Đồ án Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu – Động cơ điện một chiều

ây cuộn sơ cấp máy biến áp: Lấy số vòng là W1=237 vòng 11) Số vòng pha thứ cấp máy biến áp: Lấy số vòng là W2=64 vòng 12) Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp với dây dẫn bằng đồng máy biến áp khô ta có J1 = J2 = 2,5 A/mm2 với J thường chọn (2 ữ 2,75)A/mm2 13) Tiết diện dây dẫn sơ cấp: Chọn dây đồng tròn cấp cách điện B theo bảng 3 sách Tính toán thiết bị điện tử công suất (Trần Văn Thịnh) ta có: S1đm = 7,306 mm2 mcu = 650 g/m d1 = 3,05 mm d1n =3,38 mm 14) Tiết diện dây cuốn thứ cấp máy biến áp: Chọn dây đồng tròn cấp cách điện B theo bảng 3 sách Tính toán thiết bị điện tử công suất(Trần Văn Thịnh) ta có: S2đm =27,90 mm2 a=3,05(mm) b=9,30(mm) 15) Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp: 16) Tính lại mật độ dòng điện cuộn thứ cấp: 2,35( A/mm2) Kết cấu dây quấn: do dây quấn thứ cấp là dây quấn hạ áp nên sẽ quấn phía trong gần trụ còn dây quấn sơ cấp quấn ở bên ngoài. Kết cấu dây quấn thứ cấp (Hạ áp): Thực hiện kiểu dây cuốn đồng tâm bố trí dọc trục. 17) Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp dây cuốn: (vòng) Lấy W12=19 vòng kc = 0,95 hệ số ép chặt h = 22 (cm) chiều cao trụ hg - khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp chọn hg=0,5(cm) d2n = 0,93+0,1=1,03 (cm) đường kính kể cả cách điện 18) Tính sơ bộ số lớp dây cuộn thứ cấp: (lớp) 19) Chọn số lớp n12= 4 như vậy 64 vòng chia thành 4 lớp. Chọn mỗi lớp có W12=16 vòng. 20) Chiều cao thực tế của cuộn dây thứ cấp: 21) Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày S02= 0,1 cm. 22) Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây thứ cấp chọn cd02=0,5 cm. 23) Kích thước trong của ống cách điện hình vuông: a2=a+2cd02-2S02= 8,5 + 2.0,5 - 2.0,1 = 9,3 (cm) 24) Kích thước trong của cuộn thứ cấp: at2= a2 + 2.S02 = 9,3 + 2.0,1 = 9,5 (cm) 25) Chọn bề dày giữa 2 lớp cuộn dây thứ cấp: cd22= 0,01cm = 0,1mm. 26) Bề dầy của cuộn dây thứ cấp cần tính: Bd2 = d2n.n12 + cd22.n12=(3,05+1).4+0,1.3= 16,5(mm) 27) Kích thước ngoài của cuộn thứ cấp: an2=at2+2.Bd2=9,5+2.1,65=12,8 (cm) 28) Chiều dài vòng dây trong cùng cuộn thứ cấp: l21 = 4.at2= 4.9,5 = 38(cm) 29) Chiều dài vòng dây ngoài cùng cuộn thứ cấp: l22=4.an2= 4.12,8=51,2(cm) → 30) Chiều dài cuộn thứ cấp: L2=W2. ltb2=64.44,6.10-2 = 2854,4 (cm) = 28,544( m). 31) Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp : cd12= 1,0 cm Kết cấu dây cuốn sơ cấp (Cao áp): 32) Chiều cao sơ bộ sơ cấp: h1= h2= 22 (cm) 33) Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp dây quấn sơ cấp: Lấy W11 =61 vòng 34) Tính sơ bộ số lớp dây cuốn thứ cấp: 35) Chọn số lớp dây sơ cấp n11 = 4 lớp; chọn 3 lớp đầu có số vòng là W11=60 vòng,lớp 4 có 57 vòng. 36) Chiều cao thực tế cuộn sơ cấp: h1 = 37) Kích thước trong của cuộn sơ cấp: at1= an2 + 2.cd12 = 12,8+2.1= 14,8(cm) 38) Chọn bề dày cách điện giữa các lớp ở cuộn sơ cấp: cd01=0,1mm 39) Bề dầy của cuộn thứ cấp: Bd1 = d1n.n11+ cd01.n11=3,38.4+0,1.3=13,82(mm) 40) Kích thước ngoài của cuộn sơ cấp: an1=at1+2.Bd1=14,8+2.1,382=17,564 (cm) 41) Chiều dài của vòng dây trong cùng cuộn sơ cấp : l11=4.at1=4.14,8=59,2(cm) 42) Chiều dài của vòng dây ngoài cùng cuộn dây sơ cấp: l12=4.an1= 4.17,564=70,256 (cm) → 43) Chiều dài dây quấn cuộn sơ cấp: L1=W1. ltb1= 237.64,728.10-2= 15340,536 (cm) ằ 153,41(m) 44) Chọn khoảng cách giữa 2 cuộn sơ cấp: cd11=2cm. W2 W2 W1 W1 Bd2 Bd1 Cd12 Cd02 hg Cd11 Hình 3.2:Bố trí cuộn dây biến áp. Tính kích thước mạch từ. Chọn sơ bộ kích thước cơ bản của mạch từ, vì đây là loại máy có công suất nhỏ ta chọn trụ hình vuông với : QFe = a.a Ta có QFe=8,5cm2 tiêu chuẩn hóa → QFe=8,5.8,5 cm2 Trong đó : a - kích thước của trụ Để đơn giản trong việc chế tạo gông từ ta chọn gông có tiết diện hình vuông và có kích thước giống như như trụ. 45) Diện tích cần có của cửa sổ: Qcs = Qcs1 + Qcs2 Trong đó: Qcs1 = k1d . W1. Scu1 ; Qcs2 = k1d . W2.Scu2 ; kld : hệ số lấp đầy của dây cuốn chọn kld= 3 Qcs = kld (W1.SCu1+W2SCu2) =3.