Đồ án Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay

ng kính trụ : d = = Chuẩn đoán đường kính trụ theo tiêu chuẩn d = 11 (cm) 8. Chọn loại thép: $330 các lá thép có độ dày 0,5 mm Chọn mật độ từ cảm trong trụ Bt = 1(T) 9. Chọn tỷ số: m= = 2,3 , suy ra h = 2,3 . d = 2,3.9 = 20,7 (cm) Ta chọn chiều cao trụ là 21 cm. *)Tính toán dây quấn . 10. Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp: W1= = =288,1(vòng). Lấy W1= 288 vòng . 11. Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp : W2 = .W1=(vòng). Lấy W2= 71 vòng. 12. Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp: Với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô, chọn J1= J2= 2,75 (A/mm2). 13. Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp: S1 = =(mm2) Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B . Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn : S1 = 12,30 (mm2). Kích thước dây dẫn có kể cách điện: S1cđ = a1.b1= 1,81.3,05 =(mm x mm). 14. Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp: J1= = (A/mm2). 15. Tiết diện dây dẫn thứ cấp của máy biến áp: S2 = = (mm2). Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật ,cách điện cấp B . Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn : S2= 23,6 (mm2). Kích thước dây dẫn có kể cách điện : S2cđ = a2.b2 = 3,05.7,4 (mm x mm). 16. Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp: J2= = (A/mm2). *)Kết cấu dây dẫn sơ cấp : Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục. 17. Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp: W11= . kc=(vòng). Trong đó : kc= 0,95 là hệ số ép chặt . h : là chiều cao trụ . hg : là khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp . Chọn sơ bộ khoảng cách cách điện gông là 1,5 cm . 18. Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp : n11= = (lớp). 19. Chọn số lớp: n11=6 lớp . Như vậy có 288 vòng chia thành 6 lớp chọn 6 lớp đầu vào có 48 vòng. 20. Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp : h1= = (cm). 21. Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dầy : S01= 0,1 cm. 22. Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp: a01= 1,0 cm . 23. Đường kính trong của ống cách điện : Dt= dFe + 2.a01- 2.S01 =9 + 2.1 - 2.0,1 = 10,8 (cm). Đường kính trong của cuộn sơ cấp: Dt1= Dt + 2.S01=10,8 + 2.0,1= 11 (cm). 25. Chọn bề dầy giữa hai lớp dây ở cuộn sơ cấp : cd11= 0,1 mm. 26. Bề dầy cuộn sơ cấp: Bd1= (a1+cd11).n11= (1,81 + 0,1).6 = 1,146 (cm). 27- Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp: Dn1= Dt1+2.Bd1=11 + 2.1,146= 13,29 (cm). 28. Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp: Dtb1= =(cm). 29. Chiều dài dây quấn sơ cấp: l1 = W1.p.Dtb= p.288. 12,145 = 109,83 (m). 30. Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp : cd12= 1,0 cm *) Kết cấu dây quấn thứ cấp . 31. Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp: h1= h2 = 15,41 (cm). 32. Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp: W12= = (vòng). 33. Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp: n12= = = (lớp). 34. Chọn số lớp dây quấn thứ cấp: n12= 4 lớp . Chọn 3 lớp đầu có 18 vòng ,lớp thứ 4 có 71-3.18 = 17 (vòng). 35. Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp: h2= = (cm). 36. Đường kính trong của cuộn thứ cấp: Dt2 = Dn1+ 2.cd12 = 13,29 + 2.1 = 15,29 (cm). 37. Chọn bề dầy cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp : cd22= 0,1 (mm). 38. Bề dầy cuộn sơ cấp: Bd2 = (a2+cd22).n12 = (0,305 + 0,01).4= 1,26 (cm). 39. Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp: Dn2= Dt2+ 2.Bd2= 15,29 + 2.1,26 = 17,81 (cm). 40. Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp: Dtb2= = (cm). 41. Chiều dài dây quấn thứ cấp: l2 = p.W2.Dtb2 = p.71.16,55 = 36,9 (m). 42- Đường kính trung bình các cuộn dây: D12= = (cm). r12==(cm) . 43. Chọn khoảng cách giữa hai cuộn thứ cấp : a22= 2 (cm). *)Tính kích thước mạch từ . 44. Với đường kính trụ d= 9 cm ,ta có số bậc là 5 trong nửa tiết diện trụ . 45. Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ: Qbt= 2.( 8,6.1,1 + 7,7.0.85 + 6,3.0,7 + 4,8.0,5 + 2,8. 0.3) = 47,31 (cm2). 46. Tiết diện hiệu quả của trụ: QT= khq.Qbt = 0,95. 47,31 = 45 (cm2). 47. Tổng chiều dày các bậc thang của trụ: dt = 2.(1,1 + 0,85 + 0,7 + 0,5 + 0,3)= 6,9 (cm). 48. Số lá thép dùng trong các bậc: Bậc 1 n1= lá. Bậc 2 n2= lá. Bậc 3 n3= lá. Bậc 4 n4= lá. Bậc 5 n5= lá. *)Để đơn giản trong việc chế tạo gông từ ,ta chọn gông có tiết diện hình chữ nhật có các kích thước sau: Chiều dày của gông bằng chiều dày của trụ : b = dt = 6,9 cm. Chiều cao của gông bằng chiều rộng tập lá thép thứ nhất của trụ : a = 8,5 cm. Tiết diện gông : Qbg= a x b = 58,65 (cm2). 49. Tiết diện hiệu quả của gông: Qg= khq.Qbg = 0,95 .58,65 = 55,72 (cm2). 50. Số lá thép dùng trong một gông: hg = = (lá). 51. Tính chính xác mật độ từ cảm trong trụ: BT = = (T). 52. Mật độ từ cảm trong gông: Bg = BT. = 1,32. = 1,06 (T). 53. Chiều rộng cửa sổ: c = 2.(cd01+Bd1+cd12+Bd2) + cd22 = 2.(1 + 1,146 +1,0 +1,26) + 2 = 10,812(cm). 54. Tính khoảng cách giữa hai tâm trục: c’ = c+d = 10,812 + 9 = 19,812 (cm). 55. Chiều rộng mạch từ: L= 2.c +3.d = 2. 10,812 + 3.9 = 48,624 (cm). 56. Chiều cao mạch từ: H = h + =21 + 2. 8,5 = 38 (cm). *) Tính khối lượng của sắt và đồng . 57. Thể tích của trụ: VT = 3.QT.h = 3. 45. 21 = 2835 (cm3). 58. Thể tích của gông: Vg = 2.Qg.L = 2. 55,72. 55,756 = 6213,45 (cm3). 59. Khối lượng của trụ: MT= VT . mFe = 2,835. 7,85 = 22,25 (Kg). 60. Khối lượng của gông: Mg = Vg . mFe = 6,21345 . 7,85 = 48,78 (Kg). 61. Khối lượng của sắt: MFe= MT+Mg = 22,25 + 48,78 = 71,03 (Kg). 62. Thể tích đồng: VCu = 3.(S1.L1 + S2.L2) = 3.() . = 2,207 (dm3). 63. Khối lượng của đồng: MCu = VCu . mCu = 2,207 . 8,9 = 19,64 (Kg). *) Tính các thông số của máy biến áp . 64. Điện trở của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 75 0 C . R1= r.= 0,02133. (W). Trong đó r75 = 0,02133 (W). 65. Điện trở cuộn thứ cấp máy biến áp ở 750C . R2= r.= 0,02133. (W). 66. Điện trở của máy biến áp qui đổi về thứ cấp: RBA = R2 + R1= 0,0356 + 0,44 = 0,062 (W). 67. Sụt áp trên điện trở máy biến áp: DUr = RBA.Id = 0,062 . 70 = 4,34 (V). 68. Điện kháng máy biến áp qui đổi về thứ cấp: XBA= 8 .p2.(W)2..w.10-7 = 8.p2.712..314.10- = 0,1116(W). 69. Điện cảm máy biến áp qui đổi về thứ cấp: LBA = = = 0,000355 (H) = 0,355 (mH). 