Đồ án ĐTCS Thiết kế chế tạo bộ nguồn chỉnh lưu công suất một pha điều khiển động cơ

ng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau: g = Trong đó: ni : Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ i. ni + 1: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ ( i + 1 ). Với ni và ni + 1 đều lấy tại một giá trị moment nào đó. g tiến càng gần 1 càng tốt, phương pháp điều chỉnh tốc độ càng liên tục. Lúc này hai cấp tốc độ bằng nhau, không có nhảy cấp hay còn gọi là điều chỉnh tốc độ vô cấp. g ¹ 1 : Hệ thống điều chỉnh có cấp. e. Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ: Hệ thống truyền động điện có chất lượng cao là một hệ thống có hiệu suất làm việc của động cơ h là cao nhất khi tổn hao năng lượng DPphụ ở mức thấp nhất. f. Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ: Hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền động điện có tính kinh tế cao nhất là một hệ thống điều chỉnh phải thỏa mãn tối đa các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Đồng thời hệ thống phải có giá thành thấp nhất, chi phí bảo quản vận hành thấp nhất, sử dụng thiết bị phổ thông nhất và các thiết bị máy móc có thể lắp ráp lẫn cho nhau. 1.5.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng: Đối với các máy điện một chiều, khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnh điện áp trên mạch phần ứng thì dòng điện, moment sẽ không thay đổi. Để tránh những biến động lớn về gia tốc và lực động trong hệ điều chỉnh nên phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng thường được áp dụng cho động cơ một chiều kích từ độc lập. Để điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta dùng các bộ nguồn điều áp như: máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ… Các bộ biến đổi trên dùng để biến dòng xoay chiều của lưới điện thành dòng một chiều và điều chỉnh giá trị sức điện động của nó cho phù hợp theo yêu cầu. Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Ta có tốc độ không tải lý tưởng: n0 = Uđm/KEFđm. Độ cứng của đường đặc tính cơ: Khi thay đổi điện áp đặt lên phần ứng của động cơ thì tốc độ không tải lý tưởng sẽ thay đổi nhưng độ cứng của đường đặc tính cơ thì không thay đổi. Như vậy: Khi ta thay đổi điện áp thì độ cứng của đường đặc tính cơ không thay đổi. Họ đặc tính cơ là những đường thẳng song song với đường đặc tính cơ tự nhiên: U1 U2 U3 TN ( Uđm ) n0 ncb n1 n2 n3 M n MC Uđm > U1 > U2 > U3 ncb > n1 > n2 > n3 Hình 4: Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng thực chất là giảm áp và cho ra những tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản ncb. Đồng thời điều chỉnh nhảy cấp hay liên tục tùy thuộc vào bộ nguồn có điện áp thay đổi một cách liên tục và ngược lại. Theo lý thuyết thì phạm vi điều chỉnh D = ¥. Nhưng trong thực tế động cơ điện một chiều kích từ độc lập nếu không có biện pháp đặc biệt chỉ làm việc ở phạm vi cho phép: Umincp = nghĩa là phạm vi điều chỉnh: D = ncb/nmin = 10/1. Nếu điện áp phần ứng U < Umincp thì do phản ứng phần ứng sẽ làm cho tốc độ động cơ không ổn định. Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ sẽ giữ nguyên độ cứng của đường đặc tính cơ nên được dùng nhiều trong máy cắt kim loại và cho những tốc độ nhỏ hơn ncb. Ưu điểm: Đây là phương pháp điều chỉnh triệt để, vô cấp có nghĩa là có thể điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi ở không tải lý tưởng. Nhược điểm: Phải cần có bộ nguồn có điện áp thay đổi được nên vốn đầu tư cơ bản và chi phí vận hành cao. 1.5.3. Điều chỉnh tốc độ bằng các thay đổi từ thơng: · - · + · + · · - Ckt Rkt Iư U Eư Ukt Hình 5: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh moment điện từ của động cơ M = KMfIư và sức điện động quay của động cơ Eư = KEfn. Thông thường, khi thay đổi từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên giá trị định mức. Đối với các máy điện nhỏ và đôi khi cả các máy điện công suất trung bình, người ta thường sử dụng các biến trở đặt trong mạch kích từ để thay đổi từ thông do tổn hao công suất nhỏ. Đối với các máy điện công suất lớn thì dùng các bộ biến đổi đặc biệt như: máy phát, khuếch đại máy điện, khuếch đại từ, bộ biến đổi van… Thực chất của phương pháp này là giảm từ thông. Nếu tăng từ thông thì dòng điện kích từ Ikt sẽ tăng dần đến khi hư cuộn dây kích từ. Do đó, để điều chỉnh tốc độ chỉ có thể giảm dòng kích từ tức là giảm nhỏ từ thông so với định mức. Ta thấy lúc này tốc độ tăng lên khi từ thông giảm: n = Mặt khác ta có: Moment ngắn mạch Mn = KMIn nên khi giảm sẽ làm cho Mn giảm theo. Độ cứng của đường đặc tính cơ: Khi giảm thì độ cứng b cũng giảm, đặc tính cơ sẽ dốc hơn. Nên ta có họ đường đặc tính cơ khi thay đổi từ thông như sau: F1 F2 Fđm 0 MC M2 M1 Mn Hình 6: Hoï ñaëc tính cô khi thay ñoåi töø thoâng. ncb n1 n2 n M fñm > f1 > f2 ncb < n1 < n2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều chỉnh được tốc độ vô cấp và cho ra những tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản. Theo lý thuyết thì từ thông có thể giảm gần bằng 0, nghĩa là tốc độ tăng đến vô cùng. Nhưng trên thực tế động cơ chỉ làm việc với tốc độ lớn nhất: nmax = 3.ncb tức phạm vi điều chỉnh: D = = Bởi vì ứng với mỗi động cơ ta có một tốc độ lớn nhất cho phép. Khi điều chỉnh tốc độ tùy thuộc vào điều kiện cơ khí, điều kiện cổ góp động cơ không thể đổi chiều dòng điện và chịu được hồ quang điện. Do đó, động cơ không được làm việc quá tốc độ cho phép. Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều chỉnh tốc độ vô cấp và cho những tốc độ lớn hơn ncb. Phương pháp này được dùng để điều chỉnh tốc độ cho các máy mài vạn năng hoặc là máy bào giường. Do quá trình điều chỉnh tốc độ được thực hiện trên mạch kích từ nên tổn thất năng lượng ít, mang tính kinh tế. 1.5.4. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng có thể được dùng cho tất cả động cơ điện một chiều. Trong phương pháp này điện trở phụ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng của động cơ theo sơ đồ nguyên lý như sau: · - · - + · + · · · Iö Rf Ckt Rkt U E UKT Hình 7: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng. Ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Khi thay đổi giá trị điện trở phụ Rf ta nhận thấy tốc độ không tải lý tưởng: và độ cứng của đường đặc tính cơ: ; sẽ thay đổi khi giá trị Rf thay đổi. Khi Rf càng lớn, b càng nhỏ nghĩa là đường đặc tính cơ càng dốc. Ứng với giá trị Rf = 0 ta có độ cứng của đường đặc tính cơ tự nhiên được tính theo công thức sau: TN Rf1 Rf2 Rf3 0 MC n3 n2 n1 ncb n0 n M, I 0 < Rf1 < Rf2 < Rf3 ncb > n1 > n2 > n3 Ta nhận thấy bTN có giá trị lớn nhất nên đường đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có đóng điện trở phụ trên mạch phần ứng. Vậy khi thay đổi giá trị Rf ta được họ đặc tính cơ như sau: Hình 8:Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng được giải thích như sau: Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với tốc độ n1 ta đóng thêm Rf vào mạch phần ứng. Khi đó dòng điện phần ứng Iư đột ngột giảm xuống, còn tốc độ động cơ do quán tính nên chưa kịp biến đổi. Dòng Iư giảm làm cho moment động cơ giảm theo và tốc độ giảm xuống, sau đó làm việc xác lập tại tốc độ n2 với n2 > n1. Phương pháp điều chỉnh tốc độ này chỉ có thể điều chỉnh tốc độ n < ncb. Trên thực tế không thể dùng biến trở để điều chỉnh nên phương pháp này sẽ cho những tốc độ nhảy cấp tức độ bằng phẳng g xa 1 tức n1 cách xa n2, n2 cách xa n3… Khi giá trị nmin càng tiến gần đến 0 thì phạm vi điều chỉnh: D= Trong thực tế, Rf càng lớn thì tổn thất năng lượng phụ tăng. Khi động cơ làm việc ở tốc độ n = ncb/2 thì tổn thất này chiếm từ 40% đến 50%. Cho nên, để đảm bảo tính kinh tế cho hệ thống ta chỉ điều chỉnh sao cho phạm vi điều chỉnh: D = Khi giá trị Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm. Đồng thời dòng điện ngắn mạch In và moment ngắn mạch Mn cũng giảm. Do đó, phương pháp này được dùng để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản. Và tuyệt đối không được dùng cho các động cơ của máy cắt kim loại. Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng chỉ cho những tốc độ nhảy cấp và nhỏ hơn ncb. Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cho cần trục, thang máy, máy nâng, máy xúc, máy cán thép. Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở phụ đóng vào càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độ khi phụ tải thay đổi càng kém. Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp thì tổn hao phụ càng tăng. 1.5.5. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng các rẽ mạch phần ứng: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng có sơ đồ nguyên lý như sau: Iư IS In Rn RS · · · · · · - + · CktttttT Rkt E U Hình 9: Sơ đồ nguyên lý phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng. Một hệ thống khi điều chỉnh cần tốc độ nhỏ hơn ncb và điều chỉnh nhảy cấp. Hệ thống có độ cứng tương đối lớn và thiết bị vận hành đơn giản thì người ta dùng phương pháp rẽ mạch phần ứng hay còn gọi là phân mạch. Theo phương pháp rẽ mạch phần ứng thì phần ứng động cơ nối song song với điện trở và nối nối tiếp với một điện trở khác. Phương pháp này giống với phương pháp thay đổi điện trở trên mạch phần ứng nhưng điện áp phần ứng lại không thay đổi. Do đó, phương pháp này đòi hỏi phải: - Điện áp đặt vào phần ứng động cơ không thay đổi. - Vì dòng kích từ không thay đổi nên khi điều chỉnh tốc độ, từ thông không đổi làm cho moment phụ tải cho phép được giữ không đổi và bằng trị số định mức. Ta có phương trình đặc tính cơ: Từ phương trình trên, ta nhận thấy tốc độ động cơ nĐ < ncb. Mặt khác ta có: Độ cứng của đường đặc tính cơ rẽ mạch phần ứng bPM nhỏ hơn độ cứng của đặc tính cơ tự nhiên bTN nhưng lại lớn hơn độ cứng của đặc tính cơ có điện trở phụ bRf với điện trở phụ chính là Rn. Để điều chỉnh tốc độ động cơ trong trường hợp này ta tiến hành như sau: Giữ nguyên Rn, thay đổi giá trị RS: - Khi RS = 0: Đây là trạng thái hãm động năng với tốc độ hãm động năng nHĐN = 0. Ta coù hoï ñaëc tính cô nhö sau :sau: TN n n0 n3 n2 n1 I IA MC RS = 0 RS = ¥ RS2 RS1 · RS1 < RS2 n1 < n2 Hình 10: Họ đặc tính cơ khi Rn = const, RS thay đổi. Như vậy, khi giữ nguyên Rn, thay đổi giá trị RS thì vùng điều chỉnh tốc độ bị hạn chế và modun độ lớn đặc tính cơ tăng dần khi tốc độ giảm. Giữ nguyên RS, thay đổi giá trị Rn: Khi Rn = 0: RS không ảnh hưởng đến đường đặc tính cơ. Lúc này ta xem RS như là tải nối song song với động cơ. Ta có được đường đặc tính cơ tự nhiên. Khi Rn = ¥: Động cơ điện bị hở mạch nên không có điện áp rơi trên phần ứng động cơ. Đây là trạng thái hãm động năng với RHĐN = RS. Ta có : IB = Uđm/RS. Ta có họ đặc tính cơ như sau: Hình11:Hoï ñaëc tính cô khi RS = const, Rn thay ñoåi. n1 n2 ncb I TN ( RN = 0 ) MC IB n Rn1 Rn2 n0 0 <Rn1 <Rn2 <Rn = ¥ n2 < n1 < ncb Vậy, khi giữ nguyên RS và thay đổi Rn thì phạm vi điều chỉnh không bị hạn chế như trường hợp trên. Nhưng khi tốc độ giảm xuống thì độ cứng đường đặc tính cơ lại bị giảm xuống. Ngoài ra còn có phương pháp thay đổi đồng thời giá trị của RS và Rn: Phương pháp này thường được sử dụng trong thực tế. So với phương pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng ta nhận thấy: Khi tốc độ và moment động cơ như nhau nghĩa là khi công suất cơ như nhau dòng điện nhận từ lưới trong sơ đồ rẽ mạch phần ứng luôn luôn lớn hơn trong sơ đồ điều chỉnh bằng điện trở phụ trên mạch phần ứng một lượng bằng dòng điện chạy qua RS. Phương pháp này chỉ dùng cho cần trục, cầu trục, thang máy, máy cán thép. Đồng thời tuyệt đối không dùng cho máy cắt kim loại. Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng thì điều chỉnh tốc độ nhảy cấp và cho những tốc độ nhỏ hơn ncb. Ưu điểm: - Với cùng một tốc độ yêu cầu thì độ cứng của đường đặc tính cơ phân mạch có độ cứng lớn hơn đặc tính cơ dùng điện trở phụ trên mạch phần ứng. - Thiết bị vận hành đơn giản. 1.5.6. Điều chỉnh tốc độ bằng hệ thống máy phát động cơ: ( F - Đ) 1.5.6.1 Sơ đồ nguyên lý: Với những hệ thống điều chỉnh tốc độ vô cấp, phạm vi điều chỉnh tốc độ tương đối rộng. Cần những tốc độ lớn hơn hay nhỏ hơn so với tốc độ cơ bản và cần điều chỉnh liên tục như truyền động chính của một số máy bào giường có năng suất thấp, truyền động quay trục cán thép có công suất trung bình và nhỏ, truyền động đúc ống trong phương pháp đúc liên tục… thì người ta dùng hệ thống F - Đ có sơ đồ nguyên lý như sau: - + CD1 Iư PđmC IKF RKF CKF · · · · · · · · · · · 2 IKĐ RKĐ CKÑ 1 CD2 UK RKK CKK Pđ Pcơ2 Pcơ1 UĐ ĐSC n U1; f1 K F CCSX Ñ Hình 12: Sơ đồ nguyên lý hệ thốngF–Đ. Trong đó: ĐSC: Động cơ sơ cấp, cung cấp động lực cho toàn hệ thống. Nhận công suất điện xoay chiều, biến đổi điện năng thành cơ năng kéo máy phát F và máy phát kích thích K. ĐSC có thể là động cơ nổ, động cơ điện tùy thuộc vào chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống. F: Máy phát một chiều kích thích độc lập, cung cấp trực tiếp nguồn một chiều cho phần ứng động cơ. Đ: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập kéo cơ cấu sản xuất ( CCSX ), là đối tượng cần điều chỉnh tốc độ trong phạm vi tương đối nhỏ. K: Máy phát kích thích, thực chất là máy phát điện một chiều đặc biệt có từ dư lớn nên có khả năng tự kích. Phát ra điện một chiều UK cung cấp cho mạch kích thích máy phát CKF và kích thích của động cơ CKĐ. 1.5.6.2. Nguyên lý hoạt động: Để khởi động hệ thống F - Đ ta tiến hành các bước như sau: - Mở tất cả các cầu dao CD1, CD2. - Điều chỉnh biến trở ở mạch kích thích của động cơ RKĐ ở trị số cực tiểu sao cho FĐmax và điều chỉnh biến trở ở mạch kích thích của máy phát RKF ở trị số cực đại sao cho FFmin. - Đóng cầu dao CD1 ( lúc này CD2 vẫn hở ) khởi động động cơ ĐSC. Động cơ ĐSC sẽ quay và đợi cho tốc độ ổn định. ĐSC quay làm cho máy phát F và máy phát kích thích K quay. - Đóng cầu dao CD2 để chọn chiều quay cho động cơ là thuận hay ngược. Lúc này có FF nhưng rất bé sẽ làm cho EF bé nên UĐ = EF – IưRưF bé. Động cơ sẽ khởi động và quay với tốc độ thấp. - Để tăng dần điện áp đặt vào động cơ, ta điều chỉnh biến trở RKF giảm dần về trị số cực tiểu ( tăng dòng kích từ của máy phát ), do đó, dòng Iư tăng dần, động cơ tăng tốc độ cho đến khi đạt đến ncb. Quá trình khởi động đến đây là chấm dứt. - Để ngừng truyền động ta điều chỉnh RKF tăng dần để giảm dòng kích thích của máy phát làm cho điện áp phát ra của máy phát UF giảm. Do đó, tốc độ của động cơ giảm xuống và ngừng hẳn vào lúc UF = 0. Sau đó mở cầu dao CD2 dừng động cơ ĐSC. Muốn thay đổi chiều quay của động cơ ta gạt cầu dao CD2 sang vị trí 2. Với hệ thống F - Đ ta có thể điều chỉnh tốc độ theo hai hướng như sau: Để cho nĐ < ncb: Điều chỉnh biến trở RKF của máy phát đạt giá trị cực đại để giảm dòng kích từ của máy phát làm cho UF giảm, tốc độ động cơ giảm xuống đạt nĐ < ncb. Gọi DUĐ: Phạm vi điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp đặt lên phần ứng động cơ. Ta có: DUĐ = = Để cho nĐ > ncb : Ta giữ UF ở trị số định mức và điều chỉnh biến trở RKĐ đạt giá trị cực đại để giảm từ thông kích thích của động cơ. Lúc này tốc độ của động cơ tăng lên đạt nĐ > ncb. Gọi DFĐ: Phạm vi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông của động cơ. Ta có: DFĐ = = Kết hợp hai phương pháp điều chỉnh là giảm điện áp đặt vào phần ứng động cơ UĐ và giảm từ thông FĐ ta được phạm vi điều chỉnh chung: D = DUĐ.DFĐ = = 1.5.6.3. Thành lập phương trình đặc tính cơ của hệ thống F - Đ: Phương trình đặc tính cơ tổng quát: Phương trình cân bằng sức điện động của máy phát: UĐ = EF – IưRưF Thay vào phương trình đặc tính cơ ta được: Đây là phương trình đặc tính tốc độ của hệ thống. Thay Iư = vào phương trình đặc tính tốc độ ta được phương trình đặc tính cơ của động cơ trong hệ thống F - Đ như sau: Từ phương trình đặc tính cơ của hệ thống ta nhận thấy: Ứng với mỗi hướng điều chỉnh tốc độ động cơ khác nhau ( lớn hay nhỏ hơn so với tốc độ cơ bản ) ta sẽ có những họ đặc tính điều chỉnh khác nhau như đã trình bày ở trên. n’3 n’2 n’1 RKF ­ RKĐ­ ncb n2 n1 UĐ¯ FĐ ¯ F3 F2 F1 U1 U2 Uđm, Fđm n M 0 MC Hình 13:Họ đặc tính cơ điều chỉnh trong hệ thống F - Đ. 1.5.6.4 Đánh giá hệ thống F - Đ: a. Ưu điểm: - Hệ thống này có thể điều chỉnh tốc độ vô cấp, phạm vi điều chỉnh rộng: D = bởi vì quá trình điều chỉnh được thực hiện bằng mạch kích thích của máy phát và động cơ. Có thể dùng phương pháp biến trở. - Hệ thống có sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn nên thường được sử dụng ở các máy khai thác trong công nghiệp nhỏ. b. Nhược điểm: - Dùng 4 máy để quay nên khi làm việc sẽ gây tiếng ồn lớn, chiếm nhiều diện tích để đặt máy. Đồng thời tổng công suất đặt vào hệ thống F - Đ quá lớn: Gấp 3 lần so với yêu cầu nên vốn đầu tư lớn. - Hiệu suất hoạt động của hệ thống tương đối thấp: h = < 0,75 - Đặc tính cơ dốc nên khi có dao động ở phụ tải thì thể hiện rõ hơn nữa. - Ngoài ra, do các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hóa có trể nên khó điều chỉnh sâu tốc độ. c. Nhận xét: Với hệ thống F - Đ vòng hở như trên, ta không thể thực hiện việc ổn định tốc độ động cơ là nhiệm vụ cần thiết đối với các hệ thống truyền động nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm được gia công trên máy, nâng cao chất lượng kỹ thuật của một qui trình công nghệ mà máy sản xuất tham gia hoặc nâng cao năng suất của máy. Để thực hiện nhiệm vụ đó, ta thường dùng các hệ thống F-Đ có khuếch đại máy điện dùng phản hồi vòng kín. Trong các hệ thống này, các bộ khuếch đại máy điện sẽ sư ûdụng các liên hệ phản hồi, nghĩa là đưa một tín hiệu đầu ra của hệ thống quay trở lại đầu vào của nó. Tín hiệu đầu ra có thể là điện áp, dòng điện trong mạch chính hoặc tốc độ quay của động cơ. Tín hiệu đầu vào là sức từ động của khuếch đại máy điện. Các khuếch đại máy điện thường dùng hiện nay là máy kích từ nhiều cuộn dây điều chỉnh được, khuếch đại máy điện tự kích và khuếch đại máy điện từ trường giao trục. 1.3. Giới thiệu về van bán dẫn điều khiển. 1.3.1. Cấu tạo, ký hiệu: a.Cấu tạo: Thyristor là một thiết bị gồn 4 lớp bán dẫn P1,N1,P2,N2 ghép lại tạo ra 3 lớp tiếp xúc J1,J2,J3. Ký hiệu: A K G P1 P2 N2 N2 G K A J1 J2 J 3 1.3.2. Nguyên lý làm việc: Khi đặt Thyristor vào điện áp một chiều, anot nối vào cực dương, catot nối vào cực âm của nguồn. Khi đó J1,J3 được phân cực thuận, J2 bị phân cực ngược. Gần như toàn bộ điện áp đặt lên mặt ghép J2. Điện trường nội tai Ei của J2 có chiều từ N1 đến P2. Điện trường ngoài tác dụng cùng chiều với Ei vùng chuyển tiếp cũng là vùng cách điện càng mở rộng ra, không có dòng chảy qua Thyristor mặc dù nó được đặt điện áp. Để mở Thyristor ta đạt một xung điện áp dương Ug tác động vào cực G (dương so với K) các điện tử chảy từ N2P2 và một số ít chảy vào nguồn Ug và hình thành dòng điều khiển ig chảy theo mạch G-J3-K-G. Còn các phần tử chịu sức hút của điện trường tổng hợp của mặt ghép J2 lao vào vùng chuyển tiếp này chúng được tăng tốc bắn phá J2, vùng chuyển tiếp J2 bị chọc thủng làm xuất hiện ngày càng nhiều điện tủ chảy vào N1 qua P1 và đến cực dương của nguồn điện ngoaid gây nên hiện tượng dãn điện ào ạt. J2 trở thành mặt ghép dẫn điện bắt đầu từ một điểm nào đó ở xung quanh cực G rồi phát ra toàn bộ mặt ghép nên Thyristor được mở. E Rt P1 P2 N2 N2 G K A + - E Rt R1 K T R2 + - Hình 14: Mở Thyristor Mở Thyristor bằng cách ấn công tắc K là đơn giản nhất. Một Thyristor đã mở thì sự hiện diện của tín hiệu điều khiển ig không còn là cần thiết nữa. Khóa Thyristor: Có 2 các để khóa Thyristor: Cách 1: Giảm dòng điện ở anot xuống đến giá trị của dòng điện duy trì. Khi Thyristor được phân cực thuận thì mặt ghép J2 có điện trở rất lớn làm cho dòng qua thyristor rất nhỏ nên thyristor bi khóa lại. Cách 2: Đặt một điện áp ngược lên Thyristor (biện pháp thường dùng) Khi đặt điện áp ngược lên thyristor có UAK <0 hai mạt ghép J1 và J3 bị phân cực ngược còn J2 được phân cực thuận. Những điện tur trước thời điểm đảo cực tính UAK đang có mặt tại P1,N1, P2 bây giờ đảo chiều hình thành dòng điện ngược chảy từ catot về anot và về cực âm của nguồn điện ngoài. Lúc đầu của quá trình từ t0 đến t1,dòng điện ngược khá lớn sau đó J1, J3 trở nên cách điện. òn lại một ít điện tử ở giữa hai mặt ghép J1 và J3, hiện tượng khuếch tán sẽ làm chúng ít dần đicho đến hết và J2 khôi phục lại tính chất của mặt ghép điều khiển. Thời gian khóa toff tính từ khi bắt đầu có điện áp ngược cho tới khi dòng điện ngược bằng 0 (t2). Đấy là khoảng thời gian mà ngay sau đó nếu mà đặt điện áp thuận lên thyristor thì thyristor cũng không mở. Trong bất kỳ trường hợp nào cũng không được đặt Thyristos đươi điện áp thuận khi thyristor chưa bị khóa nếu không có thể gây nguy cơ làm ngắn mạch nguồn. Việc khóa thyristor bằng đặt điện áp ngược bằng cách ấn nút K T K E R1 R2 + - E Rt Ing P1 P2 N2 N2 G K A + - J1 J2 J3 Hình 15: Khóa thyristor 1.3.3 Đặc tính Vôn-ampe của thyristor: Ung Uch i IH 0 4 3 2 1 Hình 16: Đặc tính Vôn-ampe Đoạn 1: Trạng thái khóa của Thyristor. Khi điện áp tăng đến Uch bắt đầu qua trình tăng dòng điện, Thyristor chuyển sang trạng thái mở. Đoạn 2: Giai đoạn ứng với phân cực thuận (J2) mỗi một lượng tăng nhỏ của dòng điện ứng với một lượng giảm lớn của điện áp đặt lên Thyristor. Đoạn 3: Trạng thái mở của Thyristor J1, J2, J3 trở thành mặt ghép dẫn điện. Đoạn 4: Thyristos bị đặt điện áp ngược, Thyristor bị chọc thủng (do U tăng nên ing cũng tăng lên). PHẦN II : Lựa chọn và phân tích mạch lực 2.1. Khái quát chung: Như ta đã biết để điều chỉnh được động cơ điện thì ta phải chọn mạch lực để điều khiển động cơ. Tùy thuộc vào yêu cầu điều chỉnh, công suất động cơ mà ta đưa ra phương án chọn mạch lực điều khiển động cơ hợp lý, tối ưu với yêu cầu đề ra. Sau đây chúng em giới thiệu một số mạch chỉn lưu cầu 1 pha điều chỉnh động cơ điện 1 chiều dùng Thyristor như sau: 2.2. Chọn sơ đồ chỉnh lưu động cơ 2.2.1 Sơ đồ cầu chỉnh lưu 1 pha: Ưu điểm: - Sơ đồ mạch lực, mạch điều khiển đơn giản - Không cần sử dụng bộ đổi nguồn 3 pha. - Điện áp ra sau chỉnh lưu tương đối ổn định, có tính liên tục. Nhược điểm: - Điện áp sau khi chỉnh lưu nhỏ (U1/Ud lớn) - Sử dụng không hiệu quả công suất MBA - Sử dụng các mạch chỉnh lưu công suất nhỏ. a. Sơ đồ nguyên lý: T1 T3 T2 T4 uT1 uT3 uT2 uT4 u1 u2 utải R Ld A B i1 i2 itải b. Nguyên lý làm việc: Giả sử Ld = điện áp phía thứ cấp u2 = U2 .sint với góc điều khiển . Xét mạch đang làm việc ở chế độ xác lập. Khi van dẫn sụt áp trên nó bằng 0. Trước thời điểm t= v1 cặp van T1 và T3 dẫn điện khi đó ta có: uT2 = uT3 = 0; utải = - u2 ; uT1 = uT4 = u2; iT2 = iT3 = itải ; iT1 = iT4 = 0. Đến thời điểm t= v1 cấp xung điều khiển mở cặp van T1 và T4 lúc này cặp van T1 và T4 sẽ dẫn điện, cặp van T1 và T3 bị phân cực ngược nên không dẫn điện, khi đó ta có: uT1 = uT4 = 0; utải = u2; uT2 = uT3 = - u2; iT1= iT4= itải; iT2 = iT3 = 0. Đến thời điểm t = p, u2 = 0 có xu hướng âm dần và - u2 = 0 có xu hướng dương dần. Tuy nhiên điện áp nguồn lúc này tác động ngược chiều với chiều dẫn dòng của dòng điện qua tải, cho nên suất điện động cảm ứng do Ld tạo ra cho cặp van T1 và T4 tiếp tục dẫn điện, còn cặp van T1 và T3 chưa dẫn do chưa có xung điều khiển kích mở. Lúc này ta có: uT1= uT4= 0; utải = u2 0; iT1 = iT4= itải; iT2 = iT3= 0. Đến thời điểm t =p+ phát xung điều khiển mở cặp van T2 và T3, lúc này cặp van T2 và T3 sẽ dẫn điện còn cặp van T1 và T4 bị phân cực ngược nên không dẫn điện. Ta có: uT2= uT3 = 0; uT1 = uT4 = u2 < 0; utải = - u2; iT2 = iT3 = itải; iT1= iT4= 0. Đến thời điểm t =2p, u2= 0 và có xu hướng dương dần, còn - u2 = 0 có xu hướng âm dần, tuy nhiên cặp van T2 và T3 sẽ tiếp tục dẫn do suất điện động của cuộn cảm tải tạo ra để chống lại sự biến thiên của dòng điện. Cặp van T1 và T4 chưa dẫn điện do chưa có xung điều khiển kích mở ta có: uT2= uT3 = 0; uT1 = uT4= u2 > 0; utải = - u2; iT2 = iT3 = itải; iT1= iT4= 0. Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự như trên. c. Giản đồ dòng điện, điện áp: upha 0 Iđk utải 0 uT1 (uT4) 0 uT2 (uT3) 0 t t t t t p 2p u2 -u2 d. Mét sè biÓu thøc tÝnh to¸n. Điện áp trung bình trên tải: Utải = 2.U2 sint.dt = 0,9 U2 cos Dòng điện trung bình qua Thyristor: IT = Itải .dt = Điện áp thuận, điện áp ngược trên thyristor: uT(thuận) = uT(ngược) =U2. e. Ứng dông. Mạch này có thể dung được với nhiều loại phụ tải khác nhau, với nhiều ưu tiên riêng (các cặp van luôn phiên nhau dẫn, có thể điều chỉnh được trơn điện áp đầu ra) 2.2.2 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển: a. S¬ ®å nguyên lý H×nh17: a- s¬ ®å nèi cïng cùc tÝn b- s¬ ®å nèi ng­îc cùc tÝnh (a) (b) H×nh18: §iÖn ¸p cña t¶i vµ c¸c van b¸n dÉn s¬ ®å b¸n ®iÒu khiÓn a- nèi cïng cùc tÝnh b- nèi ng­îc cùc tÝnh b. Nguyên lý làm việc: S¬ ®å nèi cïng cùc tÝnh: Tại a1 cấp xung điều khiển T1, T1 sã mở cho dòng điện chạy qua từ A qua T1 qua tải về D1 về B. Đến p điện áp đổi dấu (A âm, B dương) ,T1 khóa. Nếu tải điện cảm dòng điện tải là đường thẳng. Năng lượng của cuộn dây sẽ được tích lũy xả qua D2 tới D1 điện áp tải trong vùng p ¸ a2 là bằng 0. Đến a2 cấp xung điều khiển T2, T2 dẫn. Từ a2 ¸ 2p dòng tải là dòng điện của 2 van T2 và D2. Đến 2p điện áp đổi dấu (B âm, A dương) D2 khóa, D1 mở để năng lượng của cuộn dây xả qua D1 về T2. 2p ¸ a3 mở thông D1, T2 điện áp tải bằng 0. Kết quả là chuyển mạch các van bán dẫn có điều khiển được thực hiện bằng việc mở các van kế tiếp. Các van được dẫn thông trong nửa chu kỳ. Ta có đường cong dòng điện và điện áp tải như hình18.a S¬ ®å nèi ng­îc cùc tÝnh: Tại a1 cấp xung điều khiển T1 với A dương, T1 sẽ mở cho dòng điện chạy qua từ A qua T1 qua tải về D1 về B. T1 và D1 dẫn từ (a1 ¸ p ). Đến p điện áp đổi dấu (A âm, B dương) ,D2dẫn làm khóa T1 năng lượng của cuộn dây sẽ được tích lũy xả qua D1 và D2. Đến a2 cấp xung điều khiển T2 với A âm, T2phân cực thuận nên t2 mở làm khóa D1 cho dòng điện chạy từ B qua D2 qua tải về T2 về A.. Đến 2p điện áp đổi dấu (B âm, A dương) T2 phân cực ngược nên T2 bị khóa. Ta có đường cong dòng điện và điện áp tải như hình18.b *BiÓu thøc tÝnh to¸n : Điện áp trung bình trên tải: Utải=2. U2 .sin (t) dt = U2. Điện áp thuận và ngược đặt lên Thyristor và Điot uD(thuận)= uD(ngược) = U2. uT(thuận)= uT(ngược) = U2. PHẦN III Lựa chọn và phân tích mạch điều khiển 3.1 Giới thiệu chung: Như ta đã biết để các van của Thyristor có thể mở tại các thời điểm mong muốn thì ngoài điều kiện tại thời điểm đó trên các van phải có điện áp thuận thì trên điện cực điều khiển và catot của van phải có một điện áp điều khiển. Để có hệ thống các tín hiệu điều khiển xuất hiện đúng như yêu cầu mở theo yêu cầu mở van người ta phải sử dụng một mạch tạo ra các tín hiệu đó. Mạch điện tạo ra các tín hiệu điều khiển gọi là mạch điều khiển. Điện áp điều khiển thyristor phải đáp ứng yêu cầu cần thiết về công suất biên độ cũng như thời gian tồn tại. Các thong số cần thiết của tín hiệu điều khiển được cho sẵn trong các tài liệu tra cứu về van. Các hệ thống phát xung điều khiển bộ chỉnh lưu hiện nay đang được sử dụng có thể chia làm 2 nhóm: Nhóm 1: Nhóm các hệ thống điều khiển đồng bộ: đây là nhóm hệ thống điều khiển mà các xung điều khiển xuất hiện trên điện cực điều khiển của các Thyristor đúng thời điểm mở van và lập lại mang tính chu kỳ với chu kỳ thường là bằng chu kỳ nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu. Nhóm điều khiển này được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Nhóm 2: Nhóm các hệ thống điều khiển không đồng bộ: các hệ thống điều khiển theo nhóm này tạo ra các xung điều khiển không tuân theo giá trị góc điều khiển. các hệ thống điều khiển này phát ra các chuỗi xung điều khiển với tần số thường cao hơn rất nhiều so với tần số nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, va ftrong quá trình làm việc thì tần số xung tự động thay đổi để đảm bảo cho một đại lượng đầu ra nào đó. Ví dụ: Như Ud hay Id không thay đổi, để đạt được điều này thì người ta thực hiện khống chế tần số xung điều khiển theo sai lệch tín hiệu đặt và tín hiệu ra thực tế của đại lượng cần ổn định. Như vậy các hệ thống phát xung loại này buộc phải thực hiện hệ thống có phản hồi tức là hệ thống kín. Các hệ thống này tương đối phức tạp nên ta không xét. 3.2. Mét sè hÖ thèng ®iÒu khiÓn ®ång bé: 3.2.1.Nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn th¼ng ®øng ARCCOS Theo nguyên tắc người ta cũng dùng 2 điện áp: - Điện áp đồng bộ UR vượt trước điện áp anot- catot thyristor một góc bằng/2 (nếu UAK = A. sinthì UR = B.cos). Điện áp điều chỉnh UC là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ theo hai hướng (dương và âm). Giản đồ điện áp được trình bày như sau: UC (UR +UC) UR 0 UR H×nh19:Nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn th¼ng ®øng Trên hình vẽ đường nét đứt là điện áp anot-catot của Thyristor. Từ điện áp này người ta tạo ra UR. Tổng đại số (UR + UC) được đưa đến đầu vào khâu so sánh.khi (UR + UC) = 0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh. UC B.cos = 0 do đó = arccos() Người ta lấy: B= UC max thì Khi UC = 0 thì = Khi UC = UC max thì = 0 Vậy khi cho UC biến thiên từ – UC max đến +UC max thì biến thiên từ 0 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcos được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao. 3.2.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính Theo nguyên tắc này người ta dung 2 điện áp: Điện áp đồng bộ ký hiệu URC có dạng răng cưa, đồng bộ với điện áp đặt trên anot – catot của Thyristor. Điện áp điều khiển ký hiệu là UC là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ. Tổng đại số (Ur + UC) được đưa đến đầu vào của khâu so sánh. Như vậy bằng cách làm biến đổi UC người ta có thể điều chỉnh được thời điểm phát xung ra tức là điều chỉnh được góc Khi UC = 0 ta có = 0 Khi UC < 0 thì < 0 Giữa và UC có quan hệ như sau: = Người ta lấy: UC max = URC max Nếu điều kiện UC = UC max = URC max thì = Giản đồ điện áp được trình bày như sau: UC Ur (UC + Ur) 0 UC URC H×nh20. Nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn th¼ng ®øng tuyÕn tÝnh tuyÕn tÝnh 3.3. HÖ thèng ®iÒu khiÓn theo nguyªn t¾c th¼ng ®øng tuyÕn tÝnh 3.3.1. S¬ ®å khèi: ĐBĐ& FXRC SS TX Urc U1 UđkT Uđk Trong đó: Khối 1: Khối đồng bộ hóa và phát xung (điện áp) răng cưa Khối 2: Khối so sánh Khối 3: Khối tạo xung U1: là điện áp lưới (nguồn xoay chiều) cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu Urc: điện áp răng cưa lấy ra từ khối 1 Uđk: điện áp điều khiển, là điện áp 1 chiều đưa từ ngoài vào dùng để điều khiển góc UđkT: điện áp điều khiển Thyristor là chuồi các xung điều khiển lấy từ đầu ra của hệ thống điều khiển (khối TX) và được truyền tới cực G của thyristor. 