Thiết kế bộ chỉnh lưu có đảo chiều cung cấp cho động cơ điện một chiều

thị thời gian. Trong khoảng thời gian từ 0 -> t1 bộ BĐ1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu với a1 p/2 và sao cho dòng điện phần ứng không vượt quá giá trị cho phép động cơ được hãm tái sinh. Nếu nhịp điệu giảm a2 phù hợp với quán tính của hệ thì có thể duy trì dòng điện hãm và dòng điện khởi động ngược không đổi , điều này được thực hiện bởi các mạch vòng điều chỉnh tự động dòng điện của hệ thống trên sơ đồ của khối lôgic LOG , iLĐ , iL1 , iL2 là các tín hiệu lôgic đầu vào b1,b2 là các tín hiệu lôgic đầu ra để khoá các bộ phát xung điều khiển. iLĐ = 1 phát xung điều khiển mở BĐ1. iLĐ = 0 phát xung điều khiển mở BĐ2. i1L (i2L) = 1 có dòng điện chảy qua bộ BĐ1 và BĐ2 b1(b2) = 1 khoá bộ phát xung FX1 và FX2. Từ mạch lôgic trên ta có: Nhận xét: Hệ truyền động van đảo chiều điểu khiển riêng có ưu điểm làlàm việc an toàn ,không có dòng điện cân bằng chảy giữa các bộ biến đổi nên không cần thiết kế cuộn kháng cân bằng ,song cần một khoảng thời gian trễ trong đó dòng điện động cơ bằng không. Do nguyên tắc điều khiển riêng dùng hai bộ biến đổi làm việc độc lập, trong một thời điểm thì chỉ có một bộ BĐ làm việc còn bộ BĐ kia phải chắc chắn khoá( có nghĩa là dòng điện qua bộ BĐ này phải bằng “0”). Ta sẽ dùng xenxơ dòng điện để nhận biết có dòng điện chạy qua bộ BĐ hay không. Ta dùng một khâu thuật toán so sánh LM311: tín hiệu dòng điện qua xenxơ được hạ trên một điện trở RS tạo ra tín hiệu điện áp Vi. Đầu ra chân 7 mắc với nguồn nuôi +5V qua điện trở kéo lên 1kW. Đất của bộ so chân 1 được mắc vào đầu nối đất của mạch. Cách mắc này dẫn đến đầu ra có các trạng thái khả dĩ là 0 và 5V .Lôgic của mạch là: V0 =5V đối với Vi > 0 V0 =0V đối với Vi < 0 Nếu V0 = 5V nghĩa là bộ BĐ đó có dòng điện chạy qua. Nếu V0 = 0V có nghĩa là bộ BĐ đó không có dòng điện chạy qua . Do mạch điểu khiển riêng cần có thời gian tạo trễ nên ta chọn bộ tạo trễ là op-amp 741 Chọn C=0,1mF , R’=10kW ,R=100W -Điện áp ra chậm pha hơn so với điện áp vào Hàm truyền đạt của mạch : II. Bộ biến đổi bán dẫn công suất trong truyền dòng điện Giới thiệu sơ đồ chỉnh lưu từ lưới điện Một trong những yêu cầu quan trọng nhất của thiết bị chỉnh lưu là điều chỉnh điện áp và dòng điện đầu ra trên phụ tải. - Đối với chỉnh lưu không điều khiển yêu cầu trên được thực hiện bằng cách dùng biến áp nguồn nhiêù đầu để thay đổi giá trị sđđ E. Tuy nhiên cách này chỉ có thể điều chỉnh nhảy cấp và đối với những chỉnh lưu công suất lớn thì không dùng được. - Trong hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển động cơ một chiều bộ biến đổi là các mạch chỉnh lưu điều khiển. - Các bộ biến đổi có thể dùng : + Bộ biến đổi điện từ : Khuyếch đại từ. + Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn : Chỉnh lưu Tiristor. + Bộ biến đổi xung áp một chiều : Tiristor hoặc Transior. Do những ưu điểm nổi bật của bộ chỉnh lưu Tiristor có thể thay đổi thời điểm đặt xung điện áp lên cực điều khiển, ta sẽ điều chỉnh được điện áp và dòng điện chỉnh lưu. Việc điều chỉnh này được thực hiện vô cấp và không cần tiếp điểm. Hơn nữa yêu cầu đồ án là bộ chỉnh lưu có đảo chiều cấp cho động cơ điện một chiều nên em chọn bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn dùng Tiristor. * Chỉnh lưu điều khiển (Tiristor) Cho phép thực hiện các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống điện điện một chiều với độ tự động hoá cao nên được sử dụng rộng rãi, nhất là sơ đồ cầu do đấu trực tiếp vào lúc điện không phải dùng biến áp lực như sơ đồ hình tia . - Trong hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển - điều chỉnh một chiều, bộ biến đổi điện là các mạch CL điều khiển có sđđ Ed phụ thuộc vào giá trị của pha xung điều khiển (góc điều khiển ). Chỉnh lưu có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng điện kích thích động cơ. Tuỳ theo yêu cầu của truyền động mà có thể chia làm các loại sau : số pha : 1 pha , 2 pha , 3 pha , 6 pha sơ đồ nối : hình tia , hình cầu đối xứng và không đối xứng số nhịp :số xung áp đập mạnh trong thời gian một chu kỳ lấy điện áp nguồn - Khoảng điều chỉnh : là vị trí của đặc tính ngoài trên phẳng toạ độ [Ud,Id] . - Chế độ năng lượng : chỉnh lưu, nghịch lưu phụ thuộc . - Tính chất dòng tải :liên tục và gián đoạn. - Chế độ làm việc của chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển và các tính chất của tải trong truyền động điện. Tải của CL thường là cuộn kích từ (L– R) hoặc là mạch phần ứng động cơ (L – R –E). Chỉnh lưu điều khiển ba pha hình tia * Chế độ dòng liên tục Khi dòng điện chỉnh lưu id là liên tục. Suất điện động chỉnh lưu là những đoạn hình sin nối tiếp nhau, giá trị trung bình của suất điện động chỉnh lưu được tính như sau : Trong đó : we tần số góc của điện áp xoay chiều a góc mở ban đầu (hay góc điều khiển) tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên . a0: góc điều khiển tính từ thời điểm suất điện động bắt đầu dương. Hình : Sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển hình tia 3 pha . Trong mạch tải có điện cảm L nên id thực tế là dòng liên tục id. Góc mở a được tính từ giao điểm của hai điện áp pha (gần giá trị dương). Giá trị trung bình của điện áp tải : Phương trình vi phân mô tả mạch thay thế: Với sơ kiện khi q = a0 thì id = I0 có nghiệm sau Trong đó: Giá trị trung bình của điện áp tải: * Trùng dần - Giả sử T1 đang cho dòng chảy qua it1 = id Khi q = q2 cho xung điều khiển mở T2 cả hai tiristor T1 và T2 đều cho dòng chảy qua làm ngắn mạch 2 nguồn ea và eb. Nếu chuyển gốc toạ độ từ q sang q2 ta có: Điện áp ngắn mạch : Dòng điện ngắn mạch được xác định bởi phương trình : Giả thiết quá trình chuyển mạch kết thúc khi q = q3 Vậy m = q3 - q2 là góc trùng dần. khi q = m , i = 0 , ic = it2 = id Do đó có phương trình chuyển mạch Hình dạng của điện áp tải Ud, trong giai đoạn trùng dẫn. - Điện áp tải Ud trong giai đoạn trùng dần được xác định : - Trong giai đoạn trùng dần, điện áp tải Ud nhỏ hơn so với trường hợp lý tưởng, giá trị trung bình của điện áp bị sụt đi một lượng DUm Xác định: DUm = Mà ta lại có : cosa - cos(m + a) = DUm = Sơ đồ cầu 3 pha Cầu 3 pha gồm có 6 tiristor chia thành hai nhóm + Nhóm catốt chung : T1,T3 và T5 + Nhóm anốt chung : T4,T6 và T2 Điện áp các pha thứ cấp MBA Góc mở a được tính từ giao điểm của cái nửa hình sinUs Hoạt động của sơ đồ Giả thiết T5 và T6 đang cho dòng chảy qua Vt=Vc ,Vg=Vb : Khi q = q1 = p/6 + a cho xung điều khiển mở T1 tisritor này mở vì ua > 0. Sự mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì ua > ub. Lúc này T6 và T1 cho dòng chảy qua, điện áp trên tải: Ud = Uab = Ua - Ub Khi q = q1 = 3p/6 + a cho xung điều khiển mở T2 tisritor này mở vì khi T6 dẫn dòng , nó đặt Ub lên anốt T2 . Khi q = q2 thì Ub > Uc . Sự mở T2 làm cho T6 bị khoá lại một cách tự nhiên vì Ub >Uc . Các xung điều khiển lệch nhau p/3 được lần lượt đưa đến điều khiển của tisritor theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6...1 Trong mỗi nhóm , khi một tisritor mở, nó sẽ khoá ngay tisritor dẫn dòng trước nó Thời điểm Mở Khoá q1 = p/6 + a q2 = 3p/6 + a q3 = 5p/6 + a q4 = 7p/6 + a q5 = 9p/6 + a q6 = 11p/6 + a T1 T2 T3 T4 T5 T6 T5 T6 T1T2 T3 T4 Giá trị trung bình của điện áp trên tải + Đường bao phía trên biểu diễn điện thế của điểm F + Đường bao phía dưới biểu diễn điện thế của điểm G Điện áp trên mạch tải là Ud = Uf - Ug là khoảng cách thẳng đứng giữa 2 đường bao Cũng có thể tính Ud = Ud1 - Ud2 trong đó Ud1 là giá trị trung bình của ud1 do nhóm catốt chung tạo nên, còn Ud 2 là giá trị trung bình của ud 2 do nhóm anốt * Trùng dẫn - Giả thiết T1 và T2 đang dẫn dòng Khi q = q1 cho xung điều khiển mở T3 . Do Lc ¹ 0 nên dòng iT3 không thể đột ngột tăng từ 0 đến Id và dòng iT1 cũng không thể đột ngột giảm từ Id ® 0 cả ba tiritor đều dẫn dòng T1, T2 ,T3. Hai nguồn Ea và Eb nối ngắn mạch . Nếu chuyển gốc toạ độ từ 0 ® q1 ta có: Điện áp ngắn mạch: Dòng ngắn mạch ic được xác định bởi phương trình : Dòng điện chảy trong T1 là iT1 = id - ic Dòng điện chảy trong T3 là iT3 = ic - Giả thiết quá trình trùng dẫn kết thúc khi q = q2 , m = q2 - q1 là góc trùng dần. Khi q = m , iT1 = 0 Hình dạng điện áp tải Ud trong quá trình trùng dẫn trong khoảng (q1,q2) T2 dẫn dòng T1 và T3 trùng dẫn dòng . Vậy có thể viết phương trình sau: Từ 3 phương trình trên rút ra: Do trùng dẫn (Lc ¹ 0) nên giá trị trung bình của điện áp tải giảm đi một lượng DUm tính theo công thức sau: Mà * Nghịch lưu phụ thuộc - Nghịch là quá trình chuyển năng lượng từ phía dòng một chiều sang dòng xoay chiều (quá trình chuyển năng lượng ngược lại với chế độ CL ). Trong hệ TĐĐ một chiều, động cơ điện cần làm việc ở những chế độ khác nhau trong đó có lúc động cơ trở thành máy phát điện. Năng lượng phát ra này trả về lưới điện xoay chiều. Để thoả mãn yêu cầu này bộ CL chuyển sang hoạt động ở chế độ nghịch lưu vì nó hoạt động (đồng bộ ) theo nguồn xoay chiều nên gọi là nghịch lưu phụ thuộc. -Như vậy mạch điện lúc này có 2 nguồn sức điện động : e1 :sđđ lưới xoay chiều Ed:sđ đ một chiều Ta biết rằng một nguồn sức điện động sẽ phát được năng lượng nếu chiều sức điện động và dòng điện trùng nhau,ngược lại nó sẽ nhận năng lượng khi chiều sức điện động và dòng điện ngược nhau .Xuất phát từ nguyên tắc trên ta thấy rằng với bộ chỉnh lưu chỉ cho phép dòng điện đi theo một chiều xác định thì để có chế độ nghịch lưu cần phải thực hiện hai điều kiện : +Về phía một chiều :bằng cách nào đó chuyển đổi chiều Ed để có chiều dòng và Ed trùng nhau. +Về phía xoay chiều :điểu khiển mạch chỉnh lưu sao cho điện áp ud <0 để có dấu phù hợp dòng tức là bộ chỉnh lưư làm việc chủ yếu ở nửa chu kỳ âm của lưới điện. +Trong trường hợp không đảo được chiều Ed ta buộc phải dùng một mạch chỉnh lưu khác đấu ngược với mach cũ để dẫn được dòng điện theo chiều ngược lại. -Như vậy nghịch lưu phụ thuộc thực chất là chế độ khi bộ chỉnh lưu làm việc với góc điểu khiển lớn .Do đó toàn bộ các biểu thức tính toán vẫn đúng chỉ cần lưu ý rằng Ed có giá tri âm. Nhận xét: Do yêu cầu chỉnh lưu có đảo chiều nên ta chọn chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng . Chương III THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC Động cơ có: Udm =440 V , ndm =1500v/p , P =30kW Lựa chọn sơ đồ thiết kế Sau khi phân tích đánh giá về chỉnh lưu và nghịch lưu từ các ưu điểm của các sơ đồ chỉnh lưu với tải và các động cơ điện một chiều có công suất vừa phải thì ta dùng chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng là hợp lý hơn cả bởi lẽ ở công suất này để tránh lệch tải điện áp , không thể thiết kế theo sơ đồ một pha, sơ đồ tia ba pha sẽ làm mất đối xứng điện áp nguồn. Nên trong đồ án này ta chọn sơ đồ thiết kế chọn là sơ đồ cầu ba pha. Các thông số cơ bản còn lại của động cơ U2a,U2b,U2c sức điện động thứ cấp máy biến áp nguồn E : sức điện động của động cơ R, L :điện trở, điện cảm trong mạch R = 2.Rba + Ru + Rk + Rdt L = 2.Lab + Lu + Lk Rba, Lba : điện trở, điện cảm của MBA qui đổi về thứ cấp. Rk, Lk : điện trở và điện cảm cuộn kháng lọc Rdt : điện trở mạch phần ứng động cơ được tính : Lư : điện cảm mạch phần ứng động cơ được tính theo công thức: II. Tính chọn Tiristo Tính chọn dựa vào các yếu tố cơ bản của dòng tải , sơ đồ đã chọn , điều khiển toả nhiệt , điện áp làm việc , các thông số cơ bản của van được tính như sau : Unmax = (p/3). Ud = (p/3) . 440 = 460,76(V) Ulv = knv . U2 = knv . Ud / ku Điện áp ngược của van cần chọn Unv = kdt . Unmax = 1,8 . 460,76 = 829,38(V) Ungmax = Ungmaxth / 0,7 = 658,2 (V) Trong đó kdtU : hệ số dự trữ điện áp chọn ktdU = 1,8 Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng điện dòng hiệu dụng: ( trong sơ đồ cầu ba pha ) Chọn điều khiển làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ điện tích toả nhiệt không có quạt đối lưu không khi với điều khiển đó Idmv từ các thông số Unv , Iđmv ta chọn 6 tiristor loại có thông số sau điện áp ngược cực đại của van 1000(V) dòng điện định mức của van 200(A) đỉnh xung dòng điện 4000(A) dòng điện của xung điều khiển 100mA điện áp của xung điều khiển 3,0(V) dòng điện rò 20mA sụt áp lớn nhất của tiristor ở trạng thái dẫn DU = 1,6(V) tốc độ biến thiên điện áp tốc độ biến thiên dòng điện dòng điện tự giữ 200mA thời gian chuyển mạch tcm = 90ms nhiệt độ làm việc cực đại cho phép Tmax =15000C III. Tính toán MBA chỉnh lưu + Tính toán từ mạch * Tính trụ Tiết diện trụ sơ bộ của trụ T được tính theo công thức: T = (p/4) .k2 . Sf là công suất pha của máy biến áp 3 pha kq = 5 -> 6 là hệ số kinh nghiệm ta chọn k = 6 T = ( p/4 ). 