Đề tài Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập lập có đảo chiều theo nguyên tăc điều khiển riêng

` đồ án điện tử công suất đề tài: Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ đoc lập có đảo chiều theo nguyên tăc điều khiển riêng.Mạch đảm bảo tốc độ trơn và có khâu bảo vệ chống mất kích từ Với số liệu Udm=80 V I đm=20 A U kích từ = 50V I kích từ = 2 A Phạm vi điêu chỉnh 30:1 NHIÊM Vụ : Tìm hiểu về công nghệ và yêu cầu kỹ thuật của thiết bị cần thiết kế. Đề xuất các phương án tổng thể,phân tích ưu,nhược điểm của từng phương án để đi đến lựa chon một phương án phù hợp thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật. Xây dựng chi tiết toàn bộ sơ đò nguyên lý mạch thiết kế (cả mạch lực và mạch điều khiển),sau đó thuyết minh sự hoạt động của sơ đồ này với đồ thị minh hoạ. Tính toán mạch lực. Tính toán mạch điều khiển. Lập bảng trị số toàn bộ các phần tử và linh kiện tính toán được trong phần 4 và 5. Kiểm chứng bằng chạy mô phỏng trên máy tính PC. Kết luận. Tài liệu tham khảo. CHƯƠNG I Tìm hiểu về động cơ điện một chiều kích từ độc lập I. 1) Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều Ngày nay,động cơ điện một chiều vẫn được coi là một loại máy điện quan trọng mặc dù máy điện xoay chiều rát thông dụng do động cơ điện một chiều vẫn có những ưu điểm như khả năng điều chinh tốc độ rát tốt.Nó được dùngtrong những ngành đòi hỏi yêu cầu cao về mặt điều chinh tốc độ như máy cán thép,bào hầm mỏ,giao thông vận tải. Mặt dù có một số nhược điểm so vói máy điện xoay chiều như giá thành cao,bảo quản cổ góp phức tạp (dễ sinh tia lửa điện) nhưng do những ưu điểm của nó mà nó vẫn có tầm quan trọng nhát định trong nền sản xuất. 2) Cấu tạo Động cơ điện một chiều có hai phần chính Phần tĩnh và phần động 2.1)Phần tĩnh (stato). Phần Stato là bộ phận đứng yên của máy nó bao gồm cục từ chính,cưc từ phụ (là bộ phận sinh ra từ trường hay nó là phần cảm). a)Cực từ chính Là bộ phận sinh ra từ trường,gồm có lõi sắt cực từ và dây quán kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ.Lõi thép cực từ làm bằng lõi thép kỹ thuật điện mỏng ,các cuộn kích từ được quấn bằng dây đồng boc cách điện và tẩm sơn cách điện trước khi đặt lên cực từ các cuộn kích từ này được nối tiếp với nhau. b) Cực từ phụ. Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cảI thiện đổi chiều.Lõi thép thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt day quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính c)Gông từ Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy. d) Nắp máy Bảo vệ máy khỏi bị những vật bên ngoài rơI vào làm hư hỏng dây quấn và an toàn cho người vận hành.Trong động cơ điện nó được làm giá đỡ ổ bi +Cơ cấu chổi than : Để đưa dòng điện từ phàn quay ra ngoài.Cơ cấu chổi than gồm có một chổi than đặt trong hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá,giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Phần quay hay Roto (phần ứng) Bao gồm những bộ phận chính sau : a)Lõi sắt phần ứng Dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ thuậtdày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì dặt dây quấn vào. Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lạ thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió. Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt. Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto. b) Dây quấn phần ứng. Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài kw thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. c) Cổ góp : Dùng để đổi chiều dòng điẹn xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng. d) Các bộ phận khác. - Cánh quạt : dùng để quạt gió làm nguội máy. Máy điện một chiều thường chế tạo theo kiểu bảo vệ. ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên trục máy , khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ. Gió đi qua vành góp, cực từ lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy. - Trục máy : trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt. 3) Phân loại máy điện Động cơ điện một chiều phân loại theo cách kích thích từ thành động cơ điện kích hích độc lập, động cơ điện kích thích song song ,kích thích nối tiếp,kích thích hỗn hợp Trên thực tế đặc tính của động cơ kích từ độc lập và kích thích song song là giống nhau nên khi cần công suất lớn người ta thường dùng động cơ kích từ độc lập để có thể điều chỉnh dòng điện kích thích được thuận tiện do đó mà điều chỉnh tốc độ dễ dàng và kinh tế hơn mặc dù nó đòi hỏi có dòng bên ngoài. Trong đồ án này ta xét đến động cơ điện một chiều kích từ độc lập Khi mà nguồn một chiều có công suất không quá lớn thì mạch phần ứng và mạch từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên gọi là động cơ điện một chiều kích từ độc lập 4) Nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều Khi cho điện áp U vào hai chổi than A,B trong dây quấn phần ứng sinh ra dòng điện Iư .Các thanh dẫn ab,cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu tác dụng của lực Fđt tác dụng làm cho Roto quay ,khi phần ứng quay nửa vòng thì vị trí các thanh dẫn ab,cd đổi chỗ cho nhau do đó các phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều tác dụng không đổi đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi,khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động Eư ,chiều quay xác định theo quy tắc bàn tay trái Phương trình phần ứng Uư =Eư +Rư.Iư II.) Điều chỉnh tốc độ động cơ và đảo chiều E I Rf Uư Ikt Rkt Uư CKT Ukt 1) Phương trình đặc tính cơ Uư = Eư +(Rư +Rf)Iư Uư :điện áp phần ứng Eư :suất điện động phần ứng Rư ,Rf :điện trở phần ứng,điện trở phụ trong mạch phần ứng Iư :dòng điện mạch phần ứng Rư =rư +rct +rb +rtc