Đồ án Thiết kế hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn bằng phương pháp điện trở xung

Lời nói đầu Ngày nay động cơ điện có mặt ở khắp nơi trong tất cả các lĩnh vực của cuộc sống, đặc biệt là trong công nghiệp. Khi động cơ điện được đưa vào ứng dụng rộng rãi thì việc thiết lập một hệ thống tự động điều chỉnh để đạt được sự tối ưu về các chỉ tiều kinh tế, kỹ thuật là một vấn đề quan trọng. Với việc ứng dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử - tin học, các hệ truyền động điện được phát triển và có những thay đổi đáng kể. Đặc biệt, do công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền động điện không những đáp ứng được yêu cầu tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần làm giảm kích thước và hạ giá thành của hệ truyền động. Mặc dù là một lĩnh vực tương đối hẹp nhưng truyền động điện xoay chiều dùng động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn luôn luôn có những vấn đề hết sức hấp dẫn và cũng rất phức tạp. Vì vậy, với đồ án tốt nghiệp “Thiết kế hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn bằng phương pháp điện trở xung” em không có tham vọng đi sâu vào tất cả các vấn đề của lĩnh vực này. Những kết quả được trình bày trong bản đồ án môn tốt nghiệp này mới chỉ là những kết quả bước đầu. Trong nội dung nghiên cứu của bản đồ án này, em đã thực hiện được các nhiệm vụ sau: Tổng quan các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha. Lựa chọn và tính toán mạch động lực. Lựa chọn và tính toán mạch điều khiển. Tổng hợp hệ thống điều khiển hai mạch vòng. Trong quá trình thực hiện, chắc chắn bản thân em không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn để bản đồ án này hoàn thiện hơn. Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn Tiến sĩ Nguyễn Trung Sơn, đã tận tình hướng dẫn và cho nhiều ý kiến đóng góp quý báu, tới tập thể Bộ môn Thiết Bị Điện - Điện Tử trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội và các bạn sinh viên đã tạo những điều kiện nghiên cứu tốt nhất trong suốt thời gian thực hiện bản đồ án tốt nghiệp này. Chương I Tổng quan các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha mạch điện thay thế và đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha Khái quát về động cơ không đồng bộ ba pha Trong quá trình khai thác sử dụng các tài nguyên thiên nhiên phục vụ cho nền kinh tế quốc dân nói riêng và các hoạt động của xã hội nói chung, không thể không nói đến sự biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Trong đó, động cơ điện là thiết bị biến đổi từ điện năng thành cơ năng có vai trò rất to lớn trong sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, dân dụng và rất nhiều lĩnh vực khác. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ và kỹ thuật hiện đại. Đặc biệt trong lĩnh vực điện tử và bán dẫn công suất (transistor công suất, tiristor, triac…) đã tạo điều kiện cho việc sử dụng các động cơ điện có hiệu quả và đưa ra nhiều phương án để lựa chọn những loại động cơ thích hợp. Hiện nay, động cơ điện không đồng bộ được sử dụng rộng rãi chiếm tỷ lệ rất cao với mức công suất nhỏ từ vài chục W đến mức công suất trung bình hàng trăm kW. Với những ưu điểm nổi bật của nó như: giá thành hạ (chỉ bằng 1/6 động cơ điện một chiều khi có cùng công suất), làm việc tin cậy chắc chắn, hiệu suất cao… Ngoài ra động cơ không đồng bộ còn dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm thiết bị biến đổi kèm theo, đỡ phức tạp cho hệ thống. Các lĩnh vực ứng dụng của động cơ không đồng bộ như: Trong công nghiệp thường dùng làm nguồn lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ … Trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió. Trong nông nghiệp dùng trong các trạm bơm hay máy gia công nông sản phẩm. Trong đời sống sinh hoạt hàng ngày, động cơ điện không đồng bộ cũng chiếm một vị trí rất quan trọng như làm quạt gió, máy bơm nước, tủ lạnh, máy điều hoà nhiệt độ… Cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hoá và tự động hoá thì phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng được cải thiện và mở rộng. Tuy nhiên, với mỗi loại động cơ đều có những nhược điểm riêng của nó. Đối với động cơ không đồng bộ bên cạnh những ưu điểm kể trên nó có một số nhược điểm sau: Đặc tính điều chỉnh không tốt, cosj thấp, khống chế các quá trình quá độ khó khăn. Riêng đối với động cơ rô to lồng sóc có đặc tính khởi động tương đối xấu. Chính vì những lý do đó nên ứng dụng của nó trong một số điều kiện cụ thể còn có phần bị hạn chế. Nói tóm lại, với những ưu điểm nổi bật của động cơ không đồng bộ thì việc ứng dụng nó trong những lĩnh vực của cuộc sống ngày càng được phát triển và cải tiến về mọi mặt. Mạch điện thay thế Nói chung, trên stato của động cơ không đồng bộ có dây quấn m1 pha (thường m1 = 3), trên rôto có dây quấn m2 pha (m2 = 3 đối với động cơ rôto dây quấn; còn đối với động cơ rôto lồng sóc thì m2 > 3). Như vậy trong động cơ không đồng bộ có hai mạch điện không nối với nhau và giữa chúng chỉ có sự liên hệ về cảm ứng từ. Sau khi đã phân tích các quan hệ điện từ ta có được hệ phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ lúc rôto quay như sau: (I) Dựa vào các phương trình cơ bản trên, ta có thể thiết lập được mạch điện thay thế hình T cho động cơ không đồng bộ khi rôto quay như sau: Hình 1. Mạch điện thay thế hình T của động cơ không đồng bộ. Thường để thuận lợi cho tính toán, người ta biến đổi mạch điện thay thế hình T thành mạch điện thay thế hình Г đơn giản hơn: Hình 2. Mạch điện thay thế hình Г của động cơ không đồng bộ. Trong đó: ; gọi là dòng điện không tải lý tưởng, nghĩa là dòng điện không tải ứng với lúc s = 0; gọi là dòng điện thứ cấp của mạch điện hình Г. Thực tế, chỉ lớn hơn 1 một ít và góc phức lại rất nhỏ, nên có thể coi . Như vậy: (II) Do vậy ta có thể có mạch điện thay thế đơn giản hơn nữa: Hình 3. Mạch điện thay thế hình Г đơn giản hóa của động cơ không đồng bộ. Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ Từ sơ đồ mạch điện thay thế hình Г đơn giản hóa, trị số hiệu dụng của dòng điện rôto đã quy đổi về stato I’2 là: (1) Trong đó: Xnm = x1 + x’2 điện kháng ngắn mạch. Để tìm phương trình đặc tính cơ ta xuất phát từ điều kiện cân bằng công suất trong động cơ: công suất điện từ chuyển từ stato sang rôto: P12=Mđt.w0 Trong đó: Mđt – mômen điện từ của động cơ Nếu bỏ qua các tổn thất phụ thì Mđt = Mcơ, ta ký hiệu: Mđt = Mcơ = M Công suất đó được chia làm hai phần: công suất đưa ra trục động cơ Pcơ và công suất tổn hao trong rôto DP2 nghĩa là: P12= Pcơ+ DP2 hay Mw0 = Mw + DP2 do đó DP2 = M (w0 - w) = Mw0s Mặt khác: nên Thay (1) vào phương trình trên ta có phương trình đặc tính cơ: (2) Kết hợp với phương trình tốc độ w = w0 (1 – s) ta có dạng đường cong đặc tính cơ: Hình 4. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ. Điểm cực trị của đặc tính cơ thường được gọi là điểm tới hạn có tọa độ [Mth, sth]: (3) (4) Ta có thể viết phương trình đặc tính cơ dưới dạng khác thuận tiện hơn bằng cách lập tỉ số giữa (2) và (4) rồi biến đổi ta được: Trong đó: . Trong động cơ không đồng bộ thường r1 ằ r’2 mà sth = 0,1 á 0,2 nên ta có thể coi asth ằ 0 khi đó ta có dạng biểu thức Klôx: Đối với các động cơ có công suất lớn thường r1 << xnm nên ta có: (5) các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ khi mắc vào nguồn điện có tần số f1 thì ta có biểu thức của tốc độ: w = w0 (1 – s) (6) Trong đó: tốc độ quay của rôto; w0 tốc độ không tải lý tưởng; s hệ số trượt của động cơ. Do đó ta có: (7) Từ phương trình trên ta thấy, muốn thay đổi tốc độ động cơ không đồng bộ w ta có thể thực hiện bằng cách thay đổi các thông số: tần số nguồn f1, số đôi cực p và hệ số trượt s. Tương ứng với sự điều chỉnh các thông số trên ta có các phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ: Thay đổi tần số f1 của nguồn cấp. Thay đổi số cực 2p. Điều chỉnh điện áp đặt vào stato. Điều chỉnh điện trở mạch rôto. Dùng sơ đồ nối tầng động cơ không đồng bộ. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số Nguyên lý điều chỉnh Tần số của lưới điện quyết định giá trị tốc độ góc của từ trường quay trong máy điện, do đó bằng cách thay đổi tần số dòng stato ta có thể điều chỉnh được tốc độ của động cơ. Để thực hiện phương pháp điều chỉnh này ta dùng bộ nguồn biến tần BT để cung cấp cho động cơ. Sơ đồ tổng quát của hệ như sau: Hình 5. Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động điện có điều chỉnh tần số. Máy điện được chế tạo để hoạt động ở tần số định mức nên khi thay đổi tần số chế độ làm việc của máy điện cũng bị thay đổi vì tần số có ảnh hưởng trực tiếp đến từ thông của máy điện. Quan hệ này có thể được phân tích nhờ phương trình cân bằng điện áp đối với mạch stato của máy điện: Trong đó: Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây stato; Từ thông móc vòng qua cuộn dây stato; c Hằng số tỷ lệ; Điện áp đặt vào stato động cơ; f1 Tần số dòng stato. Nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở của cuộn dây stato ta có : Từ phương trình trên ta thấy nếu giữ nguyên điện áp U1 (U1 = const), khi tăng tần số f1 thì từ thông trong máy sẽ giảm làm cho mômen của máy điện giảm. Nếu mômen tải không thay đổi hoặc là hàm tăng của tốc độ thì khi đó dòng điện cũng phải tăng để cho mômen cân bằng với mômen tải. Kết quả là động cơ bị quá tải về dòng. Ngược lại khi giảm tần số để giảm tốc độ lại dẫn đến từ thông tăng lên làm tăng mức độ từ hoá lõi thép, tăng tổn hao thép và làm nóng máy điện. Như vậy khi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số thì ta cũng phải thay đổi điện áp một cách tương ứng. Người ta chứng minh được rằng, khi thay đổi tần số, nếu đồng thời điều chỉnh điện áp sao cho hệ số quá tải của động cơ không thay đổi thì chế độ làm việc của động cơ luôn được duy trì ở mức tối ưu giống như khi làm việc ở thông số định mức. Khi đó hiệu suất và cosj của máy trong toàn dải điều chỉnh gần như không đổi. Các đặc tính điều chỉnh Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi điều chỉnh tần số không chỉ phụ thuộc vào tần số mà còn phụ thuộc vào quy luật thay đổi điện áp, nghĩa là còn phụ thuộc đặc tính của phụ tải. Khi Mc = const Khi Mc ≡ Khi Mc ≡ w2 Hình 6. Các đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng tần số với các loại tải khác nhau. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số có các ưu, nhược điểm sau: Ưu điểm Điều chỉnh vô cấp tốc độ quay của động cơ. Dải điều chỉnh tốc độ D lớn. Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ dùng biến tần mắc trực tiếp từ lưới điện, do đó không cần các thiết bị biến đổi, nó sử dụng động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc có kết cấu đơn giản, vững chắc, giá thành rẻ, có thể làm việc trong mọi môi trường. Hệ thống điều chỉnh tốc độ dùng biến tần có thể hãm tái sinh cho nên nguồn xoay chiều này có thể làm việc ở cả 4 góc tọa độ. Nhược điểm Bộ biến tần có giá thành đắt do sử dụng nhiều linh kiện bán dẫn và mạch điều khiển điện tử. Phạm vi ứng dụng Hệ thống điều khiển tốc độ dùng biến tần có nhiều ưu điểm, song phạm vi ứng dụng của nó phụ thuộc nhiều vào yếu tố kinh tế. Do vậy, trong thực tế biến tần thường được sử dụng khi có nhiều động cơ cùng thay đổi tốc độ theo một quy luật chung. Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn ít được sử dụng cùng với biến tần do biến tần có thể điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc một cách dễ dàng. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi số đôi cực Khi thay đổi số đôi cực p của máy điện không đồng bộ, tốc độ từ trường quay thay đổi và do đó tốc độ động cơ rôto cũng biến đổi theo. Quan hệ đó thể hiện trong biểu thức tốc độ sau: Động cơ đa tốc thường có rôto lồng sóc, vì rôto này có khả năng tự biến đổi số cực rôto theo stato. Do đó, số cực, điện trở và điện kháng rôto tự thay đổi nhịp nhàng với stato. Đối vơi động cơ không đồng bộ rôto dây quấn, phương pháp này hiếm khi được sử dụng vì khi thay đổi số cực stato ta đồng thời phải thay đổi số cực rôto, làm cho cấu trúc động cơ rất phức tạp. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào stato Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh trở – kháng mạch stato Nguyên lý điều chỉnh Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ: Ta thấy, có thể làm biến dạng đặc tính cơ bằng cách nối vào mạch stato một điện trở phụ hoặc một điện kháng phụ. Trong thực tế, việc dùng điện trở phụ có hiệu quả rất kém do có tổn hao trên bản thân nó, nên ít được sử dụng. Sơ đồ nguyên lý và các đặc tính điều chỉnh của động cơ không đồng bộ ba pha khi dùng kháng trong mạch stato như sau: Hình 7. Sơ đồ nguyên lý và các đặc tính điều chỉnh của động cơ không đồng bộ khi dùng kháng trong mạch trong mạch stato (xf1 > xf2). Từ mạch điện thay thế hình Γ đơn giản hóa của động cơ không đồng bộ ta thấy, khi nối kháng vào mạch stato, dòng điện stato và rôto đều giảm xuống, do đó mômen M của động cơ giảm xuống và trở nên nhỏ hơn mômen tải Mc nên hệ sẽ giảm tốc. Kết quả là động cơ sẽ chuyển sang làm việc xác lập ở tốc độ thấp hơn tốc độ cơ bản. Từ phương trình (3) và (4) ta thấy, khi mắc thêm cuộn kháng vào stato, khi đó điện kháng ngắn mạch xnm tăng và do đó, độ trượt tới hạn sthvà mômen tới hạn Mthđều giảm như trên hình 7. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh cuộn kháng ở mạch stato có những ưu, nhược điểm sau: Ưu điểm Mạch động lực và điều khiển đơn giản làm cho các thao tác điều khiển dễ dàng, chi phí vận hành và sửa chữa thấp. Nhược điểm Hệ thống không điều chỉnh chỉnh triệt để (không điều chỉnh được tốc độ không tải lý tưởng w0. Càng điều chỉnh sâu, mômen tới hạn và độ trượt tới hạn càng nhỏ, do đó khả năng mang tải càng kém và độ ổn định tĩnh cũng như động của hệ càng thấp. Độ chính xác đặt tốc độ kém do độ cứng của đặc tính cơ điều chỉnh khá nhỏ. Các chỉ tiêu năng lượng đều xấu, hiệu suất giảm rất nhanh khi giảm tốc độ và hệ số công suất cosj thấp do nối thêm kháng. Phạm vi ứng dụng Phương pháp này có thể ứng dụng cho cả động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc và rôto dây quấn nó có nhiều nhược điểm do đó ít được dùng trong thực tế. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào stato Nguyên lý điều chỉnh Để điều chỉnh điện áp. người ta dùng bộ nguồn BĐ có điện áp ra thay đổi tùy thuộc vào tín hiệu điều khiển Uđk với sơ đồ nguyên lý hình 8. Hình 8. Sơ đồ tổng quát của hệ truyền động điện không đồng bộ có điều chỉnh điện áp nguồn. Khi thay đổi điện áp lưới, ví dụ khi giảm xuống còn x lần (x < 1) điện áp định mức (U1 = xUđm) thì mômen sẽ giảm xuống còn x2 lần M = x2Mđm. Nếu mômen tải không đổi thì tốc độ giảm xuống còn hệ số trượt tăng lên. Theo công thức về mômen M = cmI’2f, trong đó cm là hằng số, thì khi điện áp lưới U1 = xUđm, thì sức điện động E và từ thông f cùng bằng x lần giá trị ban đầu và I’2 tăng lên 1/x lần. Vì hệ số trượt: nên hệ số trượt s sẽ bằng 1/x2 lần hệ số trượt cũ và tốc độ động cơ điện ở điện áp sẽ là: Khi điện áp khác với giá trị định mức, mômen tới hạn Mth sẽ thay đổi đổi tỷ lệ với bình phương điện áp, còn độ trượt tới hạn sth thì giữ nguyên, nghĩa là: Đặc tính điều chỉnh có dạng như sau: Hình 9. Các đặc tính cơ khi điều chỉnh điện áp stato, U12 > U11. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng Ưu điểm Phương pháp này cho phép tự động hóa hệ thống và cải thiện các đặc tính điều chỉnh. Nhược điểm Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng điện áp có nhược điểm là làm việc không ổn định do hệ thống nhạy với sự thay đổi của điện áp. Phạm vi ứng dụng Phương pháp này thích hợp với truyền động mà mômen tải là hàm tăng theo tốc độ như: quạt gió, bơm ly tâm. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện trở mạch rôto Nguyên lý điều chỉnh Khi thay đổi điện trở mạch rôto (bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf mắc vào rôto), dòng điện stato I1 và do đó mômen của động cơ cũng thay đổi, dẫn đến tốc độ của động cơ cũng thay đổi. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi điều chỉnh bằng phương pháp này như sau: Hình 10. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ điều chỉnh bằng điện trở. Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với đặc tính tự nhiên có tải là Mc và tốc độ là w1, điểm làm việc là điểm a trên đồ thị hình 10. Để điều chỉnh tốc độ ta đóng một điện trở Rf vào cả ba pha rôto, khi đó điện trở mỗi pha rôto là . Điện trở rôto tăng, từ sơ đồ mạch điện thay thế hình G đơn giản hóa ta thấy dòng điện stato I1 giảm đột biến và do đó mômen của động cơ cũng giảm. Do quán tính của động cơ nên tốc độ không thay đổi đột ngột. Điểm làm việc chuyển từ điểm a đến điểm b. Tại thời điểm đó, M < Mc nên hệ giảm tốc. Mặt khác, theo quan hệ (7), vì tốc độ giảm, độ trượt tăng nên suất điện động cảm ứng trong rôto E2 tăng lên. Do đó, dòng điện ở rôto và mômen động cơ lại tăng cho đến khi M = Mc thì hệ xác lập nhưng với tốc độ mới w2 < w1. Trạng thái này ứng với điểm a’ trên đặc tính điều chỉnh. Từ phương trình (3) và (4): (3) (4) Ta thấy, khi tăng điện trở rôto thì độ trượt giới hạn sth tăng và mômen tới hạn Mth không đổi. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng Ưu điểm Mạch động lực và điều khiển đơn giản làm cho các thao tác điều khiển dễ dàng, chi phí vận hành và sửa chữa thấp. Hạn chế dòng điện mở máy do đó làm tăng khả năng mở máy cho động cơ. Tự động hóa điều chỉnh tốc độ dễ dàng. Nhược điểm Dải điều chỉnh tốc độ bé. Tổn hao năng lượng lớn do tỏa nhiệt trên điện trở Rf. Phạm vi ứng dụng Từ các ưu, nhược điểm trên, đây là một phương pháp được sử dụng rộng rãi, mặc dù đây không phải là phương pháp kinh tế nhất. Nó được ứng dụng nhiều trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ rôto dây quấn. Phương pháp này được sử dụng trong các hệ thống có các động cơ không đồng bộ làm việc ngắn hạn hay ngắn hạn lặp lại, và thích hợp với các hệ thống yêu cầu tốc độ không cao như cần trục, cầu trục… Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng sơ đồ nối tầng Nguyên lý điều chỉnh Điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ trong các sơ đồ nối tầng được thực hiện bằng cách đưa vào rôto của nó một sức điện động Ef. Sức điện động phụ này có thể cùng chiều hoặc ngược chiều với sức điện động cảm ứng trong mạch rôto E2 và có tần số bằng tần số rôto. Sức điện động phụ có thể là xoay chiều hoặc một chiều như sơ đồ nguyên lý sau: Hình 11. Sơ đồ nguyên lý khi đưa sức điện động phụ vào mạch rôto của động cơ không đồng bộ để điều chỉnh tốc độ của nó trong sơ đồ nối tầng. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ trong các sơ đồ này như sau: Giả thiết Đ làm việc ở trạng thái động cơ nghĩa là nó tiêu thụ năng lượng từ lưới và sinh năng lượng trượt ở mạch rôto . Khi đưa Ef vào, dòng điện rôto khi đó (8) Ta giả thiết Mc = const và động cơ đang làm việc xác lập trên đặc tính 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 giá trị nhỏ hơn mômen Mc, nên tốc độ của động cơ giảm. Khi tốc độ giảm, độ trượt tăng làm cho E2 = E2nms tăng lên. Kết quả là dòng điện rôto I2 và mômen điện từ tăng lên. Cho đến khi mômen của thiết bị nối tầng cân bằng với mômen Mc thì quá trình giảm tốc kết thúc, động cơ làm việc với tốc độ nhỏ hơn trước. Khi | E2 | = | Ef |, I2 = 0 động cơ có tốc độ không tải lý tưởng w0lt. Khi Ef = 0 động cơ làm việc trên đặc tính gần đặc tính tự nhiên. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng Ưu điểm Chỉ tiêu năng lượng cao do tận dụng được công suất trượt ở mạch rôto. Nhược điểm Mạch điều khiển và mạch động lực phức tạp dẫn đến chi phí vận hành và sửa chữa lớn. Phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ thống không lớn lắm và mômen của động cơ giảm khi tốc độ giảm xuống. Phạm vi ứng dụng Phương pháp điều chỉnh công suất trượt thường áp dụng cho các truyền động công suất lớn vì khi đó tiết kiệm điện năng có ý nghĩa lớn. Phương pháp này nên áp dụng cho các truyền động có số lần khởi động, dừng máy và đảo chiều ít vì thường ta khởi động bằng phương pháp khác cho đến khi tốc độ đến vùng làm việc thì mới sử dụng phương pháp này để điều chỉnh tốc độ. Kết luận: Từ việc phân tích các ưu, nhược điểm của các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ với động cơ trong yêu cầu của đồ án là động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn ta thấy phương pháp điều chỉnh tốc độ dùng điện trở xung rôto là thích hợp nhất. Chương II Chọn và tính toán mạch động lực các thông số của động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn Pđm = 7,5 KW; nđm = 695 v/ph; cosjđm = 0,74; I1đm = 20,6 A; E20 = 254 V; r1 = 1,04 W; x1 = 0,833 W; r2 = 0,462 W; x2 = 0,611W; Phạm vi điều chỉnh D = 4 : 1; Mômen quán tính của động cơ Jđ/c = 0,837 Kgm2. Động cơ sử dụng nguồn điện ba pha có điện áp U1 = 380 V; tần số f1 = 50 Hz. Hiệu suất của động cơ: Hệ số trượt của động cơ: Do số đôi cực p là số nguyên, với các giá trị: p = 3 ị s = 0,305; p = 4 ị s = 0,073; p = 5 ị s = - 0,158; Như vậy, ta thấy khi p = 4 và khi đó s = 0,073 là hợp lý. Sức điện động của rôto khi quay ở tốc độ định mức: Từ sơ đồ mạch điện thay thế hình 3, trị số hiệu dụng của dòng điện trong dây quấn rôto đã quy đổi về stato: (*) Tỷ số biến đổi điện áp: Trong đó: Ta lấy E1 = 0,95U1. Trong máy điện không đồng bộ rôto dây quấn, tỷ số biến đổi dòng điện bằng tỷ số biến đổi điện áp: r1= 1,04 W; r’2 = k.r2 = ke2.r2 = 1,422.0,462 r’2 = 0,932 W; xnm = x1 + x’2 = x1 + ke2.x2 = 0,833 + 1,422.0,611 xnm = 2,065 W; Uf = 220 V. Thay các giá trị trên vào (*) ta có: Dòng điện định mức trong dây quấn rôto: lựa chọn và tính toán mạch động lực Động cơ trong yêu cầu của bài toán thiết kế là loại động cơ ba pha sử dụng điện áp U1 = 380 V với tần số f1 = 50 Hz và điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh xung điện trở mạch rôto. Do vậy, động cơ được mắc trực tiếp vào lưới điện ba pha có điện áp U1 = 380 V với tần số f1 = 50 Hz. Ta điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện trở phụ mắc vào mạch rôto. Hệ thống điện trở phụ bao gồm ba biến trở Rf mắc vào ba pha của dây quấn rôto thông qua hệ thống vành trượt. Sử dụng biến trở trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ là một phương pháp đơn giản nhưng có nhiều nhược điểm. Phần lớn các nhược điểm đều liên quan đến dạng đặc tính cơ mềm và dùng điện trở nhiều cấp trong mạch lực. Hình 12. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực hệ điều chỉnh xung điện trở rôto. Trong sơ đồ trên: AP - áp tô mat; K - công tắc tơ có dập hồ quang; RN - rơle nhiệt; Rf - điện trở điều chỉnh mạch rôto. Điều chỉnh xung điện trở mạch rôto Hình 13. Sơ đồ nguyên lý hệ điều chỉnh xung điện trở và điện trở xung Rx. Để khắc phục một số nhược điểm quan trọng trên và mở ra khả năng tự động hóa hệ thống, người ta dùng phương pháp điều chỉnh xung điện trở. Đây là một phương pháp phát triển của phương pháp biến trở. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp này như sau: Sơ đồ này chỉ khác sơ đồ hình 10 ở chỗ sử dụng “điện trở xung” Rx. Để dùng Rx ta dùng một điện trở có giá trị không đổi R và một khóa K đóng cắt theo chu kỳ. Nếu khóa K là lý tưởng, nghĩa là khóa có điện trở bản thân khi đóng là Kkh= 0 và khi cắt là Rkh= Ơ, thì khi K đóng Rx= 0, và khi K cắt Rx=R. Như vậy, điện trở phụ trong mạch rôto thay đổi theo chu kỳ từ 0 đến R và trong mạch rôto từ r2 đến r2+R. Điện trở điều chỉnh trong trường hợp này sẽ có một giá trị tương đương nằm giữa 0 và R. Nó phụ thuộc vào tương quan giữa các thời gian đóng tđ và thời gian cắt tc của khóa. Giá trị đó quyết định độ cứng của đặc tính cơ biến trở và trị số tốc độ của truyền động điện. Trong thực tế, việc dùng cả ba điện trở xung ở trong mạch rôto làm cho mạch điều khiển phức tạp và khó điều chỉnh. Vì vậy, ta thường dùng một điện trở xung Rx và một bộ chỉnh lưu có sơ đồ như sau: Hình 14. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh xung điện trở rôto kết hợp với bộ chỉnh lưu. Đ Bộ chỉnh lưu CL không cần yêu cầu cao về điện áp, do đó ta chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển. Sơ đồ nguyên lý như sau: Hình 15. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh xung điện trở rôto. Đ Để dựng đặc tính cơ, ta phải tính đổi mạch một chiều với điện trở tương đương Rtđ thành mạch xoay chiều ba pha với điện trở Rf trong mỗi pha, nghĩa là ta phải quy đổi mạch điện hình 13 thành dạng mạch điện hình 10. Cơ sở để tính đổi là nhiệt lượng tỏa ra trên điện trở của hai trường hợp phải bằng nhau. Đối với sơ đồ hình 13, tại mỗi thời điểm dòng điện Iđ đều chạy qua hai pha rôto và mạch điện một chiều. Do đó: (8) Trong đó: Kcl- hệ số biến đổi phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu, đối với sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển . Đối với sơ đồ hình 10 ta có: (9) Nhiệt lượng tỏa ra trong hai trường hợp là như nhau, do đó, cân bằng phương trình (8) và (9) ta có: nên: (10) Điều đó có nghĩa là, nếu nối trong mạch một chiều của hình 13 một điện trở Rtđ thì đặc tính cơ của động cơ sẽ giống như khi dùng mạch biến trở hình 10 với điện trở phụ mỗi pha là Rf = 0,5Rtđ. Điện trở tương đương Ta có thể xác định điện trở tương đương Rtđ khi điều chỉnh xung một cách gần đúng trên nguyên tắc đẳng trị nhiệt. Khi khóa K đóng, điện trở mạch vòng qua hai pha rôto còn là 2r2 nên dòng điện rôto tăng, còn khi khóa cắt, giá trị là R+2r2 nên dòng điện rôto giảm. Hình 16. Biến thiên điện trở và dòng điện theo thời gian khi điều chỉnh xung điện trở. Do ảnh hưởng của dây quấn trong động cơ nên mạch điện có tính cảm, do vậy dòng điện thay đổi theo quy luật hàm mũ như hình 14. Khi khởi động, nó tăng từ 0 theo một đường răng cưa lũy tiến. Sau một thời gian đủ lớn, đường răng cưa đó trở nên xác lập và có Imax, Imin không thay đổi. Trạng thái này gọi là “tựa xác lập”. Khi “tựa xác lập”, phương trình dòng điện là: ( trong khoảng thời gian tđ ). ( trong khoảng thời gian tc ). Trong đó : Idd, Iđc- là dòng xác lập ứng với trạng thái đóng và cắt của khóa K; Tđđ , Tđc- là thời gian điện từ đóng và cắt của phần ứng khi khóa K đóng và cắt. ; Vì tần số đóng cắt đủ lớn nên ta có thể coi tđ, tc << Tdd , Tđc do đó dòng điện tăng và giảm theo một đường có thể coi là đường thẳng từ Imin đến Imax và từ Imax đến Imin. Như vậy trong cả hai khoảng thời gian đóng và cắt đều có một giá trị dòng trung bình. Nhiệt lượng tỏa ra trong toàn mạch trong cả chu kỳ là : (11) Mặt khác, nếu coi trong mạch có một điện trở cố định (Rtđ + 2r2) nào đó trong suốt cả chu kỳ thì Rtđ này phải đảm bảo cho dòng điện trong mạch đúng bằng Itb và cũng sẽ tỏa ra một nhiệt lượng đúng bằng : (12) Trong đó tck = tđ + tc. Cân bằng hai phương trình (11) và (12) ta có : hay: nên: (13) Trong đó: Đặt - độ rộng của xung điện trở. Như vậy, điện trở cố định mạch rôto tương đương với điện trở xung theo quan hệ: . Nếu đã chọn trước giá trị điện trở R, thì giá trị của điện trở tương đương phụ thuộc vào g. Thay đổi g ta sẽ có các giá trị của điện trở tương đương Rtđ. Giá trị g có thể thay đổi từ 0 – 1 bằng ba cách sau: Giữ tck không đổi, thay đổi thời gian đóng khóa tđ , gọi là “điều rộng”. Giữ tđ không đổi, thay đổi thời gian tck , gọi là “điều tần”. Thay đổi cả tđ và tck, gọi là điều “rộng – tần”. Trong thực tế, người ta thường dùng phương pháp thứ nhất do điều khiển là đơn giản nhất. Lựa chọn khóa K Một phần tử quan trọng trong sơ đồ điều chỉnh xung điện trở mạch rôto là khóa K. Như ta thấy trên hình 13, tần số đóng cắt của khóa K ảnh hưởng đến dòng điện trong mạch rôto và ảnh hưởng đến sự làm việc của động cơ. Khi tần số càng cao, tck càng nhỏ, dòng điện càng ít mấp mô hơn, do đó động cơ làm việc ổn định hơn. Tuy nhiên, khi tần số càng cao thì thiết bị làm khóa K càng phải có thời gian đóng, cắt càng nhỏ, do đó yêu cầu thiết bị tốt hơn, tốn kém hơn. Trong thực tế, người ta thường đóng khóa K theo tần số trong dải 200 Hz á 2000 Hz. Với tần số đóng, cắt như vậy, ta không thể dùng các khí cụ cơ hoặc điện-từ-cơ kiểu rơle- côngtăctơ để làm khóa K. Các thiết bị này có độ tác động nhanh kém đến mức không thể điều khiển được dòng và tốc, chóng hư hỏng do tác động ở tần số tương đối cao. Hiện nay, người ta làm khóa K bằng các van bán dẫn như tiristor hoặc tranzitor. Tiristor thông thường có các trị số giới hạn cao nhất, chắc chắn, tổn hao dẫn nhỏ, rẻ tiền nhưng mở chậm và chỉ có thể được khóa khi triệt tiêu dòng điện tải. Tuy nhiên, với dải tần số 200 Hz á 2000 Hz tiristor thông thường phù hợp hơn và có thể chịu được điện áp ngược lớn. Tranzitor lưỡng cực thích hợp với dải tần số 20 KHz á 100 KHz. Tranzitor trường thích hợp với dải tần số cao hơn 100 KHz. Tiristor dễ bảo vệ chống lại các sự cố. Từ các phân tích trên, với dải tần số 200 Hz á 2000 Hz, ta dùng tiristor làm khóa K là lựa chọn thích hợp nhất. Như trong sơ đồ hình 13, dòng điện tải id sau chỉnh lưu cầu là dòng điện một chiều, với tần số đập mạch . Như trên giản đồ sau, ta thấy, để làm khóa K bằng tiristor ta phải có thêm tiristor T1 nữa để khóa tiristor T do tiristor T không thể tự khóa. Hình 17. giản đồ các đường cong dòng điện. Từ các phân tích trên, ta có sơ đồ mạch động lực của hệ điều chỉnh xung điện trở rôto như sau: Hình 18. Sơ đồ mạch động lực của hệ điều chỉnh xung điện trở rôto. Trong sơ đồ trên, tiristor T đóng vai trò của khóa T, nhóm các phần tử (T1, C, D0, L1) dùng để khóa tiristor T. Nguyên lý hoạt động Trạng thái ban đầu, cả hai tiristor T và T1 đều ở trạng thái khóa không dẫn điện nên tụ điện C chưa được nạp điện. Muốn khởi động bộ khóa, trước hết ta cho xung điều khiển mở tiristor T1. Khi đó, tụ C được nạp tới trị số uc với cực tính ghi trong dấu