(237.7,306 + 64.27,9) =10551,366( mm2) 46) Ta có a = 8,5cm và h=22cm c > 2.(Bd1+Bd2+cd02+cd12)+cd11=2.(1,382+1,65+0,5+1)+2=11,064 (cm) Trong đó: cd11 - là cách điện giữa 2 cuộn sơ cấp. → chọn c = 12 cm → Qcs = c.h = 12.22 = 264 (cm2) 47) Chiều cao mạch từ: H = h+2a = 22+2.8,5 = 39 (cm) (z = 2 vì là máy biến áp 3 pha) 48) Chiều rộng mạch từ: C =2c +xa = 2.12 +3.8,5 =49,5(cm) (x=3 vì máy biến áp 3 pha có 3 trụ) 49) Tiết diện gông: Qbg = a.a = 8,5.8,5 = 72,25 (cm2) Hình 3.3:Sơ đồ kết cấu lõi thép biến áp b h H c C a c 50) Tính chính xác mật độ từ cảm trong trụ: 51) Mật độ từ cảm trong gông: Bg = BT. Khối lượng của sắt và đồng: 52) Thể tích sắt: VFe=m.QFe.h+2.QFe.C=3.72,25.22+2.72,25.49,5=119221,25(cm3)=11,921(dm3) 53) Khối lượng của sắt: MFe=VFe.mFe= 11,921.7,85=93,58(kg) 54) Thể tích của đồng: Vcu=3.(SCu1l1+SCu2l2)= 3.(10,83.1534,1 + 7,963.285,44)= 5,6383(dm3) 55) Khối lượng đồng: Mcu=Vcu.mcu = 5,6383.8,9 = 50,17(kg) Tính các thông số của máy biến áp chỉnh lưu: 56) Điện trở trong các cuộn dây sơ cấp máy biến áp ở 75oC: R1= 57) Điện trở cuộn thứ cấp máy biến áp 750C: 58) Điện trở biến áp quy đổi về thứ cấp: Rba ==0,056() 59) Sụt áp trên điện trở máy biến áp: 60) Điện kháng máy biến áp quy đổi về thứ cấp: 61) Điện cảm máy biến áp quy đổi về thứ cấp: Lba= 62) Sụt áp trên điện kháng máy biến áp: 63) Sụt áp trên máy biến áp: 64) Điện áp trên động cơ khi có góc mở : 65) Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp: 66) Tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp: 67) Tổn hao có tải có kể đến 15% tổn hao phụ: P0= 1,3.1,15.(m.QFe.h.10-3.7,85.0,992+2.QFe.C.10-3.7,85.0,992) P0= 1,3.1,15.(93,58.1,00192) = 140,4 (W) 68) Điện áp ngắn mạch tác dụng: Unr= 69) Điện áp ngắn mạch phản kháng: Unx = 70) Điện áp ngắn mạch phần trăm: 71) Dòng điện ngắn mạch xác lập: I2nm = 72) Hiệu suất thiết bị chỉnh lưu: 3.4 Thiết kế cuộn kháng lọc. 3.4.1 Xác định góc mở cực tiểu và cực đại. Chọn gúc mở cực tiểu . Với gúc mở là dự trữ để cú thể bự được sự giảm điện ỏp lưới. + Khi gúc mở nhỏ nhất thỡ điện ỏp trờn tải là lớn nhất : và tương ứng tốc độ động cơ sẽ lớn nhất: + Khi gúc mở lớn nhất thỡ điện ỏp trờn tải là nhỏ nhất: và tương ứng tốc độ động cơ sẽ là nhỏ nhất: Ta có: Với được xác định như sau: Từ ; Với Giả thiết dải điều chỉnh tốc độ động cơ D=30 thay số vào ta có: Thay số vào ta được: 3.4.2 Xác định các thành phần sóng hài. Để thuận tiện cho việc khai triển chuỗi Furier ta chuyển gốc toạ độ sang điểm (thời điểm mở tiristor), khi đó điện áp tức thời trên tải khi tiristor và dẫn là: ; Với Điện áp tức thời trên tải Ud không sin và tuần hoàn với chu kì: Trong đó số xung đập mạch trong một chu kì điện áp lưới. Khải triển chuỗi Furier của điện áp ta được: Trong đó: Ta có Vậy ta có biên độ của điện áp: 3.4.3 Xác định điện cảm cuộn kháng lọc. Từ sự phân tích điện áp chỉnh lưu ta thấy khi mà góc mở càng tăng, biên độ thành phần sóng hài bậc cao càng lớn 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 của chổi điện, đồng thời gây tổn hao phụ dưới dạng nhiệt trong động cơ (tổn hao này do sóng hài bậc cao gây ra). Để hạn chế sự đập mạch này ta phải mắc cuộn kháng nối tiếp với phần ứng của động cơ. Cuộn kháng lọc này phải đủ lớn để Trong đó là dòng điện đẳng trị của các sóng hài bậc cao: 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 được tính khi góc mở: Ta có phương trình cân bằng điện áp: Cân bằng hai vế ta được: ; Vì nên: Trong các thành phần xoay chiều bậc cao thì thành phần sóng bậc 6k = 6 có mức độ lớn nhất gần đúng ta có: , nên: Vậy Trong đó: Thay vào ta được: Điện cảm mạch phần ứng đã có: Lưc=Lư+2LBA= 0,0021+2.0,00014=0,00238 (H) Điện cảm cuộn kháng lọc: LK= L – Lưc =0,0052-0,00238=0,00282 (H) 3.4.4 Thiết kế cuộn kháng lọc. Các thông số ban đầu: Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc: Lk= 0,00282 H Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng: Im=80 A Biên độ dòng xoay chiều bậc 1: I1m=10%Iđm= 8A Các bước tính toán: Điện kháng của cuộn kháng: 2)điện áp xoay chiều đặt lên cuộn kháng Lk là : 3)Công suất của cuộn kháng lọc : 4)Tiết diện cực từ chính cuộn kháng lọc: KQ là hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát,khi làm mát bằng không khí tự nhiên KQ=5. Chọn tiết diện trụ theo kích thước có sẵn Q=4cm2 Hình 3.4 : Kết cấu mạch từ cuộn kháng. 