Nghiên cứu và ứng dụng điện tử công suất điều chỉnh tốc độ động cơ điện KĐB

u chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ Độ trượt tới hạn giữ nguyên giá trị Mômen tới hạn tỉ lệ với bình phương điện áp U2 Mtu = Mt. Với: Trongđó: M tu Mômen tới hạn của động cơ ứng với điện áp điều chỉnh. U2 Điện áp ra của bộ biến đổi. Hình 2.13:. Dạng đặc tính điều chỉnh khi không dùng điệntrở phụ trong mạch roto. Để cải thiện dạng đặc tính điều chỉnh và giảm bớt mức phát nóng của động cơ. Khi dùng động cơ không đồng bộ roto dây quấn, người ta nối thêm một bộ điện trở phụ vào mạch roto. Khi đó: Nếu điện áp đặt vào stato là định mức (U2 = U1) thì ta được đặc tính mềm hơn đặc tính tự nhiên và ta gọi đó là đặc tính giới hạn (đtgh). Nếu giá trị điện áp đặt vào stato khác với giá trị định mức thì mômen tới hạn lúc điều chỉnh điện áp Mtu sẽ thay đổi tỉ lệ với bình phương điện áp còn độ trượt tới hạn thì không đổi, nghĩa là: Mtu = Mt. U22  St = const Khi xét đến tổng trở của bộ biến đổi thì việc xác định đặc tính giới hạn có phức tạp. Khi đó ta xem điện trở rb và điện kháng xb của bộ biến đổi có giá trị cố định không phụ thuộc vào điện áp U2. Lúc đó: Ta được phương trình đặc tính cơ: Dạng đặc tính điều chỉnh trong trường hợp này như hình 2.14: * Nhận xét và ứng dụng Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi điện áp nguồn được sử dụng rộng rãi, nhất là bộ điều chỉnh dùng thyristor vì thực hiện dể dàng và tự động hóa. Xét về chỉ tiêu năng lượng, tuy tổn thất trong bộ biến đổi không đáng kể nhưng điện áp stato bị biến dạng so với hình sin nên tổn thất phụ trong động cơ lớn do đó hiệu suất không cao Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp thường dùng trong hệ truyền động mà mômen tải là hàm tăng theo tốc độ như quạt thông gió, bơm ly tâm, … Hình 2.14: Đặc tính điều chỉnh khi dùng điện trở phụ vào mạch roto. II.2.5. Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi tần số nguồn II.2.5.1: Nguyên lý và quy luật điều chỉnh khi thay đổi tần số Từ biểu thức: Ta thấy, tốc độ đồng bộ của động cơ không đồng bộ có thể thay đổi nếu ta thay đổi tần số lưới điện f1. Do đó tốc độ của động cơ n = n1(1 – S), cũng thay đổi theo. Khi thay đổi tần số lưới điện f1, nhận thấy như sau: Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato, tức là xem r1 = 0 thì mômen tới hạn cực đại là: Mt = (2-13 ) Trong đó: w1 tốc độ góc đồng bộ ( 2-14) ( 2-15 ) ( 2-16) Thay (2-14) và (2- 15) vào (2-13), ta được: ( 2-17) Đặt a = const = Ta có : Biểu thức (2-17) cho ta thấy khi tăng tần số nguồn mà vẫn giữ nguyên U1 thì mômen tới hạn cực đại Mt giảm rất nhiều. Do đó khi thay đổi tần số f1 thì đồng thời phải thay đổi U1 theo các quy luật nhất định nhằm đảm bảo sự làm việc tương ứng giữa mômen động cơ và mômen phụ tải. Nghĩa là tỉ số giữa mômen cực đại của động cơ và mômen phụ tải tĩnh đối với các đặc tính cơ là hằng số. (2-18 ) Đặc tính cơ của bộ phận làm việc là quan hệ giữa tốc độ quay của mômen phụ tải lên trục quay. Mc = f(n) Theo biểu thức thực nghiệm mang tính chất tổng quát để mô tả dạng đặc tính cơ của bộ phận làm việc như sau: Trong đó: Mc Mômen cản của bộ phận làm việc lên trục quay ở tốc độ n (Nm) Mc0 Mômen cản của bộ phận làm việc lên trục quay khi n= 0. Mcđm Mômen cản của bộ phận làm việc lên trục quay khi n = nđm. x là số mũ đặc trưng mô tả dạng đặc tính cơ của bộ phận làm việc (cơ cấu sản xuất) khác nhau. Gồm bốn dạng như sau: * x = 0, ta có: Mc = Mcđm = const, ( 2-18a ) Đây là đặc tính cơ đặc trưng cho hệ thống nâng và luôn có giá trị nhất định (đường 1 trên hình 2.15). * x = 1 Đặc tính cơ có dạng: Mc = a + bn ( 2-18b ) Mc tỉ lệ bậc nhất với tốc độ. Đây là đặc tính đặc trưng cho máy phát điện một chiều kích từ độc lập với phụ tải máy phát là một điện trở thuần ( đường 2 hình 2.15 ). * x = -1 Đặc tính có dạng: ( 2-18c ) Mômen tỉ lệ nghịch với tốc độ, đặc tính này đặc trưng cho các máy cắt kim loại (đường 3 hình 2.15) * x = 2 Đặc tính có dạng: Mc = a + bn2 (2-18d ) Mômen tỉ lệ với bình phương tốc độ, là đặc tính đặc trưng cho máy nén, tàu thủy,..(đường 4 hình 2.15) Hình 2.15: Các dạng đặc tính. Như vậy, muốn điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số ta phải có một bộ nguồn xoay chiều có thể điều chỉnh tần số điện áp một cách đồng thời theo các quy luật như sau: * * * = const Như vậy dạng đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi thay đổi tần số theo quy luật điều chỉnh hình 2.16. Hình 2.16: Các dạng đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi thay đổi tần số theo quy luật điều chỉnh U và f. * Ứng dụng trong công nghiệp Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn được ứng dụng rộng rải trong công nghiệp với ưu điểm gọn nhẹ và dể điều chỉnh. Bộ biến tần dùng trực tiếp thyristor được dùng trong công nghiệp như điều chỉnh tốc độ trong truyền động chính của các máy mài cao tốc, điều chỉnh tốc độ trong các hệ thống băng tải. Bộ biến tần dùng máy phát đồng bộ được ứng dụng khi cần điều chỉnh tốc độ đồng thời cho nhiều động cơ. II.2.6: Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng phương pháp nối tầng II.2.6.1: Phương pháp nối tầng dùng hệ thống van máy điện Đối với những động cơ không đồng bộ roto dây quấn có công suất lớn hoặc rất lớn thì tổn thất công suất trượt sẽ rất lớn. Do đó có thể không dùng được các thiết bị chuyển đổi và điều chỉnh điện trở ở mạch roto. Để vừa tận dụng được năng lượng trượt vừa điều chỉnh được tốc độ động cơ không đồng bộ roto dây quấn, nguời ta sử dụng các sơ đồ nối tầng sau: Sơ đồ nối tầng máy điện, sơ đồ nối tầng van - máy điện, …. ở đây ta chỉ xét sơ đồ nối tầng van - máy điện: Để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ trong các sơ đồ nối tầng, ta thực hiện bằng cách đưa vào roto một sức điện động phụ Ef. Sức điện động phụ này có thể là xoay chiều hoặc một chiều. Trên sơ đồ hình 2.17, ta thấy muốn điều chỉnh tốc độ động cơ thì ta thay đổi sức điện động phụ Ef. Sức điện động này do máy một chiều tạo ra. Giả thiết khi Mc = const và động cơ làm việc ở trạng thái xác lập ứng với một giá trị Ef nào đó. Nếu tăng Ef lên thì dòng I2 giảm mômen điện từ của động cơ giảm và có trị số nhỏ hơn mômen Mc nên tốc độ của động cơ giảm. Khi tốc độ của động cơ giảm thì độ trượt S tăng, làm cho E2 = E2nm S tăng, kết