ngoặc trên hình 18. Lúc này, dòng điện tải Id = 0, bộ khóa đã sẵn sàng làm việc. Để mở bộ khóa K, tại thời điểm ban đầu t = 0, ta cho xung điều khiển mở tiristor T, lúc này điện trở xung Rx = 0. Vì khi tiristor T mở đã mở nên tiristor T1 bị khóa lại do điện áp ngược đặt vào hai đầu của nó. Đồng thời, tụ C được tích điện sẵn cũng phóng điện qua tiristor T, cuộn L1 và điốt D0, kết quả là tụ C được nạp theo cực tính ngược lại. Tại thời điểm t = tđ muốn khóa tiristor T lại, chỉ cần cho xung điều khiển mở tiristor T1. Qua T1, điện áp trên tụ uc được đặt lên tiristor T tạo nên một điện áp ngược khóa tiristor T lại, điện trở lúc này là R. Vì T1mở dẫn điện nên tụ điện C lại được nạp điện đến giá trị uc, khi tụ đã nạo đầy thì T1khóa lại, quá trình lặp lại như cũ. Độ rộng mỗi xung tđ là khoảng thời gian mở của tiristor T tương ứng với khoảng thời gian giữa xung mở tiristor T và xung mở tiristor T1. Ta có thể điều chỉnh được độ rộng xung tđ theo ý muốn. Chu kỳ tck tương ứng với khoảng thời gian giữa hai xung liên tiếp mở tiristor T. Để có bộ băm tần số cố định, ta giữ không đổi khoảng thời gian giữa hai xung kế tiếp mở tiristor T, và điều chỉnh khoảng thời gian giữa xung mở tiristor T và xung mở tiristor T1. Hình 19. Giản đồ các đường cong dòng điện và điện áp khi điều khiển xung điện trở rôto. Như ở phần trên, ta đã chọn phương pháp giữ nguyên tck và thay đổi thời gian đóng tđ. Tức là ta sẽ cấp cho các tiristor các xung điều khiển có tần số cố định fck nhưng xung điều khiển của tiristor T1 sẽ cấp trước xung điều khiển tiristor T một khoảng thời gian là tc = tck – tđ. Tính chọn điện trở phụ R Ta có dạng biểu thức Klox của động cơ không đồng bộ: Trong đó: Khi ta mắc thêm vào mỗi pha rôto một điện trở Rf, khi đó điện trở mỗi pha rôto lúc này là (r2 + Rf). Khi đó, dạng đặc tính cơ sẽ thay đổi và trở nên mềm hơn: Hình 20. Sơ đồ và đặc tính cơ khi thay đổi điện trở rôto. Trong trường hợp phụ tải Mc là không đổi, khi đó điểm làm việc sẽ dời từ điểm a(wđm; Mc) đến điểm a’(w2; Mc). Tương ứng với sự thay đổi hệ số trượt tới hạn từ sth.đm đến sth2. Trong suốt quá trình thay đổi trên, mômen tới hạn Mth là không đổi. Giá trị điện trở Rf ảnh hưởng đến phạm vi điều chỉnh D. Khi giá trị điện trở Rf càng lớn thì phạm vi điều chỉnh càng lớn và đặc tính cơ càng mềm, và ngược lại, khi giá trị điện trở Rf càng nhỏ thì phạm vi điều chỉnh D càng nhỏ và đặc tính cơ càng cứng. Ta sẽ tìm giá trị điện trở Rf đặt cố định vào mỗi pha rôto sao cho phạm vi điều chỉnh D = 4 á 1. Trong thực tế, phụ tải không phải là cố định, do đó, mômen phụ tải luôn dao động. Ta xét ứng với trường hợp nó dao động trong khoảng 0,9Mđm á 1,1Mđm. Phạm vi điều chỉnh: Trong đó: wmax – tốc độ làm việc lớn nhất ứng với phụ tải Mc = Mđm, ; wmin – tốc độ làm việc nhỏ nhất ứng với phụ tải Mc trong trường hợp này Mc = 0,9 Mđm, wmin = w2. Tốc độ làm việc nhỏ nhất: Đối với đặc tính cơ tự nhiên Trong đó: r1= 1,04 W; r’2 = 0,932 W; xnm = 2,065 W; Uf = 220 V. Thay các giá trị trên vào hệ ta có: Đặc tính tự nhiên qua điểm (wđm; Mđm) tức là: Đối với đặc tính biến trở khi mắc thêm điện trở Rf vào mỗi pha rôto Đặc tính này qua điểm (w2; 0,9Mđm) có hệ số trượt s2 tương ứng là: Ta có: Do mômen tới hạn là không đổi, Mth2 = Mth.đm = 276 Nm, nên: hay: Suy ra: Sth2.1 = 4,750; Sth2.2 = 0,125 Giải ra ta được: Khi cho thêm điện trở phụ Rf vào mạch rôto của động cơ thì hệ số trượt tới hạn sẽ tăng, do đó sth2 > sth.đm. Ta lấy giá trị sth2 = 4,750. Ta lại có: Thay các giá trị vào ta được: Điện trở rôto khi chưa quy đổi về phía stato: Điện trở Rf cần mắc vào mỗi pha rôto để có phạm vi điều chỉnh D = 4 á 1 khi mômen phụ tải Mc dao động trong khoảng 10% Mđm là: Như vậy, điện trở R mắc trong mạch một chiều hình 18 là: R = 2Rf = 2.4,985 = 9,97W Tính chọn các điốt chỉnh lưu D Trong sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển thì các điốt D là các điốt giống hệt nhau do có cùng điều kiện làm việc, mỗi điốt dẫn dòng điện tải trong 1/3 chu kỳ. Trong quá trình làm việc của hệ, các điốt này phải chịu được khi mở máy và ở điều kiện làm việc định mức. Khi mở máy, trong thực tế để mômen mở máy lớn đồng thời dòng điện mở máy không quá cao, ta điều chỉnh tần số đóng, cắt tiristor T sao cho Mmm = 0,8.Mth. Hình 21. Đặc tính cơ khi mở máy động cơ không đồng bộ bằng biến trở. Ta có dạng biểu thức Klox của động cơ không đồng bộ khi mở máy: hay: Suy ra: Khi điều chỉnh tần số đóng, cắt tiristor thì sth.mm > 1. Do đó: sth.mm = 2, ta lại có: Dòng điện trong dây quấn rôto đã quy đổi về phía stato lúc mở máy: Dòng điện trong dây quấn rôto lúc mở máy: Ta tính chọn các điốt dựa vào các yếu tố cơ bản là: điện áp làm việc, dòng điện tải và điều kiện tỏa nhiệt. Khi mở máy, điốt chịu điện áp ngược lớn nhất: Trong đó: Điện áp ngược của điốt cần chọn: Trong đó: kdtU – hệ số dự trữ điện áp, chọn kdtU = 1,8. Khi mở máy, van chịu dòng điện lớn nhất. Dòng điện hiệu dùng qua van: Trong đó: Khd – hệ số xác định dòng điện hiệu dụng, đối với chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển, ; K2 – hệ số xác định dòng điện thứ cấp máy biến áp, đối với chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển, . Tuy nhiên, do động cơ trong yêu cầu của bài toán có công suất P = 7,5KW, nên thời gian mở máy là ngắn, và mỗi điốt chỉ dẫn trong 1/3 chu kỳ, ta tính chọn van theo giá trị dòng điện trung bình chạy qua van: Trong đó: ktb = 1/3; Chọn điều kiện làm việc của điốt là có cánh tản nhiệt và đầy đủ diện tích tỏa nhiệt; Không có quạt đối lưu không khí, với điều kiện làm việc đó, dòng điện định mức của điốt cần chọn: Trong đó: ki – hệ số dự trữ dòng điện, chọn ki = 3,2. Từ các thông số Un = 646,578V; Iđm = 67,407A ta chọn 6 điốt loại CR80-120 có các thông số sau: Dòng điện định mức của điốt Iđm = 80A; Điện áp ngược cực đại Un = 1200V; Đỉnh xung dòng điện điốt chịu được Ipik = 1500A; Sụt áp trên điốt DU = 1,2V; Dòng điện thử cực đại Ith = 89A; Dòng điện rò ở 250C Ir = 100mA; Nhiệt độ làm việc cho phép Tcp = 1250C. Tính chọn tiristor Hai tiristor T và T1 có điều kiện làm việc như nhau, do vậy ta chọn hai tiristor giống nhau. Ta tính chọn tiristor dựa vào các yếu tố cơ bản là: điện áp làm việc, dòng điện tải và điều kiện tỏa nhiệt. - Ta tính chọn tiristor trong điều kiện làm việc nặng nề nhất, tức là vào đầu quá trình mở máy. Dòng điện lớn nhất mà tiristor phải chịu: Chọn điều kiện làm việc của tiristor là có cánh tản nhiệt với đầy đủ diện tích tỏa nhiệt; Không có quạt đối lưu không khí, dòng điện định mức của van bán dẫn cần chọn: - Điện áp ngược lớn nhất mà tiristor phải chịu là điện áp trên điện trở R khi mở máy: Từ các thông số Unv = 630,044V; ta chọn hai tiristor loại SKT250/08C có các thông số sau: Dòng điện làm việc cực đại Iđm = 250A; Điện áp ngược cực đại của van Un = 800V; Dòng điện đỉnh cực đại Ipik = 7000A; Dòng điện xung điều khiển Ig = 100mA; Điện áp xung điều khiển Ug = 3V; Dòng điện tự giữ Ih = 250mA; Dòng điện rò Ir = 50mA; Sụt áp trên van ở trạng thái dẫn DU = 1,05V; Độ biến thiên điện áp theo thời gian dU/dt = 200V/s; Thời gian chuyển mạch (mở và khóa) tcm = 50ms; Nhiệt độ làm việc cực đại Tmax = 1250C. Tính chọn cuộn kháng Cuộn kháng trong mạch có hai tác dụng: Lọc dòng điện tải; Làm cho dòng điện tải thay đổi theo hàm mũ trong từng chu kỳ băm xung. Đối với từng tác dụng, yêu cầu các giá trị điện cảm khác nhau. Ta sẽ tính giá trị của cuộn cảm thỏa mãn cả hai tác dụng trên. Tính cuộn kháng lọc theo tác dụng thứ nhất Sự đập mạch của điện áp chỉnh lưu làm cho dòng điện tải cũng đập mạch theo, làm xấu đi chất lượng của dòng điện một chiều. Trong sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha, thành phần sóng hài bậc nhất (K = 1) có biên độ lớn nhất. Biên độ của sóng càng cao sẽ càng giảm, tác dụng của cuộn kháng lọc với các thành phần hài bậc cao này càng hiệu quả hơn. Vì vậy, khi tính cuộn kháng lọc với các sơ đồ chỉnh lưu, ta chỉ cần tính theo thành phần sóng hài bậc nhất là đủ. Ta có khai triển Fourier của chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển: Trong đó: Ud0 - điện áp chỉnh lưu cực đại Như vậy thành phần sóng hài bậc nhất: Ta chỉ xét với thành phần sóng hài bậc nhất, khi đó thành phần dòng điện xoay chiều: Biên độ thành phần xoay chiều: Như vậy: (*) Yêu cầu của cuộn kháng lọc là biên độ thành phần xoay chiều I1m < 10%.Id.đm. Từ (*) ta có: Trong đó: Id.đm – dòng điện định mức của bộ chỉnh lưu . Như vậy: Ta cần điện cảm L = 0,28mH để thành phần dòng điện xoay chiều có biên độ không lớn hơn 10% dòng điện tải. Điện cảm của cuộn kháng L cần mắc vào mạch: Trong đó: L2- điện cảm dây quấn một pha rôto LK < 0, như vậy bản thân điện kháng trong mach rôto cũng thỏa mãn điều kiện lọc dòng điện. Tính cuộn kháng theo tác dụng thứ hai Điện cảm của mạch rôto làm dòng điện trong rôto biến đổi theo quy luật hàm mũ. Hình 25. Biến thiên điện trở và dòng điện theo thời gian khi điều chỉnh xung điện trở. Do Imax và Imin là không đổi, do đó ta không thể điều khiển được hệ. Khi trong mạch có điện cảm, khi tựa xác lập thì phương trình dòng điện là: ( trong khoảng thời gian tđ ). ( trong khoảng thời gian tc ). Trong đó : Idd, Iđc- là dòng xác lập ứng với trạng thái đóng và cắt của khóa K; Tđđ , Tđc- là thời gian điện từ đóng và cắt của phần ứng khi khóa K đóng và cắt. Khi trong mạch không có điện cảm, dòng điện tải trong mạch rôto sẽ có dạng xung như sau: Hình 22. Biến thiên dòng điện theo thời gian khi điều chỉnh xung điện trở với mạch rôto không có cảm kháng. ; Tần số đóng, cắt tiristor T: fck là cố định, trong thực tế fck = 200 á 2000Hz. Ta chọn, fck = 1000Hz là giá trị phù hợp với khả năng đóng cắt của tiristor. Cuộn kháng L được tính để sao cho . Ta chọn Suy ra: Điện cảm cuộn kháng cần thiết: Như vậy, bản thân điện cảm trong mạch rôto cũng thỏa mãn yêu cầu thứ hai. Kết luận: Ta không cần có thêm cuộn cảm L trong mạch rôto do bản thân điện cảm trong mạch rôto động cơ đã thỏa mãn hai yêu cầu trên. Tính chọn các phần tử khóa tiristor T Các phần tử để khóa tiristor T bao gồm C, L1, D0 và T1. Trong đó T1 đã được tính ở phần trước. Tính chọn tụ C Hình 19 biểu diễn các dạng sóng, để chọn tụ C ta nhận xét rằng, theo dạng sóng điện áp uT, thời gian khóa tiristor T ở giữa khoảng tăng theo hàm mũ từ -Ud đến Ud. Điện áp trên tiristor trong khoảng thời gian này: Tại thời điểm t = 0 thì , do vậy A = -2Ud0 Tại thời điểm t = tk =tcm =50ms, thì u = 0 Trong đó, tk – là thời gian khóa của tiristor T Như vậy: Ta có, hằng số thời gian: T = R1.C Trong đó: R1 = 2r2 = 2.0,462 = 0,924 W. Như vậy, ta chọn tụ C có trị số: Ta chọn tụ C là tụ xoay chiều có C = 100mF và điện áp Uc = 1000V. Tính chọn cuộn cảm L1 Từ phân tích nguyên lý hoạt động của sơ đồ hình 16, ta thấy rằng thời gian khóa của tiristor T1 bằng 1/4 chu kỳ dao động của mạch L1, C. Do vậy ta có: Với tcm = 50ms = 50.10-6s; C = 78.10-6F. Tính chọn điốt D0 Điốt làm việc nặng nề nhất là lúc mở máy, ta có trong mạch dao động L1, C: (*) Trong đó: Từ (*) ta có: I = Imax = 840A là dòng điện cực đại chạy qua điốt D0, và chỉ tồn tại trong khoảng thời gian là 1/4 chu kỳ mạch dao động L1, C hay nó chính là khoảng thời gian khóa của tiristor T1. Mặt khác, giá trị của nó giảm dần từ thời điểm mở máy. Giá trị trung bình lớn nhất của dòng điện qua điốt là: Ta chọn điốt D0 có dòng điện định mức: Ta chọn điốt loại 1N3089 có các thông số như sau: Dòng điện định mức của điốt Iđm = 150A; Điện áp ngược cực đại Un =500V; Đỉnh xung dòng điện điốt chịu được Ipik = 3000A; Sụt áp trên điốt DU = 1,33V; Dòng điện thử cực đại Ith = 150A; Nhiệt độ làm việc cho phép Tcp = 2000C. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực Sơ đồ động lực có các thiết bị bảo vệ Sơ đồ động lực với đầy đủ thiết bị bảo vệ như hình 18: Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn Khi làm việc với dòng điện có dòng điện chạy qua trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công suất Dp. Tổn 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 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. Thiết kế tỏa nhiệt cho các điốt D - Tổn thất công suất trên một điốt: Trong đó: - Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: Trong đó: DPD – tổn hao công suất trên điốt; t - độ chênh nhiệt độ so với môi trường. Ta chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 400C. Nhiệt độ cho phép làm việc của điốt Tcp = 2000C, ta chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt là Tlv = 1000C. Khi đó: Km – hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ, chọn km = 8W/m2.0C. Như vậy, diện tích bề mặt tỏa nhiệt: Ta chọn loại cánh tản nhiệt có 10 cánh, kích thước mỗi cánh: a x b = 3 x 4(cm x cm) Tổng diện tích tỏa nhiệt của cánh: STN = 10.2.3.4 = 240cm2 Thiết kế tỏa nhiệt cho các tiristor - Tổn thất công suất trên một tiristor: - Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: Nhiệt độ làm việc của tiristor là 1250C, chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt là Tlv = 800C. Khi đó: Chọn km = 8W/m2.0C, ta có: Ta chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh, kích thước mỗi cánh: a x b = 8 x 8(cm x cm) Tổng diện tích tỏa nhiệt của cánh: STN = 12.2.8.8 = 1536cm2 Thiết kế tỏa nhiệt cho các điốt D0 - Tổn thất công suất trên một điốt: - Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: Nhiệt độ cho phép làm việc của điốt Tcp = 2000C, ta chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt là Tlv = 1000C. Khi đó: Như vậy, diện tích bề mặt tỏa nhiệt: Ta chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh, kích thước mỗi cánh: a x b = 7 x 8(cm x cm) Tổng diện tích tỏa nhiệt của cánh: STN = 12.2.7.8 = 1344cm2 Bảo vệ quá dòng cho van Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động cắt mạch khi quá tải, ngắn mạch. Ta chọn một aptomat có: Dòng điện chạy qua aptomat: Ilv = I1 =20,6A Dòng điện aptomat cần chọn: Idm = 1,1.Ilv = 1,1.20,6 = 22,66A Ta chọn aptomat có ba tiếp điểm chính, điện áp định mức Udm = 380V. Từ các thông số trên, ta chọn aptomat loại ABS33B/30 do hãng LS chế tạo có các thông số: Idm = 30A; Udm = 380V. Công tắc tơ K dùng để đóng cắt thường xuyên để khởi động hoặc dừng động cơ. Ta chọn một công tắc tơ có: Dòng điện công tắc tơ cần chọn: Idm = 1,1.Ilv = 1,1.20,6 = 22,66A Ta chọn công tắc tơ có ba tiếp điểm chính, điện áp định mức Udm = 380V. Từ các thông số trên, ta chọn công tắc tơ loại GMC32 do hãng LS chế tạo có các thông số: Idm = 32A; Udm = 380V. Rơ le nhiệt RN dùng để quá tải. Ta chọn một rơ le nhiệt có: Dòng điện rơ le nhiệt cần chọn: Idm = 1,1.Ilv = 1,1.20,6 = 22,66A Ta chọn rơ le có điện áp định mức Udm = 380V. Từ các thông số trên, ta chọn rơ le nhiệt loại GTH(k)-40 do hãng LS chế tạo có các thông số: Idm = 40A; Udm = 380V, và có đặc tính bảo vệ như sau: Cold state Hot state Hình 23. Đặc tính bảo vệ của rơ le nhiệt loại GTH(k)-40. Chương III Tính toán thiết kế mạch điều khiển Lựa chọn phương án thiết kế mạch điều khiển Mạch điều khiển của hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn bằng phương pháp điện trở xung có thể có được dựa trên hai nguyên tắc: nguyên tắc thẳng đứng sử dụng mạch số. Thiết kế mạch điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng Nguyên lý điều khiển Mạch điều khiển xung điện trở rôto có nhiệm vụ xác định thời điểm mở và khóa tiristor T và T1. Ta sử dụng phương pháp “điều rộng”, với chu kỳ đóng, cắt các tiristor tck là không đổi và thay đổi thời gian tđ, nên tần số phát các xung điều khiển tiristor T và T1 là như nhau: Hình 26. Nguyên lý điều chỉnh xung điện trở. Điện trở xung được tính: Mạch điều khiển cần đáp ứng yêu cầu điều khiển g bằng các lệnh theo một nguyên tắc nào đó. Để điều khiển g với chu kỳ đóng cắt tck không đổi ta cần phải điều khiển khoảng thời gian dẫn của van bán dẫn trong chu kỳ đóng cắt. Nguyên lý điều khiển thời gian dẫn của các van bán dẫn trong phương pháp điều khiển xung điện trở có thể thực hiện như sau: Tạo một điện áp tựa dạng điện áp răng cưa (hay điện áp dạng tam giác) với tần số f xác định, . Dùng một điện áp một chiều (làm điện áp điều khiển) so sánh với điện áp tựa trên. Phát các lệnh mở các van bán dẫn tại thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển. Hình 27. Nguyên lí điều khiển điện trở xung. t1 t2 t3 t4 t5 Urc Uđk Rx t t tc tđ Hình 27 trình bày nguyên lí điều khiển bộ băm xung điện trở. Điện áp tựa Urc so sánh với điện áp điều khiển Uđk, tại các thời điểm 0, t1, t2… Urc = Uđk sẽ phát lệnh mở hay khoá van bán dẫn. Tại các thời điểm t1, t3… phát lệnh mở tiristor T, tại các thời điểm 0, t2, t4… phát lệnh mở tiristor T1. Độ rộng xung của điện trở xung được điều khiển khi điều chỉnh điện áp điều khiển Uđk. Khi tăng điện áp điều khiển thì điện trở xung sẽ giảm, và ngược lại. Sơ đồ khối mạch điều khiển Từ sơ đồ nguyên lý điều khiển trên, ta có sơ đồ khối mạch điều khiển như sau: Tạo tần số So sánh Tạo xung, khuếch đại Hình 28. Sơ đồ khối mạch điều khiển điện trở xung. Mạch điều khiển điều áp một chiều gồm 3 khâu cơ bản: Khâu tạo tần số có nhiệm vụ tạo điện áp tựa răng cưa Urc với tần số . Khâu so sánh có nhiệm vụ xác định thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển. Tại các thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển thì phát lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn. Khâu tạo xung, khuếch đại có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở van bán dẫn. Một xung được coi là phù hợp để mở van là xung có đủ công suất (đủ dòng điện và điện áp điều khiển), cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực khi nguồn động lực hàng chục vôn trở lên. Hình dạng xung điều khiển phụ thuộc loại van động lực được sử dụng. Van động lực là Tiristor, xung điều khiển cần có là xung kim với sườn trước dốc thẳng đứng. Van động lực là Tranzitor, xung điều khiển có dạng xung chữ nhật độ rộng của các xung này bằng tđ. Thiết kế mạch điều khiển bằng mạch số Hiện nay, sử dụng mạch số để điều khiển đang rất phổ biến. Có nhiều giải pháp khác nhau để thiết kế mạch số để điều khiển tiristor. Ta xét một trong những mạch đó. Nguyên lý điều khiển Nguyên lý điều khiển được mô tả trên giản đồ sau: Hình 24. Nguyên lý điều khiển tiristor bằng mạch số. Trong mạch điều khiển, có các thiết bị tạo ra xung đồng hồ (Xđh) có tần số cao. Khi điện áp anôt tiristor (UAT) đổi dấu từ (-) sang (+), bộ đếm bắt đầu đếm xung đồng hồ. Số lượng xung đếm (n.Xđh) không đổi cho mỗi chu kỳ. Khi đủ số lượng xung đếm thì phát xung điều khiển (Xđk) tiristor. Tiristor được mở từ thời điểm có xung điều khiển cho đến khi điện áp anôt đổi dấu từ (+) sang (-). Sơ đồ khối mạch điều khiển Để thực hiện nguyên lý điều khiển trên, ta có sơ đồ khối mạch điều khiển như sau: ĐF Xđh ĐX KĐ-TX Hình 25. Sơ đồ khối điều khiển tiristor trong mạch chỉnh lưu bằng mạch số. Mạch điều khiển gồm các khối sau: ĐF - nhận tín hiệu điện áp anod tiristor, tạo điện áp đồng pha. Tại các thời điểm điện áp đổi dấu có xung điện áp phát lệnh cho bộ đếm. Bắt đầu chu kì đếm xung. Xđh - tạo xung đồng hồ tần số cao, tần số càng cao chất lượng điều khiển càng tốt. ĐX – có nhiệm vụ đếm xung đồng hồ với số lượng xung cố định cho các chu kỳ, hết số lượng xung cần đếm thì phát lệnh mở tiristor. KĐ-TX – có nhiệm vụ khuếch đại và tạo xung điều khiển. Kết luận Trong phạm vi của đồ án này, ta sẽ thiết kế mạch điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng. Thiết kế mạch điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng Các khâu cơ bản Khâu tạo tần số Tần số của điện áp tựa Urc là cố định, ta có ba dạng điện áp tựa điển hình: U t Hình 29. Các dạng điện áp tựa của mạch điều khiển điện trở xung. a tc tc tc tck tck tck b c Uđk U U t t Điện áp tựa dạng tam giác cân như hình 29a được tạo ra khi tần số f = 1/tck cố định. Độ rộng xung