Đồ án Tổng quan về điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Điện tử công suất. Tác giả : Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh. 2. Tài liệu hướng dẫn thiết kế điện tử công suất. Tác giả : Trần Văn Thịnh. Giáo trình truyền động điện. Tác giả : Bùi Đình Tiếu. Truyền động điện. Tác giả : Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền. Điện tử công suất. Tác giả : Nguyễn Bính. Kĩ thuật điện tử. Tác giả : Đỗ Xuân Phụ. Máy điện II. Tác giả : Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu. Điều chỉnh tự động truyền động điện. Tác giả : Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghị. Thiết kế máy biến áp. Tác giả : Phan Tử Thụ. Lí thuyết điều khiển tự động. Tác giả : Nguyễn Thương Ngô. MỤC LỤC Trang Lời nói đầu 1 Chương I Tổng quan điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. I. Điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng. 4 II. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông cuộn dây kích từ. 6 III. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng. 8 IV. Kết luận chọn phương pháp điều khiển. 9 V. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. 9 Chương II Tổng quan bộ chỉnh lưu tĩnh có điều khiển. I. Chỉnh lưu một nửa chu kì có điều khiển 20 II. Chỉnh lưu cả chu kì với biến áp có trung tính 21 III. Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển 22 IV. Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển 23 V. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng 25 VI. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng. 27 VII. Chỉnh lưu tia sáu pha. 28 VIII. Kết luận chọn sơ đồ mạch điều khiển. 30 Chương III Tính chọn mạch động lực. I. Tính chọn Tiristor. 32 II. Tính toán máy biến áp cho bộ chỉnh lưu. 34 III. Thiết kế cuộn kháng lọc. 46 IV. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực. 56 Chương IV Tính chọn mạch điều khiển I. Lí thuyết mạch điều khiển. 62 II. Cấu trúc mạch điều khiển. 64 III. Thiết kế các khâu trong mạch điều khiển. 65 IV. Tính toán các thông số của mạch điều khiển. 74 Chương V Đánh giá chất lượng của hệ I. Xây dựng đặc tính cơ của hệ hở. 88 II. Dải điều chỉnh của hệ. 90 III. Sai số tĩnh lớn nhất của hệ. 90 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. Xét phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng động cơ điện một chiều: U = E + Rư.I ( I – 1 ) Trong đó: U – điện áp phần ứng động cơ (V); E – sức điện động phần ứng động cơ (V); Rư – điện trở của mạch phần ứng (W ). Sức điện động của mạch phần ứng động cơ được xác định như sau: E = .f.w = K.f.w ( I – 2 ) Trong đó: K = là hệ số phụ thuộc vào kết cấu của động cơ; a - số mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng; p – là số đôi cực từ chính; N – tổng số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng; f - từ thông kích từ; w - tốc độ góc ( rad/s ). w = = Từ ( I – 1 ) và ( I – 2 ) suy ra : ( I – 3 ) Phương trình ( I – 3 ) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ. Mặt khác mômen điện từ của động cơ được xác định theo công thức : ( I – 4) Từ phương trình ( I –3 ) và ( I – 4) ta được : (I – 5) Nếu bỏ qua các tổn thất ma sát trong các ổ trục, tổn thất trong thép, tổn thất trong dây quấn động cơ thì ta có : Mcơ = Mđt Để đơn giản ta kí hiệu : Mcơ = Mđt = M , lúc đó ta có : ( I - 6) Phương trình ( I-6) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều. Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ, ta nhận thấy tốc độ phụ thuộc vào 3 thông số là : R, f, U. Do vậy có 3 phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều như sau : Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng của động cơ. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông f. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần ứng. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng. Giả thiết U = Uđm = const. Muốn thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng, bằng cách mắc thêm một điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng và thay đổi giá trị điện trở Rf thì tốc độ động cơ sẽ thay đổi theo. Vậy phương trình đặc tính cơ lúc này sẽ là : Ta thấy rằng khi thay đổi giá trị điện trở Rf thì tốc độ sẽ thay đổi theo. - Xét đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi mắc Rf vào mạch điện phần ứng như sau : w1= wđm w2 w3 M (3) Rf2 > Rf1 (2) Rf1 > 0 (1) Rư = RTN MC = Mđm wo Ta có : Trong đó : wo – là tốc độ không tải, wo = const; - là độ sụt tốc độ. - Theo đường đặc tính ta có : Ta giả thiết U, f, Iư, là những hằng số. Do vậy nên mômen M cũng là hằng số. Mặt khác, vì Rư < Rf1 < Rf2 nên ta có : - Độ cứng của đặc tính cơ : Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên : Vậy . â Nhận xét : Nếu ở cùng một giá trị mômen cản MC thì độ sụt tốc độ sẽ càng lớn nếu điện trở của mạch phần ứng càng lớn và làm cho tốc độ động cơ bị suy giảm, đồng thời làm cho độ cứng của đặc tính cơ càng giảm, tức là đặc tính cơ càng dốc. Dựa vào đặc tính cơ ta thấy, tốc độ làm việc w2, w3 ở các đường đặc tính điều chỉnh (2) và (3) nhỏ hơn tốc độ wđm trên đường đặc tính tự nhiên. Vậy tốc độ truyền động chỉ được điều chỉnh về phía dưới, tức là tốc độ điều chỉnh nhỏ hơn tốc độ định mức. Hiệu suất của phương pháp này thấp. Ta có : Mặt khác ta có : Theo giả thiết ở trên, ta có U, Iư, f, Mc là những hằng số và là những đại lượng định mức. Nên ta có: Suy ra , vậy khi điều chỉnh tốc độ theo phương pháp này sẽ không kinh tế, do có tổn hao trên các điện trở phụ nên làm cho hiệu suất của thiết bị giảm. Vì vậy nên phương pháp này trong thực tế ít sử dụng. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông của cuộn dây kích từ. Giả thiết U = Uđm = const và Rư = const. Muốn thay đổi từ thông thì ta phải thay đổi dòng điện kích từ Ikt. Ta có phương trình đặc tính cơ như sau: Trong đó : wo – là tốc độ không tải, wo = var ; - là độ sụt tốc độ, = var. M Mmax1 Mmax2 w02 w01 (2) (1) w02 w01 wđm Iđm Imax I w w - Ta có đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi từ thông mạch kích từ như sau: Đường (1) là đường ứng với khi f1 = fđm ; Đường (2) là đường ứng với khi f2 < f1 = fđm. Theo đường đặc tính cơ ta có : - Độ cứng của đăc tính cơ: Do cấu trúc của máy điện nhất định nên cuộn dây kích từ chỉ chịu được dòng kích từ định mức, do vậy thực tế chỉ sử dụng phương pháp điều chỉnh giảm từ thông ( f <fđm ). Khi ta cho giảm từ thông thì lúc đó tốc độ không tải sẽ tăng lên. â Nhận xét: - Đặc tính điều chỉnh theo từ thông f có độ cứng càng giảm xuống nếu như ta càng giảm từ thông, tức là đặc tính cơ càng dốc. Nghĩa là tốc độ thì sẽ tăng vọt còn mômen thì giảm nhanh, làm cho hệ số quá tải giảm. Vì vậy làm cho động cơ làm việc kém ổn định. - Việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp giảm từ thông không phù hợp với những tải có mômen cản là hằng số ( MC = const ). Vì MC = KM. f.I = const . Do vậy khi f giảm thì làm cho I tăng lên gây phát nóng động cơ. - Giải điều chỉnh của phương pháp này cũng bị hạn chế bởi tốc độ cao nhất của động cơ, khi tốc độ cao quá thì có thể làm hỏng phần quay của động cơ do lực li tâm lớn. III. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần ứng. Giả thiết f = fđm = const, khi ta thay đổi giá trị điện áp phần ứng thì ta có tốc độ không tải lí tưởng cũng thay đổi theo. Do cấu trúc cuộn dây phần ứng chỉ chịu được điện áp Uđm nên thực tế chỉ sử dụng phương pháp điều chỉnh giảm điện áp phần ứng. Tốc độ không tải và độ sụt tốc : Uđm U1 U2 U3 w wo wo1 wo2 wo3 M ; . - Đặc tính cơ : - Độ cứng đặc tính cơ : Khi giảm điện áp phần ứng động cơ thì ta được một họ đặc tính cơ song song và nằm về phía dưới đặc tính cơ tự nhiên. Và khi giảm điện áp phần ứng thì tốc độ động cơ giảm xuống tương ứng với một phụ tải nhất định. â Nhận xét: - Các đặc tính cơ nhân tạo có độ dốc không đổi ( tức là b = const ), nên tốc độ điều chỉnh được ổn định tương đối. - Phương pháp này có thể điều chỉnh được vô cấp tốc độ. - Dải điều chỉnh tốc độ của phương pháp này rất lớn. - Phương pháp này có thể tự động hóa mạch điều khiển và mạch động lực và có thể làm việc ở cả 4 góc phần tư của đồ thị đặc tính cơ. - Hiệu suất của phương pháp này tương đối cao và giống nhau ở các đường đặc tính do không có tổn hao trên điện trở. IV. Kết luận chọn phương pháp điều khiển : Trong ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ nói trên thì ta nhận thấy phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp giảm điện áp phần ứng là hiệu quả hơn cả vì những ưu điểm nói trên. Vậy ta chọn phương pháp giảm điện áp phần ứng động cơ để điều chỉnh tốc độ động cơ. V. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. 