Đề tài Thiết kế bộ khởi động cho động cơ không đồng bộ ba pha bằng Thyristor

iều khiển α sao cho: Ikđ = Kkđ.Iđm : ( Kkđ = 2 ÷ 2,5: hệ số khởi động). Chọn Kkđ = 2,5 khi đó ta có: Ikđ = 2,5.90,38 = 227,05 (A) II.1.Chọn Tiristor cho mạch động lực: Ta chọn Tiristor theo dòng điện khởi động và điện áp đặc lên động cơ qua Tiristor là điện áp dây. Khi Tiristor chịu được dòng mở máy thì chịu được dòng điện định mức. Nhưng Tiristor chỉ dẫn dòng ở nửa chu kỳ của điện áp, do đó dòng điện lớn nhất mà Tiristor chịu là: (2 – 2) Để van dẫn có thể làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt chúng ta chọn van theo điều kiện làm việc có làm mát bằng quạt gió đối lưu không khí thổi dọc theo khe hở của cánh tản nhiệt. Nếu ta chọn van chịu được 60% dòng điện định mức thì ta có: (2 – 3) Khi đó điện áp ngược của van được xác định theo công thức: (2 – 4) Trong đó: Knv = : Hệ số an toàn của van được tra trong bảng 1 trang 22 tài liệu “ thiết kế điện tử công suất” của tác giả Trần Văn Thịnh. Điện áp định mức cảu van cần chọn là: (2 – 5) Trong đó: Kdt = 1,7: Hệ số dự trử điện áp của van Kdt = ( 1,2 ÷ 2,2) Tra bảng PL.2 tài liệu “thiết kế điện tử công suất” ta chọn được Tiristor có các thông số kỹ thuật sau đây: Ký hiệu: SH200N21D Điện áp ngược cực đại: Unvmax = 1000 (V) Dòng điện làm việc cực đại: Iđmmax = 200 (A) Dòng điện đỉnh cực đại: IpiKmax = 4000 (A) Dòng điện xung điều khiển: Ig = 150 (mA) Điện áp xung điều khiển: Ug = 3,0 (V) Thời gian chuyển mạch: tcm = 80 μs Sụt áp trên Tiristor: ΔU = 1,7(V) Đạo hàm điện áp: Nhiệt độ làm việc cực đại: Tmax = 1250C II.2. Tính chọn bảo vệ cho van: II.2.1. Bảo vệ quá dòng cho van: * Chọn Atômat: Atômat là loại khí cụ điện dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi có sự cố quá tải, ngắn mạch Tiristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu. Ở mạch động lực khi cần chọn Atômat thoả mãn các thông số kỹ thuật sau đây: Dòng điện làm việc chạy qua Atômat: IđmA = 1,1.Iđm (2 – 6) = 1,1.90,82 = 99,90 (A) Điện áp định mức đặc vào Atômat: UđmA = 380 ( V) Có ba tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hay nam châm điện. Chỉnh định dòng ngắn mạch chạy qua Atômat: Inm = 2,5.Iđm ( 2 – 7) = 2,5.90,82 = 227,05 (A) Chỉnh định dòng quá tải chạy qua Atômat: IqtA = 1,5.Iđm (2 – 8) = 1,5.90,82 = 136,23 (A) Tra tài liệu “Hệ thống cung cấp điện” của tác giả Nguyễn Công Hiền và Nguyễn Mạnh Hoạch ta chọn Atômat có các thông số sau: Loại: Xoay chiều Kiểu kế cấu: NS 225 E Số cực: 3 Dòng điện định mức: IđmA = 400(A) Điện áp định mức: UđmA = 380(A) II.2.2. Bảo vệ quá áp cho van: Linh kiện bán dẫn nói chung và bán dẫn công suất nói riêng, rất nhạy cảm với sự thay đổi của điện áp. Thường là do những nguyên nhân cơ bản sau đây: Điện áp đặt vào van lớn hơn thông số của van. Xung điện áp do chuyển mạch của van. Xung điện áp từ phí lưới xoay chiều, nguyên nhân là do cắt tải có điện cảm lớn trên đường dây. Xung điều khiển do cắt đột ngột máy biến áp non tải. * Bảo vệ quá áp cho van do quá trình đóng cắt Tiristor được thực hiện bằng cách mắc R – C song song với Tiristor. Đây là phương pháp đơn giản và hiệu quả. Sơ đồ nguyên lý: R2 C2 T2 T1 H.2-5: Mạch R – C bảo vệ quá áp do chuyển mạch. Khi có sự cố 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 gây quá điện áp giữa Anod và Catot của Tiristor. Khi có mạch R – C mắc song song với Tiristor tạo ra vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Tiristor không bị quá áp. Trong đó các thông số R2 và C2 được xác định dựa vào “Tài liệu thiết kế điện tử công suất” sao cho: R = ( 5 ÷ 30 ) Ω C = ( 0,5 ÷ 4 ) μF Vậy ta chọn các thông số của mạch bảo vệ như sau: R = 20 Ω C = 1,5 μF * Bảo vệ quá áp cho van khi có xung điện áp từ lưới ta mắc mạch R– C như hình ( H.2-6). Nhờ có mạch lọc mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở dây. R1 C1 R1 R1 C1 C1 H.2-6: Mạch R – C bảo vệ quá áp từ lưới. Trong đó các thông số R1 và C1 được xác định dựa vào “Tài liệu thiết kế điện tử công suất”. ở đây ta chọn: R1 = 20Ω C1 = 4μF II.2.2.3. Bảo vệ quá nhiệt cho van: Khi làm việc nếu có xãy ra ngắn mạch hay quá tải thì dòng điện chạy trong mạch rất lớn, chính dòng điện lớn này chạy qua van. Mà trên van có sụt áp ΔU do đó có tổn hao công suất ΔP lớn, tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng và có thể làm phá hỏng van. Mặc khác van chỉ có thể làm việc dưới nhiệt độ cho phép của nó, nên quá áp nhiệt độ cho phép của nó thì van bị chọc thủng. Để van làm việc an toàn và không bị chọc thủng do nhiệt thì ta phải thiết kế hệ thống toả nhiệt và làm mát hợp lý. Tổn hao công suất trên một Tiristor được xác định theo công thức: ΔP = ΔU.Iđm (2 – 9) = 1,7.90,82 = 154,39 (W) > 100 (W) Diện tích bề mặt toả nhiệt được xác định theo công thức: ( 2 – 10) Trong đó: : Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. τ = Tlv – Tmt : Chênh lệch nhiệt độ so với môi trường. Với : Tlv = 800C: Nhiệt độ cánh toả nhiệt khi Tiristor làm việc định mức Tmt = 400C : Nhiệt độ của môi trường. Suy ra: τ = 80 – 40 = 400C Vậy: Ta chọn thiết bị toả nhiệt bằng nhôm có 16 cánh toả nhiệt. Mổi Tiristor được toả nhiệt về hai phía và làm mát cưỡng bức bằng quạt gió. Vì ở đây tổn hao trên Tiristor quá lớn nên chỉ dùng cánh tản nhiệt để làm mát thì kích thước thật của cánh tản nhiệt quá lớn nên cồng kềnh và nhiệm vụ làm mát không đảm bảo. b a h1 h z c h0 H.2-7: Cánh tản nhiệt cho Tiristor Kích thước của cánh tản nhiệt được chọn là: a = 15 (mm) b = 15 (mm) Vậy diện tích thật của cánh tản nhiệt là: Stnt = 2.16.15.15 = 7200( mm2) = 0,72 m2 Vậy điều kiện làm mát được đảm bảo II.2.4. Chọn thiết bị đóng cắt: Để thực hiện việc đóng cắt và điều khiển mở máy động cơ theo đúng yêu cầu thì cần phải mắt hai công tắc tơ K1, K2 như hình ( H.2-4) trong đó: K1: có nhiệm vụ đóng cắt mạch động lực khi cần thiết và được điều khiển bằng hai nút ấn M và D K2: có nhiệm vụ nối ngắn mạch bộ biến đổi khi khởi động song và được điều khiển bằng Rơle thời gian R. Như vậy ta có thể chọn công tắc tơ K1 và K2 giống nhau. Tra Tài liệu “Hệ thống cung cấp điện” của tác giả Nguyễn Công Hiền và Nguyễn Mạnh