Đề tài Nghiên cứu tổng quan hệ truyền động điện xoay chiều 3 pha

gắn lõi thép roto. 10 3. Dây quấn rotor - Dây quấn roto của máy điện không đồng bộ có hai kiểu:roto ngắn mạch hay còn gọi là roto lồng sóc và roto dây quấn. Roto lồng sóc (h1.4- b) gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu. Với động cơ nhỏ, dây quấn roto lồng sóc được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cách tản nhiệt và cachs quạt làm mát. Các động cơ công suất trên 100kW thanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh roto và gắn chặt vào vành ngắn mạch. Roto dây quấn cũng như dây quấn ba pha stator có cùng số cực từ như dây quấn stator. Dây quấn kiểu này luôn đấu sao và có ba đầu ra đấu với ba vành trượt, gắn vào trục quay của roto và cách điện với trục. Ba chổi than cố định luon tỷ lệ trên vành trượt này để dẫn điện vào một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ. Hình1.5 : Cấu tạo máy điện không đồng bộ roto dây quấn 11 1.2.2. Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ. - Khi có dòng điện ba pha chạy trong dây quấn stator thì trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay với tốc độ n1 = 60f1/p (f1 là tần số lưới điện; p là số cặp cực của máy, n1 là tốc độ từ trường quay bậc một). Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõi sắt roto, là cảm ứng trong dây quấn roto các sức điện động E2 .Do roto kí mạch nên rong dây quấn roto có một dòng điện I2 chạy qua. Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở. Dòng điện trong dây quấn roto tác dụng với thừ thông khe hở sinh ra mômen. Tác dụng đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n cuẩ roto. Trong những phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau. Sau đây chunngs ta sẽ nghiên cứu tác dụng của chúng trong ba phạm vi tốc độ. Hệ số trượt s của máy: S= 1 1 n nn = 1 1 Như vậy khi n= n1 thì s = 0, còn n= 0 thì s =1 , Khi n > n1 , S< 0 và khi roto quay ngược chiều từ trường quay n 1 1. Roto quay cùng chiều từ trường quay nhưng tốc độ n< n1 (0 < s < 1) Hình1.7 : Quá trình tạo mômen quay của động cơ không đồng bộ. - Khi chiều quay n1 của từ trường khe hở của roto như hình 1.6a. theo quy tắc bàn tay phải, xác định được chiều sức điện động E2 và I2 , theo qui 12 tắc bàn tay trái xác định được F và momen M. Ta thấy F cùng chiều quay của roto nghĩa là điện năng đưa đến stator, thông qua từ trường đã biến đổi thành cơ năng trên trục làm quay roto theo từ trường quay n 1, như vậy máy làm việc ở chế độ động cơ. 2. Roto quay cùng chiều từ trường quay nhưng tốc độ n > n1 s < 0) - Dùng động cơ sơ cấp quay roto của máy điện không đồng bộ vượt tốc độ đồng bộ n > n1. Lúc đó chiều cử từ trường quay quế qua dây quấn roto sẽ ngược lại sức điện động và dòng điện trong dây quấn roto cũng đổi chiều nên chiều của momen M cũng ngược chiều của n1, nghĩa là ngược chiều của roto, nên đó là mômen hãm như (hình 1.6-a). Như vậy máy đẫ biến cơ năng tác dụng lên trục động cơ, do dộng cơ sơ cấp kéo thành điện năng cung cấp cho lưới điện. nghĩa là máy điện làm việc ở chế độ máy phát. 3. Rôto quay ngược chiều từ trường quay tức là tốc độ n 1) - Vì nguyên nhân nào đó rôt của máy điện quay ngược chiều từ trường quay như hình 1.6 -c , lác này chiều sức điệc động, dòng điện và momen giống như ở chế độ động cơ. Vì momen sinh ngược chiều quay với roto nên có tác dụng hãm roto lại. Trong trường hợp này, máy vừa lấy điện năng từ lưới điện vào, vừa lấy cơ năng từ động cơ sơ cấp. Chế độ làm việc như vậy gội là chế độ hãm điện từ 1.2.3. Phƣơng trình đặc tính cơ động cơ KĐB. - Khi coi ba pha động cơ là đối xứng, được cấp nguồn bởi nguồn xoay chiều hình sin 3 pha đối xứng và mạch từ động cơ không bão hòa thì có thể xem xét động cơ qua sơ đồ thay thế 1 pha đó là sơ đồ điện phía 1 pha stator với các đại lượng mạch roto đã được quy đổi về stator. 13 Hình 1.8 : Sơ đồ thay thế động cơ KĐB. - Khi cuộn dây stator được cấp điện áp định mức U đmph,1 trên 1 pha mà giữ nguyên roto không quay thì mỗi pha của cuộn dây roto sẽ xuất hiện 1 sức điện động E đmf ,2 , theo nguyên lý của máy biến áp. Hệ số quy đổi của sức điện động là: kE = đmph đmph E E ,2 ,1 (1-3) Từ đó ta có hệ số quy đổi dòng điện: kI = Ek 1 (1-4) Và hệ số quy đổi trở kháng: kR = kX= I E k k = kE 2 (1- 5) - Với các hệ số quy đổi này, các đại lượng điện ở mạch roto có thể quy đổi về mạch stator theo cách sau: - Dòng điện: I2’=k I .I2 - Điện kháng: X2’=k X .X2 - Điện trở: R2’=k R .R2 Trên sơ đồ thay thế ở (hình 1.4) các đại lượng khác là: Io – Dòng điện từ hóa của động cơ. R m ,X m - Điện trở, điện kháng mạch từ hóa. 14 I 1 - Dòng điện cuộn dây stator. R 1 ,X 1 - Điện trở, điện kháng cuộn dây stator. Dòng điện roto quy đổi về mạch stator có thể tính từ sơ đồ thay thế: I ' 2 = 2 21 22 1 1 )'() ' ( XX s R R u ph (1 - 6) Khi đông cơ hoạt động, công suất điện từ P 12 từ stator chuyển sang roto thành công suất cơ P co đưa ra trên trục động cơ và công suất nhiệt P2 đốt nóng cuộn dây. P12= Pcơ+ P2 (1-7) Nếu bỏ qua tổn thất phụ thì có thể coi mômen điện từ Mđt của động cơ bằng mômen cơ M cơ : Mđt = Mcơ =M (1-8) Từ đó : P12 = M. o = M. + P2 (1-9) Suy ra: M= o p2 = os p2 (1-10) Công suất nhiệt trong cuộn dây 3 pha: P2 =3.R’2.I’2 2 (1-11) Thay vào phương trình tính mômen ta có được: M = nm ph X s R Ros RU 2 2 2 1 21 2 ' '3 (1-12) Trong đó: Xnm=X1+X2’ :là điện kháng ngắn mạch - Phương trình trên biểu thị mối quan hệ M = f(s) = f [s( )] gọi là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ. Với các giá trị khác nhau của s (0 s 1), phương trình đặc tính cơ cho ta giá trị tương ứng của M Đồ thị đường đặc tính cơ của động cơ KĐB. 15 Hình 1.9: Đặc tính cơ động cơ KĐB. - Đường biểu diễn M = f(s) trên hệ trục SOM như hình H2.4 , là đường đặc tình cơ của động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ. Đường đặc tính có điện cực trị gọi là điểm tới hạn K, tại điểm đó ds dM =0 Giải phương trình ta có : sth = nmXR R 2 1 2 2' (1 -13) Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có: Mth = 2 1 2 1 1 2 2 3 nm ph XRRos U (1-14) Vì ta đang xét với 0 s 1 