Đồ án Thiết kế mạch điều khiển động cơ điện một chiều

−=Φ ñm ñmöñm ñm (Wb) • Mômen định mức : Mđm = (K.Φđm).Iđm = 0,898.62,5 = 56,125 (N.m) Đồ án tốt nghiệp • Độ cứng đặc tính cơ của động cơ: 4,8096,0 )898,0().K(M d dM 22 ==Φ=ωΔ Δ≈ω=β ö ñm R Vậy tốc độ góc nhỏ nhất của động cơ là : 681,6)12.(4,8 125,56 )1K.(|| M Mmin =−=−β=ω ñm (rad!s) + Dải điều chỉnh của động cơ là : 66,15681,6 667,104 D min max ==ω ω= + Mặt khác ta có : ∑ ∑ − −=ω ω= ööñm ööñm R.IU R.IU D mind maxd min max Suy ra : [ ]∑−+= ööñm R.I).1D(U.D1U maxdmind [ ])RRR.(I).1D(cos.U.34,2.D 1 dtBAmin2 ++−+α= ööñm [ ])0936,00587,0096,0.(5,62).166,15(10cos.86,47.34,2.66,151 0 ++−+= = 21,838 (V) Mà theo trên ta có : 75,78)86,47.34,2 838,21 arccos()U.34,2 U cos(ar 2 mind max ===α 0 Vậy : Góc mở nhỏ nhất là : αmin = 10 0. Góc mở lớn nhất là : αmax = 78,750. 2. Xác định các thành phần sóng hài : Theo lí thuyết chuỗi Furier thì điện áp chu kì có thể khai triển thành tổng của điện áp một chiều và các thành phần điện áp điều hòa có tần số khác nhau, công thức khai triển như sau : ∑ ∑∞ = ∞ = ∑ θτ π+θτ π+= 1k 1k nn o d )k. 2 sin(.b)k. 2 cos(.a2 a U Đồ án tốt nghiệp Trong đó : ao – điện áp của thành phần một chiều; ak, bk – biên dộ điện áp của sóng điều hòa bậc k; θθτ π τ= ∫ τ d).k. 2 cos(.U. 2 a 0 dk θθτ π τ= ∫ τ d.)k. 2 sin(.U. 2 b 0 dk Để thuận tiện trong việc khai triển chuỗi Furier, ta chuyển tọa độ sang điểm O’( 0;6 π ) (tại góc thông tự nhiên), khi đó điện áp tức thời trên tải khi Tiristor T1 và T4 dẫn : )6cos(.U.6UU 2abd α+ π−θ== ; với t.ω=θ . Điện áp tức thời trên tải Ud là không hình sin và tuần hồn với chu kì : 36 2 p 2 π=π=π=τ Trong đó : p = 6 là số xung đập mạch trong một chu kì điện áp lưới của chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng. Vậy ta có : • θθτ π τ= ∫ τ d).k. 2 cos(.U. 2 a 0 dk θα+π−θπ= ∫ τ d).k.6cos().6cos(.U.6. 6 0 2 απ− − π= cos.6sin.2).1)k6( )2( .U. 63 22 α− − π= cos.1)k6( )2( .U. 63 22 • θθτ π τ= ∫ τ d).k. 2 sin(.U. 2 b 0 dk θθα+π−θπ= ∫ τ d).k.6sin(). 6 cos(.U.6. 6 0 2 Đồ án tốt nghiệp απ−− − π= sin.6sin).2).(1)k6( )12( .U. 63 22 α−π= sin).1)k6( )12( .U. 63 22 Suy ra biên độ của điện áp điều hòa là : α+α−π=+= 222 22 2 k 2 km.k sin.)k6(cos.1)k6( 1 .U. 63 .2)b()a(U α+− α= 222do tg.)k6(1.1)k6( cos.U .2 Trong đó : 22udo U 63 U.KU π== Ta có : απ= cos.U. 63 2 a 2 o Vậy : ∑∞ = ϕ−θ+απ≈ 1k 1m.kd )6sin(.Ucos. 63 U ¿ Nhận xét : Vậy biên độ của các thành phần sóng điều hòa có giá trị thay đổi theo góc điều khiển α, góc điều khiển càng lớn thì sóng hài càng tăng. 3. Xác định điện cảm của cuộn kháng lọc : Từ những phân tích ở trên, ta nhận thấy rằng khi góc mở càng tăng thì biên độ của sóng hài càng lớn, nghĩa là độ đập mạch của điện áp và dòng điện sẽ tăng lên. Chính sự đập mạch đó sẽ làm xấu đi chế độ chuyển mạch của vành góp, đồng thời gây ra tổn hao phụ dưới dạng nhiệt trong động cơ. Để hạn chế sự đập mạch này thì ta phải mắc nối tiếp với phần ứng của động cơ điện một cuộn kháng lọc đủ lớn để có IK ≤ 0,1.Iưđm. Ngồi tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bậc cao, thì cuộn kháng còn có tác dụng hạn chế vùng làm việc gián đoạn. Ta cần xác định giá trị điện kháng lọc ứng với khi α = αmax, vì lúc này trên tải có sóng hài bậc cao lớn nhất. Ta có phương trình cân bằng điện áp : Đồ án tốt nghiệp dt di .Li.RI.REUU ~~d~ +++=+ ∑∑ öö Cân bằng hai vế của phương trình ta được : dt di .Li.RU ~~~ += ∑ö Vì dt di .Li.R ~~ <<∑ö nên ta có thể bỏ qua ~i.R ∑ö Vậy ta có : dt di .LU ~~ = (3 - 1) Trong các thành phần xoay chiều thì thành phần sóng bậc k = 1 có mức độ lớn nhất, gần đúng ta có : )6sin(.UU 1m1~ ϕ+θ= Từ biểu thức (1 - 3) ta có : dt.)t6sin(.U.L 1 dt.U.L 1 i 1m1~~ ∫∫ ϕ+== ; với t.ω=θ và f.2π=ω . Suy ra : )6cos(.I)6cos(.L.f.2.6 U i 1m1 m1 ~ ϕ+θ=ϕ+θπ= Vậy : öñmI.1,0L.f2.6 U I m1m ≤π= ⇒ öñmI.1,0.f.2.6 U L m1π≥ Trong đó : max 22 2 maxdo m1 tg.61.16 cos.U .2U α+− α= 683,3775,78tg.361.136 75,78cos.112 .2 02 0 =+−= (V) Vậy : 0032,05,62.1,0.50.2.6 68,37 L =π≥ (H) Ta chọn L = 0,0032 (H) = 3,2 (mH). Đồ án tốt nghiệp - Điện cảm của cuộn kháng lọc : BAK L.2LLLLL −−=−= öñc ö 666,0312,0.291,12,3 =−−= (mH) Ta chọn : LK = 0,67 (mH). Trong đó : + Lư – điện cảm mạch phần ứng động cơ được tính theo công thức Umaxki – Lindvil đã xác định ở phần tính tốn các thông số cơ bản của động cơ, ta có được : Lư = 1,91 (mH). + LBA – điện cảm của máy biến áp. 4. Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc : Các thông số ban đầu : - Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc : LK = 0,67 (mH); - Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng : Im = Iưđm = 62,5 (A); - Biên độ dòng điện xoay chiều bậc 1: I1m = 10%.Iđm = 0,1.62,5 = 6,25 (A). 4.1 . Xác định tổng trở của cuộn kháng : Do điện cảm của cuộn kháng lọc lớn và điện trở của cuộn kháng lọc lại bé, nên ta có thể coi tổng trở của cuộn kháng xấp xỉ bằng điện kháng. KK ' KK L.f.p.2L.f.2XZ π=π== 26,110.67,0.50.6.2 3 =π= − (Ω). 4.2. Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc : 57,5 2 25,6 .26,1 2 I .ZU m1K ===Δ (V) 4.3. Công suất của cuộn kháng lọc : 62,24 2 25,6 .57,5 2 I .US m1 ==Δ= (VA) a!2 c a L H h b ế ấ Đồ án tốt nghiệp 4.4. Tiết diện cực từ chính của cuộn kháng : 432,150.6 62,24 .5 f S .KQ 'Q === (cm2) Trong đó : f’ = 6.f = 6.50 = 300 (Hz); KQ = 5 là hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát bằng không khí tự nhiên. Ta lấy Q = 1,6 (cm2). 4.5. Chọn loại thép : Với tiết diện trụ Q = 1,6 (cm2), ta chọn loại thép 330A, lá thép dày 0,35 (mm). Tiết diện trụ Q = a.b = 1,6 (cm2). Chọn 3,1a b = ⇒ b = 1,3.a ; Vậy ta có : 1,3.a2 = 1,6 (cm2) ⇒ a = 1,11 (cm); b = 1,44 (cm). Lấy : a = 1,2 (cm) = 12 (mm); b = 1,4 (cm) = 14 (mm). 4.6. Chọn mật độ từ cảm trong trụ : BT = 0,8 (T). 