Hoạch ta chọn các công tắt tơ có các thông số kỹ thuật sau: Loại: Xoay chiều Dòng điện định mức qua tiếp điểm: Iđmc = 400(A) Điện áp định mức: Uđm = 400(V) Có 4 tiếp điểm, trong đó có 1 tiếp điểm duy trì và 3 tiếp điểm động lực Chọn Rơle thời gian có các thông số kỹ thuật sau: Loại: Dòng điện Dòng điện định mức: Iđm = 400(A) Điện áp định mức: Uđm = 380(V) III.Tính toán các đặc tính: III.1. Đặc tính tự nhiên: Động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha có các thông số sau: Công suất định mức : Pđm = 27 KW. Tần số định mức : fđm = 50 Hz. Điện áp định mức : Uđm = 220/380V. Tốc độ định mức : nđm = 975( vg/ph). Hệ số góc định mức : cosφđm = 0,83. Hiệu suất: ηđm = 0,94. Tỷ số : Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ( phương trình CLOSS): ( 2 – 11) Tại thời điểm làm việc định mức ta thay s = sđm vào phương trình (2 - 11) ta có: ( 2 – 12) Tại thời điểm khởi động ( mở máy ) thì s = 1, thay vào phương trình (2 –12) ta có: ( 2 – 13) Mặc khác ta có biểu thức gần đúng: Mkđ = λkđ.Mđm ( 2 – 14) Mth = λmax.Mđm ( 2 – 15) Trong đó: λkđ và λmax : là bội số mômen khởi động và bội số mômen cực đại của động cơ. Ta có thể lập được hệ phương trình như sau: ( 2-16) và (2-17) Trong đó: Phương trình (2-16) là phương trình mômen lúc định mức. Phương trình (2-17) là phương trình mômen lúc khởi động nhưng ta thay: Mkđ = λkđ.Mđm v à Mth = λmax.Mđm Rút gọn phương trình trên bằng cách chia hai vế của phương trình cho Mđm ta có: (2-18) và (2-19) Với: Mặc khác từ phương trình (1-1) và (1-2) trong phần 1 ta có: Trong đó: Với p = 3: là hệ số đôi cực của động cơ. Suy ra: Thay các giá trị trên vào hệ phương trình (2-18) và (2-19) ta được: (2 – 20) và (2 – 22) Giải hệ phương trình trên ta được: và Mômen định mức của động cơ được xác định theo công thức: (2 – 22) Suy ra: Mth = λmax.Mđm = 2,6.270 = 702 (N.m) Thay các giá trị sth = 0,425, α = 8,63 và Mth = 702 (N.m) vào phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ( 2- 11) ta được: Thay các giá trị s tương ứng ta nhận được các giá trị của M trong bảng sau: s 0 0,02 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 M(N.m) 0 230 412 542 624 660 681 693 s 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 M(N.m) 702 700 743 683 672 660 648 Bảng 1: Bảng giá trị của đặc tính tự nhiện. Các đường đặc tính của động cơ được biểu diễn ở hình (H.2-7): Đường đặc tính cơ M = f(s) của động cơ KĐB 0 200 400 600 800 1000 s 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 n M Đường đặc tính điều chỉnh động cơ KĐB 1 H.2-8: Đường đặc tính cơ và đặc tính điều chỉnh của động cơ KĐB. III.2. Tính toán điện áp lúc đầu đặt lên động cơ: Khi mở máy động cơ thì lúc đầu rôto đứng yên ( n = 0) cho nên từ trường quay của dây quấn stato xuyên qua dây quấn rôto nhiều nhất. Do đó nó cảm ứng trong dây quấn rôto một dòng điện cũng rất lớn, nghĩa là ở dây quấn stato cũng xuất hiện một vòng điện rất lớn thông thường: Ikđ = (5 ÷ 7)Iđm (2 – 23) Mặc dù thời gian khởi động ngắn nhưng nó cũng gây sụt áp lưới điện và gây phát nóng động cơ, tổn hao lớn, có thể gây hỏng động cơ và các thiết bị khác. Để khắc phục nhược điểm đó người ta phải giảm Ikđ sao cho toả mãn với các thông số kỹ thuật của động cơ như dòng điện mở máy cho phép: Icp = ( 2 ÷ 2,5 ) Ikđ (2 – 24) Do đó người ta tìm cách mở máy thích hợp cho từng loại tải, từng loại động cơ. Nhưng ở động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc thường sử dụng phương pháp mở máy bằng cách hạ điện áp đặt vào cuộn dây stato để hạn chế dòng điện khởi động. Khi đó điện áp lúc đầu đặt vào động cơ được xác định: ( 2 – 25) Trong đó: Xnm = X1 + X’2 : Điện kháng ngắn mạch. Vậy: ( 2 – 26) Vì động cơ có công suất P = 27KW là trung bình nên thường thì R1 rất bé so với Xnm lúc này có thể coi R1 . Khi đó ta có biểu thức gần đúng: ( 2 – 27) ( 2 – 28) ( 2 – 29) Thay biểu thức ( 2 – 28) vào biểu thức (2- 29) ta được: ( 2 – 30) Trong đó: : Tốc độ đồng bộ của đông cơ. Khi khởi động động cơ thì dòng khởi động rất lớn nếu ta khống chế Ikđ = Icp = ( 2 ÷ 2,5)Iđm thì điện áp lúc đầu đặc vào động cơ là: ( 2 – 31) = * Tính toán đặc tính điều chỉnh ứng với điện áp ban đầu: Khi Tiristor làm việc ta có thể bỏ qua điện trở của nó và lúc góc mở α = 0, tức là Uđk = Uđkmax thì ta có điện áp ra của bộ biến đổi đặt lên động cơ là Uđm. Lúc đó ta vẽ đặc tính cơ tự nhiên như đường cong 1 hình (H.2-8). Dựa vào đặc tính cơ tự nhiên và điện áp lúc đầu đặt vào động cơ Ux ta có thể xây dựng đặc tính điều chỉnh của động cơ như sau: Hệ số tương đối giữa điện áp ban đầu và điện áp định mức là: ( 2 – 32) Mà mômen của động cơ tỷ lệ với bình phương điện áp theo biểu thức: M1 = M.γ2 ( 2 – 33) Từ đó ta lập bảng giá trị của đặc tính điều chỉnh của động cơ là: s 0 0,02 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 M(N.m) 0 178 319 420 483 511 527 537 s 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 M(N.m) 544 542 575 529 520 511 502 Bảng 2: Bảng giá trị của đặc tính điều chỉnh. Từ bảng này ta có thể biểu diễn đặc tính điều chỉnh ứng với điện áp Ux như đường 2 hình (H.2-8). III.3.Tính toán góc mở α ứng với các trường hợp sau: Trong việc điều chỉnh thiết bị nghịch lưu thì việc tạo thời điểm cho xung mơ Tiristor là một khâu rất quan trong. Tiristor thường được điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng. Nguyên tắc bày thời điểm phát xung mở là thời điểm xuất hiện sự cân bằng giữa điện áp điều khiển và điện áp tựa. Điện áp tựa thường có dạng răng cưa và trùng pha với điện áp Anod của Tiristor nên nó mở α được xác định như sau: t U Udk Urc φ π 2π φ 3π H.2-2: Đồ thị điện áp khi xác định góc mở φ. Ta có đẳng thức: ( 2 – 34) Trong đó: α: là điện áp điều khiển A: là biện độ của điện áp răng cưa Dưa vào bảng 1 trang 22 “ Tài liệu thiết kế điện tử công suất” chọn biểu thức tính điện áp tải: ( 2 – 35) Nếu chúng ta cho Tiristor mở hoàn toàn thì điện áp tải chính là điện áp lưới điện. Khi đó góc mở φ được xác định như sau: Nếu cho Tiristor mở với điện áp tải là Ux thì góc mở φ được xác định như sau: Để xác định các thông số điều khiển thì ta phải chọn điện áp ra của khâu đồng pha là Urc = 12V Khi đó: A = Urc = 12V Từ biểu thức (2 – 34) ta có: ( 2 – 36) Nếu Tiristor mở ứng với điện áp định mức thì điện áp điều khiển được xác định: Nếu Tiristor ứng với điện áp tại Ux thì điện áp điều khiển được xác định như sau: Từ các số liệu tính toán ta có thể lập bảng: φ U Uđk Ux 00 40,18 0 2,679 220 194 Bảng 3: Các thông số điều khiển III.4. Các thông số điều khiển: Ta khảo sát quá trình quá độ của hệ khi không có phụ tải (Mc = 0). Lúc đó đặc tính cơ của động cơ có thể biểu diễn bởi phương trình CLOSS như sau: ( 2 – 37) Từ phương trình chuyển động của động cơ là: ( 2 – 38) Ta thay Mc = 0 và cân bằng 2 mômen từ phương trình (2-37) và (2-38) ta được: ( 2 – 39) Vì: ω = ω0( 1– s ) thay vào phương trình (2 – 39) ta được: ( 2 – 40) Thời gian của quá trình quá độ diễn ra sẽ tương ứng với sự biến thiên của độ trượt từ giá trị ban đầu sbd đến giá trị s đang xét: Vậy: ( 2 – 41) Lấy tích phân và đặt : gọi là hệ số thời gian quy ước: Khi đó: ( 2 – 42) Thời gian kết thúc qúa trình quá độ sẻ tương ứng với sự biến thiên của độ trượt từ giá trị ban đầu đến giá trị cuối cùng: Thay s = scc ta được: ( 2 – 43) Tính hằng số thời gian: ( 2 – 44) Trong đó: J: hằng số mômen. Tra sách máy điện 1 ta xác định được hằng số mômen quá tính J = 1,075 (KG.m2). Mth = 720 (N.m) = 72 (KG.m) Vậy: Như vậy việc chọn thời gian mở máy động cơ trong 10s là hợp lý. * Tính thời gian quá độ tương ứng với đặc tính giảm áp: Thời gian qúa độ của đặc tính giảm áp được tính theo biểu thức(2 – 43): Trong đó: Sbd = 1 Sthx = 0,424 Mthx = Mth.γ2 = 72.0,882 = 55,76(KG.m2) Suy ra: PHẦN BACHỌN VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN I.Chọn mạch điều khiển: I.1. Nguyên lý điều khiển: Thực tế của bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều là: điều khiển Tiristor xong rồi thì dòng điện tác dụng không còn nữa, dong điện chạy qua Tiristor do thông số của mạch quyết định. Tiristor chỉ mở do dòng chạy qua khi điện áp đặt dương Anod và có xung điều khiển. Trong thực tế ta dùng hai nguyên tắt điều khiển đó là: thắng đứng tuyến tính và thẳng đứng Aroccos, để thực hiện điều chỉnh vị trí trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt lên Tiristor. I.1.1. Nguyên tắt điều khiển thẳng đứng tuyến tính: Khi điên áp hình sin đặt vào Anod của Tiristor, để có thể điều khiển góc α của Tiristor trong vùng điện áp dương Anod ta cần một điện áp tựa dạng tam giác, ta thường gọi điện áp này là điện áp răng cưa Urc. Dùng một điện áp một chiều Uđk so sánh với điện áp tựa, tại một thời điểm t1, t2 điện áp tựa bằng điện áp điều khiển ( Urc = Uđk). Trong vùng điện áp dương Anod thì pháp xung điều khiển Xđk cho tới cuối bản kì dương Anod. Uđk 0 0 0 Xđk t1 Urc 3 Ud UA Uđk t t t 2 t2 α Hình 3-1: Đồ thị điện áp điều khiển thằng đứng. Như vậy bằng cách thay đổi Uđk thì người ta có thể điều khiển được thời điểm xuất hiện xung, tức là điều chỉnh được góc mở α. Phương pháp này nhìn chung đơn giản, dễ thực hiện, dải điều chỉnh rộng và thường dùng trong thực tế. I.1.2. Nguyên tắt điều chỉnh thẳng đứng Arccos: Để mở góc α của Tiritor trong vùng điện áp dương Anod ta cần một điện áp tựa Accoss so sánh với điện áp điều khiển. Tại thời điểm t1, t2 điện áp tựa bằng điện áp điều khiển (Utựa= Uđk). Trong vùng điện áp dương Anod thì phát xung điều khiển, lúc này Tiristor mở cho tới bán kỳ dương Anod. 0 3 Ud 2 Xđk 0 U t2 0 t t Utựa t1 α Uđk Hình 3 – 2: Đồ thị điện áp khi điều khiển thẳng đừng Arccos. Nguyên tắt này được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao. I.2. Cấu trúc của mạng điều khiển: Để thực hiện việc điều khiển như ơ trên thì mạch điều khiển thường có ba khối cơ bản như hình (H. 3 – 3). Đồng pha So Sánh KĐ tạo xung A T K UAT H. 3- 3: Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển. II.2.1. Khâu đồng pha: Nhiệm vụ của khâu đồng pha là tạo ra điện áp tựa, thường gặp là điện áp răng cưa tuyến tính trùng pha với điện áp Anod và Tiristor. II.2.1.1. Khâu đồng pha dùng tụ và Diod: UA U2 A B R1 D2 D1 R2 C Urc -E N * Sơ đồ nguyên lý của mạch: H. 3- 4: Khâu đồng pha dùng tụ và Diod. * Nguyên lý hoạt động: Khi điện áp UA > 0, do D1, D2 phân cực thuận nên dẫn dòng chạy qua. Lúc này φB = φC = φN, tức là điện thế tại các điểm đều bằng nhau. Khi đó hai bảng cực của tụ đẳng thế nên Urc = 0. Khi điện áp đổi dấu thì D1, D2 phân cực ngược nên bị khóa, khi đó tụ sẻ nạp theo đường NC đến bảng cực của tụ C bằng điện áp A. Dòng điện nạp tụ được xác định công thức: ( 3 – 1) Khi đó điện áp răng cưa cũng tăng theo quy luật: ( 3 – 2 ) Hay ( 3 – 3 ) Trong đó: T = R2.C: là hằng số thời gian nạp tụ. Tụ sẽ nạp đến khi nào D2 phân cực thuận. Để Urc tuyến tính thì hằng số thời gian T phải đủ lớn. Tụ sẽ nạp đến thời điểm θ1, Urc = - E. Sau θ1 tụ sẽ bắt đầu phòng điện theo đường chủ nhật ABCN. Thời gian phóng phụ thuộc vào R2 và C, đến thời điểm θ2 tụ C đã phóng điện hoàn thành. Đồ thị điện áp của sơ đồ đồng pha dùng tụ và Diod được biểu diễn ở hình ( H.3 – 5). UAN 2 3 Urc 0 U 0 t t UA H.3 – 5: Đồ thị điện áp của sơ đồ đồng pha dùng tụ và Diod. Còn khi điện áp nguồn chuyển sang âm, tụ C có khả năng nạp ngược lại. Để đảm bảo rằng sau thời gian θ2 trong chu kỳ âm của điện áp nguồn Urc = 0 và tụ C được nạp như cũ. * Nhận xét: Ưu điểm của sơ đồ này là đơn giản nhưng có nhiều nhược điểm lớn và đỉnh điện áp tựa không trùng pha tại dương A. nghĩa là không phải biến điện áp dương Anod. Do vậy điện áp tựa đến cuối bán kỳ không điều khiển được, các Anod có điện áp rơi khác nhau. Do đó trong hệ thống nhiều kênh sẻ không đảm bảo tính đối xứng của các xung phát ra. Vì vậy sơ đồ dùng tụ Và Diod chỉ dùng cho hệ có yêu cầu độ chính xác không cao. I.2.1.2. Khâu đồng pha dùng Transistor và tụ: R2 -E UAT U2 A B R1 D1 Urc C Tr * Sơ đồ nguyên lý: H.3 – 6: Khâu đồng pha dùng Transistor và tụ. * Nguyên lý hoạt động: Ở chu kỳ dương UAT thì UB cũng dương, lúc đó Transistor phân cực ngược nên bị khóa. Khi đó tụ sẽ được nạp với hằng số thời gian T = R2.C qua điện trở R2 bởi nguồn E. Vậy: (3 – 4) Ở nửa chu kỳ sau UAT chuyển sang âm nên UB cũng âm, do đó D1 bị khóa. Lúc này Transistor phân cực