1. Nguyên lý điều chỉnh: Để điều chỉnh điện áp phần ứng ta dùng một bộ biến đổi điều chỉnh được điện áp đầu vào cấp cho mạch phần ứng động cơ. Æ Æ ~ Æ Æ Æ KT BBĐ Bộ biến đổi BBĐ dùng để biến đổi điện xoay chiều của lưới thành điện một chiều và điều chỉnh điện áp ra của nó theo yêu cầu. Hiện nay thường dùng ba loại bộ biến đổi sau đây : - Bộ biến đổi máy phát điện một chiều. - Bộ biến đổi xung áp một chiều. - Bộ chỉnh lưu bán dẫn. Tương ứng với việc sử dụng bộ biến đổi, ta có các hệ truyền động như sau : - Hệ truyền động máy phát – động cơ ( hệ F – Đ ). - Hệ truyền động xung áp – động cơ điện một chiều ( hệ XA – Đ ). - Hệ truyền động chỉnh lưu Tiristor – động cơ ( hệ T – Đ ). Từ sơ đồ nguyên lí nói trên, ta có sơ đồ khối như sau : I Rbđ Rư Ubđ E Ta có phương trình cân bằng điện áp như sau : E = Ubđ – ( Rbđ + Rư )Iư Suy ra : Trong đó : là tốc độ không tải lí tưởng; là sức điện động dây quấn phần ứng động cơ. Ubđ = Ka.Uđk với : Ka- hệ số khuếch đại của bộ nguồn. Uđk – điện áp điều khiển. Vậy : 2. Hệ truyền động máy phát – động cơ ( MF – ĐC ). Æ — Æ + KTĐC Rf KTF ĐCSC ~ Æ Æ Æ Æ Æ F Đ - Sơ đồ nguyên lí : Giả thiết tốc độ của máy phát MF là w F = const, sức điện động của máy phát EF = f( Ikt ) theo qui luật đường cong từ hóa. Nếu coi mạch từ của máy phát không bão hòa thì đặc tính EF = f( Ikt ) có dạng đường thẳng. Ta có : Trong đó : - là hệ số cấu trúc của máy điện một chiều; - là từ thông kích từ máy phát; a - là hệ số góc của đường đặc tính từ hóa máy phát ( ở đọan tuyến tính); Vì dây quấn kích thích của máy phát được cấp bởi nguồn áp Uktf nên lúc này ta có : suy ra : Iktf º Uktf Sức điện động của máy phát trong trường hợp này sẽ tỉ lệ với điện áp kích thích bởi hệ số tỉ lệ Ku , vì vậy ta có thể viết : Ef = Ku.Uktf Mà điện áp của bộ biến đổi Ubđ chính là Ef nên ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ như sau : - Tốc độ không tải lí tưởng của động cơ : (1) - Độ cứng của đặc tính cơ : = const (2) Uktf = 0 (III) (IV) (I) (II) o w M Từ (1) và (2) chứng tỏ rằng khi thay đổi dòng kích từ từ máy phát thì tốc độ không tải của động cơ sẽ thay đổi còn độ cứng của đặc tính cơ thì giữ nguyên. Vì vậy đặc tính cơ điều chỉnh sẽ là họ đường thẳng song song như sau : + Góc phần tư thứ (I) và (III), tốc độ quay w và mômen quay M của động cơ quay cùng chiều nhau. Đây là chế độ động cơ, nói lên rằng năng lượng được vận chuyển thuận chiều từ nguồn ® máy phát ® động cơ ® tải. + Góc phần tư (II) và (IV), tốc độ quay w và mômen quay M của động cơ quay ngược chiều nhau. Đây được gọi là chế độ hãm tái sinh của động cơ, nói lên rằng năng lượng được vận chuyển theo chiều từ tải ® động cơ ® máy phát ® nguồn, lúc này máy phát và động cơ đổi chức năng cho nhau . Hãm tái sinh trong hệ F – Đ được khai thác triệt để khi giảm tốc độ, hãm để đảo chiều quay và hãm khi làm việc ổn định với tải có tính thế năng. â Nhận xét : Hệ truyền động F – Đ có đặc tính động rất tốt và linh hoạt khi chuyển đổi trạng thái làm việc, khả năng quá tải lớn. Tuy nhiên, hệ F – Đ dùng nhiều máy điện quay, trong đó sẽ có ít nhất là 2 máy điện một chiều, vì vậy nên sẽ gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy phát lớn ít nhất gấp 3 lần công suất động cơ, cho nên hiệu suất của hệ truyền động này không cao. Ngoài ra, do máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hóa có trễ nên khó điều chỉnh tốc độ theo ý muốn. 3. Hệ truyền động xung áp – động cơ ( XA – ĐC ). Bộ biến đổi xung áp là một nguồn điện áp dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. + Æ - Sơ đồ nguyên lí và giản đồ xung áp : Vo - Æ KTĐC · K Æ Æ ĐC U TCK t2 t1 t Ud Để cải thiện dạng sóng của dòng điện phần ứng, ta thêm vào mạch một van đệm V0 . Có thể sử dụng Tiristor hoặc Trănzitor công suất để thay thế cho khóa K trong mạch trên. Khi đóng cắt khóa K, trên phần ứng động cơ sẽ có điện áp biến đổi theo dạng xung vuông. Khi ở trạng thái dòng liên tục thì giá trị trung bình của điện áp ra sẽ là: Trong đó : t1 – thời gian khóa ở trạng thái đóng ; t2 – thời gian khóa ở trạng thái mở; TCK – thời gian thực hiện một chu kì đóng mở của khóa; - là độ rộng của xung áp. Vậy ta có thể coi bộ biến đổi xung đẳng trị với nguồn liên tục có điện áp ra Ud và Ud có thể thay thay đổi được bằng cách thay đổi độ rộng xung g. Mặt khác, thời gian một chu kì đóng cắt của khóa K rất nhỏ so với hằng số thời gian cơ học của hệ truyền động, nên ta coi tốc độ và sức điện động phần ứng động cơ không thay đổi trong thời gian TCK . - Đặc tính điều chỉnh của hệ XA - ĐC : (1) (2) Khi thay đổi g ta được họ đường thẳng song song có độ cứng b = const và tốc độ không tải lí tưởng wo thay đổi theo g. Nếu nguồn vô cùng lớn thì ta có thể bỏ qua Rbđ , khi đó độ cứng của đặc tính cơ của hệ có độ cứng là: Tốc độ không tải lí tưởng wo phụ thuộc vào g chỉ là giá trị giả định. Nó có thể tồn tại nếu như dòng trong hệ là liên tục kể cả khi giá trị dòng tiến đến 0. Vì vậy, biểu thức (1) và (2) chỉ đúng với trạng thái dòng liên tục. Khi dòng điện đủ nhỏ thì hệ sẽ chuyển trang thái từ dòng liên tục sang trạng thái dòng gián đoạn. Khi đó các phương trình đặc tính điều chỉnh nói trên không còn đúng nữa mà lúc này đặc tính của hệ là những đường cong rất dốc. g1 g2 g3 g4 g5 w M ( I ) wo â Nhận xét : + Tất cả đặc tính điều chỉnh của hệ XA – ĐC khi dòng điện gián đoạn đều có chung một giá trị không tải lí tưởng, chỉ ngoại trừ trường hợp g = 0. + Bộ nguồn xung áp cần ít van dẫn nên vốn đầu tư ít. Hệ đơn giản chắc chắn. + Độ cứng của đặc tính cơ lớn. + Điện áp dạng xung nên gây ra tổn thất phụ khá lớn trong động cơ. Khi làm việc ở trạng thái dòng điện giáng đoạn thì đặc tính làm việc kém ổn định và tổn thất năng lượng nhiều. 4. Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ ( CL – ĐC ). + - ~ Æ Æ Æ CL ĐK ĐC Æ Æ KT - Sơ đồ nguyên lí : Hệ truyền động chỉnh lưu có điều khiển – động cơ ( CL – ĐC ) có bộ biến đổi là các mạch chỉnh lưu có điều khiển, có sức điện động Ed phụ thuộc vào giá trị của xung điều khiển ( tức là phụ thuộc vào góc điều khiển hay góc mở Tiristor ). Điện áp chỉnh lưu Ud ( hay Ed ) là điện áp không tải ở đầu ra, có dạng đập mạch với số lần đập mạch là n trong một chu kì 2p của điện áp thứ cấp máy biến áp. + Với sơ đồ chỉnh lưu hình tia : n = m, trong đó m là số pha. + Với sơ đồ hình cầu : n = 2.m , m là số pha. Giả sử điện áp thứ cấp của máy biến áp có dạng hình sin với biểu thức là : u2 = U2m.sin wt = U2m.sin q , ( với q = wt ). Trong khoảng q = ( 0 ¸ 2p ) thì dạng điện áp và dòng điện lặp lại như chu kì ban đầu nên ta chỉ cần xét trong một chu kì T = 2p. - Sơ đồ thay thế của hệ CL – ĐC. E Rå Tiristor Lå Ud ~ Khi van dẫn thì ta có phương trình cân bằng điện áp như sau : Suy ra : Trong đó : Rå = Rba + Rư + Rk Lå = Lba + Lư + Lk Với : a. Trạng thái dòng liên tục : Ở trạng thái dòng liên tục, khi van này chưa khóa thì van kế tiếp đã mở, việc mở van kế tiếp là điều kiện cần để khóa van đang dẫn. Do vậy, điện áp của chỉnh lưu sẽ có dạng đường bao của điện áp thứ cấp máy biến áp. Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu : Trong đó : là góc mở của van; là điện áp một chiều lớn nhất ở đầu ra chỉnh lưu ứng với a = 0; U2m là trị biên độ của điện áp thứ cấp máy biến áp; n – số lần đập mạch trong một chu kì. + Bỏ qua sụt áp trên van, ta có phương trình đặc tính cơ như sau : Trong đó : Rư – điện trở của phần ứng động cơ; Rkh – điện trở của cuộn kháng lọc; Rba – điện trở của máy biến áp, với Xba – điện kháng máy biến áp, với Rv – điện trở của các van, ( Rv rất nhỏ có thể bỏ qua ); - điện trở đẳng trị do quá trình chuyển mạch. + Độ cứng của đặc tính cơ : Udo Ud1 Ud2 Ud3 w wo wo1 wo2 wo3 M( I ) b. Trạng thái dòng gián đọan : Khi điện kháng trong mạch không đủ lớn, nếu sức điện động của động cơ đủ lớn thì dòng điện tải sẽ trở thành gián đoạn. Ở trạng thái này thì dòng qua van bất kì sẽ bằng 0 trước khi van kế tiếp mở. Do vậy trong một khoảng dẫn của van thì sức điện động của chỉnh lưu bằng sức điện động nguồn : ed = U2 , với 0 £ q £ l , trong đó l là khoảng dẫn. Khi dòng điện bằng 0 thì sức điện động của chỉnh lưu bằng sức điện động của động cơ : ed = E , với l < q £ Vậy ta có điện áp trung bình của chỉnh lưu là : Vậy : w M( I ) a = 0 wo Đặc tính cơ của hệ CL – ĐC khi dòng điện gián đọan : â Nhận xét : + Ưu điểm : Hệ truyền động CL – ĐC có độ tác động nhanh cao, không gây ồn và dễ tự động hóa, do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất cao, vì vậy rất thuận tiện cho việc thiết lập hệ thống tự động điều chỉnh để nâng cao chất lượng các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống. Mặt khác, việc dùng hệ CL – ĐC có kích thước và trọng lượng nhỏ gọn. + Nhược điểm : Hệ truyền động CL – ĐC có các van bán dẫn là các phần tử phi tuyến tính, do đó dạng điện áp chỉnh lưu ra có biên độ đập mạch cao, gây nên tổn thất phụ trong máy điện một chiều. 5. Kết luận : Trong các hệ truyền động điện dùng phương pháp giảm điện áp phần ứng để điều chỉnh tốc độ nói trên, ta nhận thấy hệ truyền động CL – ĐC là có nhiều ưu điểm hơn cả. CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU TĨNH CÓ ĐIỀU KHIỂN. So với chỉnh lưu không điều khiển ( chỉ dùng Diode để chỉnh lưu ), thì chỉnh lưu có điều khiển ( dùng Tiristor để chỉnh lưu ) có nhiều ưu điểm hơn. Nhờ có cực điều khiển của Tiristor mà ta có thể điều chỉnh được giá trị điện áp ra theo yêu cầu bằng cách thay đổi góc mở a của Tiristor. Do vậy rất thuận tiện trong việc điều khiển. Mặt khác, với chỉnh lưu có điều khiển thì ta có thể điều khiển công suất chạy theo cả hai chiều : từ nguồn ® tải, hoặc từ tải ® nguồn ( nghịch lưu trả năng lượng về lưới ). I. Chỉnh lưu một nửa chu kì có điều khiển : - Sơ đồ nguyên lí : Id Æ Æ Rd BA Ld Tiristor ~ Ud U t a - Đồ thị dạng sóng : Dạng điện áp một chiều ở đầu ra của chỉnh lưu sẽ bị gián đoạn trong một nửa chu kì khi điện áp ở Anốt của Tiristor bị âm. Do vậy, chất lượng điện áp một chiều của loại chỉnh lưu này rất xấu. - Trị số điện áp trung bình lớn nhất được tính như sau : Ud = 0,45.U2 Vì chất lượng điện áp ra xấu cho nên hệ số sử dụng biến áp cũng thấp: â Nhận xét : Chỉnh lưu một nửa chu kì là loại chỉnh lưu cơ bản, có sơ đồ nguyên lí đơn giản. Chất lượng điện áp một chiều ở đầu ra xấu, dòng điện gián đoạn. Do vậy, loại chỉnh lưu này ít dùng trong thực tế. II. Chỉnh lưu cả chu kì với biến áp có trung tính. · · Ld T2 Id BA Rd Æ Æ T1 U1 U2 U2 - Sơ đồ nguyên lí : Ud U t a - Đồ thị dạng sóng: + Giá trị trung bình của điện áp tải : Với a là góc mở của Tiristor. + Giá trị điện áp ngược đặt trên Tiristor : + Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua Tiristor : + Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua tải : + Công suất máy biến áp : â Nhận xét : So với chỉnh lưu nửa chu kì, thì loại chỉnh lưu này có chất lượng điện áp tốt hơn, dòng điện chạy qua van không quá lớn, tổng điện áp rơi trên van nhỏ, việc điều khiển các van đơn giản. Tuy nhiên, việc chế tạo máy biến áp phải có hai dây quấn thứ cấp giống nhau, với mỗi cuộn chỉ làm việc ở một nửa chu kì. Chính vì vậy làm cho việc chế tạo máy biến áp phức tạp hơn và khả năng sử dụng máy biến áp thấp. III. Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển : - Sơ đồ nguyên lí : Id Ld T4 T2 T3 Rd BA · · · · Æ Æ T1 U2 U1 - Đồ thị dạng sóng : Ud U t a + Giá trị trung bình của điện áp tải : + Giá trị điện áp cực đại trên tải : + Giá trị điện áp ngược đặt lên mỗi van Tiristor : + Giá trị dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp : + Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua mỗi van : + Công suất của máy biến áp : â Nhận xét : Chỉnh lưu cầu một pha có chất lượng điện áp ra tương đương với chất lượng điện áp ra của chỉnh lưu một pha có biến áp trung tính, nhưng đối với chỉnh lưu cầu một pha lại có điện áp ngược đặt lên mỗi van chỉ bằng một nữa so với chỉnh lưu một pha có biến áp trung tính. Khả năng sử dụng máy biến áp của chỉnh lưu này cao hơn so với chỉnh lưu một pha có biến áp trung tính. IV. Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển : T2 a b c · · · · Rd Id Ld T1 T3 - Sơ đồ nguyên lí : - Đồ thị dạng sóng : Ud t U a + Giá trị trung bình của điện áp tải : + Giá trị điện áp điện áp ngược đặt lên Tiristor : + Giá trị dòng điện trung bình chạy qua tải : + Giá trị dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp : + Giá trị dòng điện trung bình của từng van : + Công suất máy biến áp : â Nhận xét : Chỉnh lưu tia ba pha có chất lượng điện áp tốt hơn so với tất cả các loại chỉnh lưu một pha. Dòng điện chạy qua các van bán dẫn nhỏ hơn so với các loại chỉnh lưu một pha. Trong các loại chỉnh lưu ba pha, thì chỉnh lưu tia ba pha có số van bán dẫn ít nhất. Trong cuộn dây phía thứ cấp máy biến áp có tồn tại dòng điện một chiều, vì vậy làm cho lõi thép máy biến áp chóng bị bão hòa gây phát nóng lõi thép. Cuộn dây thứ cấp máy biến áp phải đấu sao, với bốn đầu dây nối ra ngoài và dây trung tính phải lớn gấp đôi dây pha. V. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng. · · T1 T3 T5 T6 Id · · · T4 · · · Rd Ld c T2 b a - Sơ đồ nguyên lí : - Đồ thị dạng sóng : t Ud UT UT U t a a + Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu : + Giá trị trung bình của dòng điện qua Tiristor : + Giá trị dòng điện hiệu dụng qua Tiristor : + Giá trị điện áp ngược lớn nhất của Tirisror : + Công suất máy biến áp : â Nhận xét : + Hiệu suất sử dụng máy biến áp của chỉnh lưu này cao. + Điện áp chỉnh lưu có số lần đập mạch trong một chu kì gấp đôi số lần đập mạch của chỉnh lưu tia ba pha. Cụ thể, có n = 6 lần đập mạch trong một chu kì. Dòng điện trong các Tiristor có dạng chữ nhật nhưng dòng điện qua thứ cấp máy biến áp hoàn toàn đối xứng và không có thành phần một chiều nên ít làm lõi thép bị phát nóng. + Có thể làm việc ở chế độ nghịch lưu trả năng lượng về nguồn. Cùng một lúc cần có hai xung điều khiển để điều khiển hai Tiritor đồng thời. VI. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng. · T2 T3 D3 · · · D2 · · · T1 D1 · c b a Id Rd Ld - Sơ đồ nguyên lí : U UD UT t a t Ud - Sơ đồ dạng sóng : + Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu : + Giá trị trung bình của dòng tải : + Giá trị dòng điện trung bình chạy qua mỗi van : + Giá trị điện áp ngược của van : + Công suất máy biến áp : â Nhận xét : + Hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt. + Việc mở các van điều khiển đơn giản hơn so với chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng, nhưng các sóng điều hòa bậc cao của tải và của nguồn lớn hơn. · Rd Æ Æ · · A B C Ld Æ · · · A- · · · · B- C- T4 T5 T6 · · · A+ · · · B+ C+ T1 T2 T3 · Id + Số lần đập mạch trong một chu kì chỉ có 3 lần và thành phần đập mạch của chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng có giá trị lớn hơn giá trị của thành phần điện áp đập mạch của chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng. VII. Chỉnh lưu tia sáu pha. - Sơ đồ nguyên lí : - Đồ thị dạng sóng : U Ud t a + Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu : + Giá trị dòng điện tải : + Giá trị dòng điện trung bình va mỗi van : + Giá trị hiệu dụng của dòng điện qua van : + Giá trị điện áp ngược lớn nhất của van : + Công suất máy biến áp : â Nhận xét : + Cùng với chỉnh lưu cầu ba pha, đây là loại chỉnh lưu có chất lượng điện áp chỉnh lưu tốt nhất. + Dòng điện chạy qua các van bán dẫn là nhỏ nhất trong các sơ đồ thường gặp. + Khả năng tận dụng máy biến áp là thấp và việc chế tạo sáu cuộn dây thứ cấp máy biến áp giống nhau là rất khó khăn phức tạp. VIII. Kết luận chọn sơ đồ mạch động lực : Từ các phân tích về ưu, nhược điểm của các loại sơ đồ chỉnh lưu nói trên. Với tải là động cơ điện một chiều có công suất P = 5,5 KW thì việc chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng là hợp lí nhất, bởi vì đây sơ đồ chỉnh lưu có chất lượng điện áp và dòng điện ra tốt nhất. Khả năng tận dụng máy biến áp rất cao, chế tạo máy biến áp đơn giản, dòng điện thứ cấp máy biến áp là đối xứng và không có thành phần một chiều nên không gây bão hòa lõi thép. Mặt khác, khi góc mở a càng lớn thì điện áp trên tải sẽ có phần âm nên chỉnh lưu này có thể làm việc ở chế độ nghịch lưu trả năng lượng về lưới. SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC CÓ THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT VÀ BẢO VỆ ĐC · · M D Æ K · · · · B A C Ap CD Æ Æ Æ · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · R1 C1 R1 C1 R1 C1 3CC 3CC T2 R2 C2 T4 R2 C2 T6 R2 C2 2CC 2CC 2CC T1 R2 C2 T3 R2 C2 T5 R2 C2 L 2CC 2CC 2CC 1CC 1CC 1CC a b c A B C · · · ° ° ° · · · ° ° ° K K K 4CC K N CHƯƠNG III TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC Các thông số cơ bản của động cơ bản của động cơ : - Dòng điện định mức ở cuộn dây phần ứng động cơ : (A) - Điện trở mạch phần ứng động cơ được tính gần đúng như sau : (W) - Điện cảm mạch phần ứng động cơ được xác định theo công thức Umanxki – Lindvit : (H) = 1,19 (mH) Trong đó : Lấy g = 0,25 là hệ số lấy cho động cơ điện một chiều có cuộn bù. I. Tính chọn Tiristor : Việc tính chọn Tiristor sẽ được dựa vào các yếu tố cơ bản như : dòng điện tải, điều kiện tỏa nhiệt, điện áp làm việc, các thông số cơ bản của van, và việc tính chọn Tiristor được tính như sau : 1. Điện áp ngược lớn nhất mà Tiristor phải chịu : (V) Trong đó : là hệ số điện áp ngựơc của van, (bảng 8.1 [1]); là hệ số điện áp chỉnh lưu, (bảng 8.1 [1]). 2. Điện áp ngựơc của van cần chọn. (V) Lấy (V). Trong đó : KdtU = 1,8 là hệ số dự trữ điện áp, với KdtU = (1,6 ¸ 2). 3. Dòng điện làm việc của van : (A) Trong đó : là hệ số dòng điện hiệu dụng của chỉnh lưu cầu ba pha. Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt và có đủ diện tính tản nhiệt, không có quạt gió đối lưu không khí, ứng với điều kiện này thì dòng điện định mức của van cần chọn là : (A) Ta lấy Iđmv = 145 (A). Trong đó : Ki - hệ số dự trữ dòng điện. Với điều kiện làm việc của van ta đã chọn như trên thì Ilv = (10 ¸ 30 )%.Iđmv. Do vậy ta chọn Ilv = 25%.Iđmv, suy ra Ki = 4. 4. Chọn Tiristor : Từ các thông số Unv, Iđmv đã xác định ở trên, để van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, nên ta chọn van có cánh tản nhiệt với đầy đủ diện tích tỏa nhiệt. Tra bảng phụ lục 2 [1], ta chọn 6 Tiristor loại 151RC40 có các thông số như sau : - Điện áp ngược cực đại của van : Unv max = 400 (V). - Dòng điện định mức của van : Iđmv =150 (A). - Dòng điện đỉnh cực đại : Ipik max = 4000 (A). - Dòng điện xung điều khiển : Ig max = 150 (mA). - Điện áp xung điều khiển : Ug max = 2,5 (V). - Dòng điện duy trì : Ih max = 50 (mA). - Dòng điện rò : Ir max = 8 (mA). - Sụt áp lớn nhất trên Tiristor ở trạng thái dẫn : DUmax = 1,7 (V). - Tốc độ biến thiên điện áp : (). - Thời gian chuyển mạch của Tiristor : tcm = 80 (ms). - Nhiệt độ làm việc cực đại : Tmax = 125 (0C). II. Tính tóan máy biến áp cho bộ chỉnh lưu : Chọn máy biến áp ba pha ba trụ có sơ đồ đấu dây r! Y, làm mát bằng không khí tự nhiên. Tính tóan các thông số của máy biến áp : 1. Công suất biểu kiến của máy biến áp : (V.A) Ta lấy S = 6563 (V.A). Trong đó : KS – hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực. Theo bảng 8.2 [1] tra được 2. Điện áp pha sơ cấp máy biến áp : U1 = 380 (V). 3. Điện áp pha thứ cấp : - Phương trình điện áp khi có tải : Từ phương trình trên, suy ra được : Trong đó : là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện áp lưới; (V) là độ sụt áp trên Tiristor; (V) độ sụt áp trên dây nối; là độ sụt áp trên máy biến áp gồm có sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp. Ta chọn sơ bộ sụt áp của máy biến áp là (V). Thay số vào ta được : (V) Ta lấy (V) - Điện áp pha thứ cấp máy biến áp : (V) Trong đó : là hệ số điện áp chỉnh lưu, (bảng 8.1 [1]). 4. Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp : (A) Trong đó : là hệ số dòng điện chỉnh lưu,( bảng 8.1 [1] ). 5. Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp : (A) Tính sơ bộ mạch từ. 6. Tiết diện sơ bộ của trụ : (cm2) Trong đó : KQ – hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, lấy KQ = 6; m - là số trụ của máy biến áp, với m = 3; f – tần số nguồn xoay chiều, f = 50 Hz. 7. Bề rộng và bề dày của trụ : Đối với máy biến áp có công suất SBA = 6563 (V.A) < 10 KVA, nên ta chọn dạng trụ hình chữ nhật. Ta có : Trong đó : a – bề rộng của trụ; b – bề dày của trụ. Mặt khác theo kinh nghiệm thì thường chọn : , ta chọn : suy ra : b = 1,5.a Vậy ta có : QFe = a.b = 1,5.a2 = 39,687 (cm2) Suy ra : (cm) b = 1,5.a = 1,5.5,14 = 7,71 (cm) Ta lấy a = 5,2 (cm) và b = 7,7 (cm). 