Luận văn Hệ truyền động điều chỉnh điện áp xoay chiều và động cơ không đồng bộ 3 pha

n điện áp Các điều hòa dòng điện đƣợc tính theo biểu thức: 221 ' QnR V I nn   - Bộ điều áp xoay chiều tiêu thụ công suất phản kháng 3V.I1.sin  , do mồi trễ  , các điện áp cơ bản trên tải vA’ , vB’ , vC’ lệch pha với điện áp vA , vB , vC tƣơng ứng. Mặt khác tải R – L nên dòng điện lệch pha với điện áp tải. 4. Phƣơng án các thyristor nối tam giác Ta có thể thay đổi các thyristor nối hình sao thành hình tam giác nhƣ ở hình 1.5 Nếu các pha của tải có cúng góc lệch pha và modun gấp 3 lần, với cùng góc mở  thì dòng điện trên dây và điện áp trên các cực của thyristor không thay đổi. Dòng điện trong tam giác gồm các thyristor jA, jB, jC có dạng sóng khác với các dạng sóng dòng điện dây tƣơng ứng iA , iB , iC. Cũng vậy dạng sóng điện áp uA’, uB’, uC’ trên các pha nối hình tam giác khác với dạng sóng uA’, uB’, uC’ khi nối sao. Lý do là khi iA , iB , iC chuyển thành jA, jB, jC các thành phần tạo nên hệ thống thứ tự thuận GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 7 NGUYỄN HỮU LINH lệch pha nhau 6  theo chiều thuận, trong khi đó các thành phần thứ tự ngƣợc (điều hòa 5, 7, 11 …) lệch pha nhau theo chiều ngƣợc. Tuy nhiên các biểu thức sau luôn đúng: U’ = 3 V’ ; I = 3 J U1’ = 3 V1’ ; I1 = 3 J1 ; Un’ = 3 Vn’ ; In = 3 Jn Hình 1.4 So sánh sơ đồ ở hình 1.5 với sơ đồ ở hình 1.1 ta thấy, ở 1 tải đã cho, các dòng điện trong các pha và điện áp trên cực của chúng có cùng giá trị và hình dáng, nhƣng dòng điện trong thyristor giảm đi và do vậy điều kiện tín hiệu điều khiển cũng dễ dàng hơn. Ta nhận thấy sự dẫn của ThA , ThB’, ThC xác định cách nối giữa các cực A’, B’, C’ nhƣ khi ThAB, ThBC’ dẫn vA’ = vA ; vB’ = vB ; vC’ = vC ; iA > 0 ; iB 0 Sự dẫn điện của ThA , ThB’ có cùng ảnh hƣởng nhƣ ThAB vA = vA’ = 2 BA vv  ; iA = - iB > 0 ; vC’ = iC = 0 Với cùng các giá trị  và  đã cho, các đại lƣợng liên quan đến nguồn, tải, các dòng iA, iB, iC và điện áp vA’ , vB’ , vC’ giống nhau. Chỉ có các thyristor nối tam giác là có các ƣu điểm sau : - Với chế độ 1 : Chỉ có 1 hay 2 Thyristor dẫn (so với 2 hay 3 của sơ đồ hình 1.1) - Với chế độ 2 : Chỉ có 1 Thyristor dẫn (so với 2 của sơ đồ hình 1.1) - Với chế độ 3 : Chỉ có 1 Thyristor dẫn hoặc không có (so với 2 hoặc không của sơ đồ hình 1.1) Ƣu điểm thứ 2 của việc nối tam giác các Thyristor là làm đơn giản hóa tín hiệu điều khiển. Không cần thiết xung điều khiển rộng hoặc xung khẳng định để đàm bảo sơ đồ hoạt động. Chỉ cần 1 xung đơn là đủ. Tuy nhiên nếu các Thyristor nối tam giác sẽ có điện áp ngƣợc cực đại phải chịu là từ 1.5Vm đến 3 Vm. Đây là nhƣợc điểm của sơ đồ các Thyristor nối tam giác. GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 8 NGUYỄN HỮU LINH Hình 1.5: Sơ đồ các thyristor nối tam giác II. NHÓM TAM GIÁC TỪ BA BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA Có một phƣơng án khác tạo nên bộ điều áp 3 pha bao gồm ba bộ điều áp một pha nối tam giác nhƣ sơ đồ hình 1.6. Cách nối này cho phép loại trừ các điều hòa bậc ba và bội ba trong dòng điện. Để có thể sử dụng trực tiếp các kết quả của bộ điều áp 1 pha ta sử dụng các ký hiệu của 1 pha và them chỉ số A, B, C. Điện áp do nguồn cung cấp: vA = Vmsin  , vB = Vmsin ) 3 2 (    , vC = Vmsin ) 3 4 (    Các phần Thyristor đƣợc mồi ở một phần sáu chu kỳ theo trình tự sau : ThA , ThC’, ThB , ThA’ , ThC , ThB’. Thyristor ThA nhận xung điều khiển tại  =  . Các điện áp vA’, vB’, vC’ là điện áp trên các pha của tải, còn vThA, vThB, vThC là điện áp trên các nhóm của Thyristor. Các dòng iA , iB , iC giống nhau ở một phần ba hoặc hai phần ba chu kỳ. Nhóm tam giác từ ba bộ điều áp một pha đảm bảo triệt tiêu điều hòa bậc ba và bội ba trong các dòng điện do nguồn cung cấp. Các điều hòa này trùng pha trong ba dòng iA , iB , iC. Dòng điện dây iA1 = iA - iC, iB1 = iB – iA, iC1 = iC – iB. GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 9 NGUYỄN HỮU LINH Hình: 1.6 Dòng điện trong sơ đồ có dạng sóng khác với dòng điện các pha của tải và tỉ số điều hòa giảm đi. Hình 1.6 trình bày dạng song dòng điện khi góc mồi 3  , tải thuần trở. Các điều hòa dòng điện dây : I1L = 3 I1, I5L = 3 I5, I7L = 3 I7...nhƣng I3L = I9L = 0. Hình :1.6a. Dạng sóng của dòng điện theo sơ đồ hình 1.6 GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 10 NGUYỄN HỮU LINH III. BỘ ĐIỀU ÁP BA PHA HỖN HỢP Trên sơ đồ hình 1.7 ta nhận thấy mỗi pha có một Thyristor đc thay thế bằng 1 điốt. Không có dây trung tính làm cho giá trị trung bình của tổng dòng điện pha của tải và điện áp trên cực của nó luôn bằng không. Hình: 1.7 1. Sự hoạt động của sơ đồ Nếu ta ký hiệu vA, vB, vC là điện áp nguồn vA = Vmsin  , vB = Vmsin ) 3 2 (    , vC = Vmsin ) 3 4 (    Thyristor ThA đƣợc mồi ở  =  , còn ThB ở  =  + 3 2 và ThC  =  + 3 4 . Ba dòng điện iA , iB , iC giống nhau ở một phần ba chu kỳ nhƣng ở nửa chu kỳ âm khác với nửa chu kỳ dƣơng, do vậy điện áp v’A, v’B, v’C và của các Thyristor vThA , vThB , vThC vì có điốt nên không có các giá trị âm. - Nếu tải thuần trở, có ba chế độ làm việc liên tiếp sau đây khi  từ 0 đến 6 7 Khi 0 <  < 2  : ba hoặc hai linh kiện dẫn Khi 2  <  < 2 3 : ba, hai hoặc không có linh kiện dẫn Khi 2 3 <  < 6 7 : hai hoặc không có linh kiện dẫn - Nếu tải R – L có môđun Z và góc pha  , để làm thay đổi trị hiệu dụng của dòng điện iA , iB , iC từ cực đại V/Z đến không thì góc mồi  phải tăng từ  đến 6 7 . Khi  tăng, sự biến thiên của  theo chế độ giảm đi. Khi  = 31 06, chế độ này biến mất. 2. Các đặc tính Các điện áp v’A, v’B, v’C ngoài thành phần cơ bản còn có cả các điều hòa bậc chẵn và lẻ, trừ điều hòa bậc ba và bội ba. Trên hình 1.8 Trình bày đặc tính điện áp hiệu dụng của các điều hòa theo góc mồi ứng với 2 trƣờng hợp tải thuần trở  = 0 và tải R – L  = 4  GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 11 NGUYỄN HỮU LINH Hình 1.8 Ta nhấn mạnh điều hòa bậc ba