thuận nên được mở thông, dẫn đến tụ C phóng điện qua Transistor đến chu kỳ sau thì quá trình lập lại như cũ. Đồ thị điện áp của sơ đồ đồng pha dùng Transistor và tụ được biểu diễn ở hình (H.3 – 7). UAT 2 3 Urc 0 U 0 t t H.3–7: Đồ thị điện áp của sơ đồ đồng pha dùng Transistor và tụ. * Nhận Xét: Ưu điểm của sơ đồ này là Urc phủ hết bán kỳ của UAT và đơn giản nhưng nhược điểm của sơ đồ này có thể trôi điểm không. Transistor rất nhạy cảm với nhiệt. I.2.1.3: Khâu đồng pha dùng khuếch đại thuật toán: * Sơ đồ nguyên lý của mạch: UAT Urc D Tr R2 R3 C R1 A2 A1 A C H.3 – 8: Khâu đồng pha dung khuếch đại thuật toán. * Nguyên lý hoặt động: Điện áp UA hình sin sau khi qua khâu đảo A1 làm lật trạng thái. Khi điện áp UA dương thì điện áp UB âm, bằng nguồn nuôi A1. Khi UB âm thì Diod thông nên Transistor bị khóa, R3 và C là mạch tích phân nên điện áp tăng dần tuyến tính, tụ C được nạp với hằng số thời gian T = R3.C cho nên khi điện áp của tụ bằng điện áp nguồn nuôi A2. Điều kiện để Urc tuyến tính: ( 3 – 5 ) Khi điện áp A âm, điện áp B dương thì Diod bị khóa làm cho Transistor thông, tụ C lập tức phóng điện qua Transistor. Vì điện trở RCE của Transistor rất bé nên sườn sau của xung điện áp rất dốc, gần như thẳng đứng, ở chu kỳ sau quá trình lập lại như cũ. Đồ thị điện áp của sơ đồ đồng pha dùng OA được biểu diển ở hình ( H.3 – 9): U = UAT 2 3 0 U 0 t t t Urc 0 UB H.3–9: Đồ thị điện áp của sơ đồ đồng pha dùng khuếch đại thuật toán. * Nhận xét: Ưu điểm của sơ đồ này là điện áp răng cưa tốt, đảm bảo đồng pha với điện áp nguồn. Do đó tạo điều kiện mở Tiristor một cách chính xác, đảm bảo tính đối xứng giữa các pha của động cơ. Nhược điểm của sơ đồ là dùng máy biến áp nên việc thực hiện còn khó khăn và giá thành cao. I.2.1.4. Khâu đồng pha dùng Transistor quang và khuếch đại thuật toán: * Sơ đồ nguyên lý của mạch: TrQ R2 UAT Ura D2 Tr R6 R5 C R3 A2 A1 R4 DQ R1 A B C D1 H.3–10:Khâu đồng pha dùng Transistor quang và khuếch đại thuật toán. * Nguyên lý hoặt động: Khi điện áp nguồn A dương ( UA > 0) thì DQ phát quang làm cho Transistor quang trở nên có dòng điện chạy qua R3, dòng điện áp âm chạy qua R4 để kéo điện áp xuống dưới âm để tạo ngưỡng so sánh. Sau khi đi qua khuếch đại thuật toán A1 không đảo dấu thì điện áp như Uc. Phần điện áp UC dương làm D2 thông. Khi đi qua khâu tích phân ta được điện áp răng cưa như Urc. Ở chu kỳ sau điện áp nguồn đổi dấu thì DQ khóa nên không có dòng điện chạy qua Transistor có thiên áp nên đã thông làm tụ C xả điện qua làm ngắn mạch A2 nên điện áp rất dốc gần như thẳng đứng. Đồ thị điện áp của khâu đồng pha dùng Transistor quang và khuếch đại thuật toán được biểu diễn ở hình (H.3 – 11). 0 U 0 0 0 UAT 2 3 t t t UB UC Urc H.3–11: Đồ thị điện áp của sơ đồ đồng pha Transistor  quang và khuếch đại thuật toán. * Nhận xét: Sơ đồ trên chỉ tạo ra điện áp nửa chu kỳ như vậy muốn mở 6 kênh Tiristor thì phải cần đến 6 kênh điều khiển nên sơ đồ rắt rối và khó điều khiển. I.2.1.5. Khâu đồng pha tạo điện áp tựa cả chu kỳ: * Sơ đồ nguyên lý của mạch: UAT Ura D2 Tr R6 R5 C R3 A2 A1 R2 R4 DQ R1 TrQ A B C D1 D2 D3 D4 +E H.3 – 11: Khâu đồng pha tạo điện áp tựa cả chu kỳ. * Nguyên tắt hoặt động: Điện áp nguồn khi qua chỉnh lưu thì luôn luôn dương làm cho DQ dẫn phát quang làm cho dòng điện chạy qua R3. Ta dùng một điện áp âm qua R4 để cho điên áp ra khuếch đại thuật toán xuống dưới âm, tạo ngưỡng so sánh, khi điện áp UB dương qua khâu khuếch đại thuật toán không đảo A1 cho ra điện tích như Uc. Phần điện áp dương Uc qua D1 qua khâu tích phân A2 tạo ra điện áp răng cưa Urc, còn phần điện áp âm của Uc làm khóa Diod D2 và mở thông Transistor cho tụ C phóng điện làm ngắn mạch A2. Do điện trở Rce của Transistor rất bé nên tụ C xả rất nhanh làm cho sườn sau rất dốc gần như thẳng đứng. Đồ thị điện áp của khâu đồng pha tạo điện áp tựa cả chu kỳ được biểu diễn ở hình ( H.3 – 11). * Nhân xét: Ưu điểm của sơ đồ này rất kinh tế nhưng nhược điểm là khoảng cách cách điện áp răng cưa nhỏ nên không điểu khiển được. Nhưng đối với tải động cơ xoay chiều vì dòng điện trễ pha hơn điện áp một góc φ nào đó nên sơ đồ này vẫn dùng tốt, khi đó điện áp bằng không, không đáng kể so với φ. 2 3 Urc 0 U t UA 2 3 0 U 0 t 0 t UCL 0 0 UC t t UB H.3–11: Đồ thị điện áp của sơ đồ đồng pha tạo điện áp  tựa cả chu kỳ. I.2.2.. Khâu so sánh: Nhiệm vụ của khâu so sánh là xác định thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển ( Utựa = Uđk), tại thời điểm đó phát xung điều khiển để mở Tiristor theo góc mở đã định. Trong thực tế thường dùng các khâu so sánh như sau: I.2.2.1. Khâu so sánh dùng Transistor: gồm có hai sơ đồ sau R3 Urc Uđk Urc R2 R1 Ura B Tr Uđk Ura Tr R1 R2 -E -E H.3 – 12: a) Sơ đồ khâu so sánh nối tiếp. b) Sơ đồ khâu so sánh song song. * Khâu so sánh nối tiếp: Khi hai bên điện áp bằng nhau, UBT = 0 so với trung bình. Trong khoảng thời gian θ0 ÷ θ1 thì Uđk < Urc nên UB < 0 làm cho Transistor khóa. Vậy Ura = - E. Trong khoảng thời gian θ1 ÷ θ2 thì Uđk > Urc nên UB > 0 làm cho Transistor mở. Vậy Ura = 0. Ở chu kỳ sau quá trình lập lại như cũ. Khâu này phù hợp với xung điều khiển cộng hai tín hiệu nối tiếp nhưng có độ chính xác không cao khi chung ta cộng nhiều tín hiệu dẫn đến nhiễu, nên sơ đồ này ít dùng. Đồ thị điện áp của khâu so sánh được biểu diễn ở hình (H.3 – 13). 