rư :điện trở cuộn dây phần ứng rct :điện trỏ cực từ phụ rb :điện trở cuộn bù rtx :điện trở tiếp xúc chổi điện Eư = P : số cực từ chính N :số đôI mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng : từ thông kích từ dưới một cực từ Wb : tốc độ góc (Rad/s) Eư = Ke . Mômen điện từ Mđt =K..Iư Suy ra Iư = Nếu bỏ qua tổn thất coi mômen điện từ bằng mômen cơ đầu trục Mđt =Mcơ =M (1) Mômen phụ thuộc vào từ thông và dòng phần ứng Từ phương trình (1) suy ra : để thay đổi tốc độ động cơ ta có thể dùng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng Uư ,từ thông tức là thay đổi dòng kích từ Ikt và thay đổi điện trở phần ứng Rư ,Rf M =K..Iư .do đó muốn đảo chiều động cơ tức là đảo chiều mômen M ta có thể dùng phương pháp đảo chiều từ thông (tức là đảo chiều dòng kích từ Ikt ) hoặc là đảo chiều dòng điện phần ứng Iư 2) Các phương pháp thay đổi tốc độ a) Phương pháp thay đổi từ thông ,thay đổi dòng kích từ Ikt .Với một phụ tải Mc nhất định .Khi giảm tốc độ động cơ tăng lên n M(Iu) Iu nodm Khi kích thích dòng khác nhau đặc tính cơ nhận được khác nhau và độ dốc khác nhau.Giao điểm mômen cản Mư =f(Iư) với các đường trên cho biết tốc độ xác lập ứng với thông số khác nhau của từ thông . b) Thay đổi điện áp phần ứng -Để điều chỉnh điện áp phần ứng đông cơ điện một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập , các bộ chỉnh lưu điều khiển các thiết bị này có chức năng biến đổi lượng xoay chiều thành một chiều có suất điện động Eb điều chỉnh được là nhờ tín hiệu Uđk BBĐ LK -Phương trình đặc tính cơ của hệ thống như sau: vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng của đặc tính cơ cũng không thay đổi còn tốc độ không tải lý tưởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệ thống do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để Để xác định dải điều chỉnh tốc độ ta thấy rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tính ứng với điện áp định mức và từ thông cũng giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi động , khi mômen tải là định mức thì giá trị lớn nhất va nhỏ nhất của tốc độ là: Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là: Mnmmin = Mcmax = KM.Mđm Trong đó : KM: hệ số quá tải về mômen, do họ đặc tính cơ là những đường thẳng song song với nhau nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết: * Phạm vi điều chỉnh phụ thuộc tuyến tính vào b wmin w0min wmax womax Mđm Mnmmin wđk1 wđk2 3) Vấn đề đảo chiều Chiều quay động cơ phụ thuộc vào chiều quay mômen có thể dùng hai phương pháp .Hoặc thay đổi chiều dòng phần ứng Iư hoặc đổi chiều từ thông (đổi chiều dòng kích từ Ikt). + Nếu dùng phương pháp đảo chiều dòng kích từ .Khi máy đang quay thì do hệ số điện cảm của cuộn dây kích thích lớn (do có nhiều vòng dây) nên khi thay đổi dòng kích thích Ikt thì xuất hiện suát điện động cảm ứng rất cao gây ra điện áp làm đánh thủng cách điện dây quấn kích thích . Do đó để đảo chiều quay động cơ ta chon phương pháp đảo chiều dòng phần ứng Iư Từ những phân tích trên ta chon phương pháp thay đổi tốc độ là thay đổi điện áp phần ứng Uư (tức là điều khiển Uư ) và đảo chiều quay bằng đảo chiều dòng phần ứng Iư 4) Một số yêu cầu kỹ thuật khác a) Độ trơn Trong đó là tốc độ ổn định của động cơ đạt được ở cấp i ,i+1 tức là hệ truyền động có thể ổn định ở mọi vị trí trong toàn dảI điều chỉnh b) Dải điều chỉnh tốc độ Là phạm vi điều chỉnh – là tỉ số giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tốc độ làm việc ứng với mômen tảI đã cho bị hạn chế bởi độ bền động cơ và độ bền của vành góp bị chặn bởi yêu cầu về mômen khởi động ,khả năng quá tải và sai số tốc độ làm việc cho phép. c) Chống mất kích từ Khi mở máy phảI đảm bảo chống mất kích từ mà nguyên nhân là do ngắn mạch kích thích Vì khi đó Eư =0 nên Iư = U không đổi ,Rư rất nhỏ (điện trở cuộn dây phần ứng) nên Iư rất lớn làm cháy dây quấn và vành góp + cách khắc phục điều này là phảI có bộ phận nhận biết được mất kích từ ( và do đó Iư =0) thì lập tức ngắt nguồn cấp cho phần ứng tức Uư =0. Khi đó Iư không lớn và tránh được sự cố trên. CHƯƠNG II Mạch lực I).Lựa chọn phương án mạch lực Từ yêu cầu bài toán: Udm= 80V Idm = 20A Ukt = 50V Ikt = 2A Công suất định mức của động cơ điện 1 chiều Sdm = UdmIdm = 80.20 = 1600 Công suất kích từ : Sdmkt = Ukt.Ikt=50.2 = 100 W Vì Sdm và Sdmkt nhỏ nên ta chọn mạch lực là mạch chỉnh lưu 1 pha. Ta có các phương án đưa ra cho mạch lực : _ Chỉnh lưu một nửa chu kỳ _ Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính _ Chỉnh lưu một pha . 1.) Chỉnh lưu một nửa chu kỳ . Với sơ đồ này sóng điện áp ra một chiều bị gián đoạn trong một nửa chu kỳ khi điện áp anốt của van bán dẫn âm , do đó khi sử dụng sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ chất lượng điện áp tải xấu . Điện áp tải trung bình lớn nhất trên tải Udo = 0,45U2 Vì chất lượng điện áp xấu nên hiệu suất của máy biến áp cũng thấp . Sba = 3,09.Ud.Id +Ưu điểm _ Là loại chỉnh lưu có nguyên lý đơn giản ít van +Nhược điểm _Chất lượng điện áp xấu _Hiệu suất sử dụng máy biến áp thấp 2.)Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính (dạng dòng ,áp trên tải và điện áp ngược trên van T1 trong trường hợp tải thuần trở và tải điện cảm lớn) Xét với tải RL , điện cảm lớn để lọc dòng và áp có chất lượng tốt _Biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống hệt nhau, ở mỗi nửa chu kỳ có một van dẫn cho dòng chảy qua _Khi θ = α cho phát xung mở T1 , T1 dẫn do điện áp đầu anot dương và có xung mở .Khi θ =Π , điện áp trên anot = 0 nhưng do có cuộn cảm L nên vẫn còn dòng điện Id nên T1 chưa khoá , T1 tiếp tục dẫn cho đến khi θ = Π + α , phát xung mở T2 thì T1 bị khoá và T2 dẫn . T1 khoá không phải dòng đã về 0 mà là do T2 dẫn . T2 lại dẫn cho đến khi θ = 2Π + α , T1 được phát xung mở , T1 dẫn và T2 bị khoá lại. Quá trình cứ như vậy cho đến khi điện áp tải đập mạch có tần số bằng 2 lần tần số điện áp xoay chiều . (Dạng điện áp tải , dòng trên các van T1,T2 và điện áp ngược trên van T1 được vẽ trên hình ). Với α : là góc điều khiển mở . + Điện áp trung bình trên tải Ud =U2.sinθdθ = .U2.cosα = Udo.cosα Udo = .U2 = 0,9.U2 : Điện áp chỉnh lưu không điều khiển khi tải là thuần trở . + Điện áp ngược trên van là lớn Unv = 2 U2 Tải có điện cảm lớn nên dòng tải liên tục id = Id Mỗi van dẫn thông một nửa chu kỳ + Dòng hiệu dụng qua van (chính là dòng hiệu dụng qua máy biến áp). Ihd = = = 0,71.Id + Hệ số đập mạch Kđm = 0,67. + Công suất máy biến áp Sba = 1,48.UdId Nhận xét : + Ưu điểm : _ So với chỉnh lưu một nửa chu kỳ thì chỉnh lưu hình tia có điện áp với chất lượng tốt hơn _ Dòng qua van không quá lớn _ Điều khiển van đơn giản + Nhược điểm _ Chế tạo máy biến áp phải có 2 cuộn giống nhau mỗi cuộn làm việc 1nửa chu kỳ _ Chế tạo biến áp phức tạp _ Hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn _ Điện áp ngược trên van là lớn . 3.) Chỉnh lưu cầu một pha Xét với tải RL , điện cảm L đủ lớn để lọc dòng , áp , dòng là liên tục. _ Mạch có T1 , T3 chung Katot T2 , T4 chung Anot Nửa chu kỳ đầu U2 > 0 , Anot của T1 dương , Katot của T2 âm . Nếu có xung điều khiển mở đồng thời T1 và T2 thì cả hai van này được mở thông và đặt điện áp lưới lên tải Ud = U2 . Điện áp tải một chiều bằng điện áp xoay chiều (Ud = U2) cho đến khi nào T1 , T2 còn dẫn .(Khoảng dẫn của các van phụ thuộc vào tải ) . Nửa chu kỳ sau, điện áp đổi dấu , anot của T3 dương và katot T4 âm , nếu có xung điều khiển mở đồng thời T3,T4 thì các van này được mở thông và Ud = - U2 , với điện áp một chiều có cùng chiều với nửa chu kỳ trước (Các đặc tính điện áp tải , dòng qua tải , dòng qua van và điện áp ngược trên van được biểu diễn trên hình vẽ). + Giá trị trung bình của tải Ud = = = Udo cosα. Udo : điện áp trung bình tải trong chỉnh lưu cầu không điều khiển . + Dòng qua máy biến áp cũng bằng dòng qua van (khi van mở) . + Giá trị hiệu dụng dòng thứ cấp biến áp I2 = = Id + Điện áp ngược lớn nhất van phải chịu Unv = U2 + Dòng làm việc của van tính theo giá trị trung bình IT = = = 0.71 Id + Kdm = 0,67 + Công suất biến áp Sba = 1,23Pd * Nhận xét : Chất lượng điện áp của chỉnh lưu cầu một pha giống như chỉnh lưu hình tia . Hình dạng đường cong điện áp , dòng tải , dòng qua van bán dẫn , hệ số đập mạch như trong chỉnh lưu hình tia . + Ưu điểm : _ Điện áp ngược trên van nhỏ hơn một nửa so với chỉnh lưu hình tia Unv= U2. _ Máy biến áp chế tao đơn giản hơn , và có hiệu suất cao hơn so với chỉnh lưu hình tia . + Nhược điểm : _ Số van nhiều hơn _ Điều khiển van T1 ,T2 và nhóm T3 , T4 phải đồng thời nên khó khăn hơn. * Nhận xét chung Từ các phân tích trên ta lựa chọn mạch lực là mạch chỉnh lưu điều khiển cầu một pha. II. Phân tích mạch lực. 1. Mạch lực ta chọn là mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng 4 góc phần tư. Tải ta coi là RLE , cuộn cảm L được thêm vào để lọc điện áp và dòng . θ = α phát xung mở T1 , T2 T1T2 dẫn T3 , T4 khoá Ud = U2 θ = Π + α phát xung mở T3 , T4 T1 , T2 khoá ; T3 , T4 dẫn (mở) Ud = - U2 + Điện áp trung bình tải Ud = U2cosα + Điện áp ngược lớn nhất trên van Unv = +Dòng liên tục nên id =Id Phương trình mạch tải sin =R.id +XL . +E Ud =RId +E +Dòng hiệu dụng thứ cấp máy biến áp I2 = 2) Trùng dẫn Trong máy biến áp có cuộn dây nên có điện cảm La Giả sử T1 ,T2 đang mở cho dòng chảy qua iT1,iT2 =Id Khi phát xung mở T3,T4 Vì có La nên dòng iT1,iT2 không giảm đột ngột về 0 mà dòng iT3,iT4 cũng không tăng đột ngột từ 0 đến Id Lúc này cả 4 van cùng mở thông cho dòng chảy qua ,phụ tải bị ngắn mạch ud =0 Nguồn e2 bị ngắn mạch sinh ra dòng ngắn mạch ic Phương trình ic = đặt ic =ic1 +ic2 ,ic1 =ic2 =0,5.ic ic1 :làm tăng dòng trong T4 và làm giảm dòng trong T2 ic2 : làm tăng dòng trong T3 và làm giảm dòng trong T1 Khi kết thúc giai đoạn trùng dẫn tức khi thì iT1,2 =0 Ta thấy so với không trùng dẫn đặc tính điện áp sụt một phần và đó là sụt áp gây ra do trùng dẫn khi đó giá trị trung bình điện áp trên tải là Ud’ =Ud - Ud’ =R.Id +E 3) Nghịch lưu phụ thuộc Trong đông cơ điện một chiều có sức phản điện động ,trong điều kiện nào đó nó có thể làm việc ở chế độ nghịch lưu - là chế độ biến đổi năng lượng dòng một chiều phía tải thành dòng điện xoay chiều cấp trở lại lưới điện .chế độ làm việc như vậy chính là khi ta hãm tái sinh để tiết kiệm năng lượng . Để sức điện động E phát năng lượng trở lại lưới điện thì dòng và áp phải ngược chiều nhau Ud và Id ngược nhau Do dòng điện chỉ chảy theo một chiều từ A đến K của thyristor nên ta điều chỉnh sao cho chiều dòng như cũ đảo chiều sức điện động Ed ở trong chế độ chỉnh lưu với góc mở là thì Ud =Ud0 .cos. nên nếu tức là điện áp trên tải thay đổi cực tính và ngược chiều van Do đó đẻ duy trì dòng chảy qua van từ A đến K của van thì ta phải đảo chiều Ed và đảm bảo vậy ở chế độ chỉnh lưu ,dòng trong mạch được duy trì bởi Ud –E >0 thì trong chế độ nghịch lưu phụ thuộc dòng được duy trì bởi Trong chế độ nghịch lưu lưới điện nhận năng lượng từ phía tải Điều kiện hoạt động chế độ nghịch lưu phụ thuộc - - Đảo chiều Ed - Đảm bảo Xét dạng điện áp trên van . Trong mạch có điện cảm biến áp nên nó có quá trình trùng dẫn với góc trùng dẫn xét T1,T2 đang dẫn , phát xung mở T3 ,T4 ,UA > UK nên có dòng qua van và T1,T2 vẫn còn dẫn từ đó 4 van cùng dẫn trong khoảng .Sau đó T1 ,T2 khoá và T3,T4 mở Điện áp ngược trên van T1 ,T2 Unv = Điện áp ngược chỉ xuất hiện trên van trong khoang từ đến vì sau đó điện áp trên T1 ,T2 lại là thuận (UA > UK ) Như vậy trong một chu kỳ làm việc mỗi van chỉ chịu điện áp ngược trong khoảng từ đến tức là trong khoảng thời gian ,khoảng thời gian này khá nhỏ . Nếu (ứng với thời gian phục hồi Thyristor) ,Thyristor sẽ tự mở trở lại không cần dòng điều khiển (mở tự nhiên ) Khi đó trong mạch cả hai nguồn cùng phát năng lượng khi đó Id rất lớn gây sự cố sập nghịch lưu . Do đó để an toàn phải có Chọn ( ứng với toff =555 thì có thể khoá van Thyristor thông thường ) Vậy góc mở phải thoả mãn trong nghịch lưu phụ thuộc là CHƯƠNG III Tính toán mạch lực I ) TíNH CHọN van + điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu Un max = knv.U2=knv. knv :hệ số knv = ku :hệ số điện áp (mạch cầu 1 pha) ku = Ud =110 (điện áp trung bình trên tải) Un max = điện áp ngược van cần chọn Chọn hệ số dự trữ điện áp kdtu=1,8 Unv =kdtu.Un max =1,8.172,7=310,86 Chọn Unv =311 (v) +Dòng làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng Ilv =Ihd =khd.Id = (A) Dòng định mức van cần chọn Iđm =ki.Ilv Hệ số dự trữ dòng điện ki .chọn van làm việc ở điều kiện có cánh tản nhiệt và không cần dùng cần quạt đối lưu thông gió chọn ki = 4 Iđm =4.10,6 =42,4 (A) +Từ hai thông số Un max và Iđm ta chọn 4 van thyristor loại ACR44U08LE với các thông số như sau - điện áp ngược van : Un =800 (V) - dòng định mức van : Iđm =44 (A) - đỉnh xung dòng điện : Ipi k max =550( A) - dòng xung điều khiển : Iđk max = 200(mA) - điện áp xung điều khiển : Uđk max =3 (V) - dòng điện giữ : Ih max =25 (mA) - dòng điện dò : Ir max =10 (mA) - độ sụt áp lớn nhất : - tốc độ thay đổi điện áp : - thời gian chuyển mạch : tcm = 6() - nhiệt độ làm việc cho phép :Tmax =125 0C II) TíNH toán máy biến áp chỉnh lưu Chọn máy biến áp một pha làm mát bằng không khí tự nhiên 1) Do khi làm việc với máy biến áp ,có sụt áp trên đường tải - sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp - sụt áp trên van lực - sụt áp do quá trình chuyển mạch (theo kinh nghiệm ) Công suất biểu kiến máy biến áp Pd =Ud .Id =143.15 =2145 (W) Suy ra Sba =1,05.Pd =1,05.2145 =2252 (W) 2) điện áp sơ cấp máy biến áp + U1 =220 (V) 3) điện áp pha thứ cấp máy biến áp + 4) Dòng điện hiệu dụng máy biến áp I2 =k2.Id =1.15 =15 (A) ( Hệ số dòng thứ cấp máy biến áp k2 =1) 5) Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp = (kba là hệ số máy biến áp ) ** Tính toán mạch từ và dây Chọn mạch từ ghép từ những lá thép kỹ thuật dây máy biến áp là dây đồng 0,5 mm ,với mật độ từ cảm trong trụ Bt =1 T Hình 1 sơ đồ kết cấu máy biến áp 6) Thiết diện mạch từ + chọn hệ số máy biến áp với máy biến áp khô =6 + số trụ máy biến áp m =1 + tần số dòng xoay chiều f=50 (HZ) + Q= Q = a.b =40,3 (cm ) với cách chọn thông số tối ưu là m =h/a =2,5 ; n =c/a =0,7 ;l =b/a =1,5 do đó ta chọn a=5,2 cm ; b =Q/a=7.75cm ; c= a/2 =3,64 cm h =2,5.a =13 cm ; H =h +a =18,2 cm C =2.a+2.c =17,68 cm 7) Số vòng dây sơ cấp máy biến áp (vòng ) 8) Số vòng dây cuộn thứ cấp máy biến áp (vòng ) 9) Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong dây sơ cấp và thứ cấp là J1 =J2 =2,75 (A/mm2) 10) +Dây sơ cấp S1 =I1/J1= 10,8/2,75=3,93 (mm2) +đường kính dây Chuẩn hoá đường dây chọn d1 =2,26 mm S1 =4,012 mm2 Tính lại mật độ dòng điện J1 =I1/S1 =10,8/4,012 =2,69 (A/mm2) 11) Dây thứ cấp +Tiết diện S2 =I2/J2 =15/2,75 =5,45 (mm2) + Đường kính d2 = Chuẩn hoá lại đường kính dây lấy d2 =2,44 mm Tính lại S2 =4,676 mm2 . Mật độ dòng khi đó J2 =I2 /S2 =15/4,676 =3,2 A/mm2 12) Cuộn sơ cấp h =13 cm =130 mm d1 =2,24 mm + số vòng dây trên một lớp W1l = (vòng) +W1 =246 =4.56 +22 Như vậy cuộn sơ cấp quấn thành 5 lớp .giữa các lớp có 1 tờ giấy cách điện mỏng 0,1 mm .Bề dày dây quấn cuộn sơ cấp e1 =5.d1 +6.0,1 =17,2 mm < c 13) Cuộn thứ cấp d2 = 2,63 mm + Số vòng dây trên một lớp W2l = +W2 = 178 =3.51 +23 .Như vậy ta cũng quấn cuộn thứ cấp thành 4 lớp giữa các lớp có giấy cách điện 0,1 mm Bề dày dây quấn thứ cấp e2 =4.d2+5.0,1 =4.2,63 +0,5 =10,26 mm suy ra e1 +e2 =17,2 +10,26 =27,46 mm < c =36,4 mm *** Tính điện kháng máy biến áp và góc trùng dẫn Bd1 =e1 =17,2 mm =1,72 cm Bd2 = e2 =10,26 mm =1,026 cm a12 =0,01 cm bề dày cách điện giữa các lớp w2 =178 vòng a = 5 b = 6 suy ra bán kính trong của ống quấn dây là ống dây cách điện làm bằng vật liệu cách điện 1mm có bán kính trong q12 =40 mm chiều cao sử dụng hsd =h= 150 mm Từ đây theo phần phân tích mạch lực trong trùng dẫn ta có góc trùng dẫn được xác định góc trùng dẫn lớn nhất ứng với suy ra Lấy III) tính toán bảo vệ van 1) Bảo vệ quá nhiệt cho van bán dẫn Khi làm việc với dòng điện chạy qua trên van có sụt áp , do đó có tốn hao công suất Dp ,tốn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn . Mặt khác van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp nào đó nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng . Để cho van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý . +Tính toán cách toả nhiệt +Tổn thất công suất trên 1 Thyristor DP=DU.I=2,7.10,6=28,62(W) Diện tích bề mặt toả nhiệt: Dp : tổn hao công suất (W) :độ chênh lệch so với môi trường Chọn Tmt = 400C Nhiệt độ làm việc cho phép của Tcp=1250C Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt Tlv=800C =Tlv-Tmt =80 – 40 = 400C :Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ Chọn =8 (w/m2. 0C) Chọn loại cánh toả nhiệt có 7 cánh Kích thước mỗi cánh a.b=8.8 =64(cm2) Tổng diện tích toả nhiệt của cánh S=7.2.8.8=896 (cm2) 2) Bảo vệ van tránh xung điện áp khi chuyển mạch bán dẫn Trong quá trình chuyển mạch van do mạch có những điện cảm lớn nên có xuất hiện những xung áp lớn tức là lớn .Tốc độ tăng áp lớn hơn giá trị cực đại thì thyristor có thể mở mà không cần dòng điều khiển làm cho mất khả năng điều khiển mở thyristor .