nên sth và Mth chỉ mang dấu ( + ). - Ta nhận thấy đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ là a đường cong phức tạp và có hai đoạn AK và KB, phân giới bởi điểm tới hạn K. Đoạn đặc tính AK gần như thẳng và cứng. trên đoạn này mômen động cơ tăng thì tốc độ động cơ giảm , do vậy động cơ làm việc trên đoạn đặc tính này sẽ ổn định Đoạn KB cong với độ dốc dương, trên đoạn đặc tính này động cơ làm việc không ổn định. 1.2.4. Đặc tính cơ của máy sản suất. 16 Đặc tính cơ biểu thị mối quan hệ giữ tốc độ quay và momen quay. = f(M) hoặc n=F(M) (1-15) -Trong đó: : Tốc độ góc (rad/s) n : Tốc độ quay (vòng/phút) M : Mômen quay (N.m) - Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen cản của máy sản xuất Mc =f( ) Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng, tuy nhiên phần lớn chúng được biểu diễn dưới dạng biểu thức tổng quán: Mc= M cơ + (M đm - M cơ)( đm ) (1-16) Mc: Mômen cản của cơ cấu sản xuất ứng với tốc độ . Mco: Mômen cản của cơ cấu sản xuất ứng với tốc độ =0 M đm : Mômen cản của cơ cấu sản xuất ứng với tốc độ định mức đm Hình1.10 : Đặc tính cơ của máy sản xuất ứng với các trường hợp máy sản xuất khác nhau. Bảng 1: Các trường hợp số mũ q tương ứng các trường hợp tải. 17 1.3. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA 1.3.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi giá trị điện trở phụ trong mạch roto. - Phương pháp này chỉ được sử dụng với động cơ roto dây quấn và được ứng dụng rất rộng rãi do tính đơn giản của phương pháp. Sơ đồ nguyên lý và các đặc tính cơ khi thay đổi điện trở mạch phần ứng như hình dưới đây: Hình1.11 – Phương phá điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch roto - Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ về phía giảm 18 Tốc độ càng giảm, đặc tính cơ càng mềm, tốc độ động cơ càng kém ổn định trước sự lên xuống của mômen tải. Dải điều chỉnh phụ thuộc vào trị số momen tải. Mômen tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh càng hẹp. Khi điều chỉnh sâu (tốc độ nhỏ) thì độ trượt động cơ tăng và tổn hao năng lượng khi điều chỉnh càng lớn . Phương pháp này có thể điều chỉnh trơn nhờ biến trở nhưng do dòng phần ứng lớn nên thường được điều chỉnh theo cấp. 1.3.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào mạch stator. - Thực hiện phương pháp này với điều kiện giữ không đổi tần số. Điện áp cấp cho động cơ lấy từ bộ biến đổi điện áp xoay chiều. BBĐ điện áp có thể là biến áp tự ngẫu hoặc một bộ biến đổi điện áp. Hình dưới đây là sơ đồ nối dây và các đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần cảm. Hình1.12 – Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB 3 pha bằng cách thay đổi điện áp đặt vào mạch stator. 19 Nhận xét: - Thay đổi điện áp chỉ thực hiện được về phía giảm dưới giá trị định mức nên kéo theo mômen tới hạn giảm nhanh theo bình phương của điện áp Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ thường có độ trượt tới hạn nhỏ nên phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm điện áp thường được thực hiện cùng với việc tăng điện trở phụ mạch roto để tăng độ trượt tới hạn do đó tăng được dải điều chỉnh lớn hơn. Khi điện áp đặt vào động cơ giảm, mômen tới hạn của các đặc tính cơ giảm, trong khi tốc độ không tải lý tưởng giữ nguyên nên khi giảm tốc độ thì độ cứng của đặc tính cơ giảm, độ ổn định tốc độ kém đi. 1.3.3.Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng các thay đổi tần số của nguồn xoay chiều. - Thay đổi tần số nguồn cấp cho động cơ là thay đổi tốc độ không tải lý tưởng nên thay đổi được đặc tính cơ. Tấn số càng cao thì tốc độ đôngj cơ càng lớn. Khi điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ thì các đại lượng liên quan đến tần số như cảm kháng thay đổi, do đó dòng điện, từ thông … của động cơ cũng bị thay đổi theo và cuối cùng các đại lượng như độ trượt tới hạn, momen tới hạn cũng bị đổi.Chính vì vậy điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn thường kéo theo thay đổi điện áp, dòng điện hoặc từ thông mạch stator. Khi giảm tần số xuống dưới tần số định mức, cảm kháng của động cơ cũng giảm và dòng điện động cơ tăng lên. Tần số giảm dòng điện càng lớn momen tới hạn càng lớn. Để tránh động cơ bị qua dòng, phải tiến hành giảm điện áp sao cho f U ~const . Đó là luật điều chỉnh tần số- điện áp. Khi f > f đm ta không thể tăng điện áp U > U đm nên đặc tính cơ không giữ được mômen tới hạn. Đây là phương pháp được sử dụng trong đồ áp tốt nghiệp này. Việc điều chỉnh giá trị tần số cấp cho động cơ thực hiện nhờ biến tần MM420 của hãng Seamen. 20 1.3.4. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng việc thay đổi số cặp cực của động cơ. - Đây là cach điều chỉnh tốc độ có cấp. Đặc tính cơ thay đổi và tốc độ đồng bộ ( p f o 2 ) thay đổi theo số đôi cực. Động cơ thay đổi được số đôi cực là động cơ được chế tạo đặc biệt để cuộn dây stator có thể thay đổi được một cách tương ứng với các số đôi cực khác nhau . Các đầu dây để đổi nối được đưa ra hộp đấu dây ở vỏ động cơ. Số đôi cực của roto cũng phải thay đổi như cuộn dây stator. Điều này khó thực hiện đối với động cơ roto dây quấn, còn đối với động cơ roto lồng sóc thì nó lại có khả năng tự thay đổi số đôi cực ứng với stator. Do vậy phương pháp này được thực hiện chủ yếu đối với động cơ roto lồng sóc. Các động cơ chế tạo có sẵn các cuộn dây stator có thể đổi nối để thay đổi số đôi cực. Tỷ lệ thay đổi số đôi cực có thể là 2:1, 3:1 hoặc 4:1. 