Động cơ điện một chiều và hệ truyền động TIRISTOR

người ta giữ U = Uđm; Φ = Φđm và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng. Độ cứng của đường đặc tính cơ: Ta thấy khi điện trở càng lớn thì β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đó càng mềm hơn. H3. đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ Ứng với Rf = 0 ta có độ cứng tự nhiên βTN 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 ( ) f dm RR kM + Φ−=Δ Δ= − 2. ωβ Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH 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 = ωmax / ωmin 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 Φ 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 (Φ = Φmax) 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 Φ tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức. → Khi giảm Φ thì tốc độ không tải lý tưởng Φ= k U dm oω tăng, còn độ Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH cứng đặc tính cơ ( ) uR k 2Φ−=β giảm, ta thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên. H4. đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông M Φđm Φ2 Φ1 ωo ωo1 ωo2 ω 0 Mc1 Mc2 Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH 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 Φ ≈ 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). → 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…) Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH ĐTTN ω0 ω02 ω01 ω M U1 U2 0 Mc Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH H5. đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp Ở phương pháp này: U = var; Φđm = const; Rf = 0 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 ωo = U /k.Φ 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 Φ 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 Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH → 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. ⇒ 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 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐỂ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP PHẦN ỨNG CỦA ĐỘNG CƠ Hệ thống F- Đ :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 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.Φ.ωMF. Khi máy phát F được quay với tốc độ ωMF cố định, sức điện động của máy phát EMF phụ thuộc vào dòng kích từ IkMF theo luật đường cong từ hóa: EMF = kMF.ωMF. α.IkMF Xét phương trình đặc tính cơ: ( ) Mk RR I k k DD DMF kMF DD MFMF . 2 −− Φ +−Φ= αωω F Đ MF ĐC MSXĐ ∼ Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH ω IkMFđ m IkMF 2 IkMF 1 IkMF = 0 Đ C TS Đ N Đ C TS I 0 ω Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH H6. đặc tính cơ của hệ (F – Đ) Ta thấy khi điều chỉnh dòng điện kích từ của máy phát ta điều chỉnh được tốc độ không tải của hệ thống: kMF DD MFMF o Ik k .Φ= αωω còn độ cứng đặc tính cơ: ( ) FD DD DF RR k −− 2 + Φ=−β thì giữ nguyên. 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 Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH 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 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 ↑ thì dòng điện Iđc ↑ 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.cosα . T ∼ Ư Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH 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 α = ( 0 - π),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, ω}. 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 α Và độ cứng đặc tính cơ: ( ) CL dm RR k + Φ= ¦ 2 β là không đổi. → 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: M kk RR k U M kk RR k U e CL e do e CL e CL . ... cos. . .. 2 − 2 − Φ +−Φ=Φ +−Φ= μμ αω dme do o k U Φ= . cos. αω Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH ( ) ( ) ( )( )γλ γλλγαγαγω g gU k oom dm cotexp1 cotexpsinsin.cos1 2 − +−− Φ= 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; ωblt} khi thay đổi góc α = ( 0 - π ) gần đúng là đường elip có các trục chính là các trục tọa độ - đường cong nét đứt trên hình vẽ. H7. đặc tính cơ của hệ (CL - Đ) + 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 (γ ∼ 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. 