4.7. Số vòng dây của điện kháng : Khi có thành phần điện xoay chiều chạy qua cuộn kháng thì trong cuộn kháng xuất hiện một sức điện động EK : Q.B.f.44,4E T ' K = Gần đúng, ta có thể coi : 57,5UEK =Δ= (V). Vậy ta có : 67,32 10.6,1.8,0.50.6.44,4 57,5 Q.B.f.44,4 U W 4 T ' == Δ= − (vòng); Lấy W = 32 (vòng). Đồ án tốt nghiệp 4.8. Dòng điện chạy qua cuộn kháng : )6cos(.II)t(i 1m1d ϕ+θ+= Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng là : 66,62) 2 25,6 (5,62) 2 I ()I(I 222m12dK =+=+= (A) Trong đó : I1m = 0,1.Iưđm = 6,25 (A). 4.9. Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng : J = 2,75 (A!mm2). 4.10. Tiết diện dây quấn cuộn kháng : 785,2275,2 66,62 J I S KK === (mm2) Chọn dây theo tiêu chuẩn, ta chọn dây dẫn hình chữ nhật, cách điện cấp B, ta chọn SK = 23,6 (mm2). Có các kích thước : aK.bK = 3,28×7,4 (mm×mm). Tính lại mật độ dòng điện : 65,26,23 66,62 S I J K K === (A!mm2) 4.11. Chọn hệ số lấp đầy : 7,0Q S.W K cs K ==lñ 4.12. Diện tích cửa sổ : 57,1117,0 6,23.33 K S.W Q Kcs === lñ (mm2) = 11,13 (cm2) 4.13. Tính kích thước mạch từ : h.cQcs = Chọn 3a h m == ⇒ h = 3.a = 3.1,2 = 3,6 (cm) = 36 (mm) Vậy chiều rộng cửa sổ cực từ là : 1,36,3 13,11 h Q c cs === (cm) = 31 (mm). 4.14. Chiều cao mạch từ : Đồ án tốt nghiệp 8,42,16,3ahH =+=+= (cm) = 48 (mm) 4.15. Chiều dài mạch từ : 6,82,1.21,3.2a.2c.2L =+=+= (cm) = 86 (mm) 4.16. Chọn khoảng cách từ gông đến cuộn dây : hg = 2 (mm) = 0,2 (cm) 4.17. Tính số vòng dây trên một lớp : 32,44,7 2.236 b h.2h W k g =−=−=1lôùp (vòng) Lấy W1 lớp = 4 (vòng). 4.18. Tính số lớp dây quấn : 84 32 W W n1 === 1lôùp (lớp) Vậy có 8 lớp dây, mỗi lớp dây có 4 vòng dây. 4.19. Chọn khoảng cách cách điện giữa dây quấn với trụ : a01 = 3 (mm) Chọn khoảng cách cách điện giữa các lớp dây : cd1 = 0,1 (mm) 4.20. Bề dày cuộn dây : 04,278).1,028,3(n).cda(B 11kd =+=+= (mm) 4.21. Tổng bề dày cuộn dây : 04,30304,27aBB 01dd =+=+=∑ (mm) 4.22. Chiều dài của vòng dây trong cùng : 76)3.41412.(2]a.4ba.[2)]a.2b()a.2a.[(2l 0101011 =++=++=+++= (mm) 4.23. Chiều dài của vòng dây ngồi cùng : ]4.B4.ab2.[a)]2.B2a(b)2.B2.a2.[(al d01d01d012 +++=+++++= 32,292)04,27.43.41412.(2 =+++= (mm) 4.24. Chiều dài trung bình của một vòng dây : 184,16 2 292,3276 2 lll 21tb =+=+= (mm) 4.25. Điện trở của dây quấn ở 75 0C : 0,0053 23,6 .32184,16.100,02133. S .Wl.ρR 3 K tb 75K === − (Ω) Đồ án tốt nghiệp Với 0,02133ρ75 = (Ω.mm2!m) là điện trở suất của đồng ở 75 0C. Ta thấy rằng, giá trị điện trở của dây quấn cuộn kháng rất bé nên ta giả thiết ban đầu bỏ qua giá trị điện trở của cuộn kháng là đúng. 4.26. Thể tích sắt : 24 Fe 86).10(2.3612.14.10L)a.b.(2.h.b.L2 a2.2.a.b.hV −− +=+=+= 02654,0= (dm3) 4.27. Khối lượng sắt : 2083,085,7.02654,0m.VM FeFeFe === (kg) Trong đó : mFe – khối lượng riêng của sắt, mFe =7,85 (kg!dm3) 4.28. Khối lượng đồng : 238,19,8.32.10.16,184.6,23m.W.l.Sm.VM 6CutbKFeFeCu ==== − (kg) Trong đó : mCu = 8,9 (kg!dm3) là khối lượng riêng của đồng. IV. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực : 1. Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn : Khi làm việc với dòng điện chạy qua van thì trên van có sụt áp, do vậy sẽ có tổn hao công suất trên van ΔP, tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác vì van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp, nếu quá nhiệt độ cho phép thì van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để van bán dẫn làm việc an tồn, không bị chọc thủng về nhiệt thì ta phải tính chọn và thiết kế hệ thống cánh tản nhiệt để làm mát van bán dẫn. - Tổn thất công suất trên một Tiristor : 343,61084,36.7,1I.UP lvv ==Δ=Δ (W) - Diện tích bề mặt tỏa nhiệt : 1917,040.8 343,61 .K P S M m ==τ Δ= (m2) Trong đó : ΔP – tổn hao công suất trên van, (W); KM – hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ, chọn KM = 8 (W!m2.0C); Đồ án tốt nghiệp τ - độ chênh nhiệt độ so với môi trường. Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 40 0C. Nhiệt độ làm việc cho phép của Tiristor là Tcp = 125 0C. Chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt Tlv = 80 0C. 404080TT mtlv =−=−=τ (0C) - Chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh, kích thước của mỗi cánh là : a×h1 Chọn : a = b =10 (cm) = 100 (mm); h0 = 1 (cm) = 10 (mm); h1 = 8,5 (cm) = 85 (mm); h = 95 (mm); c = 3 (mm); z = 5,8 (mm). (Chọn theo trang tài liệu [2] ) Vậy tổng diện tích tản nhiệt của cánh là : 20405,8.10.2.12 ===12.2.b.h S 1 (cm2) = 0,204 (m2) Hình dáng và kích thước giới hạn cánh tản nhiệt của một van bán dẫn h z c h1 h0 a b Đồ án tốt nghiệp 2. Bảo vệ quá dòng cho van bán dẫn : Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực tự bảo vệ mạch điện khi quá tải và ngắn mạch Tiristor, ngắn mạch đầu ra của bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu. - Chọn Aptomat có các thông số sau : + Dòng điện định mức : 245,12427,6.3.1,1I.1,1I === 1daâyñm (A) Ta lấy Iđm = 13 (A); + Điện áp định mức : 380UU 1 ==ñm (V) Aptomat có 3 tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện. + Chỉnh định dòng điện ngắn mạch : 83,27427,6.3.5,2I.5,2Inm === 1daây (A) Chọn Inm = 28 (A) + Chỉnh định dòng điện quá tải : 7,16427,6.3.5,1I.5,1Iqt === 1daây (A) - Chọn cầu dao có dòng định mức như sau : Đồ án tốt nghiệp 245,12427,6.3.1,1I.1,1I === 1daâyqt (A) Chọn Iqt = 13 (A) Cầu dao dùng để tạo khe hở an tồn khi sữa chữa hệ thống truyền động. - Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Tiristor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu và ngắn mạch ở mạch điều khiển mở máy. + Nhóm 1CC : Dòng điện định mức dây chảy nhóm 1CC : 15,56031,51.1,1I.1,1I 2CC1 === (A) + Nhóm 2CC: Dòng điện định mức dây chảy nhóm 2CC : 7,39084,36.1,1I.1,1I hdCC2 === (A) + Nhóm 3CC : Dòng điện định mức của dây chảy nhóm 3CC : 75,685,62.1,1I.1,1I dCC3 === (A) + Nhóm 4CC : Dòng điện định mức của dây chảy nhóm 4CC : 25,12427,6.3.1,1I.1,1I CC4 === 1daây (A) ⇒ Vậy ta chọn cầu chảy của các nhóm như sau : Nhóm 1CC loại 60 (A); Nhóm 2CC loại 40 (A); Nhóm 3CC loại 70 (A); Nhóm 4CC loại 13 (A). - Chọn công tắc tơ : Ta dùng một công tắc tơ để mở máy cho động cơ, có các thông số sau : + Dòng điện định mức của công tắc tơ : 25,12427,6.3.1,1I.1,1I === 1daâyñm (A) Chọn Iđm = 12 (A) + Điện áp định mức của công