1.4. CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA - Trong hệ truyền động điện tự động bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng lượng điện năng thành cơ năng hoặc ngược lại. - Ở trạng thái động cơ: Ta coi dòng công suất điện Pđiện có giá trị dương nếu như nó có chiều truyền từ nguồn đến động cơ và từ động cơ biến đổi công suất điện thành công suất cơ: Pcơ = M. cấp cho máy sản xuất và được tiêu thụ tại cơ cấu công tác của máy. Công suất cơ này có giá trị dương nếu như mômen động cơ sinh ra cùng chiều với tốc độ quay. - Ở trạng thái máy phát: thì ngược lại, khi hệ truyền động làm việc, trong một điều kiện nào đó cơ cấu công tác của máy sản xuất có thể tạo ra cơ năng do động năng hoặc thế năng tích lũy trong hệ đủ lớn, cơ năng đó được truyền về trục động cơ, động cơ tiếp nhận năng lượng này và làm việc như một máy phát điện. Công suất điện có giá trị âm nếu nó có chiều từ động cơ về nguồn, công suất cơ có giá trị âm khi nó truyền từ máy sản xuất về động cơ và mômen động cơ sinh ra ngược chiều với tốc độ quay. 21 Mômen của máy sản xuất được gọi là mômen phụ tải hay mômen cản. Nó cũng được định nghĩa dấu âm và dương, ngược lại với dấu mômen của động cơ. + Phương trình cân bằng công suất của hệ TĐĐ KĐB xoay chiêu 3 pha là: P = Pc + Pđ Trong đó: Pđ là công suất điện. Pc là công suất cơ. P là tổn thất công suất. - Trạng thái động cơ gồm: chế độ có tải và chế độ không tải. Trạng thái động cơ phân bố ở góc phần tư I, III của mặt phẳng (M). - Trạng thái hãm có: Hãm không tải, Hãm tái sinh, Hãm ngược và Hãm động năng. Trạng thái hãm ở góc II, IV của mặt phẳng (M). - Hãm tái sinh: Pđiện < 0, Pcơ < 0, cơ năng biến thành điện năng trả về lưới. - Hãm ngược: Pđiện > 0 , Pcơ < 0, điện năng P và cơ năng chuyển thành tổn thất. - Hãm động năng: Pđiện = 0, Pcơ < 0, cơ năng P biến thành công suất tổn thất. 1.5. ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH TĨNH CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG - Khi M = Mc thì hệ TĐĐ làm việc xác lập. Điểm làm việc xác lập là giao điểm của đặc tính cơ của động cơ điện (Mc) . với đặc tính cơ của máy sản suất (M) . Tuy nhiên không phải bất kỳ giao điểm nào của hai đặc tính cơ trên cũng là điểm làm việc xác lập ổn định mà phải có điều kiện ổn định, người ta gọi là ổn định tĩnh hay sự làm việc phù hợp giữa động cơ với tải. Để xác định điểm làm việc, dựa vào phương trình động học: j dt d = ( M - Mc ).( c ) (1-17) 22 Người ta xác định được điều kiện ổn định là: ( M - Mc ) <0 (1-18) Hay : ( c ) >0 (1-19) 1.6. MỘT SỐ DẠNG TRUYỀN ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA a) Hệ truyền động theo hệ hở Hình 1.13 - Cấu trúc hệ truyền động theo hệ hở b) Hệ truyền động hệ kín. Hình 1.14 - Cấu trúc hệ truyền động hệ kín - Trong đó: + THĐ : Tín hiệu đặt R: Bộ điều chỉnh BĐ: Bộ biến đổi M: Động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha. Mx: Máy sản xuất NL: Nhiễn loạn ĐL: Thiết bị đo lường, Cảm biến 23 CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC 2.1. BỘ NGHỊCH LƢU Các van bán dẫn trong bộ nghịch lưu có thể là thyristo hoặc tranzito .Nhưng phù hợp và ưu việt hơn ta dùng tranzito . Ưu điểm dễ thấy là bỏ được chuyển mạch cưỡng , hơn nữa tổn hao đổi chiêu nhỏ hơn . Bộ nghịch lưu dùng tranzito có kích thước nhỏ và nhẹ hơn bộ nghich lưu tương đương dùng thyristo . Khuyết điểm của nó là đòi hỏi tác động liên tục vào cực gốc trong chu kì dẫn của tranzito , một khuyết điểm nữa là điện áp thấp hơn của thyristo . Tuy nhiên dùng tranzito mở rộng đươc phạm vi và phát huy các ưu điểm hơn thyrsto do cải thiện được đại lượng định mức và giá thành. Vì vậy, dưới dây chủ yếu xem xét nghich lưu điện áp sơ đồ câu dùng van an toàn . 2.1.1. Sơ đồ nguyên lý và quá trình chuyển mạch : Tụ C0 có nhiệm vụ đảm bảo điện áp nguồn ít bị thay đổi , mặt khác nó trao đổi năng lượng phản kháng với cuộn cảm . Phương pháp điều khiển các van tranzisto thong thường nhất là điều khiến cho góc mở của van là α = và α = . Ở đây ta xét góc dẫn tới tải đấu sao như thiết kế bằng cách xác định điện áp trên tải trong từng khoảng 24 thời gian (vì cứ có sự chuyển trạng thái mạch) với nguyên tắc van nào dẫn coi như là thông mạch . Nhìn chung sơ đồ này có dạng một pha tải nối tiếp với 2 pha đấu song song nhau . Do vậy điện áp trên tải sẽ chỉ có gia trị là /3(khi một pha đấu song song , với 1 trong 2 pha còn lại) hoặc 2 /3. Với giả thiết là tải đối xứng. Nguyên tắc chuyển mạch : Cho góc mở của mối tranzisto là và cứ tiếp theo (kể từ khi tranzisto trước đó mở thì cho 1 tranzisto khác mở ) . Như vậy trong cùng 1 thời gian có 3 trazisto mở . Bảng trạng thái mở các tranzisto : Xét quá trình chuyển mạch từ T5 sang T2 tương ứng khoảng từ ( ÷ sang ( ÷ ) Trong khoảng ( ÷ thì T1 , T5 , T6 , dẫn . Chiều dòng điện trên tải được xác định theo chiều mũi tên , đến thời điểm thì đảo trạng thái từ T5 sang T2 . Do trên tải Zc mang tính cảm kháng nên dòng điện không đảo ngay lập tức mà năng lượng tích lũy trong Zc duy trì theo chiều cũ một thời gian , lúc đó buộc dòng điện duy trì phải thoát qua diode , qua tải về âm nguồn đến lúc dòng điện đổi chiều sẽ mang dòng duy trì thì khóa . Quá trình chuyển mạch kết thúc . Cũng lý luận tương tự ta được chuyển mạch h.b đến h.e . 25 26 2.1.2 . Dạng sóng mạch nghịch lƣu : 27 Ta tính điện áp trên từng pha trên tải , trước tiên là pha a Trong khoảng ÷ ( h.a) : = Trong khoảng ÷ ( h.a) : = Trong khoảng ÷ ( h.a) : = Trong khoảng ÷ ( h.a) : = Trong khoảng ÷ ( h.a) : = Trong khoảng ÷ ( h.a) : = Tương tự ta tính được pha b , c . Bảng chuyển trạng thái của diode : 2.1.3. Tính toán và chọn các phần tử trong mạch nghịch lƣu : Ta cho động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc : Công suất định mức: = 1 kW, Tốc độ định mức n = 1450 ( v/p) Hệ số góc cos φ = 0.95. Điện áp lưới : 220/380 v. Hiệu suất : = 0.9 Hệ số quá tải : = 1.8 = = = 1111.1 (W) 28 cos φ = = = 1.77 (A) = *0.95=117.9 (Ω) a. Tính chọn tranzisto : Điện áp pha cực đại của động cơ : = 220* = 311.1 (V) Điện áp đầu vào bộ nghịch lưu: = nên = *311.1 = 466.7 (V) Vậy điện áp ngược đặt lên mỗi tranzisto : = = 466.7 (V). Chọn hệ số quá áp của tranzisto là = 1.6, thì cần phải chọn trazisto chịu được áp ngược là : = =1.6*466.7 = 746.72 (V) Vì tải đấu hình sao nên dòng qua mỗi Transisto lúc cực đại bằng dòng chỉnh lưu : = = =1.77* = 2.5 (A) Với hệ số qua dòng = 1.2 , do đó ta phải chọn tranzisto chịu được dòng : = = 1.2*2.5 = 3 (A) Căn cứ vào kết quả trên , theo bảng I.2 Tranzisto công suất trang 18, sách điện tử công suất của Nguyễn Bính . Tranzisto đã chọn có mã hiệu BUX -47 Có thông số sau : = 850 V : Điện áp cực đại khi cực bazơ bị khóa bởi điện áp âm = 400 V : Điện áp khi cực bazơ để hở . = 1.5 V : Điện áp khi tranzisto ở trạng thái bão hòa . =9 A : Dòng colectơ mà tranzisto có thể chịu được . = 1.2 A : Dòng bazơ mà tranzisto có thể chịu được . 