Đề tài Thiết kế hệ truyền động động cơ không đồng bộ roto dây quấn bằng phương pháp điện trở xung với van bán dẩn là Thyristor công suất

nh a). Hãm ngược xảy ra khi đang làm việc ta đổi thứ tự 2 trong 3 pha điện áp đặt vào động cơ, đoạn đặc tính hãm ngược là đoạn bc hoặc b’c’ (Hình b). wo b, b -wo Mc Mc w d, c, c d a b) Hình 1.24.Đặc tính cơ khi hãm ngược. M Mc a c b wo w d 0 a) Trong hai trường hợp trên thì: + Nên dòng điện rô to có giá trị lớn. + Mặt khác f2 = s.f1 cũng sẽ lớn nên điện kháng X2d’ lớn. Do đó mômen nhỏ. + Vì vậy để tăng cường mômen hãm và hạn chế dòng điện rôto ta nên đưa thêm điện trở phụ đủ lớn vào mạch rôto. I.6.3.Hãm động năng: Xảy ra khi động cơ đang quay cắt stato khỏi nguồn xoay chiều rồi đóng vào nguồn một chiều. Có 2 dạng: + Hãm động năng kích từ độc lập, nguồn một chiều lấy từ bên ngoài. Sơ đồ nguyên lý như hình (a) + Hãm động năng tự kích, nguồn một chiều được tạo ra từ năng lượng mà động cơ tích luỹ được. Sơ đồ nguyên lý như hình (b) và (c). Khi cắt stato khổi nguồn xoay chiều rồi đóng vào nguồn một chiều thì dòng một chiều này sinh ra từ trường đứng yên so với stato. Với hãm động năng kích từ độc lập từ thông f có giá trị không đổi còn hãm động năng tự kích thì f có giá trị biến đổi. Rf k H k Rf C (a) (b) + k H Hình 1.25. Sơ đồ nguyên lý hãm động năng của ĐCKĐB (c) Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi hãm động năng kích từ độc lập được biểu diển như trên hình vẽ. TN 2 1 wth2 wt h1 w Mth2 Mth1 3 0 Hình 1.26. Đặc tính cơ hãm động năng kích từ độc lập của ĐCKĐB. I.7.Điều chỉnh tốc độ truyền động điện: Điều chỉnh tốc độ truyền động điện là dùng các phương pháp thuần tuý điện tác động lên hệ thống truyền động điện (nguồn và động cơ điện) để thay đổi tốc độ quay của trục động cơ. Trong các hệ truyền động điện dùng rất nhiều phương pháp khác nhau để ổn định tốc độ động cơ. Sau đây ta xem xét một vài yếu tố và cũng là những chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật cơ bản. I.7.1. Sai số tốc độ: Là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt và được tính như sau: Trong đó: + wđ : Tốc độ đặt. + w : Tốc độ làm việc thực. I.7.2.Độ trơn của điều chỉnh tốc độ: Trong đó: + wi : Giá trị tốc độ ổn định đạt được ở cấp i + wi+1: Giá trị tốc độ ổn định đạt được ở cấp (i+1) Phân loại: + Hệ điều chỉnh vô cấp g®1, tức là hệ truyền động có thể làm việc ổn định ở mọi giá trị trong suốt dải điều chỉnh. + Hệ điều chỉnh có cấp là hệ chỉ làm việc ổn định ở một số giá trị của tốc độ trong dải điều chỉnh. I.7.3. Dải điều chỉnh tốc độ: Dải điều chỉnh tốc độ hay còn gọi phạm vi điều chỉnh là tỉ số giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tốc độ làm việc ứng với mômen tải đã cho. wmax bị hạn chế bởi độ bền cơ học của động cơ. wmin bị chặn dưới bởi yêu cầu về mômen khởi động, về khả năng quá tải và về sai số tốc độ cho phép. I.7.4. Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải: Với động cơ nói chung và ĐCKĐB rô to dây quấn nói riêng thì chế độ làm việc tối ưu thường là chế độ định mức. Khi điều chỉnh tốc độ cần lưu ý: dòng điện động cơ không vượt quá dòng định mức, đảm bảo khả năng quá tải về mômen, đảm bảo yêu cầu về ổn định,… Vì vậy khi thiết kế hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ ta nên chọn hệ truyền động cũng như phương pháp điều chỉnh sao cho đặc tính điều chỉnh của hệ bám sát yêu cầu đặc tính của tải để đảm bảo tổn thất trong quá trình điều chỉnh là nhỏ nhất. I.7.5. Chỉ tiêu kinh tế: Thể hiện ở vốn đầu tư, chi phí vận hành hệ thống và ở hiệu quả do áp dụng phương pháp điều chỉnh mang lại. Trong chi phí vận hành thì hệ số công suất cosj ảnh hưởng không nhỏ. I.7.6. Các chỉ tiêu khác: Ngoài các chỉ tiêu chung ở trên, trong từng trường hợp cụ thể còn dùng các chỉ tiêu khác như: độ trơn điều chỉnh, khả năng tự động hoá hệ thống,… I.7.7. Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh: Tổn thất năng lượng là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của hệ. Vì vậy việc tính toán tổn thất và khắc phục tổn thất là việc quan trọng. Để tính toán hoặc dự đoán tổn thất ở trạng thái nào đó, chỉ cần xác định giá trị của các loại tổn thất trong hệ thống ở một chế độ làm việc xác định mà thường là chế độ định mức, sau đó xác định tổn thất ở chế độ khác theo phương pháp tính đổi. Sau đây là nguyên tắc tính toán tổn thất trong máy điện quay. + Tổn thất nhiệt trong dây quấn: DP ~ I2. + Tổn thất trong mạch từ: do từ trễ ~ B2.f ; do dòng xoáy ~ B2.f2 Theo kinh nghiệm thì tổn thất trong mạch từ được tính gần đúng như sau: DPFe ~ B2f1.3 . + Tổn thất cơ học do chuyển động và quạt gió: ~ w3 . + Tổn thất do ma sát: ~ w . + Tổn thất ở mạch lực có thể chia thành hai loại: Tổn thất không đổi DPo . Tổn thất biến đổi phụ thuộc vào bình phương dòng điện DPcu Xét đặc tính cơ như hình vẽ: M MA wo wA A w Hình 1.27.Tính toán tổn thất của động cơ. + Tổn thất của động cơ tại điểm làm việc A: + Tổng tổn thất khi làm việc tại A: Trong đó: + K = 1: Đối với động cơ một chiều. + K = (R1 + R2)/R2: Đối với động cơ xoay chiều. Với: R1: Điện trở dây quấn stato. R2: Điện trở dây quấn rôto qui đổi về stato Khi thay đổi tốc độ từ w1 đến w2 trong khoản thời gian từ t1 đến t2 thì có thể tính được tổn thất năng lượng từ phương trình chuyển động. Trong đó: + Tổn thất nhiệt không phụ thuộc vào đặc tính cơ mà chỉ phụ thuộc vào giá trị tốc độ đầu và cuối. + Tổn thất cơ học trên tải. CHƯƠNG II TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN TRỞ PHỤ MẠCH RÔTO ĐCKĐB nói chung có nhiều phương pháp để điều chỉnh như: điều chỉnh điện áp, điều chỉnh tần số,…Nhưng riêng động cơ không đồng bộ rôto dây quấn thì chỉ có một phương pháp phổ biến và hay dùng đó là phương pháp điều chỉnh điện trở phụ mạch rôto . Khi mắc thêm điện trở phụ thì điện trở mạch rôto lúc này là: Rå = Rd + Rf . Trong đó: + Rf : Điện trở phụ mắc thêm vào mạch rôto. + Rd : Điện trở dây quấn rôto Theo (11) thì khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch rôto thì mô men tới hạn không thay đổi. Còn theo (10) thì độ trượt tới hạn tỉ lệ bậc nhất với điện trở. Nếu coi đoạn đặc tính làm việc của ĐCKĐB là đoạn từ s = 0 đến s = sth là thẳng thì khi điều chỉnh điện trở ta có: Trong đó: + s : Độ trượt khi điện trở mạch rôto là Rr . + si : Độ trượt khi điện trở mạch rôto là Rrd . Từ đó ta có biểu thức tính