3.3.2 Nguyên lý hoạt động: Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động lực chỉnh lưu được đưa đến mạch đồng bộ hóa (khối 1). Đầu ra của mạch đồng bộ có các điện áp thường có dạng hình sin cùng tần số và có thể lệch pha 1 góc xác định so với điện áp nguồn. Điện áp này gọi là điện áp đồng bộ UĐB. Các điện áp đồng bộ được đưa vào mạch phát điện áp răng cưa. Đầu ra của mạch phát điện áp răng cưa ta có một hệ thống các điện áp răng cưa đồng bộ về tần số và góc pha với điện áp đồng bộ, các điện áp này gọi là điện áp răng cưa URC. Nó được đưa vào đầu vào của khối so sánh tại đó còn một tín hiệu khác nữa là điện áp 1 chiều điều chỉnh được lấy từ nguồn vào. Hai điện áp này được mắc với cực tính sao cho tác động của chúng lên mạch so sánh là ngược chiều nhau. Khối so sánh làm nhiệm vụ so sánh 2 tín hiệu này (đây là một mạch hoạt động trên nguyên tắc biến đổi tương tự số). Tín hiệu ra của khối so sánh là các xung xuất hiện với chu kỳ bằng chu kỳ của URC. Xung răng cưa có 2 sườn, trong đó một sườn mà tại đó khi mà |URC| = |Uđk| thì đầu ra của khối so sánh xuất hiện một xung điện áp thì sườn đó là sườn sử dụng. Vậy ta có thể thay đổi thời điểm xuất hiện xung đầu ra khối so sánh bằng cách thay đổi Uđk khi giữ nguyên dạng của URC. Trong một số trường hợp khâu ra của khối so sánh được đưa đến ngay đầu cực của thyristor. Nhưng trong đa số trường hợp thì tín hiện ra của khâu so sánh chưa đủ yêu cầu cần thiết, do vậy người ta phải thực hiện việc khuếch đại xung, thay đổi lại hình dạng xung (sửa xung)… Các nhiệm vụ này được thực hiện bởi một mạch gọi là mạch tạo xung. Đầu ra của khối tạo xung sẽ được một chuỗi xung điều khiển. Thyristor có đủ các thông số yêu cầu về công suất, độ dài, độ dốc mặt đầu xung…thời điểm xuất hiện các xung hoàn toàn trùng hợp với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối so sánh. Như vậy khối so sánh đóng vai trò xác định gcs điều khiển suy ra ta có thể điều khiển giá trị Uđk thì ta có thể điều khiển góc . Trong sơ đồ cầu chỉnh lưu cầu hoặc tia nhiều pha có thyristor để tạo ra nhiều tín hiệu điều khiển cho nhiều van ta có phương pháp sau: Sử dụng nhiều mạch phát xung giống nhau, chỉ khác pha tín hiệu điện áp lưới đặt vào mạch đồng bộ, gọi là mạch nhiều kênh. Sử dụng chung một mạch đồng bộ, một mạch tạo điện áp răng cưa, một khối so sánh. Vậy để có nhiều kênh xung khác nhau có tần số nguồn thì trong khối tạo xung phải có them một mạch phân chia xung. Loại mạch điều khiển này gọi là mạch điều khiển ở các van có độ đối xứng cao nhiều hơn. Để hiểu dõ về nguyên lý hoạt động của hệ thống chúng ta cùng tìm hiểu kỹ từng khâu theo sơ đồ khối trên: 3.4. C¸c kh©u trong hÖ thèng ®iÒu khiÓn th¼ng ®øng tuyÕn tÝnh 3.4.1 Kh©u ®ång pha: R1 D2 R2 +E D1 C U1 UR Theo nghiên cứu ta thấy có một số sơ đồ khâu đồng pha điều khiển như sau: R1 D1 U1 R2 C D2 UR Tr H×nh 21a +E R1 D1 U1 +E R2 C D2 UR Tr H×nh 21.b H×nh 21. c Ưu nhược điểm của từng sơ đồ: Sơ đồ hình 21.a đơn giản, để thực hiện với số linh kiện ít nhưng chất lượng điện áp ra không cao, độ dài của điện áp răng cưa không phủ hết 1800. Do vậy góc mở lớn nhất bị giới hạn hay điện áp tải không điều khiển từ 0 đến cực đại mà từ một trị số nào đó lớn hơn 0 đến cực đại. Sơ đồ 21.b khắc phục được nhược điểm của dải đều chỉnh, theo sơ đồ này điện áp đồng bộ có phần tuyến tính phủ hết nửa chu kỳ điện áp. Do vậy khi cần điều chỉnh điện áp từ 0 đến cực đại hoàn toàn có thể đáp ứng được. Với sự ra đời của linh kiện ghép quang thì ta sử dụng sơ đồ tạo điện áp đồng bộ như hình 21.c, nguyên lý và chất lượng điện áp của sơ đồ này tương đương với sơ đồ 21.b nhưng ưu điểm là không cần dùng biến áp đồng pha, do đó có thể đơn giản hơn trong việc chế tạo cho lắp đặt. Các sơ đồ trên đều có chung nhược điểm là việc khóa mở các van Transistor trong vùng điện áp lân cận 0 là thiếu chính xác làm cho việc nạp và xả của tụ trong vùng điện áp lưới gần 0 không được như ý muốn. Vậy từ sự phân tích ưu nhược điểm của từng sơ đồ trên với yêu cầu của việc thiết kế thì sơ đồ 21.b là đáp ứng được. Bởi vì sơ đồ này sử dụng khuếch đại thuật toán nên có chất lượng cao, kích thước nhỏ gọn, chất lượng điện áp tốt. 3.4.2 Khâu so sánh Để tạo ra một hệ thống các xung xuất hiện một cách chu kỳ với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp răng cưa (chu kỳ nguồn cấp) và điều khiển được thời điểm xuất hiện của mỗi xung, ta sử dụng mạch so sánh. Phổ biến nhất hiện nay là sơ đồ so sánh transistor và khuếch đại thuật toán. Sơ đồ so sánh gồm 2 tín hiệu vào là đầu ra của điện áp răng cưa và điện áp một chiều điều khiển. Hai điện áp này được mắc sao cho tác dụng của chúng đến đầu vào của khâu so sánh là ngược nhau. Có 2 cách nối các điện áp này: Nối nối tiếp URC và UĐK Nối song song qua các điện trở tổng hợp. R1 R2 URC UđK R3 +E Ura R1 R2 URC UđK Ura + - H×nh 22. a H×nh 22.b Với sơ đồ 22.a tại thời điểm UĐK= URC đầu vào của transistor lật trạng thaid từ khóa sang mở (hay từ mở sang khóa) làm cho điện áp ra cũng bị lập trạng thái, tại đó chúng ta đánh dấu thời điểm cần mở thyristor với mức độ mở bão hòa của Transistor phụ thuộc vào hiệu UĐK – URC = UB. Hiệu này có một vùng điện áp nhỏ khoảng mV, làm cho transistor không làm việc ở chế độ đóng cắt như mong muốn. Do đó nhiều khi làm thời điểm mở thyristor bị lệch khá xa so với điểm cần mở UĐK= URC. Với sơ đồ 22.b dùng khâu khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại lớn, chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ ở đầu ra đảo có điện áp nguồn nuôi. Do đó ứng dụng mạch khuếch đại thuật toán làm khâu so sánh là hợp lý. Ưu điểm hơn hẳn của sơ đồ này là có thể phát xung điều khiển chính xác tại thời điểm UĐK= URC. 3.4.3 Kh©u khuÕch ®¹i xung Một số sơ đồ khâu khuếch đại xung được thực hiện như sau: U§KT BAX +E D R TR1 TR2 U§KT BAX +E D R TR Hình 23.a Hình 23.b U§KT BAX +E D1 R TR1 TR2 D2 Hình 23.c Với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Thyristor như đã nêu ở trên, tầng khuếch đại cuối cùng được thiết kế bằng Transistor công suất. Hình 23.a để sử dụng dạng xung để gửi tới Thyristor ta dùngbiến áp xung. Để có thể khuếch đại công suất ta dung Transistor (TR), diot (D) có thể bảo vệ TR và cuộn sơ cấp máy biến áp khi TR khóa đột ngột. Với ưu điểm đơn giản mà vẫn đáp ứng được về hệ số khuếch đại nên sơ đồ 23.a được sủ dụng trong mạch điều khiển nhiệt độ của tủ sấy. Mặc dù sơ đồ 23.b; 23.c có hệ số khuếch đại cao hơn nhưng không thực sự cần thiết mà lại rất phức tạp và khó điều khiển nên không được sử dụng trong trường hợp này. Ở trên chúng em đã trình bày mạch ứng của khâu điều khiển. Để làm mạch đạt hiệu quả thì chúng em sử dụng vi mạch TCA785 làm nhiệm vụ của những khâu trên. 3.5. Gới thiệu về vi mạch TCA 785 Vi mạch TCA 785 là vi mạch phức hợp thực hiện 4 chức năng của một mạch điều