5)Với tiết diện trụ Q = 4 cm2 chọn loại thép tấm thép dày 0,35mm. Kích thước: a=20 mm ; b=20 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 Ek: Gần đúng có thể coi Ek= Uk=30(V) Lấy W=270 vòng 8) Ta có dòng điện chạy qua cuộn kháng: Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng: 9) Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng : Chọn dây dẫn tiết diện tròn cách điện cấp B, chọn Sk= 30 mm2 với kích thước dây: Sk=30,00(mm2) ; a=3,05(mm) ; b=10(mm) Tính lại mật độ dòng điện: 10) Chọn tỷ số lấp đầy: 11) Diện tích cửa sổ cần có: 12) Tính kích thước cửa sổ: Qcs= c.h Chọn suy ra h= 3.a = 3.20 = 60 mm Chọn c=50(mm) = 5 (cm) suy ra Qcs=c.h=5.6=30 (mm2) 13) Chiều cao mạch từ: H=h+a=60+20=80(mm) 14) Chiều dài mạch từ: C=2.c+2.a=2.50+2.20=140(mm) 15) Chọn khoảng cách từ gông tới cuộn dây: hg=1 mm 16) Tính số vòng dây trên một lớp: Chọn W1=5(Vòng) 17) Tính số lớp dây quấn: 18) Chọn khoảng cách điện giữa dây quấn với trụ: cd01= 3 mm Cách điện giữa cách lớp cd1= 0,1 mm 19) Bề dày cuộn dây: Bd=(d1k+cd1).n1=(3,05+0,1).14=44,1(mm) 20) Tổng bề dày cuộn dây: 21) Chiều dài vòng dây trong cùng: l1=4.a+2.4.cd01=4.20+2.4.3=104 (mm) 22) Chiều dài vòng dây ngoài cùng: l2=4.a+2.4.(cd01+Bd)=4.20+2.4.(3+44,1)=456,8(mm) 23) Chiều dài trung bình một vòng dây: ltb= (l1+l2)/2 = (104+456,8)/2 = 280,4(mm) Chiều dài dây quấn cuộn kháng: L= W.ltb =70.280,4 = 19628(mm) = 19,628(m) 24) Điện trở dây quấn ở 75ºC: 25) Thể tích sắt: VFe= 2.a2.h + 2.a2/2.C = 2.22.6+2.22/2.14= 104(cm3) = 0,104(dm3) 26) Khối lượng sắt: MFe=VFe.mfe= 0,104.7,85 = 0,8164(kg) Trong đó mFe=7,85 kg/dm3 là khối lượng riêng của sắt. 27) Khối lượng đồng: MCu= VCu.mCu = Sk.L.mCu = 30.10-6.196,28.8,9. = 0,524(kg) Trong đó mCu= 8,9 kg/dm3 là khối lượng riêng của đồng. 3.5 Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực. 3.5.1 Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ. Hình 3.5 : Mạch động lực có các thiết bị bảo vệ. 3.5.2 Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn. Khi làm việc với dòng điện chạy qua, trên van có sụt áp, do đó có tổn thất công suất , tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác van bán dẫn chỉ được 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 thì ta phải chọn và thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý. Tính toán cánh tản nhiệt: - Tổn thất công suất trên một Tiristo: DP = DU.Ilv = 1,8.46,18 = 83,124(W) - Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: Trong đó: - là tổn hao công suất W - là độ chênh nhiệt độ so với môi trường. km - hệ số có xét tới điều kiện tỏa nhiệt (trong điều kiện làm mát tự nhiên không quạt cưỡng bức, thường chọn ktn =(6 á 10).10-4 [W/cm2 oC]. Với Tcp = 1250C. Chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt là Tlv = 800C t = Tlv - Tmt = 80 – 40 = 400C ( chọn Tmt = 400C ) Chọn km = 8 (W/m2.0C) Vậy STN= =2597(cm2) Chọn cánh tản nhiệt có 14 cánh, kích thước mỗi cánh là: a.b = 10.10(cm.cm) Tổng diện tích toả nhiệt của cánh : Stn = 14.2.10.10 = 2800(cm2) 3.5.3 Bảo vệ quá dòng điện cho van. Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắn mạch Tiristo, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu. Chọn aptomat: Dòng làm việc chạy qua aptomat: Ilv = Dòng aptomat cần chọn: Iđm 1,1.Ilv = 1,1.28,12 = 30(A) và Uđm = 380 V Có ba tiếp điểm chính có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện. Chỉnh định dòng ngắn mạch: Inm = 2,5.Ilv = 2,5.28,12=70,3(A) Dòng quá tải: Iqt = 1,5.Ilv = 1,5.28,12= 42,18(A) Chọn cầu dao có dòng định mức: Iqt=1,1.Ilv=1,1.28,12= 30(A) Dùng cầu dao để tạo khe hở an toàn khi sửa chữa hệ thống truyền động và dùng để đóng cắt bộ nguồn chỉnh lưu. Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Tiristor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu: Nhóm 1cc: dòng định mức dây chảy nhóm 1cc I1cc = 1,1.I2 = 1,1.65,6 = 72,16(A).Chọn loại 80(A) Nhóm 2cc: dòng định mức dây chảy nhóm 2cc I2cc = 1,1.Ihd = = 50(A).Chọn loại 50(A) Nhóm 3cc: dòng định mức dây chảy nhóm 3cc I3cc = 1,1.Id = 1,1.80 = 88(A).Chọn loại 90(A) Vậy ta chọn dây chảy nhóm: 1CC loại 80 (A); 2CC loại 50 (A); 3CC loại 90(A). 3.5.4 Bảo vệ quá điện áp cho van. Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng ngắt tiristor được thực hiện bằng cách mắc R – C song song với tiristor. 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, dẫn đến hiện tượng quá điện áp van. 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. Theo kinh nghiệm: R1 = (5) W ; C1 = (0,25 ) mF Chọn : R1 = 5 W ; C1= 1 mF Hình 3.7: Mạch R- C bảo vệ quá điện áp Hình 3.8: Mạch R – C bảo vệ do chuyển mạch. điện áp từ lưới. Để bảo vệ xung điện áp từ lưới điện ta mắc mạch lọc R–C trước đầu vào chỉnh lưu. Nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung điện áp gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. Ta chọn R2 =12,5; C2 = 4. 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 diod công suất bé. Hình 3.9: Mạch cầu ba pha dùng diod tải RC bảo vệ do cắt MBA non tải. Thông thường giá trị tự chọn trong khoảng 100 mF. Chọn: R4= 470 W; C=10 mF. Chọn giá trị điện trở R3= 1,4 (KW). Chương 4 Tính toán thiết kế mạch điều khiển cho bộ nguồn chỉnh lưu. 4.1 Nguyên tắc điều khiển. 4.1.1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Khi điện áp xoay chiều hình sin (Uđf) đặt vào anod của Tiristor. Để có thể điều khiển được góc mở a của Tiristor trong vùng điện áp dương anod, cần tạo một điện áp tựa dạng tam giác (thường gọi điện áp tựa là điện áp răng cưa Urc). 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) Tiristor được mở từ thời điểm có xung điều khiển (t1, t4) cho tới cuối bán kì (hoặc tới khi dòng điện bằng 0). Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp: Điện áp đồng bộ Urc có dạng răng cưa đồng bộ với điện áp đặt lên Anode - Catode của Tiristo. Điện áp điều khiển Uđk là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ. Wt Wt Wt Wt Hình 4.1: Nguyên lý điều khiển thằng đứng tuyến tính. Tổng đại số Urc + Uđk được đưa đến đầu vào của khâu so sánh. Khi Urc+Uđk = 0 ta nhận được xung điều khiển để mở Tiristo. Như vậy bằng cách thay đổi Uđk ta có thể điều chỉnh được thời điểm phát xung điều khiển mở Tiristo tức điều khiển góc mở a.Ta có a được xác định : . Khi Uđk = 0 ta có a = 0 Khi Uđk = Urc ta có a = p Thường ta lấy Urcmax = Uđkmax Ta có: đ Ud = KCL.Uđk. Với KCL là hệ số của bộ chỉnh lưu. Nhận thấy rằng KCL là một đại lượng phi tuyến điều này không tốt khi cần thiết kế hệ tự động ổn định. 4.1.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos. Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp: Điện áp đồng bộ Urc vượt trước điện áp Anode - Catode của Tiristo một góc bằng với chỉnh lưu một pha và góc với chỉnh lưu ba pha. Điện áp điều khiển Uđk là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được theo hai hướng dương và âm. Urc UA Urc -Uđk Wt Wt Wt Xđk 60o Hình 4.2: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos aảarccos Tổng đại số Urc + Uđk được đưa đến đầu vào của khâu so sánh. Khi Urc + Uđk = 0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh. Ta có: Uđk + Urcmax .cos a = 0 Do đó: Ta lấy Urcmax = Uđkmax Suy ra: Khi Uđk = - Urcmax ta có: Khi Uđk = 0 ta có: Khi Uđk = Urcmax ta có : a = p Như vậy khi thay đổi điện áp Uđk từ –Urcmax