quả là dòng I2 và mômen điện từ của động cơ tăng lên cho đến khi mômen của thiết bị nối tầng cân bằng với Mc thì quá trình giảm tốc kết thúc và động cơ làm việc ở trạng thái xác lập với tốc độ như ban đầu. Hình 2.17: Sơ đồ nối tầng van máy điện Dòng điện chỉnh lưu Id ở mạch roto của động cơ được xác định: (2-19) Trong đó: E2 Trị số hiệu dụng của sức điện động pha ở roto động cơ Ks Hệ số phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu (đối với sơ đồ cầu ba pha Ks = 2,34) Rđt Điện trở đẳng trị của mạch roto tính đổi về phía một chiều Ef Sức điện động của máy một chiều. Khi tốc độ động cơ không đồng bộ n < n1. Nếựu bỏ qua các tổn hao trong động cơ và trong các khâu biến đổi thì công suất động cơ không đồng bộ lấy từ lưới vào P1 = Pđm còn công suất phụ trong mạch roto (công suất trượt) Pf = Pđm S thông qua bộ chỉnh lưu đưa vào phần ứng máy một chiều MC quay, kéo theo FĐ quay. FĐ phát điện trả năng lượng về nguồn với công suất Pf = Pđm S, động cơ làm việc ở trạng thái động cơ. Khi n > n1 thì động cơ làm việc ở trạng thái máy phát. CHƯƠNG III CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DÙNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT III.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp đặt lên cuộn dây stator. * Phương pháp dùng bộ điều chỉnh điện áp bằng tiritor: Đây là bộ điều chỉnh được ứng dụng ngày càng nhiều trong điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ vì có nhiều ưu điểm so với các bộ biến đổi xoay chiều khác như dùng biến áp tự ngẫu, dùng khuếch đại từ,... Sơ đồ nguyên lý của hệ dùng bộ điều chỉnh tiristo như hình vẽ 3.1 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống ding bộ điều chỉnh tiristo Bộ điều chỉnh tiristo này tương đối đơn giản gồm sáu tiristo. Khi ở trạng thái xác lập, các titistor mở ở những góc kích như nhau và không đổi. Khi đó T1, T3, T5 dẫn ở nửa chu kỳ dương còn T2, T4, T6 dẫn ở nửa chu kỳ âm của lưới điện. Điện áp đặt vào stato của động cơ U2( điện áp ra của bộ biến đổi) là những phần của đường hình sin như hình 3.2: Giả thiết đường cong trên hình 3.2 là đồ thị điện áp của pha A đưa vào stato của động cơ qua hai tiristo T1 và T4. Nếu T1 mở ở góc thì T1 sẽ dẫn đến thời điểm do điện áp lưới dương đặt vào Anot và sau đó vẫn dẫn từ đến là nhờ năng lượng điện từ tích luỹ trong dây quấn stato. Tương tự tiristo T4 dẫn ở nửa chu kỳ âm và góc phụ thuộc vào độ trượt S. Để dựng đặc tính cơ điều chỉnh, ta bỏ qua điện trở của tiristo. Khi tiristo đang dẫn và các đặc tính điều chỉnh ứng với những góc khác nhau được vẽ trên hình vẽ 3.3 Hình 3.2: Đồ thị điện áp ở đầu ra của bộ điều chỉnh tiristo Vì điện áp phụ thuộc vào góc pha nên độ trượt tới hạn của các đặc tính điều chỉnh có thể khác với độ trượt St. * Nhận xét và ứng dụng: Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi điện áp nguồn được sử dụng rộng rãi, nhất là bộ điều chỉnh dùng tiristo vì thực hiện dễ dàng và tự động hoá. Xét về chỉ tiêu năng lượng, tuy tổn thất trong bộ biến đổi Hình 3.3: Các đặc tính điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB dùng điều chỉnh tiristo không đáng kể nhưng điện áp stato bị biến dạng so với hình sin lên tổn thất tổn thất phụ trong động cơ lớn do đó hiệu suất không cao. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp thường dùng trong hệ truyền động mà mômen tải là hàm tăng theo tốc độ như quạt gió, bơm ly tâm... III.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng bộ biến tần điện tử công suất. Để tạo ra các bộ biến tần có U và f thay đổi được, người ta có thể dùng các bộ biến tần với máy điện quay như máy phát đồng bộ, máy phát không đồng bộ hoặc dùng bộ biến tần bán dẫn. So với các bộ biến tần bán dẫn, bộ biến tần máy điện quay có nhiều nhược điểm và ngày càng ít dùng. Các bộ biến tần bán dẫn gồm có : Bộ biến tần bán dẫn trực tiếp và bộ biến tần có khâu trung gian một chiều. III.2.1 Bộ biến tần trực tiếp dùng Tiristo. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng bộ biến tần dùng trực tiếp tiristo có sơ đồ nguyên lý như hình vẽ 3.4. Bộ biến tần này gồm 18 tiristo chia cho ba pha. Mỗi pha chia làm hai nhóm: Nhóm có catốt nối chung lại gọi là nhóm thuận T, cung cấp phần điện áp dương trên mỗi pha động cơ. Nhóm có anốt nối cung gọi là nhóm nghịch cung cấp điện áp đầu ra cho nửa chu kỳ âm. Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý của bộ biến tần trực tiếp dùng tiristo Ở mỗi pha có dùng hai cuộn kháng để làm giảm dòng điện cân bằng của các tiristo khi chuyển mạch giữa nhóm thuận và nhóm nghịch. Nếu gọi tần số nguồn vào là f1, số pha điện áp đầu ra là m (m=3), số đỉnh hình sin của sóng điện áp đầu vào trong nửa chu kỳ của điện áp dầu ra là n thì tần số điện áp đầu ra của bộ biến tần là: f2 = Như vậy: muốn thay đổi tần số f2 ta thay đổi số đỉnh hình sin của điện áp đầu vào trong nửa chu kỳ của điện áp đầu ra ( tức là thay đổi thời gian làm việc của tiristo trong cùng một nhóm thuận hay nghịch so với chu kỳ sóng điện áp đầu vào). Muốn thay đổi trị số điện áp đầu ra của bộ biến tần là U2 ta thực hiện khống chế thời gian kích xung lên các tiristo so với thời điểm chuyển mạch tự nhiên. Tức là tạo ra một sóng điện áp đầu ra có trị số trung bình nhỏ hơn trị số trung bình của điện áp đầu ra khi chuyển mạch tự nhiên. Dạng sóng điện áp đầu ra của bộ biến tần như hình vẽ sau: Hình 3.5: Đồ thị điện áp một pha của bộ biến tần trực tiếp dùng tiristo III.2.2. Bộ biến tần dùng tiristo có khâu trung gian một chiều. Bộ biến tần có khâu trung gian một chiều là bộ biến đổi hai tầng. Nhóm chỉnh lưu có chức năng biến đổi điện xoay chiều thành một chiều. Sau khi qua bộ lọc, điện áp một chiều được nghịch lưu thành điện áp xoay chiều có tần số biến đổi. Nhóm nghịch lưu ở đây làm việc độc lập với lưới, nghĩa là các van của chúng chuyển mạch cho nhau theo chế độ cưỡng bức, ta gọi nghịch lưu này là nghịch lưu áp. Tần số đầu ra được điều chỉnh nhờ thay đổi chu kỳ đóng cắt các van trong nhóm nghịch lưu còn điện áp ra có thể điều chỉnh nhờ thay đổi góc thông của các van trong nhóm chỉnh lưu. Sơ đồ nguyên lý của bộ biến tần có khâu trung gian một chiều như hình vẽ 3.6: Đây là sơ đồ nguyên lý của bộ biến tần có khâu trung gian một chiều dùng nghịch lưu áp. Nhóm chỉnh lưu gồm 6 tiristo T7T12 làm nhiệm vụ biến điện