Đồ án Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ không đông bộ roto đây quấn

ử dụng. LK=W.ltb=48.337,24=16187,52(mm)=16,2 (m). 25. Điện trở dây quấn ở nhiệt độ 75 oC. (Ω) Với ρ=0,02133 () là điện trở suất của đồng ở 75 oC. Như vậy điện trở cuộn dây rất nhỏ do đó có thể bỏ qua như nhận xét ban đầu. 26. Thể tích sắt. VFe =2.a.b.h+2.a/2.b.C =2.25.40.75+2.25/2.40.212 =362000 (mm3)=0,362 (dm3). 27.Khối lượng sắt. MFe = VFe.mFe Trong đó: mFe là khối lượng riêng của thép dùng để chế tạo mạch từ. mFe=7,85 Kg/dm3. MFe=0,362.7,85=2,84 (Kg). Thể tích đồng. VCu=SK.lK=88,74.16187,5=1436478,75 (mm3)=1,436 (dm3). 29. Khối lượng đồng. MCu = VCu.mCu Trong đó: MCu: Khối lượng đồng. mCu: Khối lượng riêng của đồng. mCu=8,9 Kg/dm3. MCu = 1,436.8,9 = 12,78 (Kg). 30. Tổng khối lượng sắt và đồng. M = MFe + MCu = 2,84+12,78 =15,71 (Kg). Tính toán các thiết bị bảo vệ Bảo vệ quá nhiệt cho van Khi làm việc có dòng chạy qua , trên van có sụt áp nên có tổn hao công suất ΔP. Để van làm việc an toàn phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý. Như phần tính chọn van đã nói: Để đảm bảo an toàn cho van khi làm việc ta chọn điều kiện toả nhiệt của van ta chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt trong với đầy đủ diện tích bề mặt cho phép, có quạt đối lưu. Tính toán cánh tản nhiệt a. Tổn thất công suất trên một van Tổn thất trên 1 diode: ΔP = ΔUD.Ilv = 1,4.138,85 = 194,4 (W) Tổn thất trên 1 tiristo: ΔP = ΔUT.Ilv = 1,6.138,85 = 222 (W). Do diode và tiríto có tổn hao nhiệt tương đương nhau do đó ta chọn cùng loại bảo vệ.Chọn hệ thống cánh tản nhiệt kết hợp với quạt gió đối lưu cưỡng bức b. Diện tích bề mặt toả nhiệt (m2) Trong đó : τ là độ chênh lệch nhiệt độ làm việc trên cánh tản nhiệt và môi trường. Chọn nhiệt độ trên cánh là Tlv = 80 oC (khi Tcp= 125 oC) , nhiệt độ môi trường là Tmt = 40 oC , do đó τ = Tlv – Tmt = 80 – 40 = 40 oC km là hệ số toả nhiệt bằng đối lưu cưỡng bức . Chọn km = 25 (W/m2.oC) c. Chọn cánh tản nhiệt có các kích thước: chọn kích mỗi cánh như sau: axb=10x10 (cm2) c=0,3 cm. h=0,5 cm. z=0,6cm Số cánh : (cánh) , chọn số cánh là 12 - Vật liệu làm cánh tản nhiệt là nhôm - Dùng quạt đối lưu quạt gió dọc theo các khe của cánh tản nhiệt. Hình 4.1 Cánh tản nhiệt bảo vệ van bán dẫn Bảo vệ quá dòng cho van Chọn Aptomat Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động cắt mạch khi quá tải và ngắn mạch van , ngắn mạch đầu ra … - Chọn Aptomat có : Iđm = 1,1.I1đm = 1,1.275 = 302,5 (A) Có 3 tiếp điểm chính , đóng cắt bằng tay hoặc tự động . - Chỉnh định dòng ngắn mạch : Inm = 2,5.I1đm = 3,5.275 = 963 (A - Chỉnh định dòng quá tải Iqt = 1,5.I1đm = 1,5.275 = 412,5 (A) -Điện áp định mức atm : Uđm = 220 (V) Chọn cầu dao Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn khi sửa chữa hệ thống - Dòng điện định mức của cầu dao : Iđmcd = 1,1. (A) - Điện áp định mức cầu dao : Uđm = 220 (V) Chọn cầu chì Cầu chì dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vên ngắn mạch các van. - Nhóm 1 : Icc1 = Ikđ/k=5.I2/2=5.196/2 = 490 (A) - Nhóm 2 : Icc2 = 1,1.Ihd = 1,1.138,85 = 1153 (A) Chọn dây chảy ICC1 loại 490 A, ICC2 loại 120 A. Bảo vệ quá điện áp cho van Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Tiristor được thực hiện bằng cách mắc mạch R-C song song với T . Khi có sự chuyển mạch , các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn . Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược này gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn . - Theo kinh nghiệm : R = 5 ÷ 30 Ω C = 0,25 ÷ 4 μF Chọn R = 10 Ω C =0,3 μF Hình4.2 Mạch R-c bảo vệ quá điện áp cho van - Bảo vệ xung điện áp từ lưới ta mắc mạch R-C như hình vẽ Nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây . Trị số của R,C được chọn : R2 = 12,5 (Ω) C2 = 4 (μF) Hình 4.3 Mạch R-C bảo vệ xung điện áp từ lưới và mạch bảo vệ van do cắt đột ngột biến áp khi non tải - Bảo vệ van do cắt đột ngột biến áp khinon tải bằng cách mắc mạch R-C ở đầu ra của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha phụ thuộc bằng các Diod công suất bé . C3 = 10 μF, R3 = 470 Ω, R4 = 1400 Ω Chương 4 LẬP SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU I.Khái quát về các phương pháp điều khiển tiristor 1. Cấu tạo và hoạt động của tiristor. a. Cấu trúc và ký hiệu: Tiristor là một thiết bị gồm bốn lớp bán dẫn P1, N1, P2, N2 liên tiếp và tạo thành ba cực : Anốt A, catốt K, và cực điều khiển G. Hình4.1 : Cấu trúc và ký hiệu tiristo b. Nguyên lý làm việc: Khi đặt tiristor dưới điện áp một chiều, anốt nối vào cực dương, catốt nối vào cực âm của nguồn điện áp, J1 và J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược. Gần như toàn bộ điện áp nguồn đặt lên mặt ghép J2.. Điện trường nội tại Ei của J2 có chiệu từ N1 hướng về P2. Điện trường ngoài tác động cùng chiều với Ei, vùng chuyển tiếp cũng là vùng cách điện càng mở rồng ra không có dòng điện chảy qua mặc dù nó bị đặt dưới điện áp. Nếu cho một xung điện áp dương Ug tác động vào cực G( Dương so vói K), các điện tử từ N2 chạy sang P2, đến đây một số ít trong chúng chảy vào nguồn Ug và hình thành dòng Ig, phần lớn điện tử chịu sức hút của điện trường tại bề mặt J2, lao vào vùng chuyển tiếp này, chúng tăng tốc , động năng lớn lên bẻ gãy các liên kết của giữa các nguyên tử silíc, tạo nên những điện tử tự do mới. Số điện tử tự do này lại tiếp tục bắn phá các nguyên tử Si trong vùng chuyển tiếp kết quả là hình thành ngày càng nhiều các điện tử nhảy vào N1 qua P1 và đến cực dương của nguồn gây nên hiện tượng dẫn điện . J2 trở thành mặt ghép dẫn điện. Điện trở của tiristor từ khoảng 100 khi ở trạng thái khóa trở thành 0,01 khi dẫn. Một tiristor đang ở trạng thái dẫn thì sự hiện diện của tín hiệu điều khiển Ig không còn cần thiết. Để khóa tiristor có hai phương pháp: Giảm dòng điện làm việc I xuống dưới giá trị duy trì. Đặt một điện áp ngược lên tiristor. c. Đặc tính vôn-ampe của tiristor. Đặc tính vôn ampe của T gồm có bốn đoạn : Hình 4.2 Đặc tính vôn-ampe của Tiristor Đoạn 1 tương ứng với trạng thái khóa của T, chỉ có dong rò chạy qua T. Khi tăng U đến Uch(Điện áp chuyển trạng thái ), bắt đầu quả trình tăng nhanh chóng của dòng điện, T chuyên sang trạng thái mở . Đoạn 2 tương ứng với giai đoạn phân cực thuận của J2, giai đoạn này mỗi một lượng tăng nhỏ của dòng điện ứng với một lượng tưng lớn của điện áp đặt lên T. Đoạn 3 ứng với trạng thái mở của T, cả 3 mặt tiếp giáp đã trở thành dẫn điện. Đoạn 4 tương ứng với khi T bị đặt điện áp ngược . dòng điện ngược rất nhỏ, vài chục mA. Nếu tăng U đến Uz thì dòng điện ngược tăng lên mãnh liệt, chọc thủng mặt tiếp giáp. T bị hỏng. Bằng cách chọn dòng điều khiển Ig > 0 khác nhau ta có họ đặc tính Vôn- Ampe như hình vẽ. 2. Các nguyên tắc điều khiển Tiristor. Trong thực tế người ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển: thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng “arccos” để thực hiện điều chỉnh vị trí xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên T. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp: Điệ áp đồng bộ, ký hiệu là us đồng bộ với điện áp đặt trên anôt-catôt của T, thường đằt vào đầu đảo của khâu so sánh. Điện áp điều khiển là điện áp một chiều ucm có thể điều chỉnh độ lớn thường đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh . Hình 4.3 nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến t ính Mỗi khi us=ucm thì khâu so sánh lật tràng thái , ta nhận được sườn xuống của điện áp đầu ra khâu so sánh. Thông qua đa hài một trạng thái ổn định tạo ra một xung điều khiển. Bằng cách thay đổi giá trị ucm ta có thể điều khiển được thời điểm xuất hiện xung đièu khiển, tức là điều chỉnh được góc . Giữa và ucm có quan hệ sau: . Nguyên lý điều khiển thẳng đứng “arccos” Nguyên tắc này sử dụng hai điện áp: Hình 4.4 nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” Điện áp đồng bộ us, vượt trức uAK= Umsin T một góc bằng : us= Umcos. Điện áp điều khiển ucm là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được độ lớn theo hai chiều dương và âm. Nếu đặt us vào cổng đảo, và ucm vào cổng không đảo của khâu so sánh thì us=ucm ta sẽ nhận được xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái : Umcos=ucm. Do đó =arcos(ucm/Um). Như vậy khi điều chỉnh Ucm từ +Um đến –Um ta có thể điều chỉnh góc từ 0 đến . II.Lập sơ đồ khối của mạch điều khiển nghịch lưu Điều khiển Tiristo trong sơ đồ nghịch lưu theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính . Sơ đồ khối của mạch điều khiển : có 3 khâu chính 1. Lựa chọn khâu đồng pha. Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa Urc (điện áp dạng răng cưa tuyến tính ) trùng pha với điện áp anod của Tiristo . a. Các sơ đồ có thể sử dụng cho khâu đồng pha: Sơ đồ 1: Dùng diode và tụ Hình 4.5 Sơ đồ sử dụng diode và tụ Nguyên lý tạo xung răng cưa: Khi A dương thì D1 thông làm tụ C ngắn mạch Urc=0. Khi UA <0, D2 khóa, Tụ C nạp với hằng số thời gian R2.C. Cho tới khi tụ bắt đầu xả. Đây là sơ đồ đơn giản, dễ thực hiện, với số linh kiện ít nhưng chất lượng điện áp tựa không tốt. Độ dài của phần biến thiên tuyến tính của điện áp tựa không phủ hết 1800. Do vậy, góc mở van lớn nhất bị giới hạn. Hay nói cách khác, nếu theo sơ đồ này điện áp tải không điều khiển được từ 0 tới cực đại mà từ một trị số nào đó đến cực đại. Sơ đồ 2:Dùng Transistor và tụ Hình 4.6 Sơ đồ sử dụng Transistor và tụ Nguyên lý tạo xung răng cưa: Khi thế ở điểm A dương thì Transistor khoá và tụ C nạp với hằng số thời gian T=R2.C; khi UA <0 Transistor dẫn suy ra tụ xả theo hướngTransistor cho tới Urc=0. Để khắc phục nhược điểm về dải điều chỉnh ở sơ đồ 1 người ta sử dụng sơ đồ tao điện áp tựa bằng sơ đồ 2 Theo sơ đồ này, điện áp tựa có phần biến thiên tuyến tính phủ hết nửa chu kỳ điện áp. Do vậy khi cần điều khiển điện áp từ 0 tới cực đại là hoàn toàn có thể đáp ứng được. Sơ đồ 3:Dùng bộ ghép quang Hình 4.7 Sơ đồ sử dụng bộ ghép quang Nguyên lý tạo xung răng cưa: Khi UA <) (D) mở diode quang tắt khoáTransistor ( bộ ghép quang khoá) làm tụ nạp đến giá trị Urc. Khi Ua>0 diode (D) khoá diode quang sáng mở Transistor ( bộ ghép quang dẫn làm tụ xả qua diode quang đến khi Urc = 0. Ưu điểm của sơ đồ này ở chỗ không cần biến áp đồng pha , do đó có thể đơn giản hơn trong việc chế tạo và lắp đặt. Sơ đồ 4:Dùng khuếch đại thuật toán Hình 4.8 Sơ đồ sử dụng khuếch đại thuật toán Nguyên lý tạo xung răng cưa: Khi UA>0 qua khuếch đại thuật toán UB>0 làm cho diode D1 dẫn khối hai tạo thành một mạch tích phân khi đó tụ C1 nạp đến điện áp Urc . Khi UA0 D1 khoá Transistor dẫn tụ xả qua Transistor đến khi Urc = 0. Lựa chọn khâu đồng pha: Các sơ đồ 1, 2 và 3 trên đều có chung nhược điểm đó là việc mở, khóa các Tranzitor trong vùng điện áp lân cận không là thiếu chính xác làm cho việc nạp xả rụ trong vùng này không được như mong muốn. Ngày nay các vi mạch được chế tạo ngày càng nhiều, chất lượng ngày càng cao, kích thước ngày càng gọn, ứng dụng các vi mạch vào thiết kế mạch đồng pha có thể cho ta chất lượng điện áp tựa tốt. Do đó ta quyết định cho khâu đồng pha dùng khuếch đại thuật toán. 2. Lựa chọn khâu so sánh: Để xác định được thời điểm cần mở Tiristor chúng ta cần so sánh hai tín hiệu Uđk và Urc. Việc so sánh các tín hiệu đó có thể được thực hiện bằng Tranzitor và khuếch đại thuật toán. Tại thời điểm Uđk = Urc, đầu ra của bộ so sánh lật trạng thái, tại đó xác định được thời điểm cần mở của Tiristor. Sơ đồ 1: So sánh dùng Transitor: Hình 4.9 Khâu so sánh dùng Transitor Tại thời điểm Uđk = Urc, đầu vào Tr lật trạng thái từ khoá sang mở (hay ngược lại từ mở sang khoá), làm cho điện áp ra cũng bị lật trạng thái, tại đó chúng ta đánh dấu được thời điểm cần mở Tiristor. Với mức độ mở bão hoà của Tr phụ thuộc vào hiệu Uđk Urc = Ub, hiệu này có một vùng điện áp nhỏ hàng mV, làm cho Tr không làm việc ở chế độ đóng cắt như ta mong muốn, do đó nhiều khi làm thời điểm mở Tiristor bị lệch khá xa so với điểm cần mở tại Uđk = Urc. Sơ đồ 2: So sánh dùng khuếch đại thuật toán: Hình 4.10 Khâu so sánh dùng khuếch đại thuật toán. KĐTT có hệ số khuyếch đại vô cùng lớn, chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ (cỡ mV) ở đầu vào, đầu ra đã có điện áp nguồn nuôi, nên việc ứng dụng KĐTT làm khâu so sánh là hợp lý. Các sơ đồ so sánh dùng KĐTT rất thường gặp trong các sơ đồ mạch hiện nay. Ưu điểm hơn hẳn của các sơ đồ này là có thể phát xung