Đồ án Thiết kế hệ điều khiển CL - Đ một chiều

Lời mở đầu Điều khiển là một lĩnh vực quan trọng trong đời sống xã hội. Bất kì ở vị trí nào, bất cứ làm một công việc gì mỗi chúng ta đều tiếp cận với điều khiển. Nó là khâu quan trọng quyết định sự thành bại trong mọi hoạt động của chúng ta. Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi nhưng động cơ điện một chiều vẫn tồn tại. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và phạm vi rộng. Vì động cơ điện một chiều có đặc tính làm việc rất tốt trên các mặt điều chỉnh tốc độ (phạm vi điều chỉnh rộng, thậm chí từ tốc độ bằng 0). Nhưng độ tin cậy khi sử dụng động cơ một chiều lại thấp hơn so với động cơ không đồng bộ do có hệ thống tiếp xúc chổi than. Hệ thống điều khiển chỉnh lưu - động cơ một chiều cũng là một ứng dụng của kỹ thuật điều khiển. Chỉnh lưu có điều khiển dùng Tiristo để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ. Chỉnh lưu cũng có thể dùng làm nguồn điện chỉnh điện áp kích từ cho động cơ. Hệ thống này thường được dùng cho các động cơ điện được cấp điện từ lưới xoay chiều. Đồ án thiết kế hệ điều khiển CL - Đ một chiều gồm 6 chương: Chương1: Khái quát về điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều Chương 2: Khái quát về nguồn chỉnh lưu. Chương 3: Thiết kế nguồn chỉnh lưu động lực. Chương 4: Tính toán đặc tính điều khiển của động cơ. Chương 5: Thiết kế mạch điều khiển. Chương 6: Hệ thống điều khiển với phản hồi. Nội dung đồ án chắc chắn còn rất nhiều vấn đề cần bổ xung hoàn thiện, em rất mong ý kiến đánh giá và nhận xét của các thầy cô cùng các bạn sinh viên. Chương I Khái quát về điều khiển động cơ điện một chiều. Đại cương về động cơ điện một chiều Cấu tạo động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều chia thành 2 phần chính: Phần tĩnh ( stato) Gồm các bộ phận chính sau: Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường, gồm lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ. Lõi sắt cực từ làm bằng thép kĩ thuật điện dày ( 0,5 –1)mm ép lại và tán chặt. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện. Trong các máy công suất nhỏ, cực từ chính là một nam châm vĩnh cửu. Trong các máy công suất trung bình và lớn, cực từ chính là nam châm điện. Cực từ phụ: đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện điều kiện làm việc của máy điện và đổi chiều Lõi thép cực từ phụ có thể là một khối hoặc có thể được ghép bởi các lá thép tùy theo chế độ làm việc. Xung quanh cực từ phụ được đặt dây quấn cực từ phụ, dây quấn cực từ phụ được nối với dây quấn phần ứng. Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy. Phần quay ( rôto) Bao gồm các bộ phận chính sau: Lõi thép phần ứng: dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kĩ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây lên. Trong máy điện nhỏ, lõi thép phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Trong máy điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng đồng có bọc cách điện. Trong máy điện công suất nhỏ, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện tròn. Trong máy điện công suất vừa và lớn, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện hình chữ nhật. Cổ góp: dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Cơ cấu chổi than: dùng để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng có dòng điện Iư. Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực Fđt tác dụng làm cho rôto quay. Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực 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.. ở động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên sức điện đông Eư còn được gọi là sức phản diện Phương trình điện áp là: Phân loại động cơ điện một chiều Cũng như máy phát, động cơ điện được phân loại theo cách kích thích từ thành các động cơ điện sau: Động cơ điện kích từ độc lập Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ được cấp điện từ một nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho mạch phần ứng. Động cơ kích từ nối tiếp Động cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng. Động cơ kích từ hỗn hợp Động cơ kích từ hỗn hợp gồm 2 dây quấn kích từ: dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp trong đó dây quấn kích từ song song là chủ yếu. Khái quát về điều khiển động cơ một chiều Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều Tùy theo cách kích thích từ, động cơ điện một chiều có những tính năng khác nhau biểu diễn bằng các đường đặc tính làm việc, đặc tính cơ khác nhau. Trong các đặc tính đó, quan trọng nhất là đặc tính cơ. Đặc tính cơ dùng để xác định điểm làm việc xác lập hoặc là khảo sát điểm làm việc ổn định trong hệ thống truyền động điện. Đặc tính cơ của động cơ điện là mặt phẳng tọa độ giữa w với momen w = f(M). Trong đồ án thiết kế này ta chỉ quan tâm tới loại động cơ một chiều kích từ độc lập Phương trình đặc tính cơ Iư Rf KT RKT IKT - + + - Khi động cơ làm việc, rôto mang cuộn ứng quay trong từ trường của cuộn cảm nên trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức phản điện động có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Phương trình điện áp ở mạch phần ứng động cơ: U = E + Iư ( Rư + Rf) Trong đó: + Uư : điện áp phần ứng ( V ) + E: sức điện động phần ứng ( V ) + Rư : điện trở của mạch phần ứng (W) + Rf : điện trở phụ của mạch phần ứng + Iư : dòng điện mạch phần ứng. Sức điện động Eư của phần ứng động cơ là tỷ lệ với tốc độ quay của rôto : E = k.F.w Trong đó: + k = hệ số cấu tạo của động cơ + F: từ thông qua một cực từ (Wb) + w: tốc độ góc của rôto, ( rad/s) + p: số đôi cực từ chính + N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng + a: số đôi mạch nhánh song song + n: tốc độ quay (vòng/phút) Mặt khác, mômen điện từ của động cơ: Mđt = k.F.Iư Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì Mcơ = Mđt = M Từ các phương trình trên ta có: đặc tính cơ của động cơ điện một chiều Khi toàn bộ các thông số điện của động cơ là định mức và không mắc thêm điện trở phụ vào mạch điện trở thì phương trình đặc tính cơ là: Đặc tính cơ của phương trình này gọi là đặc tính cơ tự nhiên. Tốc độ wo = Uư/k.F là tốc độ không tải lý tưởng. Khi phụ tải tăng dần từ Mc = 0 đến Mc = Mđm thì tốc độ động cơ giảm dần từ wo xuống wđm nên phương trình đặc tính cơ có dạng: Với: Dw = _độ sụt tốc trên đặc tính cơ. Đặc tính cơ M Mđm w wđm wo Dw ĐTTN 0 Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông F = const thì phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập tuyến tính có dạng hàm bậc nhất y = ax + b nên đường biểu diễn trên hệ tọa độ M0w là một đường thẳng cắt trục 0w tại wo với độ dốc âm. Điều khiển tốc độ động cơ một chiều Chỉ tiêu điều khiển tốc độ Điều khiển tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động điện tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của các máy sản xuất. Để đánh giá chất lượng của một hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêu sau: Sai số tốc độ Sai số tĩnh tốc độ là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt và được đánh giá thông qua: Mong muốn: sai số wđ = w s% càng nhỏ càng tốt. Tính liên tục ( độ trơn của dải điều chỉnh) wi + 1 ằ wi: hệ thống điều khiển liên tục wi + 1 ạ wi : hệ thống điều khiển nhảy cấp Mong muốn g đ 1: hệ truyền động có thể làm việc ổn định ở mọi giá trong suốt dải điều chỉnh. Dải điều khiển tốc độ Dải điều khiển tốc độ ( D) là tỉ số giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tốc độ làm việc ứng với mômen tải đã cho: Mong muốn D càng lớn càng tốt Ngoài ra còn các chỉ tiêu khác như: chỉ tiêu kinh tế, kích thước… Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều Về việc điều chỉnh tốc độ, động cơ một chiều có nhiều ưu điểm so với các loại động cơ khác: điều chỉnh dễ dàng, chất lượng điều chỉnh cao trong một dải rộng…. Xét phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều: Ta thấy rằng việc điều chỉnh động cơ điện một chiều có thể thực hiện được bằng cách thay đổi các đại lượng: Rư , F, Uư Thực tế có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều: Phương pháp 1: Thay đổi điện trở phần ứng Đây là phương pháp kinh điển dùng để điều khiển tốc độ động cơ trong nhiều năm. Nguyên lý điều khiển Trong phương pháp này người ta giữ U = Uđm; F = Fđm và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng. Rf = 0 Rf1 Rf2 w0 w M 0 M2 M1 Mc Độ cứng của đường đặc tính cơ: Ta thấy khi điện trở càng lớn thì b càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đó càng mềm hơn. ứng với Rf = 0 ta có độ cứng tự nhiên bTN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ. Như vậy, khi ta thay đổi Rf ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên. Đặc điểm của phương pháp Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn. Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức ( chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm). Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục. Đánh giá các chỉ tiêu Tính liên tục: phương pháp này không thể điều khiển liên tục được mà phải điều khiển nhảy cấp. Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải. Tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh D = wmax / wmin càng nhỏ. Phương pháp này có thể điều chỉnh trong dải D = 3 : 1 Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn. Chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản. Phương pháp 2: Thay đổi từ thông F Nguyên lý điều khiển Giả thiết U= Uđm; Rư = const . Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòng điện kích từ. Thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ. Bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa (F = Fmax) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông F tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức. đ Khi giảm F thì tốc độ không tải lý tưởng tăng, còn độ M Fđm F2 F1 wo wo1 wo2 w 0 Mc1 Mc2 cứng đặc tính cơ giảm, ta thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên. Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng vượt quá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi. Vì vậy muốn giữ cho dòng điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì ta phải giảm Mt theo cùng tỉ lệ. Đặc điểm của phương pháp Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng. Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức. Việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch. Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều khiển với công suất không đổi. Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển Sai số tốc độ lớn: đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên. Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy. Có thể điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D = 3 :1 Tính liên tục: vì công suất của cuộn dây kích từ bé, dòng điện kích từ nhỏ nên ta có thể điều khiển liên tục với F ằ 1 Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên tục và kinh tế ( vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ = (1 – 10)%Iđm của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp). đ Đây là phương pháp gần như là duy nhất đối với động cơ điện một chiều khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển. Phương pháp 3: Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp. Nguyên lý làm việc Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn (máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển…) ở phương pháp này: U = var; Fđm = const; Rf = 0 ĐTTN w0 w02 w01 w M U1 U2 0 Mc Khi thay đổi phần ứng ( thay đổi theo chiều giảm điện áp), vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lí tưởng wo = U /k.F thay đổi tùy thuộc vào giá trị điện áp phần ứng. Do đó ta thu được họ đặc tính mới song song và thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên tức là vùng điều khiển tốc độ nằm dưới tốc độ định mức. Đặc điểm của phương pháp Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng thấp. Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh. Độ cứng đặc tính cơ cao và được giữ không đổi trong toàn dải điều chỉnh. Chỉ thay đổi tốc độ về phía giảm Rất dễ tự động hóa khi dùng chỉnh lưu có điều khiển. Phương pháp này điều khiển với mômen không đổi vì F và Iư đều không đổi. Đánh giá chi tiêu điều khiển Sai số tốc độ lớn ( sai số tốc độ bằng sai số tốc độ của đặc tính cơ tự nhiên) Tính liên tục: điện áp của động cơ được điều khiển bằng bộ biến đổi. Các bộ biến đổi hiện nay đều có công suất bé nên có thể điều chỉnh liên tục. Dải điều chỉnh có thể đạt được D = 10:1 đ Đây là phương pháp duy nhất có thể điều chỉnh liên tục tốc độ động cơ trong vùng tốc độ thấp hơn tốc độ định mức đối với động cơ một chiều. ị Qua việc xét ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ta thấy phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng là triệt để và có nhiều ưu điểm hơn cả nên ta chọn phương pháp này để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều. Ä Các bộ biến đổi để điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ Hệ thống F - Đ ( máy phát - động cơ) Hệ thống F - Đ là một trong các phương án điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng. Nguyên lý điều khiển F Đ MF ĐC MSX Đ1 ~ Theo sơ đồ thì động cơ Đ1 biến đổi điện năng xoay chiều của lưới thành cơ năng trên trục của nó rồi truyền sang trục của máy phát F, máy phát F biến đổi cơ năng đó thành điện năng một chiều để cung cấp cho động cơ Đ, động cơ một chiều chuyển thành cơ năng trên trục làm quay máy sản xuất. Để điều khiển tốc độ động cơ cần điều khiển điện áp đặt trên hai đầu động cơ, thông qua sức điện động của máy phát: E = kMF.F.wMF. Khi máy phát F được quay với tốc độ wMF cố định, sức điện động của máy phát EMF phụ thuộc vào dòng kích từ IkMF theo luật đường cong từ hóa: EMF = kMF.wMF. a.IkMF Xét phương trình đặc tính cơ: Ta thấy khi điều chỉnh dòng điện kích từ của máy phát ta điều chỉnh được tốc độ không tải của hệ thống: còn độ cứng đặc tính cơ: thì giữ nguyên. w IkMFđm IkMF 2 IkMF 1 IkMF = 0 ĐC TS ĐN ĐC TS I 0 wo Do đó các đường đặc tính cơ là một họ đường thẳng song song. Trong mạch lực của hệ F - Đ không có phần tử phi tuyến nào nên hệ có những đặc tính động rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển các trạng thái làm việc. Hệ F - Đ có các đặc tính cơ điền đầy cả 4 góc phần tư của mặt phẳng tọa độ. Đặc điểm của hệ F - Đ Ưu điểm Sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn. Phạm vi điều chỉnh tăng (cỡ 30:1; chỉ khi dùng trong mạch kín). Điều chỉnh tốc độ bằng phẳng trong phạm vi điều chỉnh. Việc điều chỉnh tiến hành trên các mạch kích từ nên tổn hao nhỏ. Hệ điều chỉnh đơn giản. Nhược điểm Dùng nhiều máy điện quay trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất gấp 3 lần công suất tải yêu cầu. Vốn đầu tư cao, cồng kềnh tốn diện tích Hiệu suất của hệ thấp ( không quá 75%) Điều chỉnh sâu bị hạn chế Hiện nay người ta có khuynh hướng thay thế hệ F - Đ bằng hệ thống CL - Đ Hệ thống CL - Đ một chiều T ~ Ư Hệ thống CL - Đ một chiều dùng bộ biến đổi là một loại nguồn điều áp một chiều. Khi nối nó vào mạch phần ứng với động cơ điện một chiều kích từ độc lập ta sẽ được hệ thống CL - Đ. Khác với máy phát điện một chiều, bộ biến đổi trực tiếp biến dòng xoay chiều thành dòng một chiều không qua một khâu trung gian cơ học nào. Hiện nay các Tiristo được dùng phổ biến để tạo ra các bộ chỉnh lưu có điều khiển bởi các tính chất ưu việt của chúng: gọn nhẹ, tổn hao ít, tác động nhanh… Nguyên lý điều khiển Động cơ điện một chiều nhận năng lượng từ lưới xoay chiều thông qua bộ chỉnh lưu. Bộ chỉnh lưu biến đổi điện lưới xoay chiều thành điện một chiều cấp điện cho phần ứng của động cơ điện một chiều. Khi điều khiển góc mở của các Tiristo ( tức là Tirito chỉ được mở khi điện áp anod dương hơn catod) ta điều khiển được điện áp phần ứng tức là điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều. Các chế độ làm việc Chế độ dòng điện liên tục Khi mômen tải tăng Mt ư thì dòng điện Iđc ư dẫn đến năng lượng điện từ tăng. Khi điện áp nguồn nhỏ hơn sức điện động thì năng lượng của cuộn dây lớn làm cho năng lượng xả ra đủ sức để duy trì dòng điện đến thời điểm mở van kế tiếp. Khi ở chế độ dòng điện liên tục, điện áp chỉnh lưu UCL = Udo.cosa . Chế độ dòng điện gián đoạn Do mạch của động cơ có điện cảm và điện cảm ấy có tích lũy và xả năng lượng. Nếu dòng điện nhỏ, lượng tích lũy năng lượng của cuộn dây nhỏ nên xả năng lượng nhỏ. Vì vậy khi điện áp của lưới nhỏ hơn sức điện động của động cơ, năng lượng của cuộn dây xả ra để đảm bảo anod dương hơn catod không đủ duy trì tính chất liên tục của dòng điện. Lúc này, dòng điện qua van trở về 0 trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn. Chế độ biên liên tục Khi chuyển từ trạng thái dòng liên tục sang trạng thái dòng gián đoạn, hệ sẽ phải qua một trạng thái giới hạn, đó là trạng thái biên liên tục. Đặc tính cơ của hệ thống Chế độ dòng điện liên tục Phương trình đặc tính cơ: Thay đổi góc điều khiển a = ( 0 - p),điện áp của chỉnh lưu biến thiên từ Udo – ( - Udo) và ta được họ đặc tính song song nằm ở nửa bên phải của hệ trục tọa độ {M, w}. Những đặc tính đó không tồn tại ở nửa mặt bên trái là do các van không cho dòng điện phần ứng đổi chiều. Khi đó tốc độ không tải lí tưởng tùy thuộc vào góc điều khiển a Và độ cứng đặc tính cơ: là không đổi. đ Các đường đặc tính của hệ CL - Đ mềm hơn các đặc tính cơ của hệ F - Đ Chế độ dòng điện gián đoạn Phương trình đặc tính cơ: 0 Biên liên tục w wo1 wo2 Iblt wblt I a = 0 a = p/2 Khi làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn, đường đặc tính cơ không là đường thẳng, là đường cong có độ cứng thấp hơn. Biên giới vùng dòng điện gián đoạn là đường phân cách giữa vùng dòng điện liên tục và vùng dòng điện gián đoạn chính là tập hợp các đường trạng thái biên {Mblt; wblt} khi thay đổi góc a = ( 0 - p ) gần đúng là đường elip có các trục chính là các trục tọa độ - đường cong nét đứt trên hình vẽ. Đặc điểm của hệ CL - Đ Ưu điểm: Độ tác động nhanh cao, tổn thất ít, giảm tiếng ồn, hiệu suất lớn. Có khả năng điều chỉnh trơn (g ~ 1) với phạm vi điều chỉnh rộng ( D ~ 102 – 103) Có thể thiết lập hệ tự động vòng kín để mở rộng dải điều chỉnh và cải thiện điều kiện làm việc của hệ. Nhược điểm: Khả năng linh hoạt khi chuyển đổi trạng thái làm việc không cao, khả năng quá tải về dòng và áp của các van kém. Sức điện động của bộ biến đổi có biên độ đập mạch lớn gây tổn hao phụ trong động cơ và làm xấu điều kiện chuyển mạch trên cổ góp của động cơ làm xấu điện áp nguồn. Khi điều chỉnh sâu hệ số công suất cosg thấp nhất. Hệ thống băm áp động cơ Vo Ư K + - Bộ băm áp một chiều dùng để biến đổi trị số điện áp, dòng điện một chiều dựa trên nguyên lý đóng ngắt có chu kì nguồn điện một chiều. Nguyên lý điều khiển Khi khóa K đóng dòng điện tăng làm tăng tốc độ động cơ và tích lũy năng lượng điện từ cho điện cảm trong mạch. Trong thời gian khóa cắt, năng lượng điện từ đã tích lũy sẽ phóng qua Vo để duy trì dòng điện phần ứng. Các chế độ làm việc Chế độ dòng điện liên tục Khi dòng và điện cảm trong mạch đủ lớn thì nănsg lượng điện từ đủ duy trì dòng điện cho đến khi bắt đầu chu kì mới. Khi đó dòng phần ứng có dạng liên tục. Điện áp một chiều được điều chỉnh bằng bộ băm áp cung cấp cho phần ứng của động cơ. Điện áp môt chiều được băm với điện áp trung bình: Ta điều chỉnh thông qua chu kì T. Chu kì càng nhỏ ( tần số càng lớn f = 1 /T) thì vùng gián đoạn càng nhỏ, chất lượng điều khiển càng cao. đ Điều khiển băm áp có chất lượng tốt hơn điều khiển chỉnh lưu khi tần số f cao. Chế độ dòng điện gián đoạn Nếu dòng điện và điện cảm có giá trị nhỏ thì đường cong có dạng gián đoạn. Nếu dòng điện và điện cảm có giá trị giới hạn nào đó thì dòng điện có thể giảm đến 0 đúng vào thời điểm đầu của chu kì tiếp theo. Khi đó ta có dòng biên liên tục. Đặc tính cơ của hệ thống w g = 0 g = 1 I, M wo Iblt wblt 0 Với dòng điện liên tục: Phương trình đặc tính cơ Để điều khiển tốc độ ta điều khiển hệ số g tức là điều khiển độ rộng xung điện áp q trong chu kì điện áp. Trong vùng liên tục, đặc tính cơ là tập hợp các đường thẳng song song với tốc độ không tải lý tưởng và độ cứng đặc tính cơ: Với dòng điện gián đoạn Đặc tính cơ là các đường cong. Cũng như trong hệ CL - Đ, ở chế độ này do mômen điện từ gián đoạn mà đặc tính cơ trở nên rất mềm. Biên giới liên tục là đường có dạng nửa hình elip nằm ở góc phần tư thứ nhất và có dạng nét đứt trên hình vẽ. Đặc điểm: Ưu điểm Vốn đầu tư nhỏ, hệ đơn giản, chắc chắn. Độ cứng đặc tính cơ cao, xấp xỉ đặc tính cơ tự nhiên. Nhược điểm Điện áp dạng xung gây ra tổn thất phụ lớn trong động cơ Hệ thống có thể làm việc ở trạng thái dòng gián đoạn với những đặc tính kém ổn định và tổn thất năng lượng nhiều. Chương II Khái quát về nguồn chỉnh lưu Bộ chỉnh lưu là bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều. Bộ biến đổi này có thể là chỉnh lưu không điều khiển và chỉnh lưu có điều khiển. Các bộ chỉnh lưu có điều khiển có thể trao đổi năng lượng theo 2 phía: khi năng lượng truyền từ lưới xoay chiều sang tải bộ nguồn làm việc ở chế độ chỉnh lưu, khi năng lượng truyền theo chiều ngược lại từ tải một chiều về lưới xoay chiều thì bộ nguồn làm việc ở chế độ nghịch lưu trả năng lượng về lưới. Dưới đây ta xét một số sơ đồ chỉnh lưu thường gặp: Chỉnh lưu cả chu kì với biến áp trung tính Sơ đồ động lực Theo hình dạng sơ đồ thì biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống hệt nhau, mỗi cuộn làm việc ở nửa chu kì. Đường cong 0 a1 a2 a3 Ud Id t Tải điện cảm lớn Nguyên lý Để điều khiển được điện áp và dòng điện tải ta điều khiển góc mở a của Tiristo hay thời điểm mở. Tiristo muốn mở được phải có 2 điều kiện: điện áp anod dương hơn so với catod và có dòng điện điều khiển. Khi Tiristo T1 được mở sẽ có dòng điện chạy qua tải và duy trì T1 ở trạng thái dẫn tới lúc dòng điện bằng không, lúc đó điện áp đổi dấu và kích mở T2 ngay lập tức, T2 chuyển sang dẫn. Đối với tải thuần trở thì dòng điện gián đoạn còn khi tải có điện cảm thì dòng điện gián đoạn hay liên tục là do năng lượng điện từ tích lũy trong cuộn dây lớn hay bé Wđt = L.i2/2 phụ thuộc vào L, i do a quyết định ( Nếu a càng lớn thì i2 càng lớn , vùng gián đoạn nhỏ đi). Khi tải điện cảm lớn tới mức dòng điện của van đang dẫn bằng 0 đã mở van kế tiếp thì đường cong điện áp, dòng điện là liên tục. Nhận xét Trong sơ đồ này, điện áp tải đập mạch trong cả hai nửa chu kì với tần số đập mạch bằng hai lần tần số điện áp xoay chiều. Việc điều khiển các van bán dẫn ở đây tương đối đơn giản. Việc chế tạo biến áp phức tạp hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn. Điện áp ngược của các van bán dẫn phải chịu có trị số lớn nhất trong các sơ đồ chỉnh lưu: Trong chỉnh lưu một pha nếu tải có dòng điện lớn và điện áp thấp thì sơ đồ một pha chỉnh lưu cả chu kì với biến áp có trung tính có ưu điểm hơn cả. Chỉnh lưu cầu một pha Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển có đối xứng 0 a1 a2 a3 Ud Id t Tải điện cảm lớn Nguyên lý hoạt động: Trong 1/2 chu kì điện áp anod của Tiristo T1 dương (khi đó catod T2 âm), nếu cấp xung điều khiển dồng thuận với điều kiện phải cả hai xung cùng một lúc thì T1, T2 sẽ dẫn. Đến 1/2 chu kì sau điện áp đổi dấu, anod của T3 dương, catod của T4 âm, nếu có xung điều khiển đồng thời cho cả 2 van thì các van sẽ được mở thông. Nhận xét Chỉnh lưu cầu một pha có chất lượng điện áp ra hoàn toàn giống như chỉnh lưu cả chu kì với biến áp trung tính nhưng điện áp ngược phải chịu nhỏ hơn: Sơ đồ này được dùng với loại tải làm việc ở chế độ nghịch lưu trả năng lượng về lưới. Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng Chỉnh lưu này được thực hiện bằng hai phương pháp khác nhau: Sơ đồ cùng cực tính Sơ đồ không cùng cực tính Đường cong: 0 Ud t 2p a2 a3 a1 p 3p Hình dạng đường cong điện áp của hai sơ đồ giống nhau và không có phần âm điện áp Sơ đồ cùng cực tính Các van bán dẫn được dẫn thông trong một nửa chu kì: các diod dẫn từ đầu đến cuối bán kì điện áp âm catod còn các Tiristo được dẫn thông tại thời điểm có xung mở và bị khóa bởi việc mở Tiristo ở một nửa chu kì kế tiếp. Với sơ đồ cùng cực tính thì điện áp tải là gián đoạn dù điện cảm bằng hoặc khác không. Khi Ld ạ 0 thí ở sơ đồ này Tiristo và Diod còn đóng vai trò xả năng lượng của cuộn dây thông qua nguồn. Vì vậy cho nên không có phần âm điện áp và không có trả năng lượng về lưới mặc dù điện áp vô cùng lớn. Dòng điện chạy qua Tiristo và Diod là bằng nhau nên lựa chọn van bán dẫn và Diod bán dẫn thì cùng thông số dòng điện. Sơ đồ không cùng cực tính Khi điện áp lưới đặt vào anod và catod của các van bán dẫn thuận chiều và có xung điều khiển thì việc dẫn thông các van hoàn toàn giống như sơ đồ trên. Khi điện áp đổi dấu, năng lượng của cuộn dây được xả ra qua các diod D1, D2 _ các van này đóng vai trò của diod ngược, do đó mà các Tiristo sẽ tự động khóa khi điện áp đổi dấu. Hình dạng đường cong điện áp của sơ đồ cầu một pha không cùng cực tính trùng với đường cong điện áp của sơ đồ cầu một pha cùng cực tính và không có phần âm điện áp ( không có trả năng lượng về lưới) Dòng điện của Diod và Tiristo không bằng nhau được thể hiện bằng khoảng dẫn của Diod và Tiristo khi tải điện cảm: ID > IT Nhận xét Sơ đồ cầu điều khiển không đối xứng có ưu điểm hơn so với sơ đồ cầu điều khiển đối xứng: Tại một thời điểm mở Tiristo chỉ cần một xung điều khiển hay chỉ cần một xung dẫn. Sơ đồ điều khiển đơn giản hơn, giá thành thiết bị giảm. Sơ đồ cầu một pha có chất lượng điện áp tương đương với chỉnh lưu cả chu kì với biến áp trung tính nhưng có ưu điểm ở chỗ: điện áp ngược trên van bé hơn, biến áp dễ chế tạo, có hiệu suất cao hơn, dù vậy giá thành cao hơn gấp 2 lần. Nếu tải có điện áp cao, dòng điện nhỏ thì việc chọn sơ đồ cầu là hợp lý, thường dùng sơ đồ điều khiển không đối xứng, chỉ khi nào tải làm việc ở chế độ trả năng lượng về lưới thì mới dùng sơ đồ cầu điều khiển đối xứng. ị Tóm lại, các sơ đồ chỉnh lưu một pha cho ta điện áp với chất lượng chưa