0 Biên liên tục ω ωo1 ωo2 Iblt ωblt I α = 0 α = π/2 Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH 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 cosγ thấp nhất. HỆ THỐNG BĂM ÁP ĐỘNG CƠ 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. → Điều khiển băm áp có chất lượng tốt hơn điều khiển chỉnh lưu khi tần số f cao. Chế độ dòng điện gián đoạn 11 .UUT U TB γθ == Vo Ư K+ - Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH 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 Với dòng điện liên tục: Phương trình đặc tính cơ H8. đặc tính cơ của hệ thống với dòng liên tục Để điều khiển tốc độ ta điều khiển hệ số γ tức là điều khiển độ rộng xung điện áp θ 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 dm o k U Φ= γω và độ cứng đặc tính cơ: ( ) baRR k + Φ= ¦ 2 β Với dòng điện gián đoạn M kk RR k U M kk RR k U e ba ee ba e ba . .. . . .. 2 ¦1 2 ¦ Φ +−Φ=Φ +−Φ= μμ γω ω γ = 0 γ = 1 I, M ωo Iblt ωblt 0 Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH 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. III: HỆ TRUYỀN ĐỘNG (T-Đ) -Hệ TĐ một chiều dùng bộ biến đổi là một loại nguồn điện một chiều khi nối nó vào mạch phaanf ứng với động cơ điện một chiều kích từ độc lập ta sẽ được hệ TĐ . -Khác với máy phát điện một chiều bộ biến đổi trực tiếp nối biến dòng xoay chiều thành dòng một chiều không qua một khâu trung gian cơ học nào . -Hiện nay Tirstor được dùng phổ biến để tạo ra các bộ chỉnh lưu có diều khiển bởi các tính chất ưu việt của chúng : Gọn nhẹ , tổn hao ít tác động nhanh . 1. Nguyên lý điều khiển động cơ điện một chiều: nhận năng lượng từ lưới xoay chiều thông qua bộ chỉnh lưu biến dòng xoay chiều thành dòng một chiều .Cấp cho phần ứng động cơ điện một chiều. 2. Các chế độ làm việc . a,Chế độ dòng liên tục . -Khi mô men tải Mt tăng thì dòng điện động cơ tăng dẫn đến năng lượng điện từ tăng .Khi điện áp nguồn nhỏ hơn sức điện động thì năng lượng của cuộn Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH dây lớn làm cho năng lượng xẳ ra đủ sức để duy trì dòng điện đến thừi điểm mở van kế tiếp . -Khi ở chế độ dòng liên tục Ucl=Udo.cosα b, Chế độ dòng gián đoạn . -Do mạch của động cơ có điện cảm và điện cảm ấy có tích lũy năng lượng .Nếu dòng điện nhỏ , lượng tích lũy năng lượng của cuộn dây nhỏ nên xả năng lượng nhỏ , vì vậy điện áp của lưới nhỏ hơn sức điện động cảu 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 . c,Chế độ biên liên tục . -Khi chuyển từ trạng thái kliên tục sang trạng thái gián đoạn hệ sẽ phải trải qua một trạng thái giới hạn , đó là trạng thái biên liên tục . 3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA HỆ THỐNG . a, Chế độ dòng liên tục . +Phương trình đặc tính cơ M μKK RR K CosU M μKK RR K U ω e cl e do e cl e cl . Φ. +. =. Φ. + . = − 2 − Φ α Φ Thay đổi góc điều khiển α=(0÷Π) điện áp cảu chỉnh lưu điều khiển từ Udo-(-Udo) và ta được đặc tính họ song song nằm 1/2 bên phải hệ tọa độ (Moω) những đặc tính đó không thuộc nửa bên trái là do các van không cho dòng điện phản ứng đổi chiều . -Khi đó tốc độ không tải lý tưởng tùy thuộc vào góc điều khiển α . me do K U o ® cos. = Φ α ω -Và độ cứng đặc tính cơ Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH cl m RR K β + )Φ( = − 2 ® b, Chế độ dòng gián đoạn +Phương trình đặc tính cơ )cotexp(1 )cotexp()+()sin(.. . Φ 1 = 2 ® γλ g γgλλγαSinγαγCosU K ω oom m -Khi làm việc ở chế độ dòng gián đoạn đường đặc tính cơ không là đường thẳng mà là đường cong có độ cứng thấp hơn . -Biên giới vùng dòng điện gián đoạn là dòng phân cách giữa vùng dòng điện liên tục và dòng gián đoạn chính là tập hợp đường trạng thái biên độ .KHi thay đổi góc α=(0-Π) gần đúng là đường ê líp có các trục chính là trục tọa độ . +Ưu điểm -Độ tác động nhanh , cao tổn thất ít giảm tiếng ồn hiệu suất lớn có khả năng điều chỉnh trơn (8-1)với phạm vi điều chỉnh rộng (D-102-103) -Có thể thiết lập hệ tự động phòng kín để mở rộng dải điều chỉnh và cải thiện điều kiện làm việc của hệ. +Nhược điểm :\ -Khả năng linh hoạt khi đổi trạng thái làm việc không cao , khả năng quá tải về dòng và áp của 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 Cos γ thấp nhất. Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH PHẦN II: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN : I: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH LỰC: 1: LỰA CHỌN SƠ ĐỒ MẠCH LỰC: Dựa trên những phân tích đánh giá về các ưu nhược điểm của các loại Sơ đồ về chỉnh lưu ,với tải là kích từ động cơ thì dùng chỉnh lưu cầu Một pha ,điều khiển đối xứng là hợp lý hơn cả vì nó cho chất lượng Điện áp và dòng một chiều tốt nhất : 2: SƠ ĐỒ : Sơ đồ mạch lực Ikt L T3 T4 T2 T1 1 C2 R2 R1 Đ C1 U∼ Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH GIỚI THIỆU MẠCH LỰC : Mạch lực gồm : 4 Triristor T1-T4 mắc với nhau thành một sơ đồ Cầu đối xứng; 2 Điện trở R1;R2 2 Tụ C1;C2 mắc nối tiếp nhau và từng nhóm mắc song song với Triristor nhiệm vụ bảo vệ quá tải về điện áp 1 Ap tô mát .AT dùng để đóng cắt để sửa chữa khi có sự cố đồng thời