điều khiển chính xác tại Uđk = Urc. Để quan hệ điều khiển đồng biến ta ta tạo răng cưa lùi bằng cách đưa thêm điện áp một chiều vào để kéo điện áp răng cưa lên trên trục hoành. Đó là lý do ta chọn khâu so sánh dung khuếch đại thuật toán. 3. Lựa chọn khâu tạo xung khuếch đại • Sơ đồ dùng tranzitor công suất Hình 4.11 Khâu khuếch đại dùng transitor công suất Với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristor như đã nêu ở trên, tầng khuyếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng Tranzitor công suất, như trên hình . Để có xung dạng kim gửi tới Tiristor, ta dùng biến áp xung (BAX), để có thể khuyếch đại công suất ta dùng Tr, diode D bảo vệ Tr và cuộn dây sơ cấp biến áp xung khi Tr khoá đột ngột. Mặc dù với ưu điểm đơn giản, nhưng sơ đồ này được dùng không rộng rãi, bởi lẽ hệ số khuyếch đại của tranzitor loại này nhiều khi không đủ lớn, để khuyếch đại được tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang. • Sơ đồ dùng darlington Tầng khuyếch đại cuối cùng bằng sơ đồ darlington như trên hình bên thường hay được dùng trong thực tế. ở sơ đồ này hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu về khuyếch đại công suất, khi hệ số khuyếch đại được nhân lên theo thông số của các tranzitor. Hình 4.12 Sơ đồ darlington • Sơ đồ có tụ nối tầng Trong thực tế xung điều khiển chỉ cần có độ rộng bé (cỡ khoảng (10 200) s), mà thời gian mở thông các tranzitor công suất dài (tối đa tới một nửa chu kỳ - 0.01s), làm cho công suất toả nhiệt dư của Tr quá lớn và kích thước dây quấn sơ cấp biến áp dư lớn. Để giảm nhỏ công suất toả nhiệt Tr và kích thước dây sơ cấp BAX chúng ta có thể thêm tụ nối tầng . Theo sơ đồ này, Tr chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong khoảng thời gian nạp tụ, nên dòng hiệu dụng của chúng bé hơn nhiều lần. Hình 4.13 sơ đồ tụ nối tầng Từ các sơ đồ trên ta chọn sơ đồ thiết kế là sơ đồ tụ nối tầng. 4. chọn khâu tạo xung chùm cho điều khiển. Đối với sơ đồ cầu 3 pha, để giảm công suất cho tầng khuếch đại và nhằm đảm bảo T mở một cách chắc chắn (nhở tăng số lượng xung mở) và đệm xung điều khiển ta sử dụng xung chùm cho điều khiển các Tiristo. Nguyên lý phát xung chùm là sử dụng một cổng AND trước tầng khuếch đại để nhận tín hiệu từ tầng so sánh và tín hiệu xung chùm: Sơ đồ phát xung chùm sử dụng khuếch đại thuật toán: 5. Sơ đồ điều khiển. a. Sơ đồ điều khiển cho một Tiristo. Như vậy ta có sơ đồ điều khiển cho một tiristor: Hình 4.14 Sơ đồ điều khiển cho một Tiristor. Hình 4.15 Nguyên lý điều khiển. Hoạt động của mạch điều khiển được giải thích theo giản đồ các đường cong trên như sau: Điện áp vào tại điểm A (UA) có dạng hình sin, trùng pha với điện áp anod của Tiristor T, qua khuyếch đại thuật toán (KĐTT) A1 cho ta chuỗi xung chữ nhật đối xứng UB. Khi (UA) dương qua khuếch đại thuật toán (UB) Phần áp dương của điện áp chữ nhật UB qua diod D1 tới A2 tích phân thành điện áp tựa Urc. Khi (UA) âm điện áp âm của điện áp UB làm mở thông tranzitor Tr1, kết qủa là A2 bị ngắn mạch (với Urc = 0) trong vùng UB âm. Trên đầu ra của A2 chúng ta có chuỗi điện áp răng cưa Urc gián đoạn. Điện áp Urc được so sánh với điện áp điều khiển Uđk tại đầu vào của A3. Tổng đại số Urc + Uđk quyết định dấu điện áp đầu ra của KĐTT A3. Mạch đa hài tạo xung chùm A4 cho ta chuỗi xung tần số cao. Chùm xung được and với tín hiệu sau bộ so sánh tạo ra các xung UF làm mở thông các tranzito kết quả là cho ta chuỗi xung điều khiển Xđk trên biến áp xung để đưa tới tiristo. b. Sơ đồ điều khiển cho cả 6 Tiristo. Đặc điểm của điều khiển ba pha đối xứng trên là dong điện chạy từ pha này sang pha kia đồng thời qua cả hai T một lúc. Khi điều khiển phải đồng thời cấp hai xung điều khiển cho 2 Tiristo . Ta coi xung cần mở được quyết định bởi góc mở của chúng là xung chính thì phải có một xung đệm, xung chính ở nhóm van này thì xung đệm ở nhóm van kia. Việc cấp xung chính và xung đệm cần đúng thứ tự pha như hình vẽ dưới đây: Hình 4.16 Thứ tự mở van. Như vậy theo việc dẫn của các tiristo như trên các xung điều khiển cấp theo thứ tự: T1-T4T6-T1T3-T6T2-T3T5-T2T4-T5T1-T4. Hình 4.17Nguyên lý cấp xung điều khiển. Với nguyên lý cấp xung chính và xung đệm cho T như trên ta có sơ đồ điều khiển cho cả 6 Tiristo như sau: Hình 4.18 Sơ đồ điều khiển . Chương 5 TÍNH TOÁN, CHỌN CÁC LINH KIỆN CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN. I. Các thông số cơ bản để tính toán mạch điều khiển. Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở tiristo. Các thống số cơ bản để tính mạch điều khiển cần có: Điện áp điều khiển Tiristo: Uđk=3,0 V Dòng điều khiển: Iđk=0,15 A Thời gian mở tiristo: tm=75 Độ rộng xung điều khiển: tx= 167 (tương đương với 30 điện). Tần số xung điều khiển: fx= 3KHz Độ mất đối xứng cho phép: =40 Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U=±12 V Mức sụt biên độ xung: Sx=0,15 II. Tính biến áp xung (MBAX). 1-Chọn vật liệu làm lõi là sắt ferit HM: Lõi có dạng hình xuyến. B = 0,3(T); H = 30(A/m) 2- Tỷ số biến áp xung m thường được chọn m=23. chọn m=3. 3-Điện áp thứ cấp MBAX. U2=Uđk=3 (V) 4-Dòng điện thứ cấp MBAX. I2=Iđk= 0,15 (A) 5-Điện áp sơ cấp MBAX. U1=m.Uđk=9 (V) 6-Dòng điện sơ cấp MBAX. I1==0,05 (A) 7-Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt. Trong đó nhH/m. Là độ từ thẩm của không khí. Thể tích lõi thép cấn có: cm2 Trong đó: V: Thể tích lõi thép cần có. Q: Tiết diện lõi sắt. l: Chiều dài trung bình của đường sức từ. Tra bảng thông số các loại lõi thép tròn 1.5 TL2 . Chọn loại lõi thép OA-22/30-5 có các kích thước: a=4 mm, b=5 mm, d=22 mm, D=30mm,l=82 mm=8,2 cm, Q=0,2 cm2. Với các kích thước trên, thể tích của lõi thép: V=Q.l=0,2.8,2=1,64 cm3. Số vòng dây quấn sơ cấp Theo định luật camw ứng điện từ : Trong đó: U1: Điện áp phía sơ cấp. W1: Số vòng dây phía sơ cấp. Vậy: (vòng) Số vòng dây quấn thứ cấp. W2=W1/m=251/m=84 (vòng) 11 -Tiết diện dây quấn sơ cấp được tính. Đối với các loại biến áp xung để điều khiển Tiristor, vì độ rộng xung điện áp hẹp nên chúng ta có thể chọn mật độ dòng điện J khá lớn bằng 6 và 4. Đối với dây quấn sơ cấp ta chọn j=6A/mm2.. mm2. 