Đồng thời khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn ,sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược ,gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anod và catod của Tiristor . Khi có mạch R-C mắc song song với Tiristor tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Tiristor không bị quá điện áp . Với thyristor ta đã chọn và theo kinh nghiệm ta chọn R = 20 () và C = 4 () IV) thiết kế bộ lọc một chiều Mục đích là để xác định trị số điện cảm lọc cần thiết sao cho thoả mãn hệ số đập mạch cho trước đồng thời hiệu chỉnh dể có kích thước vừa phải Ta dùng một điện cảm mắc nối tiếp với động cơ .Điện kháng của điện cảm L . Xd =w.L càng lớn so với Rd càng tốt Rd = Cầu một pha có mdm =2,w1 =2..f =100. kdm = 0,67 thay vào ta có như vậy ta cần có một cuộn cảm có trị số điện cảm L=0,015 (H) Lõi thép cuộn kháng Lõi thép cuộn kháng lọc có dạng như trên .Ta tính toán mạch từ của cuộn kháng theo tài liệu hướng dẫn 1) Kích thước lõi thép kích thước cơ sở a= 2,6. chọn a =5 cm b = 1,2.a = 6 cm c = 0,8.a =4 cm h =3.a =15 cm tiết điện lõi thép Sth =a.b =5.6 =30 cm2 diện tích cửa sổ Scs =h.c =15.4 = 60 cm2 độ dài trung bình đường sức lth =2.(a+h+c) =2.(5+15+4) = 48 cm độ dài trung bình dây quấn ldq =2.(a+b) +=2.(5 + 6) + 3,14.4 =34,6 cm Thể tích lõi thép Vth =2.a.b.(a +h +c) =2 .5.6.(5 +15 +4) =1440 cm3 2) điện trở dây quấn ở 200c đảm bảo độ sụt áp cho phép 3) Số vòng dây của cuộn cảm vòng 4) Mật độ từ trường H = A/m 5) Cường độ từ cảm B . chọn v Trong chỉnh lưu cầu 1 pha có đạp mạch trong một chu kỳ điện áp nên tần số đập mạch fđm = 2.50 =100 HZ nên 6) Tính chọn hệ số . Vì B =0,033 > 0,005 T nên (H/m) 7) Tính điện cảm nhận được (H) Ltt lớn hơn 5% giá trị yêu cầu nên chấp nhận được 8) Tiết diện dây quấn S = 0,072 . Chọn loại dây có đường kính d = 4,1 mm có tiết diện S =13,2 mm2 (loại dây chuẩn) 9) Xác định khe hở tối ưu Lkk =1,6.10-3 .w.Id =1,6.10-3 .135.15 =3,24 mm Vì vậy miếng đệm có độ dày lđệm =0,5.3,24 =1,62 mm 10) Kích thước cuộn dây Chọn lõi cuốn dây có độ dầy e =5 mm nên có độ cao sử dụng để quấn dây hdq=h – 2.e =15 -2.0,5 = 14 cm + số vòng dây trong một lớp W = vòng Vậy một lớp quấn được 34 vòng W =135 =3.34 +33 Vậy ta quấn thành 4 lớp .Nếu lấy khoảng cách giữa 2 lớp dây quấn thì bề dày cả cuộn là =n.(d +) = 4.(4,1 +0,1) =16,8 mm 11) Độ dày cuộn dây ecd < 0,5.c (c = 4 cm) Nên cuộn dây lọt trong cửa sổ 12) Kiểm tra độ chênh lệch nhiệt độ - Tổn thất đồng Pcu = (w) Tổng diện tích bề mặt của cuộn dây Scu =2.h.(a +b+)+1,4.e() = 2.15 (5 +6 +3,14.1,68 ) + 1,4 .1,68 .(3,14 .1,68 +2.5 ) =524 (cm2) Hệ số phát nhiệt độ chênh lệch nhiệt độ độ chênh lệch nhiệt độ này là cho phép CHƯƠNG IV TíNH Toán mạch điều khiển I) Nhiệm vụ của mạch điều khiển: Nhiệm vụ của mạch điều khiển là tạo ra các xung vào ở những thời điểm mong muốn để mở các Tiristor của bộ chỉnh lưu trong mạch động lực.Tiristor chỉ mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp dương đặt trên Anod và có xung áp dương đặt vào cực điều khiển. Sau khi tiristor đã mở thì xung điều khiển không còn tác dụng gì nữa, dòng điện chảy qua tiristor do thông số của mạch động lực quyết định Mạch điều khiển có chức năng : - Điều chỉnh vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên Anod – Catod của Tiristor - Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở tiristor độ rộng xung tx > 10 ms Độ rộng xung được xác định theo biểu thức: tx= Trong đó Idt: dòng duy trì của Tiristor di/dt: tốc độ tăng trưởng của dòng tải Đối tượng cần điều khiển được đặc trưng bởi góc a II) Nguyên lý mạch điều khiển Ta có hai phương pháp điều khiển thyristor là phương pháp điều khiển ngang và phương pháp điều khiển thẳng đứng.Để đơn giản ta dùng phương pháp điều khiển thẳng đứng tuyến tính Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào anod của Tiristo, để có thể điều khiển được góc mở a của Tiristo trong vùng điện áp + anod, ta cần tạo một điện áp tựa dạng tam giác, ta thường gọi là điện áp tựa là điện áp răng cưa Urc. Như vậy điện áp tựa cần có trong vùng điện áp dương anod. 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 anod, 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 0) Hình 2: Sơ đồ nguyên lý điều khiển chỉnh lưu t t t t 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 trên hình 3 Đồng pha So sánh Tạo xung Hình 3. Sơ đồ khối mạch điều khiển Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ khối hình 3 như sau: +Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo điện áp tựa Urc (thường gặp là điện áp dạng răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp anod của Tiristo +Khâu so sánh 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 này bằng nhau, thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuếch đại. +Khâu tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristo. Xung để mở Tiristor có yêu cầu: sườn trước dốc thẳng đứng, để đảm bảo yêu cầu Tiristo mở tức thời khi có xung điều khiển (thường gặp loại xung này là xung kim hoặc xung chữ nhật); đủ độ rộng với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của Tiristo; đủ công suất; cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực (nếu điện áp động lực quá lớn) 1) Khối đồng pha d- dùng khuếch đại thuật toán. b. Hình 4 : Sơ đồ khâu đồng pha dùng KĐTT Ngày nay các vi mạch được chế tạo ngày càng nhiều, chất lượng ngày càng cao, kích thước ngày càng gọn, ứng dụng các vi mạch vào thiết kế mạch đồng pha có thể cho ta chất lượng điện áp tựa tốt,điều khiển góc mở lớn góc mở có thể đạt tới 1800. Trên sơ đồ mô tả sơ đồ tạo điện áp tựa dùng khuếch đại thuật toán (KĐTT). 