áp xoay chiều thành một chiều. Bộ lọc phẳng gồm kháng L0 và tụ C0. Phần chính của bộ nghịch lưu là các tiristo T1 T6, chúng được mở theo thứ tự T1, T2, T3, T4, T5, T6, cách nhau 1/6 chu kỳ áp ra. Như vậy bằng cách thay đổi khoảng thời gian dẫn của các tiristo ta thay đổi được chu kỳ của điện áp ra tức là điều chỉnh điện áp ra. Để chuyển mạch giữa các van, ta dùng các tụ C1C6. Giả sử trong khoảng thời gian nào đó T1 và T2 dẫn, tụ C1 được nạp từ nguồn ( hình 3.6). khi kích xung mở T3 tụ C1 phóng qua T1 và T3 tạo ra dòng khoá T1 làm T3 dẫn. Các điốt D1D6 có tác dụng ngăn cách các tụ chuyển mạch với phụ tải, không cho các tụ phóng điện qua tải. Nhờ vậy điện dung yêu cầu của tụ được giảm nhỏ và áp trên tải không bị ảnh hưởng bởi sự phóng nạp của tụ. Các điốt D7 D12, tạo thành một cầu ngược có tác dụng mở cho dòng phản kháng từ phía động cơ về tụ C0, dòng điện này xuất hiện do sự chênh lệch pha giữa dòng và áp trên động cơ. Các tiristo của nghịch lưu chuyển mạch theo tín hiệu điều khiển nên cực tính điện áp trên mỗi pha stato thay đổi theo tần số điều khiển. Điện áp pha đưa vào động cơ có dạng như hình vẽ 3.6 Ứng dụng trong công nghiệp: Bộ biến tần dùng trực tiếp tiristo được dùng trong công nghiệp như điều chỉnh tốc độ trong truyền động chính của các máy mài cao tốc, điều chỉnh tốc độ trong các hệ thống băng tải. Bộ biến tần dùng máy phát đồng bộ được ứng dụng khi cần điều chỉnh tốc độ đồng thời cho nhiều động cơ. Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần có khâu trung gian một chiều Hình 3.7: Đồ thị điện áp trên đầu ra của biến tần có khâu trung gian một chiều III.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi xung điện trở rôto dây quấn. Phương pháp này điều chỉnh tốc độ với ưu điểm là dễ dàng tự động hóa. Điện trở trong mạch ro to động cơ không đồng bộ: r2 = r2d + rf Trong đó: r2d điện trở dây quấn roto rf điện trở phụ mắc thêm vào mạch roto Mômen của động cơ không đồng bộ có thể tính theo dòng điện roto là: (3 -1 ) Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch roto thì mômen tới hạn của động cơ không đổi còn độ trượt tới hạn tỉ lệ bậc nhất với điện trở. Nếu xem đoạn đặc tính làm việc của động cơ không đồng bộ, tức là đoạn có độ trượt S = 0 đến S= St là thẳng thì khi điều chỉnh điện trở, ta có thể viết: ( 3 - 2) Trong đó: S là độ trượt khi điện trở mạch roto là r2. Si là độ trượt khi điện trở mạch roto là r2d. thay (3-2) vào (3-1), ta được biểu thức mômen. ( 3 - 3) Nếu giữ dòng điện roto không đổi thì mômen cũng không đổi và không phụ thuộc vào tốc độ của động cơ. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh điện trở mạch roto bằng phương pháp xung như hình 3.8 Điện áp U2 được chỉnh lưu bởi cầu điốt chỉnh lưu qua cuộn kháng lọc L được cấp vào mạch điều chỉnh gồm điện trở Ro nối song song với T1 sẽ được đóng ngắt một cách chu kỳ nhằm điều chỉnh giá trị trung bình của điện trở toàn mạch. Hình 3.8: a. Sơ đồ nguyên lý b. Phương pháp điều chỉnh c. Phạm vi điều chỉnh Hoạt động của mạch như sau: Khi khóa T1 ngắt điện trở Ro được đóng vào mạch, dòng điện roto giảm với tần số đóng ngắt nhất định. Nhờ điện cảm L mà dòng điện roto coi như không đổi và khi T1 đóng thì điện trở R0 bị loại ra khỏi mạch, dòng điện roto tăng lên, ta có giá trị tương đương điện trở Rc và thời gian ngắt tn= T – tđ Nếu điều chỉnh tỉ số giữa thời gian ngắt và thời gian đóng tđ thì ta điều chỉnh được giá trị điện trở trong mạch roto. (3- 4 ) Điện trở tương đương Rc trong mạch một chiều được tính đổi về mạch xoay chiều ba pha ở roto theo qui tắc bảo toàn công suất. Tổn hao trong mạch roto: (3-5 ) ( 3-6 ) Cơ sở để tính đổi tổn hao công suất là như nhau, nên: Với sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha thì : Id = 1,5 I22 ( 3-7 ) nên: ( 3-8 ) Khi có điện trở tính đổi, ta dể dàng dựng được đặc tính cơ theo phương pháp thông thường. Họ đặc tính cơ này quét kín phần mặt phẳng giới hạn bởi đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ có điện trở phụ Rf= Ro /2 Với sơ đồ hình 3.8 muốn mở rộng phạm vi điều chỉnh ta có thể mắc nối tiếp với điện trở Ro một tụ điện đủ lớn. * Nhận xét và ứng dụng: +Nhận Xét. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch roto có các ưu điểm sau: - Có tốc độ phân cấp. - Tốc độ điều chỉnh nhỏ hơn tốc độ cơ bản. - Tự động hóa trong điều chỉnh được dể dàng. - Hạn chế được dòng mở máy. - Làm tăng khả năng mở máy của động cơ khi đưa điện trở phụ vào mạch roto - Các thao tác điều chỉnh đơn giản. - Giá thành chi phí vận hành, sữa chữa thấp. Mặc dù có các ưu điểm như trên nhưng vẫn còn các nhược điểm sau: Tốc độ ổn định kém Tổn thất năng lượng lớn. + Ứng dụng Đây là phương pháp được sử dụng rộng rải, mặc dù không được kinh tế lắm. Thường được dùng đối với các hệ thống làm việc ngắn hạn hay ngắn hạn lặp lại và dùng trong các hệ thống với yêu cầu tốc độ không cao như cầu trục, cơ cấu nâng, cần trục, thang máy và máy xúc … III.4. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng nối tầng dùng điện tử công suất. Để vừa điều chỉnh được tốc độ động cơ vừa tận dụng được công suất trượt, ta khảo sát sơ đồ điều chỉnh công suất trượt (hay nối tầng) dùng thyristor như hình 3.9 Trên sơ đồ hình 3.9, năng lượng trượt từ roto động cơ không đồng bộ sau khi đã chỉnh lưu thành một chiều được biến thành xoay chiều nhờ bộ nghịch lưu và trả về lưới điện nhờ biến áp BA. Sức điện động phụ đưa vào mạch roto của động cơ không đồng bộ là sức điện động của bộ nghịch lưu. Trị số của nó được điều chỉnh bằng cách thay đổi góc mở của các van thyristor trong bộ nghịch lưu. Điện áp xoay chiều của bộ nghịch lưu có biên độ và tần số không đổi do được xác định bởi điện áp và tần số của lưới điện. Bộ nghịch lưu làm việc với góc điều khiển a thay đổi từ 90o đến 240o, phần còn lại dành cho góc chuyển mạch g. Độ lớn dòng điện roto phụ thuộc vào mômen tải của động cơ mà không phụ thuộc vào góc điều khiển nghịch lưu. Điện áp U2 được chỉnh lưu thành điện áp một chiều nhờ bộ chỉnh lưu D1 ¸ D6 qua điện kháng lọc L cấp cho nghịch lưu và phụ thuộc vào nghịch lưu. Hình 3.9: Hệ thống nối tầng van máy điện a. sơ đồ nguyên lý b.giản đồ năng lượng Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu và nghịch lưu là như nhau: Ud = Udn Sai lệch về giá trị tức thời giữa điện áp chỉnh lưu và nghịch lưu chính là điện áp trên điện kháng lọc L. Giả thiết bỏ qua điện trở và điện kháng tản của mạch stato và xem động cơ có số vòng dây stato và roto là như nhau, thì giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu khi Id= 0 là: Trường hợp khi có tải Id ¹ 0 thì điện áp này giảm xuống do sụt áp chuyển mạch giữa các van trong cầu chỉnh lưu và sụt áp do điện trở dây quấn roto. * Nhận xét Các sơ đồ nối tầng có nhiều ưu điểm so với các sơ đồ nối điện trở phụ vào mạch roto hoặc thay đổi các thông số của động cơ. Trong các hệ thống nối tầng, công suất trượt được trả về lưới điện hoặc đưa lên trục động cơ làm tăng công suất kéo của nó. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng hệ thống nối tầng có khả năng điều chỉnh bằng phẳng. Đặc tính điều chỉnh có độ cứng cao, phạm vi điều chỉnh tốc độ phụ thuộc vào công suất của máy MC và FĐ. Tuy vậy, hệ thống phải sử dụng thêm máy một chiều MC và FĐ làm cho hệ thống đắt tiền và không kinh tế lắm. Phương pháp này được dùng nhiều trong các truyền động động cơ điện không đồng bộ dây quấn có công suất lớn. CHƯƠNG IV TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA CHO TẢI ĐỘNG CƠ IV.1 Giới thiệu chung về mạch điều áp xoay chiều ba pha. * Sơ đồ điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha. Sơ đồ gồm ba cặp tiristo song song ngược. Mỗi cặp nối tiếp với một pha tải. Mạch tải có thể đấu kiểu Y hoặc . IV.1.1 Trường hợp tải thuần trở, đấu Y ( Hình vẽ) Giả thiết điện áp nguồn là đối xứng: u a = u b = u c = Nguyên tắc sau đây giúp ta vẽ dạng điện áp trên các pha tải. Khi chỉ có hai tiristo ở hai pha mở cho dòng chảy qua thì điện áp, trên pha tải liên quan, bằng một nửa điện áp dây giữa hai pha đang xét. Khi ba tiristo ở ba pha cùng mở cho dòng chảy qua thì điện áp trên các pha tải bằng điện áp pha tương ứng của nguồn. Trên hình vẽ chỉ trình bày điện áp tải pha a, kí hiệu là u ( đối với gốc đo là điểm trung tính của tải). Nếu 600: Tiristo T5 dẫn dòng từ khi nhận được xung điều khiển mở cho đến khi 600, tức là chừng nào uc - còn > 0. Nếu 600 < 900; Tiristo T5 dẫn dòng cho đến khi từ khi nhận được xung điều khiển mở cho đến khi T1 bắt đầu dẫn dòng. Nếu 900 < 1500 : Tiristo T5 chỉ dẫn dòng từ khi nhận được xung điều khiển mở cho đến khi = 900. Trên các hình vẽ sau trình bày dạng điện áp tải pha a, giữa các góc khác nhau. Trị hiệu dụng của điện áp tải pha a. Khi 0 << : Dạng điện áp tải pha a, ở các góc khác nhau IV.1.2 Trường hợp tải R + L ba pha, đấu kiểu Y Các cuộn dây stator của động cơ điện không đồng bộ ba pha thuộc dạng tải loại này. Hình dáng và trị hiệu dụng của điện áp tải ở mỗi pha, phụ thuộc vào thông số mạch tải và góc mở . Khi tải ba pha đối xứng thì điện áp tải, dòng điện tải ở các pha có dạng như nhau, lệch nhau . Vì vậy, dưới đây chỉ xét dòng điện tải pha a. Các điện áp liên quan với pha a: Các xung điều khiển được cấp theo trình tự 1,2,3,4,5,6,1,... để đảm bảo hệ thống được khởi động một cách chắc chắn, khi cấp xung mở một tiristo nào đó thì đồng thời cấp xung mở tiristo đứng trước nó. Giả thiết hệ thống được khởi động khi với góc Trong khoảng đến , T6 và T1 dẫn dòng, pha C không can dự, có thể viết phương trình: L. Nếu chuyển gốc toạ độ sang , ta có: L. Viết phương trình trên dưới dạng toán tử laplace và vận dụng các quan hệ hàm ảnh – hàm gốc: sẽ nhận được: Biểu thức tổng quát của dòng tải pha a: Trong đó Z = là tổng trở pha tải: tg Trong khoảng đến này, sơ kiện do đó: (*) Tiristo T6 tiếp tục dẫn dòng cho đến khi , giả thiết lúc này được xác định bằng cách giải phương trình siêu việt sau: sin trong khoảng đến , cả ba tiristo T6, T1, T2 đều dẫn dòng, ta có phương trình mạch tải pha a: L. Nếu chuyển gốc toạ độ sang , cách 0 một góc ta có : L. Và nghiệm của nó là: được xác định theo biểu thức (*) sau khi thế Trong khoảng đến chỉ còn hai tiristo T1 và T2 dẫn, phương trình mạch tải sẽ là : L. Lại tiến hành chuyển gốc toạ độ sang điểm ... Nói chung, dòng điện tải và điện áp tải có hình dáng phức tạp, gồm nhiều đoạn đường cong ghép lại. IV.1.3 Trường hợp tải R + L ba pha, đấu kiểu Biểu thức của điện áp dây: Quan hệ giữa dòng điện dây và các dòng điện pha: Giả thiết hệ thống được khởi động khi với góc Trong khoảng đến , T6 và T1 dẫn dòng, pha C không can dự, có thể viết phương trình: Nếu chuyển gốc toạ độ sang , ta có: Trong đó: Ta gặp lại dạng phương trình L. nghiệm của sẽ là : Trong khoảng đến , sơ kiện , do đó: Các biểu thức trên chỉ đúng khi . Khi , cấp xung mở T2, pha C tham gia vào mạch. Ba tiristor T6, T1, T2 dẫn dòng, (T6 chỉ khoá lại khi –ib =0, giả thiết ) Trong khoảng đến , nếu chuyển gốc toạ độ sang , ta có: Trong khoảng này, biểu thức chung của các dòng điện pha có dạng như : chỉ khác nhau ở sơ kiện và góc pha trong các biểu thức điện áp. Góc được xác định bằng cách giải phương trình ib = ibc – iab = 0. Sau chỉ còn có T1 và T2 dẫn dòng. Điện áp đặt trên mạch tải là uac, pha b không can dự. Lại viết biểu thức uab với gốc toạ độ là , ta gặp lại dạng bài toán ban đầu. IV.2 Tính toán thiết kế mạch động lực. IV.2.1 Lựa chọn sơ đồ động lực Mạch điều áp xoay chiều ba pha hiện nay trong thực tế thường gặp gồm ba sơ đồ như hình vẽ: Hình 4.1: Sơ đồ bộ điều áp xoay chiều 3 pha băng cặp tiristo mắc song song ngược Các loại sơ đồ này bao gồm, tải đấu sao trung tính ( hình a), tải đấu tam giác ( hình c). Tải đấu sao có trung tính có ưu điểm là sơ đồ giống hệt ba mạch điều áp một pha điều khiển dịch pha theo điện áp lưới. Do đó điện áp trên các van bán dẫn nhỏ hơn, vì điện áp đặt vào các van bán dẫn là điện áp pha. Nhược điểm của sơ đồ là trên dây trung tính có tồn tại dòng điện điều hoà bậc cao, khi góc mở các van khác 0 có dòng tải gián đoạn và loại sơ đồ nối này chỉ phù hợp với tải ba pha có bốn đầu dây ra. Các sơ đồ không trung tính hình b,c có nhiều điểm khác so với sơ đồ có trung tính. Dòng điện chạy giữa các pha với nhau, nên đồng thời phải cấp xung điều khiển cho hai tiristo của hai pha một lúc. Việc cung cấp điều khiển như thế, đôi khi gặp khó khăn trong mạch điều khiển, ngay cả việc đổi thứ tự pha nguồn lưới cũng có thể làm ảnh hưởng tới hoạt động của sơ đồ. Hiện nay, với những tải có công suất trung bình, các sơ đồ điều áp ba pha bằng các cặp tiristo như hình vẽ 4.1 được thay thế bằng các sơ đồ triac