có ảnh hƣởng quan trọng. Sơ đồ tiêu thụ công suất phản kháng ngay cả khi tải thuần trở. Công suất biểu kiến : S = 3VI Công suất biến dạng : D = 3V. 2 1 2 II  Công suất tác dụng : P = 3VI1 cos Công suất phản kháng : Q = 3VI1 sin 3. So sánh các bộ điều áp ba pha Cũng nhƣ bộ chỉnh lƣu, độ điều áp làm thay đổi lƣới điện xoay chiều cung cấp cho nó, tạo nên các điều hòa dòng điện và tiêu thụ công suất phản kháng. Mặc dù khó so sánh vì chế độ sử dụng của chúng khác nhau, nhƣng bộ điều áp 3 pha có 6 thyristor không gây ảnh hƣởng tới lƣới bằng cầu chỉnh lƣu ba pha có điều khiển. Bộ điều ấp ba pha hỗn hợp cũng k gây ảnh hƣơng tới lƣới bằng cầu chỉnh lƣu ba pha bán điều khiển. Đối với ba loại điều áp ba pha, ta đã đƣa ra các đặc tính đối với các điều hòa điện áp nhƣng k đƣa ra đặc tính dòng điện, bởi vì khi tải R – L các điều hòa quá bé không tiện biểu diễn cùng tỉ lệ xích với điều hòa cơ bản. Khi tải R – L, ta có thể tìm đc biểu thức các dòng điện điều hòa theo điện áp : 2 1 1 1 QR V I   221 ' QnR V I nn   với Q =  L/R .do đó tỉ số : 22 2 1 1 1 1 '' Qn Q VV I I n n    GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 12 NGUYỄN HỮU LINH Hình 1.9 Nói chung các điều hòa dòng điện càng yếu khi tải có tính điện cảm càng lớn và bậc điều hòa càng cao. 4. Lựa chọn bộ điều áp xoay chiều Đối với các thiết bị có công suất trung bình và lớn, các dòng điện điều hòa có vai trò quan trọng trong việc lựa chọn bộ điều áp. Việc lựa chọn giới hạn bởi hai sơ đồ 6 thyristor. - Bộ điều áp ba pha - Ba bộ điều áp một pha ghép tam giác. Sơ đồ ba bộ điều áp một pha nối tam giác không tốt đối với dòng điện tải so với bộ điều áp ba pha, nhƣng đối với dòng điện lƣới lại tốt hơn. Sơ đồ ba bộ điều áp một pha nối tam giác một pha nối tam giác làm cho dòng điện pha có điều hòa bâc ba và bội ba nhƣng trong dòng điện dây chúng bị triệt tiêu. Do vậy ta có thể đi đến kết luận : - Khi việc giảm các điều hòa dòng điện lƣới đóng vai trò quan trọng thì thƣờng chọn các sơ đồ ba bộ điều áp một pha nối tam giác - Khi chất lƣợng điện áp trên tải quan trọng thì thƣờng chọ bộ điều áp ba pha. Đó là trƣờng hợp cung cấp cho các máy điện quay, bởi vì các may điện quay sẽ là việc xấu khi điện áp bậc ba hoặc bội ba. Các điện áp này tạo nên hệ thống thứ tự không. Khi công suất giảm đi, cần giảm chi phí dối với các thyristor và mạch điều khiển, khi đó bộ điều áp ba pha có nhiều khả năng ; - Đặt giữa lƣới và tải, cho phép thay đổi pha khi chuyển từ tam giác sang hình sao mà không cần thay đổi điện áp. - Đặt sau tải cho phép nối hình tam giác ba nhóm thyristor, làm giảm dòng và cho phép giảm kích cỡ của thyristor - Đặt sau tải và có một cực chung cho tất cả các thyristor, điều này làm cho việc điều khiển dễ dàng, nhất là khi thay thế 6 thyristor bằng 3 triac. Khi vấn đề các điều hòa dòng điện không không quan trọng thì bộ điều áp ba pha và các phƣơng án của nó có lợi hơn phƣơng án nối tam giác.ba bộ điều áp một pha. - Bộ điều áp ba pha hỗn hợp chỉ đƣợc sử dụng trong các sơ đồ công suất nhỏ vì ảnh hƣởng quan trọng của các điều hòa. Điều hòa bậc cao sẽ tạo nên moomen phản kháng lớn đối với máy điện quay. GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 13 NGUYỄN HỮU LINH 5. Lƣu ý về bộ bù tĩnh: Bộ bù tĩnh là một ứng dụng của bộ điều áp ba pha. Để tạo nên một nguồn công suất phải kháng biến thiên liên tục, ngƣời ta mắc song song các tụ để tạo nên dung kháng cực đại cần thiết với một điện kháng ba pha điều khiển bằng bộ điều áp. Bộ điều áp này cho phép biến đổi công suất phản kháng của cuộn điện kháng, do đó làm thay đổi công suất phản kháng của bộ tụ điện – điện kháng. Trong thiết bị này tụ điện đóng vai trò tạo nên dung kháng và đồng thời có dung kháng nhỏ với dòng điện điều hòa bậc cao, do vậy nó lọc cac điều hòa dòng điện lấy từ lƣới. Một số nhà chế tạo mong muốn tạo nên thiết bị điều chỉnh công suất phản kháng bằng bộ điều áp bằng cách thay đổi giá trị điện dung của tụ điện. Họ sử dụng các Thyristor làm việc ở chế độ đóng mở, cho phép loại trừ các điểm dòng điện tăng đột ngột bằng cách bù dòng điện có tính chất điện dung tại thời điêm bất lợi này. Đôi khi ngƣời ta sử dụng bộ điều áp để cung cấp điện áp biến thiên cho máy biến áp mà điện áp thứ cấp đƣợc chỉnh lƣu có điện áp biến thiên liên tục từ cực đại đến không Sơ đồ này dùng để tạo nên dòng chỉnh lƣu rất lớn ở điện áp rất thấp hoặc tạo nên điện áp rất cao. Khi công suất của lƣới lớn hơn công suất bộ điều áp rất nhiều, do đó ảnh hƣờng của bộ điều áp xoay chiều đến lƣới không đáng kể, đôi khi ngƣời ta sử dụng bộ điều áp nối tam giác hở hay còn gọi là “ bộ điều áp tiết kiệm”, trong đó một trong ba nhóm thyristor đƣợc thay bằng nối trực tiếp. IV. ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA: 1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: Động cơ gồm có hai phần chính là stator và rotor. Stato gồm các cuộn dây của ba pha điện quấn trên các lõi sắt bố trí trên một vành tròn để tạo ra từ trƣờng quay. Rôto hình trụ có tác dụng nhƣ một cuộn dây quấn trên lõi thép. Khi mắc động cơ vào mạng điện xoay chiều, từ trƣờng quay do stato gây ra làm cho rôto quay trên trục. Chuyển động quay của rôto đƣợc trục máy truyền ra ngoài và đƣợc sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển động khác. GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 14 NGUYỄN HỮU LINH 2. Phân loại Động cơ điện xoay chiều đƣợc sản xuất với nhiều kiểu và công suất khác nhau. Theo sơ đồ nối điện có thể phân ra làm 2 loại: - Động cơ 3 pha. - Động cơ 1 pha. - Và nếu theo tốc độ có thể phân thành 2 loại: - Động cơ đồng bộ. - Động cơ không đồng bộ. 3. Động cơ điện xoay chiều 3 pha Từ trƣờng quay đƣợc tạo ra bằng cách cho dòng điện ba pha chạy vào ba nam châm điện đặt lệch nhau trên một vòng tròn. Cách bố trí các cuộn dây tƣơng tự nhƣ trong máy phát điện ba pha, nhƣng trong động cơ điện ngƣời ta đƣa dòng điện từ ngoài vào các cuộn dây 1, 2, 3. Khi mắc động cơ vào mạng điện ba pha, từ trƣờng quay do stato gây ra làm cho rôto quay trên trục. Chuyển động quay của rôto đƣợc trục máy truyền ra ngoài và đƣợc sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển động khác. GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 15 NGUYỄN HỮU LINH CHƢƠNG II: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA I. Thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha: 1. Thiết kế mạch lực: Mạch xoay chiều ba pha hiện nay trong thực tế thƣờng gặp 3 sơ đồ sao: Hình 2.1 a, b, c. Các loại này bao gồm tải đấu sao trung tính ( Hình 2.1 a), tải đấu sao không trung tính (Hình 2.1 b), tải đấu tam giác (Hình 2.1 c). Tải đấu sao có trung tính có ƣu điểm là sơ đồ giống hệt ba mạch điều áp một pha điều khiển dịch pha theo điện áp lƣới, do đó điện áp trên các van bán dẫn nhỏ hơn vì điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha. Nhƣợc điểm của sơ đồ này là trên dây trung tính có tồn tại dòng điện điều hòa bậc cao, khi góc mở của van khác 0 có dòng tải gián đoạn và loại sơ đồ nối này chỉ thích hợp với loại tải ba pha có bốn đầu dây ra. Các sơ đồ ko trung tính (Hình 2.1 b, c) có nhiều điểm khác so với sơ đồ trung tính. Ở đây dòng điện chạy giửa các pha với nhau, nên đồng thời phải cấp xung điều khiển Hình 2.1: Sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha bằng cặp thyristor Mắc song song ngƣợc c    a    b    GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 16 NGUYỄN HỮU LINH cho hai thyristor của hai pha một lúc. Việc cung cấp xung điều khiển nhƣ thế, đôi khi gắp khó khăn trong mạch, ngay cả việc đổi thứ tự pha nguồn lƣới cũng có thể làm cho sơ đồ không hoạt động. Hiện nay,với những tải có công suất trung bình, các sơ đồ điện áp ba pha bằng các cặp thyristor nhƣ (Hinh 2.1) đƣợc thay thế bằng các sơ đồ Triac nhƣ (Hình 2.2). Hình 2.2: Điều áp ba pha bằng Triac Nhƣ đã giới thiệu trên, Triac về nguyên lý điều khiển giống hệt các cặp thyristor mắc song song ngƣợc. Vì vậy, sử dụng các sơ đồ (Hình 2.1) hay (Hình 2.2) tùy thuộc vào khả năng linh kiện có loại nào. Ngoài ra (Hình 2.2) có ƣu điểm hơn về mặt điều khiển đối xứng và đơn giản về cách ghép. Đối với những tải không có yêu cầu về điều khiển đối xứng ngƣời ta có thể sử dụng sơ đồ cặp thyristor –điốt. Mặc dù vậy, sơ đồ này ứng dụng thực tế không nhiều. Bởi vì khi không có xung điều khiển vẩn có thể có dòng chạy qua tải. Trong trƣờng hợp cho phép điều khiển không đối xứng chúng ta có thể sử dụng sơ đồ điều khiển hai pha nhƣ (Hình 9.3).    b    a    c Hình 2.3: Sơ đồ điều áp ba pha đơn giản    GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 17 NGUYỄN HỮU LINH Ƣu điểm của sơ đồ (hình 2.3) là số lƣợng van bán dẫn ít hơn, và mạch điều khiển cũng đơn giản hơn. Nhƣợc điểm của sơ đồ là điều khiển không đối xƣng, nên đƣờng cong dòng điện và điện áp các pha không giống nhau, vì vậy giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện khác nhau rõ rệt. Loại sơ đồ này chỉ phát huy tác dụng khi tải và nguồn đƣợc phép làm việc không đối xứng và có số lƣợng van bán dẫn bị hạn chế . Khi sử dụng điều áp xoay chiều cho động cơ không đồng bộ ngoài chế độ đóng cắt, điều khiển tốc độ, còn cần cả đảo chiều quay. Trong động cơ không đồng bộ, khi đảo chiều quay cần đổi thứ tự pha. Sơ đồ điều khiển có đảo chiều quay động cơ không đồng bộ nhƣ (Hình 2.4). Khi có chiều quay thuận ta cấp xung điều khiển cho T1,T2,T7,T8,T9,T10; các pha lƣới A1, B1, C1 đƣợc nối tƣơng ứng với các cuộn A, B, C của động cơ. Khi ở chiều quay ngƣợc ta cấp xung điều khiển cho T3,T4,T5,T6,T9,T10. các pha lƣới A1, B1, C1 đƣợc nối tƣơng ứng B, A, C của động cơ. Thiết kế sơ đồ mạch động lực của bộ điều áp xoay chiều ba pha chúng ta phải thực hiện hang loạt các bài toán tổng hợp. Ngay cả ở chế độ xác lập thì dòng điện và điện áp trên các van bán dẫn cũng chỉ là chế độ gần với xác lập. Trong phần thiết kế này chúng ta chỉ xét bộ điều áp làm việc ở chế độ xác lập. Khi lựa chọn các van bán dẫn cho sơ đồ điều áp ba pha theo dòng điện và điện áp, tổn hao công suất P nhƣ đã xét, đƣợc xác định theo đƣờng cong dòng điện chạy qua van. Tổn hao công suất trên van là tổn hao theo chiều thuận khi van dẩn. Lúc này P phụ thuộc vào các giá trị dòng điện trung bình, hiệu dụng của van và theo đƣờng cong đặc tính Vôn – Ampe của van ta tìm đƣợc P. Tuy nhiên đƣờng đặc tính Vôn – Ampe không phải của van nào cũng có cho nên gần đúng chúng ta chọn hơi dƣ thì lấy: P = IHD U Hình 2.4: Sơ đồ điều áp ba pha có đổi thứ tự pha    A1 B1 C1 T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 T 8 T 9 T1 0 A B C GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 18 NGUYỄN HỮU LINH Thông số P này ảnh hƣởng rất lớn tới diện tích cánh tản nhiệt mà chúng ta sẽ thiết kế sau này. 2. Tính chọn van ban dẫn: a.Tính chọn van theo dòng điện. Trong điều áp xoay chiều dòng điện chạy qua tải thƣờng xác định là dòng hiệu dụng. Thông số dòng điện để cho van bán dẫn đƣợc tính là dòng điện lớn nhất trong qua trình làm việc. Trong điều khiển xung pha, dòng điện lớn nhất khi góc mở van bán dẫn nhỏ nhất. Góc mở nhỏ nhất của van bán dẫn thƣờng nhận trị số =0 khi dòng điện tải là dòng điện hình sin. Công suất định mức Pđm , điện áp định mức Uđm, hệ số công suât cos, hiệu suất . Dòng điện hiệu dụng chạy qua van bán dẫn khi tải đấu Y ( Hình 2.1 b, 2.2 b ). A U P I f dm HD 74,26 85,0.8,0.220.3 12000 cos3   Trong đó: Uf là điện áp pha’ Dòng điện tính đƣợc là dòng điện để chọn Triac. Nếu sơ đồ chọn là các sơ độ Triac Ivlv=IHD.Nếu sơ đồ chọn là sơ đồ ghép thyristor song song ngƣợc thì dòng điện chọn thyristor. Ở đây ta chọn sơ đồ ghép Thyristor song song ngƣợc. HDvlv II 2 1  =13.37A Trong đó: Ivlv là dòng điên làm việc của van. Lựa chọn điều kiên tỏa nhiệt van bán dẫn lúc đó dòng điện van cần chọn là: Idmv=kIIvlv Trong đó kI là hệ số xét tới điều kiện