70. Sụt áp trên điện kháng máy biến áp: DUx = XBA.Id = 0,1116. 70 = 7,46 (V). Rdt =.XBA = 0,168 (W). 71. Sụt áp trên máy biến áp: DUBA= = = 8,63 (V). 72. Điện áp trên động cơ khi có góc mở: amin= 100 U = Ud0.Cosamin - 2.DUV - DUBA = 218,5.cos100 - 2.1,6 - 8,63 = 203,35 (V). 73. Tổng trở ngắn mạch qui đổi về thứ cấp: ZBA = = = 0,128 (W). 74. Tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp: DPn = 3.RBA .I2 = 3. 0,062.= 607,5 (W). DP% = .100 = = 4,13 % 75- Tổn hao có tải có kể đến 15% tổn hao phụ: P0 = 1,3.nf . (MT.BT2+Mg.Bg2) = 1,3.1,15.(22,25.1,322 + 48,78 .1,062) Po = 140 (W). DP % = .100 = = 0,95 % 76. Điện áp ngắn mạch tác dụng: Unr= .100 =.100 = 3,8 % 77. Điện áp ngắn mạch phản kháng: Unx = .100 = .100 = 6,15 % 78. Điện áp ngắn mạch phần trăm: Un= == 7,82 (V). 79. Dòng điện ngắn mạch xác lập: I2nm= = = 729,53 (A). 80. Dòng điện ngắn mạch tức thời cực đại: Imax = = = 1211,5 (A). < Ipik = 2800 (A). Ipik :Đỉnh xung max của Thyristor . 81. Kiểm tra máy biến áp thiết kế có đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến thiên của dòng chuyển mạch . Giả sử chuyển từ mạch T1 sang T3 ta có phương trình . 2.LBA . = U23 – U2a = max= = = 322159,65 (A/s) . max = 0,32 (A/ms) <cp = 100 (A/ms) . Vậy máy biến áp thiết kế sử dụng tốt . 82. Hiệu suất thiết bị chỉnh lưu: h = = = 95,22 %. 2.2.3. Thiết kế cuộn kháng lọc . 1.Xác định góc mở cực tiểu và cực đại . Chọn góc mở cực tiểu amin= 10o .Với góc mở amin là dự trữ ta có thể bù được sự giảm điện áp lưới . Khi góc mở nhỏ nhất a=amin thì điện áp trên tải là lớn nhất . Ud max = Udo .Cos amin =Ud đm và tương ứng tốc độ động cơ sẽ lớn nhất nmax=nđm. Khi góc mở lớn nhất a = amax thì điện áp trên tải là nhỏ nhất . Ud min = Udo.Cos amax và tương ứng tốc độ động cơ sẽ nhỏ nhất nmin . Ta có : amax = arcos = arcos (*) Trong đó Ud min được xác định như sau . D = = Ud min = Ud min = = Thay số: Ud min = Ud min= 31,28 (V). Thay số vào( *) ta được amax = arcos = arcos = 81,770 2.Xác định các thành phần sóng hài . Để thuận tiện cho việc khai triển chuỗi Furier ta chuyển gốc toạ độ sang điểm q1,khi đó điện áp tức thời trên tải khi Thyristor T1 và T4 dẫn : Ud = Uab = Với q = W.t Điện áp tức thời trên tải điện Ud không sin và tuần hoàn với chu kì : t = = = Trong đó P =6 : Là số xung đập mạch trong một chu kì điện áp lưới . Khai triển chuỗi Furier của điện áp Ud : Ud = . = . Trong đó : a = = . an = = bn= = . == . Ta có: =.. Vậy ta có biên độ của điện áp : Uk.n = Uk.n = 2. .. Uk.n = .. Ud . 3. Xác định điện cảm cuộn kháng lọc . Từ phân tích trên ta thấy rằng khi góc mở càng tăng thì biên độ thành phần sóng hài bậc cao càng lớn ,có nghĩa là đập mạch của điện áp, dòng điện càng tăng lên. Sự đập mạch này làm xấu 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 ta phải mắc nối tiếp với động cơ một cuộn kháng lọc đủ lớn để Im 0,1.Iư đm . Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bậc cao, cuộn kháng lọc còn có tác dụng hạn chế vùng dòng điện gián đoạn . Điện kháng lọc còn được tính khi góc mở a =amax Ta có : Ud+u~ = E+RuS.Id + RuS .i~ + L. Cân bằng hai vế : U = R.i~ +L. vì R.i~ << L. nên U = L.. Trong các thành phần xoay chiều bậc cao, thì thành phần sóng bậc k=1 có mức độ lớn nhất gần đúng ta có : U~ = U1m.Sin(6q +j) nên : I = = = Im.Cos(6q+j1). Vậy: Im = 0,1 Iưđm Suy ra : L r = 6 là số xung đập mạch trong một chu kì điện áp . Trong đó U1m = 2. U1m = 2. = 74,17(V) Thay số : L = = 0,0056 (H) = 5,6 (mH). Điện cảm mạch phần ứng đã có : Lưc = Lư+ 2.LBA = 3,5 + 2.0,355 = 4,21 (mH). Điện cảm cuộn kháng lọc . Lk = L- Lưc = 5,6 - 4,21 = 1,39 (mH). - Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc . Các thông số ban đầu : Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc : Lk= 1,39 (mH). Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng : Im = 70 (A). Biên độ dòng điện xoay chiều bậc 1: I1m = 10% Iđm= 7 (A). Do dòng điện cuộn kháng lớn và điện trở bé do đó ta có thể coi tổng trở của cuộn kháng xấp xỉ bằng điện kháng của cuộn kháng . Zk = Xk = 2.p.f.Lk = 2.p.6.50.1,39.10-3 = 2,62 (W). Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc . DU = Z . = 2,62. = 12,97 (V). 3- Công suất của cuộn kháng lọc . S = DU. = 12,97 . = 64,2 (VA). 4- Tiết diện cực từ chính của cuộn kháng lọc . Q = kQ . = 2.31 (cm2). KQ là hệ số phụ thuộc phương thức là mát ,khi làm mát bằng không khí tự nhiên .kQ = 5 . Chuẩn hoá tiết diện trụ theo kích thước có sẵn : Chọn Q = 4,25 (cm2). 5- Với tiết diện trụ Q = 4,25 (cm2). Chọn loại thép $330A ,tấm thép dày 0,35 mm . a= 20 (mm). b= 25 (mm). 6- Chọn mật độ từ cảm trong trụ : BT = 0,8 T. 7- Khi có thành phần dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn cảm thì trong cuộn cảm sẽ xuất hiện một sức điện động Fk : Fk= 4,44.w.f’.BT.Q Gần đúng ta có thể viết : Ek = DU = 12,97 (V). W = = 28,6 (vòng). Lấy w = 29 vòng . 8- Ta có dòng điện chạy qua cuộn kháng . i(t) = Id + i1mCos(6q + j1). Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng . Ik= = 70,17 (A). 9- Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng . S1= = 27,09 (mm2). Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật , cách điện cấp B , chọn Sk=27,6mm2. Với kích thước dây : ak x bk =3,80 x 8,00 (mm x mm). Tính lại mật độ dòng : j = (A/mm2). 11-Chọn tỷ số lấp đầy : Klđ = = 0,7 . 12- Diện tích cửa sổ: Qcs= = 11,43 (cm2). 13- Tính kích thước mạch từ : Qcs = c x h Chọn : m = Suy ra : h= 3.a = 3.20 =60 (mm). c = = 1,9 cm = 19 mm. 14- Chiều cao mạch từ . H = h + a = 60 +20 = 80 (mm). 15- Chiều dài mạch từ . L = 2.c + 2.a = 2.19 + 2.20 = 78 (mm). 16- Chọn khoảng cách từ gông tới cuộn dây hg = 2 mm. 17- Tính số vòng trên một lớp : w1= =8 (vòng). 18-Tính số lớp dây quấn : n1 = (lớp). 19- Chọn khoảng cách cách điện giữa dây quấn với trụ: a01 = 3mm. Cách điện giữa các lớp: cd1 = 0,1mm. 20- Bề dầy cuộn dây: Bd =(ak + cd1 ).n1 =(3,8+ 0,1).4= 15,6(mm). 21- Tổng bề dầy cuộn dây: Bd S=Bd +a01 = 15,6 +3= 18,6(mm). 22- Chiều dài của vòng dây trong cùng: l1 = 2(a+b)+2.pa01 = 2(20+25) + 2.p.3 = 108,8 (mm). 23- Chiều dài của vòng dây ngoài cùng: l2 = 2(a+b) + 2p.(a01 + Bd ) = 2.(20+25) + 2p(3+15,6)=206,8(mm) . 24- Chiều dài trung bình của một vòng dây: ltb = == 157,8(mm). 