62 Chiều cao sơ bộ của trụ được tính theo công thức : b là hệ số cho biết hệ số quan hệ giữa chiều cao và chiều rộng thường lấy b =1,3. Chọn mạch từ hình chữ E được ghép từ những lá tôn Silic loại 310 có Bề dày tôn : 0,35mm Tổn hao là : 1,7 W/kg Tỷ trọng : d = 7,8kg/dm3 Tiết diện của trụ T=a.b - Chọn MBA ba pha ba trụ sơ đồ đấu dây D (làm mát bằng không khí tự nhiên) - Tính các thông số cơ bản Tính công suất biểu kiến của MBA: S = K.P =1,05.P = 1,05 . 30000 = 31500(VA) Điện áp pha sơ cấp của MBA U1=380(V) Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp Phương trình cân bằng điện áp khi có tải : Udo . cos (amin) = Ud + 2.DUv + DUdn + DUba Trong đó amin = 100 góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới . DUv = 1,6(v) sụt áp trên tiristor DUdn = 0 sụt áp trên dây nối DUba = DUr + DUx : sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp. Chọn sơ bộ DUba = 6%.Ud = 6% . 440 = 26,4(V) Từ phương trình cân băng điện áp tải ta có: Điện áp pha thứ cấp : Dòng điện hiệu dung thứ cấp MBA: Dòng điện hiệu dụng sơ cấp MBA: + Tính sơ bộ mạch từ. Tính tiết diện sơ bộ trụ: kq : Hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát kq= 6 m : số trụ của MBA = 3 f : tần số nguồn xoay chiều f = 50Hz Đường kính trụ: Chuẩn hoá đường kính theo chuẩn d = 11(cm) - Chọn loại thép 330 các lá thép có độ dày 0,5 mm Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ B =1(T) Chọn tỉ số m = h/d = 2,3 -> h = 2,3 . d = 2,3 . 11 =25,3(cm) Thông thường m = 2-> 2,5 Chọn chiều cao trụ h = 25(cm) - Tính toán dây quấn Số vòng dây mỗi pha sơ cấp MBA: (vòng) Số vòng dây mỗi pha thứ cấp MBA: (vòng) w2 = 106 (vòng) - Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong MBA với dây dẫn bằng đồng MBA khô chọn : J1 = J2 = 2,75(A/mm2) Tiết diện dây dẫn sơ cấp MBA: Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật, cách điện cấp B chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn: S1 = 11,30(mm2 ). Kích thước dây có kể cách điện : S1= a1.b1= 1,56 . 7,4(mm2). Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp Tiết diện dây dẫn thứ cấp MBA: Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật, cách điện cấp B . Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn: S2 = 20,30(mm2). Kích thước dây có kể cách điện: S2 = a2 . b2 = 3,53 . 5,9(mm2). Tính lại mật độ độ dòng điện trong cuộn thứ cấp : Kết cấu dây quấn sơ cấp : Thực hiện dây quấn theo kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trụ Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp : (vòng) Trong đó : ke = 0,95 hệ số ép chặt h : chiều cao trụ hg : khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp Chọn sơ bộ khoảng cách hg=1,5 cm - Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn sơ cấp: (lớp) Chọn lớp n11 = 7 lớp. Như vậy có 197 vòng chia làm 7 lớp , chọn 6 lớp đầu 29 vòng , lớp thứ 7 có 197 – 6 . 29 = 23 (vòng) Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp : Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dầy : S01=0,1 (cm) Khoảng cách từ trụ tới cuộn sơ cấp a01= 1,0(cm) Đường kính trong của ống cách điện Dt = Dfe + 2 . a01 – 2 .S 01 = 11 + 2.1 - 2.0,1 = 12,8(cm) Đường kính trong của cuộn sơ cấp Dt1 = Dt + 2 . S01 = 12,8 + 2 . 0,1 = 13(cm) Chọn bề dầy cách điện giữa các lớp dày ở cuộn sơ cấp cd11 = 0,1(mm) Bề dày cuộn sơ cấp Bd1 = (a1 + cd11) . n11 = (1,56+0,1).7 = 11,62(mm) = 1,162(cm) Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp Dn1 = Dt1 + 2 . Bd1 = 13 + 2.1,162 = 15,324(cm) Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp : Dtb1 = ( Dt1 + Dn1 ) / 2 = (13 + 15,324 )/2 = 14,162 (cm) Chiều dày dây cuộn sơ cấp : l1 = w1 . p . Dtb = p.197.14,162 = 8764,7(cm) = 87,64(m) Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp : cd01 = 1,0(cm) Kết cấu dây quấn thứ cấp Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp h1 = h2 = 22,8(cm) Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp: vòng) Tính sơ bộ số lớp dây quấn trên cuộn thứ cấp : (lớp) Chọn số lớp dây cuốn n12 = 3 lớp , chọn 2 lớp đầu có 36 vòng ,lớp thứ ba có 106 - 2.36 = 34 (vòng) Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp : Đường kính trong của cuộn thứ cấp : Dt2 = Dn1 + 2 . a12 = 15 , 324 + 2,1 = 17,324(cm) Chọn bề dầy cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp cd22 = 0,1(mm) Bề dầy cuộn sơ cấp : Bd2 = (a2 + cd22) .n12 = (0,353+0,01) .3 = 1,089(cm) Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp: Dn2 = Dt2 + 2 .Bd2 = 17,324 + 2 . 1,089 = 19,502(cm) Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp : Dtb2 = ( Dt2 + Dn2 ) / 2 = (17,324 + 19,502) / 2 = 18,413(cm) Chiều dài dây quấn thứ cấp : l2 = p . w2 . Dtb2 = p.106.18,413 = 61,32(m) Đường kính trung bình các cuộn dây: D12 = ( Dt1 + Dn2 ) / 2 = (13 + 19,502 ) /2 = 16,251(cm) -> r12 = D12/2 =8,125 (cm) Chọn khoảng cách giữa 2 cuộn thứ cấp a22 = 2(cm) Tính kính thức mạch từ Với đường kính d =11cm , ta có số bậc là 6 trong nửa tiết diện trụ Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ: Q’= 2.(1,6.10,5+1,1.9,5+0,7.0,8+0,6.7,5+0,4.6,5+0,74) = 86,2(cm2) Tiết diện hiệu quả của trụ : Qt = khq . Q’ = 0,9.86,2 = 81,89(cm2) Tổng chiều dày các bậc thang của trụ: d = 2. (1,6 + 1,1 + 0,7 + 0,6 + 0,4 + 0,7) = 10,2(cm) Để đơn giản trong chế tạo gông từ , ta chọn gông có tiết diện hình chữ nhật có các kích thức sau: Chiều dày của gông bằng chiều dày của trụ b = d =10,2(cm) Chiều cao của gông bằng chiều rộng của tập lá thép thứ nhất của trụ a = 10,5 cm Tiết diện gông Q = a . b = 107,1(cm2) Dựa vào m = h/a = 2,3/2,5 n = c/a= 0,5 l = b/a = 1:2,5 . Trong đó h=25cm Tiết diện hiệu quả của gông: Qg = khq . Q = 0,95 . 107,1 = 101,7(cm2) Số lá thép dùng trong 1 gông: hg = b/0,5 = 102/0,5 = 204 (lá thép) Tính chính xác mật độ từ cảm trong trụ: Mật độ từ cảm của gông: Chiều rộng cửa sổ c =2.(a01 + Bd1 + a12 + Bd2) + a22 = 2(1+1,162+1+1,089)+2 =10,502(cm) Tính khoảng cách giữa 2 tâm trục c’ = c+d =10,502 +11 = 21,502 Chiều rộng mạch từ L =2c + 3d = 2 .10,502+3.11 = 54,004(cm) Chiều rộng mạch từ H = h + 2a = 25 + 2.10,502 = 46(cm) Tính khối lượng của sắt và đồng Thể tích của trụ V1=3Qt.h=3.81,89.25=6141,75(cm) Thể tích của gông Vg = 2Qg.L = 22.101,7.54,004=10984,4(cm3) Khối lượng của trụ Mt = Vt.mFe = 6,142.7,85 = 48,21(kg) Khối lượng của gông Mg = Vg . mfe = 10,984.7,85 = 86,227(kg) Khối lượng của sắt Mfe = Mt + Mg = 48,21 + 86,227 = 134,437(kg) Thể tích của đồng Vcu = 3.