12-Đường kính dây quấn sơ cấp. (mm). Theo bảng tiêu chuẩn đây quấn tròn ta chọn loại dây dẫn tròn có tiết diện d1=0,11 mm. Tương ứng S1=0,0095 mm2. Tiết diện dây quấn thứ cấp. Đối với dây quấn thứ cấp ta chọn mật độ dòng điện j=4 A/mm2. (mm2). Đường kính dây quấn thứ cấp. (mm) Theo bảng tiêu chuẩn đây quấn tròn ta chọn loại dây dẫn tròn có tiết diện d2=0,23 mm. Tương ứng S2=0,04155 mm2. Kiểm tra hệ số lấp đầy. Trong đó: S1: Tiết diện dây quấn sơ cấp S1=0,0095 mm2. S2: Tiết diện dây quấn thứ cấp S2=0,04155 mm2. W1: Số vòng dây quấn sơ cấp W1=251 vòng. W2: Số vòng dây quấn thứ cấp. W2=84 vòng. Qcs: Diện tích cửa sổ mạch từ mm2. Như vậy cửa sổ đủ diện tích cần thiết. III. Tính tầng khuếch đại cuối cùng. Lựa chọn các linh kiện cả tầng khuếch đại cuối cùng: 1- Tranzito Tr3 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ sung có các thông số: - Tranzito loại NPN, vật liệu bán dẫn Si. - Điện áp giữa colecto và bazo khi hở mạch emito: UCBO=40(V); - Điện áp giữa emito và bazo khi hở mạch colecto: UEBO=4(V); - Dòng điện lớn nhất ở colecto có thể chịu đựng: ICmax=500 (mA); - Công suất tiêu tán ở colecto: PC=1,7 (W); - Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T=1750C; - Hệ số khuếch đại: ; - Dòng làm việc của colecto: IC3=I1=50 mA; - Dòng làm việc của bazo: (mA). Với loại Tiristo đã chọn có công suất điều khiển khá bé: Uđk=3 V, Iđk=1,5 A, nên dòng điện collector – bazơ khá bế do đó không cần đến tranzito Tr2. 2- Chọn nguồn co máy biến áp xung Ecc=+12 V 3- Chọn điện trở RE mắc nối tiếp giữa ECC và emitơ của Tr3 để phân áp cho máy biến áp xung : Trong đó: U1: Điện áp sơ cấp biến áp xung. I1: Dòng điện sơ cấp biến áp xung. 4- Điện trở vào tần khuếch đại: Điện trở R8 dung để hạn chế dòng đưa vào bazơ của tranzito Tr3 Chọn R8 thỏa mãn : Trong đó: Uv : Điện áp vào được lấy từ tầng so sánh đưa sang. UV=12 V, ứng với mức logic 1 sau tầng khuếch đại. Ib : Dòng điện bazơ của Tranzitor khuyếch đại (K). IV. Chọn cổng AND. Toàn bộ mạch điều khiển phải dùng 6 cổng AND nên ta chọn 2 IC 4081 họ CMOS. Mỗi IC có 4 cổng AND với các thông số Nguồn nuôi IC: VCC=12 V. Điện áp ứng với mức logic “1”: 2-4,5 V Dòng điện: Nhỏ hơn 1mA. Công suất tiêu thụ: P=2,5 mW /1 cổng. Hình 5.1 Sơ đồ chân IC 4081 V. Tính chọn bộ tạo xung chùm. Mỗi kênh điều khiển dùng 4 khuếch đại thuật toán, do đó ta chọn loại 6 IC loại TL084 do hãng Texas chế tạo, mỗi IC có 4 khuếch đại thuật toán, mỗi IC sẽ sử dụng cho một kênh điều khiển: (hình vẽ) Các thông số của khuếch đại thuật toán đã chọn: + Vcc=12 V. + Hiệu điện thế giữa 2 đầu vào: . + Nhiệt độ làm việc : T=-25850C. + Công suất tiêu thụ: P=0,68 W. + Tổng trở đầu vào: Rin=106 M. + Dòng điện ra Ira=30 pA. Hình 5.2 Sơ đồ chân IC TL084 Mạch tạo xung chùm có tần số f= (Khz). Hay chu kỳ xung chùm : T==334 Ta có T= Chọn R9=R10=33 K. T=2,2.R11.C2=334 Vậy R11.C2=152 , Chọn tụ C2=0,1 Ta có R11=1,52 K. Chọn R11 biến trở 2 K để thuận tiện cho lắp đặt. VI. Tính chọn khâu so sánh. Chọn R4 và R5. Chọn R4=R5 =. Trong đó: Uv: Điện áp vào A3, với nguồn nuôi Ucc=12 V như đã chọn thì Uv=12(V). Iv: Dòng điện vào được hạn chế nhỏ hơn 1 mA. Vậy: R4=R5. Ta chọn R4=R5=15 K.Khi đó dòng vào A3 lớn nhất là: Ivmax =12/15.10-3=0.8 mA. Tính chọn nguồn E1 và điện trở R6. Để thuận tiện cho thiết kế nguồn điện ta chọn nguồn E2=12 V, Chọn R6=R5=15 K. Chọn biến trở R7=100. Yêu cầu điện áp cần có để điều chỉnh biến trở R7. U=Rrcmax=12(V). VII. Tính chọn khâu đồng pha. Tính chọn điện trở R4 và tụ C1. Trong sơ đồ đồng pha, việc tạo răng cưa được tiến hành bằng cách nạp tụ theo mạch R4-C1. Điện áp tựa được hình thành do sự nạp của tụ C1. Để đảm bảo điện áp tựa là tuyến tính thì hằng số thời gian Tr=R4.C1=0,01 s. Nếu chọn tụ C1 là tụ 104 có giá trị điện dung 0,1 thì: Để thuận tiện cho việc nắp ráp mạch , R3 được chọn là biến trở lớn hơn 100K. 2- Chọn tranzito Tr1. Chọn Transistor Tr1 loại: A564 có các thông số: - Tranzito PNP. - Điện áp giữa colecto và bazo khi hở mạch emito: UCBO=25(V); - Điện áp giữa emito và bazo khi hở mạch colecto: UEBO=7(V); - Dòng điện lớn nhất ở colecto có thể chịu đựng: ICmax=100 (mA); - Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T=1500C; - Hệ số khuếch đại: ; - Dòng cực đại của bazo: (mA). 3- Chọn R2 để hạn chế dòng điện đi vào trazito Tr1: Chọn R2 sao cho R2 Chọn R2=30 k . 4- Chọn điện trở R1. Điện trở R1 hạn chế dòng đi vào KĐTT A1,Thường chọn R1 sao cho dòng đi vào KĐTT IV nhỏ hơn 1 mA. Chọn điện áp xoay chiều đồng pha UA=9 V. Vật ta có: Chọn R1=10 K. VIII. Máy biến áp đồng pha và nguồn nuôi. Thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và nguồn nuôi. Chọn kiểu máy biến áp ba pha ba trụ. Do điều khiển ba pha nên yêu cầu tạo ra điện áp đồng pha cho điều khiển ba pha trễ pha so với các pha A,B,C của lưới 300, ta nhận thấy, mạch động lực có biến áp sơ cấp nối , thứ cấp nối Y, do đó để có điện áp đồng pha thỏa mãn yêu cầu trên ta thiết kế máy biến áp đồng pha nối Y/Y. Để thuận tiẹn cho chế tao ta thiết kế máy biến áp tạo ra điện áp xoay chiều đồng pha điện áp ra 9V đồng thời tạo ra nguồn một chiều điện áp 12 V để cấp cho máy biến áp xung, nuôi IC… Hình 5.3 Bộ nguồn cấp cho điều khiển Nguồn nuôi IC(1). Ta chọn mạch chỉnh lưu cầu ba pha dung diode. Để ổn định điện áp nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7812 và 7912 với các thông số chung của 2 vi mạch này như sau: - Điện áp đầu vào Uv=(7-35)V. Chọn Uv=32 V. - Điện áp đầu ra : Ur=12 V với IC 7812, Ur=-12 V với IC 7912. - Dòng điện ra Ir=0-1 A. - Các tụ điện C dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao. Chọn C1=C2=C3=C4=470 (). Coi sụt áp trên các diode V. với chỉnh lưu cầu ba pha dòng điện đi qua 2 diode, vậy điện áp một chiều sau chỉnh lwu cầu : Ud0=32+2 =34 V. Điện áp thứ cấp của biến áp nguồn nuôi IC: U21=. Trong đó KCL=2,34 hế số chỉnh lưu cầu. U21=34/2,34=14,53 V. Chọn U21=15 V. 2- Nguồn nuôi đồng pha(2). Điện áp lấy ra từ các cuộn dây thứ cấp của nguồn đồng pha: U22=9V. 3- Nguồn nuôi BAX(3). Do mức sụt xung cho phép tương đối lớn nên với nguồn nuôi biến áp xung ta không cần ổn áp. Vậy ta có điện áp sau chỉnh lưu cầu: Udo3=12+2=14 V. Điện áp thứ cấp may biến áp: U23=14/2,34=6 V. 4- Công suất nguồn nuôi IC. Mỗi mạch điều khiển ta sử dụng một IC TL084 để dùng 4 khuếch đại thuật toán, mỗi IC tiêu thụ công suất P=0,68 (W). Và 2 IC 4081 để dùng 6 cổng AND, mỗi cổng tiêu thụ công suất 2,5.10-3 W. Vậy P1=6.