điện trở có thể được điều chỉnh bằng việc thay đổi cả thời điểm mở van bán dẫn ở sườn xuống điện áp tựa và cả thời điểm khoá van bán dẫn tại sườn lên điện áp tựa. Điện áp tựa dạng tam giác vuông hình 29b, c cũng được tạo với tần số cố định. Khi thay đổi điện áp điều khiển, có một cạnh của tam giác là cạnh góc vuông, nên thời điểm mở (hay khoá) theo cạnh đó sẽ cố định trong một chu kỳ. Van bán dẫn chỉ được mở (hay khoá) theo cạnh huyền của tam giác. Chúng ta xét một số sơ đồ tạo điện áp tựa của khâu tạo tần số. Tạo điện áp tam giác bằng dao động da hài. Điện áp tam giác cân có thể được tạo bởi một dao động đa hài bằng khuếch đại thuật toán (KĐTT) như sau: + A1 t V+ V- b V+ V- R R1 R2 C a + A2 R3 Hình 30. Dao động đa hài bằng KĐT. Sơ đồ dao động đa hài dùng KĐTT cần hai bộ KĐTT A1 và A2. KĐTT A1 có hai đường hồi tiếp: Hồi tiếp âm về đầu vào đảo V- bằng mạch RC. Hồi tiếp dương về đầu vào không đảo V+ bằng mạch chia áp R1, R2. KĐTT A2 dùng để phối hợp trở kháng giữa điện áp trên tụ với tải bên ngoài. Nguyên lý hoạt động Giả sử điện áp ra của KĐTT A1 đang dương, UA = Ucc > 0. Qua đường hồi tiếp dương R1, R2 mà điện áp đầu vào không đảo có trị số: Trên đường hồi tiếp âm R, C, điện áp đầu vào đảo V- là điện áp nạp tụ, điện áp nạp tụ Uc = UV- tăng dần theo hàm mũ với hằng số thời gian T = R.C cho đến khi UV+ = UV- tại thời điểm t1. Tại thời điểm t1, đầu ra lật trạng thái từ (+) xuống (-), UA = -Ucc. Lúc này điện áp trên đầu vào không đảo: Tụ cũng xả điện, điện áp trên tụ giảm dần cho đến khi UV+ = UV- tại thời điểm t2. Tại thời điểm t2, đầu ra lật trạng thái từ (-) lên (+), quá trình lặp lại như cũ. Chu kì dao động của mạch được xác định: Tần số xung: Ta thấy, đây là mạch tạo điện áp tam giác cân, tuy nhiên, các cạnh của điện áp tựa này phụ thuộc vào việc nạp và xả năng lượng của tụ. Do đó, nó thường không tuyến tính. Các đường cong này làm cho quan hệ giữa điện áp điều khiển và khoảng rộng của điện trở xung không tuyến tính. Vì vậy mạch tạo dao động này ít được dùng trong thực tế. Tạo điện áp tam giác bằng dao động tích thoát. Mạch dao động tích thoát bằng UJT (tranzitor đơn nối) cũng có thể cho chúng ta một điện áp tam giác. E R1 C R1 B1 B2 R2 +Ucc 0 a Hình 31. Mạch dao động tích thoát a. sơ đồ nguyên lí, b. sơ đồ thay thế, c các đường cong. UE1 UB2 t UB1 c t t E R1 C R1 B1 B2 R2 +Ucc 0 RB2 RB1 b B UP Nguyên lý hoạt động Khi mới đóng điện tụ C đẳng thế, ta coi UE = 0, tranzitor ở trạng thái khoá. Tụ C nạp qua điện trở Rt làm UE tăng đến điện áp đỉnh với trị số: Tại thời điểm này điốt D dẫn. Tụ C xả nhanh qua điốt D - RB1 - R1. Khi tụ C xả từ UP đến ngưỡng dưới Umin điốt D ngưng dẫn, tụ nạp trở lại bắt đầu một chu kỳ mới. Tần số dao động của mạch: Gần đúng coi: lúc đó Ta nhận thấy, dạng điện áp ra UE là dạng tam giác không cân do thời gian nạp và xả tụ là khác nhau. Các cạnh của điện áp này không tuyến tính và có dạng đường cong hàm mũ do việc phóng và nạp tụ. Trong thực tế mạch này ít được dùng. Mạch tạo điện áp tam giác dùng IC566. Mạch VCO (Voltage Control Osilator - mạch dao động điều khiển bằng điện áp) dùng IC 566 có hình dáng cấu trúc trên hình 33. Hình 33. Sơ đồ cấu trúc của IC566. Current Sources Schmitt Trigger 1 7 5 6 8 4 3 R C Sơ đồ các chân: GND: Nối đất; NC: Không dùng; Square Ware Output: Đầu ra sóng vuông; Triangle Ware Output: Đầu ra sóng tam giác; Modulation Input: Đàu vào điều chế; R: Chân vào nối điện trở; C: Chân vào nối tụ; +Ucc: Nguồn nuôi dương. Mạch nguồn dòng điện (current sources) có tác dụng giữ cho dòng điện nạp tụ C qua điện trở R có trị số ổn định. Dòng điện nạp tụ có thể điều chỉnh bằng điện áp tựa vào chân 5. Điện áp trên tụ khuếch đại đệm dưa ra chân 4 tăng theo hàm bậc nhất. Mạch Trigger Schmitt cho ra dạng sóng điện áp hình vuông khuếch đai đệm đưa ra chân 3. Mạch khuếch đại đệm trong IC để khuếch đại sóng vuông và tam giác, đồng thời phối hợp trở kháng để đưa tới các tầng sau. Hình 34. Mạch ví dụ tạo sóng tam giác bằng IC566 Thay đổi điện áp đưa vào chân 5 làm thay đổi dòng điện nạp tụ C dẫn tới thay đổi tốc độ nạp tụ. Kết quả là thay đổi tần số sóng vuông và tam giác ra. Trong đó: R - điện trở vào chân 6. C - tụ điện nối vào chân 7 U5 - điện áp chân 5 - chân điều chỉnh. Trị số được phép 3/4.Ucc < U5 < Ucc Trị số điện trở R giới hạn: 2 kW < R < 20 kW. Trên hình 34 vẽ một mạch ứng dụng tạo điện áp tam giác. Sơ đồ tạo điện áp tựa bằng VCO IC 566, IC 4046, được dùng nhiều khi cần điều chỉnh tần số xung điều khiển bằng điện áp. Mạch dao động dùng IC 567. Hình 35. Sơ đồ cấu trúc IC567. Input detector VCO Quadrature phase detector 4 2 8 1 7 6 5 3 +Ucc R1 C1 2.2MF 1MF C3 R2 C2 R1 Rtải A2 A1 Uref + - IC 567 là loại IC vòng khoá pha có khối dao động CCO (Current Control Oscilator – dao động tạo xung được điều khiển bằng dòng điện). Hình dáng cấu trúc của IC này được mô tả trên hình 35. Sơ đồ các chân: 1 - Output Filter C3 – chân nối lọc tụ đầu ra; 2- Low Rass Filter C2 – chân nối tụ C2 xuống mass để lọc tín hiệu tần số thấp; 3 - Input – chân nhận tín hiệu đầu vào; 4 - +Ucc – chân dương nguồn nuôi 4,75 – 10 V; 5 - Timing R1 – chân nối điện trở giữa chân 5 và 6 để định tần số CCO; 6 - Timing R1, C1 – chân nối tụ lọc xuống mass, như mạch lọc để chạy ổn định tần số cho mạch CCO. Tần số dao động có trị số thay đổi như sau: 7 - Ground – nối đất (mass) để lấy nguồn nuôi cho IC; 8 - Output - đầu ra với colector hở. Nguyên lí tạo xung của IC như sau: Điện trở R ở chân 5 và tụ C ở chân 6 xác định tần số dao đông của mạch. Tín hiệu fo đồng thời đưa vào hai khối so pha và so áp vuông pha, chúng cùng nhận tín hiệu ở đầu vào chân 3 để so với tín hiệu f0 do mạch dao động trong IC tạo nên. Hai tụ điện C1, C2 ở các chân 1 và 2 có tác dụng lọc xoay chiều tần số thấp ở đầu ra của mạch so pha và so áp vuông pha. Điện trở R1, R2 trong IC được xem là điện trở tải cho hai mạch này. Khi tần số đầu vào fv và tần số dao động f0 khác nhau thì không có dòng điện qua điện trở R2 trong IC. Lúc đó, không có dòng qua R2 trong IC, điện áp vào V+ của OP-AMP so sánh sẽ cao hơn điện áp chuẩnVref ở đầu vào V-. Mạch so sánh sẽ cho ra điện áp cao ở chân 8 Khi tần số đầu vào fv và tần số dao động f0 bằng nhau thì có dòng điện qua điện trở R2 trong IC tạo sụt áp trên nó. Lúc đó, điện áp vào V+ của OP-AMP so sánh sẽ thấp hơn điện áp chuẩnVref ở đầu vào V-. Mạch so sánh sẽ cho ra điện áp mức thấp ở chân 8 Mạch dao động có dạng xung vuông ở chân 5 và xung tam giác ở chân 6. Khi chân 5 có điện áp mức cao, tụ C nạp, chân 6 có điện áp tăng. Khi chân 5 có điện áp mức thấp, tụ C xả, chân 6 có điện áp giảm, như mô tả trên hình 36. U5 U6 t t Hình 36. Đường cong điện áp các chân 5,6 IC 567. Một sơ đồ ví dụ tạo xung tam giác giới thiệu trên hình 37. Hình 37. Sơ đồ tạo điện áp tam giác bằng IC 567. 3 IC 567 4 8 1 5 6 7 2 +Ucc X Mạch tạo điện áp tam giác từ dao động đa hài không đối xứng Mạch tạo điện áp tam giác từ dao động đa hài không đối xứng có thể tạo được điện áp tam giác vuông. Sơ đồ mạch như sau: Hình 38. Sơ đồ mạch tạo sóng tam giác vuông. vuông. b a + A t V+ V- V+ V- VR R1 R2 C D1 D2 VR2 VR1 Mạch có sơ đồ tương tự như mạch tạo dao động đa hài. Nguyên lý hoạt động Giả sử điện áp ra của KĐTT A đang dương, UA = Ucc > 0. Qua đường hồi tiếp dương R1, R2 mà điện áp đầu vào không đảo có trị số: Trên đường hồi tiếp âm VR1, D1, C điện áp đầu vào đảo V- là điện áp nạp tụ, điện áp nạp tụ Uc = UV- tăng dần theo hàm mũ với hằng số thời gian T1 = VR1.C cho đến khi UV+ = UV- tại thời điểm t1. Tại thời điểm t1, đầu ra lật trạng thái từ (+) xuống (-), UA = - Ucc. Lúc này điện áp trên đầu vào không đảo: Tụ cũng xả điện qua D2, VR2 với hằng số thời gian T2 = VR2.C, điện áp trên tụ giảm dần cho đến khi UV+ = UV- tại thời điểm t2. Tại thời điểm t2, đầu ra lật trạng thái từ (-) lên (+), quá trình lặp lại như cũ. Hằng số thời gian nạp tụ phụ thuộc phần điện trở trên VR. Bằng cách thay đổi vị trí con chạy của biến trở, hai chiều nạp tụ có hai trị số điện trở khác nhau. Từ đó có độ dốc của hai chiều nạp tụ khác nhau. Hai cạnh tam giác có độ nghiêng khác nhau. Khi vị trí con chạy nằm sát mép trên của hình vẽ nạp tụ theo chiều đi lên dài hơn, nạp theo chiều đi xuống nhanh hơn và ngược lại. Ta nhận thấy, cả hai cạnh của điện áp tụ đều không tuyến tính và dạng điện áp chỉ gần đúng là tam giác vuông. Vì vậy trong thực tế mạch này ít được dùng. Tạo điện áp tam giác bằng tích phân sóng vuông. Mạch tạo điện áp tam giác cũng có thể nhận được từ bộ tích phân xung vuông như hình 39. Hình 39. Bộ tạo sóng điện áp vuông và tam giác bằng KĐTT. Trong sơ đồ trên, KĐTT A1 có nhiệm vụ tạo ra điện áp hình chữ nhật đưa vào bộ tích phân dùng KĐTT A2. Nguyên lý hoạt động Giả sử ban đầu điện áp ra của KĐTT A1 đang dương, UA1 = Ucc > 0. Từ điều kiện cân bằng dòng điện ở nút ta có: Trong đó: Ur0 - điện áp trên tụ C khi t = 0, khi t = 0 thì Uv = Ucc, Ur = Ur0 = 0. Như vậy, điện áp ra Ur = UA2 trong khoảng (0, t1) là một đường thẳng giảm dần. Điện áp tại đầu là tổng hợp của hai đường hồi tiếp: điện áp UA1 qua điện trở R1 và điện áp UA2 qua điện trở R2. Tại thời điểm t1, điện áp trên đầu vào không đảo của KĐTT 1 bằng 0. Lúc này, điện áp đầu ra KĐTT 1 đổi dấu và trở nên âm UA1 = -Ucc. Điện áp đầu ra của KĐTT A2: Điện áp đầu ra tăng tuyến tính. Tại thời điểm t2, điện áp trên đầu vào không đảo của KĐTT 1 bằng 0. Lúc này, điện áp đầu ra KĐTT 1 đổi dấu và trở nên dương UA1 = Ucc. Quá trình lặp lại như trên. Tần số điện áp tựa được tính: Ta nhận thấy, phương pháp tạo điện áp tam giác bằng tích phân sóng vuông là một phương pháp đơn giản đồng thời khắc phục được nhược điểm phi tuyến cao của điện áp ra của các mạch thông thường. Do vậy trong thực tế mạch này hay được sử dụng. Kết luận Từ việc phân tích các phương pháp tạo điện áp tam giác trên, ta chọn phương pháp tạo điện áp tam giác bằng tích phân sóng vuông do việc mạch