8. Chọn loại thép : Chọn loại thép $ 330, các lá thép có độ dày : 0,5 mm. Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ là BT = 1 Testla. 9. Tính sơ bộ chiều cao của trụ : Chọn tỉ số ,( theo trang 257 [1] ). Suy ra : h = 2.a = 2.5,2 = 10,4 (cm). Vậy chọn chiều cao của trụ là 10 (cm). Tính toán dây quấn. 10. Số vòng dây quấn mỗi pha của cuộn sơ cấp máy biến áp : (vòng). Lấy W1 = 431 (vòng). 11. Số vòng dây mỗi pha của cuộn dây thứ cấp máy biến áp : (vòng). Lấy W2 = 54 (vòng). 12. Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong dây dẫn máy biến áp. Với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô, ta chọn : J1 = J2 = 2,75 () 13. Tiết diện dây quấn sơ cấp máy biến áp : (mm2) - Chọn dây dẫn tròn cách điện cấp B. - Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn : S1 = 2,378 (mm2). - Kích thước dây dẫn có kể cả cách điện : dn = 1,84 (mm) = 0,184 (cm), ( phụ lục 8 [1]) (mm2) 14. Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp : () 15. Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp : (mm2) - Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật, cách điện cấp B. - Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn : S2 = 18,9 (mm). - Kích thước dây dẫn kể cả cách điện : a2 = 2,24 (mm) b2 = 8,6 (mm) Scđ = a´b =2,24´8,6 = 19,264 (mm2) ( theo phụ lục 9 [1] ) 16. Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp : () Kết cấu dây quấn sơ cấp. 17. Kiểu dây quấn : Thực hiện theo kiểu dấy quấn đồng tâm, bố trí theo chiều dọc trục. 18. Tính sơ bộ số vòng dây trong một lớp của cuộn sơ cấp. (vòng) Lấy W1 = 44 (vòng). Trong đó : + dn = 0,184 (cm) là độ dày một vòng dây. + Kc = 0,92 là hệ số ép chặt dây quấn. + h = 10,4 (cm) là chiều cao trụ. + ho là khoảng cách đến gông đến cuộn sơ cấp, chọn sơ bộ ho = 0,8 (cm); (xác định theo trang 269 [1]). 19. Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp : (lớp) 20. Chọn số lớp dây cuộn sơ cấp : Chọn số lớp n11 = 10 lớp, vậy có 431 vòng dây được chia thành 10 lớp. Chọn 9 lớp đầu có số vòng của mỗi lớp là 44 vòng. Suy ra, số vòng của lớp thứ 10 có : 431 – 9. 44 = 35 (vòng). 21. Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp : (cm) 22. Chọn ống quấn dây : Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày : S01 = 0,1 (cm) 23. Khoảng cách từ trụ đến cuộn sơ cấp : a01 = 0,5 (cm) 24. Kích thước bên trong của ống cách điện : at = a + 2.a01 – 2.S01 = 5,2 + 2.0,5 – 2.0,1 = 6 (cm) bt = b + 2.a01 – 2.S01 = 7,7 + 2.0,5 – 2.0,1 = 8,5 (cm) 25. Chiều dài mỗi cạnh vòng dây thuộc lớp trong của cuộn dây sơ cấp : at1 = at +2.S01 = 6 + 2.0,1 = 6,2 (cm) bt1 = bt + 2.S01 = 8,5 + 2.0,1 = 8,7 (cm) 26. Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn sơ cấp : cd11 = 0,1 (mm) = 0,01 (cm) 27. Bề dày cuộn sơ cấp : Bd1 = (dn + cd11).n11 = (0,184 + 0,01).10 = 1,94 (cm) 28. Chiều dài mỗi cạnh vòng dây thuộc lớp ngoài của cuộn dây sơ cấp : an = at1 + 2.Bd1 = 6,2 + 2.1,94 = 10,08 (cm) bn1 = bt1 + 2.Bd1 = 8,7 + 2.1,94 = 12,58 (cm) 29. Chiều dài trung bình mỗi cạnh của một vòng dây cuộn sơ cấp : (cm) (cm) 30. Chiều dài dây quấn sơ cấp : (cm) Vậy l1 = 16188,33 (cm) = 161,883 (m) 31. Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp : cd12 = 1 (cm) Kết cấu dây quấn thứ cấp. 32. Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp : h2 = h1 = 8,8 (cm) 33. Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp : (vòng) Lấy W12 = 9 (vòng) 34. Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp : (lớp) 35. Chọn số lớp dây cuộn thứ cấp : Chọn số lớp dây quấn thứ cấp n12 =6 lớp, mỗi lớp có số vòng dây bằng nhau và bằng 9 vòng dây. 36. Chiều cao thực tế cuộn thứ cấp : (cm) 37. Chiều dài mỗi cạnh vòng dây thuộc lớp trong của cuộn thứ cấp : (cm) (cm) 38. Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp : cd22 = 0,1 (mm) = 0,01 (cm) 39. Bề dày cuộn sơ cấp : (cm) 40. Chiều dài mỗi cạnh vòng dây thuộc lớp ngoài của cuộn thứ cấp : (cm) (cm) 41. Chiều dài trung bình mỗi cạnh của một vòng dây cuộn thứ cấp : (cm) (cm) 42. Chiều dài dây quấn thứ cấp : (cm) Vậy l2 = 3182,5 (cm) = 31,825 (m) 43. Chiều dài trung bình mỗi cạnh vòng dây của cả hai cuộn sơ cấp và thứ cấp : (cm) (cm) 44. Chọn khoảng cách giữa hai cuộn thứ cấp : a22 = 1,5 (cm) Tính kích thước mạch từ. 45. Tiết diện tòan bộ trụ : QFe = a.b = 5,2.7,7 = 40,04 (cm2) 46. Tiết diện hiệu quả của trụ : QT = Khq.QFe = 0,95.40,04 = 38,04 (cm2) 47. Số lá thép dùng trong một trụ : (lá) Trong đó : b = 77 (mm) Độ dày của một lá thép là: 0,5 (mm) 48. Chọn gông có tiết diện chữ nhật và có cùng kích thước với trụ : Qb.g = ag.bg = QFe = a.b = 5,2.7,7 = 40,04 (cm2) Trong đó : ag = a = 5,2 (cm) là chiều cao của trụ; bg = b = 7,7 (cm) là chiều dày của gông. 49. Tiết diện hiệu quả của gông : QG = Khq.Qb.g = 0,95.40,04 = 38,04 (cm2) 50. Số lá thép dùng trong một gông : (lá) 51. Tính chính xác mật độ từ cảm trong trụ : (T) 52. Mật độ từ cảm trong gông : (T) 53. Chiều rộng cửa sổ : (cm) 54. Khoảng cách giữa hai tâm trục : (cm) 55. Chiều rộng mạch từ : (cm) 56. Chiều cao mạch từ : (cm) L c a c h H b Sơ đồ kết cấu lõi thép máy biến áp chỉnh lưu. Tính khối lượng của sắt và đồng. 57. Thể tích của trụ : (cm3) » 1,187 (dm3) 58. Thể tích của gông : (cm3) » 2,889 (dm3) 59. Khối lượng của trụ : (kg) Trong đó : mFe = 7,85 ( ) là khối lượng riêng của sắt. 60. Khối lượng của gông : (kg) 61. Khối lượng của sắt : (kg) 62. Thể tích của đồng : = 2,959 (dm3) Trong đó : S1, S2 là tiết diện dây quấn sơ cấp và thứ cấp; l1, l2 l là tiết diện dây quấn sơ cấp và thứ cấp. 63. Khối lượng đồng : (kg) Trong đó : mCu = 8,9 () là trọng lượng riêng của đồng. Tính các thông số của máy biến áp. 64. Điện trở trong của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 75 0C : (W) Trong đó : = 0,02133 () là điện trở suất của đồng ở 75 0C. 65. Điện trở cuộn dây thứ cấp máy biến áp : (W) 66. Điện trở máy biến áp quy đổi về thứ cấp : (W) 67. Sụt áp trên điện trở máy biến áp : (V) 68. Điện kháng máy biến áp quy đổi về thứ cấp máy biến áp : = = 0,098 (W) Trong đó : + W2 = 54(vòng) là số vòng dây quấn thứ cấp máy biến áp; + h = 10,4 (cm) là chiều cao cửa sổ lõi thép; + Rbk – bán kính trong của cuộn thứ cấp máy biến áp : (cm) + a12 = 10 (mm); + Bd1 = 1,94 (cm) = 19,4 (mm); + Bd2 = 1,404 (cm) = 140,4 (mm); 69. Điện cảm máy biến áp quy đổi về thứ cấp : (mH) = 0,312 (H) 70. Sụt áp trên điện kháng máy biến áp : (V) 71. Sụt áp trên máy biến áp : (V) 72. Điện áp trên động cơ khi có góc mở amin = 100 : (V) 73. Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp : (W) 74. Tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp : (W) % 75. Tổn hao không tải có kể đến 15% tổn hao phụ : (W) % Trong đó : nf = 1,15 là hệ số kể đến 15 % tổn hao. 76. Điện áp ngắn mạch tác dụng : % 77. Điện áp ngắn mạch phản kháng : % 78. Điện áp ngắn mạch phần trăm : % 79. Dòng điện ngắn mạch xác lập : (A) 80. Dòng điện ngắn mạch tức thời cực đại : (A) Vậy ta có : Imax = 684,22 (A) < Ipik = 4000 (A) Þ đảm bảo cho van vẫn làm việc được bình thường. 81. Kiểm tra máy biến áp : Kiểm tra máy biến áp có đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến thiên của dòng điện chuyển mạch. Þ (A/s) » 0,188 (A!ms) Vậy : = 0,188 (A/ms) < ()½cp =180 (A/ms) . 82. Hiệu suất của thiết bị chỉnh lưu : = 95,2 % III. Thiết kế cuộn kháng lọc. Với các bộ nguồn một chiều thì độ nhấp nhô của điện áp là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng. Đối với bộ nguồn một chiều dùng chỉnh lưu có điều khiển thì điện áp ra có tính chu kì. Điện áp này có thể phân tích thành tổng của điện áp không đổi và các điện áp điều hòa tần số cao. Chính vì vậy, sẽ xuất hiện thành phần xoay chiều chạy trong mạch gây ảnh hưởng không tốt cho thiết bị điện một chiều. Để hạn chế ảnh hưởng của thành phần xoay chiều thì ta phải đưa vào mạch tải những bộ lọc thành phần xoay chiều, thông thường là dùng cuộn điện kháng để lọc thành phần xoay chiều. Sau đây là các bước tính toán thiết kế cuộn kháng lọc : 1. Xác định góc mở cực tiểu và góc mở cực đại : Chọn góc mở cực tiểu amin =100. Với góc mở amin là góc mở dự trữ có thể bù được sự suy giảm điện áp lưới. - Khi góc mở nhỏ nhất a = amin thì điện áp trên tải là lớn nhất : Udmax = Udo.cosamin = Udđm ; và Udmax tương ứng với tốc độ động cơ là lớn nhất : n = nmax = nđm . - Khi góc mở lớn nhất a = amax thì điện áp trên tải là nhỏ nhất : Udmin = Udo.cosamax ; và Ud min tương ứng với tốc độ động cơ nhỏ nhất : n = nmin . Vậy ta có được : - Tính Ud min : + Tốc độ góc định mức : (rad!s) + Tốc độ góc nhỏ nhất : Trong đó: Mn min = Mc max = KM.Mđm · Giả sử cho động cơ làm việc với mômen cản lớn nhất và bằng 2 lần mômen định mức. Ta chon hệ số quá tải KM = 2. · Ta có : (Wb) · Mômen định mức : Mđm = (K.Fđm).Iđm = 0,898.62,5 = 56,125 (N.m) · Độ cứng đặc tính cơ của động cơ: Vậy tốc độ góc nhỏ nhất của động cơ là : (rad!s) + Dải điều chỉnh của động cơ là : + Mặt khác ta có : Suy ra : = 21,838 (V) Mà theo trên ta có : 0 Vậy : Góc mở nhỏ nhất là : amin = 10 0. Góc mở lớn nhất là : amax = 78,750. 