2 3 Ura 0 U 0 t t Uđk H.3 – 13: Đồ thị điện áp của khâu so sánh dùng Transistor. * Khâu so sánh song song: Nếu có hai tính hiệu điện áp vào hai đường song song với nhau qua hai điện trở hạn chế R1 và R2 thì chúng so sánh với nhau tại điểm B. Nếu R1 = R2 thì UB = Urc + Uđk. Ở sơ đồ này hoạt động giống như sơ đồ so sánh nối tiếp. Phương án này được dùng chủ yếu trên nhiều kênh, độ chính xác không cao. * Nhân xét: Cả hai phương án này có chung một nhược điểm đó là xung quang điện áp Urc biến thiên vược θ1 do UB thay đổi. Giả thiết Transistor bảo hòa cho nên điện áp thực không chính xác. Vì vậy viêc điều khiển không chính xác. Để khắc phục nhược điểm đó người ta dùng khâu so sánh bằng khuếch đại thuật toán. II.2.2.2. Khâu so sánh dùng khuếch đạt thuật toán: * Sơ đồ nguyên lý: R2 Uđk Urc Ura Uđk Ura R2 A R1 Urc R1 a) b) H.3 – 14: Khâu so sánh dùng khuếch đại thuật toán. * Nguyên lý hoạt động: Đối với sơ đồ (H.3 – 14a): Khi điện áp so sánh đưa vào một cổng, để có điện áp bằng không thì Urc = Uđk, tức là khi R1 = R2, tức là khi Ura = Unguồn nhưng trái dấu với A. Trong khoảng θ ÷ θ1 thì UA > 0 nên Ura = - Unguồn. Trong khoảng θ1 ÷ θ2 thì UA 0. Đối với sơ đồ (H.3 – 14b): Việc đổi dấu trong khuếch đại thuật toán tại các điểm θ1, θ2, θ3 và θ4 làm cho điện áp biến thiên tức thới còn về nguyên lý thì cũng giống như sơ đố (H.3 – 14a). Trong thực tế sơ đồ này ít dùng hơn vì đây là bộ khuếch đại vi sai. Đồ thị điện áp của khâu so sánh dùng khuếch đại thuật toán. 0 3 Ura 2 0 U t t H.3–15: Đồ thị điện áp của khâu so sánh dùng khuếch đại thuật toán. * Nhận xét: Mạch so sánh này có ưu điểm là độ chính xác cao, tác động nhanh, ổn định nhiệt tốt, độ trôi điểm không nhỏ, thời gian quá độ ngắn cho nên sơ đồ này được dùng nhiều. I.2.3. Khâu khuếch đại tạo xung: Khâu khuếch đại tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Transistor khi có yêu cầu. Nhưng xung điều khiển đảm bảo sườn thẳng đứng để mở Tiristor được tức thời. đủ độ rộng lớn hơn thời gian mở Tiristor đủ công suất. Đồng thời có nhiệm vụ quan trọng là cách ly mạch điều khiển và mạch động lực. Việc tạo xung ở đây được thực hiện bằng cách dùng máy biến áp xung và Transistor công suất. * Sơ đồ nguyên lý: UV R D2 +E D1 BAX Ic Tr H.3 – 16: Khâu tạo xung dùng Transistor và MBA. * Nguyên lý hoạt động: Khi có xung điện áp dương ở cực B của Transistor mở, xuất hiện dòng quá độ trong máy biến áp xung. Ở mạch sơ cấp lại xuất hiện một suất điện động tự cảm, chính suất điện động tự cảm này cảm ứng sang thứ cấp máy biến áp xung một suất điện động. Suất điện động này chính là xung điều khiển để mở Tiristor. Tại thời điểm đặt xung θ1 ÷ θ2 xuất hiện một suất điện động tự cảm với thành phần tự do bằng điện áp nguồn. Độ rộng xung được quyết định bởi dòng điện biến thiên, phụ thuộc vào điện cảm biến thiên dòng điện châm, dẫn tới độ rộng xung càng lớn. Để cho điện cảm lớn thì số vòng dây phải lớn. Muốn mở được Tiristor thì xung ra phải đủ công suất do đó ta dùng bộ khuếch đại. Có nhiều bộ khuếch đại nhưng người ta dùng bộ khuếch đại bằng hai Transistor nối tầng với nhau như sơ đồ sau đây. R C UV D Tr1 Tr2 D0 BAX H.3 – 17: Khâu khuếch đại dùng Transistor nối tầng. * Đồ thị điện áp của khâu tạo xung bằng Transistor và MBA được biểu diễn ở hình (H.3 – 16) U 0 0 0 0 t t t t ic e1 Xđk H.3 – 18: Đồ thị điện áp khâu tạo xung. Với tải động cơ là tải cảm nên dòng điện sẻ trễ sau điện áp một góc φ nào đó. Cho nên từ θ1 ÷ θ2 nếu phát xung điều khiển thì vẫn không mở được Tiristor cho dù xung mở có độ rộng thích hợp. Nếu độ rộng xung đủ lớn mà Tiristor không mở thì máy biến áp xung sẻ nóng và dòng điện lớn có thế đánh thủng Tiristor. Để khắc phục nhược điểm này người ta chia động xung mở thành nhiều xung hẹp liên nhau tác động vào cực điều khiển của Tiristor. Khâu thực hiện chức năng này là khâu phát xung chùm hay còn gọi là bộ băm xung, thường dùng là vi mạch 555 hay dùng khuếch đại thuật toán. I.2.3.1. Sơ đồ phát xung chùm dùng vi mạch 555: * Sơ đồ nguyên lý: 5 1 2 6 7 8 4 3 Ura C2 R2 C1 R1 IC555 H.3 – 19: Sơ đồ phát xung chùm dùng vi mạch 555. * Nguyên lý hoạt động: Khi cấp nguồn thì tụ C được nạp tự nguồn E qua R1 đến khi thì bộ so sánh sẽ chuyển trang thái. Khi đó tự C1 sẽ phóng điện qua R2, lúc điện áp trên tụ giảm còn thì tụ C1 bắt đầu nạp. Quá trình diễn ra như vậy cho đến khi cắt điện áp nguồn. Dạng điện áp xung ra như hình (H.3 – 20), tạo ra được tần số lớn để chia xung nhỏ ra thành xung chùm rồi đưa vào một cổng AND còn cổng kia là xung khâu so sánh. * Nhận Xét: Sơ đồ vi mạch 555 cho xung chùm có chất lượng khá tốt và sơ đồ đơn gian. U 0 0 t Ura t T1 T2 T H.3 -20: Đồ thị điện áp của bộ tạo xung chùm. I.2.3.2. Sơ đồ tạo xung chùm mạch đa hài dùng khuếch đại thuật toán. * Sơ đồ nguyên lý: R1 R2 V+ Ura C V- R3 H.3–21: Mạch tạo xung chùm dùng khuếch đại thuật toán. * Nguyên lý hoạt động: Sơ đồ này có hồi tiếp dương chạy qua R2 và hồi tiếp âm qua R3, nếu là hồi tiếp dương thì hệ số khuếch đại vô cùng lớn, lúc đó điện áp ra bằng điện áp nguồn, còn dấu của nó phụ thuộc vào V+ và V-. Đồ thị điện áp của mạch tạo xung chùm được biểu diễn ở hình ( H.3-12) U 0 t -V +V A Ura t1 t2 H.3 -12: Đồ thị điện áp của mạch tạo xung chùm. Trong khoảng t ÷ t1 có điện áp ra dương nên cổng vào V+ sẽ dương với phân áp: và . Lúc đó V- sẽ nạp tụ theo quy luật sau: Tụ nạp từ t ÷ t1 nên V+ > V- làm cho Ura dương. Đến θ1: tại điểm A có V+ = V-, nếu sau t ÷ t1 thì V+ < V- làm cho đổi dấu và tụ sẽ nạp và xả tương tự. * Nhận xét: Sơ đồ phát xung chùm dùng khuếch đại thuật toán có ưu điểm hơn so với sơ đồ dùng vi mạch 555 về mức độ đơn giản, do đó nó được dùng để sử dụng rất rộng rãi trong các vi mạch tạo xung hình chủ nhật. Việc tạo xung này đưa vào cổng AND và một xung từ khâu so sánh đưa vào cổng AND kia. Còn đầu ra của cổng AND được đưa đến bộ khuếch đại tạo xung. & Tới khuếch đại Từ chùm xung Từ so sánh H.3 – 13: Sơ đồ băm xung nhờ cổng AND. I.2.4: Chọn mạch điều khiển: I.2.4.1. Khâu đồng pha: Từ những phân tích trên ta chọn sơ đồ đồng pha dung Transistor quang và khuếch đại thuật toán. Vì đối với tải động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha thì khâu điều khiển không cần độ chính xác cao. I.2.4.2. Khâu so sánh: Ta chọn sơ đồ khâu so sánh song song dùng khuếch đại thuật toán. Vì sơ đồ này có ưu điểm nổi bật là tác động nhanh, ổn định nhiệt tốt và được dùng nhiều. I.2.4.3. Khâu khuếch đại tạo xung: Gồm bộ phát xung chùm dùng khuếch đại thuật toán và cổng AND hai đầu vào. Một đầu là tín hiệu khâu so sánh và một đầu là tín hiệu từ bộ phát xung chùm, đầu ra của cổng AND đến bộ khuếch đại bằng hai Transistor rồi qua biến áp xung tạo xung mở thích hợp Tiristor. Vì yêu cầu mở máy động cơ trong 10s nên ta phải thiết kế khâu tích phân mở chậm ứng với thời gian đó sơ đồ được biểu diễn hình (H.3 – 14). -12V Uđk R20 4,8V R21 R18 R17 R19 R22 A C3 H.3 – 14: Sơ đồ mạch tích phân mở chậm. * Nguyên