tắc tơ : 220UU f1 ==ñm (V) 3. Bảo vệ quá điện áp cho van : - Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Tiristor được thực hiện bằng cách mắc R – C song song với Tiristor. Khi có sự chuyển mạch, các điện tích Đồ án tốt nghiệp tích tụ trong lớp bán dẫn sẽ phóng ra ngồi tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn. Chính sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược sẽ gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa Anốt và Katốt của Tiristor. Khi có mạch R – C mắc song song với Tiristor tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Tiristor không bị quá điện áp. Theo kinh nghiệm, thường chọn : R2 = ( 5 ÷ 30 ) (Ω) C2 = ( 0,25 ÷ 4 ) (μF) Ta chọn : R2 = 5 (Ω) C2 = 0,25 (μF) - Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, ta mạch R – C như hình vẽ sau : • • R C T Đồ án tốt nghiệp Nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung điện áp gần như nằm lại hồn tồn trên điện trở đường dây. Trị số R1, C1 được chọn theo kinh nghiệm : R1 = ( 5 ÷ 20 ) (Ω) C1 = 4 (μF) Ta chọn : R1 = 10 (Ω) C1 = 4 (μF) • •• •• C R C R C R Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG IV TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN. I. Lí thuyết mạch về mạch điều khiển : Nhiệm vụ của mạch điều khiển là nhằm tạo ra xung điều khiển trong nửa chu kì dương điện áp Anốt của Tiristor. 1. Nguyên tắc điều khiển : Có hai nguyên tắc điều khiển Tiristor : - Điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng. - Điều khiển theo nguyên tắc nằm ngang. a. Điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng : ¾ Điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính : - Trong vùng điện áp dương Anốt của Tiristor, ta tạo một điện áp tựa biến thiên tuyến tính theo dạng răng cưa rcU . - Dùng một điện áp một chiều gọi là ñkU để so sánh với điện áp tựa rcU nói trên. Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì cho phát xung điều khiển mở Tiristor. Khi ta điều chỉnh giá trị ñkU từ giá trị 0 đến đỉnh điện áp rcU thì giao điểm của hai đường này sẽ thay đổi tương ứng từ ( 0 ÷1800 ). Vậy góc mở α của Tiristor phụ thuộc tuyến tính vào giá trị ñkU . Vì vậy, trong thực tế nguyên tắc này được ứng dụng rộng rãi. U t t t Xđk Xđk URCURC α Uđk Đồ án tốt nghiệp ¾ Điều khiển theo nguyên tắc cosin : - Cần tạo một điện áp hình sin uS lệch pha với điện áp hình sin ở Anốt của Tiristor một góc 900 điện. Giả sử điện áp trên Anốt của Tiristor có dạng uA = Um.sinωt thì điện áp uS = Um.cosωt. - Dùng một điện áp một chiều Uđk có thể điều chỉnh giá trị theo hai chiều dương và âm. Tại thời điểm Uđk = uS thì cho phát xung điều khiển. Vậy khi ta cho thay đổi giá trị điện áp một chiều Uđk = - Um đến giá trị Uđk = + Um thì ta có thể điều chỉnh được góc mở α từ ( 0 ÷ π ), ta nhận thấy góc α phụ thuộc phi tuyến vào giá trị Uđk , vậy α là một hàm theo giá trị , α = f(Uđk). 2. Điều khiển theo nguyên tắc nằm ngang : - Dùng mạch L – C để để tạo ra một điện áp lệch pha so với điện áp Anốt của Tiristor. Nhờ có các phần tử lệch pha L, C sẽ tạo ra một điện áp dịch pha udf lệch pha (cụ thể là chậm pha) so với điện áp hình sin ở Anốt của Tristor một góc là α . Tại thời điểm udf = 0 thì cho phát xung mở Tiristor. Vậy chỉ cần điều chỉnh giá trị L và C là có thể thay đổi được góc mở Tiristor. Tuy nhiên, việc điều chỉnh giá trị L và C là rất phức tạp. Vì vậy nên nguyên tắc điều khiển theo phương nằm ngang là ít được dùng trong thực tế. UA =Um.sinωt uS =Um.cosωt U t t t Xđk Xđk α Uđk uA=Um.sinωt udf U t t URCURC α Đồ án tốt nghiệp 3. Kết luận : Trong các nguyên tắc điều chỉnh nói trên thì ta nhận thấy nguyên tắc điều khiển theo phương thẳng đứng tuyến tính là đơn giản nhất, vì góc mở α phụ thuộc tuyến tính vào điện áp một chiều Uđk nên việc điều khiển sẽ thuận lợi hơn. Vậy ta chọn nguyên tắc điều khiển theo phương thẳng đứng tuyến tính để thiết kế mạch điều khiển Tiristor. II. Cấu trúc mạch điều khiển : 1. Sơ đồ khối của mạch điều khiển : 2. Nhiệm vụ từng khối : - Khâu đồng pha (ĐF) : có nhiệm vụ tạo điện áp tựa Urc, trùng pha với điện áp dương Anốt của Tiristor. - Khâu so sánh (SS) : có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa Urc và điện áp điều khiển Uđk, xác định thời điểm Urc = Uđk thì phát xung đầu ra để gửi sang tầng khuếch đại. - Khâu tạo xung khuếch đại (TXKĐ) : có nhiệm vụ tạo xung điều khiển có biên độ và độ rộng xung phù hợp đủ để mở Tiristor một cách tin cậy trong mọi chế độ làm việc trong tồn dải điều chỉnh của hệ. Mặt khác, để giảm công suất cho tầng khuếch đại và tăng số lượng xung kích mơ,û nhằm đảm bảo cho Tiristor mở một cách chắc chắn thì ta dùng bộ phát xung chùm có tần số cao để tạo xung điều khiển cho Tiristor. Nguyên G K A Urc Uđk UAT ĐF SS TX,KĐ Đồ án tốt nghiệp tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng khuếch đại ta đưa chèn thêm một cổng AND với tín hiệu nhận từ khâu so sánh và bộ phát xung chùm. III. Thiết kế các khâu trong mạch điều khiển : 1. Thiết kế khâu đồng pha : Ta có một số sơ đồ dùng làm khâu đồng pha để tạo điện áp răng cưa như sau : Từ bộ phát xung chùm đưa đến Đưa đến khâu KĐ Khâu SS đưa tới & Hình a - E C D2 D1 R2 ∅ R1 ∅ ∅ ∅ ∅• • •• U1 U2 Urc • ∅• • Hình b. - E C D R2 ∅ R1 ∅ ∅ ∅ • • • U1 U2 Urc • GHÉP QUANG∅ • ∅• Hình c. + E CD R2 ∅ R1 ∅ ∅ • • Urc Tr C ∅ ∅ • • • • • • R1 ∅ ∅ • • U1 U2 Urc OA2 - + •OA1 + - D R3 R2 Đồ án tốt nghiệp - Sơ đồ hình a : Dùng diode và tụ điện để tạo mạch đồng pha. Sơ đồ này đơn giản, dễ thực hiện, với số linh kiện ít nhưng chất lượng điện áp tựa chưa tốt, độ dài của phần biến thiên tuyến tính của điện áp tựa không phủ hết 1800. Do vậy góc mở lớn nhất của van bị hạn chế. Có nghĩa là, ở sơ đồ này thì ta không điều khiển được góc mở Tiristor từ 0 ÷ 1800 mà chỉ điều khiển được góc mở từ 0 ÷ θ, với góc θ < 1800. - Sơ đồ hình b : Dùng Tranzitor và tụ điện để tạo mạch đồng pha. Sơ đồ này cho ra điện áp tựa biến thiên tuyến tính phủ hết nửa chu kì điện áp dương Anốt của