2. Xác định các thành phần sóng hài : Theo lí thuyết chuỗi Furier thì điện áp chu kì có thể khai triển thành tổng của điện áp một chiều và các thành phần điện áp điều hòa có tần số khác nhau, công thức khai triển như sau : Trong đó : ao – điện áp của thành phần một chiều; ak, bk – biên dộ điện áp của sóng điều hòa bậc k; Để thuận tiện trong việc khai triển chuỗi Furier, ta chuyển tọa độ sang điểm O’() (tại góc thông tự nhiên), khi đó điện áp tức thời trên tải khi Tiristor T1 và T4 dẫn : ; với . Điện áp tức thời trên tải Ud là không hình sin và tuần hoàn với chu kì : Trong đó : p = 6 là số xung đập mạch trong một chu kì điện áp lưới của chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng. Vậy ta có : · · Suy ra biên độ của điện áp điều hòa là : Trong đó : Ta có : Vậy : Ý Nhận xét : Vậy biên độ của các thành phần sóng điều hòa có giá trị thay đổi theo góc điều khiển a, góc điều khiển càng lớn thì sóng hài càng tăng. 3. Xác định điện cảm của cuộn kháng lọc : Từ những phân tích ở trên, ta nhận thấy rằng khi góc mở càng tăng thì biên độ của sóng hài càng lớn, nghĩa là độ đập mạch của điện áp và dòng điện sẽ tăng lên. Chính sự đập mạch đó sẽ làm xấu đi chế độ chuyển mạch của vành góp, đồng thời gây ra tổn hao phụ dưới dạng nhiệt trong động cơ. Để hạn chế sự đập mạch này thì ta phải mắc nối tiếp với phần ứng của động cơ điện một cuộn kháng lọc đủ lớn để có IK £ 0,1.Iưđm. Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bậc cao, thì cuộn kháng còn có tác dụng hạn chế vùng làm việc gián đoạn. Ta cần xác định giá trị điện kháng lọc ứng với khi a = amax, vì lúc này trên tải có sóng hài bậc cao lớn nhất. Ta có phương trình cân bằng điện áp : Cân bằng hai vế của phương trình ta được : Vì nên ta có thể bỏ qua Vậy ta có : (3 - 1) Trong các thành phần xoay chiều thì thành phần sóng bậc k = 1 có mức độ lớn nhất, gần đúng ta có : Từ biểu thức (1 - 3) ta có : ; với và . Suy ra : Vậy : Þ Trong đó : (V) Vậy : (H) Ta chọn L = 0,0032 (H) = 3,2 (mH). - Điện cảm của cuộn kháng lọc : (mH) Ta chọn : LK = 0,67 (mH). Trong đó : + Lư – điện cảm mạch phần ứng động cơ được tính theo công thức Umaxki – Lindvil đã xác định ở phần tính toán các thông số cơ bản của động cơ, ta có được : Lư = 1,91 (mH). + LBA – điện cảm của máy biến áp. 4. Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc : Các thông số ban đầu : - Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc : LK = 0,67 (mH); - Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng : Im = Iưđm = 62,5 (A); - Biên độ dòng điện xoay chiều bậc 1: I1m = 10%.Iđm = 0,1.62,5 = 6,25 (A). 4.1 . Xác định tổng trở của cuộn kháng : Do điện cảm của cuộn kháng lọc lớn và điện trở của cuộn kháng lọc lại bé, nên ta có thể coi tổng trở của cuộn kháng xấp xỉ bằng điện kháng. (W). 4.2. Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc : (V) 4.3. Công suất của cuộn kháng lọc : (VA) a!2 c a L H h b Kết cấu mạch từ cuộn kháng lọc. 4.4. Tiết diện cực từ chính của cuộn kháng : (cm2) Trong đó : f’ = 6.f = 6.50 = 300 (Hz); KQ = 5 là hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát bằng không khí tự nhiên. Ta lấy Q = 1,6 (cm2). 4.5. Chọn loại thép : Với tiết diện trụ Q = 1,6 (cm2), ta chọn loại thép 330A, lá thép dày 0,35 (mm). Tiết diện trụ Q = a.b = 1,6 (cm2). Chọn Þ b = 1,3.a ; Vậy ta có : 1,3.a2 = 1,6 (cm2) Þ a = 1,11 (cm); b = 1,44 (cm). Lấy : a = 1,2 (cm) = 12 (mm); b = 1,4 (cm) = 14 (mm). 4.6. Chọn mật độ từ cảm trong trụ : BT = 0,8 (T). 4.7. Số vòng dây của điện kháng : Khi có thành phần điện xoay chiều chạy qua cuộn kháng thì trong cuộn kháng xuất hiện một sức điện động EK : Gần đúng, ta có thể coi : (V). Vậy ta có : (vòng); Lấy W = 32 (vòng). 4.8. Dòng điện chạy qua cuộn kháng : Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng là : (A) Trong đó : I1m = 0,1.Iưđm = 6,25 (A). 4.9. Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng : J = 2,75 (A!mm2). 4.10. Tiết diện dây quấn cuộn kháng : (mm2) Chọn dây theo tiêu chuẩn, ta chọn dây dẫn hình chữ nhật, cách điện cấp B, ta chọn SK = 23,6 (mm2). Có các kích thước : aK.bK = 3,28´7,4 (mm´mm). Tính lại mật độ dòng điện : (A!mm2) 4.11. Chọn hệ số lấp đầy : 4.12. Diện tích cửa sổ : (mm2) = 11,13 (cm2) 4.13. Tính kích thước mạch từ : Chọn Þ h = 3.a = 3.1,2 = 3,6 (cm) = 36 (mm) Vậy chiều rộng cửa sổ cực từ là : (cm) = 31 (mm). 4.14. Chiều cao mạch từ : (cm) = 48 (mm) 4.15. Chiều dài mạch từ : (cm) = 86 (mm) 4.16. Chọn khoảng cách từ gông đến cuộn dây : hg = 2 (mm) = 0,2 (cm) 4.17. Tính số vòng dây trên một lớp : (vòng) Lấy W1 lớp = 4 (vòng). 4.18. Tính số lớp dây quấn : (lớp) Vậy có 8 lớp dây, mỗi lớp dây có 4 vòng dây. 4.19. Chọn khoảng cách cách điện giữa dây quấn với trụ : a01 = 3 (mm) Chọn khoảng cách cách điện giữa các lớp dây : cd1 = 0,1 (mm) 4.20. Bề dày cuộn dây : (mm) 4.21. Tổng bề dày cuộn dây : (mm) 4.22. Chiều dài của vòng dây trong cùng : (mm) 4.23. Chiều dài của vòng dây ngoài cùng : (mm) 4.24. Chiều dài trung bình của một vòng dây : (mm) 4.25. Điện trở của dây quấn ở 75 0C : (W) Với (W.mm2!m) là điện trở suất của đồng ở 75 0C. Ta thấy rằng, giá trị điện trở của dây quấn cuộn kháng rất bé nên ta giả thiết ban đầu bỏ qua giá trị điện trở của cuộn kháng là đúng. 4.26. Thể tích sắt : (dm3) 4.27. Khối lượng sắt : (kg) Trong đó : mFe – khối lượng riêng của sắt, mFe =7,85 (kg!dm3) 4.28. Khối lượng đồng : (kg) Trong đó : mCu = 8,9 (kg!dm3) là khối lượng riêng của đồng. IV. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực : 1. Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn : Khi làm việc với dòng điện chạy qua van thì trên van có sụt áp, do vậy sẽ có tổn hao công suất trên van DP, tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác vì van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp, nếu quá nhiệt độ cho phép thì van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt thì ta phải tính chọn và thiết kế hệ thống cánh tản nhiệt để làm mát van bán dẫn. - Tổn thất công suất trên một Tiristor : (W) - Diện tích bề mặt tỏa nhiệt : (m2) Trong đó : DP – tổn hao công suất trên van, (W); KM – hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ, chọn KM = 8 (W!m2.0C); t - độ chênh nhiệt độ so với môi trường. Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 40 0C. Nhiệt độ làm việc cho phép của Tiristor là Tcp = 125 0C. Chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt Tlv = 80 0C. (0C) - Chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh, kích thước của mỗi cánh là : a´h1 Chọn : a = b =10 (cm) = 100 (mm); h0 = 1 (cm) = 10 (mm); h1 = 8,5 (cm) = 85 (mm); h = 95 (mm); c = 3 (mm); z = 5,8 (mm). (Chọn theo trang tài liệu [2] ) Vậy tổng diện tích tản nhiệt của cánh là : (cm2) = 0,204 (m2) Hình dáng và kích thước giới hạn cánh tản nhiệt của một van bán dẫn h z c h1 h0 a b 2. Bảo vệ quá dòng cho van bán dẫn : Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực tự bảo vệ mạch điện khi quá tải và ngắn mạch Tiristor, ngắn mạch đầu ra của bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu. - Chọn Aptomat có các thông số sau : + Dòng điện định mức : (A) Ta lấy Iđm = 13 (A); + Điện áp định mức : (V) Aptomat có 3 tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện. + Chỉnh định dòng điện ngắn mạch : (A) Chọn Inm = 28 (A) + Chỉnh định dòng điện quá tải : (A) - Chọn cầu dao có dòng định mức như sau : (A) Chọn Iqt = 13 (A) Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn khi sữa chữa hệ thống truyền động. - Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Tiristor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu và ngắn mạch ở mạch điều khiển mở máy. + Nhóm 1CC : Dòng điện định mức dây chảy nhóm 1CC : (A) + Nhóm 2CC: Dòng điện định mức dây chảy nhóm 2CC : (A) + Nhóm 3CC : Dòng điện định mức của dây chảy nhóm 3CC : (A) + Nhóm 4CC : Dòng điện định mức của dây chảy nhóm 4CC : (A) Þ Vậy ta chọn cầu chảy của các nhóm như sau : Nhóm 1CC loại 60 (A); Nhóm 2CC loại 40 (A); Nhóm 3CC loại 70 (A); Nhóm 4CC loại 13 (A). - Chọn công tắc tơ : Ta dùng một công tắc tơ để mở máy cho động cơ, có các thông số sau : + Dòng điện định mức của công tắc tơ : (A) Chọn Iđm = 12 (A) + Điện áp định mức của công tắc tơ : (V) 3. Bảo vệ quá điện áp cho van : - Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Tiristor được thực hiện bằng cách mắc R – C song song với Tiristor. Khi có sự chuyển mạch, các điện tích tích tụ trong lớp bán dẫn sẽ phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn. Chính sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược sẽ gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa Anốt và Katốt của Tiristor. Khi có mạch R – C mắc song song với Tiristor tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Tiristor không bị quá điện áp. · · R C T Theo kinh nghiệm, thường chọn : R2 = ( 5 ¸ 30 ) (W) C2 = ( 0,25 ¸ 4 ) (mF) Ta chọn : R2 = 5 (W) C2 = 0,25 (mF) - Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, ta mạch R – C như hình vẽ sau : · · · · · C R C R C R Nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung điện áp gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. Trị số R1, C1 được chọn theo kinh nghiệm : R1 = ( 5 ¸ 20 ) (W) C1 = 4 (mF) Ta chọn : R1 = 10 (W) C1 = 4 (mF) CHƯƠNG IV TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN. I. Lí thuyết mạch về mạch điều khiển : Nhiệm vụ của mạch điều khiển là nhằm tạo ra xung điều khiển trong nửa chu kì dương điện áp Anốt của Tiristor. 1. Nguyên tắc điều khiển : Có hai nguyên tắc điều khiển Tiristor : - Điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng. - Điều khiển theo nguyên tắc nằm ngang. a. Điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng : Ü Điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính : - Trong vùng điện áp dương Anốt của Tiristor, ta tạo một điện áp tựa biến thiên tuyến tính theo dạng răng cưa . - Dùng một điện áp một chiều gọi là để so sánh với điện áp tựa nói trên. Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì cho phát xung điều khiển mở Tiristor. U t t t Xđk Xđk URC URC a Uđk Khi ta điều chỉnh giá trị từ giá trị 0 đến đỉnh điện áp thì giao điểm của hai đường này sẽ thay đổi tương ứng từ ( 0 ¸1800 ). Vậy góc mở a của Tiristor phụ thuộc tuyến tính vào giá trị . Vì vậy, trong thực tế nguyên tắc này được ứng dụng rộng rãi.  