đến +Urcmax ta sẽ thay đổi được góc mở van từ 0 đến p. Nhận thấy rằng hệ số chỉnh lưu KCL là một hằng số. Như vậy sẽ rất tốt khi thiết kế hệ cần tự động ổn định. Phương pháp điều khiển thẳng đứng arccos thường được sử dụng cho những hệ chỉnh lưu cần chất lượng điều khiển cao. Để đơn giản ta chọn phương pháp điều khiển thẳng đứng tuyến tính cho thiết kế mạch điều khiển bộ chỉnh lưu. 4.2 Sơ đồ khối mạch điều khiển. Để tạo được xung điều khiển mở tiristor thì một mạch điều khiển gồm các khâu cơ bản sau: Hình 4.3: Sơ đồ cấu trúc của mạch điều khiển Khâu đồng pha (ĐF): có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa biến thiên đồng bộ với điện áp UAK của Tiristo hay với điện áp đồng pha Uđf. Điện áp tựa có thể biến thiên theo luật tuyến tính hay luật côsin. Khâu so sánh (SS): Xác định thời điểm trị tuyệt đối của điện áp tựa Urc bằng điện áp điều khiển Uđk. Tại thời điểm Urc + Uđk = 0 thì phát xung điều khiển mở Tiristo. Lệnh mở Tiristo thường được thể hiện bằng sự thay đổi đột ngột điện áp ở đầu ra của khâu so sánh. Khâu tạo xung khuếch đại: tạo ra xung thích hợp để mở tiristor. Ngoài ra khâu tạo xung, khuếch đại còn cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực qua biến áp xung. tx Xđk t tx Xđk cánh tản nhiệt một van bán dẫn Hình 4.4: Hình dạng xung điều khiển Tiristor. 4.3 Nguyên tắc phát xung mạch điều khiển. Đặc điểm điều khiển cầu ba pha đối xứng là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, nghĩa là dòng điện đồng thời chạy qua hai tiristor một lúc. Trên hình 4.5 mô tả thứ tự dẫn và điều khiển các tiristor trong một chu kì. Các tiristor in đậm là các tiristor được cấp xung điều khiển và cần dẫn. Từ sơ đồ hình 4.5 thấy rằng: khi điều khiển, đồng thời cấp xung điều khiển cho hai tiristor, một của nhóm NA, một của nhóm NK. Ta coi xung cần mở tiristor được quyết định bởi góc mở của chúng là xung chính thì phải có xung đệm, xung chính ở nhóm van này thì xung đệm ở nhóm van kia. Việc cấp xung đệm cũng cần đúng thứ tự pha. Thứ tự dẫn và cấp xung điều khiển của các tiristor luân chuyển nhau theo thứ tự pha. Theo việc dẫn của các tiristor trên hình 4.5 các xung điều khiển được cấp: T1àT4àT6àT1àT3àT6àT2àT3àT5àT2àT4àT5 à T1àT4. Đệm xung điều khiển như trên có thể thực hiện bằng hai cách: - Cách thứ nhất, cấp xung chính cho van nhóm này thì đệm xung cho van nhóm kia như giản đồ đường cấp xung hình 4.6. - Cách thứ hai, cấp xung với độ rộng đủ lớn, suốt từ thời điểm có lệnh mở van cho đến khi điện áp anốt tiristor đổi dấu. Tuy nhiên, việc thiết kế xung rộng như thế có nhiều khó khăn, do đó người ta thường phát xung chùm như trên hình 4.7. Ưu điểm của phương pháp điều khiển này là không cần xác định thứ tự pha cho đầu vào của bộ chỉnh lưu, bản thân chùm xung làm nhiệm vụ đệm xung cho các tiristor cần mở. Hình 4.5: Đổi thứ tự dẫn của các Tiristor. Hình 4.6: Cấp xung điều khiển bằng Hình 4.7:Cấp xung điều khiển bằng cách đệm xung điều khiển. chùm xung điều khiển. 4.4 Tính toán các thông số mạch điều khiển. Sơ đồ một kênh điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha được thiết kế theo sơ đồ Hình 4.8. Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khuếch đại ngược trở lên. Do mạch điều khiển hai bộ thuận nghịch là tương tự nhau, nên ta chỉ cần tính toán và thiết kế cho một mạch điều khiển, mạch còn lại là hoàn toàn tương tự. Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Tiristor. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển: Điện áp điều khiển Tiristo : Dòng điện điều khiển : Thời gian mở : Độ rộng xung điều khiển : Tần số xung điều khiển : Độ mất đối xứng cho phép : Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển : Mức sụt biên độ xung : Hình 4.8: Sơ đồ một kênh điều khiển chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng. Hình 4.9: Giản đồ các đường cong mạch điều khiển (việc mô phỏng đã được thực hiện trên phần mềm Crocodile Physics). 