nó được bảo vệ động cơ khi ngắn mạch : I-3: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH LỰC : Đóng AT cấp nguồn cho mạch lực Khi Φ =Φ1 cho xung điều khiển mở T1 . Trong khoảng từ Φ1-Φ2 . Tiristor T1 và T4 cho dòng chạy qua , khin điện áp vào đổi dấu Thì T3 mở ngay . T1 tự nhiên khoá lại dòng id =I d chuyển từ T1 Sang T3 lúc này T3 và T4 cùng cho dòng chạy qua Ud= 0 + Khi Φ =Φ3 =Π + α cho xung mở T2 dòng tải id =Id chạy qua T3 và T2 Đồng thời T4 bị khoá lại . Quá trình có thể lặp đi lặp lại sơ đồ sử dụng van là Tiristor khi muốn ngừng hoạt động ta có thể ngắt AT cắt nguồn: I-4: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ : 4-1: Các số liệu ban đầu của mạch lực : P = 2,2 (kw) Uđm = 220 (v) Iđm = 10 (A) Nđm = 1500 (v/p) η = 0,85 4-2: tính chọn van . Để điều khiển tiristor dẫn dòng thì ta có : UAk > 0 I g > 0 Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Các thông số cơ bản của van được tính như sau. Ulv = KNV .U2 = 1,41.110 =155 (v) Do sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha nên ta có . 41,12 ==nvK Điện áp ngược mà van phải chịu . Unv = Kđtv . Ulv = 1,9.155 =294 (v) Kđtv la hệ số dự chữ điện áp thường lấy >1,6. Nên dòng điện đinh mức của van là . Ilv = Khd .I =0,67.10 =6,7 ( A) Khd =0,67 Do chỉnh lưu cầu một pha Dòng điện định mức của van được chọn dựa vào điều kiện làm mát van chọn điều kiện làm mát van bằng không khí tức làm mát tự nhiên bằng cánh tản nhiệt với đủ diện tích bề mặt cho phép làm việc Iđmv =Ki .Ilv =1,5.6,7 = 10 (A) Ki = 1,5 là hệ số dự chữ dòng điện Chọn van bán dẫn với . Unv = 294 (v) Iđmv = 10 (A) Loại tiristor cần chọn là ,T12N400COE có các tham số sau Điện áp ngược cực đại của van là : Un = 400(v) Dòng định mức của van là : Iđm = 15(A) Đỉnh xungdòng điện : Ipik = 220(A) Dòng điện của xung điều khiển Iđk = 40(mA) Điện áp của xung điều khiển Uđk=2(v) Dòng điện rò Ir =5(mA Sụt áp lớn nhất của tiristor ΔU =2,8(v Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Tốc độ biến thiên điện áp )/(200 mv dt du = Tốc độ biến thiên dòng điện )(180 μςA dt di = Thời gian chuyển mạch Tcm =50μs Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép Tmax =1250C 4-3: Tính chọn thiết bị bảo vệ van: Dùng áptômát để tác động nhanh đóng cắt mạch đọng lực tự bảo vệ .Quá tải và ngăn mạch tiristor. + chọn áptômát (AT) có Iđm =(1,1-1,3)Id Sao cho dòng bảo vệ của áptômát không vượt quá dòng ngăn Mạch của thứ cấp . Chọn Iđm = 1,1I1d =1,1.3,74 =4,11(A) Uđm = 220(v). Dùng cầu chì ( cc) tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch , nhóm 1cc bảo vệ ngắn mạch bên ngoài được chọn theo. Giá trị hiệu dụng của dòng điện thứ cấp của máy biến áp I1cc = 1,1.I2 =1,1.6,7 =7,37 (A) Chọn I1cc =8 (A) Nhóm 2cc bảo vệ van phụ tải . I2cc =1,1 Id =1,1.10 =11 (A) +; Bảo vệ quá nhiệt độ cho van bán dẫn . Để van bán dẫn làm việc an toàn không bi trọc thủng vì nhiệt ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý . hiện nay phổ biến người ta thường dùng làm mát bằng cánh tản nhiệt . - tổn thất công suất trên 1 tiristor . ΔP =ΔU.Ilv = 1,9.6,7 =12,73 (w) - diện tích bề mặt toả nhiệt . 35,0 40.9 73,12 . ==Δ= tKtn PStn ( m2) =35 (cm2) Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Trong đó : t0 =t0lv –t0mt độ chênh lệch so với môi trường nhiệt độ làm việc t0lv = 800 Nhiệt độ môi trường : t0mt = 40 vậy t0 = t0lv = t0mt = 800 Bảo vệ quá điện áp: Quá điện áp chuyển mạch xuất hiện khi van bán dẫn chuyển mạch từ trạng thái thông sang trạng thái ngắt . Để bảo vệ về điện áp chuyển mạch người ta nối song song với mỗi van một mạch R- C 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 trị số của điện trở và điện dung của mạch tuỳ theo từng loai van: R = (5÷10) (Ω) C = (0,25÷4) (μF) Vậy ta chọn R = 22Ω C = 0,47 (μF) 4-4: xách định thông số mạch phần ứng : Với các thông số đã cho của động cơ ta tính được điện trở phần ứng động cơ. Theo công thức phần ứng : Rư= 0,5(1-ηđm) . Idm Udm Thay số : Rư = 0,5.(1-0,85). 