25- Điện trở của dây quấn ở 75o R= R= với r75 =0,02133 (W.mm2 /m) Điện trở suất của đồng ở 75o c . ta thấy điện trở rất bé nên giả thiết ban đầu bỏ qua điện trở là đúng 26- Thể tích sắt: vfe=2.a.b.h+2.a/2.b.l=a.b.(2h+1). =( dm3 ). 27- Thể tích sắt: Mfe = Vfe . mfe = 0,139.7,85=1,09 (kg). trong đó mfe là khối lượng riêng của sắt mfe =7,85 (kg/dm3 ) . 28- Khối lượng đồng: M cu = V cu . m cu = s k ltb.. w. m cu = 27,6.157,8.29.8,9. (kg) =1,12(kg). Trong đó: mcu =8,9 ( kg/dm3 ). 2.2.4. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực 1. Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ . Hình 2.11 .Mạch động lực có các thiết bị bảo vệ . 2. Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn: Khi làm việc với dòng điện có dòng điện chạy qua trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công suất Dp, tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp nào đó, nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý. +Tính toán cánh tản nhiệt . + Tổn thất công suất trên 1 Tiristo: Dp = DU. Ilv = 1,7.30,41 = 68,7` (w). + Diện tích bề mặt toả nhiệt: Sm =Dp/km .t Trong đó: Dp - tổn hao công suất (w). t - độ chênh lệch so với môi trường. chọn nhiệt độ môi trường Tmt =400 c. Nhiệt độ làm việc cho phép của Tiristo Tcp =1250 c. Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt Tlv =800 c . t = Tlv - Tmt = 400 c. Km hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. Chọn Km = 8 [ w/m2 .0 C ] . chọn loại cánh toả nhiệt có 12 cánh, kích thước mỗi cánh . a x b =10 x 10 (cm x cm). Tổng diện tích toả nhiệt của cánh S = 12.2.10.10=2400(cm2 ) . 3. Bảo vệ quá dòng điện cho van: +Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động đóng mạch khi quá tải và ngắn mạch tiristo, ngắn mạch đầu ra độ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu. + Chọn 1 apomat có: . Idm = 1,1 Illv= 1,1.22,33 ( A ) =24,56 ( A ). Udm =220 (v ). có 3 tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện. Chỉnh định dòng ngắn mạch : Inm =2,5 Ilv = 2,5.22,33 =24.56 (A). Dòng quá tải : Iqt =1,5 Ilv = 1,5.22,33=55,83 ( A ). Từ thông số trên ta chọn aptomat SA63B do hãng Fuji chế tạo có các thông số sau: . Chọn cầu dao có dòng định mức: Iqt = 1,1Ilv =1,1.22,3 = 24,56 (A). cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn khi sửa chữa hệ thống truyền động . +Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Tiristo, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu : Nhóm 1cc: Dòng điện định mức dây chảy nhóm 1 cc : I1cc =1,1. I2 = 1,1 . 57,15 = 62,87 (A) . Nhóm 2 cc: Dòng điện định mức dây chảy nhóm 2cc : I2cc =1,1. Ihd = 1,1 . 40,41= 44,45 (A) . Nhóm 3 cc: Dòng điện định mức dây chảy nhóm 3cc: I3cc =1,1. Id = 1,1 . 70 = 77(A) . Vậy chọn cầu nhẩy nhóm: 1cc loại 70 A. 2cc loại 50 A. 3cc loại 80 A. 4. Bảo vệ quá điện áp cho van: Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Tiristo được thực hiện bằng cách mắc R- C song song với Tiristo. Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa Anod và catod của Tiristo. Khi có mạch R- C mắc song song với Tiristo tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Tiristo không bị quá điện áp. Hình 2.12 .Mạch R_C bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch . Theo kinh nghiệm:R1 = (5) W ; C1 = (0,25 ) mF. Chọn tài liệu [4] : R1 = 5,1W ; C1= 0,25 mF. Hình 2.13 .Mạch RC bảo vệ quá điện áp từ lưới . +Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện ta mắc mạch R-C như hình 8.35 nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây . Trị số RC được chọn theo tài liệu [4] :R2= 12,5 W ;C2 = 4 mF. +Để bảo vệ van do cắt đột biến áp non tải ,người ta mắc một mạch R – C ở đầu ra của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha phụ bằng các điôt công suất bé . Hình 2.14 Mạch cầu ba pha dùng điôt tải RC bảo vệ do cắt MBA non tải. Thông thường giá trị tự chọn trong khoảng 10 0 mF. Chọn theo tài liệu [4] : R3 = 470 W ; C3 = 10 mF. Chọn giá trị điện trở: R4= 1,4 (KW) CHươNG 3:thiết kế mạch điều khiển 3.1. Yêu cầu và nhiệm vụ của mạch điều khiển. 3.1.1. Yêu cầu mạch điều khiển: Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi tiristor, nó có vai trò quyết định đến chất lượng, độ tin cậy của bộ biến đổi. Hệ thống mạch điều khiển phải đáp ứng được các yêu cầu sau: - Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển. - Yêu cầu về biên độ xung điều khiển. - Yêu cầu về độ dốc sườn trước của xung: càng cao thì việc mở càng tốt. - Yêu cầu về sự đối xứng của xung trong các kênh điều khiển. - Yêu cầu về độ tin cậy: + Xung điều khiển ít phụ thuộc vào dao động nhiệt độ, dao động điện áp nguồn. + Cần khử được nhiễu cảm ứng để tránh mở nhầm. - Yêu cầu về lắp ráp vận hành: Thiết bị thay thế dễ lắp ráp và điều chỉnh. 3.1.2. Chức năng: Nhiệm vụ của mạch điều khiển: Tạo ra các xung và ở những thời điểm mong muốn để mở các van động lực của bộ chỉnh lưu. Chức năng của mạch điều khiển: + Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kì dương của điện áp đặt trên anôt- catôt của tiristor. + Tạo ra các xung đủ điều kiện mở tiristor. Độ rộng xung được tính theo biểu thức sau: Idt- dòng duy trì của tiristor. di/dt – tốc độ tăng trưởng của dòng tải. + ổn định dòng điện ra tải và bảo vệ hệ thống khi xảy ra sự cố quá dòng hay ngắn mạch tải. 3.2. Nguyên tắc điều khiển. Để điều chỉnh góc mở của các tirisor trong nửa chu kì điện áp dương ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển: + Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính. + Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos. 3.2.1. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”: Theo nguyên tắc này người ta dựng hai điện áp: - Điện áp đồng bộ (ur), vượt trước điện áp anot- catot của tiristor một góc là : nếu uAK=Um.sint thì ur=Um.. - Điện áp điều khiển (uđk) - điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ (theo hai chiều dương và âm). t uđk (ur + uđk) ur ur udk 0 α Hình 3.1 : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “ARCCOS” Trên hình vẽ, đường nét đứt là điện áp anot- catot của tiristor. Từ điện áp này người ta tạo ra ur. Tổng đại số ur + udk được đưa đến đầu vào của khâu so sánh. Khi ur + udk = 0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh. Um.cosα + uđk= 0 Do đó: α = arccos. Khi udk = -Um thì α = 0. Khi udk =0 thì α = . Khi udk = +Um thì α = . Như vậy, khi điều chỉnh Ucm từ trị udk = -Um đến trị udk = +Um, ta có thể điều chỉnh được góc mở α từ 0 đến π. Nguyên tắc điều khiển này được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao. 3.2.2. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính: Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào Anod của Tiristo, để có thể điều khiển được góc mở a của Tiristo trong vùng điện áp dương Anod, ta cần tạo một điện áp tựa dạng tam giác, ta thường gọi là điện áp tựa là điện áp răng cưa Urc. Như vậy điện áp tựa cần có trong vùng điện áp dương Anod. Hình 3.2 . Nguyên lý điều khiển chỉnh lưu. Dùng một điện áp một chiều Uđk so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm (t1,t4) điện áp tựa bằng điện áp điều khiển (Urc = Uđk), trong vùng điện áp dương Anod, thì phát xung điều khiển Xđk. Tiristo được mở từ thời điểm có xung điều khiển (t1,t4) cho tới cuối bán kỳ (hoặc tới khi dòng điện bằng 0). Nhận xét: theo yêu cầu thiết kế mạch điều khiển ta thấy nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính là phù hợp. Ta chọn nguyên tắc điều khiển này. 3.3. Sơ đồ khối mạch điều khiển Để thực hiện được ý đồ đã nêu trong phần nguyên lí điều khiển ở trên, mạch điều khiển bao gồm ba khâu cơ bản sau(hình). Đồng pha So sánh Tạo xung Hình 3.3. Sơ đồ khối mạch điều khiển Uđk Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ khối hình 3.3 như sau: Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo điện áp tựa Urc (thường gặp là điện áp dạng răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp Anod của Tiristor. Khâu so sánh nhận tín hiệu điện áp răng cưa và điện áp điều khiển, có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển Uđk, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau (Uđk = Urc). Tại thời điểm hai điện áp bằng nhau, thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuếch đại. Khâu tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristor. Xung để mở Tiristor có yêu cầu: sườn trước dốc thẳng, để đảm bảo yêu cầu Tiristor mở tức thời khi có xung điều khiển (thường gặp loại xung này là xung kim hoặc xung chữ nhật); đủ độ rộng (với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của Tiristor); đủ công suất; cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực (nếu điện áp động lực quá lớn). tx Xđk t tx Xđk t Hình 3.4: Hình dạng xung điều khiển Thyristor. Với nhiệm vụ của các khâu như vậy tiến hành thiết kế, tính chọn các khâu cơ bản của ba khối trên. 3.3.1. Khâu đồng pha. Để thực hiện chức năng đồng bộ hoá, ta có thể sử dụng mạch phân áp bằng điện trở hay kết hợp giữa điện trở và điện dung, điện cảm. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là không cách ly được diện áp cao giữa mạch điều khiển với mạch động lực, do vậy phương pháp này ít được dùng. Phương pháp phổ biến hiện nay là sử dụng máy biến áp đồng bộ trong đó cuộn sơ cấp nối vào lưới còn cuộn thứ cấp là điện áp đồng bộ. Góc lệch pha giữa cuộn sơ và cuộn thứ được tính toán sao cho góc pha của điện áp đồng bộ uđb phù hợp với thời điểm mở tự nhiên của các tiristo. A B C * * * * * * ua ub uc 0 UA UB UC ub uc ua a) Với sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng góc thông tự nhiên (hình b) của mạch chỉnh lưu ba pha dịch pha so với điện áp pha một góc là 300 (nếu lệnh mở tiristor trước thời điểm góc thông tự nhiên này tiristor không dẫn, vì tiristor pha trước đó đang dẫn, điện áp đang còn dương hơn). Do đó, điện áp tựa làm nền đưa vào để mở tiristor cũng cần dịch pha một góc 300. Để dịch pha điện áp đồng pha đi một góc 300 cần nối biến áp đồng pha có sơ cấp nối tam giác (hình a). Khi đó điện áp thứ cấp mỗi pha biến áp trùng pha với điện áp dây (điện áp dây dịch pha so với điện áp pha một góc là 300, UAC trên hình b). UA UB UC t U Góc thông tự nhiên 300 l l UAC U t b) Hình 3.5: Sơ đồ đấu dây biến áp đồng pha a. Sơ đồ đấu dây biến áp đồng pha. b. Xác định góc thông tự nhiên và khoảng dẫn của tiristor. Hình 3.6: Khâu đồng pha dùng KĐTT. a- sơ đồ; b- các đường cong điện áp các khâu. b. UA t UB t URC t A C a. - - A1 D1 R1 A2 R2 R3 C1 Ura Tr Ngày nay các vi mạch được chế tạo ngày càng nhiều, chất lượng ngày càng cao, kích thước ngày càng gọn, ứng dụng các vi mạch vào thiết kế mạch đồng pha có thể cho chất lượng điện áp tựa tốt. Trên hình 3.6a giới thiệu sơ đồ tạo điện áp tựa dùng khuếch đại thuật toán (KĐTT). Hình 3.6 b là đường cong minh hoạ hoạt động của sơ đồ bên. 3.3.2. Khâu so sánh. Muốn xác định được thời điểm mở tiristor, tiến hành so sánh hai tín hiệu Uđk và Urc. Việc so sánh các tín hiệu đó có thể được thực hiện bằng Tranzitor (Tr) như trên hình 3.7a. Tại thời điểm Uđk = Urc ở đầu vào, Tr lật trạng thái từ khoá sang mở (hay ngược lại từ mở sang khoá), làm cho điện áp ra cũng bị lật trạng thái, tại đó xác định được thời điểm cần mở tiristor. Mức độ mở bão hoà của Tr phụ thuộc vào tổng đại số Uđk ± Urc = Ub, tổng đại số này có một vùng điện áp nhỏ hàng mV, làm cho Tr không làm việc ở chế độ đóng cắt như mong muốn, do đó nhiều khi làm thời điểm mở tiristor bị lệch so với điểm cần mở tại Uđk = Urc. KĐTT có hệ số khuếch đại vô cùng lớn, chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ (cỡ mV) ở đầu vào, đầu ra đã có điện áp nguồn nuôi, việc ứng dụng KĐTT làm khâu so sánh là hợp lí. Các sơ đồ so sánh dùng KĐTT trên hình 3.7b,c rất thường gặp trong các sơ đồ mạch hiện nay. Ưu điểm hơn hẳn của các sơ đồ KĐTT là có thể phát xung điều khiển chính xác tại Uđk = Urc. Hình 3.7: Sơ đồ các khâu so sánh thường gặp a- bằng tranzitor; b- cộng một cổng đảo của KĐTT; c- hai cổng KĐTT. b. A3 Ura R2 R1 Uđk Urc R1 Urc R2 Uđk -E R3 a. Tr Ura A Ura R1 R22 c. Uđk Urc + + - - 3.33. Tạo xung chùm điều khiển. Đối với một số sơ đồ mạch, để giảm công suất cho tầng khuếch đại, tăng số lượng xung kích mở (nhằm đảm bảo Tiristor mở một cách chắc chắn khi tiristor chất lượng xấu) và đệm xung điều khiển của chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng, người ta hay phát xung chùm cho các Tiristor. Một số sơ đồ khâu tạo chùm xung mô tả trên hình 3.8. Vi mạch 555 tạo xung đồng hồ hình 3.8a cho ta chất lượng xung khá tốt và sơ đồ cũng tương đối đơn giản. Sơ đồ này thường hay gặp trong các mạch tạo chùm xung. Trong thiết kế mạch điều khiển, thường