lý hoạt động: Cấp điện cho mạch Uce = 12V. điều chỉnh biến trở R22 sao cho Uđk = UA + Uđkx . Trong đó: Uđk = 2,679(V) là điện áp điều khiển để bộ biến đổi cho ra điện áp ban đầu là Ux = 194(V). Lúc đó mạch bắt đầu tích phân thì điện áp UA bắt đầu tăng tuyến tính. Khi tụ C3 nạp đầy rồi, tức là nạp với hằng số thời gian T3 = R21.C3 = 10s thì điện áp ra ổn định có Uđk = Uđkmax. Để điều khiển được điện áp ra của bộ biến đổi Ux thì mạch điều khiển cần thêm bộ cộng điện áp bằng cách đưa điện áp điều khiển Uđkx vào bộ cộng điện áp qua R17. Kết qua dạng điện áp ra điều khiển có dạng như hình (H.3-25): Uđkmax U Uđkx 10s 0 t H.3-25: Đồ thì điện áp điều khiển. Với những khâu đã chọn. Vậy ta có thể thành lập mạch điều khiển một kênh như hình (H.3-6): & Sơ đồ mạch điều khiển như hình (H3.26) chỉ điều khiển được nữa chu kỳ của điện áp. Như vậy để điều khiển được điện áp xoay chiều ba pha theo yêu cầu của đề tài thì phải dùng 6 kênh điều khiển và được ghép nối như sau. T1 K1 D1 A 0 T2 K2 D2 A 0 T3 K3 D3 A 0 T4 K4 D4 A 0 T5 K5 D5 A 0 T6 K6 D6 A 0 H.2-27: Sơ đồ khối 6 kênh điều khiển Tiristor * Nguyên lý làm việc của mạch điều khiển: Ở động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc thì mổi pha có vai trò và nguyên lý như nhau nên khi phân tích và tính toán thì ta chỉ cần xét một pha còn các pha kia cách làm tương tự. Điện áp đưa vào khâu đồng pha là điện áp lưới xoay chiều đồng pha với điện áp đặc lên Anod các Tiristor. Điên áp này nếu ở nữa chu kỳ từ 0 ÷ π thì UA dương cho nên DQ phân cực thuận, dẫn dòng làm phát quang kích thích cho TrQ mở, cho dạng điện áp như UB. Do đưa nguồn âm qua R4 để tạo ngưỡng so sánh và lật trạng thái UB. Khi qua bộ so sánh không đảo dấu A1 làm điện áp lật trạng thái và có dạng điện áp như UC. Trong khoãng thời gian từ t1 ÷ t2 thì UC dương là khoá Tr1 do phân cực ngược, lúc đó tụ C được nạp với hằng số T1 = R5.C1 cho đến cuối bán kỳ. Thời điểm t2 điện áp U2 đổi dấu làm cho Tr1 mở vì phân cực thuận, lúc đó tụ C1 sẻ phóng điện qua Tr1 làm ngắn mạch A2, do RCE của Tr1 rất bé nên sườn sau của điện áp rất dốc gần như thẳng đứng. Còn sau thời gian từ π ÷ 2π thì UC âm, lúc đó D2 phân cực ngược và Tr1 phân cực thuận nên điện áp bằng 0. Ở các chu kỳ sau quá trình lập lại như cũ. Kết quả cho ra dạng điện áp răng cưa như U0. Ta dùng điện áp một chiều gọi điện áp điều khiển, để xác định thời điểm phát xung mở Tiristor như yêu cầu. Vì yêu cầu mở máy động cơ trong khoảng 10(s) nên ta phải dùng khâu tích phân mở chậm ứng với thời gian ấy. Đầu tiên ta xác định vị trí của biến trở R22 sao cho điện áp ra của khâu tích phân mở chậm là Uđk ứng với góc mở α cho Tiristor mở hoàn toàn. Lúc đó mạch bắc đầu tích phân với hằng số thời gian T3 = R21.C3, điện áp điều khiển Uđk tăng dần tuyến tính. Để mở máy đúng theo yêu cầu ta phải dùng bộ cộng điện áp gồm: A5, R17 và R18. Điện áo ra Uđk để mở góc α ứng với điện áp của bộ biến đổi là UX và điện áp ra của khâu tích phân mở chậm được đưa chung vào một cổng của khuếch đại thuật toán. Kết qua cho ra dạng điện áp điều khiển như hình (H.3-25). Do cách đưa điện áp điều khiển vào như vậy nên Uđk cắt điện áp tựa tại các điểm θ1, θ2, θ5… Trong khoảng thời gian từ: θ1 ÷ θ2, từ Urc > Uđk nên khi vào A3 âm do đó điện áp ra của E bằng điện áp dương nguồn. Trong khoảng thời gian từ θ3 trở đi quá trình lập lại tương tự ta được điện áp ra UE. Ta dùng Diot D3 để lọc phần điện áp âm của UE nên điện áp ra có dạng như UF. Sau khi đưa xung dương từ khâu so sánh vào cổng AND nó sẽ được băm nhỏ thành những chùm xung liên tục nhờ bộ dao động đa hài bằng khuếch đại thuật toán với tần số được chọn là: fx = 3kHz. Sau đó sẽ cho điện áp như UG. Hai Transistor Tr2 và Tr3 mở khi có xung dương đi qua và khoá khi không có xung dương hoặc có xung âm. Vì vậy các khoảng thời gian: θ1 ÷ θ2 và θ3 ÷ θ4 …thì Tr2 và Tr3 sẽ thông. Lúc đó có sự biến thiên của dòng điện trong cuộn dây sơ cấp của máy biến áp xung làm cảm ứng sang cuôn dây thứ cấp một chùm xung đặt vào cực điều khiển Tiristor. Lúc đó Tiristor sẽ mở máy theo yêu cầu đã định. II. Tính toán thông số mạch điều khiển: Các thông số mạch điều khiển được xác định xuất phát từ yêu cầu về xung mở Tiristor, nên khi ta tính toán các thông số trong mạch thì bắt đầu tính toán từ máy biến áp xung rối đến các khâu tiếp theo. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển. Điện áp điều khiển Tiristor: Uđk = 3,0 V Dòng điện điều khiển Tiristor: Iđk = 0,15 A Thời gian mở Tiristor: tcm = 80 μs Độ rông xung điều khiển: tx = 160 μs Tần số điều khiển: fx = 3 kHz Độ mất đối xứng cho phép: Δα = 40 Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U = 12 V Mứt sụt biên độ xung: sx = 0,15 II.1. Tính toán máy biến áp xung: Sơ đồ nguyên lý và dạng điện áp ra của máy biến áp xung: D5 T W2 W1 Tx Tx t U T 0 a) b) H.3-37: a) Máy biến áp xung. b) Đồ thị điện áp xung. II.1.1. Tính toán lõi thép máy biến áp xung: Vì xung điều khiển là xung chùm có tần số cao nên để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây ra, ta chọn vật liệu sắt từ loại pherit HM có dạng xuyến làm việc trên một pha của đặc tính từ hoá có: ΔB = 0,3 (T) ΔH = 30 Không có khe hở không khí. Thông thường tỷ số của máy biến áp xung thường được chọn: m = 2 ÷ 3 ở đây ta chọn m = 2. Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Uđk = 3,0 V Điện áp đặt lên cuộn thứ cấp biến áp xung: U1 = m, U2 = 2.3 = 6 V ( 3 – 6) Dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp máy biến áp xung: I2 =Tđk= 0,15 A Dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp máy biến áp xung: ( 3 – 7) Độ từ thẩm trung bình của lõi thép được xác định theo công thức: ( 3 – 8) Trong đó: : Độ từ thẩm của không khí Suy ra: Thể tích của lõi thép được xác định theo công thức: ( 3 – 9) Trong đó: Q: Tiết diện lõi sắt. L: Chiều dài trung bình đường sắt từ. tx: Độ rộng xung điều khiển. ( 3 – 10) Vậy ta có: Dựa vào tài liệu “Kỹ thuật biến đổi năng lượng” của các tác giả Nguyễn Bính, ta chọn lõi thép hình xuyên băng cuộn có các thông số kỹ thuật sau: Chọn loại mạch từ OA – 20/25 – 6,5 Tiết diện lõi thép: Q = 0,162 cm2 = 16,2 mm2 Chiều dài trung bình: L = 7,1 cm Đường kính ngoài: D = 25 mm Bề rộng: a = 2,5 mm Bề dày: b = 6,5 mm Trọng lượng: P = 9,1 g Diện tích cữa số: Qcs = 3,14 cm2 b d D a H.3-28: Lõi thép thật của máy biến áp xung Vậy thể tích thật của lõi thép là: (3 – 11) = 0,25.0,65.7,1 = 1,15 (cm3) II.1.2. Tính toán dây quấn máy biến áp xung: Số vòng dây cuộn sơ cấp máy biến áp xung được xác đinh theo luật cảm ứng điện từ: ( 3 – 12) Suy ra: ( 3 – 13) Số vòng dây cuộn dây thứ cấp máy biến áp xung: ( 3 – 14) Dòng điện hiệu dụng chạy trong dây quấn sơ cấp của máy biến áp xung: ( 3 – 15) Chọn mật độ dòng điện Khi đó tiết diện dây quấn sơ cấp là: ( 3 – 16) Đường kính của dây quấn sơ cấp là: ( 3 – 17) Tra bảng p.5 trang 232 tài liệu: “Điện tử công suất” của tác giả Trần Văn Thịnh ta chọn dây dẫn bằng đồng có các thông số sau: Đường kính thật: d1 = 0,13 (mm) Tiết diện dây sơ cấp: S1 = 0,01327 (mm2) Trọng lượng riêng: m1 = 0,118 (gam/m) Điện trở một mét: R/m = 1,256 (Ω/m) Đường kính ngoài: Dn = ( 0,15 ÷ 0,16) Mật độ dòng điện thực của dây quấn thứ cấp: ( 3 – 15) Dòng điện hiệu dụng của dây quấn thứ cấp: Chọn mật độ dòng điện Khi đó tiết diện dây quấn sơ cấp là: Đường kính của dây quấn sơ cấp là: Tra bảng p.5 trang 232 tài liệu: “Điện tử công suất” của tác giả Trần Văn Thịnh ta chọn dây dẫn bằng đồng có các thông số sau: Đường kính thật: d2 = 0,18 (mm) Tiết diện dây sơ cấp: S2 = 0,02545 (mm2) Trọng lượng riêng: m1 = 0,226 (gam/m) Điện trở một mét: R/m = 0,707 (Ω/m) Đường kính ngoài: Dn = ( 0,2 ÷ 0,22) Vậy mật độ dòng điện thực của dây quấn thứ cấp là: Kiểm tra hệ số lấp đầy của cửa sổ mạch từ được xác định theo công thức: ( 3 – 18) Trong đó: S1, S2 : Tiết diện của dây quấn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp xung. Qcs = 413 mm2 : Diện tích cửa sổ mạch từ. Suy ra: II.2. Chọn linh kiện cho mạch điều khiển: II.2.1. Điot: Một kênh điều khiển dùng 4 diot. Như vậy để lắp 6 kênh điều khiển ta phải chọn 24 diot loại IN4108. II.2.2. Chọn cổng AND: Toàn bộ mạch điện phải dùng 6 cổng AND nên ta dưa vào tài liệu hướng dẫn “thiết kế điện tử công suất” ta chọn hai IC 4081 họ CMOS. Mỗi IC 4081 có 4 cổng AND ( sơ đồ chân như hình 3-29), có các thông số sau: Nguồn nuôi IC: Vcc = ( 3 ÷ 18 ) V, ta chọn: Vcc = 12V Nhiệt độ làm việc: t = - 400C ÷ 800C Điện áp ứng với mức logic “1”: U = 2 ÷ 4,5V Dòng điện nhỏ hơn 1mA Công suất tiêu thụ: P = 2,5 mW/ 1cổng & & & & 1 3 2 4 5 6 7 +Vcc 12 11 10 9 8 13 H.3-29: Sơ đồ chân IC 4081. II.2.3. Chọn khuếch đại thuật toán: Dưa vào tài liệu thiết kế “Thiết kế điện tử công suất” ta chọn khuếch đại thuật toán cho mạch điều khiển loại IC 084 do hãng teasInstruments chế tạo, Mỗi IC mày có 4 khuếch đại thuật toán ( Sơ đồ chân hình 3 – 30 ) có các thông số sau: Điện áp nguồn nuôi: Vcc = 18V chọn Vcc = 12V Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: Uv = 30V Nhiệt độ làm việc: t = - 250C ÷ 850C Công suất tiêu thụ: P = 680 mW = 0,68 W Tổng trở đầu vào: Rin = 106 MΩ Dòng điện đầu ra: Ira = 30 pA Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: 12 10 9 8 13 14 7 6 5 3 2 1 4 Vcc Vcc 11 H.3-30: Sơ đồ chân IC TL084 II.3. Tính toán thông số mạch điều khiển: II.3.1. Tính thông số khâu khuếch đại: R12 Tr2 Tr3 D4 BAX D5 R13 H.3-31: Khâu khuếch đại dùng Transistor nối tầng. Dòng điện trung bình chạy qua Tr3 là: ( 3 – 19) Như vậy ta chọn Tr3 sao cho ICr3 Itb Dựa vào tài liệu “Tra cứu Transistor Nhật Bản” của tác giả Trần Ngọc Sơn ta chọn Tr3 có các thông số sau: Mã hiệu: 2SC 188, chất liệu SIP Điện áp: Ucbo = 40V Điện áp: Uebo = 3V Dòng điện cực đại qua coletor: ITr3 = 500 mA Làm việc ở chế độ xung khuếch đại công suât: Công suất cực đại: Pcmax = 600W Nhiệt độ cực đại: t0cmax = 1750C Tần số giới hạn: fmax = 150 MHz Hệ số khuếch đại: β3 = 40 Từ đó ta có dòng điện làm việc Colector của Tr3 là: ICTr3 = I = 0,075(A) ( 3 – 20) Dòng điện làm việc qua cực Bazơ của Tr3 là: ( 3 – 21) Như vậy dòng điện qua Colector Tr2 là: ICtr2 = IbTr3 = 0,002 (A) Ta thấy rằng Tiristor đã chọn có công suất điều khiển khá bé Uđk = 3V, Iđk =0,15A nên dòng điện Colector - Bazơ của Tr3 khá bé. Do đó ta chỉ cần chọn Tr3 có Pc bé vẫn đảm bảo cung cấp đủ công suất điều khiển Tiristor. Dựa vào tài liệu “Tra cứu Transistor Nhật Bản” của tác giả Trần Ngọc Sơn ta chọn Tiristor có các thông số sau: Mã hiệu: 2SC 9111 Điện áp: Ucbo = 40V Điện áp: Uebo = 4V Dòng điện cực đại qua colector: ITr3 = 500 mA Làm việc ở chế độ xung khuếch đại công suất: Công suất cực đại: Pcmax = 1,7W Nhiệt độ cực đại: t0cmax = 1750C Tần số giới hạn: fmax = 150 MHz Hệ số khuếch đại: β2 = 50 Như vậy dòng điện làm việc qua cực Bazơ của Tr2 là: Ta có Tr2 khi làm việc thông hoàn toàn,dẫn dòng ICTr3 = 300(mA) thì dòng là: ( 3 – 23) Với Tr2 và Tr3 được chọn như trên thì hệ số khuếch đại của cả hệ là: Β = β2. β3 = 50.40 = 2000 ( 3 – 24) Để giảm áp đồng thời tạo dòng điện chạy trong cuộn dây sơ cấp máy biến áp xung ta dùng điện trở R13 và được xác định theo công thức: ( 3 – 25) Trong đó: ΔU = UeboTr2 + UeboTr3 = 4 + 3 = 7(V) Vậy: Ta chọn R13 = 67(Ω) Để hạn chế dòng điện đưa vào cực bazơ của Tr2 ta dùng điện trở R12 sao cho: ( 3 – 26) Trong đó: UG : là điện áp cấp cho cổng AND Ta có: Như vậy ta chọn R12 = 2,2 (KΩ) III.3.2. Tính thông số mạch tạo xung chùm: C2 R14 R15 Ura R16 V+ V- H.3-32: Mạch tạo xung chùm dùng khuếch đại thuật toán. Mạch tạo xung chùm có tần số đã chọn Chu kỳ tạo xung chùm Suy ra: Ta có: ( 3 – 27) Ta chọn: R14 = R15 = 3,3 (KΩ) thì T = 2,2 .R16.C2 = 334 (μs) Ta có thể chọn C2 = 0,1 (μF) Khi đó: Vậy ta chọn R16 = 2,2 (KΩ) III.3.3. Tính thông số tích phân mở chậm: Uđk -12V R20 4,8V R21 R18 R17 R19 R22 A C3 H.3-33: Sơ đồ mạch tích phân mở chậm Vì điện áp đưa vào khâu so sánh có dạng hình sin nên ta có: Uđk = Ud + Uđkx = 12(V) ( 3 – 28) Suy ra: Ud = Uđk + Uđkx = 12 – 2,679 = 9,321 (V) Ta có: ( 3 – 29) Ta chọn Uv = 2,5(V): là điện áp bảo hoà của khâu tích phân. Khi đó: ( 3 – 30) Vậy: Suy ra: R21.C3 = 2,682 Từ đó ta chọn tụ C3 = 0,01(μF) Suy ra: Vậy ta chọn R21 = 300(Ω) Điện trở R20 được xác định: R20 = K.R21 = 3,728.300 = 1118 (Ω) Vậy ta chọn R20 = 15 (kΩ) Ta khống chế dòng