cao, biên độ đập mạch quá lớn, thành phần hài bậc cao lớn, điều này không đáp ứng cho nhiều loại tải. Muốn có chất lượng điện áp tốt hơn chúng ta phải sử dụng các sơ đồ có số pha lớn hơn. Chỉnh lưu tia 3 pha Sơ đồ Biến áp ba pha với thứ cấp 3 cuộn dây đấu Y có trung tính. Các van bán dẫn nối cùng cực tính, cực tính còn lại nối với 3 pha. Tải được nối từ đầu nối cực tính của van bán dẫn với dây trung tính. Nguyên lý Nguyên tắc mở thông và điều khiển các van: khi anod của van nào dương hơn thì van đó mới được kích mở, thời điểm hai điện áp của hai pha giao nhau được coi là góc thông tự nhiên của các van bán dẫn. Còn các Tiristo chỉ được mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm góc mở tự nhiên( như vậy trong chỉnh lưu tia 3 pha, góc mở nhỏ nhất a = 0 sẽ dịch pha so với điện áp pha một góc là 30o) Chỉnh lưu tia 3 pha được phân biệt bởi hai vùng mở khác nhau: Khi a < p/6 thì việc mở van bán dẫn không phụ thuộc vào tải dạng gì. Trong vùng mở điện áp dương các Tiristo dẫn liên tục: có sự chuyển mạch từ van này sang van kia, không có sự hoàn trả năng lượng về lưới. Các đường cong Ud, Id liên tục. Ud Id t 0 a1 a2 a4 a3 Khi a > p/6 thì Tiristo sẽ được mở trong khoảng nào tùy thuộc vào tích chất của tải: nếu tải thuần trở thì đường cong điện áp và dòng điện là gián đoạn còn nếu tải điện cảm (nhất là điện cảm lớn) thì đường cong dòng điện và điện áp là các đường cong liên tục nhờ năng lượng dự trữ trong cuộn dây đủ lớn để duy trì dòng điện khi điện áp đổi dấu. Với tải điện cảm, Tiristo được dẫn có phần âm điện áp nên có sự trả năng lượng về lưới. t a2 A B C A a1 a3 a4 Tải thuần trở t A B C A Tải điện cảm lớn Nhận xét So với chỉnh lưu một pha thì chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp tốt hơn, biên độ đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao bé hơn. Khi làm việc dòng điện chỉ chạy qua một pha với dây quấn thứ cấp nên hiệu suất sử dụng biến áp thấp do đó phải thiết kế biến áp có công suất lớn hơn làm giảm hiệu suất chung của hệ thống. Khi chế tạo biến áp động lực các cuộn dây thứ cấp phải được đấu Y với dây trung tính phải lớn hơn dây pha ( vì dây trung tính chịu dòng tải) Mặc dù chỉnh lưu tia 3 pha có ưu điểm là điều khiển các van bán dẫn tương đối đơn giản nhưng nó cũng có nhược điểm là điện áp chỉnh lưu có nhiều sóng điều hòa bậc cao biên độ lớn. Do đó để nâng cao chất lượng dòng điện phần ứng ta phải thiết kế cuộn lọc với điện cảm lớn và phức tạp. Chỉnh lưu tia 3 pha thường được chọn khi: công suất tải không quá lớn so với biến áp nguồn cấp, tải có yêu cầu không quá cao về chất lượng điện áp một chiều. Đối với loại tải có điện áp một chiều định mức là 220V thì sơ đồ tia 3 pha có ưu điểm hơn cả Chỉnh lưu cầu 3 pha Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng Sơ đồ: Sơ đồ cầu 3 pha điều khiển đối xứng có thể coi như hai sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha mắc ngược chiều nhau: 3 Tiristo T1, T3, T5 tạo thành một chỉnh lưu tia 3 pha cho điện áp dương tạo thành nhóm anod, còn T2, T4, T6 là một chỉnh lưu tia 3 pha cho điện áp âm tạo thành nhóm catod, hai chỉnh lưu này ghép lại thành cầu 3 pha. Nguyên lý Theo hoạt động của chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng, dòng điện chạy qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời điểm cần mở Tiristo chúng ta cần cấp 2 xung điều khiển đồng thời (1 xung ở nhóm anod, 1 xung ở nhóm catod). Hai xung điều khiển có: một xung chính quyết định góc mở, 1 xung đêm để có dòng điện. Với đường cong điện áp gián đoạn xung đệm chỉ có tác dụng mồi.Cần chú ý rằng thứ tự cấp xung điều khiển cũng cần tuân thủ đúng thứ tự pha. Thứ tự các xung điều khiển: Thời điểm Xung chính Xung đếm Điều khiển ở nhóm A a1 T1 T4 a3 T3 T6 a5 T5 T2 Điều khiển ở nhóm K a4 T2 T3 a6 T4 T5 a2 T6 T1 Khi chúng ta cấp đúng xung điều khiển, dòng điện chạy từ pha có điện áp dương hơn đến pha có điện áp âm hơn. A B C A a1 a2 a3 a4 a5 a6 t Uf 0 a7 Khi góc mở các Tiristo lớn lên tới góc a > 60o và thành phần điện cảm của tải nhỏ thì điện áp tải sẽ bị gián đoạn. Nhận xét Điện áp ngược của các van phải chịu ở chỉnh lưu cầu 3 pha sẽ bằng 0 khi van dẫn và bằng điện áp dây khi van khóa. Sơ đồ cầu 3 pha điều khiển đối xứng cho chất lượng điện áp tốt, hiệu suất sử dụng biến áp cao, tuy nhiên phương pháp điều khiển phức tạp (cần mở đồng thời 2 van theo đúng thự tự pha) nên trong thực tế nếu không thật cần thiết thì tránh không dùng nhưng nếu là bộ nguồn chỉnh lưu động cơ điện một chiều thì bắt buộc phải dùng. Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng Sơ đồ Loại chỉnh lưu này được cấu tạo từ một nhóm điều khiển và một nhóm không điều khiển. Nguyên lý Phía điều khiển: Tiristo được dẫn thông từ thời điểm có xung mở cho đến khi mở Tiristo của pha kế tiếp. Trong trường hợp điện áp tải gián đoạn Tiristo được dẫn từ thời điểm có xung mở cho đến khi điện áp dây đổi dấu. Phía không điều khiển: Các Diod tự động dẫn thông khi điện áp đặt lên chúng thuận chiều. Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng có dòng điện và điện áp tải liên tục khi góc mở của các van dẫn a < 60o, khi góc mở tăng lên và thành phần điện cảm của tải nhỏ, dòng điện và điện áp tải sẽ gián đoạn. A B C A a1 a2 a3 a4 a5 a6 t Uf 0 a7 Nhận xét Ta có thể coi mạch điều khiển của chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng này như điều khiển một chỉnh lưu tia 3 pha nhưng hiệu suất sử dụng biến áp cao và chất lượng điện áp khá tốt với biên độ đập mạch nhỏ. So với chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng thì trong sơ đồ này việc kích mở các van điều khiển dễ dàng hơn nhưng biên độ đập mạch của điện áp chỉnh lưu lớn hơn, phần hài bậc 3 có giá trị lớn kéo theo cuộn kháng lọc cồng kềnh. ị Chỉnh lưu cầu 3 pha hiện nay là sơ đồ có chất lượng điện áp tốt nhất, hiệu suất sử dụng biến áp tốt nhất nhưng sơ đồ thì phức tạp nhất. Lựa chọn sơ đồ thiết kế Sau khi phân tích đánh giá ưu nhược điểm của các sơ đồ chỉnh lưu, ta thấy đối với tải là động cơ điện một chiều có công suất nhỏ: P = 2,2kW và có điện áp một chiều định mức là 220V thì sơ đồ tia có ưu điểm hơn cả. KT Ư T1 T2 T3 C B A Vì vậy ta chọn sơ đồ thiết kế là sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha nên có sơ đồ động lực dưới đây: Chương III Tính chọn các thông số cơ bản của mạch động lực Từ các số liệu ban đầu: P = 2,2kW; Uđm = 220V; Iđm = 12A; nđm = 1430 vòng/phút; h = 0,85 Tra sách “ Các đường đặc tính cơ trong truyền động điện” – Bùi Đình Tiếu ta có các thông số sau: Loại động cơ: P32 Điện trở phần ứng: Rư = 1,205W Số thanh dẫn tác dụng của phần ứng: N = 936 Số nhánh song song của phần ứng: 2a = 2 Tốc độ quay cho phép cực đại: n =3000 vòng/phút Dòng kích từ định mức: ikt = 0,49A Tính chọn van động lực Van được chọn dựa vào điện áp ngược và dòng điện định mức Điện áp ngược của van: Điện áp làm việc của van: Trong đó: Do sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha nên : Hệ số điện áp ngược: Hệ số điện áp tải: Điện áp ngược mà van phải chịu: kdtU = 1,9 : hệ số dự trữ điện áp ( thường kdtU >1,6) Dòng điện định mức của van Dòng điện làm việc của van: Do sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha nên Dòng điện định mức của van được chọn dựa vào điều kiên làm mát van. Chọn điều kiện làm mát van bằng không khí tức là làm mát tự nhiên nhờ cánh tỏa nhiệt với đầy đủ diện tích bề mặt cho phép làm việc và không có quạt đối lưu không khí. Với điều kiện này thì cho phép van làm việc tới 40%Iđmv Dòng điện định mức của van cần chọn: Iđmv = ki.Ilv = 3,5 x 6,9 = 24,15 (A) Chọn ki = 3,5 : hệ số dự trữ dòng điện Chọn van bán dẫn Với Unv = 875,3(V) và Iđmv = 24,15(A), ta chọn được 3 Tiristo loại T25N900COC có các thông số sau: Điện áp ngược cực đại của van: Unv = 900(V) Dòng điện định mức của van: Iđmv = 25(A) Độ sụt áp trên van: DU = 1,9(V) Dòng điện rò: Ir = 15mA Điện áp điều khiển: Uđk = 1,4V Dòng điện điều khiển: Iđk = 120mA Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 640A Tốc độ biến thiên điện áp: Thời gian chuyển mạch: tcm = 100ms Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép: Tmax = 125oC Tính toán máy biến áp chỉnh lưu Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ đấu D/Y làm mát bằng không khí tự nhiên. Công suất biến áp nguồn cấp ị Sba = 3,4812kVA ( ks = 1,345: hệ số công suất do sơ đồ là chỉnh lưu tia ba pha) Điện áp của các cuộn dây Điện áp cuộn dây sơ cấp bằng điện áp nguồn: U1 = 380V Phương trình cân bằng điện áp khi không tải: Udocosamin = Ud + DUv + DUba Trong đó: + Ud = 220V: điện áp chỉnh lưu + DUv = 1,9V: sụt áp trên các van + DUba = DUr + DUL = 7%.Ud = 7% x 220 = 15,4V (thường chọn DUba = (5 – 10)%Ud) +DUdn _ sụt áp trên dây nối: DUdn = 0 + amin = 10o: góc dự trữ khi có suy giảm điện lưới. Từ phương trình trên ta có: Điện áp cuộn dây thứ cấp: Dòng điện của các cuộn dây Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp Với sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha ta có: Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp: Tính sơ bộ mạch từ Tiết diện trụ của lõi thép kQ = 6: hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát Vì công suất biến áp nhỏ Sba = 3,4812kVA < 10kVA nên ta chọn trụ chữ nhật có kích thước QFe = a.b với a_ bề rộng trụ; b_ bề dày trụ. Ta có Chiều cao trụ . Lấy h = 13cm. Chọn loại thép $330, các lá thép có độ dày 0,35mm Tính toán dây quấn Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp (vòng) Chọn mật độ từ cảm BT =1,35T ( BT tùy theo chất lượng tôn BT= (1 - 1,6)T ) Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp (vòng) .Lấy W2 = 237 vòng. Chọn mật độ dòng điện trong máy biến áp Với máy biến áp công suất nhỏ, khi công suất trên 100W thì mật độ dòng điện J = (2,5 – 3,5)A/mm2.Ta chọn J1 = J2 = 2,69A/mm2 Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp Chọn dây dẫn tiết diện tròn. Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: + Tiết diện dây sơ cấp: S1 = 1,4314mm2 + Đường kính dây: d1 = 1,35mm + Đường kính ngoài kể cả cách điện: dn = (1,43 – 1,46)mm. Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn dây sơ cấp Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp Chọn dây dẫn tiết diện tròn Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: + Tiết diện dây thứ cấp: S2 = 2,573mm2 + Đường kính dây: d2 = 1,81mm + Đường kính ngoài kể cả cách điện: dn = (1,9 – 1,93)mm Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn dây thứ cấp Kết cấu dây quấn Dây quấn kiểu đồng tâm được bố trí theo chiều dọc với mỗi cuộn dây được quấn thành nhiều lớp dây. Mỗi lớp dây được quấn liên tục các vòng dây sát nhau, các lớp dây cách điện với nhau bằng bìa cách điện. Kết cấu dây quấn sơ cấp Tính sơ bộ vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp (vòng). Lấy Wl1 = 87 vòng. Với: + h: chiều cao cửa sổ h= 13cm + dn = (1,43 - 1,46)mm: đường kính dây quấn kể cả cách điện. Chọn dn = 1,45mm = 0,145cm + hg: khoảng cách điện với gông. Thường hg = 2dn = 2 x 0,145 = 0,29cm Sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp lớp. Lấy nl1 = 5 lớp. Vậy có 437 vòng chia thành 5 lớp, 4 lớp đầu mỗi lớp có 88 vòng còn một lớp sau cùng thì bằng 437 – 87 x 4 = 89 vòng. Bề dày cuộn sơ cấp Bd1 = (d1 + cd11).nl1 = (1,35 + 0,1).5 = 7,25mm = 0,725cm. Chọn cd11 = 0,1mm: bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn sơ cấp. Chiều dài trung bình của cuộn dây sơ cấp. Vì máy biến áp có trụ chữ nhật nên : l1= 2W1(atb1 + btb1). Chiều dài trung bình mỗi cạnh của vòng dây sơ cấp Chọn: cdo1 = 0,5cm: bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và trụ. đ l1 = 2.437.(6,725 + 7,525) = 12454cm = 124,54m. Kết cấu dây quấn thứ cấp Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn thứ cấp vòng. dn = ( 1,9 – 1,93)mm: đường kính dây quấn kể cả cách điện. Chọn dn = 1,93mm = 0,193cm. hg: khoảng cách điện với gông thường hg = 2dn = 2.0,193 =0,386cm Sơ bộ số lớp dây ở cuộn thứ cấp lớp. Lấy nl2 = 4 lớp. Vậy có 237 vòng chia thành 4 lớp: 3 lớp đầu có 60 vòng, lớp sau cùng thì có 237 – 3.60 = 57 vòng. Bề dày cuộn thứ cấp Bd2 = (d2 + cd22).nl2 = ( 1,81 + 0,1).4 =7,64mm = 0,764cm. cd22 = 0,1mm: bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp Chiều dài trung bình của cuộn dây thứ cấp l2 = 2 .W2(atb2 + btb2 ) Chiều dài trung bình mỗi cạnh của vòng dây: ị l2 = 2. 237.(9,2 + 10) = 9100cm = 91m. Chiều rộng cửa sổ c = 2(ao1 + Bd1+ a12 +Bd2) + a22 = 2(0,5 + 0,725 + 1 + 0,764) + 1 đc = 7cm. a22= 1cm_ khoảng cách giữa 2 cuộn thứ cấp. Kiểm tra kích thước cửa sổ Kích thước của cửa sổ chỉ hợp lý khi bề dày các cuộn dây phải nhỏ hơn chiều rộng cửa sổ. Tức là phải thỏa mãn điều kiện sau: Dc = c – 2Bd = ( 0,5 – 2)cm. Khoảng cách này cần thiết để đảm bảo cách điện và làm mát. Ta có: + Bề dày các cuộn dây: Bd = Bd1 + Bd2 + cdt + cdn = 0,725 + 0,764 + 0,5 + 0,5 đ Bd = 2,5cm. ị Dc = 7 – 2.2,5 = 2cm. Thỏa mãn yêu cầu. Khoảng cách giữa 2 tâm trục c’ = c + a = 7 + 5 = 12cm. Chiều rộng mạch từ C = 2c + 3a = 2.7 + 3.5 = 29cm. Chiều cao mạch từ H = h + 2a = 13 + 2.5 = 23cm. Khối lượng sắt và đồng Thể tích sắt VFe = QFe(3h + 2C) = 29.10-2(3 x 13.10-1 + 2 x 29.10-1) đVFe = 2,81dm3. Khối lượng khối sắt MFe = VFe.mFe = 2,81 x 7,8 = 21,9kg. Thể tích khối đồng VCu = 3(S1l1+ S2l2) = 3(1,4314.10-4 x 124,54.101 + 2,573.10-4 x 91.101) đVCu = 1,23dm3. Khối lượng khối đồng MCu = VCu.mCu = 1,23 x 8,9 = 10,9kg. Tính toán các thông số của máy biến áp Điện trở cuộn sơ cấp máy biến áp ở 75o C Lấy r = 0,0172W.mm2/m : điện trở suất của đồng. Điện trở cuộn thứ cấp máy biến áp ở 75 oC Điện trở máy biến áp quy đổi về thứ cấp Sụt áp trên điện trở máy biến áp DUr = Rba.Id = 1,03 . 12 = 12,36V Điện kháng máy biến áp quy đổi về thứ cấp Bán kính trong cuộn dây thứ cấp: Điện cảm máy biến áp quy đổi về thứ cấp Sụt áp trên điện kháng máy biến áp Sụt áp trên máy biến áp Điện áp trên động cơ khi có góc mở amin =10o U = Udocosamin - DUv - DUba = 240.96 cos10o – 1,9 – 15,05 = 220V. Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp Tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp DPn = 3.Rba.I22 = 3. 1,03.6,92 = 147W Điện áp ngắn mạch tác dụng Điện áp ngắn mạch phản kháng Điện áp ngắn mạch phần trăm Dòng điện ngắn mạch xác lập Dòng điện ngắn mạch tức thời cực đại Khi ngắn mạch đột ngột, dòng điện ngắn mạch gồm 2 thành phần: 1 thành phần chu kì và 1 thành phần tự do không chu kì. Chính thành phần tự do không chu kì làm trị số dòng điện ngắn mạch tức thời tăng lên rất lớn. Trị số dòng điện cực đại lúc đó là: Kiểm tra máy biến áp thiết kế có đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến thiên của dòng điện chuyển mạch Vậy máy biến áp thiết kế sử dụng tốt. Hiệu suất thiết bị chỉnh lưu Thiết kế cuộn kháng lọc Để giảm nhỏ thành phần xoay chiều của điện áp và dòng điện chỉnh lưu ta nói với đầu ra của bộ biến đổi một bộ lọc. Bộ lọc nhằm chủ yếu hạn chế thành phần sóng hài bậc 1. Bộ lọc điện cảm là cuộn kháng ( lõi thép) nối nối tiếp với phụ tải nên khi dòng điện ra tải biến thiên đập mạch, trong cuộn kháng sẽ xuất hiện sức điện động tự cảm chống lại. Do đó làm giảm sóng hài nhất là các sóng hài bậc cao. Xác định góc mở cực tiểu và cực đại Góc mở cực tiểu: amin = 10o là góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới. Từ công thức điện áp tải Ud = Udo.cosa ta thấy: Khi góc mở nhỏ nhất a = amin thì điện áp trên tải là lớn nhất: Udmax = Udo.cosamin = Ud đm và tương ứng tốc độ động cơ sẽ lớn nhất = wmax = wđm. Khi góc mở lớn nhất a = amax thì điện áp trên tải là nhỏ nhất: Udmin = Udo.cosamax và tương ứng tốc độ động cơ sẽ là nhỏ nhất: w = wmin đ Góc mở cực đại: Ta xét dải điều chỉnh D: Trong đó: Rư = 1,205W đ Rưồ = Rư + Rba + Rdt = 1,205 + 1,03 + 0,71 đ Rưồ = 2,9W Ud đm = Udo.cos amin= 1,17U2cos 10o = 1,17.206.cos10o đ Ud đm =237V ị Điện áp đặt trên phần ứng động cơ ở tốc độ wmin ị Góc mở cực đại: Xác định các thành phần sóng hài Ta có thể coi tất cả các dạng sóng chu kì là xếp chồng của thành phần một chiều, thành phần hình sin cơ bản và các sóng điều hòa bậc cao: y = f(x) = A + a1cosx + a2.cos2x + …+ an cosnx + b1sinx + b2sin2x + …+ bn sinnx Khai triển trên gọi là chuỗi Fuorier. Theo phương pháp này, hàm ud(wt) được khai triển thành: ud(wt) = Ud + Trong đó: kwt.dwt k = 1, 2, 3… bậc của sóng hài. Biên độ của sóng hài bậc k của điện áp chỉnh lưu: Mặt khác: Ud = U2fmsin(wt + ao ) = U2fm.cos( wt + a -). Qua các bước biến đổi ta có: Viết theo giá trị tương đối: Từ biểu thức trên ta thấy: Biên độ của sóng hài bậc k phụ thuộc vào tích số k.m và góc mở van a. Góc mở van càng tăng thì thành phần một chiều Ud càng giảm còn biên độ các sóng hài càng tăng. Với k = 1, sóng hài có biên độ lớn nhất. Sóng đó có tần số f’= mf = 3f (đối với chỉnh lưu tia ba pha m = 3) gọi là sóng cơ bản. Các sóng bậc 2 trở nên có biên độ nhỏ đáng kể nên không cần quan tâm. Xác định điện cảm cuộn kháng Sự đập mạch của điện áp chỉnh lưu đối với tải là động cơ điện một chiều làm xấu quá trình chuyển mạch cổ góp của động cơ, làm tăng phát nóng của tải do các thành phần sóng hại. Để hạn chế sự đập mạch này, ta phải mắc nối tiếp với động cơ một cuộn kháng lọc đủ lớn để Im Ê 0,1Iư đm. đ Điện cảm của cuộn kháng cần mắc thêm để lọc thành phần dòng điện đập mạch: LckL = LL – Ld – Lba Theo như phân tích ở trên ta có: Biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu: Biên độ sóng hài bậc 1 ở góc mở amax = 78o4 Trị số điện cảm cần thiết để lọc thành phần sóng hài: Với: I1*% = 10%: trị hiệu dụng của dòng điện sóng hài cơ bản. Điện cảm phần ứng động cơ: Trong đó: g = 0,25: hệ số lấy cho động cơ có cuộn bù Số đôi cực ta tra bảng được p = 1 ị Điện cảm cuộn kháng lọc cần mắc thêm: LckL = LL – Ld – Lba = 0,11 – 0,03 – 0,0023 đLckL = 0,077.H Tính toán cuộn kháng lọc Các thông số cần thiết cho thiết kế: Điện cảm yêu cầu cuộn kháng lọc: LckL = 0,077H Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng: IckL = 12A Biên độ dòng điện xoay chiều bậc 1: I1m = 10%.Iđm = 1,2A Tổng trở cuộn kháng Thường dây quấn cuộn kháng có tiết diện khá lớn nên điện cảm cuộn kháng quá lớn và điện trở rất bé nên ta có thể coi tổng trở của cuộn kháng bằng điện kháng của cuộn kháng. ZckL = XckL = 2p.m.f.LckL = 2.p.3.50.0,077 đZckL = 72,5W Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc Công suất của cuộn kháng lọc Tiết diện cực từ chính của cuộn kháng lọc kQ =( 5 – 6): hệ số phụ thuộc phương thức làm mát. Làm mát bằng không khí tự nhiên chọn kQ = 6. Vì Q = 354mm2 nên ta chọn: Chọn loại thép $330A, tấm thép dày 0,35mm Số vòng dây của cuộn kháng lọc Giả thiết bỏ qua sụt áp trên điện trở, sức điện động EckL ằ DUckL Ta có EckL = 4,44m.f.W.B.Q Với: B = 1,35T _ mật độ từ cảm trong trụ ị Số vòng dây của cuộn kháng lọc: vòng. Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng Tiết diện dây quấn cuộn kháng Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng J = 2,58A/mm2 Chuẩn hóa tiết diện dây quấn cuộn kháng: Chọn dây dẫn tiết diện tròn Tiết diện dây quấn cuộn kháng: Sck = 4,676mm2 Đường kính cuộn kháng: dckL = 2,44mm Đường kính ngoài kể cả cách điện: dn = (2,54 – 2,57)mm Thử lại mật độ dòng điện Diện tích cửa sổ Hệ số lấp đầy klđ = 0,5 Chọn: Chiều cao mạch từ H = h + a = 56 + 16 = 72mm. Chiều dài mạch từ L = 2c + 2a = 2.32 + 2.16 = 96mm. Số vòng dây trên 1 lớp vòng. Lấy Wl = 17vòng Với: Đường kính ngoài kể cả cách điện dn = 2,54mm Khoảng cách điện với gông: hg =2dn = 2.2,54 = 5,08mm Số lớp dây quấn lớp. Chọn nl = 11 lớp Vậy với 193 vòng chia thành 11 lớp, 10 lớp đầu mỗi lớp có 17 vòng, còn 1 lớp sau có 193 – 17.10 = 23 vòng. Bề dày cuộn dây Bd = (dk + cdl ).nl Chọn khoảng cách giữa các lớp: cdl = 0,1mm đ Bd = (2,44 + 0,1).11 = 27,94mm Tổng bề dày cuộn dây Chọn khoảng cách cách điện giữa dây quấn với trụ: ao1 = 3mm. Bdồ = Bd + ao1 đ Bdồ = 27,94 + 3 = 30,94mm Chiều dài của vòng dây trong cùng l1 = 2(a+b) + 2p.ao1 đ l1 = 2(16 + 22) + 2p.3=94,8mm Chiều dài của vòng dây ngoài cùng l2 = 2(a + b) + 2p.(ao1 + Bd) đ l2 = 2(16 + 22) + 2p(3 + 30,94) = 289mm. Chiều dài trung bình của một vòng dây Điện trở của dây quấn ở 75o Khối lượng sắt Thể tích sắt: VFe = ab(2h + L) = 16.22.10-4(2.48 + 86).10-2 đ VFe = 0,06dm3 ị Khối lượng sắt: MFe = VFe .mFe =0,06. 7,8 = 0,46kg. Khối lượng đồng MCu = VCu .mCu đ MCu = SckL.ltb.W.mCu ị MCu = 4,676.10-4 . 191,9.10-2.193.8,9 = 1,54kg Tính chọn các thiết bị bảo vệ Vì van bán dẫn có kích thước nhỏ, nhiệt dung bé và mật độ dòng điện qua mặt tiếp giáp p – n lớn nên nó rất nhạy cảm với quá tải về dòng. Mặt khác, van bán dẫn cũng rất nhạy cảm đối với quá điện áp: chỉ cần tồn tại điện áp ngược lớn hơn giá trị cho phép trong khoảng ( 1 – 2)ms, mặt tiếp giáp p á n đã có thể bị chọc thủng về điện. Cho nên van bán dẫn cần phải có các thiết bị bảo vệ. Bảo vệ quá dòng điện Dùng Aptomat tác động nhanh để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắn mạch Tiristo, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi…. Chọn Ap có Iđm = (1,1 – 1,3)I1d sao cho dòng điện bảo vệ của Ap không vượt quá dòng ngắn mạch của thứ cấp. Chọn Iđm = 1,1I1d = 1,1..3,74 = 7,12A Uđm~ = 220V Chỉnh định dòng ngắn mạch: Inm = 2,5I1d = 2,5..3,74 = 16,2A Chỉnh định dòng quá tải: Iqt = 1,5.I1d =1,5..3,74 = 9,7A 1CC 1CC 1CC T1 R T3 C R R R C C C Ư KL KT 2CC C R C R T2 C B Ap A Sơ đồ động lực khi có thiết bị bảo vệ Dùng cầu chì tác động nhanh dùng để bảo vệ dòng ngắn mạch Nhóm 1CC: bảo vệ ngắn mạch bên ngoài, được chọn theo giá trị hiệu dụng của dòng điện thứ cấp máy biến áp. I1CC = 1,1.I2 = 1,1.6,9 = 7,6A. Chọn I1CC = 8A. Nhóm 2CC: bảo vệ gắn mạch phụ tải I2CC = 1,1.Id = 1,1.12 = 13,2A. Chọn I2CC = 14A. Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn khi sửa chữa hệ truyền động Iqt = 1,1.I1d = 1,1..3,74 = 7,12A Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn Để van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt ta phải chọn và thiết kế hệ thống tỏa nhiệt hợp lý. Hiện nay phổ biến người ta thường dùng làm mát bằng cánh tỏa nhiệt. Tổn thất công suất trên 1 Tiristo DP = DU.Ilv = 1,9.6,9 = 13,1W Diện tích bề mặt tỏa nhiệt Trong đó: t = Tlv – TMT : độ chênh lệch so với môi trường Chọn: nhiệt độ môi trường TMT = 40o Nhiệt độ làm việc Tlv = 80o đ t = 80 – 40 = 400 Ktn : hệ số xét tới điều kiện tỏa nhiệt. Với điều kiện làm mát tự nhiên không qua cưỡng bức thường chọn: Ktn =(6 -10)W/m2.oC Chọn Ktn = 9W/m2.oC Chọn loại cánh tỏa nhiệt có 5 cánh, kích thước mỗi cánh a.b = 6.6(cm.cm). Tổng diện tích tỏa nhiệt của cánh: S = 5.2.6.6 = 360mm2 Bảo vệ quá điện áp R1 C1 Quá điện áp chuyển mạch xuất hiện khi van bán dẫn chuyển từ trạng thái thông sang trạng thái ngắt. Để bảo vệ quá điện áp chuyển mạch, người ta nối song song với mỗi van một mạch R1 – C1. Khi có mạch R1- C1 mắc song song với Tiristo tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên T không bị quá điện áp. Trị số điện trở và điện dung của mạch tùy theo từng loại van. + Theo kinh nghiệm chọn R1 = (5 – 30)W C1 =(0,25 – 4)mF + Ta chọn: R1 = 5,2W ; C1 = 0,25mF Quá điện áp do đóng cắt cuộn sơ cấp của máy biến áp khi không tải được bảo vệ nhờ mạch R2 – C2 nối ở thứ cấp. Nhờ có mạch lực này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. Trị số R, C phụ thuộc nhiều vào tải. Tham khảo tài liệu ta chọn R2 =13W, C = 4mF. Chương iv Tính toán đặc tính điều khiển của động cơ Đặc tính cơ tự nhiên Vì đường đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập là một đường thẳng cắt trục tung tại tốc độ không tải và dốc nghiêng một khoảng Dw nên khi vẽ ta chỉ cần xác định hai điểm của đường thẳng. Ta thường chọn: điểm không tải lý tưởng và điểm định mức. Phương trình đặc tính cơ: Với: + Tốc độ không tải lý tưởng của động cơ: + Độ sụt tốc độ: Cách vẽ đặc tính cơ tự nhiên Xét điểm không tải A(M = 0; w = wo) Điện trở phần ứng Rư = 1,205W Tốc độ góc định mức Hệ số k.Fđm Từ phương trình đặc tính cơ ta có được hệ số k.Fđm: Tốc độ không tải lý tưởng ị A(M = 0; wo = 160rad/s) Xét điểm định mức B(M = Mđm; w = wđm) Mômen định mức Mđm Tốc độ góc định mức wđm = 150rad/s đ B (Mđm = 15N.m; wđm = 150rad/s) M(N.m) w (rad/s) 160 150 15 ĐTTN 0 A B Nhận xét đặc tính cơ tự nhiên Độ cứng đặc tính cơ Độ cứng đặc tính cơ b dùng để đánh giá và so sánh các đặc tính cơ. Nếu b lớn ta có đặc tính cơ cứng, b nhỏ ta có đặc tính cơ mềm, b đ Ơ ta có đặc tính cơ tuyệt đối. đ Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên: Dải điều chỉnh tốc độ Để xác định dải điều chỉnh tốc độ ta thấy rằng tốc độ lớn nhất của hệ bị chặn bởi đặc tính cơ tự nhiên ( điều chỉnh dưới tốc độ không tải) còn tốc độ nhỏ nhất bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mômen khởi động. Ta có: Tốc độ cực đại trong dải điều chỉnh khi mômen tải định mức: Tốc độ nhỏ nhất trong dải điều chỉnh với tải định mức: Theo định nghĩa về sai số tốc độ ta viết được biểu thức scp ứng với đường đặc tính cơ thấp nhất: Với: và ị Tốc độ nhỏ nhất trong dải điều chỉnh: Do tải có đặc tính mômen không đổi nên giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ cũng không vượt quá 10: scp Ê 10%. Chọn scp = 10%. ị Dải điều chỉnh D: Đặc tính điều khiển của động cơ Với dòng điện liên tục Phương trình đặc tính cơ: ( do van bán dẫn có DUv = 1,9V nên ta có thể bỏ qua) Từ phương trình ta thấy muốn điều chỉnh tốc độ trong hệ thống này ta điều chỉnh bằng cách thay đổi góc a của van từ (0 – 180o) ta sẽ được các đường đặc tính cơ là một họ các đường thẳng song song với nhau bố trí trên nửa mặt phẳng bên phải của hệ trục tọa độ {M,w}. Những đặc tính đó không tồn tại ở nửa mặt phẳng bên trái là do van không cho dòng phần ứng đổi chiều. Các đường thẳng cắt trục tung tại những điểm tương ứng với tốc độ không tải lý tưởng: Trong đó: p: số xung áp đập mạch trong thời gian một chu kì điện áp nguồn. p = m = 3 ( sơ đồ chỉnh lưu tia) U2 = 204V: trị số hiệu dụng của điện áp pha thứ cấp máy biến áp. U2m: trị số biên độ của điện áp pha thứ cấp máy biến áp. U2m = .U2f = .206 = 291,3V Udo: điện áp tải lớn nhất ứng với a = 0 Udo = U2m. ị Tốc độ không tải lý tưởng: Từ đó