29 = 0.8 :Thời gian cần thiết để , từ giá trị giảm xuống 0 . = 3 : Thời gian cần thiết để từ giá trị tăng đến điện áp nguồn . = 125 W : Công suât tiêu tán cực đại bên trong tranzisto . b . Tính chọn diode : Dòng điện pha tải có 3 đoạn khác nhau trong nửa chu kỳ : 0 ÷ = [1- ] (1) ÷ = [1- ] (2) ÷ = [1- ] (3) Với Q = = tag φ = 0.33 a = = = 0.36 Tại = , dòng quá tải pha A bằng 0 : = 0 Từ (1) ta có : = [1- ] =0 = ln ⇒ = ln = ln = 0.25 ⇒ = Trạng thái chuyển mạch Diode , tại thời điểm = 0 , Diode dẫn và dòng qua diode cũng là dòng quá tải, lúc này dòng qua diode cũng là dòng cực đại của diode : = (0) = ] = ] = 1.49 (A) Nếu chọn hệ số quá tải dòng điện qua diode là 1.2 thì diode chọn phải chịu dòng là : 30 = 1.2* 1.49 = 1.8 ( A ) Điện áp ngược đặt lên mỗi diode là : = = = *466.7 = 311.2 (v) Chọn hệ số quá áp là = 1.6 thì Diode chọn phải chịu điện áp ngược là : = =1.6*311.2 = 498 (V) Ta chọn Diode loại B10 của Liên Xô theo bảng I1 trang 11 Sách Điện Tử Công suất của Nguyễn Bính . c. Tính chọn tụ : = cotg = = = 3.03 Trong nghịch có 3 pha không tải lúc nào cũng cần tụ khi nguồn là mạch nghịch lưu . Nếu ta có tỉ số > 0.66 thì không cần tụ và dòng do điện cảm tải pha này sẽ không trả về nguồn mà chạy qua pha khác ( quẩn trong hệ ba pha tải ) Trường hợp tỷ số 0.66 ta cần đưa tụ vào với hệ số là : = (2ln 2 – 1) thường lấy = 0.1 Mà = 3.03 ⇒ = ⇒ = (2ln 2 – 1) = (2ln 2 – 1) = (2ln 2 – 1) = 3.6* ( F ) Tụ phải chịu điện áp =446.7 ( V ). Nếu chọn hệ số về áp để tụ hoạt động an toàn là 1.3 thì Vậy phải dùng loại tụ có điện dung 3.6* ( F )và chịu điện áp là 600 V 31 2.2. BỘ ĐIỀU CHỈNH XUNG ĐIỆN ÁP Bộ điều chỉnh xung điện áp một chiều được sử dụng khi có sẵn nguồn cố định mà không cần điều chỉnh điện áp ra tải. Bộ điều chỉnh này hoạt động theo nguyên tắc đóng cắt nguồn tải một cách chu kì theo một số luật khác nhau. Phần tử thực hiện đó nhiệm vụ đó là các van bán dẫn , do chúng làm trong mạch một chiều nên chỉ dung thyristo thông thường nó không được khóa lại một cách tự nhiên ở giai đoạn âm của điện áp nguồn như khi làm việc với dòng xoay chiều. Nên ở đây có mạch chuyên dung để khóa thyristo gọi là “ mạch khóa cưỡng bức “ gây nhiều khó khăn trong thực tế . Vì vậy hiện nay người ta dung các van điều khiển cả đóng và ngắt như tranzisto bilolaz . 2.1.1. Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp điều chỉnh điện áp : Sơ đồ mạch và dạng song : Trong khoảng thời gian 0 ta cho van T mở toàn bộ điện áp được đưa đến tải , còn trong khoảng thời gian từ T ta cắt nguồn ra khỏi tải,lúc này giá trị trung bình của điện áp ra tải là : = dt = dt = = 2 Với Z = 32 Theo biểu thức trên, suy ra 3 phương án điều chỉnh điện áp : T= const , = var : Phương pháp độ rộng xung. T= var , = const : Phương pháp tần số xung . T= var , = var : Phương pháp xung thời gian . Trong 3 phương pháp trên thì phương pháp tần số xung và phương pháp xung thời gian có nhiều nhược điểm . Tần số phải thay đổi trên một phạm vi rộng lớn mới có thể cung cấp một dải điện áp đầu ra. Việc thiết kế bộ lọc với tần số thay đổi được gặp nhiều khó khăn .Trong trường hợp mức điện áp ra thấp nếu ta điều khiển theo phương pháp này sẽ làm thời gian lớn gây nên hiện tượng gián đoạn dòng điện . Việc sử dụng phương pháp độ rộng xung tránh được phần nào nhược điểm trên nên nó có tính thích hợp cao hơn, do đó ta chọn phương pháp này để điều khiển. 2.1.2. Tính chọn Tranzisto T : Ở đây ta dung phương pháp độ rộng xung Gọi : Thời gian mở : Thời gian khóa của tranzisto. Điện áp trước bộ biến đổi . Ta có điện áp chung bình sau bộ biến đổi là : = dt = = Z Chọn tần số làm việc của bộ biến đổi là f = 2000 Hz T = = = (s) Phạm vi điều chỉnh điện áp của ta là : = 0.2 , = 0.8 , Nếu cho sụt áp trên cuộn dây bộ lọc không đáng kể do đó giá trị điện áp phía sau bộ biến đổi tại thời điểm cực đại của điện áp chính là : U = = = 583.4 ( V ) 33 Chọn hệ số quá áp = 1.6 Vậy phải chọn Tranzisto chịu điện áp là : = = 1.6* 583.4 = 933.5 ( V ) Một cách tương đối ta xem hiệu suất của bộ nghịch lưu là η = 0.9 . Theo định luật bảo toàn năng lượng , ta có : = = = = 2.38 ( A ) Vậy chọn dòng điện cực đại qua tranzisto là = 2.49 ( A ) . Chọn hệ số dự trữ dòng = 1.2 . Vậy phải chọn Tranzisto sao cho thỏa mãn dòng qua đó là : = = 1.2*3.28 = 2.868 (A) Khi sụt áp trên bộ lọc cuộn dây phía trước nghịch lưu là không đáng kể , do đó giá trị điện áp phía sau bộ biến đổi tại thời điểm cực đại của dải điều chỉnh Z là: = 466.7 ( V ) Chọn hệ số quá áp = 1.6 , ta phải chọn Traisto chịu được điện áp là : = = 1.6*558.4 = 896.3 ( V ) Từ đó ta chọn được Tranzisto loại BUX 47A . Với = 1000 ( V) = 9 ( A ) = 1 s = 125 ( W) 2.2.3 . Tính chọn Diode : Diode dùng để ngăn chặn điện áp tự cảm từ cuộn kháng quá lớn khi chuyển mạch Tranzisto từ mở sang khóa và do đó bảo vệ Traisto khỏi quá áp đánh thủng . 34 Đồ thị biểu diễn quá trình dòng điện và điện áp sau bộ chỉnh lưu : Giá trị trung bình dòng điện chạy qua Diode là : = = = (1- ) Để tìm ta đạo hàm theo z = (1-2z) = 0 Z = = (Z = ) = = *2.38 = 1.19 ( A ) Ta cần chọn Diode chịu dòng cực là : = =1.6*466.7 = 746.72 ( V) Tra theo bảng diode ta chọn được loại B10 của Liên Xô với các thông số : = 10 A : Dòng trung bình = 100 ÷ 1000 (V) : Điện áp ngược : Sụt áp trên Diode . 35 2.3. BỘ LỌC SAU ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP Sơ đồ mạch lọc : 2.3.1. Chọn điện cảm L : Giả sử rằng quá trình chuyển mạch điện áp là không đổi ( quá trình quá độ điện áp trên tụ không đột biến ) Khi Tranzisto T mở : = L + ( 1 ) Khi tranzisto T khóa , ta có : ( 1 ) L = - Với = dt = =Z Vậy L = (1 – Z ) Hay di= – dt ⇒ i = t + Khi t = = 2T , ta có : i = = – Ta có : = - L di = - dt = dt ⇒ i = ( t - ) = - ( t + Zt ) + 36 Khi t = , ta có : i = ⇒ = - ( 1+ Z )T + Vậy = = Để tìm , ta thực hiện như sau : = = 0 Z = - Vậy = (Z = ) = Suy ra : % = Cần chọn L sao cho % 15% 15% L = = 0.13 H Vậy L = 0.13 H 2.3.2. Chọn tụ điện C : Dòng điện qua mạch chỉ có thành phần xoay chiều , vậy độ nhấp nhô của dòng điện tải bằng dòng điện chạy qua tụ C . Ta có : = C = dt = = (T - ) = Z (T- ) Để tính , ta thực hiện như sau : = (1- 2Z ) = 0 Z = = (Z = = = Chọn tụ C sao cho =15% 37 15 ≥ = = =1.475* ( F ) Vậy C = 1.475* ( F )chịu áp trên 300 V. Trên thực tế nhà sản xuất chỉ sản xuất theo các điện dung tiêu chuẩn Vậy ta chọn tụ 16.5 * ( F ) chịu điện áp trên 300 Và tụ hóa phân cực . 