tỏa nhiệt van Khi chọn theo dòng điện, ngoài việc tính chọn theo dòng điện làm việc dài hạn nhƣ đã tính ở trên, dòng điện này có đƣợc tính chọn theo điều kiện phát nhiệt của van bán dẫn. Một số loại tải, bản thân chế độ làm việc của chúng có dòng điện quá độ Iqđ khá lớn, chẳng hạn nhƣ động cơ điện không đồng bộ. Khi mở máy động cơ không đồng bộ dòng điện lớn từ 5-7 lần dòng định mức. Khi chọn van bán dẫn dòng điện quá độ này đƣợc xét nhƣ thế nào?. Khi dòng điện quá độ này xảy ra trong khoảng thời gian ngắn, cỡ vài giây, quán tính nhiệt chƣa đũ quá nhiệt cho van lúc đó chúng ta chỉ cần kiểm tra Iqđ < Ix (Ix là dòng điện xung của van bán dẫn). GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 19 NGUYỄN HỮU LINH Đƣợc phép bỏ qua quán tính nhiệt của van bán dẫn là vì: khi chọn van, chúng ta có hệ số kI đủ lớn, bản thân kI này nói lên rằng chúng ta đã chọn dòng điện của van bán dẫn lớn hơn dòng điện làm việc thực của chúng. Với điều kiện tỏa nhiệt nào đó, thời gian qua tải ngắn hạn chƣa đủ để quá nhiệt, lúc đó chỉ cần đảm bảo dòng điện chạy qua không vƣợt quá dòng cực đại là đƣợc. Khi dòng điện quá độ xãy ra trong thời gian dài hơn, lúc đó cần xét tới dòng điện quá độ, bằng cách thay đổi hệ số kI lớn hơn. Việc xét ảnh hƣởng của dòng quá độ phải khảo sát một bài toán nhiệt khá phức tạp, nhƣ tính ra công suất lúc quá độ, tính đƣợc thời gian quá độ, có diện tích bề mặt tỏa nhiệt, điệu kiện làm mát nghĩa là giải phƣơng trình : P = dt d CA    Trong đó : P tổn hao trên van bằng Rv i 2 lv biến thiên A là hệ số tỏa nhiệt đặc trƣng cho điều kiện làm mát C là nhiệt dung của van và cánh tỏa nhiệt  là độ chênh nhiệt với môi trƣờng Trong trƣờng hợp này nếu thời gian quá độ đến hàng nhiều phút, thì dòng điện van có thể phải chọn theo dòng điện quá độ, nếu thời gian quá độ nhỏ không đến hàng phút thì dòng điện đƣợc lựa chọn bằng cách thay đổi Ki ở một mức độ nhất định nào đó là đủ. b.Tính chọn van theo điện áp : Với các sơ đồ điều áp ba pha không trung tính, điện áp của van bán dẫn nên chọn theo điện áp dây của lƣới. Do đó điện áp làm việc cực đại Ulv của van bán dẫn đƣợc tính: fdlv UUU 62  =537,4V Trong đó: Ud - điện áp dây của lƣới ba pha. Uf - điện áp pha Điện áp của van bán dẫn Uv đựơc chọn: Uv=Kdt.Ulv Trong đó Kdt hệ số dự trữ điện áp thƣờng chọn Kdt>1,6. Chọn Kdt=1,8. Tuỳ theo khả năng thiết bị mà ta có hệ số Kdt có thể càng lớn càng tốt . Sau khi tính đƣợc dòng điện và điện áp, tra các sổ tra cứu hoặc bảng...., trong tài liệu này, chọn đƣợc linh kiện cần tìm, kiểm tra lại linh kiện này theo dòng điện quá độ. c. Bảo vệ các linh kiện bán dẫn: Cũng nhƣ các thiết bị bán dẫn khác, ở đây bảo vệ van bán dẫn cũng cần có các loại bảo vệ nhƣ (Hình 2.5). Các loại bảo vệ thông dụng, bao gồm bảo vệ ngắn mạch bằng Aptomat AT, dòng điện định mức của Aptomat đƣợc chọn bằng (1,1 - 1,3) lần dòng điện định mức của tải, dòng điện ngắn mạch của Aptomát đƣợc chỉnh lớn hơn dòng điện quá độ của tải IQĐ nhƣng nhỏ hơn dòng điện xung của van bán dẫn Ixv GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 20 NGUYỄN HỮU LINH IQĐ < IATNM < Ixv - Bảo vệ xung điện áp từ lƣới bằng mạch R1C1 đƣợc chọn nhƣ chƣơng 8. - Bảo vệ xung điện áp do chuyển van R2C2 cũng có thể đƣợc chọn gần đúng: R2= (5  30) , C2 = (0,5  4)F. Ta thiết kế mạch động lực cho khởi động mềm động cơ không đồng bộ roto dây quấn có các thông số sau: P=12kw, n=1420v/phút , =0,85, cos = 0,8; Y-380V. fđm=50Hz. Thời gian mở máy của động cơ không quá lớn tkđ= 3s . Mặt khác dòng điện ở đây đáng kể, nên việc chọn Triac để điều khiển sẽ phải tăng cấp điều kiện làm mát. Vì vậy ở đây chúng ta chọn sơ đồ với các cặp tiristo nối song song ngƣợc nhƣ (Hình 2.6). Dòng điện động cơ: A U P I d dm dc 81,26 85,0.8,0.380.3 12000 .cos3    Dòng điện chạy qua mỗi Tiristo ZA ZB ZC R2 R2 R2 C2 C2 C2 C1 C1 C1 R1 R1 R1 Hình 2.5 : Mạch động lực và các thiết bị bảo vệ của điện áp xoay chiều 3 pha GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 21 NGUYỄN HỮU LINH A I I dclvT 41,13 2 81,26 2 .   Dòng điện làm việc của Tiristo 88,4A là đáng kể, do đó tổn hao trên Tiristo khá lớn, nên chọn điều kiện làm mát cho Tiristo là có cánh toả nhiệt, có quạt đối lƣu không khí. Với điều kiện này Tiristo cho làm việc với dòng điện đến 50% dòng điện định mức. Dòng điện của Tiristo cần chọn: A I I lvTdmT 81,26 50 100.41,13 50 100.. .   Điện áp của Tiristo khi ở trạng thái khoá V UU dTlv 537380.2 2   Điện áp định mức của Tiristo cần chọn: V UKU TlvdtTdm 966537.8,1 .   Tiristo mắc vào lƣới xoay chiều 50Hz nên thời gian chuyển mạch của Tiristo không có ảnh hƣởng lớn đến việc chọn Tiristo. Từ các thông số trên ta chọn Tiristo loại N029RH10 có các thông số: R2 R2 R2 C2 C2 C2 C1 C1 C1 R1 R1 R1 Hình 2.6 : Sơ đồ động lực điều khiển khởi động động cơ không đồng bộ A1 B1 C1 GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 22 NGUYỄN HỮU LINH Uđm = 1000 V Uđk = 2,5 V Tcp = 125 0 C Iđm = 30 A ITG = 160 mA U = 1,93 V IX = 0,5 KA Idò = 5 mA Iđk=0.15 A 3. Thiết kế mạch điều khiển Hiện nay mạch điều khiển chỉnh lƣu thƣờng đƣợc thiết kế theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính Khi điện áp xoay chiều đặt vào anot của thyristor, để có thể điều khiển đƣợc góc mở của thyristor trong vùng điện áp dƣơng (+) anot, ta cần tạo điện áp tựa tam giác và thƣờng đƣợc gọi là điện áp răng cƣa. Nhƣ vậy ta cần có trong vùng điện áp dƣơng anot. A. Chọn khâu đồng pha Ngày nay các vi mạch đƣợc chế tạo càng nhiều, chất lƣợng ngày càng cao, kích thƣớc ngày càng gọn, ứng dụng các vi mạch vào thiết kế đồng pha có thể cho ta chất lƣợng điện áp tựa tốt và để hạn chế các nhƣợc điểm là việc mở, khóa các tranzitor trong vùng điện áp lân cận 0 là thiếu chính xác, làm cho việc nạp và xả tụ trong vùng điện áp lƣới gần 0 không đƣợc nhƣ ý muốn nên trên cơ sở đó hiện nay chúng ta thƣờng dùng sơ đồ khuất đại thuật toán (KĐTT), đƣợc mô