đơn giản đồng thời sử dụng cùng một loại thiết bị là KĐTT trong mạch điều khiển. Tuy nhiên, điện áp Urc là dạng điện áp có cả phần dương và phần âm. Do vậy, để đơn giản trong việc điều khiển và mạch tạo điện áp điều khiển ta sẽ nâng hoặc hạ điện áp Urc sao cho nó chỉ có một dấu. Ta xét trường hợp điện áp Urc là dương, khi đó ta có khâu tạo xung hiệu chỉnh như sau: Hình 40. Bộ tạo sóng điện áp vuông và tam giác bằng KĐTT hiệu chỉnh. Khâu so sánh Muốn xác định được thời điểm mở tiristor, ta tiến hành so sánh hai tín hiệu Urc và Uđk. Việc so sánh đó có thể được thực hiện bằng tranzitor hoặc KĐTT. Khâu so sánh dùng tranzitor R1 Urc R2 Uđk -E R3 Tr Ura Hình 41. Khâu so sánh dùng tranzitor, R1 = R2. Trong khoảng thời gian 0 á t1, Urc + Uđk > 0 nên tranzitor khóa, Ura = -Ucc. Trong khoảng thời gian t1 á t2, Urc + Uđk < 0 nên tranzitor dẫn, Ura = 0. Mức độ mở bão hoà của tranzitor 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 tiristor bị lệch so với điểm cần mở tại Uđk + Urc = 0. Khâu so sánh dùng KĐTT Hình 42. Khâu so sánh dùng tiristor, R1 = R2. a. Dùng cộng một cổng đảo của KĐTT b. Dùng hai cổng của KĐTT. a. b. KĐTT có hệ số khuếch đại vô cùng lớn, chỉ một cần tín hiệu rất nhỏ (cỡ mV) ở đầu vào, đầu ra đã cho điện áp nguồn nuôi. Do vậy, ta có thể phát xung điều khiển chính xác tại thời điểm mong muốn. Để dung KĐTT làm mạch so sánh ta có hai sơ đồ sau: Khâu so sánh dùng cổng đảo của KĐTT Trong khoảng thời gian 0 á t1, Urc + Uđk > 0 nên điện áp đặt vào cổng đảo > 0, Ura = -Ucc. Trong khoảng thời gian t1 á t2, Urc + Uđk < 0 nên điện áp đặt vào cổng đảo < 0, Ura = Ucc. Khâu so sánh dùng hai cổng của KĐTT Trong khoảng thời gian 0 á t1, Urc > Uđk nên điện áp đặt vào cổng đảo > 0, Ura = -Ucc. Trong khoảng thời gian t1 á t2, Urc < Uđk nên điện áp đặt vào cổng đảo < 0, Ura = Ucc. Kết luận Từ việc phân tích các khâu so sánh, ta chọn khâu so sánh dùng hai cổng của KĐTT do việc mạch đơn giản đồng thời sử dụng cùng một loại thiết bị là KĐTT trong mạch điều khiển. Khâu khuếch đại Khâu khuếch đại có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở tiristor, để thực hiện nhiệm vụ này ta có sơ đồ sau: Hình 43. Khâu khuếch đại và tạo xung. Để tạo xung kim gửi tới tiristor T, ta dùng biến áp xung (BAX). Các điốt D1, D2 để bảo vệ tranzitor và cuộn dây sơ cấp khi tranzitor khóa đột ngột. Tầng khuếch đại cuối cùng bằng sơ đồ darlington để tăng hệ số khuếch đại để đáp ứng yêu cầu về công suất của xung mở tiristor. Trong thực tế, xung điều khiển chỉ cần có độ rộng bé (cỡ khoảng 10 á 200mS), mà thời gian mở các tranzitor dài, làm cho công suất tỏa nhiệt dư trên tranzitor quá lớn và kích thước cuộn dây sơ cấp lớn. Để giảm nhỏ công suất tỏa nhiệt dư trên tranzitor và kích thước cuộn dây sơ cấp của máy biến áp ta nối thêm tụ nối tầng C. Khi đó, tranzitor chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong khoảng thời gian nạp tụ, nên dòng điện hiệu dụng của chúng nhỏ hơn nhiều lần. Lựa chọn loại khâu khuếch đại Ta cần điều khiển hai tiristor T và T1 với cùng tần số. Do vậy, để điều khiển hai tiristor này ta lấy cùng một điện áp so sánh. Xung điều khiển tiristor T được phát ở sườn lên và xung điều khiển tiristor T1 được phát ở sườn xuống của điện áp so sánh UA4 như trong giản đồ sau: Hình 44. Nguyên lý điều khiển xung điện trở. Do ta phải điều khiển tiristor T1 ở sườn xuống điện áp so sánh, do đó ta phải dùng một trong hai cách sau: Đảo ngược điện áp so sánh trước khi vào khâu khuếch đại. Giữ nguyên điện áp so sánh, ta dùng loại tranzitor PNP. Ngoài ra, như đã phân tích ở phần trước, ta cần mở tranzitor T1 trước tiristor T. Để thực hiện được yêu cầu này ta cần thêm một mạch AND lôgic. Từ các phân tích trên ta có hai lựa chọn cho khâu khuếch đại như sau: a. b. Hình 45. Một số sơ đồ của khâu khuếch đại khi băm xung điện trở. Trong thực tế hay sử dụng sơ đồ a hơn do tính đơn giản trong việc thiết kế nguồn nuôi cho mạch, hai mạch khuếch đại có linh kiện giống nhau nên đơn giản khi chọn linh kiện. Tính toán các thông số của mạch điều khiển Hình 46. Sơ đồ mạch điều khiển băm xung điện trở. Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khuếch đại ngược trở lên. Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Tiristor. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển. Điện áp điều khiển Tiristor: Uđk = 3,0 V; Dòng điện điều khiển Tiristor: Iđk = 0,2 A; Thời gian mở Tiristor: tm = tcm = 50 ms; Độ rộng xung điều khiển tx = 2.tm = 100 ms - tương đương khoảng 1,8o điện; Tần số xung điều khiển: fx = fck = 1 kHz; Độ mất đối xứng cho phép Da = 40 ; Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển U= ±12 V ; Mức sụt biên độ xung: sx = 0,15. 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 [1], không có khe hở không khí. + Tỷ số biến áp xung: thường m = 2á3, chọn m = 3. + Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Uđk =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 = Iđk = 0,2 A. + Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I1 = I2 /m = 0,2/3=0,067A. + 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 cần có: V= Q.L = (mtb . m0 . tx . sx . Ul . Il )/ DB2 Thay số V= 1,005.10-6 m3 = 1,005 cm3. Chọn mạch từ OA-20/25-6,5 có thể tích V= Q.l = 0,162.7,1 = 1,15 cm3 . Với thể tích đó ta có kích thước mạch từ như sau: d D a b Hình 47. Kích thước mạch từ máy biến áp xung. a = 2,5 mm; b = 6,5 mm; Q = 0,162 cm2 = 16,2 mm2; Qcs = 3,14 cm2 d = 20 mm; D = 25 mm . Chiều dài trung bình mạch từ: l = 7,1 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) = 9.100.10-6/(0,3.0,162.10-4) = 185 vòng + Số vòng dây thứ cấp: W2 = W1 /m = 185/3 = 62 vòng. + Tiết diện dây quấn sơ cấp: S1 = I1 /J1 = 67.10-3 /6 = 0,011 mm2 . Chọn mật độ dòng điện J1 = 6 A/mm2. + Đường kính dây quấn sơ cấp: d1 = = 0,118 mm. Tra bảng dây đồng tiêu chuẩn, chọn d1 = 0,12 mm, khi đó S1 = 0,01131mm2 + Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = I2 / J2 = 0,2/4 = 0,05 mm2 . Chọn mật độ dòng điện J2 = 4 A/ mm2 . Bảng 1: Bảng thông số các loại lõi thép xuyến tròn Loại lõi thép Kích thước mm Số liệu cần tra cứu d a b D Q (cm2) l cm Qcs (cm2) P (g) Q.Qcs (cm4) OA-12/14-3 12 1 3 14 0,03 4,1 1,13 0,96 0,034 -14/17-3 14 1,5 3 17 0,045 4,86 1,54 1,71 1,069 -16/20-3 16 2 3 20 0,06 5,56 2 2,65 0,121 -18/23-4 18 2,5 4 23 0,1 6,45 2,55 5 0,25 -20/25-5 20 2,5 5 25 0,125 7,1 3,14 6,9 0,39 -20/25-6,5 20 2,5 6,5 25 0,162 7,1 3,14 9,1 0,51 -22/30-5 22 4 5 30 0,2 8,2 3,82 12,7 0,75 -22/30-6,5 22 4 6,5 30 0,26 8,2 3,82 16,5 0,99 -25/35-5 25 5 5 35 0,25 9,42 4,9 18,3 1,23 -25/40-5 25 7,5 5 40 0,375 10,2 4,9 27,6 1,84 -25/40-6,5 25 6 8 40 0,49 10,2 4,9 36 2,4 -28/40-8 28 6 8 40 0,48 10,7 6,1 40 2,95 -28/40-10 28 6 10 40 0,6 10,7 6,1 50 3,7 -32/45-8 32 6,5 8 45 0,52 12,1 8 58,5 5,7 -32/50-8 32 9 8 50 0,72 12,9 8 58,5 5,7 -36/56-10 36 10 10 56 1 14,4 10,2 112 10,2 -40/56-16 40 8 16 56 1,28 15 12,5 150 16 + Đường kính dây quấn thứ cấp: d2 = = 0,252 mm. Tra bảng dây đồng tiêu chuẩn, chọn dây có đường kính d2 = 0,27 mm, S2 = 0,05726 mm2. + Kiểm tra hệ số lấp đầy: Klđ = Như vậy, cửa sổ đủ diện tích cần thiết. Tính tầng khuếch đại cuối cùng Chọn tranzitor công suất 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 = 67 mA; Dòng làm việc của Bazơ : IB2 =Ic2 /b = 67/50 = 1,34 mA. Ta thấy rằng với loại tiristor đã chọn có công suất điều khiển khá bé Udk = 3,0 V, Idk = 0,2 A, Nên dòng Colecto – Bazơ của tranzitor Tr2 và Tr4 khá bé, trong trường hợp này ta có thể không cần tranzitor Tr1 và Tr3 mà vẫn có đủ công suất điều khiển tiristor. Chọn nguồn cấp cho biến áp xung: E = + 12 V ta phải mắc thêm điện trở R10 nối tiếp với cực emitor của Tr2. Ta chọn R10 = R15 = 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. Chọn cổng AND Toàn bộ mạch điện phải dùng 1 cổng AND nên ta chọn một IC 4081 họ CMOS. IC 4081 có 4 cổng AND (sơ đồ chân hình 48), các thông số: Nguồn nuôi IC: Vcc = (3á18) 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 mW/1 cổng. Chọn tụ C1, C2 và R9, R13 Điện trở R9 và R13 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazơ của tranzitor Tr2 và Tr4, chọn R9 và R13 thoả mãn điều kiện: Chọn R9 = R13 = 3,3 kW. Chọn C1. R9= tx = 100 mS. Suy ra C1 = tx/ R9 C1 = 100.10-6/ 3,4.10-3 = 0,029 mF. chọn C1 = C2 = 0,022 mF. Tính chọn tầng so sánh Trong mạch ta sử dụng tất cả 5 KĐTT, do đó ta chọn 2 IC loại TL084 có các thông số: Điện áp nguồn nuôi : Vccmax = 18 V và Vccmin = -18V 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. - Chọn R7 = R8 > Uv/I v = UA3/I = 10,5/ 1.10-3 = 10,5 KW. Trong đó: Với điện áp nguồn cấp là 12 V, điện áp bão hòa của IC là (80% á 90%).Vcc = 10,5 V; Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1 mA. Do đó ta chọn R7= R8= 15 KW khi đó dòng vào A4: Ivmax= 10,5/ (15. 103) = 0,7 mA. - Chọn R11, R12 Ta chọn R11 = R12 = 2,2 KW. - Trong mạch ta sử dụng một J-K Flip Flop, ta dùng một IC loại 74HC109. Tính chọn khâu tạo tần số KĐTT A3 có nhiệm vụ kéo đường đặc tính điện áp lên trên trục hoành. Ta chọn R4 = R5 = 68KW. Để nâng được đường điện áp tam giác lên trên trục hoành, khi đầu ra của A3 có trị số 10,5V, chọn R6 = 0,5 R4 = 34 KW. Chọn tiêu chuẩn R6 = 33 KW. - Các điện trở R1, R2 chọn R1 = R2 = 47 kW. Trị số C, R3 chọn từ biểu thức: Thay các trị số R1, R2 vào biểu thức trên ta có: R3.C = 2,5.10-4 Chọn C = 0,01 mF = 10-8 F. Điện trở R3 được chọn: Chọn theo tiêu chuẩn R3 = 33 KW. Thiết kế nguồn cấp cho mạch điều khiển Mạch điều khiển có hai hệ thống nguồn cấp cách li như hình 50. Hệ thống nguồn nuôi thứ nhất là nguồn nuôi đối xứng ± 12V, cấp cho mạch IC khuếch đại thuật toán và Flip-Flop. Hệ thống nguồn nuôi thứ hai là điện áp một chiều 12V cấp cho biến áp xung. Hình 50: Sơ đồ nguyên lí tạo nguồn nuôi mạch điều khiển. Cuộn thứ cấp thứ nhất. Cần tạo ra nguồn điện áp ± 12 V và +5 V (có ổn áp) để cấp cho nuôi các IC, các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ. Nguồn này được cấp bởi ba cuộn dây thứ cấp a1, b1, c1. Điện áp vào của IC ổn áp chọn 20 V. Điện áp thứ cấp các cuộn dây a1, b1, c1 là: Chọn U21 = 14 V. Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 3 vi mạch ổn áp 7812, 7912 và 7805, các thông số chung của vi mạch này: Điện áp đầu vào: UV = 7á35 V. Điện áp đầu ra: IC 7812 có Ura= 12 V. IC 7912 có Ura= -12 V. IC 7805 có Ura= 5 V. Dòng điện đầu ra: Ira = 0á1 A. Tụ điện C1, C2, C5 dùng để lọc thành phần sóng dài bậc cao. Chọn C1= C2 = C3 = C4 = C5 = C6 = 470 mF ; U= 35 V. Cuộn thứ cấp thứ hai a2, b2, c2 Tạo nguồn nuôi cho biến áp xung, cấp xung điều khiển cho các tiristor (+12 V). Do mức độ sụt xung cho phép tương đối lớn nên nguồn này không cần ổn áp. Mỗi khi phát xung điều khiển công suất xung đáng kể, nên cần chế tạo cuộn dây này riêng rẽ với cuộn dây cấp nguồn IC, để tránh gây sụt áp nguồn nuôi IC. Tính toán máy biến áp nguồn nuôi 1. Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi IC: U21= 14 V. 2. Công suất tiêu thụ ở 2 IC TL084, 1 IC4081 và 1 IC Flip-Flop là: PIC = 4. PIC = 4.0,68 = 2,72 W 3. Công suất BAX cấp cho cực điều khiển Tiristor: Px = 2. Uđk . Iđk = 2.3.0,2 = 1,2 W 4. Điện áp pha thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi biến áp xung a2, b2, c2: 5. Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi: PN = PIC +Px = 2,72 + 1,2 =3,92 W Để có thể mở rộng mạch với các thiết bị khác, ta chọn công suất PN = 5 W. 6. Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy: S = 1,05 . PN = 1,05. 5 = 5,25 VA 7. Dòng điện sơ cấp máy biến áp: I1 = S/(3.U2) = 5,25/(3. 220) = 8 mA 8. Tiết diện trụ của máy biến áp được tính theo công thức kinh nghiệm: Qt= kQ. = 0,9 cm2 Trong đó: kQ = 6- hệ số phụ thuộc phương thức làm mát; m = 3- số trụ của biến áp; f = 50- tần số điện áp lưới. Vì kích thước này quá nhỏ nên ta chọn chuẩn hoá tiết diện trụ theo bảng Qt= 1,63 cm2. Kích thước mạch từ lá thép dày s = 0,5 mm. Số lượng lá thép: 68 lá. a =12mm, b =16mm, h =30mm. Hệ số ép chặt kc = 0,85. 9. Chọn mật độ từ cảm B =1T ở trong trụ, ta có số vòng dây sơ cấp: 10. Chọn mật độ dòng điện J1= J2= 2,75 A/mm2. Tiết diện dây quấn sơ cấp: S1= mm2 Đường kính dây quấn sơ cấp: d1= = 0,061 mm Chọn d1= 0,1 mm để đảm bảo độ bền cơ. Đường kính có kể cách điện: d1cđ = 0,12 mm. 11. Số vòng dây quấn thứ cấp W21: vòng 12. Số vòng dây quấn thứ cấp W22: vòng 13. Đường kính dây quấn các cuộn thứ cấp vì kích thước nhỏ không đáng kể chọn 0,26 mm. 14. Tính chọn điôt cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi: + Dòng điện hiệu dụng qua điôt: ID.HD = = 0,099 A + Điện áp ngược lớn nhất mà điôt phải chịu: UNmax= . U22 = .8,51 = 22 V. + Chọn điôt có dòng định mức: Idm³ Ki . ID.HD =10.0,1 = 1 A Chọn điôt có điện áp ngược lớn nhất: Un= ku. UNmax=2.22 = 44 V Chọn điôt loại KII208A có các thông số: + dòng điện định mức: Idm = 1,5 A; + điện áp ngược cực đại của điôt: UN =100 V. Chương IV Hệ thống điều khiển hai mạch vòng Giới thiệu chung Rất nhiều máy sản xuất có yêu cầu ổn định tốc độ làm việc. Yêu cầu đó là cần thiết để nâng cao chất lượng sản phẩm được gia công trên máy, nâng cao chất lượng kỹ thuật của một quy trình công nghệ mà máy sản xuất tham gia hoặc nâng cao năng suất của máy. Mặt khác độ ổn định tốc độ còn ảnh hưởng quan trọng đến giải điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải của truyền động. Độ ổn định càng cao thì giải điều chỉnh càng có khả năng mở rộng và mômen quá tải càng lớn. Với mục đích đó người ta sử dụng các mạch hồi tiếp để thiết lập các hệ tự động vòng kín. Sơ đồ cấu trúc tổng quát của nó được vẽ trên hình 52. Hình 52. Cấu trúc chung của hệ điều chỉnh tự động truyền động điện. Hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện gồm: động cơ truyền động M quay máy sản xuất Mx và thiết bị biến đổi năng lượng BĐ (được gọi là phần lực); các thiết bị đo lường ĐL và các bộ điều chỉnh R (được gọi là phần điều khiển). Tín hiệu điều khiển hệ thống được gọi là tín hiệu đặt THĐ và ngoài ra còn các tín hiệu nhiễu loạn NL tác động lên hệ thống. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh điện trở rôto Để có thể tổng hợp được các mạch vòng truyền động thì trước hết ta phải xây dựng được mô hình của hệ truyền động. Đối với động cơ không đồng bộ ta có các phương trình như sau: Khi điều chỉnh điện trở rôto thì ta có Từ các phương trình trên ta có thể tính được các giá trị đạo hàm riêng của mômen và dòng điện tại điểm làm việc xác lập đang xét (M, R2, I2): Ta có quan hệ điện trở xung rôto Rx và điện áp điều khiển uđk như trên hình vẽ sau: Hình 53. Quan hệ điện trở xung rôto Rx và điện áp điều khiển uđk. Ta có: và do đó: Từ các phương trình trên ta có sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh điện trở rôto: Hình 54. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh điện trở rôto. Tính toán các tham số trong sơ đồ khi tuyến tính hóa quanh điểm làm việc định mức. Chọn tần số đóng, cắt tiristor T: fck = 1KHz, khi đó hằng số thời gian trung bình: Biên độ của điện áp răng cưa tại xung mở của tiristor phụ T1 là Utm = Ucc = 9,97V. Khi đó: Tính Ta có nên: Tại điểm làm việc định mức, thay các giá trị vào ta được: Hằng số thời gian trung bình của mạch rôto: Trong đó: L2 - điện cảm pha rôto, L2 = 1,95.10-3 H; Lk, Rk - điện cảm và điện trở cuộn kháng L, Lk = Rk = 0. Tại điểm làm việc định mức Rx = 0. Do đó: Tính Ta có Tại điểm làm việc định mức Tính Ta có Tại điểm làm việc định mức Tính đại lượng này là nhỏ, do vậy để đơn giản cho việc tổng hợp các mạch vòng ta bỏ qua đại lượng này. Mômen quán tính của hệ thống thường khoảng 1,2 mômen quán tính của động cơ: Thông số của phần tử phản hồi dòng điện Ta chọn mạch phản hồi dòng lấy tín hiệu từ dòng điện một chiều của mạch rôto, chọn Hằng số thời gian của phần tử phản hồi dòng điện, chọn Ti = 0,1ms. Thông số của phần tử phản hồi tốc độ Ta chọn, và Tổng hợp mạch vòng dòng điện Hình 55. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện. _ DI _ Thay số vào ta được: Hàm truyền của mạch dòng điện (hàm truyền của đối tượng điều chỉnh): Trong đó các hằng số thời gian Ti = 0,0001s và Tv0 = 0,0005s là rất nhỏ so với Td = 0,004s. Đặt Ts = Ti + Tv0 = 0,0001 + 0,0005 = 0,0006s, thì ta có thể viết như sau: Theo tiêu chuẩn tối ưu modul ta tìm được hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện có dạng PI: Hàm truyền của mạch vòng dòng điện: Hình56. Sơ đồ mô phỏng và dòng điện quá độ Tổng hợp mạch vòng tốc độ Hình 57. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ. Ta có thể đơn giản hóa sơ đồ trên: Hình 58. Sơ đồ cấu trúc đơn giản hóamạch vòng tốc độ. Với trường hợp không tải, khi đó hàm truyền của mạch tốc độ: Ta thấy rằng: là nhỏ có thể bỏ qua. Theo tiêu chuẩn tối ưu modul, ta có bộ điều chỉnh tỷ lệ: Trong đó, Ts = 0,0012 + 0,001 = 0,0022s Hàm truyền của mạch vòng tốc độ: Hình 59. Sơ đồ mô phỏng và tốc độ quá độ. Tính toán các thiết bị trong sơ đồ tổng hợp điện – cơ Bộ điều chỉnh dòng điện PI Ta có: Để thực hiện hàm có chức năng trên ta có sơ đồ bộ điều chỉnh PI như sau: Hình 60. Bộ điều chỉnh PI. Trong sơ đồ trên, U1w là tín hiệu đặt, U1 là tín hiệu đo lường và U2 là tín hiệu đầu ra bộ điều chỉnh. Ta chọn C2 = 1mF khi đó, aR2 = 11,7KW. Chọn R2 = 2,2KW. , chọn R1 = 33KW. Trong thực tế, hệ thống thường mất ổn định do dòng điện vượt quá giới hạn cho phép. Nguyên nhân của hiện tượng này là do nhiễu loạn động của hệ thống gây ra. Đây là nhiễu loạn không khắc phục được. Để hạn chế nhiễu loại này ta dùng khâu hạn chế lượng đặt đầu vào của mạch vòng dòng điện không vưọt quá giới hạn. Khi U1 > 0, nếu U1 >U+ thì D+ mở, U2 = U+. Khi U1 < 0, nếu thì D- mở, U2=U-. Bộ điều chỉnh tốc độ P Ta có: Để thực hiện hàm có chức năng như trên ta có bộ điều chỉnh P như sau: Hình 61. Bộ điều chỉnh P. Ta chọn R2 = 22KW và R1 = 1KW. Phần tử phản hồi dòng điện Để phản hồi tín hiệu dòng điện ta dùng khuếch đại từ mắc vào mạch một chiều rôto. Hình 62. Phản hồi dòng điện dùng khuếch đại từ. Ta có Với Trong đó: k2 = 1 với sơ đồ chỉnh lưu cầu; Wdk và WT là số vòng của cuộn dây điều khiển và cuộn WT. Ta chọn RT = 10W và KĐT có . Phần tử phản hồi tốc độ Hình 63. Phản hồi tốc độ dùng máy phát một chiều. Để phản hồi tốc độ ta dùng máy phát tốc một chiều có sơ đồ nguyên lý như sau: Chọn điện trở đủ lớn: Uw ằ kw.w. Và bộ lọc R- C có tần số: Ta lại có ta chọn, R=3,3KW và C = 0,1mF. Chương V Các đặc tính cơ Ta xuất phát từ phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ: và Trong đó, khi điều chỉnh điện trở mạch rôto thì Mth = const = 276 N.m, và đặc tính cơ phụ thuộc vào điện trở mạch rôto, tức là phụ thuộc vào hệ số . Ta sẽ dựng từng đặc tính cơ ứng với các giá trị khác nhau của g ta được họ đặc tính cơ như sau: Hình 64. Các đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ rôto dây quấn khi điều chỉnh điện trở xung rôto. g=1 g=0,7 g=0,9 g=0 w M Hình 65. Các đặc tính cơ của hệ kín động cơ không đồng bộ rôto dây quấn khi điều chỉnh điện trở xung rôto. Tài liệu tham khảo Cơ sở truyền động điện tự động – Bùi Đình Tiếu, Phạm Duy Nhi – Nhà xuất bản đại học và trung học chuyên nghiệp – Hà Nội 1982. Thiết kế thiết bị điện tử công suất – Trần Văn Thịnh – Hà Nội 2004. Tự động hóa và điều khiển thiết bị điện – Trần Văn Thịnh. Điều chỉnh tự động truyền động điện – Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi – Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật – Hà Nội. Điện tử công suất và điều khiển động cơ điện – Cyril W.lander – Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật – Hà Nội 2002. Truyền động điện thông minh – Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich – Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật – Hà Nội 2002. Cơ sở truyền động điện – Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn – Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật – Hà Nội.