2.4. BỘ LỌC SAU CHỈNH LƢU Một cách tương đối ta xem năng lượng tiêu tán trên bộ điều chỉnh điện áp và bộ lọc là không đáng kể thì ta có : * = * =Z* Điện áp có thể được tính như sau : = = (T - ) = T(1 – Z ) Sơ đồ : Tìm chỉ số cực đại của : = (1 – 2Z) = 0 ⇒ Z = ⇒ = (Z = )= ⇒ = Chọn giá trị sao cho = 15% ⇒ = =1.475* F Ta có tần số dao động của mạch lọc , là : = Để tránh hiện tượng cộng hưởng xảy ra trong mạch ta cần chọn : ≥ ( 2 ÷ 3 ) với là tần số làm việc của Tranzisto T . Chọn ⇒ 38 Suy ra : = ⇒ = = = Như vậy ta chọn chị số điện cảm và điện dung là : = , F 2.5. BỘ CHỈNH LƢU Bộ chỉnh lưu có chức năng biến nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều,ở đây ta dung mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển , bộ chỉnh lưu bao gồm các nhóm van điều chỉnh và máy biến áp . + Van có tác dụng đóng mở tạo thành dòng một chiều . +Máy biến áp có tác dụng biến đổi điện áp nguồn phù hợp với yêu cầu cần thiết của phụ tải, cách ly phụ tải lưới điện để vận hành an toàn, cải thiện dạng sóng của điện lưới . Ngoài ra còn có tác dụng hạn chế tốc độ tăng của dòng anod . So với chỉnh lưu không điều chỉnh hình tia thì chỉnh lưu hình cầu có đặc điểm sau: + Có điện áp đặt lên van nhỏ hơn 2 lần so với hình tia . + Điện áp chỉnh lưu phía đầu ra có độ nhấp nhô thấp , chất lượng điều chỉnh tốt hơn . + Có điện áp nguồn nhỏ hơn so với hình tia, máy biến áp tận dụng triệt để hơn , lõi thép không bị từ hóa . Nhưng ở sơ đồ hình cầu có diode nhiều hơn 3 van nên đắt tiền hơn . 39 Sơ đồ chỉnh lưu cầu Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2.5.1. Sơ đồ chỉnh lƣu và nguyên lý dạng sóng : 40 Điện áp chỉnh lưu : = + U = 383.4+ 5834(15% + 4% ) + 2 = 617 ( V ) Giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp máy biến áp : = = = 216 (V) Tỉ số máy biến áp : m = = = 0.69 41 Điện áp lớn nhất mỗi Diode phải chịu là : = * = *261 = 639.3 ( V ) Giá trị trung bình của mỗi dòng qua Diode là : = = = 0.97 ( A ) Giá trị dòng điện chạy qua trong mỗi pha thứ cấp máy biến áp : = = 2.38 = 1.94 ( A ) Giá trị dòng điện chạy qua trong mỗi pha sơ cấp máy biến áp : = m = 0.69*1.94 =1.34 ( A ) Chọn Diode có hệ số dự chữ áp là : Chọn Diode có hệ số dự chữ dòng là : Vậy Diode chịu được : = 1.6*693.3 = 1023 ( V ) = 1.2 * 0.79 = 0.95 ( A ) Lúc mở máy dòng tăng lên 4 lần : Chọn Diode : BJI-10 Có = 10 ( A ) = 300 ÷ 1500 ( V ) Các van chỉnh lưu 3 pha cần chia thành 2 nhóm : - Nhóm catod chung gồm 3 van , , - Nhóm atod chung gồm 3 van , , Trong nhóm Anotd van nào van nào có thể âm hơn thì dẫn , trong nhóm Catod van nào có thể dương hơn thì dẫn . Vậy tại một thời điểm bất kỳ bao giơ cũng có hai van dẫn cho dòng chạy qua , 1 van ở nhóm Anotd và van còn lại ở nhóm catod , mỗi van dẫn trong khoảng dẫn 42 Ta xét trong khoảng 0 ÷ , van , dẫn . Khi đó , điện áp đặt vào đầu của tải còn điện áp đi qua van và đặt vào đầu còn lại của tải . Do đó : - Tại thời điểm lúc đó = Nên van mở và sau đó âm hơn nên và bị khóa lại : Tương tự trong khoảng ÷ thì và mở nên : - Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu : cos d = = 2.34 Điện áp lớn nhất đặt lên mỗi Diode là : = 2 cos = 2.45 Dòng chảy trong Diode bằng dòng chỉnh lưu : Giá trị chung bình của dòng tải : = d = Giá trị trung bình của dòng chảy trong mỗi Diode : = d = 43 CHƢƠNG 3. GIỚI THIỆU - TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TOÀN HỆ THỐNG 3.1. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA TRANSISTOR LƢỠNG CỰC Cấu tạo của transisto có dạng nhƣ hình vẽ : 3.3.1. Định nghĩa : Transisto là linh kiện bán dẫn gồm 3 lớp bán dẫn loại P và N cho tiếp xúc với nhau để tạo thành 2 lớp tiếp giáp loại P - N và N – P . Tùy theo cách sắp xếp thứ tự các vùng bán dẫn người ta chế tạo ra 2 loại Transisto thuận PNP và Transisto ngược NPN . Để phân biệt với 1 số loại Transisto trong thực tế người tư gọi Transisto thuận và ngược là BJT ( Bipola junction Transtor ) . E : Emitor ( Cực phát ) B : Bazer ( Cực điều khiển ) C : Colector (Cực thu ) 44 3.1.2. Hoạt đông : • Để mô tả hoạt động của tranzitor, ta lấy tranzitor loại PNP làm ví dụ. • Trên hình 1.12a, khi tiếp giáp colector không được phân cực, tiếp giáp emitor được phân cực thuận. Độ rộng vùng điện tích không gian giữa p và n (còn gọi là vùng nghèo) sẽ bị giảm, mức giảm tuỳ theo điện áp phân cực, kết quả là dòng của các hạt đa số (các lỗ trống) khuếch tán từ miền bán dẫn p (cực E) sang miền bán dẫn n (cực B). • Khi tiếp giáp emitor không được phân cực, tiếp giáp colector phân cực ngược, không có dòng của các hạt đa số (điện tử ở bán dẫn n) chỉ có dòng của các hạt thiểu số (lỗ trống ở bán dẫn n) (hình 1.12 b). • Trường hợp tiếp giáp emitor phân cực thuận, tiếp giáp colector phân cực ngược (hình 1.12c). Khi tiếp giáp emitor phân cực thuận, các hạt đa số khuếch tán qua tiếp giáp tới miền bazơ tạo nên dòng IE. Tại miền bazơ các hạt đa số này lại chuyển thành các hạt thiểu số, một phần bị tái hợp với các điện tử tạo thành dòng IB, phần còn lại do độ rộng của miền bazơ rất mỏng, tiếp giáp colector phân cực ngược nên các lỗ trống ở miền bazơ bị cuốn sang miền 45 colector taọ lên dòng Ic. Dòng Ic này đợc tạo bởi hai thành phần: dòng của các hạt đa số từ miền emitor, và dòng của các hạt thiểu số (lỗ trống ở miền bazơ khi có sự khuếch tán từ emitor sang). 