Ü Điều khiển theo nguyên tắc cosin : - Cần tạo một điện áp hình sin uS lệch pha với điện áp hình sin ở Anốt của Tiristor một góc 900 điện. Giả sử điện áp trên Anốt của Tiristor có dạng uA = Um.sinwt thì điện áp uS = Um.coswt. - Dùng một điện áp một chiều Uđk có thể điều chỉnh giá trị theo hai chiều dương và âm. Tại thời điểm Uđk = uS thì cho phát xung điều khiển. Vậy khi ta cho thay đổi giá trị điện áp một chiều Uđk = - Um đến giá trị Uđk = + Um thì ta có thể điều chỉnh được góc mở a từ ( 0 ¸ p ), ta nhận thấy góc a phụ thuộc phi tuyến vào giá trị Uđk , vậy a là một hàm theo giá trị , a = f(Uđk). UA =Um.sinwt uS =Um.coswt U t t t Xđk Xđk a Uđk 2. Điều khiển theo nguyên tắc nằm ngang : - Dùng mạch L – C để để tạo ra một điện áp lệch pha so với điện áp Anốt của Tiristor. Nhờ có các phần tử lệch pha L, C sẽ tạo ra một điện áp dịch pha udf lệch pha (cụ thể là chậm pha) so với điện áp hình sin ở Anốt của Tristor một góc là a . Tại thời điểm udf = 0 thì cho phát xung mở Tiristor. Vậy chỉ cần điều chỉnh giá trị L và C là có thể thay đổi được góc mở Tiristor. Tuy nhiên, việc điều chỉnh giá trị L và C là rất phức tạp. Vì vậy nên nguyên tắc điều khiển theo phương nằm ngang là ít được dùng trong thực tế. uA=Um.sinwt udf U t t t Xđk Xđk URC URC a 3. Kết luận : Trong các nguyên tắc điều chỉnh nói trên thì ta nhận thấy nguyên tắc điều khiển theo phương thẳng đứng tuyến tính là đơn giản nhất, vì góc mở a phụ thuộc tuyến tính vào điện áp một chiều Uđk nên việc điều khiển sẽ thuận lợi hơn. Vậy ta chọn nguyên tắc điều khiển theo phương thẳng đứng tuyến tính để thiết kế mạch điều khiển Tiristor. II. Cấu trúc mạch điều khiển : G K A Urc Uđk UAT ĐF SS TX,KĐ 1. Sơ đồ khối của mạch điều khiển : 2. Nhiệm vụ từng khối : - Khâu đồng pha (ĐF) : có nhiệm vụ tạo điện áp tựa Urc, trùng pha với điện áp dương Anốt của Tiristor. - Khâu so sánh (SS) : có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa Urc và điện áp điều khiển Uđk, xác định thời điểm Urc = Uđk thì phát xung đầu ra để gửi sang tầng khuếch đại. - Khâu tạo xung khuếch đại (TXKĐ) : có nhiệm vụ tạo xung điều khiển có biên độ và độ rộng xung phù hợp đủ để mở Tiristor một cách tin cậy trong mọi chế độ làm việc trong toàn dải điều chỉnh của hệ. Mặt khác, để giảm công suất cho tầng khuếch đại và tăng số lượng xung kích mơ, nhằm đảm bảo cho Tiristor mở một cách chắc chắn thì ta dùng bộ phát xung chùm có tần số cao để tạo xung điều khiển cho Tiristor. Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng khuếch đại ta đưa chèn thêm một cổng AND với tín hiệu nhận từ khâu so sánh và bộ phát xung chùm. Từ bộ phát xung chùm đưa đến Đưa đến khâu KĐ Khâu SS đưa tới & III. Thiết kế các khâu trong mạch điều khiển : 1. Thiết kế khâu đồng pha : Ta có một số sơ đồ dùng làm khâu đồng pha để tạo điện áp răng cưa như sau : · Æ · · Hình b. - E C D R2 Æ R1 Æ Æ Æ · · · U1 U2 Urc Hình a - E C D2 D1 R2 Æ R1 Æ Æ Æ Æ · · · · U1 U2 Urc · GHÉP QUANG Æ · Æ · Hình c. + E C D R2 Æ R1 Æ Æ · · Urc Tr C Æ Æ · · · · · · Hình d. R1 Æ Æ · · U1 U2 Urc OA2 - + · OA1 + - D R3 R2 - Sơ đồ hình a : Dùng diode và tụ điện để tạo mạch đồng pha. Sơ đồ này đơn giản, dễ thực hiện, với số linh kiện ít nhưng chất lượng điện áp tựa chưa tốt, độ dài của phần biến thiên tuyến tính của điện áp tựa không phủ hết 1800. Do vậy góc mở lớn nhất của van bị hạn chế. Có nghĩa là, ở sơ đồ này thì ta không điều khiển được góc mở Tiristor từ 0 ¸ 1800 mà chỉ điều khiển được góc mở từ 0 ¸ q, với góc q < 1800. - Sơ đồ hình b : Dùng Tranzitor và tụ điện để tạo mạch đồng pha. Sơ đồ này cho ra điện áp tựa biến thiên tuyến tính phủ hết nửa chu kì điện áp dương Anốt của Tiristor. Vậy ở sơ đồ này ta có thể điều khiển được góc mở Tiristor từ 0 đến giá trị cực đại. - Sơ đồ hình c : Dùng bộ ghép quang và tụ điện để tạo mạch đồng pha. Chất lượng điện áp tựa biến thiên tuyến tính phủ hết nửa chu kì dương điện áp Anốt của Tiristor. Vì vậy ta cũng có thể điều khiển được góc mở Tiristor từ 0 đến cực đại. Nhưng ở sơ đồ này thì không cần dùng đến biến áp đồng pha để cách li mạch động lực với mạch điều khiển vì bộ ghép quang đã có chức năng cách li giữa mạch điều khiển với mạch động lực. Vì vậy có thể đơn giản hơn trong việc chế tạo. - Sơ đồ hình d : Dùng bộ khuếch đại thuật toán để tạo mạch đồng pha. Chất lượng điện áp tựa ở đầu ra rất tốt, phủ hết nửa chu kì dương. Ngày nay các vi mạch chế tạo ngày càng nhiều, chất lượng điện áp ngày càng cao, kích thước ngày càng nhỏ gọn. Nên việc ứng dụng các vi mạch vào việc thiết kế mạch đồng pha sẽ cho ra điện áp tựa tốt hơn. · Nhận xét : Ở sơ đồ hình a, có nhược điểm là góc mở cực đại của Tiristor bị hạn chế, điện áp tựa không phủ hết 1800. Ở sơ đồ hình b và c có nhược điểm là : việc mở hoặc 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 lân cận 0 là không được như ý muốn. Vậy chỉ có sơ đồ hình d là làm việc ổn định và chính xác và có chất lượng điện áp tựa cũng tốt. Vậy ta chọn sơ đồ hình d dùng khuếch đại thuật toán để chế tạo mạch đồng pha. 2. Thiết kế khâu so sánh : - Để xác định thời điểm mở Tiristor thì ta cần so sánh hai tín hiệu Uđk và tín hiệu Urc, ta có một số sơ đồ so sánh như sau: Tr R1 Ura R3 R2 Urc Uđk - E Hình a. OA R1 R1 Ura - + Urc Uđk Hình b. OA R1 R1 Ura + Urc Uđk Hình c. - - Sơ đồ hình a : Dùng Tranzitor để chế tạo mạch so sánh. Tại thời điểm Uđk = Urc thì đầu vào Tranzitor lật trạng thái từ khóa sang mở ( hoặc ngược lại từ mở sang khóa) làm cho điện áp của khâu so sánh cũng lật trạng thái, tại thời điểm Urc = Uđk ta đánh dấu được thời điểm cần mở Tiristor. Với mức độ mở bão hòa của Tranzitor phụ thuộc vào tín hiệu Uđk ± Urc = Ub, hiệu này có một vùng điện áp nhỏ hàng mV làm cho Tranzitor không làm việc ở chế độ đóng cắt như ta mong muốn. Do đó, nhiều khi thời điểm mở Tiristor bị lệch khá xa so với điểm cần mở tại Uđk = Urc. - Sơ đồ hình b và c : Dùng khuếch đại thuật toán để chế tạo mạch so sánh, các sơ đồ này có hệ số khuếch đại tín hiệu vô cùng lớn, chỉ cần có một tín hiệu ở đầu vào rất nhỏ ( cỡ hàng mV) thì đầu ra đã có điện áp nguồn nuôi. Mặt khác các sơ đồ khuếch đại thuật toán này có ưu điểm là có thể phát xung chính xác tại thời điểm Udk = Ucr. · Kết luận : Trong các sơ đồ so sánh nói trên, ta nhận thấy việc dùng khuếch đại thuật toán để chế tạo mạch so sánh là rất có nhiều ưu điểm và đem lại chất lượng tốt. Vậy ta chọn sơ đồ hình b để làm mạch so sánh. 3. Thiết kế khâu khuếch đại: - Một số sơ đồ mạch khuếch đại : BAX Tr1 Tr2 R D Uv Hình b. +E BAX Tr1 R D Uv Hình a. +E R2 BAX Tr1 Tr2 C R1 D1 D2 Uv + E - Sơ đồ hình a: Dùng Tranzito để chế tạo mạch khuếch đại. Để có dạng xung kim gửi tới Tiristor thì ta dùng biến áp xung (BAX). Để có thể khuếch đại công suất thì ta dùng Tranzito (Tr), Diode (D) bảo vệ Tranzitor và cuộn dây sơ cấp máy biến áp xung khi Tranzitor khóa đột ngột. Mặt dù với ưu điểm đơn giản, nhưng sơ đồ này được dùng không rộng rãi, bởi vì hệ số khuếch đại của loại Tranzitor này nhiều khi không đủ lớn để có thể khuếch đại tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang. - Sơ đồ hình b : Sơ đồ khuếch đại kiểu Darlington, được sử dụng hai Tranzitor Tr1 và Tr2. Ở sơ đồ này hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu về khuếch đại công suất. Khi hệ số khuếch đại được nhân lên theo thông số của Tranzitor. - Sơ đồ hình c : Đây cũng là sơ đồ khuếch đại kiểu Darlington nhưng có dùng tụ điện để nối tầng với mục đích làm giảm công suất tỏa nhiệt trên Tranzitor và giảm kích thước dây quấn sơ cấp máy biến áp xung. Ở sơ đồ này thì Tranzitor chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong thời gian nạp tụ, nên dòng hiệu dụng của chúng bé đi nhiều nên không có công suất tỏa nhiệt dư trên Tranzitor. Vậy ta chọn sơ đồ khuếch đại kiểu Darlington có tụ nối tầng (sơ đồ hình c) để làm khâu khuếch đại. 4. Thiết kế khâu dao động đa hài để tạo xung chùm : - Một số sơ đồ tạo xung chùm : Ura · · · · · · · · · · +U R1 R2 C1 8 4 3 5 1 2 6 7 555 Hình a. Hình b. R2 R3 R1 C · · · · · · Ura OA - + - Sơ đồ hình a : Dùng vi mạch 555 để tạo xung đồng hồ. Sơ đồ này cho ta chất lượng xung khá tốt và sơ đồ cũng tương đối đơn giản. - Sơ đồ hình b : Dùng khuếch đại thuật toán để tạo mạch dao động đa hài phát xung chữ nhật. Ở sơ đồ loại này cũng tương đối đơn giản. · Nhận xét : Trong thiết kế mạch điều khiển, ta thường dùng khuếch đại thuậtoán để thiết kế các khâu đồng pha, khâu so sánh, do vậy để đồng dạng về linh kiện nên ta chọn sơ đồ hình b làm mạch tạo xung chùm. 5. Sơ đồ một kênh điều khiển và nguyên tắc hoạt động của sơ đồ điều khiển : Từ các khâu đã chọn ở trên, ta ghép các khâu lại với nhau để tạo mạch điều khiển hoàn chỉnh để điều khiển cho một Tiristor như sau : U XĐK UF UE UD Uđk Urc+Uo Urc UB UA t t t t t t t t Sơ đồ dạng sóng trong mạch điều khiển. · Nguyên lí hoạt động của sơ đồ mạch điều khiển : Vì việc điều khiển của các Tiristor là tương tự nhau nên ta chỉ cần xét nguyên lí hoạt động của một kênh điều khiển cho một Tiristor, còn việc điều khiển cho các Tiristor khác cũng tương tự. ® Dựa vào sơ đồ nguyên lí của mạch điều khiển và đồ thị dạng sóng của mạch điều khiển, ta nhận thấy : - Điện áp vào tại điểm A là uA có dạng hình sin và trùng pha với điện áp Anốt của Tiristor (T), qua điện trở R1 để giảm bớt dòng điện sau đó đến đầu vào của khuếch đại thuật toán A1 mắc theo kiểu không đảo, ở đầu ra của khuếch đại thuật toán A1 ( ở điểm B) cho ta điện áp UB có dạng một chuỗi xung chữ nhật đối xứng. + Phần dương của điện áp chữ nhật UB sẽ làm cho Tranzitor (Tr1) khóa và làm cho Diode D1 mở thông, đến đầu vào của khuếch đại thuật toán A2 tích phân thành điện áp tựa dạng răng cưa có giá trị âm ở đầu ra tại C. + Phần âm của điện áp chữ nhật UB sẽlàm cho Diode D1 khóa và Tranzitor Tr1 mở thông và kết quả là khuếch đại thuật toán A2 bị ngắn mạch, làm cho điện áp Urc tại C có giá trị Urc = 0. Vậy trên đầu ra ở C của khuếch đại thuật toán A2 ta có được một chuỗi điện áp răng cưa Urc gián đoạn. - Điện áp Urc có giá trị âm ở C được so sánh với điện áp điều khiển Uđk có giá trị dương. Giá trị so sánh này được đặt vào đầu vào của khuếch đại thuật toán A3. Tổng đại số Uđk + Urc quyết định dấu ở đầu ra khuếch đại thuật toán A3. Dựa vào đồ thị dạng sóng ta nhận thấy, trong khoảng thời gian từ 0 ¸ t1 thì ta có êUđk ê-êUrcê > 0 nên tại điểm D ở đầu ra của khuếch đại thuật toán A3 có giá trị âm. Trong khoảng thời gian t1 ¸ t2 thì ta có êUđk ê<êUrcênên ở đầu vào của khuếch đại thuật toán A3 có giá trị êUđk ê-êUrcê< 0 nên tại điểm D của đầu ra khuếch đại thuật toán A3 có giá trị dương. Các khoảng thời gian tiếp theo cũng được giải thích tương tự. Mạch dao động đa hài tạo xung chùm A4 cho ta chuỗi xung dương gián đoạn, có tần số cao ở điểm E của khuyếch đại thuật tóan A4. Mạch dao độngđa hài A4 cho điện áp ra tại điểm E có tần số cao cỡ hàng chục KHz. Hai tín hiệu UD và UE được đưa vào hai ngõ vào của cổng AND. Khi đồng thời hai tín hiệu UD và UE có giá trị dương ở điểm F của đầu ra, cổng AND có giá tri dương làm tụ C3 nạp, sau đó đến R9 đặt vào chân Bazơ của Tranzitor Tr2 làm cho các Tranzitor Tr2, Tr3 mở thông. Khi các Tranzitor Tr2, Tr3 dẫn thì sẽ có dòng điện từ nguồn +E qua cuộn dây sơ cấp của máy biến áp xung về mass làm xuất hiện ở cuộn thứ cấp máy biến áp xung một chuỗi xung điều khiển (XĐK) dạng xung nhọn qua Diode D4 điều khiển mở Tiristor T. Khi hai tín hiệu UD và UE không đồng thời dương thì ở đầu ra của cổng AND sẽ có giá trị ở mức 0, lúc này sẽ làm cho tụ C3 xả điện theo đường C – AND – A3 – D2 – R9 về C . Trong thời gian C3 xả điện thì các Tranzitor Tr2, Tr3 bị khóa. Điện áp Ud sẽ xuất hiện trên tải từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên tại các thời điểm t2, t4 trong chuỗi xung điều khiển của mỗi bán chu kì dương điện áp nguồn cấp. IV. Tính toán các thông số của mạch điều khiển. Mạch điều khiển được xuất phát từ yêu cầu về xung mở Tiristor. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển như sau : Điện áp xung điều khiển Tiristor : Ug max = 2,5 (V). Dòng điện xung điều khiển Tiristor: Ig max = 0,15 (A). Thời gian mở Tiristor : tcm = 80 (ms) Với thời gian chuyển mạch (đóng hoặc mở) là tcm = 80 (ms). Để Tiristor đóng, mở chắc chắn thì yêu cầu về độ rộng của xung điều khiển tx >2.tcm, tức là tx > 160 (ms). Ta chọn tx = 167 (ms)(tương ứng với 30 điện). Ta chọn thời gian ngắt của xung : tn = tx = 167 (ms) (tương ứng với 30 điện). Vậy ta chu kì của xung điều khiển là: TCK = tx + tn = 167 + 167 = 334 (ms). Suy ra, tần số của xung điều khiển là : (KHz) 1. Tính chọn Diode D4 : - Điện áp ngược của Diode D4 : (V) Trong đó : Kn1 = p là hệ số điện áp ngược của Diode so với điện áp tải (theo bảng 8.1 [2]). - Điện áp ngược của van cần chọn : (V) Trong đó: Kdt – là hệ số dự trữ, với Kdt = (1,6¸2), ta chọn Kdt = 1,8. - Dòng điện làm việc của Diode : (A) Trong đó : là hệ số dòng điện hiệu dụng (theo bảng 8.2[2]). - Dòng điện lớn nhất của Diode cần chọn: (A) Trong đó : Ki = 6 là hệ số dự trữ dòng điện. Chọn loại Diode có các thông số như sau : + Dòng điện định mức : Iđm = 1,5 (A); + Điện áp ngược cực đại của Diode : UN = 100 (V). 2. Tính toán các thông số của máy biến áp xung : - Điện áp thứ cấp máy biến áp xung : (V) - Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung : (A) - Tỉ số máy biến áp xung : K = 2 ¸ 3, ta chọn K = 3. - Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung : (A) - Điện áp sơ cấp máy biến áp xung : (V) - Chọn vật liệu làm lõi máy biến áp xung là sắt Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến có khe hở không khí, làm việc trên một phần đặc tính từ hóa co các thông số như sau : DB = 0,3 (T) và DH = 30 (A!m). - Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt : (H!m). Trong đó : mo = 4p.10-7 (H!m) là độ từ thẩm của không khí. -Thể tích của lõi thép cần có : Trong đó : Q – tiết diện lõi Ferit; l – chiều dài trung bình của đường sức từ; tx = 1,67 (ms) – độ rộng của xung điều khiển; sx =0,15 – độ sụt biên độ; DB = 0,3 (T) . Thay số vào biểu thức trên ta được : (m3 ) = 1,0435 (cm3) D b a d Tra bảng 8.5[2] , ta chọn lõi thép hình xuyến tròn. Loại OA - 22!30 – 5, có các kích thước như sau : Q = 0,2 (cm2) = 20 (mm2); l = 8,2 (cm) = 82 (mm); V = Q.l = 0,2.8,2 = 1,64 (cm3); Qcs = 3,82 (cm2) = 382 (mm2); d = 2,2 (cm) = 22 (mm); D = 3 (cm) = 30 (mm); a = 0,4 (cm) = 4 (mm); b = 0,5 (cm) = 5 (mm). - Số vòng dây thứ cấp máy biến áp xung : Theo định luật cảm ứng điện từ ta có : Suy ra : (vòng) Lấy W1 = 209 (vòng). - Số vòng dây thứ cấp máy biến áp xung: (vòng) Lấy W2 =70 (vòng). - Tiết diện dây quấn sơ cấp : (mm2) Trong đó : Ta chọn mật độ dòng điện J1 =6 (A!mm2). - Đường kính dây quấn sơ cấp : (mm) Ta chọn đường kính dây theo tiêu chuẩn, chọn : d1 = 0,11 (mm); S1 = 0,095 (mm); dn = 0,135 (mm). - Tiết diện dây quấn thứ cấp : (mm2) Trong đó : Ta chọn mật độ dòng điện J1 = 4 (A!mm2). - Đường kính dây quấn thứ cấp : (mm) Chọn đường kính dây theo tiêu chuẩn, ta chọn : d2 = 0,23 (mm); S2 = 0,04155 (mm); dn = 0,26 (mm). -Kiểm tra hệ số lấp đầy : Vậy với Klđ = 0,059 thì cửa sổ đã đủ diện tích cần thiết để dây quấn đặt vào. R11 BAX Tr2 Tr3 C3 R10 D2 D3 Uv + E 3.Tính khâu khuếch đại công suất : - Tính giá trị R11 : Khi máy biến áp làm việc ( tức là Tr2, Tr3 mở thông) thì ta có : Suy ra : Trong đó : U1 – điện áp sơ cấp máy biến áp xung; I1 – dòng điện sơ cấp máy biến áp xung; E – là nguồn nuôi, ta chọn nguồn nuôi E = 12 (V). Vậy ta tính được : (W) Vậy ta chọn điện trở R11 = 90 (W). - Tính chọn giá trị Trănzitor Tr2, Tr3 : + Chọn Tranzitor Tr3 loại 2SC 911 làm việc ở chế độ xung, có các thông số như sau : Tranzitor loại PNP, vật liệu bán dẫn là Silic; Điện áp giữa Colectơ và Bazơ khi hở mạch Emitơ : UCB = 40 (V); Điện áp giữa Emitơ và Bazơ khi hở mạch Colectơ : UEB0 = 4 (V); Dòng điện lớn nhất ở Colectơ có thể chịu đựng : IC max = 500 (mA); Công suất tiêu tán ở Colectơ : PC = 1,7 (W); Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : T = 175 ( 0C ); Hệ số khuếch đại b = 50 ; Dòng điện làm việc của Colectơ : IC3 = I1 = 0,05 (A) = 50 (mA); Dòng điện làm việc của Bazơ : (mA). + Chọn Tranzitor Tr2 loại 2SC 427 có các thông số sau : Tranzitor loại PNP, vật liệu bán dẫn là Silic; Điện áp giữa Colectơ và Bazơ khi hở mạch Emitơ : UCB = 40 (V); Điện áp giữa Emitơ và Bazơ khi hở mạch Colectơ : UEB0 = 5 (V); Dòng điện lớn nhất ở Colectơ có thể chịu đựng : IC max = 100 (mA); Hệ số khuếch đại b = 60. Dòng điện cấp cho Bazơ của Tranzitor Tr2 đủ để Tr2 mở thông là : (mA) Vậy hệ số khuếch đại của khâu khuếch đại là : - Tính chọn điện trở R10 và tụ điện C3 : + Điện trở R10 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazơ của Tranzitor Tr2, ta chọn R10 thỏa mãn điều kiện sau : (kW) Chọn R10 = 295 (kW) + Theo sơ đồ mạch khuếch đại thì Tranzitor Tr2, Tr3 chỉ dẫn trong khoảng thời gian tụ C3 nạp. Vậy ta có : (ms) Suy ra : (mF) Vậy ta chọn tụ điện C3 là tụ giấy có giá trị C3 = 0,00057 (mF) = 0,57 (pF). - Tất cả các Diode trong mạch điều khiển ta đều dùng loại 1N 4009 có các thông số như sau : Dòng điện định mức : Iđm = 10 (mA); Điện áp ngược lớn nhất : UN = 25 (V); Điện áp để cho Diode mở thông : Um = 1 (V). 4. Tính chọn cổng AND : Toàn bộ mạch điều khiển ta phải dùng đến 6 cổng AND, nên ta chọn hai IC 4081 họ CMOS. Mỗi IC 4081 có 4 cổng AND. Có các thông số như sau : Nguồn nuôi IC : Vcc = + 12 (V); Nhiệt độ làm việc : - 40 0C ¸ 80 0C; Điện áp ứng với mức logic “1” : (2 ¸ 4,5) (V); Dòng điện làm việc Ilv < 1 (mA); Công suất tiêu thụ : P = 2,5 nW!1 cổng. & & & & 8 10 9 11 12 14 13 1 2 3 4 5 6 7 Vcc - Ta có sơ đồ chân của IC 4081 như sau : 5. Tính chọn bộ tạo xung chùm : Mỗi kênh điều khiển phải dùng 4 khuếch đại thuật toán, do đó ta chọn 6 IC loại TL084 do hãng Texas Instruments chế tạo, các IC này có các khuếch đại thuật toán. Thông số của các IC TL084 như sau : - Điện áp nguồn nuôi : ± 12 (V); - Hiệu điện thế giữa hai đầu vào : ± 30 (V); - Nhiệt độ làm việc : T = ( - 25 ¸ 85 ) 0C; - Công suất tiêu thụ : P = 680 (mW); - Tổng trở đầu vào : Rin = 106 (MW); - Dòng điện đầu ra : Ira = 30 (pF); - Tốc độ biến thiên điện áp cho phép : (V!ms). - Ta có sơ đồ chân của IC TL084 như sau : - Ucc + Ucc 11 8 10 9 12 14 13 1 2 3 4 5 6 7 - - - - + + + + - Mạch tạo xung chùm có tần số : (kHz) - Chu kì của xung chùm : (ms) Ta có : Ta chọn R7 = R8 = 10 (kW). Lúc này ta có : (ms) Suy ra : (ms) Ta chọn tụ điện C2 = 0,1 (mF); Suy ra : (W) = 1,52 (kW). Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch, ta chọn R9 là biến trở có giá trị điện trở là 2 (kW). R0 A3 R6 R5 - + Urc -Uđk +E R4 6. Tính chọn khâu so sánh : Khuếch đại thuật toán A3 ta đã chọn là loại IC TL084 ở mục 5, IC TL084 có các thông số như sau : Điện áp vào khuếch đại thuật toán A3 : UV = 12 (V); Dòng điện vào A3 được hạn chế để có Ilv £ 1 (mA). - Chọn điện trở R4, R5, R6 : (W) = 12 (kW) Vậy ta chọn : R4 = R5 = R6 = 15 (kW) > 12 (kW). Khi đó dòng làm việc vào A3 sẽ là : (mA) C B A Tr1 C1 Æ Æ · · · · · · R1 Æ Æ · U1 U2 Urc A2 - + A1 + - D1 R2 R3 - Chọn chiết áp Ro = 30 (kW). 