mômen ứng với điện trở mạch rôto là Rrd . Ta thấy: Nếu Ir = const thì M = const và không phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Vì vậy phương pháp này sử dụng cho truyền động có mômen tải không đổi. Sau đây ta xem xét phương pháp điều chỉnh trơn điện trở mạch rôto bằng phương pháp xung. II.1. Sơ đồ nguyên lý: Điện áp Ur được chỉnh lưu bởi cầu diot (CL), qua điện kháng lọc (L) cấp vào mạch điều chỉnh gồm Ro nối song song với khoá K. Khoá K được đóng ngắt một cách chu kỳ để điều chỉnh giá trị trung bình của điện trở toàn mạch. K Ur CL L Ro Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh xung trở rôto. II.2. Phương pháp điều chỉnh: Khi K đóng ® Ro ngắn mạch ® Rf = 0. Khi K mở ® Ro được đưa vào mạch ® Rf » Ro. Với tần số đóng ngắt nhất định nhờ có điện cảm L mà dòng điện rôto coi như không đổi và ta có một giá trị điện trở tương đương Rtđ trong mạch. Nếu điều chỉnh được tỉ số giữa thời gian đóng (tđ) và thời gian mở (tm) ta sẽ điều chỉnh được giá trị điện trở trong mạch rôto. tđ Ro tm Rtb Kmở Kđóng t Rf T Hình 2.2. Phương pháp điều chỉnh. Điện trở tương đương Rtd trong mạch một chiều được tính đổi về mạch xoay chiều ba pha ở rôto theo qui tắc bảo toàn công suất. + Tổn hao trong mạch rô to theo sơ đồ hình 2.1 là: DP = Id2 (2Rd+ Rtd). + Tổn hao khi mạch rô to nối sao như sơ đồ 1.11a là: DP = 3Ir2 (Rd + Rf). + Tổn hao công suất là như nhau nên: 3Ir2 (Rd + Rf) = Id2 (2Rd + Rtd) + Với sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha thì Id2 = 1,5Ir2 nên: Khi đã có điện trở tính đổi, ta dựng được đặc tính cơ theo phương pháp thông thường. Đặc tính cơ này được biểu diển như trên hình vẽ sau: w w1 g=0.8 M Mth g=0.01 Hình 2.3. Các đặc tính cơ. Khoá K này có thể là bộ chuyển mạch cơ khí như: công tắc, công tắc tơ,Tuy nhiên vì bộ chuyển mạch cơ khí thường có kích thước lớn, tần số tác động thấp, mặt khác tiếp điểm cần có buồng dập hồ quang và bộ truyền động. Nên hiện nay bộ chuyển mạch cơ khí ít được dùng trong mạch điện tử công suất. Hiện nay, hầu hết trong các mạch điện tử công suất, khoá K được thay thế bằng bộ chuyển mạch không tiếp điểm là các linh kiện bán dẩn công suất cho phép chuyển mạch dòng điện lớn, điện áp cao, điều khiển hoàn toàn tự động, công suất tiêu tán nhỏ, hiệu suất chuyển mạch cao. Sau đây em xin trình bày một vài sơ đồ nguyên lý có các linh kiện điện tử công suất thường dùng trong thực tế. Đồng thời nêu lên phạm vi sử dụng của từng loại linh kiện. II.3.Lựa chọn linh kiện: II.3.1.Thyristor: là linh kiện điện tử công suất có điều khiển do phòng thí nghiệm Bell Telephone sáng chế. Phạm vi ứng dụng: dùng ở dòng điện định mức từ 10 ¸ 5000A , điện áp định mức từ 200V ¸ 6kV, thời gian chuyển mạch từ 1 ¸ 200ms.Thyristor được sử dụng rộng rải trong các bộ chỉnh lưu có điều khiển và ứng dụng trong mọi lĩnh vực điện tử công suất. Sơ đồ nguyên lý: T Ur CL L Ro Hình 2.4.Điều chỉnh xung trở rô to bằng Thyrisror II.3.2.Transistor lưỡng cực công suất: BJT (Bipolar Jontion Transistor) Phạm vi ứng dụng: dùng ở dòng điện định mức từ 0.5 ¸ 500A và lớn hơn, điện áp định mức từ 30 ¸ 1200 V, thời gian chuyển mạch từ 0.5 ¸ 100 ms. Chủ yếu dùng để biến đổi DC - DC , phối hợp diot trong các bộ nghịch lưu. Hiện nay nó đang được thay thế dần bằng Transistor hiệu ứng trường (FET) và transistor lưỡng cực cổng cách ly (IGBT). Sơ đồ nguyên lý: B CL L Ur Ro E C Hình 2.5. Điều chỉnh xung trở rôto bằng BJT nguyên lý hoạt động :các chu kỳ đóng mở transistror được điều khiển bằng các xung điều khiển đưa vào cổng B. khi transistor đóng điện trở Ro bị loại ra khỏi mạch dòng điện tăng lên,khi transistor ngắt điện trở Ro đưa vào mạch, dòng điện giảm xuống với tần số đóng ngắt nhất định II.3.3.Transistor lưỡng cực cổng cách ly: IGBT (Insulated Gate Bipolar transistor). Phạm vi ứng dụng: dùng cho dòng điện định mức từ 10 ¸ 600A, điện áp định mức từ 600 ¸ 1700 V. Sử dụng phổ biến trong các bộ nghịch lưu từ 1 ¸ 100KW hoặc hơn và được sử dụng trong các lĩnh vực của điện tử công suất. IGBT nhanh hơn và dể sử dụng hơn BJT cung công suất. Sơ đồ nguyên lý: Ur CL L Ro E B C Hình 2.6.Điều chỉnh xung trở rôto bằng IGBT II.3.4.Mosfet công suất: hay transistor cổng cách ly. Phạm vi ứng dụng: làm việc ở tần số rất lớn đến 1MHz, dòng điện định mức đến 50 A, điện áp định mức đến 500 V, dùng trong bộ biến đổi công suất không lớn. Sơ đồ nguyên lý: Ur CL L Ro D S G Hình 2.7.Điều chỉnh xung trở rô to bằng Mosfet công suất. II.3.5. Kết luận: Thyristor:+ Ưu điểm: - Các trị số giới hạn rộng về dòng đến 3kA, về áp đến 5kV. - Chắc chắn, tổn hao dẩn nhỏ nhất, rẻ tiền. - Có thể chịu được điện áp thuận và ngược lớn. - Ứng dụng rộng rải ở tần số 50 ¸ 60 Hz, là dải tần số thường gặp trong thực tế. + Nhược điểm: - Tần số làm việc không cao 50 ¸ 60 hz. - Mở chậm và chỉ khoá được khi triệt tiêu được dòng điện tải. - Nhiệt độ làm việc không cao bằng MOSFET và IGBT. ® Tóm lại: Thyristor có khả năng quá tải cao, làm việc được ở chế độ nặng nề. MOSFET công suất: + Ưu điểm: - Làm việc ở tần số chuyển mạch cao trên 100KHz. - Tổn hao chuyển mạch nhỏ hơn so với IGBT và Thyristor. - Nhiệt độ làm việc cao hơn Thyristor và đến 2000C. - Mở dể dàng, điều khiển bằng điện áp. + Nhược điểm: - Giới hạn về dòng điện và điện áp bé hơn so với Thyrisror. Về dòng là 50A, về áp là 500V. - Tổn hao dẩn lớn hơn Thyrristor. ® Tóm lại: MOSFET công suất làm việc thích hợp với mạch có công suất trung bình. IGBT công suất: + Ưu điểm: - Tần số làm việc khá cao, đến 100KHz. - Giá thành rẻ. - Tổn hao dẩn ít hơn so với MOSFET. - Nhiệt độ làm việc lớn hơn so với Thyristor và đến 2000C. + Nhược điểm: - Tổn hao chuyển mạch lớn hơn MOSFET. - Giới hạn về dòng điện và điện áp lớn hơn MOSFET nhưng không bằng Thyristor. Về dòng là 400A và áp là 1.2KV. ® Tóm lại: IGBT không thích hợp với môi trường làm việc nặng nề. Vì hiện nay IGBT đang được thay thế dần BJT nên ta chỉ xét IGBT. II.4.Chọn phương án: Như trên ta thấy, mỗi một linh kiện đều có ưu và nhược điểm khác nhau như đặc điểm mở dễ dàng của MOSFET, Thyristor thì dễ bảo vệ chống lại sự cố còn Transistor thì không làm việc trong môi trường nặng nề và còn nhiều đặc điểm khác nửa. Nhưng theo em, em sẽ chọn Thyristor vì những ưu điểm như: có giới hạn về dòng và áp lớn, làm việc tin cậy, chắc chắn đồng thời có giá thành rẽ đủ để che lấp hết nhược điểm của