hay sử dụng KĐTT. Do đó để đồng dạng về linh kiện, khâu tạo chùm xung cũng có thể sử dụng KĐTT, như các sơ đồ trên hình 3.8 b,c. Tuy nhiên, ở đây sơ đồ dao động đa hài hình 3.8b có ưu điểm hơn về mức độ đơn giản, do đó được sử dụng khá rộng rãi trong các mạch tạo xung chữ nhật. b. (9) c Hình 3.8: Một số sơ đồ chùm xung. a.Sơ đồ dùng vi mạch 555; b. Đa hài bằng KĐTT và các dạng điện áp. c. Tạo bằng mạch KĐTT Bộ khuyếch đai thuật toán A là một da hài dao động tạo ra các xung vuông có tần số cao lặp di lặp lại theo chu kỳ. Tụ điện C và điện trở R3 tạo thành mạch tích phân. Mạch R1, R2 là mạch phản hồi. Nguyên lý làm việc của mạch như sau: giả sử tại thời điểm 0 điện áp ra của khuyếch đại thuật toán đạt giá trị cực đại Ur = Urmax ≈ +E. Thông qua mạch phản hồi R1, R2 đầu vào “+” của khuyếch đại thuật toán sẽ có tín hiệu phản hồi duy trì khuyếch đại thuật toán nằm ở chế độ bão hoà dương. Lúc này tụ C được nạp thông qua điện trở R3 . Khi t=t1, điện áp UC đạt giá tị U0, khuyếch đại thuật toán lật trạng thái và UR = -URmax ≈ -E. Điện áp trên tụ C không thể thay đổi đột ngột và lúc này tụ C lại phóng điện qua R3. ở thời điểm t = t2, khi , khuyếch đại thuật toán lật trạng thái UR = URmax ≈ +E và sau đó quá trình lại được lặp lại. Thời gian phóng của tụ C là: Mạch tạo chùm xung có tần số f= 1/2fx = 3 ( kHz) hay chu kỳ của xung chùm: T= 1/f = 333 (ms). ta có : T= 2. R3. C2. ln(1+2. R1/ R2). Hình 3.9: Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm. Từ so sánh Từ chùm xung Tới khuếch đại AND Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng khuếch đại, ta đưa chèn thêm một cổng AND(&) với tín hiệu vào nhận từ tầng so sánh và từ bộ phát xung chùm như hình 1.26 3.3.4. Khâu khuếch đại. Với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristor như đã nêu ở trên, tầng khuếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng Tranzitor công suất, như mô tả trên hình 3.10. Để có xung dạng kim gửi tới Tiristor, ta dùng biến áp xung (BAX), để có thể khuếch đại công suất Tr2 loại công suất, điốt D bảo vệ Tr và cuộn dây sơ cấp biến áp xung khi Tr khoá đột ngột. Mặc dù với ưu điểm đơn giản, nhưng sơ đồ này được dùng không rộng rãi, bởi lẽ hệ số khuếch đại của tranzitor loại này nhiều khi không đủ lớn, để khuếch đại được tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang. Hình 3.10: Sơ đồ các khâu khuếch đại. a- bằng tranzitor công suất; b- bằng sơ đồ darlington; c- sơ đồ có tụ nối tầng. Uv Tr1 BAX c. D Tr2 D0 Uv Tr1 BAX b. D Tr2 D0 R Uv Tr BAX +E D a. Tầng khuếch đại cuối cùng bằng sơ đồ darlington như trên hình 3.10 thường hay được dùng trong thực tế. Sơ đồ hình 3.10b hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu về khuếch đại công suất, khi hệ số khuếch đại được nhân lên theo thông số của các tranzitor. Trong thực tế xung điều khiển chỉ cần có độ rộng bé (cỡ khoảng (10 á 200) ms), mà thời gian mở các tranzitor công suất dài (tối đa tới một nửa chu kì - 0.01s), làm cho công suất toả nhiệt dư của Tr quá lớn và kích thước dây quấn sơ cấp biến áp xung dư lớn. Để giảm nhỏ công suất toả nhiệt Tr và kích thước dây sơ cấp BAX có thể thêm tụ nối tầng như hình 3.10c. Theo sơ đồ này, Tr chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong khoảng thời gian nạp tụ, nên dòng hiệu dụng của chúng bé hơn nhiều lần. 3.4. Sơ đồ mạch điều khiển. 3.4.1. Sơ đồ mạch điều khiển của Tiristor.(trang bên). hinh3.11 3.4.2. Nguyên lí hoạt động của mạch điều khiển: Tín hiệu điện xoay chiều qua biến áp đồng pha có điểm giữa tạo ra bên thứ cấp của biến áp hai điện áp ngược pha nhau nhưng có cùng giá trị hiệu dụng. Sau khi được chỉnh lưu qua và sẽ tạo ra điện áp (như hình vẽ) được so sánh với tại IC khuếch đại thuật toán : Nếu > thì đầu ra của là xung âm. Nếu < thì đầu ra của thu được là xung dương. Là đầu ra được đưa đến cổng của khi 0 tụ sẽ phóng điện qua VR2 về âm nguồn, kết quá ta thu được trên điểm C một điện áp răng cưa. Điện áp được so sánh với qua OA3. Khi >ta thu được xung âm, khi < ta thu được xung dương. Điện áp này khi đến bị mất phần âm ta thu được Ud. Khâu phát xung chùm tạo ra các xung chữ nhật, Uđ với tần số rất cao khi đi qua Đ5 xung bị mất đi phần âm. Điện áp Uđ được chộn với Uf tại phần tử AND(4081) đầu ra của phần tử AND là 1 khi cả Uf và Uđ đều là 1. Xung này được khuếch đại thông qua biến áp xung tín hiệu điều khiển góc mở tiristor . 3.5. Tính toán mạch điều khiển + Điện áp điều khiển Tiristo: Udk = 3 (v). +Dòng điện điều khiển Tiristo: Idk = 0,1 (A). + Thời gian mở Tiristo: tm =10 (ms). + Độ rộng xung điều khiển: tx =(24) tm , chọn tx = 4.tm= 40(ms). + Tần số xung điều khiển: fx =(k Hz). + Độ mất đối xứng cho phép: Da=40 + Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U= ±12 (v ). + Mức sụt biên độ xung: sx = 0,15. 3.5.1. Tính biến áp xung: - Chọn vật liệu làm lõi là sắt Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có: DB = 0,3 (T), DH = 30 ( A/m ), không có khe hở không khí. - Tỷ số biến áp xung : thường m = 2á3, chọn m= 3 . - Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Udk =3 (v) . - Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = m. U2 = 3.3 = 9 (v). - Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Idk = 0,1 (A). - Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I1 = I2 /m =0,1/3=0,033(A) - Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: mtb == 8.103(H/m). Trong đó: m0=1,25.10-6 (H/ m) là độ từ thẩm của không khí . - Thể tích của lõi thép của lõi thép cần có: V= Q.I = (mtb . m0 . tx . sx . Ul . Il )/ DB2 V== 0,198.10-6 (m3 )= 0,198 ( cm3 ). Chọn mạch từ OA-16/20-3 có thể tích V= Q.l = 0,06 . 5,56 = 0,336(cm3 ). Với thể tích đó ta có kích thước mạch từ như sau( bảng 1.5): a = 2 mm, b = 3 mm, d = 16 mm, D = 20 mm. Q = 0,06 cm2 = 6 mm2 , Qcs = 2 cm2 - Chiều dài trung bình mạch từ: l = 5,56 (cm). - Số vòng quấn dây sơ cấp biến áp xung: Theo định luật cảm ứng điện từ: U1 = => W1 = =200 ( vòng ). -- Số vòng dây thứ cấp: W2 = W1 / m = 200/3 = 66,67 67 (vòng ) . - Tiết diện dây quấn thứ cấp: S1 = I1 /J1 = 0,033 /6 = 0,0056 (mm2 ). Chọn mật độ dòng điện j1 =6 ( A/mm2 ). - Đường kính dây quấn sơ cấp: d1 = = 0,084 (mm). Chọn d1 = 0,1 (mm), S1= 0,0078 (mm2 ). (bảng P.5_). Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = I2 / J2 = 0,1/4 = 0,025 (mm2 ). Chọn mật độ dòng điện J2 = 4 (A/ mm2 ) . - Đường kính dây quấn thứ cấp: d2 = = 0,178 (mm). Chọn dây có đường kính d2 = 0,18 (mm), S2= 0,02545 (mm2 ). (bảng P.5_) - Kiểm tra hệ số lấp đầy: Kld = 0,02. Như vậy, cửa sổ đủ diện tích cần thiết . 3.5.2. Tính tầng khuếch đại cuối cùng: Chọn Tranzitor công suất Tr3 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông số: Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn là Si . Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito: UCBO = 40(v). Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto: UEBO = 4(v). Dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chịu đựng : Icmax = 500 (mA). Công suất tiêu tán ở colecto : Pc =1,7 (W) . Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : T1 =1750 C. Hệ số khuếch đại : b = 50. Dòng làm việc của colecto : IC3= I1 =33 (mA). Dòng làm việc của Baz: IB3=IC3 / b =33/50 = 0,66(mA). Ta thấy rằng với loại Tiristo đã chọn có công suất điều khiển khá bé Udk = 3(V), Idk = 0,1 (A), Nên dòng colecto - Bazơ của Tranzito Tr3 khá bé, trong trường hợp này ta có thể không cần Tranzito Tr2 mà vẫn có đủ công suất điều khiển Tranzito. Chọn nguồn cấp cho biến áp xung: E = +12( V) ta phải mắc thêm điện trở R10 nối tiếp với cực emitor của Tr3. R10 == 90 (W). Tất cả các điôt trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có tham số: + Dòng điện định mức : Idm = 10 (A) . + Điện áp ngược lớn nhất : UN = 25 (v). + Điện áp để cho điôt mở thông : Um = 1 (v). 3.5.3. Chọn cổng AND: Toàn bộ mạch điện phải dùng 6 cổng AND nên ta chọn hai IC 4081 họ CMOS. Mỗi IC 4081 có 4 cổng ADN, các thông số: Nguồn nuôi IC : chọn Vcc = 12 (V). Nhiệt độ làm việc : - 40o C á 80o C. Điện áp ứng với mức logic “1”: 2á4,5 (V). Dòng điện nhỏ hơn: 1mA . Công suất tiêu thụ : P = 2,5 (mW/1 cổng). 3.5.4. Chọn tụ C3 và R9: Điện trở R9 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazơ của Tranzitor Ir3, chọn R11 thoả mãn điều kiện : R9 ³ = 18,18 ( kW) Chọn R9 = 18,2( kW) Chọn C3. R9= tx = 40 ( ms). Suy ra C3 = tx/ R9 C = = 0,0022 ( mF). chọn C3 = 0,0022 ( mF). 3.5.5. Tính chọn bộ tạo xung chùm: Mỗi kênh điều khiển phải dùng 4 khuếch đại thuật toán, do đó ta chọn 6 IC loại TL 084 do hãng texasInstruments chế tạo, mỗi IC này có 4 khuếch đại thuật toán. Thông số của TL084 : Điện áp nguồn nuôi : Vcc = ± 12 (V). Hiệu điện thế giữa hai đầu vào : ± 30 (V) . Nhiệt độ làm việc : T = -25á 850 C. Công suất tiêu thụ : P = 680 (mW) = 0,68 (W). Tổng trở đầu vào : Rin= 106 ( MW). Dòng điện đầu ra : Ira = 30 ( pA). Tốc độ biến thiên điện áp cho phép : = 13 (V/ms). Mạch tạo chùm xung có tần số f= = 3 ( kHz) hay chu kỳ của xung chùm: T= 1/f = 333 (ms). Ta có : T = 2. R8. C2. ln(1+2. R6/ R7) Chọn R6= R7= 33(kW) . thì T= 2,2 R8. C2 = 333 (ms).. Vậy : R8. C2 = 151,4 (ms). Chọn tụ C2 = 0,1ms có điện áp U = 16 (V) ; R8= 1514 (W). Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch thì ta chọn R8 là biến trở 2 KW. 3.5.6. Tính chọn tầng so sánh: Khuếch đại thuật toán đã chọn loại TL 084 . Chọn R4= R5 > Uv/I v = = 12 (KW). Trong đó nếu nguồn nuôi Vcc =± 12 (V) thì điện áp vào A3 là Uv ằ 12 (v). Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1 (m A). Do đó ta chọn R4= R5 = 15 (KW) khi đó dòng vào A3: Ivmax= = 0,8 ( m A). 3.5.7. Tính chọn khâu đồng pha: Điện áp tụ được hình thành do sự nạp của tụ C1, mặt khác để bảo đảm điện áp tụ có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được TTr1= R3. C1 = 0,005 (s) . Chọn tụ C1 = 0,1 (mF) thì điện trở R3= Tr/ C1= 0,005 / 0,1. 10-6. Vậy : R3= 50. 103 (W).=50(kW). Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp mạch R3. Thường chọn là biến trở lớn hơn 50 kW chọn Tranzito Trl loại A564 có các thông số: Tranzito loại pnp làm bằng Si Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito: UCBO =25(v). Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto: UEBO =7(v). Dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chịu đựng : Icmax = 100 (mA). Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : Tcp =1500 C. Hệ số khuếch đại : b =250. Dòng cực đại của B : IB3 =Ic /b =100/250 =0,4(A). Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào bazơ của tranzito Trl được chọn như sau: Chọn R2 thoả mãn điều kiện : R2 ³ UN Max/IB ằ 12/0,4. 10-3 = 30 ( kW). Chọn R2 = 30 ( kW). Chọn điện áp xoay chiều đồng pha : UA =9(v). Điện trở R1 để hạn chế dòng điện đi vào khuếch đại thuật toán A1, thường chọn R1 sao cho dòng vào khuếch đại thuật toán Iv < 1mA. Do đó: R1 > UA/I v = 9/ 1.10-3 = 9 (KW). Chọn R1 = 10 ( kW). 3.5.8. Tạo nguồn nuôi: Ta cần tạo ra nguồn điện áp ± 12 (V) để cấp cho biến áp xung, nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ. Hình 3.12 .Sơ đồ nguyên lí tạo nguồn nuôi Ta dùng mạch chỉnh lưu cầu 3 pha dùng điôt, điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi: U2 == 5,13(V) ta chọn U2 = 9(V). Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7812 và 7912, các thông số chung của vi mạch này: Điện áp đầu vào: UV = 7á35 (V). Điện áp đầu ra: Ura= 12(V) với IC 7812. Ura= -12(V) với IC 7912. Dòng điện đầu ra: Ira = 0á1 (A). Tụ điện C4, C5 dùng để lọc thành phần sóng dài bậc cao. Chọn C4= C5 =C6 =C7 = 470 (mF) ; U= 35 V. 3.5.9. Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha: 1- Ta thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi, chọn kiểu máy biến áp 3 pha 3 trụ, trên mỗi trụ có 3 cuộn dây, một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp. 2- Điện áp lấy ra ở thứ cấp máy biến áp làm điện áp đồng pha lấy ra thứ cấp làm nguồn nuôi: U2= U2dph= UN = 9 (V). 3- Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha: I2dph= 1( m A) . 4- Công suất nguồn nuôi cấp cho biến áp xung: Pdph = 6. U2dph . I2dph = 6.9.1.10-3 = 0,054 (w) . 5- Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL 084 sử dụng làm khuếch thuật toán ta chọn hai IC TL 084 để tạo 6 cổng AND. P81c = 8. PIC = 8.0,68= 5,12 (w). 6- Công suất BAX cấp cho cực điều khiển Tiristo. Px = 6. Udk . Idk = 6.3.0,1= 1,8 = 6,976 (W) 7- Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi. PN = Pdph +P81c +Px PN = 0,056 +5,12+ 1,8 = 6,976 ( W) . 8- Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy: S= 1,05 . (Pdph + PN ) = 1,05. ( 0,054+ 6,976) = 7,38 ( VA). 