tả ở hình a. Hình A: Khâu đồng pha (KĐTT) B. Chọn khâu so sánh: Để xác định đƣợc thời điểm cần mở của thyristor chúng ta cần so sánh hai tính hiệu Udk và Urc . việc so sách tín hiệu đó có thể đƣợc thực hiện bằng tranzitor và khâu khuất đại thuật toán . Tại thời điểm Udk = Urc đầu đầu ra của bộ so sánh lật trạng thái. GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 23 NGUYỄN HỮU LINH Khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại vô cùng lớn, chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ đầu vào, đầu ra đã có điện áp nguồn nuôi, nên ứng dụng khuếch đại thuật toán làm khâu so sánh la hợp lý nên ta có sơ đồ hình B . Hiện nay sơ đồ này đƣợc dùng rất thƣờng xuyên ƣu điểm của sơ đồ này là có thể phát xung điều khiển chính xác tại Udk = Urc. Hình B.: khâu so sánh C. Khâu tạo xung khuếch đại: Với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor nhƣ đã nêu nhƣ trên, tầng khuất dại cuối thƣờng đƣợc thiết kế tranzitor công suất. trong thực tế ta thƣờng dùng tầng khuất đại cuối cùng bằng darlington ( hình C) ở sơ đồ này ta có thể đáp ứng đƣợc yêu cầu khuếch đại công suất, khi hệ số khuếch đại đƣợc nhân lên theo thong của tranzitor. Hình C: khâu khuếch đại cuối cùng Mạch điều khiển điều áp ba pha giống mạch điều khiển của điều áp một pha khi tải đấu sao có trung tính. Vì lúc đó dòng điện tải đƣợc chạy giữa pha với trung tính. Giả GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 24 NGUYỄN HỮU LINH sử có một van hay một pha không có dòng điện cũng không làm ảnh hƣởng tới hoạt động của các van bán dẫn còn lại. ở mạch ba pha không trung tính dòng điện chạy qua tải là dòng điện chạy giữa các pha với nhau. Tại mỗi thời điểm phải có hai pha hoặc ba pha có van bán dẫn, không khi nào chỉ một pha có van bán dẫn dẫn cả. Cấp xung điều khiển cho điều áp xoay chiều có thể cấp bằng xung đơn hoặc xung chùm. Cấp xung điều khiển loại nào tuỳ thuộc chế độ làm việc của tải. Thƣờng gặp hiện nay trong điều áp ba pha có hai cách điều khiển : - Xung điều khiển cấp đơn nhƣng phải đệm xung điều khiển. - Xung điều khiển cấp bằng chùm xung. D. Điều khiển bộ điều áp ba pha với xung đơn * Khi van động lực là Tiristo Khi góc điều khiển  của các van bán dẫn lớn đồng thời có hai Tirisstor cùng dẫn, nhƣ vậy xung điều khiển phải đƣợc cấp đồng thời cho cả hai Tirisstor, hơn nữa hai van đƣợc dẫn ấy phải đƣợc cấp xung theo kiểu một xung chính cần mở với một xung đệm, nguyên tắc đệm xung phải theo đúng thứ tự pha. Nhƣ việc cấp xung trên (Hình 2.7) X1- một chữ số xung cần mở T1. X6-1 xung đệm từ T6 sang T1. Trên Hình 2.7 vẽ lại đƣờng cong điện áp tải Hình 9.9 với góc mở van bán dẫn  lớn ( 6 4   ). Để có đƣờng cong điện áp pha A nhƣ hình vẽ, chúng ta cần cấp xung điều khiển theo thứ tự nhƣ Hình 2.7. Mỗi Tiristo trong một chu kỳ đƣợc cấp hai xung điều khiển, trong đó xung trƣớc X1 là xung chính quyết định góc mở của nó, còn xung thứ hai X6-1 là xung đệm đƣợc nhận từ Tiristo cần mở của pha khác tới. Điện áp và dòng điện ở đây gián đoạn, vì vậy không có xung đệm X1-4 T1 không thể mở một van trong bộ điều áp ba pha đƣợc. Chúng ta hãy lý giải điều này qua mạch động lực Hình 2.6 và dạng xung điều khiển và điện áp tải Hình 2.7. Tại t2 góc 6 4   của T1(UA>0) phát xung X1 điều khiển T1 ,đồng thời đệm xung T 4 - X1-4 (xung thứ hai của T4 ) lúc này với UA>>UB (điện áp pha A dƣơng hơn pha B). T1 và T4 cùng dẫn, chừng nào UA còn dƣơng hơn UB. Điện áp trên tải pha A nếu coi tải đối xứng thì UA=1/2UAB. Đến t'2 do điện áp UB dƣơng hơn UA (nếu bỏ qua ảnh hƣởng điện cảm coi góc  không đáng kể) nên T1 và T4 bị khoá tại t'2. Đến t3 là góc 6 4   của T6 (UC<0), ta phát xung X6 điều khiển T6 đồng thời theo đúng thứ tự pha đệm xung T1, X6-1 lúc này do UC<<UA (điện áp C âm hơn A) nên T1 và T6 cùng dẫn, tƣơng tự nhƣ trên hai tiristo này sẽ cùng dẫn chừng nào UC âm hơn UA. Nhƣ vậy đến t3' khi điện áp UA trở nên âm hơn UC, (bỏ qua thành phần điện cảm GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 25 NGUYỄN HỮU LINH của tải nên bỏ qua góc trễ ) T6, T1 phân cực ngƣợc sẽ tự khoá, ta có điện áp trên tải UA1=1/2 UAC Hình 2.7: hình dạng đƣờng cong điện áp tải với các xung Điều khiển van Tƣơng tự nhƣ T1 , T2 đƣợc mở bởi xung chính tại t5 cùng với T3 và đƣợc mở với xung đệm của T5 tại t6 Từ những khảo sát ở trên thấy rằng tại thời điểm phát lệnh mở van mà không có xung đệm cho Tiristo ở pha kế tiếp theo thứ tự pha và ở nhóm ngƣợc lại, thì các Tiristo không thể dẫn đƣợc. GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 26 NGUYỄN HỮU LINH Khi góc mở van nhỏ, dòng điện tải ít gián đoạn hơn, lúc đó xung đệm chỉ có ý nghĩa tại thời điểm khởi động ban đầu thôi. Do dòng điện liên tục đƣợc đến cuối chu kỳ, nên xung đệm của các van là không có ý nghĩa khi đã khởi động xong. Trên Hình 2.8 , nếu nhƣ tại 6    phát xung mở T1, mà T4,T6 chƣa dẫn, lúc này điện áp UA dƣơng hơn và UB âm hơn, dòng điện sẽ phải chạy từ A qua T1 - tải - T4 về B, nhƣng T4 chƣa dẫn, nếu không có xung điều khiển X1-4 cả T1 và T4 đều không dẫn. Yêu cầu bắt buộc tại đây phải có xung đệm X 1-4 cho T4. Khi T1 đã dẫn rồi thì xung đệm thứ hai cho van T1 - X6-1 khi mở T6 sẽ không còn ý nghĩa nữa. Ta có thể nhìn thấy điều này khi tại 2  là góc 6    của T6 ,lúc này cấp xung điều khiển T6 có đệm xung T1 , nhƣng vì T1 dẫn rồi nên xung đệm X6-1 tại đây không còn ý nghĩa nữa. Tóm lại trong điều áp 3 pha, khi góc mở nhỏ, xung đệm chỉ có ý nghĩa ở chu kỳ đầu, ngay sau khi đóng điều khiển, Khi góc mở lớn, điện áp gián đoạn nhiều, thì bắt buộc phải có xung đệm mới hoạt động đƣợc. Hình 2.8 : Hình dạng đƣờng cong điện áp tải và các xung điều khiển khi 6    H×nh 9.53: GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 27 NGUYỄN HỮU LINH Trong mạch điều khiển, các xung đệm đƣợc thực hiện nhƣ thế nào? Việc tạo xung đệm bằng một biến áp xung hai cuộn dây thứ cấp nhƣ Hình 2.9 .cũng có thể đƣợc