(s1 . l1 + s2 . l2) = 3.(11,3.87,64 + 20,3.61,32) = 6,7(dm3) Tính các thông số của MBA Điện trở trong cuộn sơ cấp máy biến áp ở 750 C : Trong đó r = 0,02133 Wmm2/m Điện trở cuộn thứ cấp MBA ở 750 C: Điện trở MBA quy đổi về thứ cấp: Sụt áp trên điện trở máy biến áp : DUr = Rba . Id = 0,111 . 68,18 =7,62(V) Điện kháng MBA quy đổi về thứ cấp : Điện kháng MBA quy đổi về thứ cấp: Sụt áp trên điện kháng MBA: Sụt áp trên MBA: Điện áp trên động cơ khi có góc mở amin =120 U = Udo.cosamin – 2.DUv - DUba = 476,84.cos120 - 2.1,6 -14,35=448,87=449(v) Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp : Tổn hao ngắn mạch trong MBA: Tổn hao không tải có kể đến 1% tổn hao phụ: Điện áp ngắn mạch tác dụng: Điện áp ngắn mạch phần kháng: Điện áp ngắn mạch phần trăm: Dòng điện ngắn mạch xác lập: Dòng điện ngắn mạch tức thời cực đại: Kiểm tra MBA thiết kế có đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến trên của dòng điện chuyển mạch . Giả sử chuyển mạch từ T1: Vậy máy biến áp thiết kế sử dụng tốt. Hiệu suất TB chỉnh lưu: IV.Thiết kế cuộn kháng lọc. 1)Xác định góc mở cực tiểu và cực đại. Chọn góc mở cực tiểu amin=180 với góc mở amin là dữ trữ ta có thể bù được sự giảm điện áp khi góc mở nhỏ nhất a = amin thì điện áp trên tải là lớn nhất Udmax=Udo .cosamin =Ud.dm và tương ứng tốc độ đông cơ sẽ lớn nhất Udmin=Udo.cosa max và n =nmin . Ta có: kM = 3 -> D = 4,5. Trong đó Udmin được xác định như sau: 2)Xác định các thành phần sóng hài. Để thuận tiện cho việc khai triển chuỗi furie ta chuyển gốc toạ độ sang đến 01 khi đó điện áp tức thời trên tải khi TiristoT1,T4 dẫn. Với q = Wt Điện áp tức thời trên tải điện Ud không sin và tuần hoàn với chu kỳ : t = 2p/p =2p/6 = p/3. P =6 số xung đập mạch trong 1 chu kỳ điện áp lưới khai triển chuỗi Furie của điện áp Ud: Hay Trong đó : Ta có : Vậy ta có biên độ của điện áp. 3)Xác định điện cảm cuộn kháng lọc Từ phân tích trên ta thấy rằng khi góc mở càng tăng thì biên độ thành phần sóng hài bậc cao càng lớn ,có nghĩa đập mạch của điện áp và dòng điện tăng lên sự đập mạch này làm xấu chế độ chuyển mạch của vành góp , đồng thời gây ra tổn hao phụ dưới dạng nhiệt trong động cơ . Để hạn chế sự đập mạch này ta phải mắc nối tiếp với động cơ một cuộn kháng lọc đủ lớn để Im £ 0,1Iưdm Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sáng hài bậc cao, cuộn kháng lọc còn lại có tác dụng hạn chế vùng dòng điện gián đoạn . Điện kháng lọc còn lại được tính khi góc a = amax Ta có: Vì R.i << L.di/dt nên U = L.di/dt Trong các thành phần xoay chiều bậc cao , thì thành phần sóng bậc k=1 có mức độ lớn nhất gần đúng ta có : Vậy Trong đó : Thấy số : Điện cảm mạch phần ứng dã có : Lưc = Lư + 2. Lba = 5,14 + 2. 0,59 = 6,32(mH) Điện cảm cuộn kháng lọc : Lk = L – Lưc = 11,4 – 6,32 =5,08 (mH) 4)Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc Các thông số ban đầu Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc Lk = 5,08mH Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng : Im = 68,18A Biên độ dòng điện xoay chiều bậc 1 I1m = 10%. Idm = 6,82A. Do điện cảm cuộn kháng lớn và điện trở rất bé do đó ta có thể coi tổng trở cuộn kháng xấp xỉ bằng điện của cuộn kháng : Zk = Xk =2.p.f .Lk =2p.6.50. 5,08.10-3 = 9,5(W) Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc: Công suất của cuộn kháng lọc: Tiết diện từ cực chính của cuộn kháng lọc: kQ : hệ số phụ thuộc phương thức làm mát khi làm mát bằng không khi tự nhiên kQ = 5. Với tiết diện trụ Q= 4,25cm2 Chọn loại thép tồn tại 330 A tấm thép dày 0,35mm a= 20mm. b= 25mm. Chọn mật độ từ cảm trong tụ Bt = 0,8(T) Khi có thành phần điện xoay chiều chạy qua cuộn kháng thì trong điện cuộn kháng sẽ xuất hiện một sức điện Ek Ek=4,44.w.f’.Bt.Q Gần đúng Ek=DU = 45,7V. Ta có dòng điện chạy qua cuộn kháng : i(L) = Id + I1m.cos(6q + j1) Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng: Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng : J=2,75(A/mm2) Tiết diện dây cuốn cuộn kháng: Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật cách điện cấp B chọn Sk=25,6(mm2) Với kích thứơc dây: a . b = 3,53 . 7,4 Tính lại mật độ dòng điện: Chọn lại hệ số lấp đầy Diện tích cửa sổ: Tính kích thứơc mạch từ: Qcs = c . h Chọn m = h/a = 3 h =3 .a = 3. 20 = 60(mm) = 6(cm) c = Qcs/h = 36,57/6 = 6 (cm) Chiều cao mạch từ H = h + a = 60 + 20 = 80 (mm) Chiều dài mạch từ L=2c + 2a = 2.60 + 2.20 = 160(mm) Chọn khoảng cách từ gông đến cuộn dây hg = 2mm Tính số vòng dây trên một lớp: Tính số lớp dây quấn: Chọn khoảng cách điện giữa dây quấn với trụ: a01=3mm Cách điện giữa các lớp cd1= 0,1mm Bề dày cuộn dây Bd= (a1+ cd1) .n1 = (3,53 + 0,1).12 = 43,56(mm) Tổng bề dày cuộn dây Bd2= Bd + a01 = 43,56 + 3 = 46,56(mm) Chiều dài của vòng dây trong cùng l =2(a+b)+2p. a01 = 2 .(20 +25) + 2.3,14.3 = 108,8(mm) Chiều dài của vòng dây ngoài cùng l2 =2.(a+b) + 2p.(a01+Bd) = 2.(20 +25) + 2.p.(3+43,56) = 382,4(mm) Chiều dài trung bình của vòng dây: Điện trở của dây quấn ở 750 C Ta thấy điện trở rất bé nên giả thiết ban đầu bỏ qua điện trở là đúng. Thể tích sắt Vfe=2.a.b.h=2.a/2.b.L=a.b(2.h+l) = 20.25.10-4.(2.60 + 160).10-2 = 0,14(dm3) Khối lượng của Fe Mfe=VFe.mFe = 0,14 . 7,86 = 1,1(kg) Trong đó mFe là khối lượng riêng của Fe mFe Khối lượng của Cu mcu=Vcu.mCu=Sk.Ltb.w.mCu = 25,6.245,6.10-6.100.8,9 = 5,6(kg) mCu= 8,9 V. Tính chọn các thiết bị bảo vệ 1. Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn Khi làm việc với dòng điện chạy qua trên van có sụt áp , do đó có tốn hao công suất Dp ,tốn 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 Tcp nào đó nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng . Để cho van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý . +Tính toán cách toả nhiệt +Tổn thất công suất trên 1 Tiristor DP=DU.I=1,6.39,366=62,976(W) Diện tích bề mặt toả nhiệt: Dp : tổn hao công suất (W) T:độ chênh lệch so với môi trường Tmt = 400C Nhiệt độ làm việc cho phép của Tcp=1250C Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt Tlv=800C T=Tlv-Tmt =80 – 40 = 400C Km :Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ Chọn Km=8 (w/m2. 