ta có bảng sau: a(o ) 0o 30o 60o 90o 120o 150o 180o wo=176cosa (rad/s) 176 152 88 0 -88 -152 -176 Với dòng điện gián đoạn Khi dòng điện phụ tải giảm đến trị số đủ nhỏ ( Id đ 0) thì sẽ xuất hiện dòng điện gián đoạn. Để dựng đặc tính cơ ở trạng thái dòng gián đoạn: Chọn góc điều khiển a cố định Cho góc dẫn l = ( 0 - 2p/p) Tính w dựa vào công thức: Tính dòng điện phần ứng và suy ra M = k.fđm.Iư: Vì các đặc tính cơ ở trạng thái dòng gián đoạn là những đường cong sát dốc nằm trong vùng elip nên việc tính toán để dựng các đặc tính này rất phức tạp và nhiều khi không cần thiết. Thực tế tính toán người ta thường xác định điểm giới hạn (Mblt; wblt) mà không cần dựng đặc tính trong vùng gián đoạn. Trạng thái “biên liên tục” Khi chuyển từ trạng thái dòng liên tục sang trạng thái dòng gián đoạn hệ sẽ phải qua một trạng thái giới hạn đó là trạng thái “biên liên tục”. Tọa độ tập hợp các điểm “ biên liên tục” (Mblt; wblt) được xác định như sau: . Trong đó: we = 2pf = 2p.50 = 100p (rad/s) L: điện cảm tổng của mạch. L = Lba + Lư + LckL = 0,11H. Mômen “biên liên tục”: Mblt = k.fđm.Iblt = 1,37.2,75sina đ Mblt = 3,7sina Vì “biên liên tục” là trường hợp riêng của trạng thái liên tục nên wblt thỏa mãn phương trình: Điện trở tổng của mạch: Rồ = Rba + Rư + RckL đ Rồ = 1,03 + 1,205 + 0,13 = 2,9 W Từ đó ta có bảng: a(o) 0o 30o 60o 90o 120o 150o 180o Mblt = 4,1sina ( N.m) 0 1,85 3,2 3,7 3,2 1,85 0 wblt = 176cosa -5sina (rad/s) 176 150 84 - 4,6 - 92 - 155 - 176 Nhận xét Độ cứng đặc tính cơ: Ta thấy b < bTN nên đặc tính cơ của hệ mềm hơn đặc tính cơ tự nhiên. Đặc tính cơ ( hình vẽ). w(rad/s) a = 0o a = 30o a = 60o a = 90o a = 120o a = 150o a = 180o 176 150 88 0 - 88 - 152 152 - 176 176 15 M (N.m) Chương V Thiết kế mạch điều khiển Nguyên tắc xây dựng mạch điều khiển Nguyên lý thiết kế mạch điều khiển Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi Tiristo, vì nó đóng vai trò chủ yếu trong việc quyết định chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi. Nhiệm vụ của mạch điều khiển là tạo các xung vào ở những thời điểm mong muốn để mở thông các Tiristo của bộ chỉnh lưu. Tiristo chỉ mở cho dòng điện đi qua khi có điện áp dương đặt trên anod và xung áp dương đặt vào cực điều khiển. Sau khi Tiristo mở thì xung điều khiển không còn tác dụng, dòng điện chạy qua Tiristo do thông số của mạch quyết định. Các mạch điều khiển Tiristo đều dựa theo nguyên lý thay đổi góc pha để thực hiện việc điều chỉnh vị trí xung trong nửa chu kì dương của điện áp đặt trên Tiristo và theo đó ta có nguyên lý thẳng đứng arccos và nguyên lý thẳng đứng tuyến tính. Nguyên lý thẳng đứng arccos: là phương pháp tạo góc a theo nguyên tắc sau: tạo một điện áp tựa là điện áp cosin vượt trước điện áp anod của Tiristo một góc a. Nhược điểm của phương pháp này là góc a phụ thuộc vào dạng áp và tần số lưới, do đó độ chính xác của góc điều khiển thấp nên ít được dùng. Nguyên lý thẳng đứng tuyến tính Theo nguyên tắc này, điện áp tựa có dạng răng cưa ( Urc) đồng bộ với điện áp đặt trên anod – catod Tiristo. Dùng điện áp một chiều (Uđk) so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển, trong vùng điện áp dương anod thì phát xung điều khiển. Tiristo được mở từ thời điểm có xung điều khiển đến khi dòng điện bằng 0. Phương pháp này hiện nay được dùng phổ biến vì độ chính xác cao và khoảng điều khiển rộng. Từ những nhận định đã nêu ở trên, ta chọn điều khiển Tiristo trong sơ đồ chỉnh lưu là điều khiển theo nguyên tắc tuyến tính thẳng đứng. Uđf Urc Uđk Ud Xđk a1 a2 a3 a4 t 0 Sơ đồ khối của mạch điều khiển Để đáp ứng được yêu cầu ở trên thì mạch điều khiển cần có các khối cơ bản sau: Điện áp anod Khâu đồng pha Khâu so sánh Khâu khuếch đại và tạo xung Uđk Khâu đồng pha Nhiệm vụ của khâu đồng pha là tạo điện áp tựa Urc có dạng răng cưa tuyến tính đồng pha với điện áp anod của Tiristo. Để tạo điện áp tựa ta có thể sử dụng sơ đồ dùng Tranzitor và tụ hoặc dùng sơ đồ bộ ghép quang. Với các sơ đồ này thì khi cần điều khiển điện áp từ 0 đến cực đại là hoàn toàn có thể đáp ứng được nhưng việc mở, khóa các Tranzitor trong vùng điện áp lân cận 0 là thiếu chính xác làm cho việc nạp, xả tụ trong vùng điện áp lưới gần 0 không được như ý muốn. Ta thấy khi ứng dụng các vi mạch vào thiết kế mạch đồng pha cho ta chất lượng điện áp tốt và khắc phục được các nhược điểm của các sơ đồ trên. Nên ta dùng KĐTT để tạo điện áp tựa trong khâu đồng pha A1 A2 R1 A R2 Ur R3 C1 C D1 B Tr1 U1 Khâu so sánh Nhiệm vụ của khâu so sánh là nhận tín hiệu điện áp tựa và điện áp điều khiển _ so sánh giữa hai điện áp này, tìm thời điểm hai điện áp bằng nhau thì tại thời điểm đó phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuếch đại. Để xác định được thời điểm cần mở Tiristo ta phải so sánh hai tín hiệu Urc và Uđk . Công việc đó có thể thực hiện bằng tranzitor nhưng sơ đồ này lại ccó nhiều lúc thời điểm mở Tiristo bị lệch khá xa so với thời điểm cần mở tại Uđk = Urc. Để khắc phục được nhược điểm của sơ đồ trên và đáp ứng được yêu cầu của khâu so sánh ta dùng KĐTT. Vì các mạch so sánh dùng KĐTT sẽ tăng độ nhạy, vì các phần tử đầu vào của KĐTT đều là tổ hợp của nhiều Tranzitor silic nên sẽ có ngưỡng khởi động bé, sự trôi điểm không bé. Hơn nữa KĐTT có hệ số khuếch đại vô cùng lớn nên chỉ cần một tín hiệu nhỏ cỡ mV ở đầu vào thì đầu ra đã có điện áp nguồn nuôi. Vì vậy việc ứng dụng KĐTT làm khâu so sánh là hợp lý. Ưu điểm của các sơ đồ này là có thể phát xung điều khiển chính xác tại A3 Ura R2 Udk R1 Urc Uđk = Urc Khâu khuếch đại và tạo xung Khâu khuếch đại và tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp mở thông Tiristo đồng thời trong những trường hợp cần thiết ( điện áp động lực quá lớn ) còn đóng vai trò cách li giữa mạch điều khiển với mạch động lực. Tầng khuếch đại cuối cùng được thiết kế bằng Tranzitor công suất có ưu điểm là đơn giản nhưng hệ số khuếch đại của Tranzitor nhiều khi không đủ lớn để khuếch đại được tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang nên không được sử dụng rộng rãi. Tầng khuếch đại cuối cùng bằng sơ đồ darlington thường được dùng trong thực tế. Vì sơ đồ này hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu về hệ số khuếch đại công suất, khi hệ số khuếch đại được nhân lên theo từng thông số của các Tranzitor. Mặt khác để giảm nhỏ công suất tỏa nhiệt Tranzitor và kích thước dây quấn sơ cấp biến áp xung chúng ta có thể thêm tụ nối tầng (hình c). Sơ đồ này Tranzitor chỉ mở được cho dòng điện chạy qua trong khoảng thời gian nạp tụ nên dòng điện hiệu dụng của chúng bé hơn nhiều lần. ị Từ việc chọn các khâu cơ bản ta có mạch điều khiển hoàn chỉnh. D 3 UA R1 A A1 + - B R2 R3 D1 Tr1 C A2 - + C1 R5 A3 - + D T +12V C2 R6 D 2 T3 T2 R7 +12V Sơ đồ một kênh điều khiển Tiristo R4 Uđk Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển Điện áp vào điểm A (UA) có dạng hình sin trùng pha với điện á anod của Tiristo, qua KĐTT A1 cho ta chuỗi xung CN đối xứng. Phần điện áp dương của điện áp chữ nhất qua Diod D1 tới A2 tích phân thành điện áp tựa Urc.Phần điện áp âm của điện áp CN làm mở thông Tr1, kết quả A2 bị ngắn mạch (Urc = 0) trong vùng điện áp âm.Kết quả trên đầu ra của KĐTT A2 cho ta 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: nếu UA Urc Uđk a1 UB UD t t t t Ud t a3 a4 a5 a2 Uđk > Urc: điện áp ra có điện áp âm,nếu Uđk và Urc lật ngược lại thì làm cho điện áp lật lên dương. Tính toán các thông số của mạch điều khiển Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển: Điện áp điều khiển Tiristo: Uđk = 1,4V Dòng điện điều khiển Tiristo: Iđk = 120mA = 0,12A Thời gian mở: tm = 100ms Độ rộng xung điều khiển: tx =3tm = 300ms Tần số xung điều khiển: Độ mất đối xứng cho phép: Da = 4os Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U = ± 12V Mức sụt biên độ xung: Sx = 0,3 Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khuếch đại ngược trở lên Chọn tầng khuếch đại cuối cùng Chọn Tranzitor công suất Tr loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông số: Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito: UCBo = 40V. Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch colecto: UEBo = 4V. Dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chịu đựng: ICmax = 500mA. Công suất tiêu tán ở Colecto: Pc = 1,7W Nhiệt độ lớn nhất ở mạch tiếp giáp: T1 = 175oC Hệ số khuếch đại: b = 50. Dòng làm việc của Colecto: IC2 = Iđk/ m = 0,12/3 = 0,04A đ IC2 = 40mA. Dòng làm việc của Bazơ: Tất cả các Diod trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có tham số: Dòng điện định mức: Iđm = 10mA Điện áp ngược lớn nhất: UN = 25V Điện áp để Diod mở thông: Um = 1V. Chọn tầng so sánh Chọn khuếch đại thuật toán (KĐTT) TL084 có các thông số sau: Điện áp nguồn nuôi: Vcc = ±12V Điện áp vào A3: Uv ằ 12V. Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1mA. Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: +30V. Nhiệt độ làm việc: T =-25o - 850 Công suất tiêu thụ: P = 680mW = 0,68W. Tổng trở đầu vào: Rin = 106MW Dòng điện đầu ra: Ira = 30pA. Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: Ta chọn R4 = R5 = 15kW nên dòng vào A3: Tính chọn khâu tạo điện áp răng cưa đồng pha Điện áp tựa được hình thành do sự nạp của tụ C1, mặt khác để đảm bảo điện áp tựa có trong một nửa chu kì điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian nạp tụ được là Trc = R2.C Để cho các được răng cưa có đỉnh nhọn tại cuối các bán kì thì Trc nên chọn Trc = (0,003 – 0,005)s. Ta chọn Trc = 0,005s Chọn tụ C1 = 0,1mF. Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp giáp mạch R3 thường chọn là biến trở lớn hơn 50kW. Chọn Tranzito Tr1 loại A 564 có các thông số: Tranzito loại pnp, làm bằng Si Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito: UCBO = 25V. Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto:UBEO = 7V. Dòng điện lớn nhất có thể chịu đựng được: Icmax = 100mA. Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: Tcp = 150oC. Hệ số khuếch đại: b = 250. Dòng cực đại của Bazơ: Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào vùng Bazơ Tranzito Tr1 dược chọn: Chọn tụ C2 và R6 Điện trở R6 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazơ của Tranzito Tr3, chọn R6 thỏa mãn điều kiện: Chọn R6.C2 = tx = 300ms Tính toán máy biến áp xung, nguồn nuôi và đồng pha Tạo nguồn nuôi Ta cần tạo ra nguồn điện áp +12V để cấp cho biến áp xung, nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt . Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng hai vi mạch ổn áp 7812 và 7912 có các thông số sau: Điện áp đầu vào: Uv = ( 7- 35)V Điện áp đầu ra: Ur = + 12V với IC7812 và Ur = -12V với IC7912. Dòng điện đầu ra: Ira = ( 0 -1 )A. Ta thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp xung, đồng pha và tạo nguồn nuôi. - Chọn Diod cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi Chọn Diod loại Kế208A có các thông số: + Dòng điện định mức: Iđm = 1,5A + Điện áp ngược cực đại của Diod: UN = 100V. Chọn máy biến áp ba pha ba trụ, trên mỗi trụ có 4 cuộn dây: 1 cuộn sơ cấp và 3 cuộn thứ cấp. Tụ C4, C5 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao. Chọn C4 = C5 = C6 = C7 = 470mF, U = 35V. 220~ +12V C B 7812 A C4 C5 C6 C7 7912 C8 (3-5)V 20V -12V + 12V Máy biến áp tạo nguồn nuôi Mỗi kênh phải dùng 3 KĐTT. Với 3 kênh điều khiển ta phải dùng: 3.3 = 9KĐTT. Chọn 3IC loại TL084. Mỗi IC có 4KĐTT Công suất tiêu thụ ở 3IC TL084 sử dụng làm KĐTT: P3IC = 3PIC = 3.0,68 = 2,04W. Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi PN = P3IC = 2,04W Điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi: . Lấy U21 = 9V Dòng điện thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi Máy biến áp xung Ta dùng mạch chỉnh lưu cầu 3 pha dùng Diod Điện áp thứ cấp máy biến áp xung: Công suất biến áp xung cấp cho cực điều khiển Tiristo Pđk = 3.Uđk.Iđk = 3.1,4.0,12 = 0,504W. Dòng điện thứ cấp biến áp xung Máy biến áp đồng pha Điện áp thứ cấp máy biến áp đồng pha: U23 = ( 3 -5)V. Chọn U23 = 5V. Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha: I23 = 1mA. Công suất biến áp đồng pha Pđph = 3U23.I23 = 3.5.10-3 = 0,015W. Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy S = 1,05(Px + Pđph + PN) = 1,05 (0,504 + 0,015 + 2,04) đ S = 2,7VA Dòng điện sơ cấp máy biến áp Tiết diện trụ của máy biến áp kQ = 6: hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát. Chuẩn hóa tiết diện trụ: QT = 0,92cm2 c h H a a a C .Kích thước mạch từ biến áp a a = 12mm b = 10mm c = 12mms h = 30msm C = 48mm H = 42mm Kết cấu dây quấn sơ cấp Số vòng dây cuộn thứ cấp vòng Chọn mật độ từ cảm ở trong trụ: B = 1,35T Tiết diện dây quấn sơ cấp Chọn J1 = J2 = 2,75A/mm2 Đường kính dây quấn sơ cấp Chuẩn hóa đường kính d1 = 0,1mm để đảm bảo độ bền cơ. Đường kính kể cả cách điện: d1cđ = 0,12mm Kết cấu dây quấn thứ cấp biến áp nguồn nuôi Số vòng dây thứ cấp biến áp nguồn nuôi vòng Tiết diện dây quấn thứ cấp biến áp nguồn nuôi Đường kính dây quấn thứ cấp biến áp nguồn nuôi Chuẩn hóa đường kính d21 = 0,21mm Đường kính kể cả cách điện: d21cđ = 0,24mm Kết cấu dây quấn thứ cấp biến áp xung Số vòng dây thứ cấp biến áp xung vòng Tiết diện dây quấn thứ cấp biến áp xung Đường kính dây quấn thứ cấp biến áp xung Chuẩn hóa đường kính d22 = 0,29mm Đường kính kể cả cách điện d22cđ = 0,33mm Kết cấu dây quấn thứ cấp biến áp đồng pha Số vòng dây thứ cấp biến áp đồng pha vòng. Tiết diện dây quấn thứ cấp biến áp đồng pha Đường kính dây quấn thứ cấp biến áp đồng pha Chuẩn hóa đường kính d23 = 0,29mm Đường kính kể cả cách điện d23cđ = 0,33mm. Chương VI Hệ thống điều khiển với phản hồi âm tốc độ Đặc tính cơ của hệ chỉnh lưu động cơ với wmax, wmin Đặc tính cơ cao nhất ứng với wmax Điện áp đặt lên phần ứng động cơ Udmax = wđm.kFđm + Rưồ.Iđm Tổng điện trở Rưồ = Rba+Rư+Rdt = 2,9W ịUdmax = 150.1,37 + 2,9.12 = 240,3V Tốc độ không tải lý tưởng Dòng điện ngắn mạch Sai số tốc độ Đặc tính cơ thấp nhất với wmin Tốc độ thấp nhất cuối dải điều chỉnh Điện áp đặt lên phần ứng động cơ Udmin = wmin.kF + Rưồ.Iđm đ Udmin = 10.1,37 + 2,9.12 = 48,5 V. Tốc độ không tải lý tưởng Dòng điện ngắn mạch Sai số tốc độ I (A) 12 16,7 0 10 35,4 150 167 w (rad/s) ị Ta thấy ở đặc tính cơ thấp nhất thì sai số tốc độ rất lớn s% = 71,7% và dòng ngắn mạch I nm =16,7A ằ 1,4Iđm nên động cơ rất dễ bị quá tải dẫn đến cháy. Mặt khác do có bộ biến đổi nên nó làm giảm độ cứng đặc tính cơ tức là sai số tốc độ tăng. Vì vậy để mở rộng phạm vi điều chỉnh tốc độ với độ chính xác cao tức là với sai lệch thấp ta phải tăng độ cứng đặc tính cơ b của truyền động điện. Vấn đề đó có thể giải quyết được bằng cách sử dụng các mạch hồi tiếp để thiết lập hệ truyền động điện tự động vòng kín. Hệ thống với phản hồi âm tốc độ Dùng phản hồi âm tốc độ để nâng cao đường đặc tính. C A B Ư T1 T2 T3 FT Uph w Uđ Uđk a Sơ đồ động lực: Kh tốc độ động cơ thay đổi so với giá trị đặt, tín hiệu hồi tiếp sẽ thay đổi một cách tỉ lệ, do đó điện áp Uđk biến đổi. Kết quả là góc mở van a thay đổ và điện áp chỉnh lưu của bộ biến đổi được điều chỉnh theo hướng cần thiết để duy trì giá trị đặt của tốc độ. A4 - + D Uđk = ( 0 – 10)V A5 - + Uđ = 10,5V Ư 10V Phương trình đặc tính cơ khi có phản hồi âm tốc độ Chọn máy phát tốc TM với UđmFT = 60V, nFTđm = 2000vòng/phút. Hệ số chỉnh lưu Ta có Uđk = (0 – 10)V. Chọn Uđkmax = 10V. Udmax = Udo.cosa = Udo đ Udmax = Ud + DUba + DUv = 220 + 15,4 +1,9 = 237,3V Điện áp đặt Uđ Uđ = Uđk + Uphw Ê 12V. Ta chọn: Uđ = 10,5 V; Uphw = 10V. Thiết kê trong hệ kín với DwK = 1rad/s Điện trở chỉnh lưu: Mặt khác ta có: Tốc độ không tải lý tưởng ị wK = woK - DwK = 9,5 -1 = 8,5 rad/s Sai số tốc độ Hệ số kw1: Hệ số kw1: Hệ thống với phản hồi âm dòng điện Ta thấy nếu tăng độ cứng đặc tính cơ để giảm sai số tốc độ thì đồng thời dòng điện và mômen ngắn mạch cũng tăng lên, gây nguy hiểm đối với động cơ và các thiết bị khác. Vì vậy nếu không có hình thức hạn chế dòng điện một cách tự động thì các hệ này không sử dụng được. Muốn giảm dòng điện và mômen ngắn mạch ta phải tăng độ cứng đặc tính cơ. Tuy nhiên để đảm bảo yêu cầu ổn định tốc độ trong phạm vi biến thiên dòng điện cho phép của tải, ta chỉ giảm độ cứng khi dòng điện hoặc mômen vượt quá một ngưỡng - điểm ngắt (Mng; wng) hoặc (Ing; wng). Lúc này đặc tính cơ chia ra làm hai đoạn: Đoạn 1: làm việc từ điểm không tải lý tưởng đến điểm ngắt Đoạn 2: làm việc từ điểm ngắt đến điểm ngắn mạch. Đặc tính này người ta gọi là đặc tính máy xúc. C A B MĐK BD Ro Ap Ro Ro Để thực hiện được ta phải dùng một khâu hồi tiếp âm dòng điện tác động trên ngưỡng Ing. Sơ đồ động lực: Đối với phản hồi âm dòng điện ta cũng dùng bộ khuếch đại như đối với phản hồi âm tốc độ. Phương trình đặc tính cơ khi có phản hồi âm dòng điện: Thường người ta lấy Ing = (1,1 -1,3)Iđm. Chọn Ing = 1,2Iđm = 1,2.12 = 14,4A Và Inm = ( 1,5 – 2)Iđm. Chọn Inm = 2Iđm = 2.12 =24A. Chọn máy biến dòng loại: BD 50/5 Dòng điện I2BD: Chọn Ro = 2W. ị U2BD = Ro.I2BD = 2.0,7 = 1,4V. Có: Udo = KCL.U2BD = 1,17 .1,4 = 1,638A.( K = 1,17 _ CL tia 3 pha) Chọn UPHI = 1V. Hệ số phản hồi dòng điện: Tốc độ không tải lý tưởng: Theo yêu cầu của đề bài thì tọa độ điểm ngắt N(Ing; wng) phải thỏa mãn phương trình: đ Tọa độ điểm ngắt N ( Ing = 14,4A; wng = 8rad/s). Mặt khác điểm N cũng phải thỏa mãn: Nên ta có: độ sụt tốc DwK Hệ số: ị Đặc tính cơ khi dùng phản hồi. w(rad/s) 9,5 8,5 8 0 12 14,4 24 I(A)