thực hiện. Khi có lệnh điều khiển Tiristo T1 từ mạch diều khiển của T1 , thì đồng thời có xung điều khiển đƣa tới hai Tiristo T1 và T4. Tuy nhiên việc điều khiển nhƣ thế này cũng gặp nhƣợc điểm nhƣ đã nêu ở trên. Khi một biến áp xung cung cấp cho hai Tiristo, công suất cấp có thể không nhƣ nhau. Ngoài ra nhƣ trên Hình 2.9, tới cực điều khiển của mỗi Tiristo có hai cuộn dây thứ cấp của hai biến áp xung lấy từ hai kênh điều khiển khác nhau. Điều này sẽ làm phức tạp trong chế tạo biến áp lắp đặt , hiệu chỉnh mạch điều khiển. Vì lý do đó mà việc đệm xung bằng biến áp ít có ứng dụng trong thực tế. Phƣơng pháp đệm xung phổ biến là đƣa tới trƣớc tầng khuếch đại, nhƣ Hình 2.10. Để giải quyết bài toán cấp xung điều khiển đồng thời cho hai Tiristo, trƣớc khi đƣa tới tầng khuếch đại cần có thêm cổng hoặc H. Tín hiệu từ khâu so sánh của kênh điều khiển T1 đƣợc đƣa tới cổng hoặc của chính tầng khuếch đại T1 , ngoài ra tín hiệu M§K T6 M§K T1 M§K T4 T6 T1 tíi T5 Hình 2.9 : Đệm xung bằng biến áp GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 28 NGUYỄN HỮU LINH này còn đƣợc đƣa tới cổng hoặc của T4 để đệm xung mở T4. Tới cổng vào của H1 ngoài tín hiệu từ mạch điều khiển T1 còn thêm tín hiệu đệm đƣợc nhận từ T6 (Xem giản đồ xung hình 2.7). Lúc này để điều khiển T1 trong một chu kỳ sẽ có hai xung điều khiển: một xung thứ nhất do chính mạch điều khiển kênh T1 phát lệnh, xung thứ hai do kênh điều khiển T6 phát lệnh. . Một mạch điều khiển do bộ điều áp xoay chiều ba pha với 6 Tiristo đƣợc giới thiệu trên Hình 2.11 a cho mạch động lực Hình 2.5. Nguyên lý tạo xung điều khiển của một Tiristo T1 nhƣ mô tả trên Hình 2.11 b. Điện áp đồng pha của pha A chỉnh lƣu cả chu kỳ đƣa vào khuyếch đại thuật toán A1 và A2, tạo nên điện áp tựa UC. Điện áp tựa này đƣợc kéo lên trên trục hoành nhờ VR2 thành điện áp răng cƣa Urc. . Điện áp răng cƣa Urc so sánh với điện áp điều khiển Uđk. Tại các thời điểm t1, t2 ,t3, t4, t5, t6 , Uđk=Urc , khuyếch đại A3 lật dấu, ta có điện áp UDA. Khi cả UDA và UE dƣơng, đầu ra của cổng và V1 có xung ra trong khoảng t1- t2 tín hiệu này đƣợc đƣa tới H1 và đầu ra của H1 có xung trong khoảng t1 - t2. H1 nhận tín hiệu đồng thời của cả V1 lẫn V6. Tƣơng tự nhƣ V1 chúng ta có tín hiệu của V6 dịch pha một góc 3  . Kết quả là H1 có hai xung liên tiếp và cách nhau 3  , đầu ra biến áp xung cũng liên tiếp tƣơng ứng với đầu ra H1. Trên sơ đồ Hình 2.11 a hai xung điều khiển cho một Tiristo trong mỗi chu kỳ nhƣ Hình 2.11 b chỉ xuất hiện khi góc điều khiển 3 2   . Nếu 3 2   xung đệm thứ hai chỉ xuất hiện ở mỗi thời điểm mồi ban đầu, còn các chu kỳ kế tiếp khi van đã mở liên tục rồi, xung đệm này có thể không xuất hiện nữa. Mạch điều khiển bộ điều áp ba pha khi van động lực là Triac về nguyên lý gần nhƣ hoàn toàn giống mạch điều khiển của bộ điều áp bằng 6 Tiristo trên Hình 2.11. Bởi vì, về nguyên lý Triac chính là hai Tiristo mắc song song ngƣợc. Phần khác nhau của chúng nằm ở tầng khuyếch đại. Khi van động lực là Triac thì chỉ cần một tầng khuyếch đại cho một triac mỗi pha. Do đó mạch điều khiển Hình 2.11 lúc này thành mạch điều khiển Hình 2.12 b. GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 29 NGUYỄN HỮU LINH Hình 2.11: Sơ đồ mạch điều khiển bộ điều áp ba pha hình 2.5. GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 30 NGUYỄN HỮU LINH E. Điều khiển điều áp ba pha bằng xung chùm GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 31 NGUYỄN HỮU LINH Nhƣ đã giới thiệu ở trên, mạch điều khiển điều áp xoay chiều với xung đơn (một xung tại thời điểm phát lệnh mở van ) có ƣu điểm là đơn giản, và thích hợp với những tải thuần trở nhƣ: Sợi đốt các lò điện, chiếu sáng ...Với những tải có thành phần điện cảm nhƣ động cơ không đồng bộ, biến áp... (đặc trƣng của những loại tải này là có góc trễ  giữa điện áp với dòng điện). Để đảm bảo các van bán dẫn mở cả hai chiều điện áp, khi góc mở  nhỏ hơn góc trễ giữa dòng điện và điện áp tải (   ) chúng ta sẽ phải tăng độ rộng xung điều khiển bằng cách tạo xung chùm nhƣ đã giới thiệu ở trên. ở mạch điều áp ba pha điều khiển van bán dẫn bằng chùm xung ngoài vịêc giải quyết dẫn đều các van khi góc  lớn còn có thể giải quyết luôn bài toán về đệm xung điều khiển trong một số trƣờng hợp góc mở. Chúng ta sẽ giải thích trƣờng hợp này theo đƣờng cong Hình 2.13 sau: Trên Hình 2.8, để có điện áp tải pha A, tại thời điểm đóng điện chúng ta phải đệm xung mở T1 cho T4 X1-4 . Nếu điều khiển bằng chùm xung thì việc đệm xung nhƣ Hình 2.8 là không cần thiết. Từ Hình 2.13 thấy rằng, tại 6    phát xung điều khiển T1, lúc này xung chùm của T4 đang phát chờ sẵn, hơn nữa T4 còn đang đƣợc mở chờ sẵn do T5 và T4 đã có chùm xung điều khiển từ 0. Do đó khi có xung điều khiển T1 thì T1 đƣợc mở cho dòng điện chạy qua pha A ngay, mà không cần phải gửi xung đệm nhƣ trên Hình 2.8. Chùm xung điều khiển chỉ thay cho xung đệm trong một dải điều khiển từ 0 đến 120 0. Đối với những tải không cần điều khiển trong khoảng 1200 đến1800 thì giải A B C  Hình 2.13 : Điều khiển ba pha bằng chùm xung t t t t t t t X1 X2 X3 X4 X5 X6 GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 32 NGUYỄN HỮU LINH quyết bằng chùm xung thay thế cho đệm xung là hoàn toàn hợp lý. (Ví dụ nhƣ với tải là động cơ). Trên Hình 2.14 giới thiệu một mạch điều khiển điều áp ba pha với bộ tạo xung chùm và đệm xung điều khiển giữa các pha. Việc đệm xung điều khiển giữa các pha cho ta chùm xung điều khiển của các Tiristo không chỉ trong nửa chu kỳ điện áp dƣơng Anốt nhƣ trên Hình 9.57 mà chùm xung điều khiển của các Tiristo này sẽ đƣợc nối dài thêm một góc 6  nữa do việc đệm xung tạo nên. Điều này đặc biệt cần khi góc mở của Tiristo lớn hơn 3 2 . * Chọn sơ đồ mạch điều khiển. Khi khởi động động cơ không đồng bộ hệ số công suất cos luôn thay đổi, góc trễ giữa điện áp và dòng điện động cơ thay đổi. Do đó sơ đồ mạch điều khiển hợp lý sẽ là sơ đồ không bị ảnh hƣởng của góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp. Với sơ đồ đã chọn 6 Tiristo trên Hình 2.6 sơ đồ mạch điều khiển chọn bằng chùm xung điều khiển không cần gửi xung điều khiển nhƣ trên Hình 2.14. Vì động cơ không đồng bộ khi mở máy góc mở Tiristo ban đầu đảm bảo cho Umm=65%Uđm thì góc mở Tiristo không lớn hơn 2  do đó việc đệm xung là không cần thiết. Tính toán các thông số linh kiện trên mạch Hình 2.14 đã đƣợc giới thiệu ở chƣơng 8. Nguyên lý điều khiển một mạch điều khiển điều áp xoay chiều một pha trên Hình 2.14 có thể đƣợc giải thích theo các đƣờng cong trên Hình 2.15 nhƣ sau: Điện áp đồng pha với điện áp xoay chiều hình sin UV đƣợc chỉnh lƣu cả chu kỳ UA đƣa vào A1 qua R1 dịch đi một trị số lấy qua VR1. Hai điện áp này đƣa qua khuyếch đại A1 có điện áp ra của A1 là UB. Phần dƣơng của UB tích phân qua khuyếch đại A2 cho ta điện áp tựa UC. Điện áp tựa UC đƣợc kéo lên trên trục hoành bằng điện áp lấy từ VR2.Việc kéo điện áp tựa lên trên trục hoành này chỉ nhằm mục đích để điện áp điều khiển Uđk đồng biến với điện áp ra, nếu không cần làm điều này thì chúng ta có thể bỏ qua điện áp lấy từ VR2. Điện áp điều khiển Uđk so sánh với điện áp tựa Urc tìm thời điểm Urc=Uđk . Tại các thời điểm Urc=Uđk khuyếch đại A3 lật dấu điện áp ra ta có UD nhƣ hình vẽ. Điện áp UD đƣa tới cổng và V11 cùng với tín hiệu xung chùm liên tục lấy từ A6, đầu ra của V11 sẽ có chùm xung khi UD>0 GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 33 NGUYỄN HỮU LINH Hình 2.14: Mạch điều khiển khởi động mềm bằng động cơ hình 2.6 H ìn h 2 .1 4 : M ạc h đ iề u k h iể n k h ở i đ ộ n g m ềm b ằn g đ ộ n g c ơ h ìn h 2 .6 GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 34 NGUYỄN HỮU LINH GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 35 NGUYỄN HỮU LINH Cổng AND V1 sẽ có tín hiệu ra khi đồng thời V11 có xung và VF>0. Lúc đó biến áp xung BA1 có xung điều khiển T1. Cổng và V2 có tín hiệu ra khi đồng thời V11 có xung và VE>0. Lúc đó biến áp xung BA2 có xung điều khiển T2 Kết quả là T1 đƣợc cấp chùm xung điều khiển khi UF>0 trùng với UV>0 và T2 đƣợc cấp chùm xung điều khiển khi UE>0 trùng với UV< 0 . Nếu nhƣ các xung điều khiển T1và T2 bị dịch pha 180 0 thì có thể đảo đầu điện áp vào của biến áp đồng pha hoặc đổi đầu cấp vào của khuyếch đại A4. GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 36 NGUYỄN HỮU LINH II. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN: Sơ đồ 1 kênh điều khiển chỉnh lƣu cầu 3 pha đƣợc thiết kế theo sơ đồ hình 2.11. Tính toán mạch điều khiển thƣờng đƣợc tiến hành từ tầng khuếch đại ngƣợc trở lên. Mạch điều khiển đƣợc tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở thyristor. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển. - Điện áp điều khiển Thyristor : Uđk = 2,5V - Dòng điện điều khiển Thyristor : Iđk = 0.15A - Tần số xung điều khiển : fx = 3kHz - Độ mất đối xứng cho phép :  =4 0 - Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển : U =  12V - Mức sụt biên độ xung : sx = 0.15 1. Tính biến áp xung: + Chọn vật liêu làm lõi là sắt ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hóa có :  =0,3T. H =3.0V + Tỷ số biến áp xung : thƣờng m = 2 – 3, chọn m = 3 + Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung : U2 = Uđk = 2,5V + Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung : U1 = mU2 = 3.2,5 = 7,5V. + Dòng thứ cấp cuộn biến áp xung : I2 = Iđk = 0.15A + Dòng sơ cấp cuộn biến áp xung : I1 = 3 15.02  m I = 0.05A + Độ từ thẩm trung bình tƣơng đối lõi sắt : 3 6 0 10.8 30.10.25,1 3.0 .     H B tb  Hình chiếu lõi máy biến áp xung + Thể tích lõi thép cần có : V=Q.l= 2 110 ..... B IUst xXtb   Thay số : V = 2 663 3.0 05,0.9.15,0.10.167.10.25,1.10.8  = 1.2525. 610 m 3 = 1.2525cm 3 Chọn mạch từ có thể tích V = 1,4 cm3. Với thể tích đó ta có các kích thƣớc mạch từ nhƣ sau: a = 4,5 mm , b = 6 mm, Q = 0,27 cm 2 = 27mm 2 , d = 12mm , D=21 mm + Số vòng dây quấn sơ cấp máy biến áp xung : Theo định luật cảm ứng điện từ : U1 = xt B Q dt dB Q   ..W..W 11 GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 37 NGUYỄN HỮU LINH W1 = 6 6 1 10.27.3,0 10.167.9 . .     QB tU x = 186 vòng + Số vòng dây sơ cấp : W2 = W1/m = 186/3 = 62 vòng + Tiết diện dây quấn thứ cấp : S1 = 6 10.50 3 1 1   J I =0.0083 mm 2 Chọn mật độ dòng điện J1 = 6 A/mm 2 + Đƣờng kính dây quấn sơ cấp : d1 = mm S 102,0 0083,0.4.4 1   chọn d = 0,1 mm + Tiết diện dây quấn quấn thứ cấp : 2 2 2 2 0375,0 4 15,0 mm J I S  Chọn mật độ dòng J2 = 4A/mm 2 + Đƣờng kính dây quấn thứ cấp : mm S d 0477,0 0375,0.4.4 2 1   Chọn dây có đƣờng kính d2 = 0,18mm + Kiểm tra hệ số lấp đầy 03,0 12 62.18,0186.1,0 4 2 22 2 2 11 2 1 2 2211               d WdWd d WSWS K lđ  Nhƣ vậy cửa sổ đủ diện tích cần thiết. 2. Tính tầng khuếch đại cuối cùng Chọn Tranzito công suất Tr3 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung, có các thông số sau : Tranzito loại NPN, vật liệu bán dẫn là Si Điện áp giữa colecto và bazo khi hở mạch emito : UCBO = 40V Điện áp giữa emito và bazo khi hở mạch colecto là : UEBO = 4V Dòng điện lớn nhất ở colecto có thể chịu đựng đƣợc : ICmax = 500mA Công suất tiêu tán ở colecto : PC = 1.7W Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : T1= 175 0 C Hệ số khuếch đại :  =50 Dòng làm việc của colecto : IC3 = I1 = 50 mA Dòng làm việc của bazo : mA I I CB 1 50 503 3   Ta thấy với loại thyristor đã chọn có công suất điều khiển khá bé : Uđk = 3V, Iđk = 0,15 A nên dòng colector-bazo của tranzito Tr3 khá bé, trong trƣờng hợp này ta có thể không cần tranzito Tr2 mà vẫn có đủ công suất tranzito. Chọn nguồn cấp cho máy biến áp xung : E =  12V. Với nguồn E =  12V phải mắc thêm điện trở R11 với cực emito của Tr3, R1 :       60 10.50 912 11 3 1 1 I UE R Tất cả các điôt trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009, có tham số : Dòng định mức : Iđm = 10mA Điện