Tiristor. Vậy ở sơ đồ này ta có thể điều khiển được góc mở Tiristor từ 0 đến giá trị cực đại. - Sơ đồ hình c : Dùng bộ ghép quang và tụ điện để tạo mạch đồng pha. Chất lượng điện áp tựa biến thiên tuyến tính phủ hết nửa chu kì dương điện áp Anốt của Tiristor. Vì vậy ta cũng có thể điều khiển được góc mở Tiristor từ 0 đến cực đại. Nhưng ở sơ đồ này thì không cần dùng đến biến áp đồng pha để cách li mạch động lực với mạch điều khiển vì bộ ghép quang đã có chức năng cách li giữa mạch điều khiển với mạch động lực. Vì vậy có thể đơn giản hơn trong việc chế tạo. - Sơ đồ hình d : Dùng bộ khuếch đại thuật tốn để tạo mạch đồng pha. Chất lượng điện áp tựa ở đầu ra rất tốt, phủ hết nửa chu kì dương. Ngày nay các vi mạch chế tạo ngày càng nhiều, chất lượng điện áp ngày càng cao, kích thước ngày càng nhỏ gọn. Nên việc ứng dụng các vi mạch vào việc thiết kế mạch đồng pha sẽ cho ra điện áp tựa tốt hơn. • Nhận xét : Ở sơ đồ hình a, có nhược điểm là góc mở cực đại của Tiristor bị hạn chế, điện áp tựa không phủ hết 1800. Ở sơ đồ hình b và c có nhược điểm là : việc mở hoặc khóa các Tranzitor trong vùng điện áp lân cận 0 là thiếu chính xác, làm cho việc nạp xả tụ trong vùng điện áp lưới lân cận 0 là không được như ý muốn. Vậy chỉ có sơ đồ hình d là làm việc ổn định và chính xác và có chất lượng điện áp tựa cũng tốt. Vậy ta chọn sơ đồ hình d dùng khuếch đại thuật tốn để chế tạo mạch đồng pha. 2. Thiết kế khâu so sánh : - Để xác định thời điểm mở Tiristor thì ta cần so sánh hai tín hiệu Uđk và tín hiệu Urc, ta có một số sơ đồ so sánh như sau: Đồ án tốt nghiệp - Sơ đồ hình a : Dùng Tranzitor để chế tạo mạch so sánh. Tại thời điểm Uđk = Urc thì đầu vào Tranzitor lật trạng thái từ khóa sang mở ( hoặc ngược lại từ mở sang khóa) làm cho điện áp của khâu so sánh cũng lật trạng thái, tại thời điểm Urc = Uđk ta đánh dấu được thời điểm cần mở Tiristor. Với mức độ mở bão hòa của Tranzitor phụ thuộc vào tín hiệu Uđk ± Urc = Ub, hiệu này có một vùng điện áp nhỏ hàng mV làm cho Tranzitor không làm việc ở chế độ đóng cắt như ta mong muốn. Do đó, nhiều khi thời điểm mở Tiristor bị lệch khá xa so với điểm cần mở tại Uđk = Urc. - Sơ đồ hình b và c : Dùng khuếch đại thuật tốn để chế tạo mạch so sánh, các sơ đồ này có hệ số khuếch đại tín hiệu vô cùng lớn, chỉ cần có một tín hiệu ở đầu vào rất nhỏ ( cỡ hàng μV) thì đầu ra đã có điện áp nguồn nuôi. Mặt khác các sơ đồ khuếch đại thuật tốn này có ưu điểm là có thể phát xung chính xác tại thời điểm Udk = Ucr. • Kết luận : Trong các sơ đồ so sánh nói trên, ta nhận thấy việc dùng khuếch đại thuật tốn để chế tạo mạch so sánh là rất có nhiều ưu điểm và đem lại chất lượng tốt. Vậy ta chọn sơ đồ hình b để làm mạch so sánh. 3. Thiết kế khâu khuếch đại: - Một số sơ đồ mạch khuếch đại : Tr R1 Ura R3 R2 Urc Uđk - E Hình a. OA R1 R1 Ura - + Urc Uđk Hình b. OA R1 R1 Ura + Urc Uđk Hình c. - BAX Tr1 Tr2 R D +E BAX R D +E Đồ án tốt nghiệp - Sơ đồ hình a: Dùng Tranzito để chế tạo mạch khuếch đại. Để có dạng xung kim gửi tới Tiristor thì ta dùng biến áp xung (BAX). Để có thể khuếch đại công suất thì ta dùng Tranzito (Tr), Diode (D) bảo vệ Tranzitor và cuộn dây sơ cấp máy biến áp xung khi Tranzitor khóa đột ngột. Mặt dù với ưu điểm đơn giản, nhưng sơ đồ này được dùng không rộng rãi, bởi vì hệ số khuếch đại của loại Tranzitor này nhiều khi không đủ lớn để có thể khuếch đại tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang. - Sơ đồ hình b : Sơ đồ khuếch đại kiểu Darlington, được sử dụng hai Tranzitor Tr1 và Tr2. Ở sơ đồ này hồn tồn có thể đáp ứng được yêu cầu về khuếch đại công suất. Khi hệ số khuếch đại được nhân lên theo thông số của Tranzitor. - Sơ đồ hình c : Đây cũng là sơ đồ khuếch đại kiểu Darlington nhưng có dùng tụ điện để nối tầng với mục đích làm giảm công suất tỏa nhiệt trên Tranzitor và giảm kích thước dây quấn sơ cấp máy biến áp xung. Ở sơ đồ này thì Tranzitor chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong thời gian nạp tụ, nên dòng hiệu dụng của chúng bé đi nhiều nên không có công suất tỏa nhiệt dư trên Tranzitor. Vậy ta chọn sơ đồ khuếch đại kiểu Darlington có tụ nối tầng (sơ đồ hình c) để làm khâu khuếch đại. R2 BAX Tr1 Tr2 C R1 D1 D2 Uv + E Đồ án tốt nghiệp 4. Thiết kế khâu dao động đa hài để tạo xung chùm : - Một số sơ đồ tạo xung chùm : - Sơ đồ hình a : Dùng vi mạch 555 để tạo xung đồng hồ. Sơ đồ này cho ta chất lượng xung khá tốt và sơ đồ cũng tương đối đơn giản. - Sơ đồ hình b : Dùng khuếch đại thuật tốn để tạo mạch dao động đa hài phát xung chữ nhật. Ở sơ đồ loại này cũng tương đối đơn giản. • Nhận xét : Trong thiết kế mạch điều khiển, ta thường dùng khuếch đại thuậtốn để thiết kế các khâu đồng pha, khâu so sánh, do vậy để đồng dạng về linh kiện nên ta chọn sơ đồ hình b làm mạch tạo xung chùm. 5. Sơ đồ một kênh điều khiển và nguyên tắc hoạt động của sơ đồ điều khiển : Từ các khâu đã chọn ở trên, ta ghép các khâu lại với nhau để tạo mạch điều khiển hồn chỉnh để điều khiển cho một Tiristor như sau : Ura • • • • •• • • • • +U R1 R2 C1 8 4 3 5 12 6 7 555 Hình a. Hình b. R2 R3 R1 C • • • • • • Ura OA - + Đồ án tốt nghiệp R 11 ∗ ∗ B iÕ n ¸p ® ån g ph a th yr is to r d 4 T T +e d 3 T tr 2 d 2 T tr 3 c 3 r 10 a 3 u d r 4 r 3 tr 1 r 2 d 1 c 1 r 6 u ® k a 2 r 5 T r 1 a 1 A B C D A N D a 4 r8 c 2 r 7 E F R 0 SÔ Ñ O À N G U Y E N L Y Ù C U ÛA M O ÄT K E N H Ñ IE ÀU K H IE ÅN Đồ án tốt nghiệp • Nguyên lí hoạt động của sơ đồ mạch điều khiển : U XĐK UF UE UD Uđk Urc+Uo Urc UB UA t t t t t t t t Sơ đồ dạng sóng trong mạch điều khiển. Đồ án tốt nghiệp Vì việc điều khiển của các Tiristor là tương tự nhau nên ta chỉ cần xét nguyên lí hoạt động của một kênh điều khiển cho một Tiristor, còn việc điều khiển cho các Tiristor khác cũng tương tự. → Dựa vào sơ đồ nguyên lí của mạch điều khiển và đồ thị dạng sóng của mạch điều khiển, ta nhận thấy : - Điện áp vào tại điểm A là uA có dạng hình sin và trùng pha với điện áp Anốt của Tiristor (T), qua điện trở R1 để giảm