9- Dòng điện thứ cấp máy biến áp: I2 = S/ 6.U2 = 7,38/ 6,9 = 0,137 (A). 10- Dòng điện sơ cấp máy biến áp : I1 = S/ 3.U2 = 7,38/3. 220 = 0,0112(A). 11- Tiết diện trụ của máy biến áp được tính theo công thức kinh nghiệm Qt= kQ. =1,33( cm2). Trong đó: kQ= 6- hệ số phụ thuộc phương thức làm mát. m= 3- số trụ của biến áp . f = 50- tần số điện áp lưới. Chuẩn hoá tiết diện trụ :. Qt= 1,63 (cm2). Kích thước mạch từ lá thép dày s = 0,5 (mm). Số lượng lá thép : 68 lá . a=12mm. b=16mm. h=30mm. hệ số ép chặt: kc= 0,85 . H3.13 .Kích thước mạch từ biến áp 11- Chọn mật độ từ cảm B =1T ở trong tụ ta có số vòng dây sơ cấp : w1 = =6080 ( vòng). 12- Chọn mật độ dòng điện J1= J2= 2,75 (A/mm2). Tiết diện dây quấn sơ cấp: S1= = 0,0043 (mm2). Đường kính dây quấn sơ cấp : d1= = 0,074 (mm). Chọn d1= 0,1 mm để đảm bảo độ bền cơ. Đường kính có kể cách điện: dlcd = 0,12 (mm). 13- Số vòng dây quấn thứ cấp : W2= W1. U2/ U1= 249 ( vòng). 14- Tiết diện dây quấn thứ cấp : S2= S/ (6. U2. J2) = 0,053 (mm2). 15- Đường kính dây quấn thứ cấp : d2= = 0,260 (mm). Chuẩn hoá đường kính : d2 = 0,26 (mm) . Đường kính có kể đến cách điện : d2cd = 0,31 (mm). 16- Chọn hệ số lấp đầy : kld= 0,7 . Với: kld= = 8,3 (mm). Chọn c= 12mm. 18- chiều dài mạch từ : L= 2.c+3.a =2.12+3.12=60 (mm). 19- chiều cao mạch từ: H= h+2.a = 30+ 2.12=54(mm). 20- Tính chọn điôt cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi : +. Dòng điện hiệu dụng qua điôt : ID.HD = = 0,099 (A). Điện áp ngược lớn nhất mà điôt phải chịu : UNmax= . U2 = 22(v). + Chọn điôt có dòng định mức: Idm³ Ki . IDMD =10.0,1=1,1 (A). + Chọn điôt có điện áp ngược lớn nhất : Un= ku. UNmax=2.22=44 (V). + Chọn điôt loại KII208A có các thông số: + Dòng điện định mức: Idm = 1,5 (A) . + Điện áp ngược cực đại của điôt: UN=100 (v). * Giản đồ xung mở một van tiristor: * Sơ đồ khối điều khiển một van( trang bên). Chương 4:thiết kế mạch vòng kín theo nguyên lý tối ưu module. 4.1. Khái quát chung về điều khiển tối ưu module. Thông thường, các hệ điều chỉnh động cơ được thực hiện theo hai phương pháp cơ bản sau: Phương pháp dùng bộ khuếch đại tổng. Phương pháp tối ưu modul 2 mạch vòng. 4.1.1. Sơ qua về phương pháp dùng bộ khuếch đại tổng: Cấu trúc chung của hệ khi điều chỉnh theo phương pháp này: Dx Uđ X2 X1 KĐ BĐ Đ CB1 CB2 Trong đó: KĐ : Là khâu khuếch đại tổng. BĐ : Bộ biến đổi tạo tín hiệu điều khiển. Đ : Động cơ. CB1 : Bộ cảm biến tín hiệu x1. CB2 : Bộ cảm biến tín hiệu x2 Những hệ điều khiển này tuy đơn giản nhưng có những nhược điểm lớn: Có sai số tĩnh Dx. Sai số tĩnh này phụ thuộc tỷ lệ nghịch với hệ số khuếch đại chung của toàn hệ K: Dx = 1/K Thời gian quá độ lớn, là do ảnh hưởng của hằng số thời gian các khâu quán tính trong hệ. Việc hiệu chỉnh để tăng chất lượng động của hệ khó đạt được tối ưu cho các mạch phản hồi khác nhau vì khâu hiệu chỉnh được đặt chung cho tất cả các tín hiệu. Do đó, các hệ điều chỉnh tự động trong những năm gần đây người ta sử dụng phương pháp tối ưu modul. 4.1.2. Phương pháp điều khiển tối ưu module: +. Mục tiêu của hệ điều khiển tối ưu modul là nhằm tạo ra một hệ tự động không có sai số tĩnh ( hoặc sai số tĩnh nhỏ nhất có thể ), với đặc tính động tối ưu: +. Thời gian quá độ tqđ tối thiểu +. Trong thời gian quá độ không có hoặc gần như không có dao động. +. Đặc biệt phương pháp này cho phép sử dụng các khâu hiệu chỉnh đơn giản và có khả năng đồng nhất. 4.2. Mô hình hệ thống chỉnh lưu_động cơ đơn giản Từ sơ đồ trên ta có mô hình sơ đồ khối của hệ như sau : CL Đ Uđk ω Ud Với Ud = Ud0 . cosa (trong đó ). Trong đó : U2 : điện áp hiệu dụng thứ cấp máy biến áp lực ( điện áp pha đối với sơ đồ hình tia ba pha, điện áp dây đối với sơ đồ hình cầu ba pha). Góc mở a được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh Uđk Phương trình đặc tính cơ của hệ như sau : Trong đó : Rưồ = Rư + Rkh + RBA + Rv + .XBA n = 3 ( đối với sơ đồ tia ba pha). n = 6 ( đối với sơ đồ cầu ba pha). 4.2.1 Hàm truyền của động cơ một chiều kích từ độc lập: Ta xét phương trình cân bằng điện áp : Viết dưới dạng toán tử Laplace : Ud(p) – E(p) = I(p).Rư + Lư.p.Iư(p) Suy ra: Trong đó : E(p) = k.f.ω(p) Tư = Mặt khác từ phương trình cân bằng momen : Viết dưới dạng toán tử Laplace : Với : hằng số thời gian cơ học của động cơ. hằng số thời gian điện từ của động cơ. KF Ud - E -Ic ω Từ (2-1) và (2-2) ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc của động cơ: 4.2 2. Hàm truyền của bộ thyristor. Vì nếu tp <<1 thì e-tp ằ ( theo khai triển chuỗi Macloranh ). Trong đó: t : Thời gian trễ do tính chất vật lý của quá trình mở van. t = 0á ; ω =314 rad/s Vậy hàm truyền của bộ chỉnh lưu được biểu diễn trên sơ đồ : Uđk Ud Mô hình của hệ thống chỉnh lưu Thyristor động cơ dưới dạng hàm truyền : KF Ud -E ω Uđk -IC Với chú ý điện trở và điện cảm phần ứng phải xét đến điện trở và điện cảm của bộ chỉnh lưu. Rưồ = Rư + RbộCL = Rư + Rkh + RBA + Rv + Và: Lưồ = LưĐC + LBA + Lkh 4.3. Nguyên lý điều khiển tối ưu modul. Wi 1/Wi xi xi Dựa trên cơ sở tối ưu hóa mạch vòng điều chỉnh vè tác động nhanh. Ví dụ nếu ta có một đối tượng hàm truyền ta tiến hành mắc nối tiếp với nó một khâu hiệu chinh có hàm truyền . Nếu ta có một đối tượng điều khiển mà hàm truyền có dạng : (với K = K1.K2…Km) Trong đó có l khâu quán tính lớn và trung bình (i=1ál). Còn lại là quán tính nhỏ (i=(l+1)ám) Nếu trong hệ có nhiều khâu quán tính lớn thì tốc độ tác động nhanh và sự ổn định của hệ kém vì vậy trong điều chỉnh từ động người ta tiến hành sao cho bù được các khâu có hằng số thời gian tương đối nhỏ thì không cần bù. R(p) WĐT xra xi xđặt Trong kỹ thuật truyền động điện có thể coi những hằng số thời gian cỡ dưới vài ms. Vậy hàm truyền mong muốn của hệ hở là : Để thuận tiện trong tính toán ta coi tổng các khâu ( từ l+1 á m) có hằng số thời gian không cần bù và khâu trễ e-tp tương đương với một khâu có hằng số thời gian : Tm = t + Tl+1 + Tl+2 + … +Tm . Vậy hàm truyền mong muốn của hệ hở gọn lại là : Như vậy hàm truyền của khâu hiệu chỉnh (Regulator) : Từ hàm truyền của khâu Regulator ta thấy rằng để có được hệ hở có hàm truyền mong muốn như trên thì ta phải đưa vào một khâu tích phân để biến hệ trở thành phi tĩnh và khử sai số tĩnh .Và đưa vào một khâu nghịch đảo để bù các hằng số thời gian trung bình và lớn và khử hệ số khuếch