áp ngƣợc lớn nhất : UN = 25A GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 38 NGUYỄN HỮU LINH Điện áp để điot mở thông : Um = 1V 3. Chọn cổng AND Toàn bộ mạch điều khiển phải dùng 6 cổng AND nên ta chọn hai IC 4081 họ CMOS. Mỗi IC 4081 có 4 cổng AND. Các thông số : Nguồn nuôi IC : VCC = 3 - 9V, chọn 12V Nhiêt độ làm việc : -400C – 800C Điện áp đáp ứng với mức logic “1” : 2 – 4,5V Dòng điện : < 1mA Công suất tiêu thụ : P = 2,5 nW/1 cổng 4. Chọn R10 Điện trở R9 dùng để hạn chế dòng đƣa vào bazo của tranzito Tr3, chọn R9 thỏa mãn điều kiện R10   k I U r 5.4 10.1 5,4 3 3 Chọn R10 = 4.5 k 5. Tính bộ tạo xung chùm Mỗi kênh điều khiển phải dùng 4 khuếch đại thuật toán, dó đó ta chọn 6 IC TL084 do Texas Instruments chế tạo, các IC này có khuếch đại thuật toán. Thông số TL084 : - Điện áp nguồn nuôi : VCC =  18V - Hiệu điện thế giữa 2 đầu vào :  30V - Nhiệt độ làm việc : T = -25 -> 85 0 C - Công suất tiêu thụ : P = 680mW = 0,68W - Tổng trở đầu vào : Rin = 10 6 M  - Dòng ra : Ira = 30pA - Tốc độ biến thiên điện áp cho phép : sV dt du /13 Sơ đồ chân IC TL084 xem hình Mạch tạo chùm xung có tần số f = 1/2tx = 3kHz hay chu kỳ chùm xung : s f T 334 1  Ta có : T = 2.R8.C2        7 6.21ln R R Chọn R7 = R8 = 33k thì T = 2,2.R9.C2 = 334 s Vậy R9.C2 = 151,8 s Chọn tụ C2 = 0,1 s có điện áp U = 16V -> R9 = 1,518 Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch, ta chọn R8 là biến trở 2 k . 6. Tính chọn tầng so sánh Khuếch đại thuật toán đã chọn loại TL084 Chọn R5 = R6>   k I U V V 12 10.1 12 3 Trong đó nếu nguồn nuôi VCC =  12V thì điện áp vào A3 là UV  12V. Dòng vào đƣợc hạn chế để I lv < 1mA. Do đó ta chọn R5= R6 =15k , khi đó dòng vào A3 mAI v 8,0 10.15 12 3max  GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 39 NGUYỄN HỮU LINH 7. Tính chọn khâu đồng pha Điện áp tựa đƣợc hình thành do sự nạp của tụ C1. Mặt khác để đảm bảo điện áp tựa có trong nửa chu kỳ điện áp lƣới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp đƣợc Tr = R3.C1 = 0,005s. Chọn tụ C1 = 0,1 F thì điện trở R4 = 6 1 10.1,0 005,0   C Tr Vậy R4 = 50.10 3  = 5k  Để thuậ lợi điều chỉnh khi lắp ráp mạch, R3 thƣờng đƣợc chọn là biến trở lớn hơn 50k  . Chọn Tranzito Tr1 loại A564 có các thông số sau : Tranzito loại PNP, làm bằng Si. Điện áp giữa colecto và bazo khi hở mạch emito : UCBO = 25V Điện áp giữa emito và bazo khi hở mạch Colecto : UBEO = 7V Dòng điện lớn nhất ở colecto có thể chịu đựng : ICmax = 100mA Nhiệt độ lớn nhất ở mạch tiếp giáp : Tcp = 150 0 C Hệ số khuếch đại :  =250 Dòng cực đại của bazo : mA I I CB 4,0 250 1.0 3   Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào bazo của Tranzito Tr1 đƣợc chọn nhƣ sau : Chọn R3 sao cho R3   30 10.4,0 12 3 max B N I U Chọn R3 = 30 Chọn điện áp xoay chiều đồng pha : UA = 9V Điện trở R2 để hạn chế dòng đi vào khuếch đại thuật toán A1, thƣờng chọn R2 sao cho dòng vào khuếch đại thuật toán IV < 1mA. Do đó R2   k I U V A 9 10.1 9 3 Chọn R2 = 10k Ta có : R1 = R6 GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 40 NGUYỄN HỮU LINH Mục lục Lời nói đầu .................................................................. Error! Bookmark not defined. CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU ............. Error! Bookmark not defined. I. BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA: ............... Error! Bookmark not defined. 1. Trƣờng hợp tải thuần trở ................................... Error! Bookmark not defined. 2. Trƣờng hợp tải R – L ........................................ Error! Bookmark not defined. 3. Đặc tính ............................................................ Error! Bookmark not defined. 4. Phƣơng án các thyristor nối tam giác ................ Error! Bookmark not defined. II. NHÓM TAM GIÁC TỪ BA BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ..... Error! Bookmark not defined. III. BỘ ĐIỀU ÁP BA PHA HỖN HỢP .................... Error! Bookmark not defined. 1. Sự hoạt động của sơ đồ ..................................... Error! Bookmark not defined. 2. Các đặc tính ...................................................... Error! Bookmark not defined. 3. So sánh các bộ điều áp ba pha ........................... Error! Bookmark not defined. 4. Lựa chọn bộ điều áp xoay chiều ........................ Error! Bookmark not defined. 5. Lƣu ý về bộ bù tĩnh: .......................................... Error! Bookmark not defined. IV. ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA: ................ Error! Bookmark not defined. 1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: ....................... Error! Bookmark not defined. 2. Phân loại Động cơ điện xoay chiều ................... Error! Bookmark not defined. 3. Động cơ điện xoay chiều 3 pha ......................... Error! Bookmark not defined. CHƢƠNG II: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU ........ Error! Bookmark not defined. I. Thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha: .............. Error! Bookmark not defined. 1. Tính chọn van ban dẫn: ..................................... Error! Bookmark not defined. 2. Thiết kế mạch điều khiển .................................. Error! Bookmark not defined. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN: .... Error! Bookmark not defined. 1. Tính biến áp xung: ............................................ Error! Bookmark not defined. 2. Chọn cổng AND ............................................... Error! Bookmark not defined. GVHD: TH.S HOÀNG DUY KHANG  ĐỒ ÁN MÔN HỌC TĐĐ SVTH: TRƢƠNG VĂN LINH – Lớp Đ2-K4 Trang : 41 NGUYỄN HỮU LINH 3. Tính bộ tạo xung chùm ..................................... Error! Bookmark not defined. 4. Tính chọn tầng so sánh ..................................... Error! Bookmark not defined. 5. Tính chọn khâu đồng pha .................................. Error! Bookmark not defined.