như hình vẽ 4.2 Như đã giới thiệu ở trên, triac về nguyên lý điều khiển giống hệt các cặp tiristo mắc song song ngược. Vì vậy sử dụng các sơ đồ hình 4.1 hay 4.2 tuỳ thuộc vào khả năng linh kiện. Hình 4.2 có ưu 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 người ta có thể sử dụng sơ đồ cặp tiristo – điốt. Mặc dù vậy, sơ đồ này ứng dụng thực tế không nhiều. Bởi vì khi không có xung điều khiển vẫn có dòng điện chạy qua tải. Hình 4.2: Sơ đồ điều áp xoay chiều 3 pha bằng triac Trong trường hợp cho phép điều khiển không đối xứng chúng ta có thể sử dụng sơ đồ điều khiển hai pha như hình vẽ: Hình 4.3: Sơ đồ điều áp 3 pha không đối xứng Ưu điểm của sơ đồ hình 4.3 là số lượng van bán dẫn ít hơn và mạch điều khiển đơn giản hơn. Nhược điểm của sơ đồ là điều khiển không đối xứng nên đường 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 được phép làm việc không đối xứng và có số lượng van bán dẫn bị hạn chế. Van bán dẫn cho sơ đồ điều áp ba pha được lựa chọn theo dòng điện và điện áp, tổn hao công suất . Lúc này phụ thuộc các giá trị dòng điện trung bình, hiệu dụng của van và theo đường cong đặc tính Vôn-Ampe của van. Tuy nhiên đường đặc tính Vôn- Ampe không phải của van nào cũng có cho nên gần đúng chúng ta chọn: = IHD. Thông số này có ảnh hưởng rất lớn tới diện tích cánh toả nhiệt mà chúng ta thiết kế. Căn cứ vào sơ đồ thông dụng hiện nay trong thực tế, và khả năng thực hiện chúng em tiến hành chọn sơ đồ 4.1.a IV.2.2 Tính toán mạch động lực. IV.2.2.1 Sơ đồ mạch động lực : Hình 4.4: Mạch động lực và các thiết bị bảo vệ của điện áp xoay chiều 3 pha IV.2.2.2 Tính chọn van bán dẫn Áp dụng thiết kế tính toán cho động cơ không đồng bộ ba pha có thông số sau: Pđm =14 KW; Uf= 220V; 0/0 ; cos = 0,88; dây quấn stator đấu sao Dựa vào các thông số trên ta tiến hành tính toán mạch động lực. Trong điều áp xoay chiều, dòng điện chạy qua tải thường xác định là dòng hiệu dụng. Thông số dòng điện để chọn van bán dẫn được tính là dòng điện lớn nhất trong quá 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 thường nhận trị số khi dòng điện tải là dòng điện hình sin. Đối với các tải ba pha dòng điện hiệu dụng chạy qua van bán dẫn khi tải đấu Y. IHD = Dòng điện hiệu dụng của động cơ: Iđc = (A) Dòng hiệu dụng chạy qua mỗi Tiristo : IT.lv = 24 (A) Dòng làm việc của tiristo là 24 A là đáng kể, tổn hao trên tiristo là khá lớn, nên chọn điều kiện làm mát cho tiristo là có cánh toả nhiệt. Với điều kiện này tiristo làm việc với dòng điện đến 50 0/0 dòng điện định mức. Dòng điện của tiristo cần chọn là: ITđm = Điện áp của tiristo ở trạng thái khoá. UTlv == Trong đó : Ud điện áp dây của lưới ba pha Uf điện áp pha Điện áp của van bán dẫn Uv được chọn Uv = kdt. Ulv Trong đó kđt hệ số dự trữ điện áp thường chọn kđt > 1,6. Chọn kdt =1,7 Uv = 1,7.537 = 913 V Dựa vào các tính toán trên ta chọn tiristo loại PK55HB do hãng SanRex chế tạo có các thông số sau: Hình 4.5: Sơ đồ cấu tạo của Tiristo PK55HB Uđm = 1200 V = 1,5V Uđk = 2,5 V ở 250 C Idò = 3 mA Iđk = 100 mA ở 250 C tcm = 80 Tcp = 1250 C sx = 0,15 IV.2.2.3Bảo vệ các linh kiện bán dẫn: Linh kiện bán dẫn nói chung và bán dẫn công suất nói riêng, rất nhạy cảm với sự thay đổi của điện áp. Những yếu tố điện áp ảnh hưởng lớn nhất tới các van bán dẫn và cần có phương thức bảo vệ là: Điện áp đặt vào van lớn quá thông số của van. Xung điện áp do chuyển mạch van. Xung điện áp từ phía lưới xoay chiều, nguyên nhân thường gặp là do các tải có điện cảm lớn trên đường dây. Xung điện áp do cắt đột ngột biến áp non tải. Để bảo vệ van khi làm việc dài hạn mà không bị quá điện áp, cần chọn đúng các van bán dẫn theo điện áp ngược. Các phương pháp bảo vệ van bán dẫn như sau: 1. Bảo vệ quá điện áp cho van. Bảo vệ xung điện áp khi chuyển mạch van bán dẫn. Bảo vệ xung điện áp do quá trình đóng cắt các van được dùng mạch R-C mắc song song với các van bán dẫn. Sơ đồ đơn giản của loại mạch này được mô tả như hình vẽ: Hình 4.6:Bảo vệ thiết bị điện tử khỏi chọc thủng do xung điện áp Khi có sự chuyển mạch, do phóng điện từ van ra ngoài tạo nên xung điện áp trên bề mặt tiếp giáp P- N. Mạch R-C mắc song song với van bán dẫn tạo mạch vòng phóng điện tích quá độ trong quá trình chuyển mạch van. Thông thường chọn R2 = 10 – 100 , C2 = 0,1- 1000 Bảo vệ van bán dẫn khỏi đánh thủng do xung điện áp từ lưới. Để bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, mắc song song với tải ở đầu vào một mạch R – C, nhằm lọc xung. Khi xuất hiện xung điện áp trên đường dây, nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. Trị số của R, C phụ thuộc nhiều vào tải. Thông thường chọn R1 = 5 – 20 , C1 = 4. 2. Bảo vệ quá dòng điện cho van. Dòng điện áptomat cần chọn: Iđm = 1,5.Ilv = 1,5.24 = 36 A 3. Bảo vệ quá nhiệt. Khi làm việc,van bán dẫn có sụt áp, do đó có tổn hao công suất . Tổn hao công suất này sinh nhiệt. Mặt khác van chỉ được làm việc tới nhiệt độ tối đa cho phép Tcp nào đó. Do đó phải dùng tản nhiệt để bảo vệ cho van. Diện tích bề mặt toả nhiệt được tính gần đúng theo công thức: Stn = Trong đó: Stn : diện tích bề mặt toả nhiệt [ cm2 ] : tổn hao công suất [ W ] độ chênh nhiệt so với môi trường Tlv - Tmt Tlv, Tmt : nhiệt độ làm việc và nhiệt độ môi trường [ 0C ] : hệ số có xét tới điều kiện toả nhiệt ( trong điều kiện làm mát tự nhiên không quạt cưỡng bức, thường chọn ktn = ( 610 ).10- 4 [ W/cm2 0C ] Các kích thước cơ bản nên chọn: a < 200 mm ho= 5 – 15 mm b < 200 mm c = 2 mm h < 180 mm z = mm Hình 4.7: Hình dáng và kích thước giới hạn cho cánh tỏa nhiệt một van bán dẫn Ta có : = 0,85.24 = 20,4 W Stn = Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 400 C Nhiệt độ làm việc cho phép của tiristo Tcp = 1250 C Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt Tlv = 800 C Tlv - Tmt = 400 C Chọn ktn = 8 W/m2 0C Vậy Stn = m2 Chọn loại cánh toả nhiệt có 12 cánh, kích thước của mỗi cánh ab = 15 15 (cm cm) Tổng diện tích tỏa nhiệt của cánh: STN = 12.2.15.15 = 5400 cm2 4. Bảo vệ chông mất pha cho các van Sơ đồ mạch bảo vệ chống mất pha như hình 4.8: Hình 4.8: Mạch chống mất pha bảo vệ cho mạch động lực Hình 4.9: Sơ đồ mạch nguyên lý Nguyên lý hoạt động của mạch chống mất pha được trình bày như hình 4.9: Khi không có sự cố mất pha, mạch hoat động bình thường, tại điểm chung sau chỉnh lưu tia ba pha