3.1.3. Đặc điển kết cấu . • Dòng điện điều khiển Ib được xác định Ib = IC/ • Trong điện tử công suất, dòng điện lớn nên tranzitor làm việc ở chế độ đóng cắt nên khi mở phải thoả mãn điều kiện: Ib = kbh. IC/ (kbh = 1,2 1,5 - hệ số bão hoà), điện áp bão hoà CE khoảng 1-1,5 V Ib = IC/ • Do cần hệ số khuếch đại lớn nên BJT thường cấu tạo dạng darlington 3.1.4. Sơ đồ cấu trúc BJT . • Thêm một lớp bán dẫn n- là vùng có trở kháng cao Hoạt động : • p - n- là vùng có trở kháng cao, dó đó tranzitor có điện áp cao hay thấp phụ thuộc độ dầy miền n- • ở chế độ bão hoà, dòng điện Ib lớn, các điện tử đợc đa thừa vào vùng p, các điện tích trung gian không trung hoà hết vùng bazơ có điện trở nhỏ 46 có dòng điện chạy qua. Do tốc độ trung hoà điện tích không kịp, tranzitor không còn khả năng khống chế dòng điện. 3.1.4. Đặc tính của BJT . Đặc tính tĩnh của BJT Đặc tính điều khiển như hình bên Một số nhận xét: • Cùng một IC muốn có UCE nhỏ thì IB phải lớn • Hệ số khuếch đại của tran công suất nhỏ Đăc tính ra : UCB0 - điện áp đánh thủng CB khi hở E UCE0 - điện áp đánh thủng CE khi hở B Đặc tính đóng cắt : 47 Đặc tính đóng cắt điển hình có thể chia thành 8 vùng : 1. Tran. đang khoá 2. Thời gian trễ của Tran. khi mở 3. Quá trình tăng dòng IC do sự tích lũy điện tích trong bazơ 4. Vào vùng bão hoà 5. Chế độ làm việc bão hoà 6. Thời gian trễ khi khoá, do mật độ điện tích lớn không giảm nhanh được. 7. Dòng colector giảm về 0 8. Tụ BE đợc nạp với -UBE đảm bảo cho Tran khoá 9. Tran khoá hoàn toàn Các thông số cơ bản : IC – dòng điện định mức, ( tới 1000A) - hệ số khuếch đại dòng điện IB = IC/ – dòng điện bazơ mA U – sụt áp thuận; (khoảng (0,7 - 2)V) P – tổn hao công suất sinh nhiệt (đến hàng kW) Tcp- nhiệt độ làm việc cho phép; Tại lớp tiếp giáp khoảng 200 0 C UCE - điện áp CE; Trong khoảng (50-1500)V UBE - điện áp BE; hàng vôn 3.1.5. Sơ đồ darlington . • Từ đặc tính tĩnh ở trên thấy rằng hệ số khuếch đại dòng điện của các tran. công suất nhỏ chỉ khoảng hàng chục. Do đó cần mắc hai tran. nối tiếp nhau như hình vẽ • Hệ số khuếch đai: • = 1 + 2 + 1 2 • = 1 2 48 Ổn định làm việc : • Khi có xét dòng điện rò • iC = iC1+iC2= 1iB1 + ICEO1+ 2iB2 + ICEO2 • = ( 1 + 2 + 1 2)iB1+(1+ 2)ICEO1+ICEO2 • Khi nhiệt độ thay đổi dòng rò thay đổi, nó được nhận thêm (1+ 2)ICEO1 làm sơ đồ kém ổn định theo nhiệt độ • Để khắc phục, đưa thêm các điện trở như hình vẽ • Mạch vào được phân thành hai nhánh • iB1 = iB-UBE1/R1; iB2=iE1+UBE1/R1- UBE2/R2 • Sau biến đổi có: • iC = iC1+iC2= 1iB1 + ICEO1+ 2iB2 + ICEO2 • = ( 1 + 2 + 1 2)iB+(1+ 2)(ICEO1- 1 UBE1/R1) +(ICEO2- 1 UBE2/R2) 3.2. NHIỆM VỤ CHỨC NĂNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN Mạch điều khiển có chức năng sau: - Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kì dương của điện áp đặt lên e-c của T. - Tạo các xung điều khiển có thể mở được Tranzisto. Xung điều khiển có độ rộng 2 10V; độ rộng xung tx = 20 100 s. Độ rộng xung điều khiển có thể tính được theo công thức: Idt: dòng duy trì của Tranzisto di/dt: tốc độ tăng trưởng của dòng điện tải. dt di t dt I x 49 3.3. CẤU TRÚC CHUNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƢU 3.4. YÊU CẦU VỀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN Mạch điều khiển là một khâu quan trọng trong hệ thống điều khiển Tranzisto, nó là bộ phận chủ yếu quyết định chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi. - Yêu cầu độ lớn của điện áp và dòng điều khiển có 3 yêu cầu chủ yếu sau: + Các giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị cho phép. + Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo được tất cả các Tranzisto cùng loại ở mọi điều kiện làm việc. + Tổn hao công suất trung bình ở cực điều khiển nhỏ hơn giá trị cho phép. - Yêu cầu về tính đối xứng của xung trong kênh điều khiển: Trong các bộ biến đổi có nhiều pha, tính đối xứng của xung điều khiển rất quan trọng, nếu xung điều khiển mất tính đối xứng sẽ làm cho dòng colector của các pha có hình dạng khác nhau và giá trị khác nhau làm mất cân bằng của máy biến áp xung do đó giảm công suất MBAX. - Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển: Thông thường độ rộng xung không nhỏ hơn 5 s và tăng độ rộng của xung điều khiển sẽ cho phép giảm nhỏ xung điều khiển. Khi mạch tải có điện cảm lớn thì dòng điện tải it tăng chậm nên phải tăng độ rộng của xung điều khiển. -Yêu cầu về độ tin cậy của mạch điều khiển: Mạch điều khiển phải làm việc tin cậy trong mọi trường hợp nhiệt độ thay đổi. -Yêu cầu về lắp ráp vân hành: Sử dụng thiết bị dễ thay thế, dễ lắp ráp, điều chỉnh, thiết bi thay thế dễ dàng giữa các khối cho nhau nhưng mối khối phải có khả năng làm việc độc lập. 50 3.5. CÁC KHÂU CHÍNH CỦA BỘ PHẬN NGHỊCH LƢU 3.5.1. Khâu phát xung chủ đạo : 3.5.1. Khối phát xung chủ đạo: Ta dùng vi mạch 555 đây là khối phát xung chữ nhật. Sơ đồ khối phát xung như sau: 3.5.1.1. Mạch dao động Mạch dao động là mạch mạch dao động sử dụng các linh kiện để phát ra tín hiệu xung dao động cụ thể để điều khiển thiết bị. Có nhiều dạng tín hiệu xung được phát ra từ mạch dao động, như xung sine , xung vuông , xung tam giác….. 3.5.1.2. Mạch dao động tạo xung vuông: Có nhiều cách thiết kế mạch để tạo xung vuông như thiết kế mạch dùng Transistor, thiết kế mạch dùng Opam, … Ở đây,chọn thiết kế mạch dao động tạo xung vuông dùng ICNE555N . Theo như sơ đồ khối sau đây. Dựa vào sơ đồ khối ta có thể nhận ra rằng để tạo được xung vuông ta chỉ cần IC 555 và 1 số linh kiện phổ biến như R,C. 51 3.5.1.3. Lý do chọn mạch tạo xung vuông sử dụng IC NE555 N: - IC NE555 N rất phổ biến ,dễ tìm . - Mạch tạo xung dung IC này rất dễ làm , dễ giải thích , dễ hiểu nguyên lý làm việc của nó . 