(0,68+0,0025)=4,1 (W). 5- Công suất nguồn nuôi đồng pha. Chọn dòng điện thứ cấp của nguồn đồng pha I2đf=10 mA. P2=6.U2đf.I2đf=6.9.1.10-2=0,54 (W). Công suất nguồn nuôi BAX. Điện áp một chiều sau biến áp xung có kể đến sụt áp trên các diode là Ud0=14 V. vậy công suất nguồn cấp cho biến áp xung : P3=6.Udo.I1bax Trong đó: I1bax là dòng điện sơ cấp biến áp xung. P3=6.6.0,05=1,8 (W). Nguồn nuôi biến áp xung còn dùng để cung cấp nguồn cho E1. Do đó ta chọn công suất nguồn nuôi cho biến áp xung và E1là: P3=4 (W). 7- Như vậy công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi là: PN=P1+P2+P3=4,1+0,54+4=8,64 (W). 8- Công suất MBA có kể đến 5% tổn thất trong máy: S=1,05.PN=1,05.8,64=9 (W). Chọn kích thước mạch từ máy biến áp. Theo Phụ lục 7 các thống số mạch từ máy biến áp công suất nhỏ TL5 trang 689 . Với công suât máy biến áp như trên ta chọn loại máy biến áp có các thông số như sau: a b c C h H Qfe Sđm Số lá thép Độ dầy lá thép 12mm 25mm 12mm 48mm 30mm 42mm 2,73cm2 10VA 65 lá 0,35mm Dòng điện sơ cấp MBA. I1= Trong đó I1: Dòng điện sơ cấp máy biến áp. U: Điện áp phia sơ cấp. I1=0,0136 A= 13,6 (mA). Số vòng dây quấn sơ cấp. Chọn mật độ từ cảm B=1 T trong trụ, ta có số vòng dây sơ cấp: Trong đó: W1: Số vòng dây sơ cấp. U1: Điện áp phía sơ cấp. F: Tần số điện lưới. QT: Tiết diện trụ. (vòng) Tiết diện dây quấn sơ cấp. Chọn mật độ dòng điện J=2.75 A/mm2. Tiết diện dây quấn sơ cấp: S1==0.005 mm2. Đường kính dây quấn sơ cấp. 0,08 (mm). Theo phụ lục 8 về thông số một số loại dây đồng tròn và để đảm bảo độ bền cơ cho dây quấn ta chọn loại dây đồng trong đường kính: d1=0,1 mm. Đường kính kể cả cách điện d1n=0,12 mm. 15- Số vòng dây quấn thứ cấp nguồn nuôi IC. W21===248 (vòng). 16- Số vòng dây thứ cấp nguồn đồng pha. W22===149 (vòng). Số vòng dây nguồn nuôi BAX và các nguồn E1. W23===99 (vòng). Chọn tiết diện dây quấn thứ cấp của nguồn nuôi IC. Do tính cho 2 nguồn thứ cấp cho các IC ổn áp nên: S21==0.017 mm2. Đường kính dây quấn . 0,15 (mm). Chọn dây quấn theo tiêu chuẩn có đường kính d21=0,15 Kể cả cách điện d21n=0,17 mm. 19- Chọn tiết diện dây quấn thứ cấp của nguồn đồng pha. S22==0.01 mm2. Đường kính dây quấn . 0,11 (mm). Chọn dây quấn theo tiêu chuẩn có đường kính d220,11Kể cả cách điện d22n=0,13 mm. 20- Chọn tiết diện dây quấn thứ cấp của nguồn nuôi BAX. S23==0.08 mm2. Đường kính dây quấn . 0,32 (mm). Chọn dây quấn theo tiêu chuẩn có đường kính d23=0,33 Kể cả cách điện d23n=0,35 mm. 21- Tổng số vòng dây trên một trụ của MAB. Wå = W1 + 2.W21 +W22 + W23 Wå = 3630 + 2.248 + 149 + 99 = 4374 (vòng). 22- Tính chọn các diode cho nguồn nuôi IC. - Dòng điện phía thứ cấp (A). - Dòng hiệu dụng qua diode IDHD=I21/1.41=0,032 A. - Điện áp ngược lớn nhất mà diode phải chịu là: UNmax=.U2=2,45.15=36,75 (V) - Chọn diode có dòng định mức đảm bảo điều kiện an toàn nhiệt : Iđm>ki. IDHD=10.0,032=0,32 (A). - Có điện áp ngược lớn nhất: Un=2UNmax=2x36,75=73,5 (V). 23- Tính chọn các diode cho nguồn cấp cho BAX và E1. - Dòng điện phía thứ cấp (A). - Dòng hiệu dụng qua diode IDHD=I21/1.41=0,15 A. - Điện áp ngược lớn nhất mà diode phải chịu là: UNmax=.U2=2,45.6=14,7 (V) - Chọn diode có dòng định mức đảm bảo điều kiện an toàn nhiệt Iđm>ki. IDHD=10.0,15=1,5 (A). - Có điện áp ngược lớn nhất: Un=2UNmax=2x14,7=29,4 (V). 24- Chọn diode. Để tiện chế tạo ta chọn cùng một loại diode cho cả 2 nguồn trên loại với các thông số: + Dòng điện định mức Iđm=1,5 (A). + Điện áp ngược cực đại: UN=100 (V) Chương 6 TÍNH TOÁN VÀ DỰNG ĐẶC CƠ TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ TƯƠNG ỨNG VỚI CÁC GÓC MỞ KHÁC NHAU CỦA TIRISTO. Theo yêu cầu thiết kế, giải điều chỉnh tốc độ D=5:1, giá trị tốc độ cực đại của động cơ tương ứng với giá trị định mức nđm. Và tốc độ nhỏ nhất nmin=1/5=0,2nđm. Để tính toán và lập sơ đồ điều khiển động cơ ta dựng các đặc tính nhân tạo của động cơ tương ứng với các góc mở khác nhau của thysistor: các đặc tính được dựng lần lượt ứng với các cấp tốc độ: n=0,8ndm , 0,6ndm, 0,4ndm, 0,2ndm. I. Các biểu thức liên quan tới việc tính toán và dựng đặc tính cơ nhân tạo. Để làm cở sở cho việc tính toán các đại lượng như độ trượt s, tốc độ , và mômen M phục vụ cho việc vẽ đặc tính cơ nhân tạo ta xét các biểu thức liên quan của sơ đồ tầng. 1.Mômen động cơ : Nếu coi dòng điện rôto là hình sin, ta quy đổi công suất trượt trong mạch một chiều về dạng sơ đồ nối điện trở phụ ba pha thông thường có điện trở đẳng trị R2đt, khi đó mômen động cơ tính bởi công thức: Trong đó M: Là mômen động cơ R2đt: Điện trở đẳng trị I2: Là dòng điện rôto s: hệ số trượt. : Là tốc độ đồng bộ động cơ. 2. Điện trở đẳng trị: Điều kiện để tính điện trở đẳng trị là coi công suất trượt tỏa ra trên điện trở ba pha và đẳng trị và công suất trượt chuyển vào mạch rôto trên sơ đồ điều khiển bằng nhau, khi đó ta có phương trình: 3.I22. R2dt = 2.Id2 .R2 + Ubd.Id R2dt = . .R2 + Ubd. Trong đó: R2: Điện trở rôto động cơ. Dòng điện Id cà dòng I2 tỷ lệ với nhau theo hệ số Ki phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu Id=Ki.I2. Đối với sơ đồ cầu ba pha ta có: Ki = = 1,227 Điện áp trên đầu vào của bộ nghịch lưu Ubđ được xác định bằng tổng sức điện động nghịch lưu Ebđ và các điện áp rơi trên điện trở trong của bộ nguồn này. Ubđ = Ebđ + Ibd.Rbđ = 2,34.U2ba.cos + Id (2.Rba2 + ) Trong đó : Rba2, Xba2 là điện trở , điện kháng của máy biến áp qui đổi về phía thứ cấp. Từ các biểu thức trên ta có biểu thức của điện trở đẳng trị: R2dt = R2 + Rba2 + 0,48Xba2 + Hai số hạng đầu của biểu thức biểu thị cho phần tổn thất trên điện trở thuần của động cơ và biến áp, số hạng thứ ba biểu thị cho phần tổn hao do chuyển mạch trên các van của nghịch lưu, số hạng thứ tư biểu thị cho phần công suất trượt được nghịch lưu trả về lưới điện. 3. Độ trượt không tải lý tưởng s0: Tương ứng với tốc độ không tải và được xác định khi dòng điện Id=0 tức I2=0 và M=0. Từ sơ đồ nguyên lý ta thấy Id=0 khi sđđ của bộ chỉnh lưu E2đ và Sđđ của bộ nghịch lưu Ebđ bằng nhau: Id = 0 khi | E2d | =| Ebd| Với : E2d = 2,34.E2nm .s và Ebđ=-2,34.U2ba.cos S0 = Như vậy nếu cho trước góc mở của các van nghịch lưu ta xác định được s0 và -tức là xác định được điểm trên đặc tính cơ điều chỉnh. Ngược lại nếu cho trước yêu cầu về cấp tốc độ làm việc ta cỏ thể tìm được góc mở các van. 4. Quan hệ giữa độ trượt s và dòng điện I2 : Phương trình s=f(I2) chính là phương trình của đặc tính cơ điện. Khi hệ thống làm việc điện áp ra của chỉnh lưu rôto và điện áp đặt vào bộ nghịch lưu là một: U2d =Ubd Trong đó: U2d = E2d – Id .RCL =2,34.E 2nm.s – 2.Id.Rnm2 =.Xnm2.s.Id = 2,34E2nm s – 2,45 I2(Rnm2+0,48.Xnm2 .s) (*) Với Rnm2, Xnm2 Là điện trở và điện kháng ngắn mạch của động cơ quy đổi về phía rôto: Rnm2 = R2 +R’1 = R2 + R1 . Xnm2 = X2 +X’1 = X2 + X1 . Trong đó: Ke là hệ số biến áp của động cơ: Ke = E1/E2 ≈ U1 /E2nm Điện áp nghịch lưu được xác định theo biểu thức đã nêu: Ubd = Ebd + IdRbd = 2,34.U2ba ..cos β + 2,45 (Rba2+0,48.Xba2) Thay vào phương trình (*) ta có được quan hệ s0=f(I2) : s = II. Đặc tính điều chỉnh của hệ khi n = 0,8nđm : 1.Chọn tốc độ không tải tương ứng với cấp tốc độ cần dựng đặc tính cơ và độ trượt s0 : ωkt ωyc + sđm.ω0 Trong đó : ωyc là cấp tốc độ yêu cầu : (rad/s) sđm : là độ trượt định mức của động cơ sđm = 0,04 ω0 : là tốc độ từ trường quay( hay tốc độ đồng bộ) ω0 = 62,83 (rad/s) ωkt = 48,24 + 0,04.62,83 = 50,75 Như vậy độ trượt không tải tương ứng với đặc tính nhân tạo ứng với tốc độ 0,8ndm: s0 = Tính góc mở chậm của van nghịch lưu ứng với cấp điều chỉnh s0 đã chọn Trong đó : E2nm = 214,77 V là điện áp dây ngắn mạch của rôto U2BA = 227,66 V là điện áp thứ cấp của máy biến áp Phương trình đặc tính điều chỉnh Theo phương trình quan hệ giữa độ trượt s và dòng điện I2 trong roto của động cơ: Trong đó : U2BA = 227,66 V là điện áp pha thứ cấp của máy biến áp cosβ = 0,1814 XBA2 = 0,086 Ω là điện kháng MBA quy đổi về thứ cấp RBA2 = 0,0213 Ω là điện trở của MBA quy đổi về thứ cấp Rnm2 = 0,0308 Ω là điện trở ngắn mạch của động cơ quy đổi về phía rôto Xnm2 = 0,139 Ω là điện kháng ngắn mạch của động cơ quy đổi về phía rôto E2nm = 214,77 V là điện áp pha ngắn mạch của rôto s Điện trở đẳng trị : Mômen của động cơ : (N.m) 4. Lập bảng giá trị để dựng đặc tính điều chỉnh Lấy các giá trị I2 khác nhau rồi tính ra các giá trị s , R2đt , M tương ứng I2(A) s R2đt(Ω) M(N.m) ω* M* 0 0.192 0.000 0.808 0.00 50 0.219 0.873 476.350 0.781 0.23 100 0.246 0.478 927.304 0.754 0.45 150 0.274 0.346 1355.843 0.726 0.65 200 0.303 0.280 1763.987 0.697 0.85 250 0.333 0.241 2153.154 0.667 1.04 300 0.365 0.214 2524.369 0.635 1.22 350 0.397 0.195 2878.393 0.603 1.39 400 0.431 0.181 3215.799 0.569 1.55 450 0.466 0.170 3537.031 0.534 1.71 500 0.502 0.162 3842.435 0.498 1.85 550 0.540 0.154 4132.286 0.460 1.99 600 0.579 0.148 4406.806 0.421 2.13 650 0.620 0.143 4666.174 0.380 2.25 700 0.662 0.139 4910.539 0.338 2.37 750 0.707 0.135 5140.024 0.293 2.45 800 0.753 0.132 5354.730 0.247 2.58 850 0.802 0.129 5554.744 0.198 2.61 900 0.852 0.126 5740.141 0.148 2.68 950 0.905 0.124 5910.981 0.095 2.74 1000 0.961 0.122 6067.320 0.039 2.76 1034 1.000 0.121 6165.371 0.000 2.82 III. Đặc tính điều chỉnh của hệ khi n = 0,6nđm : 1. Chọn tốc độ không tải tương ứng với cấp tốc độ cần dựng đặc tính cơ và độ trượt s0 : ωkt ωyc + sđm.ω0 Trong đó : ωyc là cấp tốc độ yêu cầu : (rad/s) ωkt =36,18 + 0,04.62,83 = 38,69(rad/s) Như vậy độ trượt không tải tương ứng với đặc tính nhân tạo ứng với tốc độ 0,6ndm: s0 = Tính góc mở chậm của van nghịch lưu ứng với cấp điều chỉnh s0 đã chọn Phương trình đặc tính điều chỉnh Theo phương trình quan hệ giữa độ trượt s và dòng điện I2 trong roto của động cơ: s Điện trở đẳng trị : Mômen của động cơ : (N.m) 4. Lập bảng giá trị để dựng đặc tính điều chỉnh Lấy các giá trị I2 khác nhau rồi tính ra các giá trị s , R2đt , M tương ứng I2(A) s R2đt(Ω) M(N.m) ω* M* 0 0.384 0.000 0.616 0.00 50 0.413 1.660 479.509 0.587 0.23 100 0.444 0.871 937.494 0.556 0.45 150 0.475 0.608 1375.087 0.525 0.66 200 0.508 0.477 1793.204 0.492 0.87 250 0.542 0.398 2192.590 0.458 1.06 300 0.577 0.346 2573.861 0.423 1.24 350 0.613 0.308 2937.531 0.387 1.42 400 0.651 0.280 3284.028 0.349 1.58 450 0.690 0.258 3613.717 0.310 1.74 500 0.731 0.240 3926.907 0.269 1.89 550 0.773 0.226 4223.861 0.227 2.04 600 0.817 0.214 4504.809 0.183 2.17 650 0.863 0.204 4769.947 0.137 2.30 700 0.910 0.195 5019.447 0.090 2.42 750 0.960 0.188 5253.459 0.040 2.53 789 1.000 0.183 5425.322 0.000 2.62 IV. Đặc tính điều chỉnh của hệ khi n = 0,4nđm : 1. Chọn tốc độ không tải tương ứng với cấp tốc độ cần dựng đặc tính cơ và độ trượt s0 : ωkt ωyc + sđm.ω0 Trong đó : ωyc là cấp tốc độ yêu cầu : (rad/s) ωkt =24,12 + 0,04.62,83 = 26,63(rad/s) Như vậy độ trượt không tải tương ứng với đặc tính nhân tạo ứng với tốc độ 0,4ndm: s0 = Tính góc mở chậm của van nghịch lưu ứng với cấp điều chỉnh s0 đã chọn Phương trình đặc tính điều chỉnh Theo phương trình quan hệ giữa độ trượt s và dòng điện I2 trong roto của động cơ: s Điện trở đẳng trị : Mômen của động cơ : (N.m) 4. Lập bảng giá trị để dựng đặc tính điều chỉnh Lấy các giá trị I2 khác nhau rồi tính ra các giá trị s , R2đt , M tương ứng I2(A) s R2đt(Ω) M(N.m) ω* M* 0 0.576 0.000 0.424 0.00 50 0.608 2.449 480.507 0.392 0.23 100 0.642 1.266 941.140 0.358 0.45 150 0.677 0.871 1382.519 0.323 0.67 200 0.713 0.674 1805.179 0.287 0.87 250 0.751 0.556 2209.582 0.249 1.07 300 0.789 0.477 2596.134 0.211 1.25 350 0.830 0.421 2965.190 0.170 1.43 400 0.871 0.378 3317.060 0.129 1.60 450 0.915 0.345 3652.019 0.085 1.76 500 0.960 0.319 3970.313 0.040 1.92 543 1.000 0.300 4230.881 0.000 2.04 IV. Đặc tính điều chỉnh của hệ khi n = 0,2nđm: 1.Chọn tốc độ không tải tương ứng với cấp tốc độ cần dựng đặc tính cơ và độ trượt s0 : ωkt ωyc + sđm.