10 220 = 1,25(Ω) Điện cảm mạch phần ứng tính theo công thức gần đúng : Lư =K2 . ¦.. WdmZpIudm Udm Wđm = 55,9 Ndm Trong đó : K2 là hệ số chọn = 5,6 (đối với máy không bù) Zp là số đôi cực Zp =2 Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Thay số ta có : Lư = )(2,0 55,9/3000.2.10 220.6,5 H= Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH II: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐIỀU KHIỂN : II-1 : các chức năng mạch điều khiển Mạch điều khiển có chức năng điều chỉnh vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên Anot và Ktot của tiristor: Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở tiristor (xung điều khiển thường Có biên độ từ 2÷10v Độ rộng của xung Tx = 20÷100μs Độ rộng của xung được tính theo biểu thức : Tx = dt di Idt Trong đó: Iđt là dòng duy trì tiristor dt di tốc độ tăng trưởng dòng tải Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH II-2: CẤU TRÚC MẠCH ĐIỀU KHIỂN . Điều khiển tiristor trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay thường gặp là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính . nội dung của nguyên tắc này như sau : Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào anod của Tiristor, để có thể điều khiển được góc mở α của Tiristor trong vùng điện áp dương anod ta cần tạo một điện áp tựa dạng tam giác ,ta thường gọi điện áp tựa là điện áp răng cưa Urc như vậy điện áp tựa cần có trong vùng điện áp dương anod Dùng một điện áp một chiều Uđk so sánh với điện áp tựa .tại thời điểm điện àp tựa bằng điện áp điều khiển ( Urc = Uđk) trong vùng điện áp dương anod thì phát xung điều khiển để mở van. Sơ đồ cấu trúc của mạch điện điều khiển Ta có sơ đồ cấu trúc: -ĐF: khâu đồng pha là khối tạo điện áp đồng bộ với điện áp trên anot – knot của tiristor. - RC: khâu tạo điện áp răng cưa Urc - SS: Khâu so sánh có nhiệm vụ so sánh tín hiệu Urc và Uđk - TX: khâu tạo xung chùm -KD:khâu khuyếch đại xung -BAX: biến áp xung Uđk ĐF RC SS TX KĐ BAX Urc Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Giản đồ điện áp 0 0 0 0 0 U 0 0 ω t U 1 U 2 U 3 U 4 U 4 U 5 U 6 ω t ω t ω t ω t ω t ω t ω t Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH II-3: LỰA CHỌN CÁC KHÂU TRONG MẠCH ĐIỀU KHIỂN : CHỨC NĂNG CỦA CÁC KHÂU 3-1: KHÂU ĐỒNG PHA . Đầu vào tín hiệu xoay chiều biên độ nhỏ lấy từ biến áp. Đầu ra là tín hiệu xung vuông đồng pha với tín hiệu điện áp lưới đưa vào khâu tạo điện áp tựa Urc Sơ đồ gồm máy biến áp đồng pha và một khâu so sánh. Cuộn thứ cấp của biến áp đồng pha gồm hai cuộn dây có điểm giữa trung tính. Sau hai nữa chu kỳ điện áp hình sin ở đầu vào Đ1và Đ2 thì ở đầu ra của nó có điện áp dương. Tín hiệu đồng pha này được dưa vào cổng đạo và khuếch đại thuật toán OA1. Cộng không đạo OA1 nhận tín hiệu đặt một chiều qua khâu phân áp VR1. Kết quả ở đầu ra của OA1 ta có được các xung vuông. H Sơ đồ cấu trúc của khâu đồng pha R1 VRĐ2 Đ1 BAĐP OA1 B +E U~ t UA t Ung t UB Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH 3-2: KHÂU TẠO ĐIỆN ÁP RĂNG CƯA . Là điện áp để so sánh với Uđk điểm cân bằng là thời điểm phát xung, hình dạng của Ur phụ thuộc vào nguyên tắc điều khiển ở đây ta chọn nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Điện áp ur là điện áp răng cưa đồng pha với điện áp lưới. Có nhiều phương pháp để tạo ra ur + Sơ đồ dùng đi ốt và tụ điện + Sơ đồ dùng cho Tranzitor + Sơ đồ dùng vi mạch Trong bản thiết kế này ta chọn sơ đồ dùng vi mạch, tín hiệu răng cưa được tạo thành nhờ tụ C1 nhờ vào sự phóng nạp. Sơ đồ mắc theo kiểu tích phân, phần tử chính của mạch là tụ C1 và khuếch đại thuật toán OA1 và OA2. Chọn loại khuếch đại thuật toán OA2 là loại khuếch đại thuật toán μA741 Nguồn cung cấp ± 15V . Tín hiệu được đưa vào cổng đảo của OA2 thông qua đi ốt chặn để lấy tín hiệu điện áp âm Nguồn E+ (15) được mắc vào cửa đảo nối tiếp tụ C1 để nạp cho tụ thông qua R3 và VR2 để khống chế thời gian và phóng của tụ C1 UC +URCM -URCM Uđk VR OA2 R4 R3B + - + - D3 C1 C Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Khi u0 > uA điện áp ra của OA1 (Uđp < 0) thì tụ Đ3 thông tu được nạp theo ký hiệu như hình vẽ In = Ic = i2 – i1 Trong đó R E RVR EI =+= 322 (R = VR2 + R3) 4 =1 R UdUbh I Chọn Ubh = 12V Với (Ud = 0,5V sụt áp trên đi ốt Đ3) 4 5,0121 R I −= u = u ∫ i dt Với quy ước chiều như hình vẽ thì ic < 0 thay vào ta có 1 ).15 4 5,11( C t RR Ur −= Khu Ub = -Ubh thì Đ3 dẫn tụ C1được nạp điện đến giá trị bão hòa + Urcmax Khi Ub = + Ubh thì Đ3 khóa tụ C3 phóng điện từ + Urcmax ÷ - Urcmax RR EIp 15== Điện áp trên tụ giảm dần 1 .15 RC tUzUr −== nếu thời gian tp là thời gian phóng của tụ ta có 1 .15 RC tUzUr −== Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH 3-3: KHÂU SO SÁNH . H Sơ đồ cấu trúc của khâu so sánh Nhiệm vụ của khâu so sánh là so sánh điện áp răng cưa Urc với điện áp điều khiển Uđk để định thời điểm phát xung mở Tiritor. Điện trở R5 ,R6 có tác dụng hạn chế đầu vào khuếch đại thuật toán ( chon vào khoảng 10 kΩ ) Điện áp đầu ra của khâu so sánh tại điểm D là UD = - 15 V khi Urc > Uđk UD = + 15 V khi Urc < Uđk t +URC Uđk - t Ud α t T1 UF t T2 UG + - OA3 R5 R6 C D Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Điểm Urc = Uđk là điẻm lật trạng thái xác định thời điểm phát xung. Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH 3-4:KHÂU KHUẾCH ĐẠI XUNG. H Sơ đồ công cấu trúc của khâu khuếch đại xung. Sơ đồ sử dụng hai Tranzitor T1 và T2 ghép trực tiếp làm chức năng khuếch đại, đầu ra ghép với tải bằng biến áp xung, tín hiệu lấy ra từ hai khâu gửi tới: - Tín hiệu từ khâu so sánh gửi tới. - Tín hiệu từ khâu xung chùm gửi tới. Nguyên lý hoạt động Khi đầu ra của khâu so sánh là một xung điện áp đường dẫn tới T1 mở tạo thiên áp cho T2 mở. Khi T2 mở sẽ có dòng chảy qua cuộn sơ cấp biến áp xung và kết quả là thứ cấp biến áp xung có được một chuỗi xung có tần số bằng mạch của máy phát xung chùm, và có độ dài xung phụ thuộc vào xung dương của khâu so sánh. XC SS Đ4 Đ5 Đ6 Đ7 R8 R9 T1 T2 BA+E Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH 3-5: KHÂU TẠO XUNG CHÙM. H sơ đồ khâu tạo xumg trùm Nhiệm vụ của khâu tạo xung chùm là băm tín hiệu xung điều khiển thành dãy xung nhỏ với tần số cao (cỡ khoảng 10 KHZ) Người ta dùng xumg chùm là nhằm mục đích làm mở chắc chắn Tiristor Tần số xung ra 210 11 CRT f +== R13 hạn chế điện áp đặt lên cực Bazơ của Tranitor T3 Đ8 loại bỏ xung âm đặt lên T3 Ở đây ta chọn bộ dao động dùng IC khuyến đại thuật toán μA 741 Tụ C2 liên tục được phóng nạp làm cho IC khuếch đại thuật toán lật trạng thái liên tục Mạch tạo xung chùm có tàn số fXC = 10 KHZ Txc = 100μs Chọn R11 = R12 = 10KΩ Đ9 R10 R11 R12 R13 EOA4 - + T3 C2 R14 Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH II-4:TÍNH TOÁN CÁC KHÂU TRONG MẠCH ĐIỀU KHIỂN . 4-1: khâu biến áp xung. + Biến áp xung có nhiệm vụ để truyền tín hiệu điều khiển BAX có các đặc + Điểm sau: - Tạo xung vuông có biên độ theo yêu cầu - Để phân bố đi các kênh - Để thay đổi cực tính xung ra - Cách ly về điện giữa mạch điều khiển và mạch động lực Do ta đã tính chọn van là Tiristor có các thông số sau đây Ug = 10V Ig = 0,42 A Qua các tài liệu tham khảo tỉ số máy biến áp xung thường chọn ( 1 ÷ 3) là tốt nhất, ở đây ta chọn tỉ số máy biến áp KBA = 2 - Chọn vật liệu là lõi thép pherit làm việc trên một phần đặc tính từ hóa + Độ biến thiên cường độ từ trường B = 0;2 (Tesla) + Độ biến thiên mật độ từ cảm H = 30A/m Do TX = Tn nên coi trị số dòng điện hiệu dụng cuộn thứ cấp bằng 1/2 dòng điều khiển I2 = 1/2Ig = 1/2.0,42 = 0,21 (A) + Thể tích lõi pherit được tính BH UxtxIUKbaxV ..2.2.= Trong đó UX là độ sụt áp xung lấy bằng 0,2 + Tần số xung chúm là txc = 10 KHZ txc = 1/txc = 1/10.103 = 100 μs Cho rằng xung đối xứng thì khoảng nghỉ bằng khoảng có xung vậy độ rộng của xung tx = 0,5 . Tx = 0,5 . 100 = 50 μs Vậy V = 0,7 .10-6 (m3) = 0,7 (cm3) Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Tra bảng trong trường hợp từ hóa một phần chọn lõi thép có hình chữ E có kí hiệu 814E250. Có diện tích lõi từ 0,202 (cm3) điện áp sơ cấp biến áp xung phải kể đến điện áp rơi trên điot Uđ = 0,6V khi đó giá trị điện áp ở cuộn sơ cấp BAX là. U1 = 2.Ud + K.Ug = 2.0,6 + 2.10 = 21,2 V (K là tỉ số máy biến áp xung K = 2 ÷ 3 chọn K = 2) Giá trị dòng điện trên cuộn sơ cấp biến áp xung là I1 = Ig/KBAX = 0,42/2 = 0,21 (A) Số vòng dây cuộn sơ cấp BAX là: 3,262 10.202,0.2,0 10.50.2,21 4 6 1 ==W (vòng) Số vòng dây cuộn thứ cấp BAX W2 = W1/ KBAX = 262,3/2 = 131,15 (vòng) Tiết diện dây quấn sơ cấp S1 = I1/J (chọn J = 4 A/mm) S1 = 0,21/4 = 0,0525 (mm2) Đường kính dây quấn sơ cấp BAX: )(25,04. 14,3 2,0 .2..2 1 1 1 mmπj I d === Đường kính dây quấn thứ cấp )(36,04. 14,3 2,0 .2..2 1 2 2 mmj I d === π 4-2: khâu khuếch đại xung. Xung chùm có tần số cao. được chộn lẫn với xung tới từ khâu so sánh Sơ đồ khâu khuếch đại xung gồm hai Tranzito mặc theo sơ đồ kiêu dalington E2 là nguồn một chiều từ khối nguồn của mạch điều khiển vào có : E2 = + 24V Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH ⇒ R = E2 /I2 = 24/0,21 = 114 (Ω) Ta chọn tranzitor T1 là loại có mã hiệu C828 có các thông số sau UCF = 30V β = 30÷100 ICmax = 300mA IB3 = 10 mA Ta có IC2 = IE2 mà IE2 = IB3 = 10 mA UCEE2 = 24V. Khi T1 thông - Chọn tranzitor T2 loại ST630 có: UCE = 30V ICE = 80 mA β = 30÷100 IB2 = IC1/β = IC1/30 = 10/30 = 0,33 A Hệ số khuyến đại của khâu là βK = β1 β2 chọn β1 = β2 = 30 ⇒ βK = 30.30 = 900 Điều kiện làm việc của tranzitor ở chế độ xung IC2 = IB3 ≥ IC3 /β = 0,33 mA R9 và Đ5 có nhiệm vụ bảo vệ tranzitor khỏi bị đánh thủng vì quá điện áp do sức điện động cảm ứng của cuộn sơ cấp biến áp xung gây ra. Quá trình xảy ra như sau: - Khi tranzitor đang ở trạng thái mở chuyển sang trạng thái khóa do trị số điện cảm lớn nên sức điện động cảm ứng được tính như sau: e = w1 (du/dt) Do sức điện động có chiều ngược với sức điện động nguồn nên D7 mở do đó năng lượng tiêu tán