bớt dòng điện sau đó đến đầu vào của khuếch đại thuật tốn A1 mắc theo kiểu không đảo, ở đầu ra của khuếch đại thuật tốn A1 ( ở điểm B) cho ta điện áp UB có dạng một chuỗi xung chữ nhật đối xứng. + Phần dương của điện áp chữ nhật UB sẽ làm cho Tranzitor (Tr1) khóa và làm cho Diode D1 mở thông, đến đầu vào của khuếch đại thuật tốn A2 tích phân thành điện áp tựa dạng răng cưa có giá trị âm ở đầu ra tại C. + Phần âm của điện áp chữ nhật UB sẽlàm cho Diode D1 khóa và Tranzitor Tr1 mở thông và kết quả là khuếch đại thuật tốn A2 bị ngắn mạch, làm cho điện áp Urc tại C có giá trị Urc = 0. Vậy trên đầu ra ở C của khuếch đại thuật tốn A2 ta có được một chuỗi điện áp răng cưa Urc gián đoạn. - Điện áp Urc có giá trị âm ở C được so sánh với điện áp điều khiển Uđk có giá trị dương. Giá trị so sánh này được đặt vào đầu vào của khuếch đại thuật tốn A3. Tổng đại số Uđk + Urc quyết định dấu ở đầu ra khuếch đại thuật tốn A3. Dựa vào đồ thị dạng sóng ta nhận thấy, trong khoảng thời gian từ 0 ÷ t1 thì ta có ⎢Uđk ⎢-⎢Urc⎢ > 0 nên tại điểm D ở đầu ra của khuếch đại thuật tốn A3 có giá trị âm. Trong khoảng thời gian t1 ÷ t2 thì ta có ⎢Uđk ⎢<⎢Urc⎢nên ở đầu vào của khuếch đại thuật tốn A3 có giá trị ⎢Uđk ⎢-⎢Urc⎢< 0 nên tại điểm D của đầu ra khuếch đại thuật tốn A3 có giá trị dương. Các khoảng thời gian tiếp theo cũng được giải thích tương tự. Mạch dao động đa hài tạo xung chùm A4 cho ta chuỗi xung dương gián đoạn, có tần số cao ở điểm E của khuyếch đại thuật tóan A4. Mạch dao độngđa hài A4 cho điện áp ra tại điểm E có tần số cao cỡ hàng chục KHz. Hai tín hiệu UD và UE được đưa vào hai ngõ vào của cổng AND. Khi đồng thời hai tín hiệu UD và UE có giá trị dương ở điểm F của đầu ra, cổng AND có giá tri dương làm tụ C3 nạp, sau đó đến R9 đặt vào chân Bazơ của Tranzitor Tr2 làm cho các Tranzitor Tr2, Tr3 mở thông. Khi các Tranzitor Tr2, Tr3 dẫn thì sẽ có dòng điện từ nguồn +E qua cuộn dây sơ cấp của máy biến áp xung về mass làm xuất hiện ở cuộn thứ cấp máy biến áp xung một chuỗi xung điều khiển (XĐK) dạng xung nhọn qua Diode D4 điều khiển mở Tiristor T. Khi hai tín hiệu UD và UE không đồng thời dương thì ở đầu ra của cổng AND sẽ có giá trị ở mức 0, lúc này sẽ làm cho tụ C3 xả điện theo đường C – AND – A3 – D2 – R9 về C . Trong thời gian C3 xả điện thì các Tranzitor Tr2, Tr3 bị khóa. Đồ án tốt nghiệp Điện áp Ud sẽ xuất hiện trên tải từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên tại các thời điểm t2, t4 trong chuỗi xung điều khiển của mỗi bán chu kì dương điện áp nguồn cấp. IV. Tính tốn các thông số của mạch điều khiển. Mạch điều khiển được xuất phát từ yêu cầu về xung mở Tiristor. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển như sau : - Điện áp xung điều khiển Tiristor : Ug max = 2,5 (V). - Dòng điện xung điều khiển Tiristor: Ig max = 0,15 (A). - Thời gian mở Tiristor : tcm = 80 (μs) Với thời gian chuyển mạch (đóng hoặc mở) là tcm = 80 (μs). Để Tiristor đóng, mở chắc chắn thì yêu cầu về độ rộng của xung điều khiển tx >2.tcm, tức là tx > 160 (μs). Ta chọn tx = 167 (μs)(tương ứng với 30 điện). Ta chọn thời gian ngắt của xung : tn = tx = 167 (μs) (tương ứng với 30 điện). Vậy ta chu kì của xung điều khiển là: TCK = tx + tn = 167 + 167 = 334 (μs). Suy ra, tần số của xung điều khiển là : 3 334.10 1 T 1 f 6 CK x ≈== − (KHz) 1. Tính chọn Diode D4 : - Điện áp ngược của Diode D4 : 7,85.2,5.UKU gn1n` === π (V) Trong đó : Kn1 = π là hệ số điện áp ngược của Diode so với điện áp tải (theo bảng 8.1 [2]). - Điện áp ngược của van cần chọn : 13,1485,7.8,1U.KU ndtnv === (V) Trong đó: Kdt – là hệ số dự trữ, với Kdt = (1,6÷2), ta chọn Kdt = 1,8. - Dòng điện làm việc của Diode : 106,015,0. 2 1 I.KI hdlv === ñk (A) Trong đó : 2 1 Khd = là hệ số dòng điện hiệu dụng (theo bảng 8.2[2]). - Dòng điện lớn nhất của Diode cần chọn: 636,0106,0.6I.6I.KI lvlvi ====ñm (A) Trong đó : Ki = 6 là hệ số dự trữ dòng điện. Chọn loại Diode có các thông số như sau : + Dòng điện định mức : Iđm = 1,5 (A); Đồ án tốt nghiệp + Điện áp ngược cực đại của Diode : UN = 100 (V). 2. Tính tốn các thông số của máy biến áp xung : - Điện áp thứ cấp máy biến áp xung : 5,2UU g2 == (V) - Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung : 15,0II g2 == (A) - Tỉ số máy biến áp xung : K = 2 ÷ 3, ta chọn K = 3. - Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung : 05,0 3 15,0 K I I 21 === (A) - Điện áp sơ cấp máy biến áp xung : 5,75,2.3U.KU 21 === (V) - Chọn vật liệu làm lõi máy biến áp xung là sắt Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến có khe hở không khí, làm việc trên một phần đặc tính từ hóa co các thông số như sau : ΔB = 0,3 (T) và ΔH = 30 (A!m). - Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt : 3 7o tb 10.96,730.10.4 3,0 H. B =π=Δμ Δ=μ − (H!m). Trong đó : μo = 4π.10-7 (H!m) là độ từ thẩm của không khí. -Thể tích của lõi thép cần có : 2 11xxotb B I.U.s.t. l.QV Δ μμ== Trong đó : Q – tiết diện lõi Ferit; l – chiều dài trung bình của đường sức từ; tx = 1,67 (μs) – độ rộng của xung điều khiển; sx =0,15 – độ sụt biên độ; ΔB = 0,3 (T) . Thay số vào biểu thức trên ta được : 6 2 673 10.0435,1 3,0 05,0.5,7.15,0.10.167.10.4.10.96,7 V − −− =π= (m3 ) = 1,0435 (cm3) Tra bảng 8.5[2] , ta chọn lõi thép hình xuyến tròn. Loại OA - 22!30 – 5, có các kích thước như sau : Q = 0,2 (cm2) = 20 (mm2); l = 8,2 (cm) = 82 (mm); V = Q.l = 0,2.8,2 = 1,64 (cm3); Qcs = 3,82 (cm2) = 382 (mm2); d = 2,2 (cm) = 22 (mm); D b a d Đồ án tốt nghiệp D = 3 (cm) = 30 (mm); a = 0,4 (cm) = 4 (mm); b = 0,5 (cm) = 5 (mm). - Số vòng dây thứ cấp máy biến áp xung : Theo định luật cảm ứng điện từ ta có : x 111 t B .Q.W dt dB .Q.WU Δ== Suy ra : 75,208 3,010.20 10.167.5,7 B.Q t.U W 6 6 x1 1 ==Δ= − − (vòng) Lấy W1 = 209 (vòng). - Số vòng dây thứ cấp máy biến áp xung: 66,69 3 209 K W W 12 === (vòng) Lấy W2 =70 (vòng). - Tiết diện dây quấn sơ cấp : 00833,0 6 05,0 J I S 1 1 1 === (mm2) Trong đó : Ta chọn mật độ dòng điện J1 =6 (A!mm2). - Đường kính dây