 A) nên việc sử dụng một transistor ở tầng khuếch đại là đủ công suất. Chọn điện áp nguồn cấp cho biến áp xung là +13,24 V ( xem ở phần sau) cần phải mắc thêm điện trở R9 hạn chế dòng điện colector. R9 = W Trong đó: UCesat là điện áp C-E khi transistor mở thông bão hoà. Chọn giá trị qui chuẩn R9 = 39 W. Chọn tất cả các diod trong mạch điều khiển là loại 1N4007 có các thông số: - Dòng làm việc lớn nhất: Imax = 1 A - Điện áp ngược l._.