ω0 Trong đó : ωyc là cấp tốc độ yêu cầu : (rad/s) ωkt =12,06 + 0,04.62,83 = 14,56(rad/s) Như vậy độ trượt không tải tương ứng với đặc tính nhân tạo ứng với tốc độ 0,2ndm: s0 = Tính góc mở chậm của van nghịch lưu ứng với cấp điều chỉnh s0 đã chọn Phương trình đặc tính điều chỉnh Theo phương trình quan hệ giữa độ trượt s và dòng điện I2 trong roto của động cơ: s Điện trở đẳng trị : Mômen của động cơ : (N.m) 4. Lập bảng giá trị để dựng đặc tính điều chỉnh Lấy các giá trị I2 khác nhau rồi tính ra các giá trị s , R2đt , M tương ứng I2(A) s R2đt(Ω) M(N.m) ω* M* 0 0.768 0.000 0.232 0.00 50 0.804 3.242 481.080 0.196 0.23 100 0.841 1.662 943.184 0.159 0.45 150 0.880 1.136 1386.715 0.120 0.67 200 0.920 0.872 1812.032 0.080 0.87 250 0.961 0.714 2219.460 0.039 1.07 296 1.000 0.616 2578.744 0.000 1.24 IV. Đặc tính điều chỉnh của hệ khi: s (N.m) I2(A) s R2đt(Ω) M(N.m) ω* M* 0 0.00 0.000 1.00 0.00 100 0.05 0.08 479.509 0.95 0.40 200 0.10 0.08 937.494 0.90 0.78 300 0.15 0.08 1375.087 0.85 1.13 400 0.21 0.08 1793.204 0.79 1.45 500 0.27 0.08 2192.590 0.73 1.75 600 0.34 0.08 2573.861 0.66 2.01 700 0.41 0.08 2937.531 0.59 2.25 810 0.50 0.08 3284.028 0.50 2.49 900 0.58 0.08 3613.717 0.42 2.65 1000 0.68 0.08 3926.907 0.32 2.72 1100 0.78 0.08 4223.861 0.22 2.76 1200 0.90 0.08 4504.809 0.10 2.82 1280 1.00 0.08 4769.947 0.00 2.85 Hình 6.1: Họ đặc tính cơ của động cơ nối theo sơ đồ tầng điện. Chương7 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG VÀ ĐẮC TÍNH ĐIỀU CHỈNH CỦA HỆ KÍN. I, Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tự động tốc độ động cơ. Để cải thiện chỉ tiêu chất lượng của hệ truyển động điều chỉnh, đòi hỏi phải thực hiện các phương pháp điều chỉnh tự động, tạo khả năng biến đổi của thông số được điều chỉnh một cách liên tục theo mức thay đổi các thông số được điều chỉnh ở đầu ra. Muốn vậy ta phải thiết lập hệ điều khiển vòng kín, lấy tín hiệu phản hồi từ đầu ra cho tác động lên thông số đầu vào làm cho thông số này thay đổi tự động theo chiều hướng tới giá trị đặt trước. Tín hiệu phản hồi âm tốc độ được lấy nhờ một cảm biến tốc độ , trong quá trình làm việc, vì một lý do nào đó mà tốc độ tăng hoặc giảm, qua cảm biến tốc độ đưa tín hiệu về sự thay đổi đó khiến cho điện áp điều khiển cũng thay đổi theo kéo tốc độ động cơ ổn định trở lại theo phương trình: Uđk=Uđ-Uph=Uđ-K. Trong đó: Uđk: Điện áp điều khiển. Uđ: Điện áp đặt. K: Hệ số phản hồi. : Tốc độ động cơ. Tín hiệu phản hồi âm dòng điện có ngắt được lấy qua bộ biến dòng sau đó được chỉnh lưu thành điện áp một chiều kết hợp với khâu ngắt dùng diode ổn áp. Hình 7.1: Sơ đồ nguyên lý hệ kín. II.Xác định hệ số phản hồi tốc độ để đảm bảo sai số điều chỉnh tốc độ S%cp=10%. 1. Tính điện áp đặt và hệ số phản hồi tốc độ và phản hồi dòng điện khi động cơ làm việc ở cấp tốc độ thấp nhất n=0,2nđm. Khi điều chỉnh tốc độ, sai số điều chỉnh thường được tính theo: Trong đó: là độ sụt tốc và được tính ứng với phạm vi thay đổi của mômen từ 0 đến Mđm. Với là tốc độ không tải lý tưởng, là tốc độ tại điểm ứng với Mđm. Ứng với cấp tốc độ n=0,2nđm như đã tính toán ở các chương trước ta có Ra/s. tương ứng có Vậy xét điểm thứ nhất là điểm không tải lý tưởng ứng với tốc độ động cơ bằng tốc độ định mức , có : Theo công thức: . Ra/s. Điểm thứ hai là giao điểm giữa đường M=Mđm và đường có ω=ω2= 13,1 Ra/s. Vậy : . (Nm) Bây giờ ta phải xây dựng đặc tính cơ mong muốn . Ở chương trước ta đã xác định được . . . Thay tại điểm làm việc (2) và biến đổi được hệ : Giải hệ được : Vậy điểm thứ hai có : Đặc tính mong muốn là đường đi qua 2 điểm (1) và (2). Theo quan hệ giữa Urc và góc trễ theo đồ thị : Ta có quan hệ giữa Uđk và góc trễ Uđk=. Uđk= . Như vậy từ hai điểm (1) và (2) mà đặc tính mong muốn đi qua ta tính được Uđk1=43,75/15=2,9 (V). Uđk2=53,8/15=3,59 (V). Vì điều chỉnh theo theo sai lệch thực hiện bằng cách lấy tín hiệu phản hồi âm tốc độ nên ta có: Uđk=Uđ -K. Thay tốc độ và Uđk tại các điểm (1) và(2) ta có hệ phương trình: Giải hệ trên ta được: Uđ=9,9 (V),K=0,48 Như vậy khi ổn định ở cấp tốc độ 0,2nđm ta có hệ số phản hồi tốc độ K=0,48. 2. Khi động cơ làm việc ở cấp tốc độ n=0,4nđm. Ứng với cấp tốc độ n=0,4nđm như đã tính toán ở các chương trước ta có Ra/s. tương ứng có Vậy xét điểm thứ nhất là điểm không tải lý tưởng ứng với tốc độ động cơ bằng tốc độ định mức , có : Theo công thức: . Ra/s. Điểm thứ hai là giao điểm giữa đường M=Mđm và đường có ω=ω2= 23,967 Ra/s. Vậy : . 3. Khi động cơ làm việc ở cấp tốc độ n=0,6nđm. Ứng với cấp tốc độ n=0,6nđm như đã tính toán ở các chương trước ta có Ra/s. tương ứng có Vậy xét điểm thứ nhất là điểm không tải lý tưởng ứng với tốc độ động cơ bằng tốc độ định mức , có : Theo công thức: . Ra/s. Điểm thứ hai là giao điểm giữa đường M=Mđm và đường có ω=ω2= 34,82 Ra/s. . 4. Khi động cơ làm việc ở cấp tốc độ n=0,8nđm. Ứng với cấp tốc độ n=0,8nđm như đã tính toán ở các chương trước ta có Ra/s. tương ứng có Vậy xét điểm thứ nhất là điểm không tải lý tưởng ứng với tốc độ động cơ bằng tốc độ định mức , có : Theo công thức: . Ra/s. Điểm thứ hai là giao điểm giữa đường M=Mđm và đường có ω=ω2= 45,975 Ra/s. Vậy : . Trên cơ sở đó ta có đặc tính của hệ kín Hình 6.1: Họ đặc tính cơ của hệ kín. III. Sơ đồ hệ kín điều chỉnh tốc độ động cơ. Để thực hiện hên này ta dùng hệ điều chỉnh tối ưu modul vì nó sẽ tạo được hệ tự động có sai lệch tĩnh tốt đồng thời nó cũng có đặc tính động tốt với các khâu hiệu chỉnh đơn giản đồng nhất. 1. Nguyên lý chung xây dựng một hệ điều khiển tối ưu. - Tìm hàm truyền của đối tượng cần điều khiển Giả sử hàm truyền của đối tượng là W(p) Ta cần thiết phải khử các hệ quán tính và giảm bớt sai số tĩnh .Muốn vậy ta tiến hành hiệu chỉnh nối tiếp khâu hiệu chỉnh có hàm truyền nghịch đảo với hàm truyền của đối tượng: Wđt = - Đối với hệ điều khiển Hệ biến đổi xnng- Đ thì hàm truyền của động cơ có dạng : wdt = - Ta đưa về dạng chuẩn : wh(p) = Trong đó: Ti là hằng số thời gian nhỏ : hằng số thời gian trễ của bộ biến đổi hằng số thời gian này không thể khử đựoc do nó phụ thuộc vào bản chất của sự đóng mở của các van bán dẫn .Theo lý thuyết điều chỉnh tự động thì ta có thể đưa về cơ cấu hai khâu ,việc này làm ta mắc một sai số không đáng kể : Wh(p) = Với: Tổng thời gian nhỏ T0 được chọn sao cho hệ ổn định tốt nhất, nó chỉ đạt được điều đó khi quan hệ giữa T0 và Trong đó AM= Amax = modul của hàm truyền hệ kín Wk Wk = Người ta thấy rằng Amax 1 là tốt nhất Chọn a = Từ đây người ta đi đến khái niệm tối ưu modul : Ta có : = - Sơ đồ cấu trúc : Whc Wđt x xđt Ta có thể tìm đượcx(t) = 1- e- x(t) = 1- e- Với các giáa =1 a =2 a = 4 tđc= 4,7T Quan hệ xt =f(t) t xt trị của a ta có thể thu được x(t) tương