trên R12 tránh cho tiếp giáp CE của tranzitor phải chịu điện áp lớn. R8 giúp cho tranzitor T1 dễ khóa Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Đ4 giải phóng năng lượng do dòng rò trong miền Bazow T2 và bảo vệ cho tiếp giáp BE không phải chiụ điện áp ngược khi tranzitor khóa R8 thường chọn vào khoản 100÷400Ω ta chọn R8 = 200Ω R6 và R7 ta chọn = 2 KΩ Chọn điốt Đ4Đ5Đ6Đ7 là loại có kí hiệu Π 204 do Nhật Bản chế tạo có Itb = 800 mA và Uim = 100V 4-3: khâu so sánh. Ta chọn khuyếch đại thuật toán OA3 là loại μA 741 có các thông số sau Ung = ± 3 ÷ 22V Uđ = ± 30V Unf = ±15V It = 100 mA Nhiệt độ cho phép [ t ] = 55 ÷ 1250C Zra = 60 Ω Zvào = 300Ω Ira= ± 125 mA K0 = 5.104 t u d d = 0,5V/μs Các điện trở R5 và R6 chọn bằng 20KΩ 4-4: khâu tạo điện áp răng cưa. Chu kỳ của khâu tạo xung răng cưa là 1/2T = t1+ t2 = 10 μs Trong đó t1 là thời nạp của tụ nạp từ (- URCmax đến + URCm) t2 là thời gian tụ C phóng từ ( + URCm đến - URCm) ta chọn t1 = 1 (ms), t2 = 9 (ms) Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH III : THIẾT KẾ NGUỒN MỘT CHIỀU CÓ ỔN ÁP I. Sơ đồ khối bộ nguồn một chiều ổn áp. U1 Lưới 220V-50Hz Hạ áp cách ly U2 Chỉnh lưu UCl Mạch lọc Uv Mạchổn định điện áp Ur 1. Các phần tử thực hiện khối chức năng + Dùng MBA thực hiện khối hạ áp và cách ly + Dùng Điốt thực hiện khối chỉnh lưu + Dùng tụ điện có điện dung lớn thực hiện mạch lọc + Dùng IC ổn áp tuyến tính họ 7815 để thực hiện mạch ổn định điện áp +15v + Dùng IC ổn áp tuyến tính họ 7815 để thực hiện mạch ổn định điện áp - 15 2. SƠ ĐỒ MẠCH NGUYÊN LÝ -15v 7815 7915 C1 C3 C4 C2 220v +15v 0v Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH II.TÍNH TOÁN LỰA CHỌN PHẦN TỬ TRÊN SƠ ĐỒ Yêu cầu thiết kế: - Điện áp đầu ra của nguồn ổn áp Ur = ± 15 V - Dòng tải lớn nhất I tải = 1 A - Phạm vi thay đổi của điện áp lưới U1 = 160 Và 240(v) các bước tính chọn : 1/ Chọn điện áp rơi nhỏ nhất: ∆Umin = 5 V trên Ic ổn áp ứng với lúc điện áp xoay chiều đầu vào nhỏ nhất U1min = 160 V 2/ Điện áp nhỏ nhất của vào IC khi qua tụ lọc C1 Uvmin = Ur + ∆Umin = 15 + 5 = 20 V 3/ Điện áp chỉnh lưu nhỏ nhất khi chưa có tụ lọc ( )vUvUcl 4,14 41,1 10 41,1 min min === 4/ Điện áp nhỏ nhất của thứ cấp máy biến áp theo sơ đồ chỉnh lưu cần một pha U2min = 1,11 Uclmin + ∆Uba = 19,7 V Trong đó lấy ∆Uba = 4 V là điện áp rơi trên dây quấn MBA và dây dẫn 5/ Điện áp lớn nhất của máy biến áp lúc U1max = 240 V 5,297,19. 160 240 min2 min1 max1 max2 === UU U U 6/ Điện áp chỉnh lưu lớn nhất khi chưa có tụ lọc. Uclmax = 0,9 U2 max = 26 V 7/ Điện áp lớn nhất cửa vào IC ổn áp khi có tụ lọc . Điện áp lưới lúc này U1max = 240 V Uv max = 2 Uclmax = 36,7 V 8/ Sụt áp lớn nhất IC ổn áp ∆Umax = Uvmax – Ur = 21,7 V 9/ Công suất tổn thất lớn nhất trên IC ổn áp ∆Pmax = ∆Umax.Itải = 21,7 W Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH 10/ Công suất yêu cầu P tải = Ura . Itải = 15 W 11/ Công suất MBA Pba = Ptải + ∆Pmax = 36,7 W 12/ Tiết diện lõi sắt MBA S = 1,2 . Pba = 7,2 cm 2 13/ Hệ số quấn dây 3,85,5 6040 0 ÷=÷= SN (vòng/vol) 14/ Số vòng dây Cuộn sơ cấp W1 = N0 U1max = 1320 vòng Cuộn thứ cấp W2 = N0.U2max = 162,2 vòng 15/ Dòng điện Dòng thứ cấp A I I it 9,0 11.1 ¶ 2 == Dòng sơ cấp AI W W I 3,7. 2 2 1 1 == 16/ Tiết diện dây chọn mật độ dòng J = 5 A/mm2 Sơ cấp ( )21 5,1 mm J I = Thứ cấp ( )22 18,0 mm J I = 17/ Đường kính dây Sơ cấp d1 = π 14s = 1,38 mm Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Sơ cấp d1 = π 14s = 1,38 mm Thứ cấp d2= π 24s =0,47 mm 18/ Chọn IC ổn áp tuyến tính loại 7815 và 7915 So sánh ∆Umax < ∆Umax cp ∆Pmax < ∆Umaxcp Như vậy dùng IC ổn áp tuyến tính loại 7815 và 7915 thoả mãn yêu cầu thiết kế. 19/ Chọn tụ hoá Ta chọn: C1 = C2 = C3 = C4 = 470 μF U=35v 20/ Dùng điốt thực hiện khối chỉnh lưu Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH PHẦN IV– TÍNH CHỌN THIẾT BỊ T - Đ HAI MẠCH VÒNG. I. KHÁI NIỆM CHUNG I. Khái niệm 1: Trong các hệ thống truyền động tự dòng cũng như các hệ chấp hành thì mạch vòng dòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản. Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động một chiều và xoay chiều là trực tiếp (hoặc gián tiếp). Xác định mô men kéo của động cơ, ngoài ra có chức năng bảo vệ điều chỉnh gia tốc. Cấu trúc đơn giản nhất để điều chỉnh dòng điện là: Ta dùng bộ điều chỉnh tốc độ hoặc điện áp có dạng bộ khuyếch đại tổng và mạch phản hồi dòng điện phi tuyếnP. Khi tín hiệu dòng điện chưa đủ để khâu phi tuyến ra khỏi vùng kém nhạy, thì bộ điều chỉnh làm việc như bộ điều chỉnh tốc độ hay điện áp mà không có sự tham gia của mạch phản hồi dòng điện. Khi dòng điện đủ lớn khâu P sẽ làm việc ở vùng tuyến tính của đặc tính và phát huy tác dụng của bộ điều chỉnh R. Khái niệm 2: Khái niệm này được mô tả theo hình vẽ sau: (-)Ui UdI RI ΙcKB§ 1+ pTB§ Tup+ 1 KB§ EB Tip+1 Ki Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Cấu trúc theo kiểu này cho phép điều chỉnh độc lập từng mạch vòng với hai bộ điều chỉnh riêng biệt R1 & R2 trong đó bộ điều chỉnh R2 là bộ điều chỉnh dòng điện với giá trị đặt Iđ. Trong truyền động điện khái niệm điều chỉnh dòng điện được sử dụng rộng rãi và được thể hiện trên hình vẽ: Trong đó: RI – Bộ điều chỉnh dòng điện. Rco – Bộ điều chỉnh tốc độ. Mỗi mạch vòng có bộ điều chỉnh riêng được tổng hợp từ đối tượng riêng và theo tiêu chuẩn riêng. Uđ (-) Uu' Rω ω Mc RI S01 S 02 Uu' R1 So2 So1 R1 Mc I Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH II. LẬP MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA CÁC KHÂU VÀ CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG. 1. Mô tả toán học các phần tử của động cơ điện 1 chiều Giả sử: Từ thông Φđc = Φđm = const - U ưp= Eư(P).Rư+ Lư.P.iư+K Φ ω(P) -Mo(P) = Mc(P) = J.P.ω(P) Căn cứ vào đó ta có cấu trúc mạch vòng: Trong đó các phần tử: Uư: Là điện áp phân ứng động cơ iư: Là dòng điện phần ứng Rư: Điện trở phần ứng Lư: Điện cảm phần ứng Ta tính được mạch phần ứng động cơ: Theo công thức (2- 19) trang 31 (TĐĐ) ta có Rư = 0,5.(1- ηđm) mI mU ® ® Với η = 0,85 Uđm = 220 ⇒Rư = 0,5 ( 1-0,85) 10 220 Iđm = 10A Vậy suy ra Rư = 1,65 Ω Jp1+Tu'P(-)Eu' Kφ Uu' 1/Ru' Kφ 1 -Mc ωIu' Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Điện cảm mạch phần ứng có thể tính theo công thức. Với 55,9 = ®® mn mω Trong đó: KL – Hệ số điện cảm chọn KL = 5,6 (máy không bù) ZP – Số đòi cực, chọn ZP = 2. nđm = Iđm Iưđm tốc độ định mức, chọn nđm = 3000v/p Thay số vào công thức ta có: )(196,0= 55,9/3000.2.10 220 6,5=− AL Như vậy ta có hằng số thời gian chuyển mạch phần ứng là: )(12,0= 65,1 198,0 == − − − sR L T Từ phương trình đặc tính cơ tự nhiên: Suy ra m mm m ω IRU K ® ®® ® −. = - θ với 55,9 = ®® m m n ω Thay số ta có: 65,0= 55,9/3000 10.65,1220 =® - θ mK Mặt khác từ công thức. − 2 − 2 − − )( )( R KT J K JR T θ θ =⇒= Thay số vào ta có: 03,0= 65,1 65,0.12,0 = 2 J vậy ta có sơ đồ mạch vòng mô tả động cơ điện một chiều. dmpm mL ωZI UK L .. . = ®− ® − m mm m K IRU ω ® ®−® ® = θ - Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH 2. Mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Ta có sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện. Điện cảm phần ứng động cơ điện một chiều kích từ độc lập được xác định theo công thức mm− m ωZpI U KiL ®® ® − .. = Với: Ki – Hệ số dự trữ dòng điện chọn K = 0,25 Zp – Số đòi cực chọn Zp = 2. Thay số vào ta có: )(008,0= 55,9/3000.2.10 220 25,0=− HL Hằng số thời gian điện từ thuộc phần ứng động cơ )(0048,0= 65,1 008,0 == − − − sR L T Từ phương trình đặc tính cơ tự nhiên. -Mc 1+0,12P(-)Eu' 0,65 Uu' 1/1,65 Iu'(P) 0,65 0,03P 1 ω UdI (-)Ui Tu'P+ 11+ PTB§ Tu'P+1 Ki KB§ RI EB -E§ KB§ I¦ Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH m mm m m mm dm ω IRU K K IRU ω ® ®−® ® ® ®−® . = . = - θ θ - 55,9/ . = ® −® m dmm N IRU - Suy ra )(64,0= 55,9/3000 10.65,1220 =® wbK m - θ Hằng số thời gian cơ học. )(015,0 )( 2 − s θK R Tc == Xét thấy hằng số thời gian Tc = 0,015 9 (s) rất lớn so với thời gian điện từ của phần ứng động cơ Tư = 0,0048 (s).Vì thế nên ta coi sức điện của động cơ không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh mạch vòng dòng điện . Mặt khác phản ứng của mạch phần ứng (sức điện động E) chậm hơn nhiều so với phản ứng của bộ điều chỉnh dòng điện Ri nên khi tổng hợp mạch vòng dòng điện ta cần bỏ qua khâu phản hồi dòng điện: E = Kφđm. ω Ta có sơ đồ cấu trúc Từ đó ta có hàm truyền đạt. )1)(.1)(.1( /. )( − − PTPTPT RKK pSoi iB BI +++= các hằng số thời gian Tω, Ti rất nhỏ so với hằng số thời gian điện từ Tư (đặt Tsi = TB + Ti) Uđk RI Soi(P) Udi Ui= Iư..Ki Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH ).+1)(.+1( /. =)( − − PTPT RKK pSoi si BI Ta đặt − . = R KK K BIoi Suy ra ).1)(.1( /. )( − − PTPT RKK pSoi si BI ++= Thời gian trễ của bộ biến đổi: mf TB 2 1= f – Tần số lưới điện, f = 50 Hz m – Hệ số đập mạch với sơ đồ cầu một pha đk đối xứng thì m = 2 Khi đó )(5)(005,0 50.2.2 1 mssTB === Hệ số khuyếch đại: Với Ed = Edo cosα Lấy Uđk = 6v 628,0) 10 6 1( 2 Π =−=⇒ α ⇒ α = 510 Ed = 2,34. 