0C) Vậy: Chọn loại cánh toả nhiệt có 10 cánh Kích thước mỗi cánh a.b=10.10(cm2) Tổng diện tích toả nhiệt của cánh S=10.2.10.10=2000(cm2) 2)Bảo vệ quá dòng điện của van Áptômát dùng để đóng ngắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắt mạch Tiristor, ngắt mạch đầu ra độ biến đổi, ngắt mạch thứ cấp MBA ngắt mạch ở chế độ nghịch lưu. +Chọn 1 Aptomat có Udm =220V Có 3 tiếp điểm chính , có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện. - Chỉnh định dòng ngắn mạch - Dòng quá tải - Chọn cầu giao có mạch định mức - Cầu giao để tạo khe hở an toàn khi sử chữa hệ truyền động. - Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Tiristor ngắn mạch đầu ra của bộ CL. Nhóm 1CC có Idc = 80A loại cầu chì PH – 2 – 100 do Liên Xô chế tạo. Dòng điện định mức dây chảy nhóm 1cc Nhóm 2CC có Idc = 80A loại cầu chì PH – 2 – 100 do Liên Xô chế tạo. Dòng điện định mức dây chảy nhóm 2cc Nhóm 3CC có Idc = 80A loại cầu chì PH – 2 – 100 do Liên Xô chế tạo. Dòng điện định mức dây chảy nhóm 3cc Vậy chọn cầu chảy nhóm 1CC, 2CC và 3CC giống nhau đều là loại cầu chì PH – 2 – 100 do Liên Xô chế tạo. 3)Bảo vệ quá điện áp cho van Bảo vệ quá điện áp : do quá trình đónh cắt các Tiristor được thực hiện bằng cách mắc R-C song song với Tiristor .Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn ,sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược ,gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anod và catod của Tiristor . Khi có mạch R-C mắc song song với Tiristor tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Tiristor không bị quá điện áp . Theo kinh nghiệm R1=(5 ->30)W C1=(0,25-> 4)mF Chọn R1=5,1(W) C1=0,25mF Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện . ta mắc mạch R-Cnhừ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây . Chọn R1=12,5(W) C1=4mF Trị số R-C được chọn theo + Để bảo vệ van do cắt mạch đột ngột biến áp van tải ,người ta thường mắc một mạch R—C ở đầu ra của một mạch chỉnh lưu cầu 3 pha phụ bằng các diod công suất kế . Thông thường giá trị tự chọn trong khoảng 10 -200mF . Chọn theo R3=470W, C3=10mF Chọn giá trị trở R4 =1,4K W Im:dòng điện từ hoá BA Ktm:Khả năng tăng điện áp cho phép của van thường được chọn k=1,25->1,5 Mạch cầu 3 pha dùng diod tải R-C bảo vệ do cắt máy biến áp non tải Tính toán vẽ các đường cong dòng điện ,điện áp của tải và của van Hình dạng đường cong dòng điện ,điện áp tải thường được mô ta tuỳ theo dạng sơ đồ đã chọn và tính chất của tải Nguyên tắc chung khi vẽ đường cong dòng điện và điện áo tải là: trên cơ sở đường cong điện áp xoay chiều hình sin (một hay 3 pha) xác định góc từ thời điểm mở van cho tới cuối bán kỳ điện áp dương. Chương IV TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN I.Yêu cầu đối với mạch điều khiển - Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi Tiristo vì nó đóng vai trò chủ đạo trong việc quyết định chất lượng và độ tin cậy của BBĐ. Yêu cầu của mạch điều khiển có thể tóm tắt trong 6 điểm chính sau: + Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển. + Yêu cầu về độ lớn xung điều khiển. + Yêu cầu về độ dốc sườn trước của xung (càng cao thì việc mở càng tốt thông thường ). + Yêu cầu về sự đối xứng của xung trong các kênh điều khiển. + Yêu cầu về độ tin cậy. . Điện trở kênh điều khiển phải nhỏ để Tiristor không tự mở khi dòng rò tăng. .Xung điều khiển ít phụ thuộc vào dao động nhiệt độ, dao động điện áp nguồn. . Cần khử được nhiễu cảm ứng để tránh mở nhầm. + Yêu cầu về lắp ráp vận hành. . Thiết bị thay thế dễ lắp ráp và điều chỉnh. . Dễ lắp lẫn và mỗi khối có khả năng làm việc độc lập. II. Nguyên lý chung của mạch điều khiển. 1. Nhiệm vụ của mạch điều khiển là tạo ra các xung vào ở những thời điểm mong muốn để mở các van động lực của bộ chỉnh lưu. - Tiristor chỉ mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp dương đặt trên Anốt và có xung áp dương đătj vào cực điều khiển không còn tác dụng gì nữa. - Chức năng của mạch điều khiển : + Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên anốt – katốt của tiristor. + Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở tiristor độ rộng xung tx < 10ms. Biểu thức độ rộng xung: Trong đó: Iđt là dòng duy trì của tiristor. di/dt : tốc độ tăng trưởng của dòng tải. Đối tượng cần điều khiển được đặc trưng bởi đại lượng điều khiển là góc a. Cấu trúc của mạch điều khiển tiristor. Uđk là điện áp điều khiển , điện áp một chiều. Ur là điện áp đồng bộ, điện áp xoay chiều hoặc biến thể của nó, đồng bộ với điện áp anốt – catốt của tiristor. Hiệu điện áp Uđk – Ur dưa vào khâu so sánh (1) làm việc như một Trigơ. Khi Uđk – Ur = 0 thì trigơ lật trạng thái, ở đầu ra nhận được một chuỗi xung (sinUs chữ nhật ). Khâu 2 : là đa hài một trạng thái ổn định. Khâu 3 : là khâu khuyếch đại xung. Khâu 4 : là biến áp xung. Tác động vào Uđk có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển tức là điều khiển góc a. 3. Nguyên tắc điều khiển. * Mạch điều khiển tiristor có thể phân loại theo nhiều cách. Song các mạch điều khiển đều dựa theo nguyên lý thay đổi góc pha và theo đó ta có hai nguyên lý khống chế “ngang” và khống chế “đứng”. - Khống chế “ngang “ là phương pháp tạo góc a thay đổi bằng cách dịch chuyển điện áp ra hình sin theo phương ngang so với điện áp tựa. + Nhược điểm của phương pháp khống chế này là góc a phụ thuộc vào dạng điện áp và tần số lưới, do đó độ chính xác của góc điều khiển thấp. - Khống chế “đứng” là phương pháp tạo góc a thay đổi bằng cách dịch chuyển điện áp chủ đạo theo phương thẳng đứng so với điện áp tựa răng cưa. + Phương pháp khống chế “đứng” có độ chính xác cao và khoảng điều khiển rộng ( từ 0 -> 1800 ). + Có hai phương pháp điều khiển “đứng “: . across . tuyến tính Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính Tổng đại số của Ur + Uđk đưa đến đầu vào của một khâu so sánh. Bằng cách làm biến đổi Uđk ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra tức là điều chỉnh được góc a. Khi Uđk = 0 ta có a = 0. Khi Uđk 0. Quan hệ giữa a và Uđk như sau: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “acrcoss”. Nguyên tắc này dùng hai điện áp: + Điện áp đồng bộ Ur vượt trước điện áp anốt – catốt một góc bằng p/2 (Nếu UAK = A.sinwt thì Ur = B.coswt ) + Điện áp điều khiển được Uđk là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ theo hai hướng (dương và âm). Trên hình vẽ đường nét đứt là điện áp anốt – catốt tiristor, từ điện áp này người ta tạo ra Ur . Tổng đại số Ur + Uđk được đưa đến đầu vào của khâu so sánh . Khi Ur + Uđk = 0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh : Uđk + B.cosa = 0 Do đó a = arccos(-Uđk/B) Thường lấy B = Uđk max Khi Uđk = 0 thì a =p/2 Khi Uđk = - Uđk max thì a= 0 Như vậy khi cho Uđk biến thiên từ - Uđk max đến + Uđkmax thì a biến thiên từ 0 đến p. Nguyên tắc này được sử dụng trong cscs thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao. Nhận xét: Theo yêu cầu thiết kế mạch điều khiển ta thấy nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính là phù hợp, ta chọn nguyên tắc điều khiển này. Tính toán các thông số của mạch điều khiển Nguyên tắc điều khiển riêng. A. Nguyên lý hoạt động của sơ đồ điều khiển: Khi cấp nguồn điện 380V vào sơ cấp của BA nguồn phía thứ cấp của BA hạ áp qua cuộn dây W2-1 qua cầu chỉnh lưu hai nửa chu kì D9 và D10 điện áp tại điểm (I) U1 là điện áp một chièu hình sin láy phần dương và đặt vào cửa đảo của thuật toán A1 tại đây so sánh với điện áp U đặt được đưa vào cửa trừ của A1 Nếu Ur D11 qua OA1 về âm nguồn . Do sự đóng mở của D11làm trên tụ C8 phóng nạp tạo ra trên (III) một điện áp hình răng cưa .Độ dốc của răng cưa có thể thay đổi qua triết áp VR2. Do đó điốt zơle (Dz) nên diện áp trên tụ max khi nạp luôn bằng điện áp ngưỡng trên điốt zơle. Điện áp răng cưa được đưa vào cửa đảo của OA7 và so sánh với điện áp điều khiển.Điện áp điều khiển này được lấy từ điện áp phản hồi đưa vào so sánh với điện áp đặt qua bộ cộng đảo dấu. Khi tốc độ trên mạch lực thay đổi , tốc độ phản hồi cũng thay đổi tỉ lệ thuận với điện áp trên mạch lực và đưa vào khâu so sánh để khuyếch đại đưa đến tín hiệu điều khiển để điều khiển sự thay đổi góc mở a. Trong mạch vòng phản hồi có mạch vòng phản hồi dòng điện . Dòng điện qua sun thay đổi thì điện áp phản hồi qua sun thay đổi.Tín hiệu điều khiển đưa vào cửa cộng của khâu so sánh .Nếu Urc>Uđhthì đầu ra của OA3 là xung âm.Nếu Urc<Uđk thì đầu ra của OA3 là xung dương Khi đó bộ phát xung chùm dưới sự phóng nạp của tụ C9 tạo ra chuỗi xung hình chữ nhật.Vì tín hiệu ra nhỏ được khuếch đại qua đèn Ts , xung qua điốt Đ13 chỉ giữ lại phần âm được trộn lẫn với xung ra từ khâu so sánh A3 tạo thành từng chùm xung dương. Nhưng tín hiệu xung vẫn chưa đủ lớn để kích mở Tiristo do đó được đưa qua bộ khuếch đại xung. Các transisto mắc theo kiểu Dalingtơn. Xung dương được đặt vào bazơ của T1làm T1 mở và T2 mở theo khi đó có xung đi vào biến áp xung.Trên cuộn thứ cấp của biến áp xung có xung để kích mở tiristo. Khi xung tắt T1vàT2 bị khoá ,điện áp trên biến áp xung giảm đột ngột ,cuộn dây của biến áp xung xuất hiện sức điện động cảm ứng ngược dấu lúc đó điốt D15và D19 thông dập tắt sức điện động để bảo vệ các transistor. B. Tính toán các khâu của mạch điều khiển Theo như trên ta đã tính toán cho mạch lực: Ud=440(v) Id= 68,18 (A) Ơ đây mạch điều khiển sẽ điều khiển điện áp cũng như dòng điện ở mạch lực cho phù hợp với yêu cầu. Để tính toán cụ thể cho mạch điều khiển ta điều khiển điện áp mạch lựcđể cung cấp cho động cơ điện một chiều. 1.Tính toán khối đồng pha Nguyên lý hoạt động của khối đồng pha: Khi cấp nguồn 220v vào sơ cấp của biến áp đồng pha,phía thứ cấp của biến áp được hạ áp.Giả sử tại thời điểm ban đầu t=0,nửa chu kỳ đầu điện áp dương đặt trên D1 ,D1 sẽ thông và D2 sẽ bị khoá,nửa chu kỳ sau tại thời điểm t2= p điện áp xoay đảo dấu và thế dương được đặt vào anốt D2 ,D2sẽ thông và D1bị khoá.Vậy điện áp trên điểm (I) là điện áp xoay chiều đươc đưa qua chỉnh lưu thành điện áp một chiều nửa hình sin. Điện áp một chiều nửa hình sin liên tiếp tại (I) được đưa vào cửa cộng của khâu so sánh OA1.Điện áp được đưa vào cửa đảo của OA1 là điện áp một chiều phẳng Uđ có giá trị :Uimin <Uđ< UImax .Khi điện áp đặt vào cửa cộng của OA1 lớn hơn điện áp Uđ trên cửa đảo của OA1thì tại cửa ra của OA một điện áp dương.Còn khi điện áp trên cửa cộng của OA nhỏ hơn điện áp trên cửa đảo thì điện áp ra của OA1 sẽ là một điện áp âm đặt lên điốt D35.Như vậy OA1 có nhiệm vụ so sánh điện áp nửa hình sin của U1 với Uđ trên cửa đảo và tạo ra trên đầu ra một điện áp dương ,âm liên tiếp dạng âm Tính toán khối đồng pha: Chọn E+ = 12. với Uđf max = 12V . q = 80 -> Ud = 12.sinq0 = 12.sin80 = 1,7(V) I.R3 = 1,7V -> Chọn R3 = 1,5 (kW) Ta có : -> VR1 = 10,6(kW) Thường chọn điện trở R1 và R2 sao cho dòng vào khuyếch thuật toán IV<1mA. Chọn R1 = R2 = U/I =9/10-3 = 9(kW) Chọn R1 = R2 = 10kW. 2.Khâu tạo điện áp răng cưa Nguyên lý hoạt động của khâu tạo điện áp răng cưa : Mạch làm nhiệm vụ tạo điện áp răng cưa đưa vào cửa đảo của A3.Khi Uđf>0 thì D11 mở tụ C8 phóng theo đường +E -> VR2 -> R4 -> C8 -> A2 về âm nguồn + Tính chọn khâu răng cưa : Điện áp tựa được hình thành do sự nạp của tụ C1 , mặt khác để dảm bảo điện áp tựa có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được : T1 = R.C = 0,005 (s) Chọn tụ C1 = 0,47mF thì R3 = T/C = 0,005/0,47.10-6 = 10.103(W) = 10(kW) Giá trị điện tích trên tụ C8: U0 là điện áp trên tụ khi bắt đầu nạp tụ C8. U0 = UD 7 ta chọn điốt rơle có điện áp ngưỡng : Ung D 7 = 9,1 (V) Chọn nguồn nạp : ± 12V. Để cuối quá trình nạp Uc = 0 ta cần chọn : VR4 + R4 sao cho : Chọn C8 = 0,47 mF thì VR4 + R4 = 26.103 (W) = 26 (kW) Giá trị của dòng nạp: Giá trị điện áp trên tụ sau khi phóng : Chọn R5 = 1,7kW. 3. Khâu so sánh Điện áp răng cưa đưa vào cửa đảo của A7 Điện áp điều khiển đưa vào cửa cộng của A7 Nếu Urc>Uđkđầu ra của A7là xung âm Nếu Urc>Udk đầu ra của A7 là xung dương Khi đó đầu ra của A7 có chuỗi xung vuông liên tiếp .Phần tử chính của khâu so sánh là IC thuật toán A7 . Chọn R6 = R25 =10kW 4.Khâu phát xung chùm Nguyên lý hoạt động của khâu phát xung chùm Đóng nguồn cho A8 sau một pha quá độ ở đầu ra của thuật toán A8 sẽ cho một chuỗi xung hình chữ nhật xen kẽ nhau ta chọn giá trị của tụ C và các điện trở phù hợp cho các xung ra xuất hiện với tần số cao thì các xung ở đầu ra thể hiện như dạng chùm xung Giả sử tại thời điểm ta xét tụ C được nạp đầy tức là U2>Uc điện áp lúc này ở đầu ra của A8 sẽ là điện áp âm sau một thời gian khi điện áp ra qua R8 về tụ hết phóng điện(được nạp theo chiều ngược lai )U20 và điện áp đầu ra thay đổi thành điên áp dương.Như vậy do đặc tính phóng nạp của tụ C9 tạo trên A8 một điện áp ra dạng xung vuông liên tiếp,tín hiệu ra nhỏ do đó được khuếch đại qua transistoT5 qua xung điốt D13 chỉ là chùm xung giữ lại phần âm. + Tính chọn phát xung : T = 2,2 . R8. C9. Chọn R7 = R9 . Chọn tần số phát xung chùm f = 5kHz. T = 1/ 5.10-3 = 0,2 . 