nó. Bên cạnh đó, với đặc điểm của động cơ và yêu cầu là khoá chuyển mạch để đóng cắt điện trở phụ thì tấn số đóng cắt không lớn hơn 15KHz. Vì tần số dưới 15KHz, Thyristo làm việc rất hiệu quả nên em sẽ chọn Thyristor. CHƯƠNG III TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC Sơ đồ mạch động lực hoàn chỉnh: C1 Tc R1 C1 Tp R1 ATM D1 E20 Ro D6 D5 D4 D3 D2 L C2 D7 I2 Lk Hình 3.1.Sơ đồ mạch động lực Số liệu ban đầu: Nguồn : 220/380V, 3 pha, 50 Hz. ĐCKĐB rôto dây quấn: Pđm = 10 (KW) nđm = 1460 (vòng/phút). hđm = 0,82 cosjđm = 0,8 E20 = 204 (V) r1 = 0,45 (W) r2 = 0,167 (W) xnm = 0,8 (W) Qua chương I va kế hợp với yêu cầu đề tài ,ta thấy việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ rô to dây quấn bằng phương pháp xung điện trở rôto là tối ưu hơn cả. diều chỉnh tốc độ bằng phương pháp này đảm bảo tính đối xứng 3 pha rôto thão mãn yêu cầu điều chỉnh vô cấp và khoang điều chỉnh rộng có thể tạo ra đặt tính cơ mong muốn. Hơn nữa phương pháp này phù hợp với những hệ truyền động có mômen cản không đổi. đặt tính ưu việt của phương pháp xung điện trở mạch rôto thông qua viêc đóng cát thiristor một cách tự động nên phương pháp này dễ tự động hóa. dây cũng là một trong những chỉ tiêu quan trọng trong thời đại ngày nay. do vậy ta chọn sơ đồ mạch lực như hình (0 3-1)dưới đay làm sơ đồ thiết kế tính toán III.1.Tính các thông số: Công suất điện: Dòng điện stato: Hệ số trượt: Với n1 là tốc độ từ trường quay, vì nó không lớn hơn tốc độ định mức (nđm) nhiều nên ta chọn n1 = 1500 (v/p). Dòng điện rôto: + Vì dòng từ hoá (Io) bé hơn nhiều so với dòng điện stato (I1) và dòng điện rô to qui đổi về stato (I2’) nên ta coi: I1 = I2’ = 23,16 (A). + Mặt khác ta có: ® I2 = KI.I2’ Trong đó: - KI : Hệ số qui đổi dòng điện. KI chọn theo hệ số công suất cosj. Theo sách “Thiết kế máy điện”-Trần Khánh Hà và Nguyễn Hồng Thanh ở trang 244 thì khi cosj = 0,8 ® Chọn KI = 0,85. - I2 : Dòng điện rôto. Vậy: I2 = 0,85 . 23,16 = 19,7 (A). III.2.Tính chọn Diot: Trong phần này cũng như phần tính chọn van ở sau, các số liệu được lấy từ sách “Điện tử công suất” - Lê Văn Doanh, Trần Văn Thịnh, Nguyễn Thế Công biên soạn. Điện áp làm việc của van: Ulv = Knv.U2 Trong đó: + Knv: Hệ số điện áp ngược. Theo bảng 8.1 trang 246 Chọn Knv = Ö6. + U2 : Điện áp rôto. U2 = E20 = 204 (V). ® Ulv = Ö6 . 204 = 499,7 (V) Điện áp ngược của van: cần chộn lớn hơn điện áp làm việc. Unv = KdtU . Ulv Trong đó: + KdtU: Hệ số dự trữ, KdtU = 1,6 ¸ 2 Chọn KdtU = 2 ® Unv = 2 . 499,7 = 999,4 (V) Dòng điện làm việc của van: Ilv = Ihd = Khd.Id Trong đó: + Khd: Hệ số xác định dòng điện hiệu dụng Theo bảng 8.2 trang 249. Chọn Khd = 0,58. + Với : I2 : dòng điện rô to. I2 = I2đm = 19,7 (A) K2 : Hệ số dòng điện. Đối với sơ đồ cầu 3 pha đối xứng thì K2 = 0,82. Dòng điện định mức của van: Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt với đủ diện tích tản nhiệt, không quạt đối lưu không khí. Iđmv = Ki.Ilv Với: Ki theo điều kiện tản nhiệt ở trên ta chọn. Ki = 4. ® Iddmv = 4. 13,9 = 55,6 (A) Để có thể chọn được van làm việc với các đại lượng định mức trên, ta tra bảng thông số các van, chọn van có Unv và Iđmv lớn hơn gần nhất với các thông số đã tính ở trên. Theo phụ lục I trang 653 ta chọn Điot 60NC15 với các thông số định mức sau: + Dòng điện định mức của van: Iđmv = 60 (A) + Điện áp ngược cực đại của van: Unv = 1000 (V) + Độ sụt áp trên van: DU = 1,5 (V) + Dòng điện rò: Ir = 10 (mA) III.3.Tính chọn Thyristor: Để Thyrristor làm việc được và không bị đánh thủng, ta chọn Thyristor có điện áp ngược cực đại lớn hơn điện áp ngược đặt lên van khi làm việc thông thường. Dựa vào sơ đồ mạch động lực hình 3.1 ta thấy điện áp ngược đặt lên van chính là điện áp trên tụ phóng điện. Mà điện áp trên tụ chính là điện áp sau chỉnh lưu. Nên ta có: UlvT = UlvĐ = 499,7 (V) Điện áp ngược đặt lên Thyristor cần chọn lớn hơn điện áp làm việc. Ungmax = KdtU.UlvT = 2 . 499,7 = 999,4 (V) Với KdtU: là hệ số dự trữ. Chọn bằng 2. Khi van mở, có thể coi dòng điện qua Ro bằng 0 nên dòng điện sau chỉnh lưu chính là dòng qua van. Như vậy: IlvT = IlvĐ = 13,9 (A) Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt với đủ diện tích tản nhiệt, không quạt đối lưu không khí. Ta có dòng điện định mức qua van: Iddmv = Ki . IlvT = 4 . 13,9 = 55,6 (A) Với Ki = 4. Với điện áp ngược cực đại và dòng điện qua van định mức , dựa vào phụ lục II trang 660 ta chọn Thyristor T60N100V0F với các thông số định mức sau: + Điện áp ngược cực đại trên van: Unmax = 1000 (V) + Dòng điện định mức của van: Iđm = 60 (A) + Sụt áp trên van: DUmax = 1,8 (V) + Dòng điện rò: Irmax = 25 (mA) + Thời gian chuyển mạch: tcm = 180 ms + Biến thiên điện áp: du/dt = 1000 V/s III.4. Tính chọn cuộn kháng lọc: Sự đập mạch của điện áp chỉnh lưu làm cho dòng điện tải cũng đập mạch theo làm xấu chất lượng dòng điện một chiều ảnh hưởng tới chất lượng điều khiển. Để dòng điện tải bằng phẳng hơn ta mắc cuộn kháng lọc sau bộ chỉnh lưu. Giá trị cuôn kháng phải đủ lớn để đáp ứng được yêu cầu điều khiển. Giá trị của cuộn kháng được tính theo công thức sau: Trong đó: + Udmax: Biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu. Đối với sơ đồ chỉnh lưu cầu Diot thì điện áp này là không đổi nên ta có. Udmax = Ulv = 499,7 (V) + K: Bội số sóng hài. Vì thành phần sóng hài bậc 1 ảnh hưởng lớn nhất đến điện áp chỉnh lưu nên ta chọn: K = 1 + m: Số lần đập mạch trong một chu kỳ. Đối với chỉnh lưu cầu ba pha: m = 6 + Idđm : Dòng điện định mức sau chỉnh lưu. Idđm = Ilv = 13,9 (A) + I1*%: Trị hiệu dụng của dòng điện sóng cơ bản, lấy tỉ số theo dòng định mức sau chỉnh lưu. I1*% = 10%Ilv = 10%.13,9 = 1,39 (A) + w: Tần số góc. w = 2pf = 2.3,14.60 = 376,8 (1/s) Vậy: III.5. Tính chọn Aptomat: Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, có khả năng bảo vệ quá tải và ngắn mạch. Theo sơ đồ mạch động lực hình 3.1 ta chọn aptomat theo dòng điện định mức stato. IlvAp = (1,1 ¸ 1,3)I1đm . Trong đó: + I1đm = 23,16 (A) + Hệ số dự trữ là 1,3. ® IlvAp = 1,3 . 