2) Khâu so sánh Hình 5 : Sơ đồ khâu so sánh Để xác định được thời điểm cần mở Tiristo chúng ta cần so sánh hai tín hiệu Uđk và Urc. Việc so sánh các tín hiệu đó có thể được thực hiện bằng Tranzitor nhưng Tranzitor không làm việc ở chế độ đóng cắt như ta mong muốn, do đó nhiều khi làm thời điểm mở Tiristo bị lệch khá xa so với điểm cần mở tại Uđk = Urc.Để khắc phục điều này ta dùng khuyếch đại thuật toán .KĐTT có hệ số khuyếch đại rất lớn nên chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ ở đầu vào ta đã có điện áp đầu ra ở nguồn nuôi .Ưu điểm của nó là có thể phát xung chính xác tại Uđk=Ura 3) Khâu tạo 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 Tranzitor công suất, như mô tả trên hình 6a. Để có xung dạng kim gửi tới Tiristo, ta dùng biến áp xung (BAX), để có thể khuếch đại công suất ta dùng Tr, điôt D bảo vệ Tr và cuộn dây sơ cấp biến áp xung khi Tr khoá đột ngột. Mặc dù với ưu điểm đơn giản, nhưng sơ đồ này được dùng không rộng rãi, bởi lẽ hệ số khuếch đại của tranzitor loại này nhiều khi không đủ lớn, để khuếch đại được tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang. Tầng khuếch đại cuối cùng bằng sơ đồ darlington như trên hình 6b thường hay được dùng trong thực tế. ở 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 tranzitor. Trong thực tế xung điều khiển chỉ cần có độ rộng bé (cỡ khoảng (10 á 200) ms), mà thời gian mở thông các tranzitor công suất dài (tối đa tới một nửa chu kỳ - 0.01s), làm cho công suất toả nhiệt dư của Tr quá lớn và kích thước dây quấn sơ cấp biến áp dư lớn. Để giảm nhỏ công suất toả nhiệt Tr và kích thước dây sơ cấp BAX chúng ta có thể thêm tụ nối tầng như hình 6c. Theo sơ đồ này, Tr chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong khoảng thời gian nạp tụ, nên dòng hiệu dụng của chúng bé hơn nhiều lần. Hình 6: Sơ đồ các khâu khuếch đại. a- bằng tranzitor công suất; b- bằng sơ đồ darlington; c- sơ đồ có tụ nối tầng. Để giảm công suất cho tầng khuếch đại và tăng số lượng xung kích mở, nhằm đảm bảo Tiristo mở một cách chắc chắn, người ta hay phát xung chùm cho các Tiristo. Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng khuếch đại, ta đưa chèn thêm một cổng và (&) với tín hiệu vào nhận từ tầng so sánh và từ bộ phát xung chùm như hình 7 Từ so sánh Tới khuếch đại Từ chùm xung Hình 7: Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm. Trong thiết kế mạch điều khiển, thường hay sử dụng KĐTT. Do đó để đồng dạng về linh kiện, khâu tạo chùm xung sử dụng KĐTT c Hình 7 :Sơ đồ tạo xung chùm dùng KĐTT 5) Giải thích hoạt động của mạch điều khiển Ta có sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Tiristo mô tả trên hình 8 Hình 9. Giản đồ các đường cong mạch điều khiển. Hoạt động của mạch điều khiển hình 8 có thể giải thích theo giản đồ các đường cong trên hình 9 như sau: Điện áp vào tại điểm A (UA) có dạng hình sin, trùng pha với điện áp anod của Tiristo T, qua khuếch đại thuật toán (KĐTT) A1 cho ta chuỗi xung chữ nhật đối xứng UB. Phần áp dương của điện áp chữ nhật UB qua điôt D1 tới A2 tích phân thành điện áp tựa Urc. Điện áp âm của điện áp UB làm mở thông tranzitor Tr1, kết qủa là A2 bị ngắn mạch (với Urc = 0) trong vùng UB âm. Trên đầu ra của A2 chúng ta có chuỗi điện áp răng cưa Urc gián đoạn. Điện áp Urc được so sánh với điện áp điều khiển Uđk tại đầu vào của A3. Tổng đại số Urc + Uđk quyết định dấu điện áp đầu ra của KĐTT A3. Trong khoảng 0át1 với Uđk > Urc điện áp UD có điện áp âm. Trong khoảng t1át2 điện ápUđk và U rc đổi ngược lại, làm cho UD lật lên dương. Các khoảng thời gian tiếp theo giải thích điện áp UD tương tự. Mạch đa hài tạo chùm xung A4 cho ta chuỗi xung tần số cao, với điện áp UE trên hình 8.16. Dao động da hài cần có tần số hàng chục kHz ở đây chỉ mô tả định tính. Hai tín hiệu UD, UE cùng được đưa tới khâu AND hai cổng vào. Khi đồng thời có cả hai tín hiệu dương UD, UE (trong các khoảng t1át2, t4át5) chúng ta sẽ có xung ra UF. Các xung ra UF làm mở thông các tranzitor, kết quả là chúng ta nhận được chuỗi xung nhọn Xdk trên biến áp xung, để đưa tới mở Tiristo T. Điện áp Ud sẽ xuất hiện trên tải từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên, tại các thời điểm t2, t4 trong chuỗi xung điều khiển, của mỗi chu kỳ điện áp nguồn cấp, cho tới cuối bán kỳ điện áp dương anod. III) TíNH TOáN MạCH ĐIềU KHIểN (sơ đồ tỏng thể mạch điều khiển ) Thyristor dùng trong mạch là ACR44U08L - điện áp ngược van : Un =800 (V) - dòng định mức van : Iđm =44 (A) - đỉnh xung dòng điện : Ipi k max =550( A) - dòng xung điều khiển : Iđk max = 200(mA) - điện áp xung điều khiển : Uđk max =3 (V) - dòng điện giữ : Ih max =25 (mA) - dòng điện dò : Ir max =10 (mA) - độ sụt áp lớn nhất : - tốc độ thay đổi điện áp : - thời gian chuyển mạch : tcm = 6() - nhiệt độ làm việc cho phép :Tmax =125 0C Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khuếch đại ngược trở lên. Công suất cho tầng khuyéch đại để tính là thông số của cực điều khiển Tiristo ( Uđk; Iđk). - Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển: - Điện áp điều khiển Tiristo Uđk=3 V - Dòng điện điều khiển Iđk =200 mA =0,2 A - Tần số xung fx = 3000 HZ - Độ rộng xung điều khiển tx = 167 ms - Mức sụt biên độ xung sx =0,15 - Độ mất đối xứng cho phép Da =4o - Điện áp nguôn nuôi mạch điều khiển U = 12 V - Thời gian mở Tiristo:tm =80 (ms) 1. Tính biến áp xung + Chọn vật liệu làm lõi là sắt Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có: DB = 0,3 (T), DH = 30 ( A/m ) , không có khe hở không khí. + Tỷ số biến áp xung: chọn m= 3 + Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Udk =3,0 (v) + Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = m. U2 = 3.3 = 9 (v) + Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Idk =0,2 (A) + Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I1 = I2 /m =0,2/3=0,066(A) + Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: mtb =DB/m0 . DH = 8.103 Trong đó: m0=1,25.10-6 (H/ m) là độ từ thẩm của không khí Thể tích của lõi thép của lõi thép cần có: V= Q.L = (mtb . m0 . tx . sx . Ul . Il )/ DB2 Thay số V=1,66.10-6 (m3 ) = 1,66 ( cm3 ). Chọn mạch từ có thể tích V= 2,36 (cm3 ) > 1,66 cm3 Với thể tích đó ta có kích thước mạch từ như sau: a = 5 mm; b = 5 mm; Q = 0,25 cm2 = 25 mm2 d = 25 mm; D = 35 mm . Chiều dài trung bình mạch từ: l = 9,42 (cm) + Số vòng quấn dây sơ cấp biến áp xung: Theo định luật cảm ứng điện từ: U1 =w1 . Q. dB/dt = w1 . Q. DB/tx w1 = U1 tx / DB.Q = (vòng); + Số vòng dây thứ cấp: W2 = w1 / m = 200/3 = 66 (vòng ) + Tiết diện dây quấn thứ cấp: Chọn mật độ dòng điện J1 =6 ( A/mm2 ) S1 = I1 /J1 = 66,6.10-3 /6 = 0,0111 (mm2 ) + Đường kính dây quấn sơ cấp: d1 = = 0,118 (mm) Chọn d = 0,12 (mm) S1 =0,01131 mm2 Mật độ dòng điện J1 =I1 /S1 =0,066 / 0,01131 = 5,836 A/mm2 + Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = I2 / J2 = 0,2/4 = 0,05 (mm2 ) Chọn mật độ dòng điện J2 = 4 (A/ mm2 ) + Đường kính dây quấn thứ cấp: d1 = = 0,252 (mm) Chọn dây có đường kính d2 =0,252 (mm) Chuẩn hoá lại đường dây d2 =0,25 suy ra S2 =0,04909 J2 =I2 / S2 =0,2 /0,04909 = 4,074 A/ mm2 2. Tính tầng khuếch đại cuối cùng Chọn Tranzitor công suất loại Tr3 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông số: Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn là Si . Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito: UCBO =40(v) Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto: UEBO =4(v) Dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chịu đựng : Icmax = 500 (mA). Công suất tiêu tán ở colecto : Pc =1,7 (w) Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : T1 =1750 C Hệ số khuếch đại : b =50 Dòng làm việc của colecto : Ic2 = I1 =66,6 (mA). Dòng làm việc của Bazơ : IB2 =Ic2 /b =66,6 /50 =1,32(mA) Ta thấy rằng với loại Tiristo đã chọn có công suất điều khiển khá bé Udk = 3,0 (v), Idk = 0,2 (A), Nên dòng colecto – Bazơ của Tranzito Ir3 khá bé, trong trường hợp này ta có thể không cần Tranzito T2 mà vẫn có đủ công suất điều khiển Tranzito. Chọn nguồn cấp cho biến áp xung: E= + 12 ( V) ta phải mắc thêm điện trở R10 nối tiếp với cực emitor của Ir3, R1. R10 = (E-U1)/I1 = (12 - 9)/0,066 =45 (W) Tất cả các điôt trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có tham số: + Dòng điện định mức : Idm = 10 (A) + Điện áp ngược lớn nhất : UN = 25 (v), + Điện áp để cho điôt mở thông : Um = 1 (v) 3. Chọn cổng AND Toàn bộ mạch điện phải dùng 8 cổng AND nên ta chọn hai IC 4081 họ CMOS. Mỗi IC 4081 có 4 cổng ADN, các thông số: Nguồn nuôi IC: Vcc = 3á9 (V), ta chọn: Vcc = 12 (V). Nhiệt độ làm việc: - 40o C á 80o C Điện áp ứng với mức logic “1”: 2á4,5 (V). Dòng điện nhỏ hơn 1mA Công suất tiêu thụ P=2,5 (nW/1 cổng). 4. Chọn điện trở R9 Điện trở R9 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazơ của Tranzitor Ir2, chọn R9 thoả mãn điều kiện: R9 ³ U/Ir2 = 4,5 /1,32 .10-3 =3,4.103 =3,4 ( kW); 5. Tính chọn bộ tạo xung chùm Mỗi kênh điều khiển phải dùng 4 khuếch đại thuật toán, do đó ta chọn 8 IC loại TL 084 do hãng texasInstruments chế tạo, mỗi IC này có 4 khuếch đại thuật toán. Thông số của TL084: Điện áp nguồn nuôi : Vcc = ± 18 (V) chọn Vcc = ± 12 (V) Hiệu điện thế giữa hai đầu vào : ± 30 (V) Nhiệt độ làm việc : T = -25á 850 C Công suất tiêu thụ : P = 680 (mW) = 0,68 (W) Tổng trở đầu vào : Rin= 106 ( MW) Dòng điện đầu ra : Ira = 30 ( pA). Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: du/dt = 13 (V/ms) Mạch tạo chùm xung có tần số f= 1/2tx = 3 ( kHz) hay chu kỳ của xung chùm T= 1/f = 334 (ms); ta có: T= 2. R8. C2. ln(1+2. R6/ R7) Chọn R6= R7= 3 (k) . thì T= 2,2 R8. C2 = 334 (ms) Vậy: R8. C2 = 151,8 (ms) Chọn tụ C2 = 0,1ms có điện áp U = 16 (V) ; R8= 1,518 (W). Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch thì ta chọn R8 là biến trở 2 KW 6. Tính chọn tầng so sánh Khuếch đại thuật toán đã chọn loại TL 084 Chọn R4= R5 > Uv/I v = 12/ 1.10-3 = 12 (KW) Trong đó nếu nguồn nuôi Vcc =± 12 (V) Thì điện áp vào A3 là Uvằ12 (v). Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1 (m A). Do đó ta chọn R4= R5= 15 (KW) khi đó dòng vào A3: Ivmax= 12/ (15. 103) = 0,8 ( m A) 7. Tính chọn khâu đồng pha Điện áp tụ được hình thành do sự nạp của tụ C1, mặt khác để bảo đảm điện áp tụ có trong cả chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính (vì ta còn cần mạch hoạt động ở hế độ nghịch lưu phụ thuộc ) thì hằng số thời gian tụ nạp được Tr = R3. C1 = 0,01 (s) Chọn tụ C1 = 0,1 (mF) thì điện trở R3 = Tr/ C1 = 0,01 / 0,1. 10-6 = 100 k Vậy: R3 = 100(kW) chọn Tranzito T1 loại A564 có các thông số: Tranzito loại pnp làm bằng Si Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito: UCBO =25(v) Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto: UEBO =7(v) Dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chịu đựng : Icmax = 100 (mA). Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : Tcp =1500 C Hệ số khuếch đại : b =250 Dòng cực đại của Bazơ : IB1 =Ic /b =100/250 =0,4(A Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào bazơ tranzito T2 được chọn như sau: Chọn R2 thoả mãn điều kiện: R2 ³ UN Max/IB ằ 12/0,4. 10-3 = 30 ( kW) Chọn R2 = 30 ( kW) Chọn điện áp xoay chiều đồng pha: UA =9(v). 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 < 1mA. Do đó R1 > UA/I v = 9/ 1.10-3 = 9 (KW) Chọn R1 = 10 ( kW). 