3.5.1.4. Giới thiệu IC NE555 N: IC NE555 N gồm có 8 chân. - Chân số 1(GND): cho nối mase để lấy dòng cấp cho IC - Chân số 2(TRIGGER): ngõ vào của 1 tần so áp.mạch so áp dùng các transistor PNP. Mức áp chuẩn là 2*Vcc/3. - Chân số 3(OUTPUT): Ngõ ra .trạng thái ngõ ra chỉ xác định theo mức volt cao(gần bằng mức áp chân 8) và thấp (gần bằng mức áp chân 1) - Chân số 4(RESET): dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6. - Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối mase. Tuy nhiên trong hầu hết các mạch ứng dụng chân số 5 nối masse qua 1 tụ từ 0.01uF  0.1uF, các tụ có tác dụng lọc bỏ nhiễu giữ cho mức áp chuẩn ổn định - Chân số 6(THRESHOLD) : là ngõ vào của 1 tầng so áp khác. mạch so sánh dùng các transistor NPN .mức chuẩn là Vcc/3 - Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem như 1 khóa điện và chịu điều khiển bởi tầng logic .khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì 52 nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động . - Chân số 8 (Vcc): cấp nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC.Nguồn nuôi cấp cho IC 555 trong khoảng từ +5v  +15v và mức tối đa là +18v 3.5.1.5. Bố trí chân và sơ đồ nguyên lý Hình dạng của 555 ở trong hình 1 và hình 2. Loại 8 chân hình tròn và loại 8 chân hình vuông. Nhưng ở thị trường Việt Nam chủ yếu là loại chân vuông. Nhìn trên hình 3 ta thấy cấu trức của 555 nó tương đương với hơn 20 transitor , 15 điện trở và 2 diode và còn phụ thuộc vào nhà sản xuất. Trong mạch tương đương trên có : đầu vào kích thích , khối so sánh, khối điều khiển chức năng hay công suất đầu ra.Một số đặc tính nữa của 555 là : Điện áp cung cấp nằm giữa trong khoảng từ 3V đến 18V, dòng cung cấp từ 3 đến 6 mA. 53 Dòng điện ngưỡng xác định bằng giá trị lớn nhất của R + R . Để điện áp 15V thì điện trở của R + R .phải là 20M Tất cả các IC thời gian đều cần 1 tụ điện ngoài để tạo ra 1 thời gian đóng cắt của xung đầu ra. Nó là một chu kì hữu hạn để cho tụ điện (C) nạp điện hay phòng điện thông qua một điện trở R. Thời gian này được xác định thông qua điện trở R và tụ điện C Đường cong nạp của tụ điện Mạch nạp RC cơ bản như trên hình 4. Giả sử tụ ban đầu phóng điện. Khi mà đóng công tắc thì tụ điện bắt đầu nạp thông qua điện trở. Điện áp qua tụ điện từ giá trị 0 lên đến giá trị định mức vào tụ. Đường cong nạp được thể hiện qua hình 4A.Thời gian đó nó để cho tụ điện nạp đến 63.2% điện áp cung cấp và hiểu thời gian này là 1 hằng số. Giá trị thời gian đó có thể tính bằng công thức đơn giản sau: t = R.C 54 3.5.1.6. cấu tạo bên trong và nguyên tắc hoạt động của IC 555 a. cấu tạo: Về bản chất thì IC 555 là 1 bộ mạch kết hợp giữa 2 con Opamp , 3 điện trở , 1 con transistor, và 1 bộ Fipflop(ở đây dùng FFRS ) - 2 OP-amp có tác dụng so sánh điện áp - Transistor để xả điện. - Bên trong gồm 3 điện trở mkc nối tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần. Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn. liện áp 1/3 VCC nối vào chân dương của Opamp 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2. Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3VCC, chân S = [1] và FF được kích. Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF=[1] và FF được reset b.Giải thích sự dao động: 55 Ký hiệu 0 là mức thấp(L) bằng 0V, 1 là mức cao(H) gần bằng VCC. Mạch FF là loại RS Flip-flop, Khi S = [1] thì Q = [1] và = [0]. Sau đó, khi S = [0] thì thì Q= [1] và = [0]. khi R= [1] thì = [1] và Q = [1]. Tóm lại, khi S = [1] thì Q = [1] và khi R= [1] thì Q = [0]. bởi vì = [1], transisitor mở dẫn, cực C nối đất. Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp ở chân 6 không vượt quá V2. Do lối ra của Opamp 2 ở mức 0, FF không reset. Khi mới đóng mạch, tụ C nạp qua Ra, Rb, với thời hằng (Ra +Rb)C. * Tụ C nạp từ điệnÁp 0V → Vcc/3: - Lúc này V+1(V+ của Opamp1) > V-1. Do đó O1 (ngõ ra của Opamp1) có mức logic 1(H). - V+2< V-2 (V-2 = 2Vcc/3) . Do đó O2 = 0(L). - R = 0 , S = 1⇒ Q = 1 , = 0. - Q = 1 ⇒Ngõ ra = 1. - = 0⇒Transistor hồi tiếp không dẫn. * Tụ C tiếp tụ nạp từ điện áp Vcc/3 →2Vcc/3: - lúc này, V+1 < V-1. Do đó O1= 0. - V+2 < V-2. Do đó O2 = 0. - R= 0, S = 0 ⇒, Q , sẽ giữ trạng thái trước đó (Q = 1, = 0). - Transistor vẫn không dẫn ! * Tụ C nạp qua ngưỡng 2Vcc/3: - Lúc này, V+1< V-1. Do đó O1 = 0. - V+2 > V-2. Do đó O2 = 1. - R = 1,S = 0 ⇒Q = 0, =1. - Q = 0 ⇒ Ngõ ra đảo trạng thái = 0. - =1⇒Transistor dẫn, điện áp trên chân 7 xuống 0V ! - Tụ C xả qua Rb. Với thời hằng Rb.C - Điện áp trên tụ C giảm xuống do tụ C xả, làm cho điện áp tụ C nhảy xuống dưới 2Vcc/3. 56 * Tụ C tiếp tục “ XẢ “ từ điện áp 2Vcc/3 →Vcc/3 - Lúc này, V+1< V-1. Do đó O1 = 0. - V+2 < V-2. Do đó O2= 0. - R = 0, S = 0 ⇒Q, sẽ giữ trạng thái trước đó (Q =0, = 1). - Transistor vẫn dẫn ! * Tụ C xả quá ngưỡng Vcc/3: - Lúc này V+1 > V-1. Do đó O1= 1. - V+2 < V-2 (V-2 =2Vcc/3) . Do đó O2 = 0. - R = 0, S =1 ⇒Q = 1, =0. - Q =1 ⇒Ngõ ra= 1. - =0. ⇒ Transistor không dẫn ⇒ chân 7 không = 0V nữa và tụ C lại được nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3. * Quá trình lại lặp lại.  Kết quả: Ngõ ra OUT có tín hiệu dao động dạng sóng vuông, có chu kì ổn định Nhận xét: - Vậy, trong quá trình hoạt động bình thường của 555, điện áp trên tụ C chỉ dao động quanh điện áp Vcc/3 →2Vcc/3. - Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3, và kết thúc nạp ở thời điểm điện áp trên C bằng 2Vcc/3.Nạp điện với thời hằng là (Ra+Rb)C. - Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là 2Vcc/3, và kết thúc xả ở thời điểm điện áp trên C bằng Vcc/3. Xả điện với thời hằng là Rb.C. - Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện. 3.5.1.7. cơ sở lý thuyết và phương pháp tính các giá trị trong mạch: Để tính chu kì dao động T của 1 mạch dao động tạo xung ta cần phải tính được thời gian ngưng dẫn của tụ khi nạp và xả. Ta có sơ đồ mạch đơn giản để tính thời gian ngưng dẫn khi tụ nạp xả 57 Từ mạch tương đương suy ra : I(s) = ⇒ I(s) = ⇒ - I(s) = - ⇒ = – (2 - 0.7 ) Xác định t để : 0.7 = – (2 - 0.7 ) ⇒ (2 - 0.7 ) = - 0.7 ⇒ = ⇒ =ln( Thường >>0.7 V nên : = * ln2=0.693* 0.7* Tính thời gian ngừng dẫn của . Chính là thời gian bắt đầu dẫn đến khi ngừng dẫn .Tương tự thời gian ngưng dẫn của là : 0.7* * ln2=0.693* 0.7* Vậy chu kì dao động của mạch được tính : T ( + Giả sử = = ; = = thì chu kì dao động của trở thành : T = 1.4 Và tần số dao động : = Thông thường trong mạch dao động ta có công thức tính thời gian ngưng dẫn của transistor là : T = RCln2 =0.693 RC 58  Thời gian ngưng dẫn ở mức áp cao cũng là lúc tụ C2 nạp dòng qua R1+R2 Tn = 0.693*(R1+R2)*C2 Thời gian ngưng dẫn ở mức áp thấp cũng là lúc tụ C2 xả dòng qua R2 Như vậy chu kì của tín hiệu sẽ là : T = Tn+Tx T = 0.693*(R1+2*R2)*C2 3.5.1.8. Trong bài toán thiết kế mạch thực tế: Giả sử ta chọn tần số dao động của mạch là F =1,5 (KHz), chọn C2 = 10nF, R1=R2 Khi đó , Tn= 2Tx ⇒T=3Tx, với T=1/F Tx =T/3 = 1/3F=1/(3*1,5KHz) = 0.693*R2*10nF ⇒ R2 =32.2 kΩ ⇒ chọn R2 = 32 kΩ ( sai số 5% ) Ta có : F = 1/T = 1/(0,693*(R1+2*R2)*C1) R3 chỉ là tải giả mắc vào chân 3 của NE555 để mô phỏng, chọn khoảng vài kΩ là được... - R5 cũng là điện trở điệm ngõ ra của NE555 với ngõ vào của C1815, ngăn ngừa trường hợp con C1815 có vấn đê... chọn khoảng vài trăm Ohm cũng được... - C1815 là trans đệm (buffer) ngã ra, thương lắp theo kiểu cực thu chung (CC), đặc điểm của cách mẵc này cho ta trở kháng ngõ (ri) vào rất lớn , R4 (RE) chọn sao cho trở kháng ngõ vào của nó đủ lớn để khi ta ghép các tầng phía sau của C1815 sẽ không ảnh hưởng đến các tham số của mạch LM555 , thương vài trăm kΩ . Công thức tính tải: 59 kết luận: nếu muốn thay đổi độ lớn tần số dao động của mạch thì chỉ cần thay đổi giá trị của Ra,Rb hoặc của C1. Tuy nhiên Nếu chỉ thay đổi giá trị R1 (hoặc R2) không thôi, thì tần số (F) cũng như độ rộng xung (Duty cycle) sẽ bị thay đổi cùng một lúc . + Muốn thay đổi tần số(giữ nguyên độ rộng xung ) thì R1, R2 phải được thay đổi cùng một lúc ( cùng tăng hoặc cùng giảm một giá trị như nhau ) + Muốn thay đổi độ rộng xung(giữ nguyên tần số ) thì R1, R2 phải được thay đổi cùng một lúc nhưng có chiều ngược lại ( khi R1 tăng thì R2 phải giảm cùng một giá trị như nhau ) Thiết kế như sau : Mạch dao động tạo xung vuông dùng IC555 Trong thực tế giá trị của R1 và R2 có thể có sai số vì thế giảm trị số của R1 ( hoặc R2) để cho duty cycle đạt được 50% .Mạch trên dùng thêm 2 Diode để Tn = Tx , để đảm bảo có được xung vuông tại chân OUT ( 3 ) là đối xứng . Sở dĩ 2 con Diode nay có tác dụng như vậy là vì lúc tụ nạp thì dòng chỉ qua R1 nhờ có Diode D2 .Khi đó thời gian nạp là Tn=t1=0,693.R1.C2 .Và khi 60 tụ xả cũng vậy , nhờ có Diode D1 mà dòng xả chỉ qua R2 và thời gian xả là Tx=t2=0,693.R2.C2. Mà R1 = R2 (chọn lúc thiết kế ) ⇒ ( Tn = Tx ) . Hình minh họa quá trình nạp xả cho tụ C2 Ngõ ra tại chân số 6 cho ra xung tam giác ( hơi bị răng cư chứ sườn xung không thẳng ) . Tương tự ngõ OUT tại TST cũng cho xung ra gần giống xung như tại chân số 6 (cái này chưa đạt yêu cầu vì theo lí thuyết thì khi qua C1815 thì xung sẽ trơn hơn cạnh xung sẽ thẳng hơn nhưng trong mạch thì cạnh xung ra tại C1815 không thẳng . . .????) Dạng xung tại ngõ OUT (3): 61 Dạng xung tại chân số 6 : Dạng xung tại chân E của C1815 : 3.6. KHÂU PHÂN PHỐI XUNG Vì các van của tranzisto là không đóng mở cùng 1 lúc lên việc phát xung điều khiển cũng không đồng thời mà lệch pha nhau lên phải sử dụng khâu phân phối xung . Dựa vào đồ thị và bảng trạng thái mở của các van Tranzisto ta có nhận xét : + Khi T1 mở thì T4 khoá , tức là T1 có xung điều khiển thì T4 hoàn toàn không có xung điều khiển . + T3 có xung điều khiển thì T6 hoàn toàn không có xung điều khiển . + T5 có xung điều khiển thì T2 hoàn toàn không có xung điều khiển . Vì mỗi xung cách nhau nên ta dung các Flip flop D để tao ra bộ lệch pha xung để phân phối xung điều khiển đên các Tranzisto . Xung được cung cấp từ đầu ra của khối phát xung chủ đạo IC555 . 62 Bảng chân lý của Flip flop D . Từ bảng chân lý ta có bảng đầu vào kích của Flip flop D . Tại mỗi thời điểm trong bộ nghịch lưu luôn có 3 Tranzsito ( trong 6 Tranzsito ) mở nên phải phân phối xung cho các tranzsito phù hợp với yêu câu mở ⇒ Trạng thái đầu ra của các Flip flop D như sau : Từ đó ta thành lập bảng trạng thái của Flip flop D M Xung Trạng thái hiện tại Trạng thái chuyển tiếp Đầu vào Flip flop D 63 Dựa vào bảng trạng thái cho các Flip flop D ta tìm được sự liên hệ giữa các đại lượng đầu vào và ra gián theo phương pháp Karnaugh . 3.7. KHÂU ĐỂ NGẮT MÁY PHÁT XUNG Sau khi tín hiệu dòng và áp ra tải ổn định thì ta ngắt máy phát xung ra khỏi mạch điều khiển, do đó ta có thể sử dụng rơ le thời gian có hai tiếp điểm, một tiếp điểm thường đóng mở chậm và một tiếp điểm thường mở đóng chậm. Chon rơ le thời gian do liên xô cũ chế tạo loại B201 có các thông số kỹ thuật: + Diện áp định mức Uđm =24V + Khoảng điều chỉnh thời gian 0,25 4s. Theo số liệu trong bài ta điều chỉnh thời gian của rơle là 1s 64 2220 V UU U vvm 75,23 2 305,17 2 minmax 2 Tổng hợp mạch điều khiển: Sau khi chọn các khâu và các phần tử ta ghép nối các khâu lại với nhau và được sơ đồ tổng quát của mạch điều khiển. 3.8. THIẾT KẾ BỘ NGUỒN CUNG CẤP CHO CÁC VI MẠCH, CHO BIẾN ÁP XUNG Ta cần có nguồn một chiều có điện áp 15V và +24V. Do đó ta thiết kế bộ chỉnh lưu, sau bộ chỉnh lưu đặt một ổn áp để ổn định điện áp ra : Chọn dùng IC ổn áp LM7815 có: = 15 V = 17 V Và IC LM7824 có : = 24 V = 27 V Thiết kế mạch nguồn 15V Ta dùng sơ đồ chỉnh lưu 2 nữa chu kỳ biếnáp điểm giữa: Chọn tụ C4 là tụ một chiều 1000 F; C5 = 330nF; C6 = 10nF ; Để xác định tỷ số máy biến áp ta xét điện áp vào cho phép của 7815. Nếu điện áp vào là 220V, 50Hz thì ta có biến độ điện áp cuộn sơ cấp là Cuộn thứ cấp có điểm giữa phải có biên độ: Vậy tỷ số biến áp : D7 3 21 LM7815 +15V C6C5C4 U1=220V U2 D8 65 7 75,23.2 2220 2 2 1 m vm U U a V UU U vvm 5,32 2 3828 2 minmax 2 5 5,32.22 2 2 va Thiết kế mạch tạo nguồn +24V Ta có: Tỷ số biến áp: Sơ đồ mạch tao nguồn +24V: Chọn D7, D8, D9, D10, cùng loại 204 có Itb =800mA, Uim =100V. Thiết kế nguồn cung cấp -15V: Sơ đồ nguồn cung cấp -15V như sau: 66 KẾT LUẬN Sau một quá trình học tập và nghiên cứu, cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo và sự giúp đỡ của các bạn cùng lớp, chúng em đã hoàn thành các nhiệm vụ được giao của bản đồ án: ‘‘Nghiên cứu tổng quan hệ truyền động điện xoay chiều 3 pha . Đi sâu thiết kế chế tạo bộ nghịch nguồn áp 3 pha công suất nhỏ’’ Trong quá trình thực hiện, chắc chắn bản thân chúng em không thể tránh khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn để bản đồ án này hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hải phòng ngày 15 tháng 6 năm 2010 Sinh viên 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Điện tử công suất - Nguyễn Bính . 2. Điện tử số - Nhà xuất bản giáo dục . 3. Điều khiển các hệ thống truyền động điện – Gs.Tskh. Thân Ngọc Hoàn .