23,16 = 30,1 (A) Khi chọn Aptomat ta chọn aptomat có trị số giới hạn lớn hơn gần nhất với dòng điện làm việc của aptomat. Dựa vào tài liệu thiết kế của cô giáo Lưu Mỹ Thuận ta chọn aptomat do Merlin Gerin (Pháp) chế tạo loại V40H với: + Dòng điện định mức: Iđm = 40 (A) + Điện áp định mức: Uđm = 240 (V) III.6. Tính chọn các linh kiện khác: III.6.1.Tính chọn điện trở phụ Ro: Như đã biết, điện trở phụ Ro tạo ra đặc tính điều chỉnh mong muốn, Ro càng lớn thì phạm vi điều chỉnh càng rộng. Vì vậy ta lấy giá trị Ro lớn nhất có thể được. Giá trị Ro được xác định theo công thức: Trong đó: + UngmaxT = 400 (V) + Idmax = 13,9 (A) + Kv = 1,6 III.6.2. Tính chọn tụ C2: Trong đó: + toffTc : Thời gian chuyển mạch của Thyristor chính. toffTc = Tcm = 180 (ms) + Id : Dòng điện sau chỉnh lưu. Id = 13,9 (A) + Ud : Điện áp sau chỉnh lưu. Ud = 499,7 (V) Vậy chọn C2 = 7,51 (mF) III.6.3. Tính chọn điện cảm L Trong đó: + toffTc = tcm = 180 (ms) = 180.10-6 (s) + C = 7,51 (mF) = 7,51.10-6 (F) III.6.4. Tính chọn Diot D7 : Khi tính chọn Diot, 2 thông số quan trọng cần xác định để chọn đó là dòng điện định mức qua van và điện áp ngược đặt trên van. Ở đây điện áp ngược đặt trên van chính là điện áp ngược đặt lên Thyristor nên ta có: UngĐ = UngT = 499,7 (V) Để đảm bảo an toàn ta nhân thêm hệ số dự trữ. UngmaxĐ = KdtU.UngĐ = 2 . 499,7 = 999,4 (V) Dòng điện qua D7 phụ thuộc vào điện cảm L và tụ C2 nên được tính như sau: Trong đó: + C2 = 7,51 (mF) = 7,51.10-6 (F) + L = 17,25 (mH) = 17,25.10-4 (H) + Ud = 499,7 (V) Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt với đủ diện tích tản nhiệt, không quạt đối lưu không khí.Với điều kiện làm việc như trên ta có dòng định mức qua van là: IđmD7 = K1.ID7 = 4 . 32,97 = 131,88 (A) Với Ki = 4 : Chọn theo điều kiện làm mát. Vậy ta có : IđmD7 = 131,88(A) Ungmax = 999,4 (V) Theo phụ lục I trang 654 ta chọn Diot R43100TS có các thông số sau: + Imax = 150 (A) + Unmax = 1000 (V) + DU = 1,1 (V) + Ir = 200 (mA) III.6.5. Tính chọn mạch bảo vệ xung điện áp do đóng cắt van: (R1 và C1) R1 và C1 tạo thành mạch R-C có tác dụng bảo vệ xung điện áp do quá trình đóng cắt van. Khi có sự chuyển mạch, do phóng điện từ van ra ngoài tạo nên xung điện áp trên bề mặt tiếp giáp van. Mạch R-C mắc song song với van bán dẩn tạo thành mạch vòng phóng điện tích quá độ trong quá trình chuyển mạch van, R1 và C1 thường được chọn theo kinh nghiệm. R1 = (5¸30)W ® Chọn R1 = 30 (W). C1 = (0,3 ¸ 4) mF ®Chọn C1 = 4 (mF). CHƯƠNG IV TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN. Mạch điều khiển bộ biến đổi Thyristor dùng để hình thành và tạo ra các xung điều khiển có dạng xung và độ rộng xung nhất định, phân bố chúng theo các pha và thay đổi thời điểm đưa xung kích thông vào các van của bộ biến đổi. Thyrisror chỉ mở cho dòng chạy qua khi có điện áp dương đặt lên Anot và có tín hiệu đặt vào cực điều khiển, sau khi Thyristor mở thì xung điều khiển không còn tác dụng nữa. Chính vì vậy, sau khi kích thông các phần tử điều khiển thì mạch điều khiển không được gây ảnh hưởng tới trạng thái làm việc của chúng. Như vậy việc tính chọn mạch điều khiển rất là quan trọng, nó đóng vai trò chủ yếu trong việc quyết định chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi. IV.1.Các yêu cầu về điều khiển: Các yêu cầu cơ bản của mạch điều khiển bộ biến đổi Thyristor phụ thuộc vào các chế độ làm việc và đặc tính của tải. Vì vậy các yêu cầu chính sẽ là: IV.1.1. Cần có một biên độ điện áp và dòng đủ lớn để kích thông một cách tin cậy các van. Cụ thể đối với Thyristor thì biên độ điện áp khoảng 10 - 20 V, dòng từ 20 - 200 mA. IV.1.2. Độ dốc sườn trước của xung càng cao thì việc mở Thyristor càng tốt đồng thời đốt nóng cục bộ càng giảm. Thông thường yêu cầu độ dốc sườn trước của xung điều khiển là 10V/ms. IV.1.3. Dải điều khiển phải rộng, dải này xác định bởi dạng và chế độ làm việc của các bộ biến đổi và đặc tính của tải. Ví dụ đối với chỉnh lưu cầu ba pha làm việc ở chế độ tải thuần trở thì góc điều khiển thông Thyristor phải thay đổi từ 0 ¸ 120o, còn đối với tải cảm kháng thì góc điều khiển cực đại là 90o, khi làm việc ở chế độ nghịch lưu thì góc điều khiển có thể tới 170o. IV.1.4. Phải đảm bảo các xung điều khiển theo pha. Nếu không đảm bảo đối xứng các xung điều khiển các Thyristor của các bộ biến đổi nhiều pha sẽ gây ra sự không cân bằng giá trị trung bình của dòng qua Thyristor. Sự mất đối xứng của xung điều khiển sẽ gây ra sự mất đối xứng của mạch lực dẩn đến nhiều tác hại khác. IV.1.5. Hệ thống điều khiển phải tác động nhanh và trong nhiều trường hợp phải đạt tới tốc độ một phần triệu giây. IV.2. Sơ đồ và nguyên lý điều khiển: IV.2.1.Sơ đồ khối mạch điều khiển: Tạo tần số So sánh Tạo xung Hình 4.1.Sơ đồ khối mạch điều khiển Khâu tạo tần số: Có nhiệm vụ tạo điện áp răng cưa Urc với tần số theo ý muốn. Đối với thyristor, thì tần số của khâu tạo tần số khoảng 1 ¸ 5 KHz. Khâu so sánh: So sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển Uđk ,tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau (Uđk = Urc). Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì phát xung ở đầu ra gửi sang tầng khếch đại. Khâu tạo xung: Có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Thyristor, xung mở Thyristor có yêu cầu: sườn trước dốc thẳng đứng để đảm bảo yêu cầu Thyristor mở tức thời khi có xung điều khiển (Thường là xung kim hoặc xung chữ nhật), phải đủ độ rộng với độ rông xung lớn hơn thời gian mở Thyristor, đủ công suất cách ly để cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực. IV.2.2. Nguyên lý điều khiển: Trong thực tế thường dùng hai nguyên tắc điều khiển đó là thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng “arccos” để điều chỉnh vị trí xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt lên Thyristor. Ở đây ta chỉ áp dụng nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính vì phương pháp này được sử dụng phổ biến. Còn phương pháp điều khiển thẳng đứng “arccos” chỉ được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính có thể mô tả như hình 4.1. Khi đặt một điện áp hình sin vào Anot của Thyristor, để có thể điều khiển được góc mở (a) của Thyristor trong vùng điện áp dương Anot, ta tạo một điện áp tựa dạng tam giác hay còn gọi là điện áp răng cưa (Urc). Như vậy điện áp tựa cần có trong vùng điện áp dương Anot. Udf Xđk Uđk Urc t1 t Ud t t t t3 t4 t5 t2 Hình 4.2.Nguyên lý điều khiển chỉnh lưu Dùng một điện áp một chiều Uđk so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm Uddk = Urc (cụ thể là tại t1 và t4 ) trong vùng điện áp dương Anot thì phát xung điều khiển Xđk. Như vậy Thyristor được mở từ thời điểm có xung điều khiển (t1,t4) cho tới cuối