ứng như hình vẽ 2. Tính toán thiết kế mạch vòng dòng điện a..Mô tả mạchRi(p) Kphi Uđi vòng dòng điện Ta có sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện như sau: Hệ có thể biến đổi thành: Ri(p) Kphi Uđi Vậy hàm truyền của đối tượng có dạng: Wđt = Theo lý thuyết điều khiển tối ưu môđul thì hàm truyền của hệ hở mong muốn có dạng: Wh1 = Với Tm1 = = 0,0033 (s) T01 = 2. Tm1 = 0,0066 (s) Ở đối tượng trên ta chỉ cần bù hằng số thời gian Tđt còn hằng số thời gian trễ rất bé không cần bù Hàm truyền của khâu hiệu chỉnh dòng điện: Ri(p) = Ri(p) = Đây là một khâu tích phân tỷ lệ ta có thể thực hiện khâu này bằng mạch sau: Hàm truyền của hệ kín bây giờ là: Wk1 = Do << 1 nên ta bỏ qua thành phần bậc hai ở mẫu số, một cách gần đúng ta coi mạch là khâu quán tính, với hàm truyền: Wk1 = Sơ đồ cấu trúc tương đương: A1 B1 C1 Sơ đồ cấu trúc tương đương của mạch vòng dòng điện => Hàm truyền của mạch vòng dòng điện: WA1C1 = b.Tính chọn linh kiện Ta có: KR = a.Tính chọn cảm biến dòng điện Với động cơ không đồng bộ ta chọn dòng điện ngắt Ing= cho hệ từ (3-3,5)Iđm chọn Ing=3I2đm=3.196=588 (A), như vậy ta chọn cảm biến dòng loại 1000/5 A. Ibd=5.I2ba/1000=5.196/1000= 0,98 Chọn điện trở của biến dòng R0 =0,1 Uphi =ku.Ucl=2,34.0,098 = 0,23(V) Kphi=Uphi/196=0,59/ 43,5 =1,17.10-3 Điện áp ngắt Ung.i = Kphi.Ing = 0,00117.588 = 0,69 V Ta dùng một con điôt Zener để thực hiện khâu này khi U < Ung.i thì tín hiệu phản hồi lấy từ bộ cảm biến dòng điện bị cắt bởi điôt Zener như trên sơ đồ tổng thể. Thời gian trễ = 0,0033s I2 = Ki.I’2 = Ki. => =- Trong đó: Kr = 1,69 ; Ki = 1,302 ; Uf = 220V r1 = 0,0183V ; xnm = 0,247 Ta xét ở điểm làm việc xác lập trên đường đặc tính cơ thấp nhất của động cơ tương ứng với độ trượt s = 0,768 Thay số ta có: = 1,26 => = 350 Kv1 = Kphi.KR.= 0,00117.44.350 =18 Tđt = Trong đó: L’1 = (H) r’1 = (V) => L2 = r2 = 0, 02 V => Tđt = s => Ti = = 18.2.0,0033 =0,12s Từ phương trình hàm truyền và sơ đồ mạch hiệu chỉnh dòng điện có: Rphi .C = Ti = 0,12 Ta chọn C = 10mF Rphi = = 12 (KV) Có R1 = 0,61.12 = 7,4(KV) 3. Mô tả mạch vòng điều chỉnh tốc độ a. Hàm truyền của mạch vòng điều chỉnh dòng điện: WA1C1 = Do vậy cấu trúc của mạch vòng hiệu chỉnh tốc độ: Rv(p) Kphv Uđ v Sơ đồ trên tương ứng với: Rv(p) Kphv v Uđk Hàm truyền của đối tượng điều chỉnh: Wđt.v = ...Kphv = Hàm truyền của hệ hở Wh2 = Trong đó Tm2 = 2. Tm1 = 2.=0,0066s T02 = 2 .Tm2 = 0.0132 Ta có hàm truyền của khâu hiệu chỉnh Rv(p): Rv(p) = = Tv Đây là một khâu khuếch đại: ta thực hiện khâu này bằng một khâu như sau: Hàm truyền của hệ kín là: Wk1 = Sơ đồ cấu trúc tương đương: A2 B2 C2 Sơ đồ cấu trúc tương đương của mạch vòng tốc độ Hàm truyền của vòng hiệu chỉnh tốc độ là: WA2C2 = . b.Tính toán linh kiện Chọn máy phát tốc loại 1000v/p-100V điện áp đầu ra máy phát tốc: Upt = .576 = 57,6V Điện áp này khá lớn ta sử dụng biến trở VR1 để phân áp lấy điện áp phản hồi chọn VR1 = 100 KV tỷ số của biến trở là 0,1 Vậy điện áp phản hồi tốc độ là Uphv = Kphv.v = 0,1.57,6 = 5,76 V => hệ số phản hồi tốc độ Kphv = = 0,01 Ta có biểu thức của momen: M = I2 = Ki.I’2 = Ki . => R’2 = s.( R2 = = . s.( Thay trở lại biểu thức momen ta có: M = ( => ( - Thay số ta có: Ki = 1,302V ; Kr = 1,69V v1 = 62,83rad/s ; xnm = 0,247V r1 = 0,0183V ; Uf = 220V I2 = I2đm = 196A => 7,565 Ta lấy Jht =1,2. Jđc = 1,2.15 = 18 (kg/m2) Vậy: Kv2 = = 3,6 Tv = = 21 => = 21 Chọn Rphv = 1 KV => R2 = 21 KV Chọn R2 là một biến trở Các biến trở VR dùng để điều chỉnh điện áp điều khiển chọn VR = 100 KV Vậy ta có hệ kín điều khiển động cơ như sau: Hình 7.3: Sơ đồ điều khiển động cơ bằng pp tầng điện hệ kín. III.Đánh giá chất lượng hệ tự động điều chỉnh. 1.Xét hệ hở. *Xét sự quá độ của tốc độ: Sơ đồ cấu trúc của hệ hở ( bỏ qua mạch phản hồi ) Uđ v Hàm truyền của hệ hở: Wh = = ... = ..7,565. => Wh = = * Xét sự biến thiên của dòng điện roto: Wi = = . =. Wi = * Chương trình: +Quá trình quá độ của tốc độ >> a = tf([647.2],[0.000244 0.0773 1 0]) Transfer function: 647.2 ------------------------------------------ 0.000244 s^3 + 0.0773 s^2 + s >> grid >> step(a) Hình 7.4 Quá trình quá độ của tốc độ hệ hở +Quá trình quá độ của dòng điện >> a = tf([15400],[0.000244 0.0773 1]) Transfer function: 15400 -------------------------------------- 0.000244 s^2 + 0.0773 s + 1 >> grid >> step(a) Hình 7.5 Quá trình quá trình quá độ dòng điện trong hệ hở 2.Xét hệ kín Hàm truyền của toàn bộ hệ thống: Wht(p) = = . Wht(p) = . = *Sự biến thiên của dòng điện Wi = = . = . Wi = Chương trình: Xét sự quá độ của tốc độ khi hệ kín >> a = tf([100],[0.0000871 0.0132 1]) Transfer function: 100 --------------------------------------- 8.71e-005 s^2 + 0.0132 s + 1 >> grid >> step(a) Hìh 7.6 Quá trình quá độ của tốc độ hệ kín Xét sự quá độ của dòng điện roto khi hệ kín >> a = tf([238 0],[ 0.0000871 0.0132 1]) Transfer function: 238 s --------------------------------------- 8.71e-005 s^2 + 0.0132 s + 1 >> grid >> step(a) Thu được kết quả: Hình 7.7 Quá trình quá trình quá độ dòng điện trong hệ kín. LỜI KẾT Sau ba tháng cố gắng , nỗ lực cùng với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo : PGS-TS Bùi Đình Tiếu em đã hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp của mình với đề tài “Tính toán thiết kế hệ truyền động động cơ KĐB theo sơ đồ tầng”. Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng do thời gian và trình độ kiến thức còn hạn chế cũng như sự thiếu hụt về kinh nghiệm thực tế nên đồ án tốt nghiệp của em sẽ không tránh khỏi có nhiều thiếu sót và không trọn vẹn như em mong đợi, em kính mong nhận được sự góp ý chỉ bảo của các thầy cô để em có thể rút được nhiều kinh nghiệm quý báu cho bản thân sau này. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn! TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu 1(TL1): Cơ sở truyền động điện tự động. Tác giả: Bùi Đình Tiếu, Phạm Duy Nhì. Tài liệu 2(TL2): Thiết kế thiết bị điện tử công suất. Tác giả: Trần Văn Thịnh. Tài liệu 3(TL3): Thiết kế máy điện. Tác giả: Trần Khánh Hà, Nguyễn Hồng Thanh. Tài liệu 4(TL4): Giáo trình truyền động điện. Tác giả: Bùi Đình Tiếu. Tài liệu 5(TL5): Điện Tử công suất. Tác giả: Lê Văn Doanh,Nguyễn Thế Công,Trần Văn Thịnh