đại là K. Vậy hàm truyền của hệ thống kín mong muốn : Ta có : Giải phương trình đặc trưng của hàm truyền : T0Tmp2 + T0p + 1 = 0 suy ra : suy ra : Cho a các giá trị khác nhau ta được đặc tính quá độ của hệ thống như sau: x (1) Δxmax 4,7Tm t (2) (3) xƠ Ta có : . Khi : a = 1 ta có đường (1). a = 2 ta có đường (2). a = 3 ta có đường (3). Từ đồ thị trên ta thấy nếu chọn a=2 thì quá độ nhanh nhất với lượng quá điều chỉnh tốt nhất. Thời gian quá độ ( đạt đến xƠ ) : t = 4,7Tm Lượng quá điều chỉnh : Δxmax = 4,3% Để đạt được điều đó thì vai tròn của khâu hiệu chỉnh rất quyết định nếu số lượng hằng số thời gian càng lớn thì độ phức tạp của Regulator càng tăng. Từ hàm truyền của Regulator khi l = 0 thì : Ta có sơ đồ dạng khâu tích phân (I) : Rd Rph xđ=Uđ Uph C Ura Trong đó: T : hằng số thời gian tích phân . T = RphC Với T đã biết, T = KT0 = K.2Tm Nên nếu ta chọn C ta sẽ tính ra được Rph. - Khi l = 1 thì : là một khâu tích phân tỷ lệ (PI) với T = KT0. Rd Rph xđ=Uđ Uph C Ura R Ta có sơ đồ : - Khi l=2 thì là khâu vi tích phân tỷ lệ (PID). Trong đó T = KT0 Để cho Regulator bơt phức tạp thì người ta chỉ lấy l < 3. với : T = Rph.C1 ; T1.T2 = R1.Cph Nếu đối tượng có nhiều hằng số thời gian hơn thì người ta chia đối tượng ra nhiều phần tử, mỗi đối tượng từ 1 đến hai Ti và tương ứng với nó ta đặt những Regulator thích ứng, như vậy hình thành hệ nhiều mạch vòng như sơ đồ dưới đây : Uđi Rn(p) R1(p) ĐT ĐTn 4.4. Hệ thống điều khiển động cơ một chiều hai mạch vòng . Trong hệ T - Đ ta cần bù hằng số thời gian điện từ của động cơ Tư và hằng số thời gian cơ học của động cơ Tc . ở đây không cần bù hằng số thời gian trễ của bộ chỉnh lưu, hằng số thời gian của bộ lọc sóng hài vì chúng rất nhỏ. Ta lập hai mạch vòng : Mạch vòng phản hồi dòng điện phần ứng và mạch vòng phản hồi âm tốc độ. Lúc đó ta sẽ nối vào hệ các khâu hiệu chỉnh nối tiếp do vậy sơ đồ khối của hệ dưới dạng hàm truyền như sau : Uđω Rω(p) ω Ri(p) Kphi Kphω Uphω Uphi Uđi Ud Iư (Chú ý rằng trong quá trình tính toán để thuận tiện ta bỏ qua tác động do IC gây ra và ảnh hưởng của mạch vòng phản hồi sức điện động E = KFω). 4.5. Cấu trúc cơ bản của hệ tự động điều chỉnh tối ưu module hai mạch vòng Rω RI Kh FT kt kt Uphω Uđω Uphi BA BD Uđk Uđ i Kphω Kphi Từ mô hình hệ thống trên ta có thể thuyết minh sự hoạt động của nó như sau: Khi thay đổi góc mở a của Thyristor ta thay đổi được điện áp phần ứng Ud và như vậy thay đổi được tốc độ động cơ. Khi khởi động động cơ điện điều chỉnh góc mở a của Thyristor ở góc mở lớn nhất cho phép mà điện áp phần ứng chỉ đủ dùng để khắc phục điện áp rơi trên điện trở phần ứng. Sau đó góc mở a giảm dần để tốc độ quay của động cơ tăng lên, cho đến khi có được tốc độ mong muốn. Hoặc khi hãm động cơ để trở trạng thái tốc độ bằng không. Thì có thể luôn có một sai số tĩnh tốc độ nào đó Δω. Vậy ta dùng thêm một vòng phản hồi tốc độ cùng với sử dụng bộ điều chỉnh R(ω) thích hợp thì sẽ điều chỉnh được Δω theo giá trị cho phép (<5%) Ngoài ra khi khởi động, Ud nhỏ, moment lớn (hay dòng khởi động Iư lớn) có thể gây hỏng các thiết bị , dây nối nên ta dùng thêm vòng phản hồi dòng điện để hạn chế dòng khởi động trong khoảng cho phép (1,4 á1,7) Iđm. - Ta dùng máy phát tốc để đo tín hiệu tốc độ phản hồi . - Dùng cảm biến dòng điện để đo tín hiệu dòng điện phản hồi. Tín hiệu phản hồi là tín hiệu điện áp : uphi , uphω. uphi tỷ lệ với dòng điện phần ứng Iư uphω tỷ lệ với tốc độ ω Giả thiết hệ thống này có sai lệch 0,1V, tạo nên điện áp ra của bộ chỉnh lưu 200V, sức phản điện động của động cơ là 200V ở tốc độ quay 1000vòng/phút, điện áp ra của máy phát tốc là 10V ứng với tốc độ quay 1000vòng/phút. Với các giá trị đó, điện áp đặt đầu vào phải là 10,1V để có tốc độ khi không tải là 1000vòng/phút. Nếu mômen cản làm tốc độ quay giảm xuống 990 vòng/phút thì sai lệch là (10,1-9,9) = 0,2V; điện áp phần ứng nhảy lên 400V với dòng điện phần ứng rất lớn và gia tốc nhanh để đưa tốc độ trở về gần 1000vòng/phút. Hệ thống điều khiển đơn giản trên cần có một sai lệch một cách liên tục ( đặc biệt trong trường hợp bộ biến đổi dùng Thyristor), tốc độ của động cơ biến thiên ngay lập tức gây nên sự tăng giảm quá mức của dòng điện phần ứng và của Thyristor là không thể chấp nhận được. Do đó cần phải giới hạn mức dòng điện. Mạch vòng phản hồi thứ hai đưa ra dùng để hạn chế dòng điện một cách tự động 4.6. Mô phỏng hệ thống động cơ một chiều. Các thông số của động cơ: . Lư = 3,5 (m H) , Lba=0,355(mH) , Lk= 1,39(mH) => LΣ=5,245(mH). Rư = 0,14 Ω , Rba= 0,062 => RΣ=0,202 (). => 0,026 s . . Wbp; 1, Hàm truyền của động cơ được xác định từ các phương trình sau, sao cho : Vậy hàm truyền: Tổng hợp mạch vòng dòng điện có xét đến suất điện động: Vậy ta có hàm truyền bộ điều khiển Tổng hợp mạch vòng điều khiển: Vậy hàm tốc độ điều khiển PI: vậy sơ đồ điều khiển nối tầng : Đồ thị ổn định tốc độ: Đồ thị ổn định dòng điện: kết luận Qua quá trình thực hiện đề tài “ thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay” đồ án đã giải quyết được các nhiệm vụ sau: Nghiên cứu sâu về động cơ điện một chiều từ đó thiết kế mạch động lực, mạch điều khiển theo các thông số yêu cầu của tải. 2. Thiết kế mạch vòng tối ưu module để ổn định tốc độ của động cơ. Việc điều khiển động cơ một chiều là vấn đề quan trọng trong lĩnh vực truyền động điện vì thế việc ổn định tốc độ và dòng điện của động cơ khi đóng tải là vấn để quan trọng có tính quyết định. Hy vọng đồ án này sẽ là tài liệu giúp ích cho các sinh viên ngành điện, các kỹ sư … tham khảo. Qua đó bổ sung các kinh nghiệm thực tế đưa ra những phương án tối ưu hơn. Từ đây đưa động cơ điện một chiều được ứng dụng nhiều hơn nữa trong sản xuất, ngành giao thông vận tải…góp phần đẩy nhanh công nghiệp hóa hiện đại hóa của nước ta hiện nay. tài liệu tham khảo 1. Trần Văn Thịnh - Tính toán thiết kế thiết bị điện điện tử công suất Nhà Xuất Bản Giáo Dục_2000. 2. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền - Truyền Động Điện – Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật_2006 3. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi - Điều Chỉnh Tự Động Truyền Động Điện – Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật. Võ Minh Chính, Phạm Quốc HảI, Trần Trọng Minh - Điện Tử Công Suất – Nhà Xuất Bẩn Khoa Học Kỹ Thuật.