10-3 = 2.10-4(s) Chọn C9 = 0,02mF = 0,02.10-6F. Chọn R8 = 4,5kW. Chọn R7 = R9 = 5kW. Chọn đèn T5 loại P – N – P ký hiệu A564 có thông số : Điện áp giữa colectơ và bagơ khi hở mạch emitơ UCbo = 25V. Điện áp giữa emito và bazơ khi hở mạch colectơ UBeo = 7V. Dòng điện qua Colectơ I=100mA. Nhiệt độ T0 = 1500C. Hệ số khuyếch đại b = 250. Chọn R6 = - E/IR6 = 12/0,1 = 120(W) 5.Khâu khuếch đại xung và biến áp xung a)Đặc điểm và ứng dụng của biến áp xung - BAX dễ truyền tín hiệu điều khiển - Tạo ra được biên độ xung theo yêu cầu - Cách ly về điện giữa mạch lực và mạch điều khiển - Dễ thay đổi cực tính xung ra - Dễ phân bố các xung đi các kênh điều khiển b )Tính toán máy biến áp xung - Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng điều khiển ngược trở lên . - Mạch điều khiển được tính suất phát từ yêu cầu về xung mở Tiristor .Các thông số cơ bản trong mạch điều khiển : + Điện áp điều khiển Tiristor Uđk = 3,0 (V) + Dòng điện điều khiển Tiristor Iđk = 0,1 (A) + Thời gian mở Tiristor tm = 80 ms + Độ vòng xung điều khiển tx = 167 ms + Tần số xung điều khiển ¦x = 3 (khz) + Độ mất đối xứng cho phép Da = 40 + Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển U = + Mức sụt biên độ xung Sx = 0,15 Tính biến áp xung - Chọn vật liệu làm lõi sắt Ferit HM . Lõi có dạng hình xuyến , làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có DB = 0,3T DH = 30 (A/m) không có khẽ hở không khí . + Tỉ số biến áp xung thường m = 2¸ 3 chọn m =3 + Điện áp thứ cấp máy biến áp xung U2 = Uđk =3,0 (V) + Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp MBA U1 = mU2 = 3.3 = 9 (V) + Dòng điện thứ cấp biến áp xung I1 = = = 0,33 (A) + Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt mTB = Trong đó : m0 = 1,25.10-6 (H/m) là độ từ thẩm của không khí + Thể tích của lõi thép cần có V = = 0,834.106 (m3) = 0,834 (cm3) Chọn mạch từ có thể tích V = 1,4 (cm3) . Với thể tích đó ta có các kích thước mạch từ như sau : a = 4,5 mm = 0,45 cm b = 6mm = 0,6 cm Q = 0,27 cm2 = 27 mm2 d = 12mm D = 21mm Chiều dài trung bình mạch từ l = 5,2 (cm) - Số vòng dây sơ cấp máy biến áp xung : Theo định luật cảm ứng điện từ U1 = W1Q W1 = (vòng) Số vòng dây thứ cấp W2 = (vòng) Tiết diện dây cuốn thứ cấp S1 = (mm2) Chọn mật độ dòng điện J2 = 6 (A/mm2) + Đường kính dây cuốn thứ cấp d2 = (mm) Chọn d =0,1 (mm) Tiết diện dây cuốn thứ cấp S2 = (mm2) Chọn mật độ dòng điện J2 = 4(A/mm2) + Đường kính dây cuốn thứ cấp d2 = (mm) Chọn dây có đường kính d2 = 0,18 (mm) Kiểm tra lại hệ số lấp đầy Klđ = Như vậy cửa sổ đủ diện tích cần thiết . c)Tính khâu khuếch đại xung Chọn Tranzito công suất loại Tr3 loại 2SC9111 Tranzito loại npn vật liệu bán dẫn là Si . Điện áp giữa colecto và bazơ khi hở mạch Emitơ UCB0 =40 (V) . Điện áp giữa Emito và bazơ khi hở mạch Colecto UEB0 =4 (V) . Dòng điện lớn nhất mà colecto có thể chịu đựng Imax = 500 (mA) . Công suất tiêu tán ở colecto Pc = 1,7 (W) . Nhiệt độ lớn nhất của mặt tiếp giáp T1 = 1750C . Hệ số KĐ b = 50 Dòng điện làm việc của colecto Ic3 = I1= 33,3 (mA) Dòng điện làm việc của bazơ Ib = (A) Ta thấy rằng trong hai loại Tiristor đã chọn có công suất điều khiển khá bé Uđk = 3,0 (V) Iđk = 0,1 (A) Nên dòng Colecto – bazơ của Tranzito I , trong trường hợp này ta có thể không cần Tranzito Ir2 mà vẫn có đủ công suất điều khiển Tranzito - Chọn nguồn cấp cho biến áp xung E = 12(V) , với nguồn E =12 (V) ta phải mắc thêm điện trở R10 nối tiếp với cực Emito của Ir3 , R1 . R10 = (W) Tất cả các Diod trong mạch điều khiẻn đều dùng loại 1N4009 có tham số . Dòng điện định mức Iđm = 10 (mA) Điện áp ngược lớn nhất Un = 25 (V) Điện áp để cho Diod mở thông Um = 1(V) 6 .Khối nguồn Ta cần chọn nguồn nuôi ± 12V để cấp cho BAX nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng điện tốc độ , điện áp đặt tốc độ . Ta dùng mạch chỉnh lưu cầu ba pha dùng điốt, điện áp từ cấp MBA nguồn nuôi : Ta chọn U2 = 9V. Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng hai vi mạch ổn áp 7812 và 7912, các thông số chung của vi mạch này: Điện áp đầu vào : UV = 7 -> 35V. Điện áp đầu ra : UR = 12V với IC 7812 UR = - 12V với IC 7912. Dòng điện đầu ra : IR = 0-> 1A. Tụ điện C4 , C5 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao. Chọn C4 = C5 =C6 = C7 =470mF. 7.Tính toán máy BA nguồn nuôi và đồng pha : - Ta thiết kế MBA dùng cho cả 3 việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi. Chọn kiểu MBA 3 pha 3 trụ, trên mỗi trụ có 3 cuộn dây : 1 cuộn sơ cấp và 2 cuộn thứ cấp. - Điện áp lấy ra ở thứ cấp MBA làm điện áp đồng pha: U2 = U2đp = UN = 9(V). - Dòng điện thứ cấp MBA đồng pha : I2đp = 1(mA) - Công suất tiêu thụ ở 6IC TL 084 sử dụng làm khuyếch thuật toán . Ta chọn 2IC TL084 để tạo 6 cổng AND P8IC = 8.P - Công suất BA xung cấp cho cực điều khiển Tiristor Px = 6. Uđk . Iđk =6.3.0,1 = 1,8(W) - Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi : PN = Pđp + P8IC + PX PN = 0,056 + 5,12 +1,8 =6,976(W) - Công suất của MBA có kể đến 5% tổn thất trong máy : S = 1,05.(Pđp + PN) = 1,05 . (0,054 + 6,976) = 7,38 (VA) - Dòng điện thứ cấp MBA : I2 = S/ (6.U2) = 0,137(A) Dòng điện sơ cấp MBA: I1 =S/ (3.U1 ) = 0,0112(A) Tiết diện trụ của MBA được tính theo công thức kinh nghiệm: Trong đó : kQ = 6 : hệ số phụ thuộc phương thức làm mát. m = 3 : số trụ của BA f =50 : tần số điện áp lưới. Chuẩn hoá tiết diện trụ theo bảng : QT = 1,63(cm2) Kích thước mạch từ lõi thép dày d = 0,5mm. Số lượng lá thép : 68 lá. a = 12mm b = 16mm h = 30mm hệ số ép chặt ke = 0,85. Chọn mật độ từ cảm B = 1T ở trong trụ ta có số vòng dây sơ cấp : Chọn mật độ dòng điện J1 = J2 = 2,75A/mm2. Ta có tiết diện dây quấn sơ cấp : Đường kính dây quấn sơ cấp : Chọn d = 0,1mm để dảm bảo độ bền cơ. Đường kính có kể cách điện là 0,12mm. 8. Chọn cổng AND -Toàn bộ mạch điều khiển phải dùng sáu cổng AND nên ta chọn hai IC4081 họ CMOS . Mỗi IC4081 có bốn thông số . Nguồn nuôi 1C Vcc = 3¸ 9 (V) . Ta chọn Vcc = 12 (V) . Nhiệt độ làm việc : 40 ¸ 800C Điện áp ứng với mức logic (1) : 2¸ 4,5 (V) . Dòng điện nhơ hơn 1mA . Công suất tiêu thụ P = 2,5 (nW/1 cổng) . * Tính chọn IC: Mỗi kênh điều khiển phải dùng bốn khuyếch đại thuật toán . Do đó ta chọn 6IC loại TL084 do hãng Texasluctrument chế tạo . Mỗi IC này có 4 khuyếch thuật toán . Thông số của TL 084: Điện áp đầu vào Vcc =12V. Hiệu điẹn thế giữa hai đầu vào ± 30V. Nhiệt độ làm việc T = -25 ¸ 850C. Công suất tiêu thụ P = 0,68W. Tổng trở đầu vào Rin = 106M W. Dòng điện đầu ra Ira = 30pA. Tốc độ biến thiên điện áp cho phép : 9. Khâu phản hồi: -Khi thiết kế hệ điểu chỉnh tự động truyền động điện cần phải đảm bảo hệ thực hiện được tất cả các yêu cầu đặt ra đó là yêu cầu công nghệ các chỉ tiêu chất lượng và các yêu cầu về kinh tế. -Độ ổn định và độ chính xác điểu chỉnh là hai chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng bậc nhất của hệ thống tự động. Độ chính xác được đánh giá trên cơ sở phân tích các sai lệch điểu chỉnh ,các sai lệch này phụ thuộc rất nhiều yếu tố . Sự biến thiên của các tín hiệu đặt gây ra các sai lệch không thể tránh được trong quá trình quá độ và cũng có thể gây sai lệch trong quá trình xác lập.trên cơ sở phân tích các sai lệch điểu chỉnh ta có thể chọn được các bộ điểu chỉnh ,các mạch bù thích hợp dể nâng cao độ chính xác của hệ thống . -Để đạt được những chỉ tiêu về công nghệ trong điểu chỉnh tự động điểu chỉnh hệ thống truyền động động cơ một chiều ta sử dụng hai mạch vòng điểu chỉnh tổng hợp mạch vòng dòng điện ,tổng hợp mạch vòng tốc độ. -Sơ đồ cấu trúc: *Tổng hợp mạch vòng dòng điện : Trong các hệ thống truyền động tự động cũng như các hệ thống chấp hành thì mạch vòng dòng điện là mạch vòng cơ bản .Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động là trực tiếp hoặc gián tiéep xác định mô men kéo của động cơ, bảo vệ ,điểu chỉnh gia tốc -Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện: +Khâu lọc tín hiệu F: dùng để lọc tín hiệu một chiều hàm truyền là khâu quán tính : T1 :là hằng số thời gian của khâu lọc. +Khâu điểu chỉnh dòng điện Ri :là bộ điểu chỉnh có chức năng bù các khâu có hằng số thời gian tương đối lớn bằng cách đó giảm cấp cho mạch hở ,các khâu có hằng số thời gian tương đối nhỏ sẽ không được bù .Tuỳ theo dạng hàm truyền của hệ khác nhau mà ta có các bộ điểu chỉnh khác nhau. + Bộ biến đổi BĐ: đối với các động cơ một chiều bộ biến đổi là bộ chỉnh lưu cầu ba pha cấp cho mạch phần ứng của động cơ. Hàm truyền của bộ biến đổi có dạng: Với Kcl = TV0 : hằng số thời gian của sự chuyển mạch chỉnh lưu. +Mạch phần ứng : Hàm truyền là khâu quán tính có dạng sau: Tu là hằng số thời gian của phần ứng động cơ. +Mạch phản hồi dòng điện: Hàm truyền là khâu quán tính có dạng: trong đó:Ti là hằng số thời gian của xen xơ dòng điện. -Trong trường hợp hệ thống truyền động điện có hằng số thời gian cơ học rất lớn hơn so với hằng số thời gian điện từ thì ta có thể coi sức điện động của động cơ E không ảnh hưởng đến quá trình điểu chỉnh của mạch vòng dòng điện nên ta bỏ qua sức điện động của động cơ (coi E=0). Hàm truyền động của mạch dòng điện như sau: trong đó hằng số thời gian Tf, Tv0 ,Ti,là rất nhỏ so với hằng số thời gian Tư Đặt Ts=Tf +Tv0 +Ti thì có thể viết lại dạng gần đúng sau: trong đó Ts << Tư áp dụng tiêu chuẩn tối ưu mô đun ta tìm được hàm truyền của bộ điểu chỉnh dòng điện có dạng khâu PI . trong đó chọn a=2 trong đó Ki’ là hệ số truyền của bản thân xen xơ dòng điện. Từ đó ta có : Đẻ tạo lọc F thường nối thêm tụ Ck song song với tụ R3 sao cho R3.Ck=Tf và R3.(C+Ck)=Tư. Cuối cùng hàm truyền của mạch vòng dòng điện là: *Mạch vòng điểu chỉnh tốc độ: Hệ thống điểu chỉnh tốc độ là hệ thống mà đại lượng được điểu chỉnh là tốc độ góc của động cơ điện ,các hệ này thường được sử dụng trong thực tế kỹ thuật . Hệ thống điều chỉnh tốc độ được hình thành từ hệ thống điều chỉnh dòng điện . Các hệ thống này có thể là đảo chiều hoặc không đảo chiều . Sơ đồ cấu trúc : -Kết cấu cơ bản của một hệ truyền động đảo chiều quay như hình sau.Để đảo chiều quay trong hệ thống sử dụng hai bộ biến đổi BĐ1 và BĐ2 nối song song ngược .Các máy phát xung FX1 và FX2 phát xung điểu khiển hai bộ biến đổi này .Các bộ điểu chỉnh dòng điện Ri1và xen xơ dòng điện Si1,Ri2và xen xơ dòng điện Si2 tạo thành hai mạch vòng điểu chỉnh dòng điện. Sơ đồ khối: -phần tử phi tuyến HCD là phần tử hạn chế dòng điện trong quá trình quá độ. Xen xơ tốc độ Sw đóng vai trò khâu phản hồi tốc độ. -ở trên ta đã tổng hợp được mạch dòng điện bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động của động cơ. Để thuận tiện trong tính toán tiếp theo ta có biểu thức gần đúng : Hoặc nếu mạch vòng dòng điện được tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng thì: Sơ đồ khối cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ như trên hình dưới trong đó Sw là xenxơ tốc độ có hàm truyền là khâu quán tính với hệ số truyền là Kw và hằng số thời gian là TW thường TW có giá trị nhỏ , khi đó đặt 2Ts’ = 2TS + TW , đối tượng điều chỉnh có hàm truyền : Theo tiêu chuẩn tối ưu môđun có thể xác định được hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ là khâu tỉ lệ: Thường lấy a2 =2. KP =R3/R1; KW = KW’.R1/R2. KW’ là hệ số truyền của bản thân xenxơ tốc độ. Trong đó Ki’ là hệ số truyền bản thân xenxơ dòng điện. Từ các thông số của động cơ ta tính được: Chọn Tư = 10ms. Từ phương trình đặc tính cơ ta viết tại điểm định mức được: Chọn Tf =0,001s. TV0 = 1/(2.100) = 0,005(s) Chọn b = 0,1 ; g = 0,077 Trong đó đã có a = 2. Thay số vào hàm truyền của Ri(p) ta được: TS2= (0,006)2 rất nhỏ nên có thể bỏ qua. Thay số vào mạch điều chỉnh RW(p) ta có: Ta có R27.C = Chọn C= 0,47mF -> R27 = 2,1kW. Do Tư =R28.C -> R28 =21kW Chọn R26 = R27 = 2,1 kW. - Xét ở mạch phản hồi tốc độ: Có R35 /R36 = 2,63 Chọn R36 = 10kW -> R35 =26kW. Ta có KW = KW’ . R1/R2 Nên R31 = R36 = 10kW. Chọn C10 =C11 = 0,47mF. Chọn R22 = 1kW . Chọn R23 = 10kW. Tín hiệu tốc độ phản hồi được lấy về nhờ máy phát tốc loại M'T - 8/15. KẾT LUẬN. Qua việc thiết kế hệ thống điều khiển động cơ một chiều có đảo chiều giúp em nắm vững hơn phần lý thuyết đã được học và có thêm nhiều sự hiểu biết thực tế. Tuy nhiên, do nội dung công việc hoàn toàn mới mẻ và tầm hiểu biết còn hạn chế nên đồ án môn học của em không tránh khỏi nhiều thiếu sót. Em mong các thầy cô chỉ bảo để em hoàn thành tốt hơn nữa nhiệm vụ của mình. Em xin chân thành cảm ơn.