điện phản hồi qua R19 khoảng 4 mA Khi đó: Như vậy ta chọn R19 = 3,3 (kΩ) Ta có thể chọn R17 = R18 = 2 (kΩ) và chọn R22 = 10 (kΩ) là biến trở. III.3.4. Tính thông số khâu so sánh: Uđk R7 R10 R11 Ura R8 R9 +12V H.3-34: Khâu so sánh dùng khuếch đại thuật toán. Ta khống chế dòng điện vào khuếch đại thuật toán sao cho: Iv 1mA Khi đó: ( 3 – 31) Chọn R9 = R10 = R7 + R8 = 12(kΩ) Từ đó ta chọn: R9 = 3,9 (kΩ) và chọn biến trở R10 = 8,2(kΩ) Ta hạn chế dòng điện vào cổng AND sao cho: Iv 4mA Khi đó: ( 3 – 32) Vậy ta chọn R11 = 3,3(kΩ) III.3.5. Tính thông số khâu đồng pha: UAT Ura D2 Tr R6 R5 C R3 A2 A1 R2 R4 DQ R1 TrQ A B C D1 H.3-35: Khâu đồng pha dung Transistor quang và khâu khuếch đại thuật toán. Điện áp nạp và xả tụ C1 và điện áp răng cưa được xác định theo công thức: ( 3 – 33) Trong đó: Urc = 12(V) còn chọn Uv = 11,5(V): là điện áp bão hoà của khâu tích phân. Tụ nạp trong thời gian nửa chu kỳ nên: Vậy: Suy ra: R5.C1 = 0,0096 Chọn C1 = 0,5(μF) thì Như vây ta chọn biến trở R5 = 20(kΩ) Vì điện áp của khâu đồng pha là: Urc = 12(V) nên ta phải chọn Tr1 sao cho Uce > 12(V) Dựa vào “ Tài liệu tra cứu Nhật Bản” ta chọn Tr1 có các thông số sau: Mã hiệu: 2SC A564, chất liệu SIP Làm việc ở chế độ xung Điện áp: Ucbo = 25(V) Điện áp: Uebo = 7(V) Dòng điện cực đại qua Colector: Icmax =100(A) Hệ số khuếch đại: β1 = 250 Vậy dòng điện của cực Bazơ của Tr1 là: (3 – 35) Để hạn chế dòng điện vào cực Bazơ của Tr1 ta dùng điện trở R6 được xác định: ( 3 – 36) Vậy ta chọn R6 = 30(kΩ) Ta chọn R3 sao cho dòng qua A1 nhỏ chỉ bằng 1mA Khi đó: ( 3 – 37) Vậy ta chọn: R3 = 14(kΩ) Ta chọn R4 sao cho đủ thời gian xả tụ, để khoảng âm điện áp không, tức là điều khiển được ở những vùng Urc nhỏ. Với R4 = 3.R3 = 3.14 = 42(kΩ) Vậy ta chọn: R4 = 46(kΩ) Ta có thể chọn: R2 = R3 = 14(kΩ) Ta khống chế dòng điện qua DQ tối đa 20mA. Khi đó R1 được tính: ( 3 – 38) Trong đó: UCL = ku.Uf .Tra tài liệu “Thiết kế điện tử công suất” ta chọn ku = 0,45 Suy ra: UCL = 0,45.220 = 99(V) Vậy: Từ đó ta chọn R1 = 5(kΩ) Ta phải chọn Diot chịu được điện áp ngược: Từ điều kiện trên dựa vào tài liệu “Sơ đồ chân linh kiên bán dẫn” của tác giả Dương Minh Trí tra chọn IC ILD620, mỗi IC có 4 ghép quang với sơ đồ chân như sau: 8 7 6 5 1 2 3 4 H.3-36: Sơ đồ chân của bộ ghép quang Transistor PHẦN IV THIẾT KẾ TỦ ĐIỆN Tủ điện thiết kế phải đảm bảo chất lượng cao về kỹ thuật, mỹ thuật công nghiệp Chất lượng kỹ thuật của tủ điện thiết kế được thể hiện ở các yêu cầu sau: Kích thước hợp lý so với các thiết bị cần lắp. Bố trí linh kiện hợp lý về không gian I. Các nguyên tắc bố trí thiết bị: Các linh kiện bố trí theo nguyên tắc trọng lượng, nghĩa là những thiết bị nặng bố trí dưới thấp, những thiết bị nhẹ bố trí trên cao. Các thiết bị bố trí theo nguyên tắc toả nhiệt, nghĩa là những thiết bị toả nhiệt ít được bố trí dưới thấp còn những thiết bị toả nhiệt nhiều được bố trí trên cao. Có các lỗ thông gió cần thiết: đa số các thiết bị điện tử công suất toả nhiệt nhiều, nên thường phải bố trí quạt làm mát. thiết bị cần làm mát nhất trong trường hợp này là các van bán dẫn, bởi vì các van bán dẫn toả nhiệt lớn và rất nhạy với nhiệt độ. Mạch điều khiển cần được bảo vệ tốt, tránh nhiệt độ cao, người ta thường bố trí cách ly với van và biến áp. Bố trí theo nguyên tắc chức năng, nghĩa là những thiết bị có chức năng giống nhau thường được bố trí gần nhau. Các thiết bị thao tác, đo lường, tín hiệu cần được bố trí ở mặt trước hoặc những vị trí thuận tiên. II. Chất lượng mĩ thuật phải đảm bảo các yêu cầu: Hình dáng đẹp Màu sắc hài hoà không sặc sỡ, không quá tối, thường dùng màu sáng, màu trắng ngà, xanh nhạt… Thiết bị bố trí ngau ngắn có hàng, có cột. Dây nối phải đặt trong máng dây hoặc được bố trí thành bó gọn nhẹ. Dưa vào những yêu cầu sau như vậy ta có thể bố trí thiết kế tủ điện như hình (H.4-1) và hình (H.4-2). H.4-1: Sơ đồ khối bên trong tủ điện Ap R K1 K2 f b 1 i k h x c d x c x x VĐD MĐK V A NX ● █ ● █ Đ1 Đ1 Đ1 Ap R M D H.4-2: Sơ đồ khối mặt trước của tủ điện Các kích thước của tủ điện được lựa chọn vào kích thước lắp đặt của từng thiết bị. Như vậy sơ đồ khối của tủ điện ta có thể chọn các kích thước như sau: a = 40cm x = 10cm c = 20cm d = 20cm e = 40cm i = 10cm k = 20cm f = 120cm Từ đó ta có thể xác định các kích thước: b = f + 2x = 120 + 2.10 = 140cm (4 – 1) h = 4x + 20 + 2d = 4.10 + 20 + 2.20 = 100cm (4 – 2) Tất cả các thiết bị điều được lắp đặt trên thanh sắt gọi là giá đỡ, rồi được định bên trong các tủ. Các nút thao tác như: Nút ấn, nút xoay, đèn báo, đồng hồ đo điện áp, dòng điện được bố trí trên nắp của tủ điện. Ở phía trê các thùng còn có được bố trí hai quạt hút làm mát Tiristor và hai bên có các lỗ thông gió tăng cường khả năng đối lưu của không khí. III. Các ký hiệu của tủ điện: A: Ampe đo dòng điện tải. V: Vôn kế đo điện áp ra của tải. Đ1: Đèn báo hiệu điện nguồn. Đ2: Đèn báo hiệu Aptomat đóng. Đ3: Đèn báo hiệu công tắc tơ K1 đóng. NX: Nút xoay điều chỉnh góc mở. Ap: Aptomat. M: Nút nhấn mở máy. D: Nút nhấn dừng máy. VBD: Van dẫn động. MĐK: Mạch điều khiển. K1: Công tắc tơ đóng mạch động lực. K2: Công tắc tơ nối tắt bộ biến đổi. R : Rơle thời gian. QH: Quạt hút làm mát. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Trần Văn Thịnh Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất – Nhà Xuất Bản KHKT,2003 [2]. Nguyễn Bính Điện tử công suất – Nhà Xuất Bản KHKT, Hà Nội - 2000 [3]. Vũ Gia Khanh - Trần Khánh Hà - Nguyễn Văn Sáu Máy điện 1 – Nhà Xuất Bản KHKT,1997,1998 [4]. Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễu - Nguyễn Thị Hiền Sách truyền động điện – Nhà Xuất Bản KHKT [5]. Đỗ Xuân Thụ Kỹ thuật điện tử - Nhà Xuất Bản Giáo Dục, 2000 [6]. Nguyễn Bính Kỹ thuật biến đổi năng lương – Nhà Xuất Bản KHKT,1982 [7]. Trần Ngọc Sơn Sách tra cứu Transistor Nhật Bản [8]. Dương Minh trí Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn của tác giả [9]. Nguyễn Công Hiền - Nguyễn Mạch Hoạch Thiết Kế Cung Cấp Điện – Nhà Xuất Bản KHKT [10]. Vũ Quang Hoài Trang thiết bị điện - điện tử công nghiệp – Nhà Xuất Bản Giáo Dục Trong quá trình thiết kế còn sử dụng nhiều tài liệu liên quan khác.