8. Tạo nguồn nuôi Sơ đồ nguyên lí tạo nguồn nuôi Ta cần tạo ra nguồn điện áp ± 12 (V) để cấp cho biến áp xung, nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ. Ta dùng mạch chỉnh lưu cầu 3 pha dùng điôt, điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi: U2 =12/2,34 = 5,1(v) ta chọn U2 =9(v) 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 = 7á35 (V). Điện áp đầu ra: Ura= 12(V) với IC 7812. Ura= -12(V) với IC 7912 Dòng điện đầu ra: Ira = 0á1 (A). Tụ điện C4, C5 dùng để lọc thành phần sóng dài bậc cao. Chọn C4= C5 =C6 =C7 = 470 (mF) ; U= 35 V PHUƠNG PHáP điều khiển riêng Nguyên lý đảo chiều theo phương pháp điều khiển riêng Trong mạch có hai bộ chỉnh lưu , mỗi mạch chỉnh luư hoạt động một cách riêng rẽ với nhau .Bộ chỉnh luư 1 chạy thì bộ 2 không chạy khi càn đảo chiều thì cho bộ 2 chay còn bộ1 nghỉ Do van thyristor chỉ điều khiển mở mà không điều khiển ngắt được nên ta phải điều khiển sao cho hai bộ không hoạt động cùng một lúc ,vì néu như vậy thì cả hai bộ chỉnh luư cùng chạy dẫn tới sự liên thông trong van dòng là rất lớn van bị đánh thủng Do thyristor là van bán điều khiển nên việc ngắt xung chưa đảm bảo bộ chinh l đó đã nghỉ - Thyristor đang dẫn thì việc cắt xung điều khiển ảnh hưởng đến sự dẫn của nó ,nó tiếp tục dẫn và chỉ khoá van khi dòng qua van về 0 - Sau khi dòng về 0 nó chỉ khoá chắc chắn sau một khoảng thời gian nữa ,đó là thời gian phục hồi .do đó ta phải ngắt hoàn toàn bộ chỉnh lưu này sau khoảng htời gian ròi cho bộ kia hoạt động - Để phát hiện được dòng đã về 0 ta cần một sensor dòng - Sau khi dòng đã về 0 phải giữ một khoảng thời gian trễ đủ thyristor khoá chắc bấy giờ cho bộ sau hoạt động ** Từ nhận xét trên ta có thứ tự đảo chiều 4 bước ngắt xung điều khiển Iđ1 Đo dòng Iđ1 tìm thời điểm Iđ1= 0 bộ chỉnh lưu 1 khoá Đợi khoảng thời gian thời gian phục hồi đảm bảo van chỉnh lưu khoá chắc Bắt đàu phát xung cho bộ 2 hoạt động Nếu sdd Ed chưa đảo chiều thì không được phép chạy bộ 2 ở chế độ chỉnh lưu vì lúc đó Ed và Id cùng chiều nhau gây sập nghịch lưu (dòng chảy qua van rất lớn ) Do đó trước hết phải cho bộ 2 hoạt động ở chế độ nghịch lưu tức là hoạt động ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc ,nhưng phải đảm bảo các điều kiện nghịch lưu phụ thuộc 90 < < 180 –(góc trùng dẫn +góc phục hồi) Khi đó thưc hiện hãm tái sinh Ed mất dần năng lượng , khi Ed =0 cho bộ 2 hoạt động ở chế độ chỉnh lưu Để thực hiện các bước đảo chiều ta thực hiện như sau : Khi điều khiển riêng hai bộ biến đổi làm việc riêng rẽ nhau, tại một thời điểm chỉ phát xung điều khiển vào một bộ biến đổi còn một bộ biến đổi kia bị khoá do chưa có xung điều khiển. Hệ có hai bộ biến đổi là BĐ1và BĐ2 với các mạch phát xung điều khiển tương ứng là FX1 và FX2 . Trật tự hoạt động của bộ phát xung này được quy định bởi các tín hiệu lôgic b1 và b2. Quá trình hãm và đảo chiều được mô tả bằng đồ thị thời gian. Trong khoảng thời gian từ 0 -> t1 bộ BĐ1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu với a1 <p/2 còn bộ BĐ2 thì khoá . Tại t1 phát lệnh đảo chiều bởi iLĐ góc điều khiển a1 tăng đột biến lớn hơn p/2 dòng điện phần ứng giảm về không lúc này các xung để khoá bộ BĐ1 . Thời điểm t2 được xác định bởi cảm biến dòng điện SI1. Trong khoảng thời gian trễ t= t3 – t2 bộ BĐ1 bị khoá hoàn toàn, dòng điện phần ứng bị triệt tiêu. Tại t3 sđđ E vẫn còn dương, tín hiệu lôgic b2 kích cho FX2 mở BĐ2 với góc a >p/2 và sao cho dòng điện phần ứng không vượt quá giá trị cho phép động cơ được hãm tái sinh. Nếu nhịp điệu giảm a2 phù hợp với quán tính của hệ thì có thể duy trì dòng điện hãm và dòng điện khởi động ngược không đổi , điều này được thực hiện bởi các mạch vòng điều chỉnh tự động dòng điện của hệ thống trên sơ đồ của khối lôgic LOG , iLĐ , iL1 , iL2 là các tín hiệu lôgic đầu vào b1,b2 là các tín hiệu lôgic đầu ra để khoá các bộ phát xung điều khiển. iLĐ = 1 phát xung điều khiển mở BĐ1. iLĐ = 0 phát xung điều khiển mở BĐ2. i1L (i2L) = 1 có dòng điện chảy qua bộ BĐ1 và BĐ2 b1(b2) = 1 khoá bộ phát xung FX1 và FX2. Từ mạch lôgic trên ta có: Nhận xét: Hệ truyền động van đảo chiều điểu khiển riêng có ưu điểm là làm việc an toàn ,không có dòng điện cân bằng chảy giữa các bộ biến đổi nên không cần thiết kế cuộn kháng cân bằng ,song cần một khoảng thời gian trễ trong đó dòng điện động cơ bằng không. Do nguyên tắc điều khiển riêng dùng hai bộ biến đổi làm việc độc lập, trong một thời điểm thì chỉ có một bộ BĐ làm việc còn bộ BĐ kia phải chắc chắn khoá( có nghĩa là dòng điện qua bộ BĐ này phải bằng “0”). Ta sẽ dùng xenxơ dòng điện để nhận biết có dòng điện chạy qua bộ BĐ hay không. xenxo dòng này ta dùng điện trở shunt .điện trở này khi có dòng qua nó thì một điện áp cỡ 60 mV lấy ra ở đầu ra .tín hiệu này qua bộ khuyếch đại thuật toán để khuyếch đại điện áp này Ta dùng một khâu thuật toán so sánh LM311: tín hiệu dòng điện qua xenxơ được hạ trên một điện trở RS tạo ra tín hiệu điện áp Vi. Đầu ra chân 7 mắc với nguồn nuôi +5V qua điện trở kéo lên 1kW. Đất của bộ so chân 1 được mắc vào đầu nối đất của mạch. Cách mắc này dẫn đến đầu ra có các trạng thái khả dĩ là 0 và 5V .Lôgic của mạch là: V0 =5V đối với Vi > 0 V0 =0V đối với Vi < 0 Nếu V0 = 5V nghĩa là bộ BĐ đó có dòng điện chạy qua. Nếu V0 = 0V có nghĩa là bộ BĐ đó không có dòng điện chạy qua . Do mạch điểu khiển riêng cần có thời gian tạo trễ nên ta chọn bộ tạo trễ là mạch 555 Góc phục hồi =10o thời gian phục hồi T off =555 T = R1.C1 = 555.10-6 chọn R1 = 470 và C1 = 1,5 Kết luận. Qua việc thiết kế hệ thống điều khiển động cơ một chiều có đảo chiều giúp em nắm vững hơn phần lý thuyết đã được học và có thêm nhiều sự hiểu biết thực tế. Tuy nhiên, do nội dung công việc hoàn toàn mới mẻ và tầm hiểu biết còn hạn chế nên đồ án môn học của em còn nhiều thiếu sót. Em mong các thầy cô chỉ bảo để em hoàn thành tốt hơn nữa nhiệm vụ của mình. Em xin chân thành cảm ơn các thầy.