bán kỳ (hoặc tới khi dòng điện bằng không). Tổng đại số (Urc+ Uđk) được đưa đến khâu so sánh. Bằng cách thay đổi Uđk ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra, nghĩa là điều chỉnh được góc mở a. Giữa a và Uđk có quan hệ như sau: Người ta thấy: Uđkmax= Urcmax. IV.3. Xây dựng mạch điều khiển: Để xây dựng mạch điều khiển ta xây dựng từng khâu chính như: khâu tạo tần số, khâu so sánh, khâu tạo xung - khuếch đại. Sau đó ghép nối chúng lại với nhau. IV.3.1.Khâu tạo tần số: Có nhiệm vụ tạo ra điện áp răng cưa với tần số mong muốn, có nhiều cách tạo ra điện áp răng cưa, nhưng sơ đồ tạo điện áp tựa điển hình có thể tạo ra ba dạng điện áp như hình vẽ sau. a a a Tck Tck Tck t t Uđk U U U Hình 4.3.Các dạng điện áp tựa t a)Tạo điện áp tam giác bằng dao động đa hài bằng khếch đại thuật toán: Sơ đồ: R V- A2 A1 C R2 R1 R3 + - + V+ - U V+ V- a) b) Hình 4.4. Tạo điện áp tam giác bằng khếch đại thuật toán Nguyên lý: + Giả sử điện áp ra A1 đang dương nhờ hồi tiếp dương mà điện áp ra bằng Ucc và không đổi. Lúc đó điện áp vào cổng “+” có trị số: + Điện áp cổng vào “-” là điện áp nạp tụ, điện áp nạp tụ tăng dần đến khi V+ = V-. + Tại t1 đầu ra lật trạng thái dương xuống âm, điện áp V+ đổi dấu từ dương xuống âm, điện áp trên tụ đổi chiều nạp tụ. + Chu kỳ dao động: + Tần số xung: + Khi R1 = 2R2 ta có: T = 2RC.ln2 = 2RC.0,69 + Khi R1 = R2 ta có: T = 2RC.ln3 = 2,2RC + Khâu khếch đại A2 dùng để phối hợp trở kháng giữa điện áp trên tụ với tải bên ngoài. b)Tạo điện áp tam giác bằng phân tích sóng vuông: Sơ đồ: R2 V_ V+ R3 C R1 _ A2 A1 _ + + UA2 UA1 U Hình 4.5.Tạo điện áp tam giác bằng phân tích sóng vuông Nguyên lý: + Giả sử đầu ra của A1 dương UA1> 0 khi vào khâu khếch đại tích phân A2 đảo dấu cho điện áp tựa có sườn đi xuống. + Sườn xuống của điện áp tựa kéo dài tới khi nào V+ = 0 đầu ra của A1 đổi dấu thành âm. Chu kỳ điện áp ra của A1 cứ luân phiên đổi dấu như vậy cho ta điện áp ra như hình 4.5. + Tần số của điện áp tựa: + Bằng cách hạn chế các trị số của điện trở và tụ điện ta có được điện áp tựa có tần số như mong muốn. IV.3.2. Khâu so sánh: So sánh Uđk và Urc khi nào Uđk = Urc thì phát xung gởi vào tầng sau. Khâu so sánh có rất nhiều sơ đồ nhưng phổ biến nhất là các sơ đồ sau. Ura E R3 R2 R1 Ura R2 OA R1 R1 R2 Ura OA a) b) c) Hình 4.6.Sơ đồ các khâu so sánh điển hình. Sơ đồ: Nguyên lý: t t Urc Uđk Uss Hình 4.7.Nguyên lý so sánh. + Hình 4.4a thực hiện việc so sánh các tín hiệu: Uđk và Urc bằng Transistor. Tại thời điểm Uđk = Urc , đầu vào lật trạng thái khoá sang mở (hoặc mở sang khoá), làm cho điện áp ra cũng bị lật trạng thái, tại đó ta đánh dấu được thời điểm cần mở Thyristor. Mức độ bảo hoà của Transistor phụ thuộc vào hiệu Uđk+ Urc = Ub, hiệu này tạo ra vùng điện áp nhỏ hàng mV làm cho Transistor không làm việc ở chế độ đóng cắt mong muốn. Do đó làm thời điểm mở Thyristor bị lệch khá xa với điểm cần mở tại Uđk = Urc. + Hình 4.4b, c thực hiện việc so sánh các tín hiệu Uđk và Urc bằng khếch đại thuật toán (KĐTT) có hệ số khếch đại vô cùng lớn. Chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ cỡ mV là đầu ra đã có điện áp nguồn nuôi nên dùng KĐTT ở khâu so sánh là hợp lý. Ngoài ra ưu điểm hơn hẳn của các sơ đồ này là có thể phát xung điều khiển chính xác tại Uđk = Urc, đồng thời tác động nhanh, ổn định nhiệt tốt, độ trôi điểm không nhỏ, thời gian quá độ ngắn. IV.3.3.Khâu tạo xung khếch đại: Có nhiệm vụ tạo ra xung điều khiển thích hợp để mở Thyristor. Xung điều khiển phải có sườn trước dốc thẳng đứng để mở Thyristor tức thời, và xung điều khiển phải có đủ công suất và độ rộng để mở Thyristor một cách tin cậy. Đồng thời khâu này còn có nhiệm vụ cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển nhờ biến áp xung (BAX). Việc tạo xung được thực hiện bằng BAX và transistor như những sơ đồ sau: Sơ đồ: BAX Tr1 Tr2 C R D2 D1 Uv c) Hình 4.8.Sơ đồ các khâu khếch đại BAX Tr1 R D Uv a) BAX Tr1 Tr2 R D Uv b) +E +E +E Nguyên lý: + Khi có xung điện áp dương,Transistor thông làm xuất hiện một dòng điện chạy trong BAX ở mạch sơ cấp, dòng điện này cảm ứng sang thứ cấp một suất điện động. Khi đầu ra được nối kín mạch với Thyristor thì có dòng điện chạy trong mạch thứ cấp của BAX tới Thyristor. + Hình 4.5a: biểu diển sơ đồ tạo xung khếch đại bằng Transistor công suất. Để có xung dạng kim gởi tới Thyristor ta dùng BAX, để khếch đại công suất ta dùng Transistor, Diot D bảo vệ Transistor và cuộn dây sơ cấp biến áp xung khi Transistor khoá đột ngột. Sơ đồ này có ưu điểm là đơn giản nhưng ít dùng vì hệ số khếch đại của sơ đồ này nhiều khi không đủ lớn để khếch đại được tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang. + Hình 4.5b: Thực hiện tạo xung khếch đại bằng sơ đồ Dalington thường hay dùng trong thực tế. Sơ đồ này hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu về khếch đại công suất khi hệ số khếch đại được nhân lên theo thông số của các Transistor. + Hình 4.5c: Thực hiện tạo xung - khếch đại bằng sơ đồ có tụ nối tầng. Ưu điểm của sơ đồ này là có thể giảm nhỏ công suất toả nhiệt Transistor và kích thước dây quấn BAX. Theo sơ đồ này, Transistor chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong khoảng thời gian nạp tụ nên dòng hiệu dụng của chúng bé hơn nhiều lần. IV.3.4.Lựa chọn sơ đồ điều khiển: Sau khi thành lập được các khâu của mạch điều khiển, với ưu nhược điểm của từng sơ đồ trong các khâu kết hợp với yêu cầu điều khiển ta chọn từng sơ đồ trong từng khâu sau đó ghép chúng lại với nhau ta được mạch điều khiển hoàn chỉnh. + Khâu tạo tần số: Ta chọn sơ đồ tạo điện áp tam giác bằng phân tích sóng vuông.(Hình 4.5) + Khâu so sánh: Ta chọn sơ đồ hình 4.4b. + Khâu tạo xung - khếch đại: Ta chọn sơ đồ hình 4.5c. U XT2 XT1 -Uđk Urc t t t t t Hình4.9.