của UA, UB, UC sẽ có điện áp bằng một qua 4 lần đảo của cổng NAND 4093 sẽ cho tín hiệu là một tác động vào chân bazơ của tranzito, làm cho tranzito dẫn cấp nguồn cho cuộn hút của Rơle K1, làm đóng tiếp điểm thường mở cấp nguồn cuộn hút K của công tắc tơ K, tiếp điểm thường mở K đóng lại duy trì nguồn cho mạch động lực. Ngược lại, khi có sự cố mất 1 trong 3 pha dẫn tới sự sụt áp, tại điểm chung T chuyển thành mức không, qua 4 lần đảo thành không, làm cho tranzito không dẫn, cuộn K1 mất điện, tiếp điểm thường mở mở ra cấp nguồn cho cuộn K tác động nhả tiếp điểm mở K ngắt nguồn ra khỏi mạch động lực. IV.3 Tính toán thiết kế mạch điều khiển. Có hai nguyên tắc : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính : Uđk + Ut đưa đến đầu vào của một khâu so sánh bằng cánh làm biến đổi Uđk ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất giện xung tức là điều chỉnh được góc a. Khi Uđk = 0 ta có a = 0 Khi Uđk 0 Quan hệ giữa a và Uđk như sau : Ta lấy Uđkmax = Utmax. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”. Nguyên tắc này dùng hai điện áp : Điện áp động bộ Ut vượt trước điện áp A-K của thyristor một góc bằng p/2. ( Nếu UAK = Asinwt thì Ut = Bcoswt ). UAK có thể điều khiển được theo hai hướng dương và âm. Ut + Uđk được đưa đến đầu vào khâu so sánh. Khi Ut + Uđk = 0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh. Uđk + Bcosa = 0 Þ a = arccos( -Uđk/B ). Thường lấy B = Uđkmax. Khi Uđk = 0 thì a = p/2. Nguyên tắc này được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu chất lượng cao. Nhận xét : Yêu cầu của điều áp xoay chiều ba pha có thể dùng nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính vì nó đơn giản và đáp ứng được yêu cầu mạch lực. IV.3.1. Nguyên lý điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính Điều khiển Tiristo hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau, thường gặp là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính. Nội dung của nguyên tắc này có thể mô tả theo giản đồ sau: Hình 4.10: Nguyên lý điều khiển Khi điện áp xoay chiều hình sin ( Uđf ) đặt vào anốt của Tiristo. Để có thể điều khiển được góc mở của Tiristo trong vùng điện áp dương anốt, cần tạo một điện áp tựa dạng tam giác ( thường gọi điện áp tựa là điện áp răng cưa Urc ). Dùng một điện áp một chiều Uđk so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm ( t1, t4 ) điện áp tựa bằng điện áp điều khiển ( Urc = Uđk ), trong vùng điện áp dương anốt, thì phát xung điều khiển ( Xđk ) Tiristo được mở từ thời điểm có xung điều khiển ( t1, t4 ) cho tới cuối bán kỳ ( hoặc tới khi dòng điện bằng không). IV.3.2. Sơ đồ khối mạch điều khiển. Để thực hiện được ý đồ đã nêu trong phần nguyên lý điều khiển ở trên, mạch điều khiển bao gồm ba khâu cơ bản như hình vẽ : Hình 4.11: Sơ đồ mạch điều khiển bộ điều áp xoay chiều Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ khối : Khâu đồng pha: Có nhiệm vụ tạo điện áp tựa Urc ( thường gặp là điện áp răng cưa tuyến tính ) trùng pha với điện áp anốt của Tiristo. Khâu so sánh : Nhận tín hiệu điện áp răng cưa và điện áp điều khiển, có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển Uđk. Tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau ( Uđk = Urc ). Tại thời điểm hai điện áp bằng nhau, thì phát xung điều khiển ở đầu ra để gửi sang tầng tạo xung và khuếch đại xung. Khâu tạo xung và khuếch đại xung: Có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristo. Xung để mở Tiristo cần có các yêu cầu : sườn trước dốc thẳng đứng để đảm bảo mở Tiristo tức thời khi có xung điều khiển ( thường gặp là xung kim hay xung chữ nhật ) đủ độ rộng ( với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của Tiristo ). Đủ công suất, cách ly giữa mạch động lực với mạch điều khiển ( nếu điện áp động lực quá lớn ). IV.3.3. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển. IV.3.3.1. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển. a. Khâu đồng pha: Để tạo điện áp răng cưa người ta có thể sử dụng tính chất phóng, nạp của tụ điện. Việc kết hợp sử dụng tụ điện với điốt, với tranzirto hay với điốt quang hình thành nên các bộ đồng pha khác nhau. Tuy nhiên chúng có chung một nhược điểm là việc mở, khoá các tranzirto trong vùng điện áp lân cận 0 không được như ý muốn. Để khắc phục nhược điểm đó ngày nay các vi mạch được chế tạo ngày càng nhiều, chất lượng ngày càng cao, kích thước ngày càng gọn, ứng dụng các vi mạch vào thiết kế mạch đồng pha có thể cho chất lượng điện áp tựa tốt. Trên hình 4.3.3.1 giới thiệu sơ đồ tạo điện áp tựa dùng khuếch đại thuật toán và đường cong minh hoạ hoạt động của sơ đồ. Hình 4.12: Khâu đồng pha dùng KĐTT a. Sơ đồ b. Các đường cong điện áp b. Khâu so sánh: Muốn xác định được thời điểm mở Tiristo, tiến hành so sánh hai tín hiệu Uđk và Urc. Việc so sánh các tín hiệu đó có thể được thực hiện bằng Tranzitor ( Tr ) như hình vẽ 4.12.a Tại thời điểm Uđk = Urc ở đầu vào, Tr lật trạng thái từ khoá sang mở ( hay ngược lại ), làm cho điện áp ra cũng bị lật trạng thái, tại đó xác định được thời điểm cần mở Tiristo. Mức độ mở bão hoà của Tr phụ thuộc vào tổng đại số Uđk Urc = Ub, tổng đại số này có một vùng điện áp nhỏ hàng mV, làm cho Tr không làm việc ở chế độ đóng cắt như mong muốn, do đó nhiều khi làm thời điểm mở Tiristo bị lệch so với điểm cần mở tại Uđk = Urc. Khuếch đại thuật toán ( KĐTT ) có hệ số khuếch đại vô cùng lớn, chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ ( cỡ ) ở đầu vào, đầu ra đã có điện áp nguồn nuôi, việc ứng dụng KĐTT làm khâu so sánh là hợp lý. Các sơ đồ so sánh dùng KĐTT trên hình 4.13 b,c. rất thường gặp trong các sơ đồ mạch hiện nay. Ưu điểm hơn hẳn của các sơ đồ KĐTT là có thể phát xung điều khiển chính xác tại Uđk = Urc. Hình 4.13: Sơ đồ các khâu so sánh thờng gặp a. Bằng tranzito b. Cộng một cổng đảo của khuếch đại thuật toán c. Hai cổng khuếch đại thuậ toán Lựa chọn sơ đồ 4.13 b: Cộng một cổng đảo của khuếch đại thuật toán. c. Khâu tạo xung và khuếch đại xung Với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristo như đã nêu ở trên, tầng khuếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng Tranzirtor công suất. Để có xung dạng kim gửi tới Tiristo, ta dùng biến áp xung ( BAX ) Tầng khuếch đại cuối cùng bằng sơ đồ darlington như hình vẽ, được