quấn sơ cấp : 103,0 00833,0.4S.4 d 11 =π=π= (mm) Ta chọn đường kính dây theo tiêu chuẩn, chọn : d1 = 0,11 (mm); S1 = 0,095 (mm); dn = 0,135 (mm). - Tiết diện dây quấn thứ cấp : 0375,0 4 15,0 J I S 2 2 2 === (mm2) Trong đó : Ta chọn mật độ dòng điện J1 = 4 (A!mm2). - Đường kính dây quấn thứ cấp : 2185,0 0375,0.4S.4 d 22 =π=π= (mm) Chọn đường kính dây theo tiêu chuẩn, ta chọn : d2 = 0,23 (mm); S2 = 0,04155 (mm); dn = 0,26 (mm). Đồ án tốt nghiệp -Kiểm tra hệ số lấp đầy : 0,059 3,82.10 0,04155.700,095.209 Q .WS.WS K 2 CS 2211 lñ = +=+= Vậy với Klđ = 0,059 thì cửa sổ đã đủ diện tích cần thiết để dây quấn đặt vào. 3.Tính khâu khuếch đại công suất : - Tính giá trị R11 : Khi máy biến áp làm việc ( tức là Tr2, Tr3 mở thông) thì ta có : 1111 R.IUE += Suy ra : 1 1 11 I UE R −= Trong đó : U1 – điện áp sơ cấp máy biến áp xung; I1 – dòng điện sơ cấp máy biến áp xung; E – là nguồn nuôi, ta chọn nguồn nuôi E = 12 (V). Vậy ta tính được : 90 05,0 5,712 R11 = −= (Ω) Vậy ta chọn điện trở R11 = 90 (Ω). - Tính chọn giá trị Trănzitor Tr2, Tr3 : + Chọn Tranzitor Tr3 loại 2SC 911 làm việc ở chế độ xung, có các thông số như sau : Tranzitor loại PNP, vật liệu bán dẫn là Silic; Điện áp giữa Colectơ và Bazơ khi hở mạch Emitơ : UCB = 40 (V); Điện áp giữa Emitơ và Bazơ khi hở mạch Colectơ : UEB0 = 4 (V); Dòng điện lớn nhất ở Colectơ có thể chịu đựng : IC max = 500 (mA); Công suất tiêu tán ở Colectơ : PC = 1,7 (W); Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : T = 175 ( 0C ); Hệ số khuếch đại β = 50 ; Dòng điện làm việc của Colectơ : IC3 = I1 = 0,05 (A) = 50 (mA); R11 BAX Tr2 Tr3 C3 R10 D2 D3 Uv + E Đồ án tốt nghiệp Dòng điện làm việc của Bazơ : 1 50 50II 3C3B ==β= (mA). + Chọn Tranzitor Tr2 loại 2SC 427 có các thông số sau : Tranzitor loại PNP, vật liệu bán dẫn là Silic; Điện áp giữa Colectơ và Bazơ khi hở mạch Emitơ : UCB = 40 (V); Điện áp giữa Emitơ và Bazơ khi hở mạch Colectơ : UEB0 = 5 (V); Dòng điện lớn nhất ở Colectơ có thể chịu đựng : IC max = 100 (mA); Hệ số khuếch đại β = 60. Dòng điện cấp cho Bazơ của Tranzitor Tr2 đủ để Tr2 mở thông là : 017,060 1 I 2B === 2 B3 β I (mA) Vậy hệ số khuếch đại của khâu khuếch đại là : 300050.60 === 32 .βββ - Tính chọn điện trở R10 và tụ điện C3 : + Điện trở R10 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazơ của Tranzitor Tr2, ta chọn R10 thỏa mãn điều kiện sau : 1,294 10.017,0 5 I U R 3 2B 0EB 10 ==≥ − (kΩ) Chọn R10 = 295 (kΩ) + Theo sơ đồ mạch khuếch đại thì Tranzitor Tr2, Tr3 chỉ dẫn trong khoảng thời gian tụ C3 nạp. Vậy ta có : 167tR.C X103 == (μs) Suy ra : 00057,0 10.295 167 R t C 310 X 3 === (μF) Vậy ta chọn tụ điện C3 là tụ giấy có giá trị C3 = 0,00057 (μF) = 0,57 (pF). - Tất cả các Diode trong mạch điều khiển ta đều dùng loại 1N 4009 có các thông số như sau : Dòng điện định mức : Iđm = 10 (mA); Điện áp ngược lớn nhất : UN = 25 (V); Điện áp để cho Diode mở thông : Um = 1 (V). 4. Tính chọn cổng AND : Tồn bộ mạch điều khiển ta phải dùng đến 6 cổng AND, nên ta chọn hai IC 4081 họ CMOS. Mỗi IC 4081 có 4 cổng AND. Có các thông số như sau : Nguồn nuôi IC : Vcc = + 12 (V); Nhiệt độ làm việc : - 40 0C ÷ 80 0C; Điện áp ứng với mức logic “1” : (2 ÷ 4,5) (V); Dòng điện làm việc Ilv < 1 (mA); Công suất tiêu thụ : P = 2,5 nW!1 cổng. - Ta có sơ đồ chân của IC 4081 như sau : 810 9111214 1 Vcc Đồ án tốt nghiệp 5. Tính chọn bộ tạo xung chùm : Mỗi kênh điều khiển phải dùng 4 khuếch đại thuật tốn, do đó ta chọn 6 IC loại TL084 do hãng Texas Instruments chế tạo, các IC này có các khuếch đại thuật tốn. Thông số của các IC TL084 như sau : - Điện áp nguồn nuôi : ± 12 (V); - Hiệu điện thế giữa hai đầu vào : ± 30 (V); - Nhiệt độ làm việc : T = ( - 25 ÷ 85 ) 0C; - Công suất tiêu thụ : P = 680 (mW); - Tổng trở đầu vào : Rin = 106 (MΩ); - Dòng điện đầu ra : Ira = 30 (pF); - Tốc độ biến thiên điện áp cho phép : 13 dt du = (V!μs). - Ta có sơ đồ chân của IC TL084 như sau : - Mạch tạo xung chùm có tần số : 3 10.167.2 1 t.2 1 f 6X === − (kHz) - Chu kì của xung chùm : - Ucc + Ucc 11 810 912 14 13 1 2 3 4 5 6 7 − − − − ++ ++ Đồ án tốt nghiệp 334t.2 3 1 f 1 T XCK ==== (μs) Ta có : ) R R .21ln(.C.R.2T 8 7 29CK += Ta chọn R7 = R8 = 10 (kΩ). Lúc này ta có : 334C.R.197,23ln.C.R.2T 2929CK === (μs) Suy ra : 152 197,2 334 R.C 92 == (μs) Ta chọn tụ điện C2 = 0,1 (μF); Suy ra : 15201,0 152 R9 == (Ω) = 1,52 (kΩ). Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch, ta chọn R9 là biến trở có giá trị điện trở là 2 (kΩ). 6. Tính chọn khâu so sánh : Khuếch đại thuật tốn A3 ta đã chọn là loại IC TL084 ở mục 5, IC TL084 có các thông số như sau : Điện áp vào khuếch đại thuật tốn A3 : UV = 12 (V); Dòng điện vào A3 được hạn chế để có Ilv ≤ 1 (mA). - Chọn điện trở R4, R5, R6 : 3 3v V 654 10.1210.1 12 I U RRR ==≥== (Ω) = 12 (kΩ) Vậy ta chọn : R4 = R5 = R6 = 15 (kΩ) > 12 (kΩ). Khi đó dòng làm việc vào A3 sẽ là : 8,0 10.15 12 I 3maxV == (mA) - Chọn chiết áp Ro = 30 (kΩ). 7. Tính chọn khâu đồng pha: R0 A3 R6 R5 - + Urc -Uđk +E R4 C B A Tr1 C1 ∅ • • • • • R1 ∅ U A2 - +A1 + - D1 R2 R3 Đồ án tốt nghiệp - Tính chọn tụ C1 và điện trở R3 : Để điện áp răng cưa tuyến tính và ổn định trong nửa chu kì điện áp dương Anode của Tiristor thì thời gian tụ C1 nạp trong nửa chu kì điện áp dương là : 01,0C.RT 13 ==naïp (s) Chọn C1 = 0,1 (μF) Suy ra : 3 6 1 3 10.10010.1,0 01,0 C 01,0R === − (Ω) = 100 (kΩ). - Chọn Tranzitor Tr1 là loại A564 có các thông số sau : + Tranzitor loại PNP làm bằng bán dẫn Silic; + Điện áp giữa Colectơ và Bazơ khi hở mạch Emitơ: UCB0 = 25 (V); + Điện áp giữa Emitơ và Bazơ khi hở mạch Colectơ : UBE0 = 7 (V); + Dòng điện lớn nhất ở Colectơ có thể chịu đựng: IC max = 100 (mA) + Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : Tcp = 150 (0C); + Hệ số khuếch đại : β = 250 ; + Dòng điện cực đại ở chân Bazơ : 4,0 250 100I I C3B ==β= (mA). - Điện trở R2 để hạn chế dòng đi vào chân Bazơ của Tranzitor Tr1 được chọn như sau : 30 10.4,0 12 I U R 3 B maxN 2 ==≥ − (kΩ) Ta chọn R2 = 30 (kΩ). - Chọn giá trị điện trở R1 : Chọn điện áp xoay chiều đồng pha : UA = 9 (V). Điện trở R1 dùng để hạn chế dòng điện đi vào khuếch đại thuật tốn A1, thường chọn R1 sao cho dòng điện vào khuếch đại thuật tốn là IV < 1 (mA). Do vậy ta chọn : 9 10.1 9 I U R 3V A 1 ==≥ − (kΩ). Vậy ta chọn R1 = 10 (kΩ). 