Đồ thị điện áp mạch điều khiển. Ngoài ngoai ra ta còn thêm 2 khâu để hoàn chỉnh mạch điều khiển: + Bộ cộng: Gồm R4 và Rf có tác dụng nâng xung tam giác lên trên trục hoành để so sánh. + Hai cổng NAND và hai cổng AND hình thành một khoá liên động để đóng, mở Thyristor một cách chắc chắn. Nguyên lý điều khiển: + Tín hiệu đồng bộ được lấy ra từ khếch đại thuật toán A1. Như vậy ta nhận được một chuỗi xung hình chữ nhật ở đầu ra A1. Nhờ sự phóng và nạp của tụ C1 ta được dạng xung hình răng cưa đưa đến khâu so sánh A2. Bằng cách chọn giá trị của tụ và điện trở ta được tần số mong muốn. + Tại khâu so sánh, để tạo xung mở Thyrristor, ta so sánh giữa điện áp răng cưa và điện áp điều khiển. Điện áp nào lớn hơn thì lật trạng thái theo tín hiệu điện áp đó. Để có thể so sánh được ta dùng bộ cộng gồm biến trở và điện trở R4. + Khi |Urc| > |Uđk|: Thì đầu ra A3 ở mức thấp qua khếch đại đảo A4 thì đầu ra ở mức cao, đầu ra có xung dương đặt vào Bazơ của Transistor Tr3 làm Tr3 thông và Tr4 cũng mở thông. Lúc này cuôn sơ cấp BAX xuất hiện điện áp và cảm ứng sang cuộn thứ cấp một xung dương đặt vào cực điều khiển của Thyristor Tf làm Tf mở thông. Như vậy khi |Urc| > |Uđk| thì Tf được điều khiển. + Khi |Urc| < |Uđk| thì đầu ra A3 ở mức cao, đầu ra có xung dương đặt vào Bazơ của Tr1 làm cho Tr1 thông và Tr2 cũng thông. Tương tự như trên thì Thyristor Tc được điều khiển. Cùng lúc này, khi tín hiệu ở đầu ra A3 là tích cực sau khi qua bộ khếch đại đảo A4 thì ở mức thấp nên sẽ không có xung cấp đến Tr3, làm Tr3 không thông và không điều khiển được Tf . Hai cổng NAND được nối liên động tạo thành khóa liên động làm cho quá trình đóng mở hai van Tc và Tf chính xác, tin cậy hơn. + Quá trình điều khiển cứ như vậy, T1 và T2 đóng mở liên tục theo tần số , độ rộng xung điều khiển và xung đồng bộ. T1 và T2 đóng mở không đồng thời phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển. R5 R6 R4 R2 R1 R12 R13 R11 R8 R3 R10 R7 R9 D1 R14 R15 -Uđk C3 C2 C1 D5 D4 D3 D2 Tr4 Tr3 Tr2 Tr1 D6 Tf A2 BAX A1 A3 Tc BAX A4 +E +E + + + + - - - - & & & & + U+ U- Hình4.10:SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN HAI VAN ĐỘNG LỰC IV.4.Tính toán mạch điều khiển: Nguyên tắc tính toán mạch điều khiển là tính từ tầng khếch đại ngược lên, các thông số cần có trong quá trình tính toán là: + Điện áp điều khiển: Ug = 1,4 (V) + Dòng điện điều khiển: Ig = 150 (mA) = 0,15 (A) + Thời gian mở: tm = 180 (ms) + Tần số xung điều khiển: fx = 5 (KHz) + Độ rộng xung điều khiển: tx = 200 (ms) + Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U = 12 (V) IV.4.1.Tính biến áp xung: Chọn vật liệu làm lõi là sắt ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có: DB = 0,3 (T), DH = 30 (A/m), không có khe hở không khí. Tỉ số biến áp xung chọn m = 3. Điện áp thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Uđk = 1,4 (V). Điện áp sơ cấp máy biến áp xung: U1 = mU2 = 3.1,4 = 4,2 (V). Dòng điện thứ cấp BAX: I2 = Iđk = 0,15 (A). Dòng điện sơ cấp BAX: I1 = I2/m = 0,15/3 = 0,05 (A). Độ từ thẩm trung bình của lõi sắt: (H/m) Trong đó: mo- Mật độ từ thẩm của không khí. mo = 4p.10-7 = 1,25.10-6 (H/m) Thể tích lõi thép cần có: Trong đó: + Q: Tiết diện lõi thép. + l: Chiều dài trung bình mạch từ. + tx: độ rộng xung tx= 200 (ms) + sx: Độ sụt biên độ xung. sx = 15% = 0,15 + U1: Điện áp sơ cấp BAX. U1 = 4,2 (V) + I2: Dòng điện thứ cấp BAX. I2 = 0,15 (A) + mtb: Hệ số từ thẩm trung bình. mtb = 8.103 (H/m) V = Ql = = 2,1.10-6 (m3) = 2,1 (cm3) Chọn mạch từ OA-22/30-6,5 theo bảng 1.5 t rang 120 sách “Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất”của Trần Văn Thịnh. Có thể tích V=Q.L= 0,26.8,2= 2,132 (cm3) Với khích thước đó ta có kích thước mạch từ như sau: a = 4 mm ; b = 6,5 mm ; D = 30 mm ; Qcs =3,82 cm2 d = 22 mm ; Q = 0,26 cm2 ; l = 8,2 cm; P= 16,5 g a D b d Hình 4.11: Hình chiếu lõi thép máy biến áp. Tính toán các thông số của cuộn dây biến áp xung - Số vòng dây quấn sơ cấp máy biến áp xung. Theo định luật cảm ứng điện từ. Suy ra : (vòng) Số vòng dây thứ cấp. (vòng) - Tiết diện dây quấn sơ cấp Chọn mật độ dòng điện J1 = 3A/mm2 Đường kính dây quấn thứ cấp. Tra bảng p.5 trang 232 sách “Tính toán thết kế thiết bị điện tử công suất ” của Trần Văn Thịnh. Ta chọn d1 = 0,11 mm ;S1 = 0,095 mm2 ; đường kính mặt ngoài kể cả cách điện trong khoảng Dn = 0,13 ÷ 0,14 mm - Tiết diện dây quấn thứ cấp. chọn J2 = 3 A/mm2. Đường kính dây quấn thứ cấp . Tra bảng p.5 trang 232 sách “Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất ” của Trần Văn Thịnh . Ta chọn d2 = 0,27 mm ;S2 = 0,05726 mm2 ; đường kính mặt ngoài kể cả cách điện trong khoảng Dn = 0,31 ÷ 0,32 mm Kiểm tra hệ số lắp đầy. Như vậy cửa sổ đủ diện tích cần thiết IV.4.2.Tính tầng khếch đại: BAX Tr1 Tr2 C2 R13 D3 D5 Hình4.12.Sơ đồ tầng khếch đại. & R15 T Chọn Transistor công suất Tr2 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung với các thông số sau: + Transistor loại NPN, vật liệu bán dẩn là Si. + Điện áp giữa colectơ và bazơ khi hở mạch emitơ: UCBo = 40 (V). + Điện áp giữa emitơ và bazơ khi hở mạch colectơ: UEBo = 4 (V). + Dòng điện lớn nhất ở colectơ có thể chịu đựng: Icmax = 500 (mA). + Công suất tiêu tán ở colectơ: Pc = 1,7 (W). + Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T1 = 175oC. + Hệ số khếch đại: b = 50. + Dòng làm việc của colectơ: IC2 = I1 = 33,3 (mA). + Dòng làm việc của bazơ: IB2 = Ic2/b = 33,3/50 = 0,66 (mA). Ta thấy loại Thyristor đã chọn có công suất điều khiển khá bé. + Ug = 1,4 (V). + Ig = 0,15 (A). Nên dòng colectơ- bazơ của Tr2 khá bé, trong trường này ta có thể không cần Tr1 mà vẩn đủ công suất điều khiển. Chọn nguồn cấp của BAX là E = +12 (V).Với nguồn này ta phải mắc thêm điện trở R15 nối tiếp với cực colectơ của Tr2. Qui chuẩn : R15 =150 (W) Chọn Diot: Tất cả các Diot trong mạch này ta dùng loại 1N4009, có các tham số như sau: + Dòng điện định mức: Iđm = 10 (mA). + Điện áp ngược lớn nhất: UN = 25 (V). + Điện áp thông Diot: Um = 1 (V). Chọn các IC: Ta thấy trong toàn mạch điều khiển ta dùng 4 cổng: 2 AND và 2 NAND. + Đối với hai cổng AND ta chọn 1 IC 4081 họ CMOS có 4 cổng AND. Các thông số như sau: & & & & 8 10 9 11 12 14 13 1 2 3 4 5 6 7 Hình4.13.Sơ đồ chân IC 4081 Vcc Nguồn nuôi IC: Vcc = 3 ¸ 9 V ®Chọn Vcc = 12 (V). Nhiệt độ làm việc: - 40oC ¸ 80oC. Điện áp ứng với mức logic “1”: 2 ¸ 4,5 (V). Dòng điện : <1 mA. Công suất tiêu thụ: P = 2,5 nW/cổng. + Đối với hai cổng NAND ta chọn 1IC HEF4011B họ CMOS có 4 cổng NAND, các thông số như sau: Công suất tiêu tán: 10nW/cổng. Điện áp làm việc: 3 ¸ 15 (V) , Ulvmax = 18 (V). Nhiệt độ làm việc: -40oC ¸ 85oC. Dòng điện cỡ mA. & & & & 8 10 9 11 12 14 13 1 2 3 4 5 6 7 Hình4.13.Sơ đồ chân IC HF4011B Vcc Tính chọn tụ C2 và R13: + Điện trở R13 dùng để hạn chế dòng vào Tr1, nên chọn R13 thoả mản điều kiện. Qui chuẩn: R13 = 6,8 (kW). Tụ C2 có tác dụng giảm nhỏ công suất toả nhiệt Tr1 và Tr2, và kích thước dây sơ cấp BAX. Ta