khiển: Tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa, so sánh và tạo xung ra. TCA 785 do hang Simen chế tạo được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiêt bị điều chỉnh dòng xoay chiều. Đặc trưng Dẽ phát hiện việc chuyển qua điểm không. phạn vi ứng dụng rộng rãi Có thể dung làm chuyển mạch điẻm không. Tương thích LSL. Có thể hoạt động 3 pha (3 IC). Dòng điện ra 250 mA. Miền dốc dòng lớn. Dải nhiệt độ rộng. Nhiệm vụ Tạo ra xung điều khiển mở thyristor với góc mở α giảm dần để tăng điện áp tải đến điện áp phóng điện. 3.5.1. Sơ đồ nguyên lý: a.Kí hiệu b. Chức năng: Chân Kí hiệu Chức năng 1 GND Chân nối đất 2 Đầu ra 2 đảo 3 QU Dầu ra U 4 Đầu ra 1 đảo 5 VSYNC Tín hiệu đồng bộ 6 I Tín hiệu cấm 7 QZ Đầu ra z 8 VREF Điện áp chuẩn 9 R9 Điện áp tạo xung răng cưa 10 C10 Tụ tạo xung răng cưa 11 V11 Điện áp điều khiển 12 C12 Tụ tạo độ rộng xung 13 L Tín hiệu điều khiển xung ngắn, xung rộng 14 Q1 Đầu ra 1 15 Q2 Đầu ra 2 16 VS Điện áp nguồn nuôi c. Sơ đồ cấu tạo: d.Dạng sóng dòng điện: e.Các thông số của TCA 785: Thông số Giá trị min Giá trị tiêu biểu(F= 50 HZ. VS=5V) Giá trị max Đơn vị Dòng tiêu thụ IS 4,5 6,5 10 MA Điện áp vào điều khiển , chân 11trở kháng vào V11 R11 0,2 15 V10 MAX V kΩ Mạch tạo răng cưa Dòng nạp tụ Biên độ răng cưa Điện trở mạch nạp Thời gian sườn ngăn của xung răng cưa I10 V10 R9 tP 10 3 80 1000 VS-2 300 μA V KΩ Ms Tín hiệu cấm vào, chân 6 Cấm Cho phép V6I V6H 4 3.3 3.3 2.5 V V Độ rộng xung ra, chân 13 Xung hẹp Xung rộng V13 H 3.5 2.5 3.5 2.5 V V Xung ra chân 14,15 Điện áp mức cao Điện áp mức thấp Độ rộng xung hẹp Độ rộng xung rộng V14/V15 V14/V15 tP Vs-13 0.3 20 530 VS-2.5 0.8 30 620 VS 1.0 2 40 760 V V μs μs/n F Điện áp điều khiển Điện áp chuẩn Góc điều khiển ứng với điện áp chuẩn VREF αrsef 2.8 3.1 2x10-4 3.4 5x10-4 V 1/K Tính toán các phần tử bên ngoài Tụ răng cưa: C10 500pF (min) 1F (max) Thời điểm phát xung: tTr = Dòng nạp tụ: I10 = Điện áp trên tụ: V10 = TCA 785 do hãng SIEMEN chế tạo được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiết bị chỉnh dòng điện áp xoay chiều. Có thể điều chỉnh góc từ 00 đến 1800 điện. Thông số chủ yếu của TCA là: - Điện áp nguồn nuôi: US= 15V - Dòng điện tiêu thụ: IS= 10mA - Điện áp ra: I= 50mA - Điện áp răng cưa: URC max= (US- 2) V Điện trở trong mạch tạo điện áp răng cưa: R9= (20500) Điện áp điều khiển: U11 = - 0,5 (US – 2) V Dòng điện đồng bộ: IS = 200 (A) Tụ điện: C10 = 0,5 (F) Tần số xung ra: f = (10 500) Hz 3.5.2 Nguyên lí làm việc của TCA 785: TCA 785 là một vi mạch phức hợp thực hiện 4 chức năng của một mạch điều khiển: “tề đầu” điện áp đồng bộ tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh và tạo xung ra. Nguồn nuôi qua chân 16. Tín hiệu đồng bộ đượclấy qua chân số 5 và số 1. Tín hiệu điều khiển được đưa vào chân 11. Một bộ nhận biết điện áp 0 sẽ kiểm tra điện áp lấy vào chuyển trạng thái và sẽ chuyển tín hiệu này đến bộ phận đồng bộ. Bộ phận đồng bộ này sẽ điều khiển tụ C10; Tụ C10 sẽ được nạp đến điện áp không đổi (quyết định bởi R9). Khi điện áp V10 đạt đến điện áp V11 thì một tín hiệu sẽ được đưa vào khâu logic. Tuỳ thuộc vào biên độ điện áp điều khiển V11, góc mở α có thể thay đổi từ 0 đến 180o. Với mỗi nửa chu kì song một xung dương xuất hiện ở Q1, Q2 . Độ rộng trong khoảng 30-80μs. Độ rộng xung có thể kéo dài đến 180o thông qua tụ C12. Nếu chân 12 nối đất thì sẽ có xung trong khoảng α đến 180o. Nguyên lí hoạt động của khâu tạo xung điều khiển Thyristor: Điện áp lưới sau khi qua máy biến áp được hạ xuống 12VAC đưa vào chân số 5 và chân số 1 qua điện trở R. Tín hiệu điều khiển Vdk được đưa vào chân 11 so sánh với điện áp răng cưa tạo bởi tụ C10 cho ta xung điều khiển thyristor có góc mở α tăng dần ở đầu ra chân 14 và 15. Khi xảy ra ngắn mạch chân 16 nhận được tín hiệu cấm, tại chân 14 và15 không còn tín hiệu dầu ra. PHẦN IV TÍNH CHỌN THIẾT BỊ 4.1 Mục đích và ý nghĩa: Trong việc chọn thiết bị ở các hệ thống truyền động điện có ý nghĩa rất quan trọng. Mục đích của nó để đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống với vốn đầu tư tối thiểu. Trong đó việc chọn công suất động cơ có ý nghĩa rất quan trọng. Nếu chọn công suất động cơ lớn hơn công suất yêu cầu thì làm tăng vốn đầu tư. Động cơ làm việc non tải khong sử dụng hết khả năng phát nhiệt dẫn đến làm giảm hiệu suất của hệ thống, hệ số công suất thấp làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Ngoài ra việc chọn các thiết bị khác cũng phải phản ánh được chế độ làm việc và đảm bảo các kỹ năng kinh tế và kỹ thuật, tận dụng hết khả năng làm việc của các thiết bị. 4.2 Tính chọn mạch động lực: Các thông số của động cơ điện 1 chiều như sau: Uđm = 100 (V) Pđm = 90 (W) f= 50 (Hz) 2p= 4 n1 = 4000 (v/p) = 0,85 Các thông số còn lại của động cơ: - Dòng điện phần ứng định mức động cơ: Iưđm = = = 1,06 (A) Điện trở mạch phần ứng động cơ: Rư = 0,5.(1- ). = 0,5.(1- 0,85). = 7,07 () Điện cảm mạch phần ứng động cơ: Lư= = = 14 (mH) Trong đó: = 0,25 là hệ số lấy cho động cơ có cuộn bù 4.2.1. Tính toán chọn van động lực: Tính chọn Thyristor dựa và các yếu tố dòng tải, sơ đồ đã chọn, điều kiện tản nhiệt, điện áp làm việc. Các thông số của van được tính như dưới đây: Điện áp ngược lớn nhất mà Thyristor phải chịu là: Ungmax= Knvan. U2= Knvan.= .= 157 (V) Trong đó: Ud: điện áp tải U2: điện áp thứ cấp máy biến áp Knvan= là hệ số điện áp tải đối với cầu chỉnh lưu 1 pha điều khiển hoàn toàn: Điện áp ngược của van cần chọn là: Ungvan= KdtU. Ungmax= 1,8. 157= 282,6 (V) Trong đó: KdtU là hệ số dự trữ điện áp Dòng điện làm việc hiệu dụng của van: Id= Iđm= 1,06 (A) Ilv= Ihd = Khd. Id= .1,06 = 0,75(A) Trong đó: Khd= là hệ số dòng điện hiệu dụng của cầu chỉnh lưu 1 pha có điều khiển hoàn toàn. Dòng điện làm việc định mức của van: Ilvđm= Ki. Ilv= 4. 