7. Tính chọn khâu đồng pha: - Tính chọn tụ C1 và điện trở R3 : Để điện áp răng cưa tuyến tính và ổn định trong nửa chu kì điện áp dương Anode của Tiristor thì thời gian tụ C1 nạp trong nửa chu kì điện áp dương là : (s) Chọn C1 = 0,1 (mF) Suy ra : (W) = 100 (kW). - Chọn Tranzitor Tr1 là loại A564 có các thông số sau : + Tranzitor loại PNP làm bằng bán dẫn Silic; + Điện áp giữa Colectơ và Bazơ khi hở mạch Emitơ: UCB0 = 25 (V); + Điện áp giữa Emitơ và Bazơ khi hở mạch Colectơ : UBE0 = 7 (V); + Dòng điện lớn nhất ở Colectơ có thể chịu đựng: IC max = 100 (mA) + Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : Tcp = 150 (0C); + Hệ số khuếch đại : b = 250 ; + Dòng điện cực đại ở chân Bazơ : (mA). - Điện trở R2 để hạn chế dòng đi vào chân Bazơ của Tranzitor Tr1 được chọn như sau : (kW) Ta chọn R2 = 30 (kW). - Chọn giá trị điện trở R1 : Chọn điện áp xoay chiều đồng pha : UA = 9 (V). Điện trở R1 dùng để hạn chế dòng điện đi vào khuếch đại thuật toán A1, thường chọn R1 sao cho dòng điện vào khuếch đại thuật toán là IV < 1 (mA). Do vậy ta chọn : (kW). Vậy ta chọn R1 = 10 (kW). 8. Tạo nguồn nuôi : Ta có sơ đồ mạch tạo nguồn nuôi như sau : 7812 a b c C6 C4 +12V 7912 a* b* c* C7 C5 -12V B A C Ta cần tạo ra nguồn điện áp ±12 (V) để cung cấp cho máy biến áp xung làm việc, để nuôi IC, để cung cấp cho các bộ điều chỉnh dòng điện, bộ điều chỉnh tốc độ và điện áp đặt tốc độ. - Để có được điện áp nguồn nuôi có chất lượng tốt thì ta dùng mạch chỉnh lưu cầu ba pha dùng Diode, mặt khác để tiện lợi trong việc chế tạo mạch, thì ta dùng máy biến áp đồng pha để vừa cung cấp tín hiệu cho khâu đồng pha và vừa lấy điện áp thứ cấp của máy biến áp đồng pha chỉnh lưu làm nguồn nuôi. Vì vậy ta phải chế tạo máy biến áp làm nguồn nuôi và đồng pha là kiểu máy biến áp ba pha. Ta chọn U2N = U2đp = 9 (V). Lúc này ta có : (V) Ta nhận thấy UCL = 21,06 (V) > 12 (V), mà ta lại cần nguồn nuôi có giá trị điện áp là ±12 (V) nên ta cần phải dùng vi mạch ổn áp để ổn định điện áp đúng theo yêu cầu là ±12 (V). Ta dùng hai vi mạch ổn áp 7812 và 7912 có các thông số sau : + IC 7812 có các thông số : Điện áp đầu vào : UV = (7 ¸ 35) (V); Điện áp đầu ra : Ura = +12 (V); Dòng điện đầu ra : Ira = ( 0 ¸ 1 ) (A). + IC 7912 có các thông số : Điện áp đầu vào : UV = ( 7 ¸ 35 ) (V); Điện áp đầu ra : Ura = - 12 (V); Dòng điện đầu ra : Ira = ( 0 ¸ 1 ) (A). - Tụ điện C4, C5, C6, C7 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao. Chọn C4 = C5 = C6 = C7 =450 (mF). Điện áp của tụ là U = 35 (V). 9. Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha : 9.1. Chọn loại máy biến áp : Thay vì chế tạo các máy biến áp đồng pha và máy biến áp nguồn nuôi riêng rẽ nhau thì ta chế tạo máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo điện áp để chỉnh lưu làm nguồn nuôi. Ta chọn kiểu máy biến áp ba pha ba trụ, trên mỗi trụ có ba cuộn dây gồm một cuộn thứ cấp và hai cuộn thứ cấp. 9.2. Điện áp thứ cấp máy biến áp : Điện áp lấy ra ở thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha là : (V) 9.3. Dòng điện thứ cấp máy biến áp : I2đp = 1 (mA) 9.4. Công suất cấp cho khâu đồng pha : (W) 9.5. Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL084 sử dụng làm khuếch đại thuật toán và 2 IC 4081 để tạo 6 cổng AND. (W) Trong đó : (nW) = 10.10-12 (W). 9.6. Công suất cấp cho máy biến áp xung để mở Tiristor : (W) 9.7. Công suất dùng cho việc tạo nguồn nuôi : (W) Ngoài ra còn có công suất để cung cấp cho các bộ điều chỉnh dòng điện, điều chỉnh tốc độ.... và các công suất này ta chọn khoảng bằng 15% công suất dùng cho việc làm nguồn nuôi : (W) 9.8. Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy : (V.A) 9.9. Dòng điện thứ cấp máy biến áp : (A) 9.10. Dòng điện sơ cấp máy biến áp : (A) 9.11. Tiết diện trụ máy biến áp được xác định theo công thức kinh nghiệm như sau : (cm2) Trong đó : KQ = 6 là hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát; m = 3 là số trụ của máy biến áp; f = 50 Hz là tần số lưới điện. Chuẩn hóa tiết diện trụ, ta có được : QT = 1,63 (cm2) ( trang 332[1] ) - Kích thước mạch từ : H a a a b C c h a + Chọn loại thép có độ dày lá thép là d = 0,5 (mm); + Số lượng lá thép là 68 lá; + Các kích thước a = 12 (mm); b = 16 (mm); h = 30 (mm). 9.12. Tính số vòng dây cuộn sơ cấp : Chọn mật độ từ cảm trong trụ là B = 1 (T), ta có : (vòng) 9.13. Tiết diện dây quấn sơ cấp : Ta chọn mật độ dòng điện J1 = J2 = 2,75 (A!mm2) - Tiết diện dây quấn sơ cấp : (mm2) - Đường kính dây quấn sơ cấp : (mm) Chọn d1 = 0,1 (mm) để đủ đảm bảo độ bền cơ. Đường kính kể cả cách điện : d1 cd = 1,12 (mm) ( Phụ lục 8[1] ). 9.14. Số vòng dây quấn cuộn thứ cấp : (vòng) 9.15. Tiết diện dây quấn thứ cấp : (mm2) 9.16. Đường kính dây quấn thứ cấp : (mm) Chuẩn hóa đường kính : d2 = 0,27 (mm) ( Phụ lục 8[1] ) Đường kính kể cả cách điện : d2cđ = 0,31 (mm) ( Phụ lục 8[1] ) 9.17. Chọn hệ số lấp đầy : Klđ = 0,7 Với 9.18. Chiều rộng cửa sổ : (mm) Để đảm bảo việc đặt các cuộn dây vào lõi dễ dàng và để đảm bảo cho dây quấn tỏa nhiệt tốt, ta chọn c = 12 (mm). 9.19. Chiều dài mạch từ : (mm) 9.20. Chiều cao mạch từ : (mm) 10. Tính chọn Diode cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi : - Dòng điện hiệu dụng qua Diode : (A) - Điện áp ngược lớn nhất mà Diode phải chịu : (V) - Chọn Diode có dòng điện định mức : Iđm ³ KI.ID đm = 10.0,101=1,01 (A) - Chọn Diode có điện áp ngược lớn nhất : UN = KU.UN max = 2.22 = 44 (V) Chọn Diode loại Kp 208A có các thông số như sau : + Dòng điện định mức : Iđm = 1,5 (A); + Điện áp ngược cực đại của Diode : UN = 100 (V) CHƯƠNG V ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ I. Xây dựng đặc tính cơ của hệ hở : 1. Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều : ; ( Với Mc = Mđm). - Các thông số trong phương trình đặc tính cơ khi động cơ làm việc với tốc độ định mức : + Ta có : Trong đó : (rad!s) Suy ra : (Wb) + Mômen định mức của động cơ : (N.m) + Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên của động cơ : + Tốc độ không tải lí tưởng : (rad!s) + Độ sụt tốc độ của động cơ : (rad!s) 2. Phương trình đặc tính cơ của toàn bộ hệ hở : Hệ hở gồm: Động cơ – cuộn kháng lọc – chỉnh lưu – biến áp chỉnh lưu. - Ứng với khi góc mở amin = 10 0 thì ta có phương trình của đặc tính cơ cao nhất của hệ như sau : Trong đó : - điện trở tổng của hệ; (W) Với : Rư = 0,096 (W); Rkh = 0,0053 (W); RBA = 0,00587 (W); XBA = 0,098 (W). + Tốc độ không tải của hệ CL –ĐC khi góc mở amin = 10 0 ( Ở đường đặc tính cơ cao nhất ) : (rad!s) + Độ sụt tốc độ của hệ: (rad!s) + Tốc độ của động cơ khi làm việc với tải định mức ( Ở đường đặc tính cơ cao nhất ) : (rad!s) - Phương trình đặc tính cơ thấp nhất của hệ ứng với khi góc mở amax : + Ta có độ cứng đặc tính cơ của hệ : + Tốc độ làm việc thấp nhất của hệ : Giả sử cho động cơ làm việc với mômen cản lớn nhất bằng hai lần mômen định mức MC max = 2.Mđm. Suy ra : (rad!s) + Tốc độ không tải thấp nhất của hệ : (rad!s) Từ các số liệu vừa xác định trên đây, ta vẽ được đường đặc tính cơ cao nhất và thấp nhất như sau : w (rad/s) wTN wH max = 93,75 104,667 wđm = 104,667 wH max wH min w0Hmax= w0TN = 111,36 M DwTN = 6,68 DwH = 17,61 Mđm DwH = 17,61 w0H min = 35,22 wH min =17,61 2Mđm à Nhận xét : Dựa vào đặc tính cơ ta vừa xây dựng ở trên, ta nhận thấy : Đường đặc tính cơ của hệ CL – ĐC dốc hơn đường đặc tính cơ tự nhiên. Điều này có nghĩa là do có điện trở của các thành phần trong mạch như : RBA, Rkh, ... làm cho điện trở tổng của mạch lớn. Vì vậy làm cho độ sụt tốc của hệ CL – ĐC lớn hơn độ sụt tốc tự nhiên. Hay nói cách khác là đường đặc tính cơ của hệ mềm hơn đường đặc tính cơ tự nhiên. II. Dải điều chỉnh của hệ CL – ĐC : III. Sai số tĩnh lớn nhất của hệ : à Kết luận : Hệ có dải điều chỉnh tương đối hẹp và có sai số tĩnh lớn. Vì vậy nên chất lượng của hệ chưa cao. Để nâng cao chất lượng của hệ ( tức là làm giảm sai số tĩnh ) và để cho hệ làm việc ổn định thì ta có các biện pháp cải thiện sau đây : Dùng phản hồi dương dòng điện : BD Uđk Uđặt + Æ Æ Æ CL ĐC KT - Ta có phương trình đặc tính điều chỉnh cơ điện của hệ CL – ĐC : Trong đó : ; với - Mặt khác , ta có : Trong đó : Uđặt – là điện áp đặt tốc độ, Uđặt = const; Upi = Ki.Iư là điện áp phản hồi của khâu phản hồi dương dòng điện; Suy ra : Vậy ta có : Ta có độ sụt tốc độ : Vậy khi Ki càng tăng thì Dw giảm xuống. Lúc này ta có độ cứng của đặc tính cơ càng lớn : Mặt khác, khi Dw giảm xuống thì sai số tĩnh cũng sẽ giảm theo. ( Vì sai số tĩnh stĩnh º Dw, với womin = const ). Dùng phản hồi âm tốc độ : Upw Uđk Uđặt - Æ CL ĐC FT Ta có : Mặt khác : Trong đó : Uđặt – là điện áp đặt tốc độ, Uđặt = cost; - là điện áp phản hồi tốc độ. Vậy ta có phương trình đặc tính cơ như sau : Suy ra : Vậy ta có độ sụt tốc độ của hệ lúc có phản hồi âm tốc độ là : Ta nhận thấy, khi tăng lên thì độ sụt tốc độ sẽ giảm xuống và lúc này độ cứng của đặc tính cơ sẽ được nâng lên. Ta có độ cứng đặc tính cơ của hệ khi có phản hồi âm tốc độ như sau : 3. Kết luận : Trong hai loại phản hồi đã nói ở trên, ta nhận thấy việc dùng phản hồi âm tốc độ để tự động ổn định tốc độ cho động cơ là hiệu quả hơn, vì đối tượng cần điều chỉnh là tốc độ nên ta chọn phản hồi tốc độ để ổn định hệ thống sẽ đem lại hiệu quả cao hơn và sai số sẽ nhỏ hơn. Vậy ta chọn khâu phản hồi âm tốc độ để nâng cao chất lượng cho hệ : - Ta xây dựng sơ đồ mạch kín như sau : Theo sơ đồ mạch kín, ta có : L Uđặt · · Æ · · · · · · ĐC · FT Æ Æ Æ · Æ Upw Uđk - Để cho hệ làm việc được ổn định và có chất lượng tốt, ta cần đưa thêm vào các khâu hiệu chỉnh nối tiếp PID ( gồm các khâu tích phân, vi phân tỉ lệ ). Lúc này ta có sơ đồ cấu trúc của hệ như sau : w · Upw Uđk Wreg(P) WCL(P) WĐC(P) Kpw - Các khâu trong sơ đồ cấu trúc của hệ : + Wreg(P) – hàm truyền của khâu hiệu chỉnh nối tiếp; + WCL(P) – hàm truyền của bộ chỉnh lưu; + WĐC(P) – hàm truyền của động cơ điện một chiều. Do nhiệm vụ thiết kế không yêu cầu xác định chi tiết giá trị của các hàm truyền, và do thời gian có hạn nên không xác định cụ thể giá trị của các hàm truyền mà chỉ đưa ra dạng sơ đồ cấu trúc có hàm truyền tượng trưng như trên.