chọn: C2.R13 = tx = 200 (ms). IV.4.3.Tính tầng so sánh: Rf -Uđk R4 R5 R6 R9 - + A3 Hình4.15.Sơ đồ tầng so sánh. Trong toàn mạch có 4 KĐTT, vì vậy ta chọn1 IC TL084 do hãng Texac Instruments chế tạo, các IC này có KĐTT, các thông số như sau: + Điện áp nguồn nuôi: Vcc = ±18(V), Chọn Vcc = ± 12 (V). + Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: ± 30 (V). + Nhiệt độ làm việc: T = -25 ¸ 85oC. + Công suất tiêu thụ: P = 680 (mW) = 0,68 (W). + Tổng trở đầu vào: Rin = 106 (MW). + Dòng điện đầu ra: Ir = 30 (pA). +Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: du/dt = 13 (V/ms). + Sơ đồ chân như hình vẽ: 8 10 9 11 12 14 13 1 2 3 4 5 6 7 Hình 4.16.Sơ đồ chân IC TL084 - - - - + + + + Vì dòng IC rất bé nên ta coi: Trong đó: + Uv: Điện áp vào , ta chọn bằng điện áp nguồn nuôi. Uv = Vcc = 12 (V). + Iv : dòng điện vào, dòng này được hạn chế để Ilv < 1mA. Chọn R4 = R5 = R6 = 15 (kW). Vậy dòng vào A3 lúc này là: Chọn dòng ra Ir = 5 (mA). Qui chuẩn: R9 = 2,2 (kW). Tính chọn R2 , R8 , và R10: + Vì đầu vào của A4 là đầu ra của bộ so sánh nên: IrA3 = IvA4 = 5 (mA). + Với Uv = Ucc = 12 (V). Qui chuẩn: R7 = R8 = R10 = 2,2 (kW). + Vì mục đích của A4 là đảo tín hiệu đầu vào nên ta chọn R11 theo dòng điện vào. Qui chuẩn: R11 = 2,2 (kW). IV.4.4.Tính tầng tạo tần số: R2 V_ V+ R3 C1 R1 _ A2 A1 _ + + Hình4.17.Sơ đồ tầng tạo tần số. Tầng này có nhiệm vụ tạo ra điện áp răng cưa với tần số mong muốn. Điện áp răng cưa được hình thành do sự phóng và nạp của tụ C1 theo mạch R-C1. Tần số của điện áp tựa được tính bằng công thức. Trong đó: + f: tần số làm việc của Thyristor. f = 5000 (Hz). + Chọn R1 = R2 = 47 (kW). + Chọn C1 = 0,1 (mF) = 10-7 (F). Theo chuẩn : R3 = 470 (W). IV.5. Tạo nguồn nuôi: IV.5.1.Sơ đồ nguyên lý: Nguồn nuôi có nhiệm vụ tạo ra nguồn điện áp ± 12 (V) để cấp cho BAX và nuôi các IC. Để tạo nguồn nuôi ta dùng mạch chỉnh lưu cầu 3 pha dùng Diot. Như hình vẽ: Điện áp thứ cấp MBA nguồn nuôi: Chọn U2 = 9 (V) Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng hai vi mạch ổn áp 7812 và 7912. Các thông số của hai vi mạch này giống nhau như sau: + Điện áp đầu vào: Uv = 7 ¸ 35 (V). + Điện áp đầu ra: Ur = 12 (V) với IC 7812. Ur = -12 (V) với IC 7912. + Dòng điện đầu ra: Ir = 0 ¸ 1 (A). + Tụ điện C4, C5, C6, C7 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao. Chọn C4 = C5 = C6 = C7 = 470 (mF). 7812 a b c C6 C4 +12V 7912 a* b* c* C7 C5 -12V Hình4.18.Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn nuôi ± 12V B A C 220V IV.5.2.Tính toán máy biến áp nguồn nuôi: Ta chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ, trên mỗi trụ có 3 cuộn dây, một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp để tạo nguồn nuôi. Điện áp lấy ra ở thứ cấp MBA làm nguồn nuôi: U2 = UN = 9 (V). Dòng điện thứ cấp MBA: I2 = 1 (mA). Công suất nguồn nuôi cấp cho biến áp xung: P2 = 2U2I2 = 2.9.10-3 = 0,018 (W). Công suất tiêu thụ ở 1 IC TL 084 sử dụng làm khếch đại thuật toán: P084 = 4PIC = 4.0,68 = 2,72 (W). Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi: PN = P2 + P084 + Px = 0,018 + 2,72 + 0,42 = 3,158 (W). Công suất của MBA có kể đến 5% tổn thất trong máy: S = 1,05(P2+PN) = 1,05(0,018 + 3,158) = 3,335 (VA). Dòng điện thực ở thứ cấp MBA: Dòng điện thực sơ cấp MBA: Tiết diện trụ của MBA được tính theo kinh nghiệm: Trong đó: + kQ = 6 : Hệ số phụ thuộc phương thức làm mát. + m = 3 : Số trụ của MBA. + f = 50 (Hz): Tần số điện áp lưới. + S = 3,335 (VA): Công suất MBA. Qui chuẩn tiết diện trụ theo phụ lục 8 trang 693 sách “Điện tử công suất” tác giả Lê Văn Doanh, Trần Văn Thịnh, Nguyễn Thế Công ta chọn Qt = 0,98 (cm2). Như vậy ta có các thông số đi kèm như sau và MBA được biểu diển như hình vẽ: + Chiều dày lá thép: 0,35 (mm). + Số lượng lá thép: 26. + Công suất MBA: 5 (W) ở tần số 50 (Hz). + a = 12 (mm). + h = 30 (mm). + b = 10 (mm). Số vòng dây sơ cấp : Trong đó: + B = 1 (T): Mật độ từ cảm. + U1 = 220 (V). + f = 50 (Hz). + Qt = 0,98 (cm2) = 0,98.10-4 (m2). H a a a b C c h a Hình 4.19. Kích thước mạch từ MBA Chọn mật độ dòng điện J1 = J2 = 2,5 (A/mm2). + Tiết diện dây quấn sơ cấp: + Đường kính dây quấn sơ cấp: Chọn d1 = 0,1 (mm) để đảm bảo độ bền cơ. Đường kính có kể cách điện: d1cđ = 0,122 (mm). Số vòng dây quấn thứ cấp: (vòng) Tiết diện dây quấn thứ cấp: Đường kính dây quấn thứ cấp: Qui chuẩn: d2 = 0,18 (mm). Đường kính có kể cách điện: d2cđ = 0,21 (mm). Chọn hệ số lấp đầy klđ = 0,7. Chọn c = 7 (mm). Chiều dài mạch từ: C = 2c +3a = 2.7 +3.12 = 50 (mm). Chiều cao mạch từ: H = h + 2a = 30 + 2.12 = 54 (mm). Tính chọn Diot cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi: + Dòng hiệu dụng qua Diot: + Điện áp ngược lớn nhất mà Diot phải chịu: + Chọn Diot có dòng định mức: Iđm ³ Ki.ID = 10.0,131 = 1,31 (A). + Chọn Diot có điện áp ngược lớn nhất: UN = Ku.UNmax = 2.22 = 44 (V). Trong đó: + Ki: Hệ số phụ thuộc phương thức làm mát. Ở đây chọn điều kiện không có cánh tản nhiệt và tổn hao trên van DP < 20 (W). Chọn Ki = 10. + Ku: Hệ số dự trữ về áp. Chọn Ku = 2. + Chọn Diot loại KII 208A có các thông số: Dòng điện định mức: Iđm = 1,5 (A). Điện áp ngược cực đại: UN = 100 (V). CHƯƠNG V ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ Như đã biết, bên cạnh nhưng ưu điểm của ĐCKĐB như: cấu tạo đơn giản , giá thành hạ, sử dụng trực tiếp lưới xoay chiều ba pha mà không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo. Bên cạnh đó, theo phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng biến đổi điện trở roto thì hệ có phạm vi điều chỉnh tốc độ khá cao, nhưng độ ổn định tốc độ thấp ngay cả khi sử dụng mạch phản hồi. Để đánh giá chất lượng của hệ hở, em sẽ xây dựng các đường đặc tính cơ gồm: đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo tương ứng với trường hợp có điện trở phụ. Từ đó đề xuất phương án nâng cao chất lượng của hệ. V.1 Xây dựng đặc tính cơ tự nhiên: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ là đường cong phức tạp vì nó phụ thuộc vào nhiều tham số. Vì vậy ta phải xác định nhiều điểm có tọa độ (M,s) sau đó nối chúng lại với nhau ta sẽ được đặc tính cơ mong muốn. Mối quan hệ giữa momen và độ trượt của động cơ: (*) Trong đó: + Mth: Momen tới hạn. Với: - U1 = 220 (V) : Điện áp pha stato. - Trong đó chọn số đôi cực p = 2. - R1 = 0,45 (W) : Điện trở stato. - Xnm = X1 + X2’ = 0,8 (W) : Điện kháng ngắn mạch. Với: - R’2 = R2.ke2 = 0,167.