0,75= 3 (A) Trong đó: Ki= 4 là hệ số dự trữ dòng điện Thông thường: Ilv= (10)% .Iđm (ở đây chọn Ilv=25%. Iđm) Từ các thông số tính toán như trên ta chọn Thyristor loại TC106C2 có các thông số như sau: Điện áp ngược cực đại của van: Ungmax= 300 V Dòng điện định mức của van: Iđmvan= 4 A Đỉnh xung dòng điện: Ipikmax= 20 A Dòng điện của xung điều khiển: Iđk= 0,2m A Điện áp của xung điều khiển: Uđk= 0,8 V Dòng điện rò: Irò= 0,1 mA Sụt áp lớn nhất của van ở trạng thái dẫn: Uvan= 2,2 V Tốc độ biến thiên điện áp: = 100 V/s Thời gian chuyển mạch: tcm= 40 Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép: Tmax= 1250C 4.2.3. Tạo nguồn nuôi IC: Để tạo điện áp ra ổn định của nguồn nuôi 15 (V) ta chọn vi mạch ổn áp 78LI5 có: Điện áp đầu vào ta chọn: Uvào= 16(V) Điện áp đầu ra: Ura= 15 (V) Dòng điện ra: Ira= ( 01) (A) Tụ C1, C3 để lọc thành phần sóng hài bậc cao chọn: C1= C3= 330 D1 D2 D3 D4 N1 N2 + - C1 C3 + _ U1 U2 1 2 3 4.2.4. Thiết kế cuộn kháng san bằng LD: Cuộn kháng lọc LD được mắc nối tiếp vào mạch phần ứng động cơ làm giảm dòng điện gián đoạn, làm giảm xung dòng điện 1 chiều đồng thời cải thiện dòng điện chuyển mạch của động cơ điện 1 chiều. Với Uđm= 100 (V); Id= Iđm= 1,06 (A); f= 50 (Hz) Giá trị mong muốn của điện cảm lọc được tính theo công thức sau: L= . Trong đó: Rư là tổng trở của mạch phần ứng mđm= 2: số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong 1 chu kỳ đối với sơ đồ cầu chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn. W1= 2f1: tần số góc của điện áp xoay chiều ksb= = = 9,5 Trong đó: kđmv= 0,667: hệ số đập mạch vào kđmr= 0,07: hệ số đập mạch ra. Suy ra: L= .= 0,11 (H) 4.3. Tính chọn thiết bị bảo vệ cho van: 4.3.1. Bảo vệ qua nhiệt độ cho van bán dẫn: Khi làm việc với dòng điện chạy qua trên vanc ó sụt điện áp do đó có tổnt thất công suất . Tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác các van bán dẫn chỉ được làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp nào đó. Nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van sẽ bị phá hỏng. Để van bán dẫn làm việc an toàn không bị chọc thủng vì nhiệt ta phải chọn và thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý. Tổn hao công suất trên mỗi Thyristor là: DP = DUv.Ilv = 1,7. 0,75= 1,28(W) Diện tích bề mặt tỏa nhiệt là: Sm = Trong đó: : là tổn hao công suất trên van : độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường. Chọn nhiệt độ môi trường Tmt= 400C. Nhiệt độ làm việc cho phép Tcp= 1250C. Chọn nhiệt độ cánh tản nhiệt tỏa nhiệt Tlv= 800C. Vậy: t = Tlv - Tmt = 125 - 40 = 850C Km hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. chọn Km= 8 (W/m2 oC) Sm = = 1,88. 10(m2) 4.3.2. Bảo vệ quá dòng điện cho van: Các nguyên nhân gây quá dòng điện cho van: - Quá dòng dài hạn - Ngắn mạch đầu ra - Ngắn mạch bản thân van. Hình:Sơ đồ mạch động lực có thiết bị bảo vệ Chọn cầu chì: Dùng dây chảy tác động nhanh (nhóm 1CC) để bảo vệ ngắn mạch các thyristor. Dòng điện định mức của dây chảy nhóm 1CC là: I1CC= 1,1.Ilv = 1,1.0,75 = 0,83 (A) Chọn cầu chảy nhóm 1CC loại 1 (A) Dùng cầu chảy tác động nhanh (nhóm 2CC) để bảo vệ ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu. Dòng điện định mức của dây chảy nhóm 2CC là: I2CC = 1,1.Id = 1,1.1,06 = 1,17 (A) Chọn cầu chảy nhóm 2CC loại 2 (A) Bảo vệ ngắn mạch thứ cấp MBA (nhóm 3CC) : I3CC = 1,1.I2= 1,1.1,272 = 1,4 (A) Chọn cầu chảy nhóm 3CC loại 2 (A) 4.3.3. Bảo vệ quá điện áp cho van: Khi có sự chuyển mạch van các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong thời gian ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anot và catot của Thyristor. Tốc độ biến thiên đạt 10 (ms) dẫn đến quá điện áp Uqđa= Llớn. Để bảo vệ quá điện áp ta sử dụng mạch R- C mắc song song với Thyristor tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch bảo vệ van. Mạch R-C bảo vệ cho van Theo kinh nghiệm R1 = (5 ¸ 30) W; C1 = (0,25 ¸ 4) mF Ta chọn: R1 = 5,1(W); C1 = 0,25(mF) Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện ta mắc R-C như hình vẽ. Nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. 3CC 3CC U2 R2 C2 H×nh:M¹ch RC b¶o vÖ qu¸ ®iÖn ¸p tõ l­íi . Theo kinh nghiệm chọn: R2 = 12,5 (W) ; C2 = 4 (mF) 4.4. Tính toán mạch điều khiển: Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Thyristor: Điện áp điều khiển: Uđk= Ug= 2(V) Dòng điện điều khiển: Iđk= 0,1 (A) Độ rộng xung điều khiển tx= 100 () Mức độ sụt biên độ xung: Sx= 0,1 Độ mất đối xứng cho phép: = 40 Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: Unguồn= 12 (V) 4.4.1 Tính chọn biến áp xung: Chọn MBAX có 2 cuộn dây thứ cấp, mỗi MBAX điều khiển cho 2 van bán dẫn. Chọn vật liệu làm lõi là sắt ferit HM. Lói có dạng hình xuyến làm việc trên một phần của đặc tính từ hóa có: , không có khe hở không khí. Tỷ số biến áp xung thường m= 2. Chọn m= 2 Điện áp cuộn thứ cấp MBAX : U2= Uđk= 2(V) Điện áp đặt lên sơ cấp MBAX : U1= m.Uđk= 2.2= 4(V) Dòng điện thứ cấp MBAX : I2= Iđk= 0,1 (A) Dòng điện sơ cấp BAX: I1= = = 0,05(A) Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: Với = 1,25.10 H/m là độ từ thẩm của không khí. Thể tích của lõi thép cần có: Chọn mạch từ có thể tích V= có các kích thước mạch từ a= 4,5 mm; b= 5 mm; Q= 27 mm2. Số vòng dây quấn sơ cấp của máy biến áp xung là: 0 (vòng) Số vòng dây quấn thứ cấp: (vòng) Tiết diện dây quấn thứ cấp: Chọn mật độ dòng điện J1= 6 (A/mm2) Đường kính dây quấn sơ cấp: Chọn d1= 0,1 (mm) Tiết diện dây quấn thứ cấp: Chọn mật độ dòng điện J2= 4 (A/mm2). Đường kính dây quấn thứ cấp: Chọn dây có đường kính: d2=. Sơ đồ Schematic vẽ trên Eagle Sơ đồ board vẽ trên eagle TỔNG KẾT Ưu điểm: Mạch chỉnh lưu cầu dùng thiristor đã đồng bộ được xung ra với điện áp nguồn đặt vào nó. Tạo ra điện áp đồng bộ ở tải đồng thời có thể thay đổi trị số của điện áp ra theo yêu cầu của tải bằng cách thay đổi trị số biến trở đặt vào chân 11 của IC. Mạch điều áp xoay chiều điều khiển điện áp ra dễ dàng bầng cách thay đổi trị số biến trở , tốn ít linh kiện giá thành hạ. Nhược điểm: Do mạch chỉnh lưu trực tiếp từ nguồn điện áp đặt vào để tạo ra xung đồng bộ nên điện áp đặt vào bộ phận tạo xung tương đối lớn. Mạch chỉ có khả năng cung cấp nguồn cho các mạch tải công suất trung bình và nhỏ. Các mạch có công suất lớn khi sử dụng phương pháp này sẽ không đảm bảo tính an toàn Mạch điều áp xoay chiều độ tin cậy không cao. Mạch chỉ có khả năng cung cấp nguồn cho các mạch tải công suất trung bình và nhỏ. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. ®iÖn tö c«ng suÊt - NguyÔn bÝnh- nxbkhkt. 2. Gi¸o tr×nh ®iÖn tö c«ng suÊt - NguyÔn bÝnh- nxbkhkt 3. §IÖN Tö C¤NG SUÊT - L£ V¡N DOANH 4. Kü thuËt m¹ch ®iÖn tö - §ç XU¢N THô - NXBGD