8. Tạo nguồn nuôi : Ta có sơ đồ mạch tạo nguồn nuôi như sau : Đồ án tốt nghiệp Ta cần tạo ra nguồn điện áp ±12 (V) để cung cấp cho máy biến áp xung làm việc, để nuôi IC, để cung cấp cho các bộ điều chỉnh dòng điện, bộ điều chỉnh tốc độ và điện áp đặt tốc độ. - Để có được điện áp nguồn nuôi có chất lượng tốt thì ta dùng mạch chỉnh lưu cầu ba pha dùng Diode, mặt khác để tiện lợi trong việc chế tạo mạch, thì ta dùng máy biến áp đồng pha để vừa cung cấp tín hiệu cho khâu đồng pha và vừa lấy điện áp thứ cấp của máy biến áp đồng pha chỉnh lưu làm nguồn nuôi. Vì vậy ta phải chế tạo máy biến áp làm nguồn nuôi và đồng pha là kiểu máy biến áp ba pha. Ta chọn U2N = U2đp = 9 (V). Lúc này ta có : 06,219.34,2U.KU 2UCL === (V) Ta nhận thấy UCL = 21,06 (V) > 12 (V), mà ta lại cần nguồn nuôi có giá trị điện áp là ±12 (V) nên ta cần phải dùng vi mạch ổn áp để ổn định điện áp đúng theo yêu cầu là ±12 (V). Ta dùng hai vi mạch ổn áp 7812 và 7912 có các thông số sau : + IC 7812 có các thông số : Điện áp đầu vào : UV = (7 ÷ 35) (V); Điện áp đầu ra : Ura = +12 (V); Dòng điện đầu ra : Ira = ( 0 ÷ 1 ) (A). + IC 7912 có các thông số : Điện áp đầu vào : UV = ( 7 ÷ 35 ) (V); Điện áp đầu ra : Ura = - 12 (V); Dòng điện đầu ra : Ira = ( 0 ÷ 1 ) (A). 7812 a b c C6 C4 +12V 7912 a∗ b∗ c∗ C7 C5 -12V B A C Đồ án tốt nghiệp - Tụ điện C4, C5, C6, C7 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao. Chọn C4 = C5 = C6 = C7 =450 (μF). Điện áp của tụ là U = 35 (V). 9. Tính tốn máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha : 9.1. Chọn loại máy biến áp : Thay vì chế tạo các máy biến áp đồng pha và máy biến áp nguồn nuôi riêng rẽ nhau thì ta chế tạo máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo điện áp để chỉnh lưu làm nguồn nuôi. Ta chọn kiểu máy biến áp ba pha ba trụ, trên mỗi trụ có ba cuộn dây gồm một cuộn thứ cấp và hai cuộn thứ cấp. 9.2. Điện áp thứ cấp máy biến áp : Điện áp lấy ra ở thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha là : 9UUU N2 === 2ñp (V) 9.3. Dòng điện thứ cấp máy biến áp : I2đp = 1 (mA) 9.4. Công suất cấp cho khâu đồng pha : 054,010.1.9.6I.U.6P 3 === −2ñp2ñpñp (W) 9.5. Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL084 sử dụng làm khuếch đại thuật tốn và 2 IC 4081 để tạo 6 cổng AND. 08,410.10.268,0.6P.2P.6P 124081IC084ICIC8 =+=+= − (W) Trong đó : 105,2.4P 4081IC == (nW) = 10.10-12 (W). 9.6. Công suất cấp cho máy biến áp xung để mở Tiristor : 25,215,0.5,2.6I.U.6P ggX === (W) 9.7. Công suất dùng cho việc tạo nguồn nuôi : 33,625,208,4PPP XIC8N =+=+= (W) Ngồi ra còn có công suất để cung cấp cho các bộ điều chỉnh dòng điện, điều chỉnh tốc độ.... và các công suất này ta chọn khoảng bằng 15% công suất dùng cho việc làm nguồn nuôi : 95,0)25,208,4.(15,0)PP.(15,0P XIC8 =+=+=ñc (W) 9.8. Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy : 7,7)95,033,6054,0.(05,1)PPP.(05,1S N =++=++= ñcñp (V.A) 9.9. Dòng điện thứ cấp máy biến áp : 1426,0 9.6 7,7 U.6 S I2 === 2ñp (A) 9.10. Dòng điện sơ cấp máy biến áp : 01167,0 220.3 7,7 U.3 S I1 === 1ñp (A) 9.11. Tiết diện trụ máy biến áp được xác định theo công thức kinh nghiệm như sau : Đồ án tốt nghiệp 36,1 50.3 7,7 .6 f.m S .KQ QT === (cm2) Trong đó : KQ = 6 là hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát; m = 3 là số trụ của máy biến áp; f = 50 Hz là tần số lưới điện. Chuẩn hóa tiết diện trụ, ta có được : QT = 1,63 (cm2) ( trang 332[1] ) - Kích thước mạch từ : + Chọn loại thép có độ dày lá thép là δ = 0,5 (mm); + Số lượng lá thép là 68 lá; + Các kích thước a = 12 (mm); b = 16 (mm); h = 30 (mm). 9.12. Tính số vòng dây cuộn sơ cấp : Chọn mật độ từ cảm trong trụ là B = 1 (T), ta có : 6080 10.63,1.1.50.44,4 220U W 41 === − T 1ñp 4,44.f.B.Q (vòng) 9.13. Tiết diện dây quấn sơ cấp : Ta chọn mật độ dòng điện J1 = J2 = 2,75 (A!mm2) - Tiết diện dây quấn sơ cấp : 00424,0 75,2.220.3 7,7 J.U.3 S S 11 1 == (mm2) - Đường kính dây quấn sơ cấp : 0375,0 00424,0.4S.4 d 11 =π=π= (mm) Chọn d1 = 0,1 (mm) để đủ đảm bảo độ bền cơ. Đường kính kể cả cách điện : d1 cd = 1,12 (mm) ( Phụ lục 8[1] ). 9.14. Số vòng dây quấn cuộn thứ cấp : H a a a b C c h a Đồ án tốt nghiệp 249 220 9 .6080 U U .WW 1 2 12 === (vòng) 9.15. Tiết diện dây quấn thứ cấp : 052,0 75,2.9.6 7,7 I.U.6 S S 22 2 === (mm2) 9.16. Đường kính dây quấn thứ cấp : 257,0 052,0.4S.4 d 22 =π=π= (mm) Chuẩn hóa đường kính : d2 = 0,27 (mm) ( Phụ lục 8[1] ) Đường kính kể cả cách điện : d2cđ = 0,31 (mm) ( Phụ lục 8[1] ) 9.17. Chọn hệ số lấp đầy : Klđ = 0,7 Với h.c )W.dW.d( 4K 21 2 2cñ 2 1cñ lñ +π = 9.18. Chiều rộng cửa sổ : 3,8 30.7,0 )249.31,06080.12,0( 4 h.K )W.dW.d( 4c 22 21 = +π= +π = lñ 2 2cñ 2 1cñ (mm) Để đảm bảo việc đặt các cuộn dây vào lõi dễ dàng và để đảm bảo cho dây quấn tỏa nhiệt tốt, ta chọn c = 12 (mm). 9.19. Chiều dài mạch từ : 6012.312.2a.3c.2L =+=+= (mm) 9.20. Chiều cao mạch từ : 5412.230a.2hH =+=+= (mm) 10. Tính chọn Diode cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi : - Dòng điện hiệu dụng qua Diode : 101,0 2 1426,0 2 I I 2Dhd === (A) - Điện áp ngược lớn nhất mà Diode phải chịu : 229.6U.6U 2maxn === (V) - Chọn Diode có dòng điện định mức : Iđm ≥ KI.ID đm = 10.0,101=1,01 (A) - Chọn Diode có điện áp ngược lớn nhất : UN = KU.UN max = 2.22 = 44 (V) Chọn Diode loại Kπ 208A có các thông số như sau : + Dòng điện định mức : Iđm = 1,5 (A); + Điện áp ngược cực đại của Diode : UN = 100 (V) Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG V ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ I. Xây dựng đặc tính cơ của hệ hở : 1. Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều : ñm ñm ö ñm ñm K. M. ).K( RU 2Φ−Φ=ω ; ( Với Mc = Mđm). - Các thông số trong phương trình đặc tính cơ khi động cơ làm việc với tốc độ định mức : + Ta có : ñm ñmöñm ñm ω −=Φ I.RU.K Trong đó : 667,10460 1000.2 60 n.2 =π=π=ω ñm (rad!s) Đồ án tốt nghiệp Suy ra : 898,0667,104 5,62.096,0100 .K =−=Φñm (Wb) + Mômen định mức của động cơ : 125,565,62.898,0I..KM ==Φ= ñm öñmñm (N.m) + Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên của động cơ : 4,8096,0 898,0).K(M d dM 22 ==Φ=ωΔ Δ≈ω=β ö ñm R + Tốc độ không tải lí tưởng : 36,111898,0 100U TN0 ==Φ=ω ñm ñm K. (rad!s) + Độ sụt tốc độ của động cơ : 68,6125,56. )898,0( 096,0 M. ).K( R 22 ==Φ=ωΔ ñmñm ö ñm (rad!s) 2. Phương trình đặc tính cơ của tồn bộ hệ hở : Hệ hở gồm: Động cơ – cuộn kháng lọc – chỉnh lưu – biến áp chỉnh lưu. - Ứng với khi góc mở αmin = 10 0 thì ta có phương trình của đặc tính cơ cao nhất của hệ như sau : ñm ñm ö ñm max d K. M. ).K( RU 2maxH Φ−Φ=ω ∑ Trong đó : ∑öR - điện trở tổng của hệ; BAX 3 RRRR π+++=∑ bakhöö 253,0098,0. 3 0587,00053,0096,0 =π+++= (Ω) Với : Rư = 0,096 (Ω); Rkh = 0,0053 (Ω); RBA = 0,00587 (Ω); XBA = 0,098 (Ω). + Tốc độ không tải của hệ CL –ĐC khi góc mở αmin = 10 0 ( Ở đường đặc tính cơ cao nhất ) : 36,111898,0 100U TN0maxH0 ==Φ=ω=ω ñm ñm K. (rad!s) + Độ sụt tốc độ của hệ: 61,17125,56. )898,0( 253,0 M. ).K( R 22 ==Φ=ωΔ ∑ ñm ñm ö H (rad!s) + Tốc độ của động cơ khi làm việc với tải định mức ( Ở đường đặc tính cơ cao nhất ) : Đồ án tốt nghiệp 75,9361,1736,111HH0maxH =−=ωΔ−ω=ω (rad!s) - Phương trình đặc tính cơ thấp nhất của hệ ứng với khi góc mở αmax : ñm ñm ö ñm min d K. M. ).K( RU 2minH Φ−Φ=ω ∑ + Ta có độ cứng đặc tính cơ của hệ : 187,3253,0 898,0).K(M d dM 22 H == Φ=ωΔ Δ≈ω=β ∑ö ñm R + Tốc độ làm việc thấp nhất của hệ : H maxCminH 1 ).MM( β−=ω ñm Giả sử cho động cơ làm việc với mômen cản lớn nhất bằng hai lần mômen định mức MC max = 2.Mđm. Suy ra : 61,17187,3 125,56M1 ).MM.2( HH minH ==β=β−=ω ñm ñmñm (rad!s) + Tốc độ không tải thấp nhất của hệ : 22,3561,1761,17HminHminH0 =+=ωΔ−ω=ω (rad!s) Từ các số liệu vừa xác định trên đây, ta vẽ được đường đặc tính cơ cao nhất và thấp nhất như sau : ω (rad/s) ωTN ωH max = 93,75 ωđm = 104,667 ωH max ωH min ω0Hmax= ω0TN = 111,36 M ΔωTN = 6,68 ΔωH = 17,61 Mđm ΔωH = 17,61 ω0H min = 35,22 ωH min =17,61 2Mđm Đồ án tốt nghiệp  Nhận xét : Dựa vào đặc tính cơ ta vừa xây dựng ở trên, ta nhận thấy : Đường đặc tính cơ của hệ CL – ĐC dốc hơn đường đặc tính cơ tự nhiên. Điều này có nghĩa là do có điện trở của các thành phần trong mạch như : RBA, Rkh, ... làm cho điện trở tổng của mạch lớn. Vì vậy làm cho độ sụt tốc của hệ CL – ĐC lớn hơn độ sụt tốc tự nhiên. Hay nói cách khác là đường đặc tính cơ của hệ mềm hơn đường đặc tính cơ tự nhiên. II. Dải điều chỉnh của hệ CL – ĐC : 32,561,17 75,93 D minH maxH H ==ω ω= III. Sai số tĩnh lớn nhất của hệ : 5,022,35 61,17 S minH0minH0 minHmaxH0 max ==ω ωΔ=ω ω−ω=  Kết luận : Hệ có dải điều chỉnh tương đối hẹp và có sai số tĩnh lớn. Vì vậy nên chất lượng của hệ chưa cao. Để nâng cao chất lượng của hệ ( tức là làm giảm sai số tĩnh ) và để cho hệ làm việc ổn định thì ta có các biện pháp cải thiện sau đây : 1. Dùng phản hồi dương dòng điện : - Ta có phương trình đặc tính điều chỉnh cơ điện của hệ CL – ĐC : ö ñm ö ñm I..K R .K Ud Φ−Φ=ω ∑ Trong đó : α== cos.UU.KU CLd doñk ; với constU U K doCL == ñkmax - Mặt khác , ta có : öñaëtñaëtñk I.KUUUU ipi +=+= BD Uđk Uđặt + ∅ ∅ ∅ CL ĐC KT Đồ án tốt nghiệp Trong đó : Uđặt – là điện áp đặt tốc độ, Uđặt = const; Upi = Ki.Iư là điện áp phản hồi của khâu phản hồi dương dòng điện; Suy ra : )I.KU.(K)UU.(KU iCLpiCLd öñaëtñaët +=+= Vậy ta có : ö ñm ö öñaët ñm I..K R )I.KU.(.K K i CL Φ−+Φ=ω ∑ ö ñm ö ñm I..K )K.KR( .K K iCLCL Φ −−Φ= ∑ Ta có độ sụt tốc độ : ö ñm ö I..K )K.KR( iCL Φ −=ωΔ ∑ Vậy khi Ki càng tăng thì Δω giảm xuống. Lúc này ta có độ cứng của đặc tính cơ càng lớn : iCL 2 K.KR ).K( − Φ=β ∑ö ñm Mặt khác, khi Δω giảm xuống thì sai số tĩnh cũng sẽ giảm theo. ( Vì sai số tĩnh stĩnh ≡ Δω, với ωomin = const ). 2. Dùng phản hồi âm tốc độ : Ta có : α== cos.UU.KU CLd doñk Mặt khác : ω−=−= ωω .KUUUU pp ñaëtñaëtñk Trong đó : Uđặt – là điện áp đặt tốc độ, Uđặt = cost; Upω Uđk Uđặt - ∅ CL ĐC FT Đồ án tốt nghiệp ω= ωω .KU pp - là điện áp phản hồi tốc độ. Vậy ta có phương trình đặc tính cơ như sau : ñm ñm ö ñaët ñm M. ).K( R ).KU.(.K K 2p CL Φ−ω−Φ=ω ∑ ω ñm ñm ö ñm ñaët ñm M. ).K( R ..K K.K U..K K 2 pCLCL Φ−ωΦ−Φ= ∑ω Suy ra : ñm ñm ñm ö ñm ñm M. .K K.K 1 ).K( R .K K.K 1 .K K pCL 2 pCL CL Φ+ Φ− Φ+ Φ=ω ω ∑ ω Vậy ta có độ sụt tốc độ của hệ lúc có phản hồi âm tốc độ là : ñm ñm ñm ö M. .K K.K 1 ).K( R pCL 2 H Φ+ Φ=ωΔ ω ∑ Ta nhận thấy, khi ωpK tăng lên thì độ sụt tốc độ sẽ giảm xuống và lúc này độ cứng của đặc tính cơ sẽ được nâng lên. Ta có độ cứng đặc tính cơ của hệ khi có phản hồi âm tốc độ như sau : 2 pCL ).K(R .K K.K 1M ñmö ñm Φ Φ+=ωΔ Δ=β ∑ ω 3. Kết luận : Trong hai loại phản hồi đã nói ở trên, ta nhận thấy việc dùng phản hồi âm tốc độ để tự động ổn định tốc độ cho động cơ là hiệu quả hơn, vì đối tượng cần điều chỉnh là tốc độ nên ta chọn phản hồi tốc độ để ổn định hệ thống sẽ đem lại hiệu quả cao hơn và sai số sẽ nhỏ hơn. Vậy ta chọn khâu phản hồi âm tốc độ để nâng cao chất lượng cho hệ : - Ta xây dựng sơ đồ mạch kín như sau : Theo sơ đồ mạch kín, ta có : ω−= pUUU ñaëtñk Đồ án tốt nghiệp - Để cho hệ làm việc được ổn định và có chất lượng tốt, ta cần đưa thêm vào các khâu hiệu chỉnh nối tiếp PID ( gồm các khâu tích phân, vi phân tỉ lệ ). Lúc này ta có sơ đồ cấu trúc của hệ như sau : L Uđặt • • ∅ • •• • • • ĐC • FT ∅ ∅ ∅ • ∅ Upω Uđk ω • Upω Uđk Wreg(P) WCL(P) WĐC(P) Kpω Đồ án tốt nghiệp - Các khâu trong sơ đồ cấu trúc của hệ : + Wreg(P) – hàm truyền của khâu hiệu chỉnh nối tiếp; + WCL(P) – hàm truyền của bộ chỉnh lưu; + WĐC(P) – hàm truyền của động cơ điện một chiều. Do nhiệm vụ thiết kế không yêu cầu xác định chi tiết giá trị của các hàm truyền, và do thời gian có hạn nên không xác định cụ thể giá trị của các hàm truyền mà chỉ đưa ra dạng sơ đồ cấu trúc có hàm truyền tượng trưng như trên.