(1,024)2 = 0,175 (W) - - sth : Hệ số trượt tới hạn. Thay các thông số vào công thức trên ta được: Để dựng được đặc tính cơ ta cho hệ số trược s chạy từ (0 ¸ 1) ta sẽ được các giá trị M tương ứng. Nối các điểm lại ta được đặc tính cơ tự nhiên như hình vẽ 5.1 . Một vài điểm đặc biệt: + s = 0 ® M = 0. + s = 1 ® M = Mnm = 169,3 (Nm). + sđm = 0,0267 ® Mđm = 129,8 (Nm). Ta lấy một vài giá trị : Bảng các giá trị: s 0 0,05 0,1 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 M 0 221 345 327 287 253 226 203 185 196 V.2 Xây dựng đặc tính cơ nhân tạo: Để xây dựng đặc tính cơ nhân tạo ta thêm điện trở phụ vào mạch roto. Khi thêm điện trở phụ thì momen tới hạn không đổi , còn độ trượt tới hạn tỉ lệ thuận với điện trở tổng trong mạch roto. Điện trở tính đổi xoay chiều sang một chiều là: Trong đó: + g = tđ/T . Với g cho biến thiên từ 0,01 ¸ 0,8. + Ro: Điện trở trong mạch một chiều. Ro = 18 (W). Khi g = 0,8 ® Rf = 7,2 (W). Cho s = (0 ¸ 1) thay vào phương trình (*) ta được: Ta dựng đặc tính cơ nhân tạo với g = 0,8. Ta lấy một vài giá trị: snt0,8 0 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Mnt0,8 0 6,2 12,3 24,7 36,8 48,7 60,5 72 83,4 94,5 106 116 Khi g = 0,01 ® Rf = 0,09 (W). Cho s = (0 ¸ 1) thay vào phương trình (*) ta được: Ta dựng đặc tính cơ nhân tạo với g = 0,01. Ta lấy một vài giá trị bất kỳ sth0,01 0 0,05 0,1 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Mth0,01 0 156 269 331 303 279 257 238 V.3.Đánh giá: Khoảng điều chỉnh tốc độ của động cơ nằm trong giới hạn của hai đường g = 0,8 và g = 0,01. Độ cứng đặc tính cơ của hệ hở thấp (nhỏ hơn đặc tính tự nhiên). Khi điều chỉnh càng sâu (g càng tăng) thì độ cứng đặc tính cơ càng giảm. Khi sử dụng hệ hở thì truyền động này chỉ có thể áp dụng đối với tải quạt gió (w º M2) với chất lượng thấp. Để nâng cao chất lượng của hệ ta cần phải sử dụng hệ kín có phản hồi tốc độ. Khi đó đặc tính cơ của hệ kín sẽ được nâng cao như đường chấm chấm nằm giữa hai đặc tính cao nhất (g = 0,01) và thấp nhất (g = 0,8) thấp nhất. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 100 1 200 300 400 M(N.m) S Mth TN g = 0,8 g = 0,01 Mđm sđm Hình5.1.Xây dựng đặc tính cơ. V.4.Đề xuất mạch hệ kín: Sơ đồ nguyên lý: Lk C1 Tc R1 C1 Tp R1 ATM D1 E20 Ro D6 D5 D4 D3 D2 L C2 D7 I2 Uđk Uđ Upw FT DF-TX w Hình5.2. Sơ đồ nguyên lý tự động điều chỉnh tốc độ. Nguyên lý điều chỉnh: + Đại lượng được điều chỉnh w sẽ được đo lường nhờ bộ cảm biến là máy phát tốc (MFT) lắp trên trục động cơ, điện áp ra của nó tỉ lệ với tốc độ động cơ và được dùng làm tín hiệu phản hồi tốc độ. Upw = UFT = kpw.w. Trong đó: + kpw = kFT: Hệ số phản hồi tốc độ, với trường hợp này nó chính bằng hệ số khếch đại của máy phát tốc. + Upw : Điện áp phản hồi tốc độ. + Điện áp điều khiển: Uđk = Uđ - Upw = Uđ -Kpw.w Theo đó: + Nếu w tăng ® Uđk giảm ® Eb = kb.Uđk giảm ® w sẽ giảm về giá trị cũ. + Nếu w giảm ® Uđk tăng ® Eb = kb.Uđk tăng ® w sẽ tăng về giá trị ban đầu. KẾT LUẬN Sau một thời gian làm việc không ngừng, dưới sự hướng dẩn trực tiếp và tận tình của thầy Trương Minh Tấn ,em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình. Với đề tài “THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR DÂY QUẤN BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN TRỞ XUNG” gồm các nội dung sau: + Tổng quan hệ truyền động động cơ không đồng bộ. + Tổng quan phương pháp điều chỉnh điện trở phụ mạch roto. + Tính chọn mạch động lực. + Tính chọn mạch điều khiển. + Đánh giá chất lượng của hệ. Toàn bộ nội dung của đồ án em đã trình bày lần lượt ở phần trên. Nhờ sự giúp đỡ của thầy mà đến hôm nay em đã hoàn thành đồ án của mình. Tuy nhiên vì thời gian không dài cũng như kiến thức chưa được sâu sắc nên không tránh có những sai sót. Nhưng em tin rằng, với sự chỉ bảo của quí thầy cô cùng bè bạn sẽ giúp đỡ em rất nhiều trong việc khắc phục những sai sót đó. Sau cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Trương Minh Tấn đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này,và quí thầy cô Trường Đaị Học Quy Nhơn đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập vừa qua. Em xin chân thành cảm ơn! Quy Nhơn, Ngày 23 tháng 6 năm 2009. Sinh viên thực hiện. Ngô Trung Thành MỤC LỤC Trang Lời nói đầu 1 CHƯƠNG I – TỔNG QUAN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG 3 CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ. I.1.Khái niệm cơ bản về truyền động điện. 3 I.2.Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ. 10 I.3.Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ. 16 I.4.Khởi động và cách xác định điện trở khởi động. 20 I.5.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 21 I.5.Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm. 30 I.6.Điều chỉnh tốc độ truyền động điện. 34 CHƯƠNG II – TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU 38 CHỈNH ĐIỆN TRỞ PHỤ MẠCH ROTO II.1.Sơ đồ nguyên lý. 39 II.2.Phương pháp điều chỉnh. 39 II.3.Lựa chọn linh kiện. 41 II.4.Chọn phương án. 47 CHƯƠNG III – TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC 48 III.1.Tính các thông số. 49 III.2.Tính chọn Diot chỉnh lưu. 50 III.3.Tính chọn Thyristor. 51 III.4.Tính chọn cuộn kháng lọc. 52 III.5.Tính chọn Aptomat. 53 III.6.Tính chọn các linh kiện khác 53 CHƯƠNG IV – TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 56 IV.1.Các yêu cầu về điều khiển. 56 IV.2.Sơ đồ nguyên lý và điều khiển. 57 IV.3.Xây dựng mạch điều khiển. 59 IV.4.Tính toán mạch điều khiển. 69 IV.5.Tạo nguồn nuôi. 77 CHƯƠNG V – ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ 83 V.1.Xây dựng đặc tính cơ tự nhiên. 83 V.2.Xây dựng đặc tính cơ nhân tạo. 84 V.3.Đánh giá. 86 V.4.Đề xuất mạch hệ kín. 88 Kết luận 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Tác giả : Nguyễn Quốc khánh ; Nguyễn Văn Liễn ; Nguyễn Thị Hiền ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Tác giả : Lê Văn Doanh ; Trần Văn Thịnh ; Nguyễn Thế Công TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Tác giả : Trần Văn Thịnh TÀI LIỆU THIẾT KẾ Tác giả : Lưu Mỹ Thuận ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Tác giả : Võ Minh Chính(chủ biên); Phạm Quốc Hải ; Trần Trọng Minh KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Tác giả : Đỗ Xuân Thụ THIẾT KẾ MÁY ĐIỆN Tác giả : Trần Khánh Hà ; Nguyễn Hồng Thanh