100. cos 510 = 148 (v). Khi đó hệ số khuyếch đại: 25= 6 148 =BK Khâu phản hồi dòng điện có dòng truyền: PT K pW i i i += 1)( Ta có hệ số tỉ lệ: m mi i I U K ® ®= Chọn Uiđm = 6v vTachänUrm U U U Ed dU d K rm kd dkdk Ed B 10=)1( 2 = == -Πα Δ Δ Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Vậy 6,0 10 6 ==iK Bỏ qua hằng số thời gian Ti 1,9 65,1 6,0.25. − === R KK Koi iB Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu môđun ta tìm được hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện có dạng là khâu PI: Chọn: Tri = Tư =0,048 (s) K. Tri = 2Tsi . Koi = 2 TB . Koi Sơ đồ điều khiển thuộc bộ đìêu chỉnh dòng điện: Ta có hàm truyền đạt của bộ điều chỉnh PCR CPR PR fω .. 1 1 ++= So với hàm truyền: PKT PTri PR Ri i . 1. )( += Suy ra Rf. C = Tri (I) R1 . C = K. Tri (II) Ud Ui R2 + V- V+- RfR1 C KTpR rii )( = 1)(.1()( −TPTpSoi ++= Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Từ (I) suy ra : Rj = C TRi với Tri = Tư = 0,008 (s) Chọn C = lμf ⇒ Rf = 6 10.1 0048,0 − = 4800(Ω) Từ (II) suy ra: C TK R ri . 1 = . Chọn C = 1(μf) Kri = 0,03 )(30)(30000 10.1 03,0 61 ΩΩ kR ===⇒ − Vì Ud = Ui = 6v ⇒ R1 = R2 = 30 kΩ Đặc tính và hàm truyền của động cơ điện một chiều thay đổi rất mạnh khi chuyển về vùng dòng điện gián đoạn. Điều này làm phức tạp cho công việc tổng hợp các bộ điều chỉnh của hệ. Vì thế sử dụng các bộ điều chỉnh dòng điện thích nghi nên có khả năng thayđổi đựơc cấu trúc và thông số giúp cho hệ đạt được đặc tính điều chỉnh tốt hơn. 3. Mạch vòng điều chỉnh tốc độ. Mạch vòng điều chỉnh tốc độ có chức năng cơ bản là trực tiếp hoặc gián tiếp xác định tốc độ của động cơ cho phù hợp với tải trọng thay đổi đột ngột: Ta có sơ đồ: Căn cứ vào sơ đồ trên ta có: )1)(12( 1 . .. . )( − ++= PTPTPTKK KR PS ωsici ω ow θ SωKω 1+PTω Udω (-) Uω Ri 1/Ki 1+2TsP HC JP 1 ωKφ Mc Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Trong đó: Suy ra : )1( )( += PTP K PS ωs ωo ωo Theo tiêu chuẩn tối ưu mô đun ta xác định được hàm truyền thuộc bộ điều chỉnh là khâu tỉ lệ: )+1(+2).( 1 =)( PPPS PR o co τδτδω Với (Tsω = τδ) )(= ..2 ... =)( . KP TRK TKK PR su cii ωω ω Φ Ta có mạch tạo lên khâu tỉ lệ: Tsω = 2Tsi + Tω = 2.0,002 + 0,001 = 0,005. Chọn: Tw = 0,001. Khi đó ta có : 6,0= 10 6 === ®− m ii i I U I U K chọn: Ui = 6v 191,0= 55,9/3000 6 == ®mW U K ωω Chọn: Uω = 6v Udω Uω R3R1 +- - +R2 o KK .Φω = Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Ở phần trước ta tính được: Tc = 0,015(s) KΦ = 0,64 Rư = 1,65 (Ω) Tư = 0,048 (s) Mà: ω Φ sω ci TRK TKK pK ..2 .. =)( − Thay số ta có: 18 005,0.65,1.0191,0.2 015,0.64,0.6,0 )( ==PK mà 1 3)( R R PK = chọn R1 = R2 = 10kΩ Theo tiêu chuẩn môđun tối ưu đối xứng mạch vòng điều chỉnh tốc độ có hàm truyền là bộ điều chỉnh tốc độ có hàm phân tỉ lệ PT. PTK PT PR o o ω .. +1 =)( Hàm truyền hở của mạch là: Fo (P). )1+2( 1 . .. . . . +1 =)( ' − PTPTKK KR PTK PT PF sc ω o o o Φi Từ hàm truyền hở ta có thể tìm được hàm truyền kín F(P) đồng nhất F(P) với hàm chuẩn tối ưu đối xứng ta tìm ra tham số của bộ điều chỉnh. Nếu chọn T’s = Ts thì To= 8Tos )1+ 8 1 ( 4 1 . . .. =)( 4. . . 8 )2(8 . .. . = '' − '− ' 2' − ss ci ω s cis s c ω TTKR TKK PR T TKK KR T T TKK KR K Φ Φ Φ ω Φi Khi tổng hợp hệ thống theo phương pháp tối ưư đối xứng thường phải dùng thêm khâu tạo tín hiệu đặt. Để tránh quá điều chỉnh khâu tạo tín hiệu đặt này thường có hàm truyền của khâu phân lọc thông thấp, bậc nhất có hằng số thời gian lọc phụ thuộc và gia tốc cho phép của hệ thống. Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH [ ] 1+1+).2+1(4.8 8+1 = )( )( =)( ';' ' PTTPT PT PU PU PF sss s ωd ω ω mạch vòng điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng có kết quả vô sai cấp hai đối với tín hiệu điều khiển là vô sai là cấp 1 với tín hiệu nhiễu. Như vậy hệ trên đã được ổn định thì sai lệch tốc độ sẽ bằng không. Khâu phản hồi âm tốc độ có hàm truyền: PT K PW ω ω ω +1 =)( Trong đó hệ số tỷ lệ Kω = m ω ω U ® Chọn Uω = 6v Vậy: 02,0= 55,9/3000 6 =ωK áp dụng theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng với hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ có dạng: . +1 =)( 0PKT PT PR oω với To = 4Tsω mà Tsω = Tω + 2 Tsi. Chọn Tω = 0,001 (s) vậy: Tsω = 0,001 +2 . 0,02 = 0,041(s) To = 4 Tsω = 4 . 0,041 = 0,164(s) =K ci ω−ωs TKK KRT .. ..2 Φ Thay số vào biểu thức trên ta có: 164,0.47,0 .164,0+1 = +1 = 47,0= 015,0.64,0.6,0 02,0.65,1.041,0.2 = P KT PT R K o o ω theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng bộ điều chỉnh tốc độ có cấu trúc là PI. Vậy sơ đồ điều khiển bộ điều chỉnh tốc độ: Trường ĐHBK Hà Nội -- -- Đồ án tốt nghiệp SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH Rg. C = To (III) R3. C = KTo (IV) Từ (III) C T R of =⇒ chọn tụ C = 1μF Thay số vào )Ω(164)Ω(164000 10.1 164,0 6 kRf === − Từ (IV) suy ra: R3 = C KTo thay số vào ta có: )(77)(77000 10.1 164,0.74,0 63 ΩΩ kR === − CR fR 3 R 4 + - V + V - U ω U d ω