ứng dụng nhiều trong thực tế. Sơ đồ này hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu về khuếch đại công suất, khi hệ số khuếch đại được nhân lên theo thông số của các tranzirtor. Hình 4.14: Sơ đồ darlington Tạo xung chùm điều khiển: Cấp xung điều khiển cho điều áp xoay chiều ba pha có thể cấp bằng xung đơn hoặc xung chùm. Cấp xung điều khiển loại này tuỳ thuộc chế độ làm việc và tính chất của tải. Thường gặp hiện nay trong điều áp ba pha có hai cách điều khiển : Xung điều khiển cấp đơn nhưng phải đệm xung điều khiển : có ưu điểm là đơn giản, và thích hợp với những tải thuần trở như : sợi đốt các lò điện, chiếu sáng... Xung điều khiển cấp bằng chùm xung : tải có thành phần điện cảm như động cơ không đồng bộ, biến áp... ( đặc trưng của các loại tải này là có góc trễ giữa điện áp và 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 ( ), sẽ phải tăng độ rộng xung điều khiển bằng cách tạo xung chùm. Ở mạch điều áp ba pha, điều khiển van bán dẫn bằng chùm xung ngoài việc giải quyết dẫn đều các van khi góc lớn còn giải quyết luôn bài toán về đệm xung điều khiển. Điều khiển điều áp ba pha bằng xung chùm : Chùm xung điều khiển chỉ thay cho xung đệm trong một dải điều khiển từ 0 đến 1200. Đối với những tải không cần điều khiển trong khoảng 1200 đến 1800 thì giải quyết bằng chùm xung thay thế cho đệm xung là hợp lý ( như tải động cơ ). IV.3.3.2 Tính toán chế tạo và lựa chọn các phần tử theo nội dung đề tài. 1. Tính toán máy biến áp xung. Chọn vật liệu sắt từ là loại '330 có hình dáng chữ E làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá DB = 0,7T, DH = 50A/m. Điện áp thứ cấp máy biến áp xung (BAX): U2 = Uđk = 2,5 V Điện áp đặt cuộn sơ cấp máy BAX: U1 = 2.2.5 = 5 V Dòng thứ cấp máy BAX: I2 = Iđk = 0.1A Dòng điện sơ cấp BAX: I1 = I2/n = 0.05A Xác định giá trị trung bình của hệ số từ thẩm: (H/m) Trong đó: 0 = 1,25. 10-6 H/m là độ từ thẩm của không khí Xác định thể tích lõi thép theo công thức: V= Q.l = Chọn tiết diện lõi Q=0,5cm2 Þ l=0,5cm Số vòng sơ cấp w1=(vòng) Với K = 0,76 là hệ số lấp đầy. Chọn tỷ lệ máy BAX là 2:1 Số vòng thứ cấp: (vòng) Tiết diện dây quấn sơ cấp : S1 = I1/ J1 = 0,05/6 = 0,0085 mm2. Chọn J1 = 6 A/mm2 là mật độ dòng điện trong dây quấn sơ cấp. Đường kính dây quấn sơ cấp: d1 = = 0,105 mm. Chọn d1 = 0,12 mm. S1 = 0,0114 mm2. Tiết diện dây quấn thứ cấp. S2 = I2/J2 = 0,1/4 = 0,025 mm2. Chọn J2 = 4 A/mm2 là mật độ dòng điện trong dây quấn thứ cấp: Đường kính dây quấn thứ cấp: d2 = = = 0,178 mm. Chọn d2 = 0,2 mm. S2 = 0,0314 mm2. 2. Tính tầng khuếch đại cuối cùng. Hình 4.15: Sơ đồ tầng khuếch đại cuối cùng Chọn tranzito TIP122 mắc theo kiểu Darlinhton làm việc ở chế độ xung có các thông số: tranzito loại NPN, vật liệu bán dẫn là Si. Điện áp giữa cực colecto C và cực emitơ E khi hở mạch cực cổng: UCEO = 100V Dòng điện lớn nhất mà cực colector có thể chịu đựng được: IC MAX = 5 A Công suất tiêu tán ở cực collector : PC MAX = 65 W Hệ số khuếch đại khi làm việc với xung: = 65. Điện áp giữa cực colecto và cực emitơ khi làm việc : UDS = 4 V. Dòng điện làm việc cực collector :IC = 3A. Dòng điện làm việc cực bazơ :IB = Ic / = 3/65 = 50 mA. 3. Chọn nguồn cấp cho máy biến áp xung Vcc =12V 4. Chọn điốt dùng trong mạch điều khiển Chọn tất cả điốt trong mạch điều khiển dùng loại 1N4007 có thông số: Dòng điện định mức: Iđm = 1 A. Điện áp giữa A-K lớn nhất: UAK = 1000 V. Sụt áp trên điốt: U = 1,1 V. 5. Chọn cổng AND. Toàn bộ mạch điện phải dùng 9 cổng AND nên chọn loại IC 4081họ CMOS. Mỗi IC có 4 cổng Nguồn nuôi IC là 318V Nhiệt độ làm việc : -400C 800C Điện áp ứng với mức logic “1”: 2 4,5 V. Công suất tiêu thụ: P = 2,5 mW/ 1 cổng. 6. Tính chọn bộ tạo xung chùm Mỗi kênh điều khiển phải dùng 4 khuếch đại thuật toán, do đó ta chọn 6 IC loại TL 084 do hãng TexasInstruments chế tạo, mỗi IC này có 4 khuếch đại thuật toán (có sơ đồ chân hình 4.16). Thông số của TL084 : Điện áp nguồn nuôi: VCC = 18V chọn VCC = 12V Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: 30 V. Nhiệt độ làm việc: T = -25 850 C. Công suất tiêu thụ: P = 680 mW = 0,68 W Tổng trở đầu vào: Rin = 106 M. Dòng điện đầu vào: Iin = 1 mA. Dòng điện đầu ra: Iout = 30 pA. Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: du/dt = 13V/s. Hình 4.16: Sơ đồ chân IC TL084 Mạch tạo chùm xung có tần số; fx = 1/2tx = KHz => T = Ta có : T = 2.R8. C2.ln(1+2R8/R7) Chọn R6 = R7 = 33 KW thì T = 2,2.R8.C2 = 320 Vậy R8.C2 = 145,45 Chọn tụ C2 = 0,1 có điện áp U = 16V => R8 = 1,45 KW Chọn R8 = 2,2 KW. Hình 4.17: Mạch tạo xung chùm 7. Tính toán khâu so sánh. Khuếch đại thuật toan đã chọn loại TL084 Trong đó nếu nguồn nuôi Vcc = thì điện áp vào A3 là Uv 12V. Dòng điện vào được hạn chế để IV < 1mA chọn R5 = R6 >k Do đó ta chọn R5 = R6 = 15 k. Khi đó dòng vào A3: Ivmax = 1 mA Hình 4.18: Khâu so sánh 8. Tính chọn khâu đồng pha. Trong điều khiển điều áp xoay chiều cần tạo điện áp tựa liên tiếp ở hai nửa chu kỳ. Để làm được việc này, đưa tới đầu vào của điện áp đồng pha một điện áp chỉnh lưu như hình vẽ: Hình 4.19: Sơ đồ đồng pha tạo điện áp tựa liên tiếp hai nửa chu kỳ Hình 4.20: Nguyên lý tạo điện áp tựa trong điều áp xoay chiều Điện áp tụ được hình thành do sự nạp của tụ C, mặt khác để đảm bảo điện áp tụ có trong một nửa chu kì điện áp lưới là tuyến tính thì hăng số thời gian tụ nạp được Tr = R3.C = 0,005s Chọn tụ C = 0.1 Vậy R4 = 50k Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp mạch R4, thường chọn là biến trở lớn hơn 50k. Chọn tranzito Tr1 loại A564 có các thông số : Tranzito loại pnp làm bằng Si Điện áp giữa Colectơ và Bazơ khi hở mạch Emitơ: UCBO = 25V Điện áp giữa Emitơ và Bazơ khi hở mạch Colectơ: UEBO = 7V Dòng điện lớn nhất ở Colectơ có thể chịu đựng: Icmax = 100mA. Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : Tcp = 1500 C Hệ số khuếch đại : õ = 250 Dòng cực đại của Bazơ: Ib3 = Ic/õ = 100/250 = 0,4 mA Điện trở R3 để hạn chế dòng điện đi vào Bazơ của tranzito Tr1 được chọn như sau: Chọn R3 thỏa mãn điều kiện: Chọn R3 = 40 k Chọn điện áp xoay chiều đồng pha UA = 15V. Điện trở R1 để hạn chế dòng điện đi vào khuếch đại thuật toán A1, thường chọn R1 sao cho dòng vào khuếch đại thuật toán IV < 1 mA. Do đó R1 > UA/Iv = 15/1.10-3 = 15 k. Chọn R1 = 15 k. 9. Mạch tạo nguồn nuôi cho IC Cần tạo nguồn điện áp 12V (có ổn áp) để cấp cho nuôi IC, điện áp đồng pha Udf cấp cho mạch điều khiển. Nguồn này được bởi 3 máy biến áp một pha, qua chỉnh lưu cầu một pha tạo điện áp nguồn nuôi đối xứng cho IC. Điện áp đầu ra của ổn áp chọn 12V. Điện áp đặt vào IC ổn áp chọn 20V. Điện áp thứ cấp máy biến áp đồng pha là: V Chọn U21 = 15V Hình 4.21: Sơ đồ mạch nguồn nuôi cho IC Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7812 và 7912, các thông số chung của vi mạch này: Điện áp đầu vào: UV = 735V. Điện áp đầu ra: IC 7812 có Ura = 12V. IC 7912 có Ura = - 12V. Dòng điện đấu ra: Ira = 0 1 A. Chọn tụ C1,C2 dùng để lọc thành phần sang hài bậc cao: C1 = C2 = 470 (F) ; U = 35V Chọn tụ C3, C4, C5 = C6 để sang phẳng dòng điện đầu ra: C3 = C4 = 2200 () ; U = 35V C4 = C5 = 0,1 () 10. Sơ đồ mạch điều khiển tổng hợp và dạng sóng đo cho 1 pha. Hình 4.22: Sơ đồ mạchnguyên lý và bo mạch điều khiển tổng hợp cho 1 pha Hình 4.23: Các dạng sóng cơ bản của mạch điều khiển 1 pha Điện áp đồng pha với điện áp xoay chiều hình sin UV được chỉnh lưu cả chu kỳ UA đưa vào A1 qua R1 dịch đi một trị số lấy qua VR1. Hai điện áp này đưa qua khuếch đại A1, điện áp ra của A1 là UB tích phân qua khuếch đại A2 cho ta điện áp tựa UC. Điện áp tựa UC kéo nên trục hoành bằng điện áp lấy từ VR2. Việc kéo điện áp nên trên trục hoành 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 trên VR2. Điện áp điều khiển Uđk so sánh với điện áp tựa Urc tìm thời điểm Uđk = Urc. Tại các thời điểm Uđk = Urc khuếch đại thuật toán A3 lật dấu điện áp ra ta có UD như hình vẽ. Điện áp UD đưa tới cổng và VA cùng với tín hiệu xung chùm liên tục lấy từ A6, đầu ra của VA sẽ có chùm xung khi UD > 0. Cổng và V1 sẽ có tín hiệu ra khi đồng thời VA có xung và UF > 0. Lúc đó biến áp xung BA1 có xung điều khiển T1. Cổng và V2 có tín hiệu ra khi đồng thời VA có xung và UE > 0. Lúc đó biến áp xung BA2 có xung điều khiển T2 kết quả là T1 được cấp chùm xung điều khiển khi UF > 0 trùng với UV > 0. và T2 được cấp chùm xung khi UE >0 trùng với UV < 0. Nếu các xung điều khiển T1 và T2 bị dịch pha 1800, có thể đảo đầu điện áp vào của biến áp đồng pha hoặc đổi đầu vào của khuếch đại A4. 11. Mạch phản hồi Khi điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng bộ điều áp xoay chiều, người tâ có thể coi bộ điều áp và động cơ là một hệ hở. Góc mở ỏ được điều chỉnh nhờ một điện áp điều khiển, xác định điện áp ra có giá trị trung bình quyết định tốc độ quay của động cơ. Do đó ta có thể biến đổi hệ thống hở trên thành một hệ tự động điều chỉnh tốc độ theo nghĩa là hệ có mạch vòng kín bằng cách thêm một tín hiệu phản hồi và một bộ khuếch đại. Ta đo tốc độ động cơ bằng máy phát tốc. Điện áp phản hồi từ máy phát tốc được khuếch đại trước khi đưa vào bộ khuếch đại: Hình 4.24: Mạch khuếch đại điên áp phản hồi Uph = - Ept.R11 / R10 Ta chọn R10 = 1 KW, R11 = 40 KW. Chọn R12 = R10 = 1 KW R13 = 10 KW VR4 = 10 KW Sau đó đưa vào bộ so sánh để tạo điện áp điều khiển: Hình 4.25: Mạch so sánh tạo điện áp điều khiển Tạo điện áp điều khiển : UDZ = 9 V Ta có ( E – UDZ ) / R14 ³ 1mA. Ta chọn R14 = 3,3 KW Þ VR = 0 ¸ 2 KW IR17 + IR15 = - IC - IR16 Uph / R17 + Ud / R15 = - C.( dUC / dt ) – UC / R16 UC = - ( R16.Uph / R17 + R16.Ud / R15 ) - C.R16( dUC / dt ) Chọn R16 = R15 = 36 KW R16 / R17 = 35 Þ R17 = 1 KW Chọn C= 0,47 mF R16.C = t Uđk = - (Ud – k.| Uph |) - t (dUC / dt) Do thời gian làm đồ án và sẳn phẩm gấp rút nên chúng em chưa thể hoàn thành khâu phản hồi âm tốc độ trong mô hình sản phẩm của mình. Ở đây chúng em chỉ xin đưa ra trong bản thuyết minh như là một hướng phát triển của dề tài. KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ Trong thời gian thực hiện đề tài, với sự chỉ bảo và giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong khoa điện điện tử và đặc biệt là thầy giáo Đoàn Văn Điện, đến nay đề tài: “Nghiên cứu và ứng dụng điện tử công suất điều chỉnh tốc độ động cơ điện KĐB ”. đã được hoàn thành. Chúng em đã cố gắng vận dụng những kiến thức học ở trường để giải quyết những yêu cầu mà đề tài yêu cầu Tuy nhiên do thời gian và trình độ chuyên môn có hạn nên đồ án còn tồn tại những thiếu sót và hạn chế. Chính vì vậy rất mong nếu đề tài này tiếp tục được giao cho các khoá sau thì sẽ khắc phục được những hạn chế trên, đảm bảo tính hoàn thiện của sản phẩm. Em cũng rất mong sự đóng góp ý kiến từ phía các thầy cô và các bạn để em có thêm nhiều kinh nghiệm trong công tác học tập, nghiên cứu và lao động sau này. Cuối cùng, chúng em xin cảm ơn quý thầy cô, gia đình và các bạn bè đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ để đề tài được hoàn thành. Hưng yên, ngày 20tháng 08 năm 2007 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đắc Tuân Đặng Văn Tuấn PHỤ LỤC: CÁC LOẠI LINH KIỆN DÙNG TRONG ĐỒ ÁN Tên linh kiện Mã hiệu Thông số Số lượng Điốt 1N4007 Iđm = 1 A, UAK = 1000 V 22 Tranzito A 564 C2383 UCBO = 25V, UEBO = 7V, ICmax = 100mA, = 250 4 Tranzito Tip 122 UCEO = 100V, IC = 3 A, IB = 50 mA, = 65 6 Cổng AND IC4081 UCC = 318V, TC = -400C 800C P = 2,5 mW/ 1 cổng 3 KĐTT TL084 VCC = 18V, T = -25 850 C. Rin = 106 M, Iin = 1 mA, Iout = 30 pA 6 IC ổn áp 7812 7912 UV = 735V,Ur = +12V,Ir = 0 1,5A UV = 735V,Ur = -12V,Ir = 0 1,5A 2 Tiristo PK55HB Uđm = 1200 V, Uđk = 2,5 V, Iđk = 100 mA , Tcp = 1250 C 3 Điện trở 1K, 2,2K, 4,7K, 10K, 15K, 33K, 39K 40 Biến trở 2K, 50K, 100K, 1M 10 Tụ điện Tụ xoay chiều: 104 Tụ 1 chiều: 1, 33, 1000, 2200 13 7 MBA Cuộn sơ cấp điện áp 220V, thứ cấp 15V 4 MBA xung 6 TÀI LIỆU THAM KHẢO Điện tử công suất Nguyễn BínhNhà xuất bản khoa học và kĩ thuật Hà Nội – 2000 Truyền động điện Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Nguyễn Thị Hiền Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật Hà Nội – 2004 3. Điện tử công suất Cyril W. Lander Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật Hà Nội – 2002 4. Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất Trần Văn Thịnh Nhà xuất bản Giáo dục – 2005 5. Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn Dương Minh Trí Nhà xuất bản Khoa học và Kĩ thuật Hà nội - 1997 6. Máy điện Vũ Gia Hanh – Trần Khánh Hà –Phan Tử Thụ – Nguyễn Văn Sáu Nhà xuất bản Khoa học và Kĩ thuật Hà nội - 2003 7. Điện tử công suất Võ Minh Trí – Phạm Quốc Hải – Trần Trọng Minh Nhà xuất bản Khoa học và Kĩ thuật Hà nội - 2004