4.4.1 Tính biến áp xung. 1. Chọn vật liệu làm lõi sắt là sắt ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hóa có: , không có khe hở không khí. 2. Tỷ số biến áp xung: thường . Ta chọn m = 2 3. Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: 4. Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: 5. Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung: 6. Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung: 7. Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: Trong đó là độ từ thẩm trung bình của không khí. 8. Thể tích của lõi thép cần có: Tra bảng thông số các loại thép xuyến tròn (Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất -Trần Văn Thịnh) ta chọn mạch từ loại OA- 12/14 - 3 có các thông số: + Chọn mạch từ OA-12/14-3 có .Với thể tích đó ta có các kích thước mạch từ như sau: a=1 mm, b=3 mm, Q = 0,03 cm2; QCS = 1,13 cm2, d =12 mm, D = 14 mm, chiều dài trung bình của mạch từ là: l = 41 mm Hình 4.10: Mạch từ biến áp xung. 9. Số vòng dây quân sơ cấp máy biến áp xung: Theo định luật cảm ứng điện từ ta có: 10. Số vòng dây quân thứ cấp máy biến áp xung: 11. Chọn mật độ dòng điện là: J1=6 A/mm2 12. Tiết diện dây quấn sơ cấp: 13. Đường kính dây quấn sơ cấp: Chọn d1=0,1 mm có tiết diện thực tế là S1 = 0,00785 mm2 14. Tiết diện dây quấn thư cấp: Chọn mật độ dòng điện bên cuộn sơ cấp là: J2= 4 A/mm 15. Đường kính dây quân thứ cấp: Chọn d2= 0,1 mm có tiết diện là S2 = 0,00785 mm2 16. Kiểm tra hệ số lấp đầy: Như vậy cửa sổ đủ diện tích cần thiết. Theo yêu cầu thiêt kế ta cần 6 biến áp xung. 4.4.2 Tính tầng khuếch đại cuối cùng. Chọn Tranzito công suất Tr3 loại 2SC828A làm việc ở chế độ xung có các thông số sau: Tranzito loại NPN, vật liệu bán dẫn là Si. Điện áp giữa colecto và bazo khi hở mạch emito: Điện áp giữa emito và bazo khi hở mạch coleco: Dòng điện lớn nhất ở colecto có thể chịu đựng: Công suất tiêu tán ở colecto: Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: Hệ số khuếch đại: Dòng làm việc của colecto: - Dòng làm việc của bazo: Hình 4.11: Kích thước và sơ đồ chân của Tranzito. Ta thấy với loại Tirisro đã chọn có công suất điều khiển khá bé: nên ta chỉ cần dùng một đèn Tranzito là có đủ công suất điều khiển. Chọn nguồn cấp cho máy biến áp xung: E = +12 V. Do vậy ta cần mắc thêm một điện trở R10 nối tiếp với cuộn sơ cấp của máy biến áp xung. Giá trị của điện trở cần mắc thêm là: Tất cả các diode trong mạch đều dùng loại 1N4009, có các tham số: Dòng điện định mức: Điện áp ngược lớn nhất: Điện áp để cho diode mở thông: 4.4.3 Chọn cổng AND. Toàn bộ mạch điều khiển phải dùng 6 cổng AND nên ta chọn 2 IC 4081 họ CMOS, mỗi IC có 4 cổng AND. Hình 4.12: Sơ đồ chân IC 4081 Các thông số của IC đã chọn: Nguồn nuôi IC: chọn: Vcc = 12 V Nhiệt độ làm việc: Điện áp ứng với mức logic “1”: Dòng điện nhỏ hơn 1mA Công suất tiêu thụ: P=2,5 mW/cổng 4.4.4 Chọn R9và C3: Điện trở R9 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào bazo của Tranzito Tr3. Do vậy ta phải chọn R9 sao cho thỏa mãn điều kiện: ; Chọn R9= 2,3 MΩ Trong đó: U1= 3 (V) ; IB3=IAND=0,00134(mA) Chọn C3.R9= tx = 80 Suy ra C3= tx/R9=80/2,3.106=34,78 ; Chọn C3=35 4.4.5 Tính chọn bộ tạo xung chùm. Mỗi kênh điều khiển phải dùng 4 khuếch đại thuật toán, do đó ta chọn 6 IC loại TL084 do hãng Texas Instruments chế tạo cho cả hai bộ điều khiển, mỗi IC này có 4 khuếch đại thuật toán (Hình 4.13) và có thông số sau: - Điện áp nguồn nuôi: ; Chọn - Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: - Nhiệt độ làm việc: - Công suất tiêu thụ: P = 680 mW = 0.68 W - Tổng trở đầu vào: - Dòng điện đầu ra: - Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: Hình 4.13: Sơ đồ chân IC TL084 - Mạch tạo chùm xung có tần số: hay chu kì của chùm xung là: ; Ta có: Chọn thì T = 2,2.R8.C2 = 160() Chọn tụ có điện áp U = 16 V. Vậy R8 = 727,3() Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch thì ta chọn R8 là biến trở 1 k. 4.4.6 Tính chọn tầng so sánh. Khuếch đại thuật toán đã chọn loại TL084. Trong đó nếu điện áp nguồn nuôi là: , thì điện áp vào A3 là Dòng điện vào được hạn chế để: Chọn . Do đó ta chọn R4 = R5 = 15 k Khi đó dòng vào A3 là: Điện trở R11và R12 dùng để điều chỉnh URC, chọn R11=15 kΩ và R12=27 kΩ. 4.4.7 Tính chọn khâu đồng pha. Điện áp tựa được hình thành do sự nạp của tụ C1. Mặt khác để đảm bảo điện áp tựa có trong nửa chu kì điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp là: . Chọn tụ thì điện trở Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp mạch, ta chọn biến trở 100. Tranzito chọn loại A564 (có sơ đồ chân ngược với NPN C828) có thông số: Tranzito loại PNP, vật liệu Si. Điện áp giữa colecto và bazo khi hở mạch emito: Điện áp giữa emito và bazo khi hở mạch colecto: Dòng điện lớn nhất ở colecto có thể chịu đựng được: Icmax=100 mA Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: Hệ số khuếch đại: Dòng cực đại của bazo: Điện trở R2 có tác dụng hạn chế dòng đi vào bazo của tranzito Tr1. Giá trị của R2 được chọn thỏa mãn điều kiện: . Chọn Chọn điện áp xoay chiều đồng pha: UA = 9 V.Điện trở R1 dùng để hạn chế dòng đi vào khuếch đại thuật toán A1 sao cho Do đó . Chọn . 4.4.8 Tạo nguồn nuôi. Thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo nguồn nuôi và tạo điện áp đồng pha, Chọn kiểu máy biến áp ba pha ba trụ, trên mỗi trụ có 5 cuộn dây, một cuộn sơ cấp và bốn cuộn thứ cấp. Cuộn thứ cấp thứ nhất: Dùng để tạo ta nguồn điện áp (có ổn áp) để nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ. Nguồn này được cấp bởi ba cuộn dây thứ cấp a1, b1, c1. Hình 4.14: Sơ đồ máy biến áp tạo nguồn nuôi. Hai chỉnh lưu hình tia ba pha để tạo điện áp nguồn nuôi đối xứng cho IC. Điện áp đầu ra của ổn áp chọn 12 V. Điện áp đầu vào của ổn áp chọn 20 V. Điện áp thứ cấp các cuộn dây a1, b1, c1 là: . Chọn U21 = 14 V. Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng hai vi mạch ổn áp 7812 và 7912. Các thông số chung của hai vi mạch: Điện áp đầu vào: Điện áp đầu ra: Dòng điện đầu ra: Tụ điện C1, C2 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao. Chọn C1 = C2 = C3 = C4 = 470 ; điện áp U = 35 V Cuộn thứ cấp a2, b2, c2: Dùng để tạo nguồn nuôi cho máy biến áp xung, cấp xung điều khiển cho các Tiristo (+12 V). Do mức độ sụt xung tương đối lớn nên nguồn này không cần ổn áp. Mỗi khi phát xung điều khiển thì công suất xung là đáng kể nên cần chế tạo cuộn dây này riêng rẽ với cuộn dây cấp nguồn cho IC, nhằm tránh sụt áp cho nguồn nuôi IC. Cuộn thứ cấp 3, 4 (a3, b3, c3, a4, b4, c4): Dùng để tạo ra điện áp đồng pha. Các cuộn dây cần lấy trung thực điện áp hình sin của lưới. 4.4.9 Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha. 1. Điện áp lấy ra ở thứ cấp máy biến áp làm điện áp đồng pha lấy ra thứ cấp làm nguồn nuôi: U21= U2dph=14 V. 2. Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL084 sử dụng làm khuếch đại thuật toán ta chọn 2 IC 4081 để tạo 6 kênh điều khiển và 2 cổng AND. 3. Công suất BAX cấp cho cực điều khiển Tiristor: 4. Điện áp pha thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi biến áp xung a2, b2, c2. ; Chọn 5. Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây đồng pha (a3, b3, c3 a4, b4, c4): U34= 9 V 6. Dòng điện chạy qua cuộn dây đồng pha chọn 10 mA 7. Công suất các cuộn dây đồng pha: 8. Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi. 9. Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy: 10. Dòng điện sơ cấp máy biến áp: 11. Tiết diện trụ của máy biến áp được tính theo công thức kinh nghiệm: 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. Chọn chuẩn hoá tiết diện trụ theo bảng Qt= 1,63 cm2, mạch từ ghép từ những lá thép dày s = 0,5 mm. Số lượng lá thép: 68 lá; a=12 mm; b=16 mm; h=30 mm. Hệ số ép chặt Kc= 0,85 Hình 4.15: Kích thước mạch từ biến áp nguồn nuôi và đồng pha. 12. Chọn mật độ từ cảm B =1T ở trong tụ ta có số vòng dây sơ cấp: W1 = = (vòng) 13. Chọn mật độ dòng điện: J1= J2= 2,75 A/mm2 Tiết diện dây quấn sơ cấp: Đường kính dây quấn sơ cấp: Chọn để đảm bảo độ bền cơ. Đường kính có kể cách điện: = 0,12 mm. 14. Số vòng dây quấn thứ cấp W21: vòng 15. Số vòng dây quấn thứ cấp W22: vòng 16. Số vòng dây quấn thứ cấp W34: vòng 17. Đường kính dây quấn các cuộn thứ cấp vì kích thước nhỏ không đáng kể chọn 0,26 mm. Các thông số còn lại của biến áp nguồn nuôi được tính như đã tính ở máy biến áp lực ở trên. 18. Tính chọn diode cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi: - Dòng điện hiệu dụng qua diode: - Điện áp ngược lớn nhất mà điode phải chịu: - Chọn diode có dòng định mức: - Chọn diode có điện áp ngược lớn nhất: Un=ku.UNmax= 2.34,3 =68,6 (V) Chọn diode loại KII208A có các thông số: - Dòng điện định mức: Idm = 1,5 A - Điện áp ngược cực đại của diode: UN=100 V. Chương 5 Tính toán thiết kế mạch điều khiển hệ truyền động. 5.1 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển tác động liên tục. 5.1.1 Hệ thống điều tốc phản hồi tốc độ có phản hồi âm ngắt dòng điện. Hình 5.1 là một ví dụ về hệ thống điều tốc không có sai số tĩnh, trong đó dùng bộ điều chỉnh tích phân tỷ lệ để thực hiện không có sai số tĩnh, đồng thời dùng phản hồi âm ngắt dòng điện để hạn chế dòng điện xung kích của quá trình trạng thái động khi mở máy. Khi dòng điện vượt quá dòng điện ngắt mạch Ing, Ui cao hơn điện áp xuyên thủng của diot zener DZ, làm bóng bán dẫn 3 cực VT được thông, thì điện áp ra Uđk của bộ PI tiến dần đến 0, điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu tiristor hạ xuống đột ngột, đạt được mục đích hạn chế dòng điện. Hình 5.1: Hệ thống điều tốc mạch vòng tốc độ dùng phản hồi âm ngắt dòng điện. Lúc dòng điện động cơ nhỏ hơn giá trị dòng ngắt mạch, sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định của hệ thống nói trên thể hiện trên hình 5.2. Hình 5.2: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều tốc. Hình 5.3: Đường đặc tính tĩnh. Đường đặc tính tĩnh lý tưởng của hệ thống không có sai số tĩnh kể trên thể hiện trên hình 5.3. Khi Id Ing, phản hồi âm ngắt mạch dòng điện bắt đầu gây tác dụng, đường đặc tính tĩnh hạ xuống đột ngột. Toàn bộ đường đặc tính tĩnh thành một hình chữ nhật. Nhược điểm của hệ thống điều tốc này ở chỗ: khâu phản hồi âm ngắt dòng điện chỉ dành riêng cho khống chế dòng điện, nhưng chỉ sau khi vượt quá dòng điện tới hạn khâu phản hồi mới làm việc để hạn chế sự xung kích của dòng điện, đồng thời không thể khống chế thật tốt đồ thị trạng thái động của dòng điện. Đồ thị dòng điện và tốc độ quay lúc hệ thống điều chỉnh tốc độ mạch vòng kín đơn có phản hồi âm ngắt dòng điện được vẽ trên hình 5.4a. Sau khi dòng điện từ giá trị cho phép giảm xuống, mômen quay động cơ cũng theo đó giảm xuống, vì vậy quá trình tăng tốc tất nhiên phải kéo dài. b) a) Hình 5.4: Đồ thị dòng điện và tốc độ quay của quá trình khởi động hệ thống điều chỉnh tốc độ: a) hệ thống mạch vòng kín đơn có phản hồi âm ngắt dòng điện. b) quá trình khởi động tăng tốc lý tưởng. Đối với hệ thống điều chỉnh tốc độ thường phải vận hành đảo chiều như máy bào giường, máy cán đảo chiều, việc rút ngắn thời gian quá trình khởi động là nhân tố quan trọng nâng cao năng suất. Vì vậy, ở điều kiện dòng điện (mômen điện từ) của động cơ bị hạn chế, muốn lợi dụng tối đa năng lực quá tải cho phép của động cơ, tốt nhất là trong quá trình quá độ luôn luôn giữ được dòng điện (hoặc mômen điện từ) ở giá trị tối đa cho phép, làm cho hệ thống truyền động điện tận dụng gia tốc tối đa để khởi động, sau khi vận tốc đạt tới trạng thái ổn định, lại cho dòng điện lập tức giảm xuống, làm cho mômen cân bằng với phụ tải. Đồ thị của quá trình khởi động lý tưởng ấy được vẽ trên hình5.4b. Lúc này đồ thị của dòng điện có hình sóng, còn đồ thị tốc độ quay tăng theo tuyến tính. Đó là quá trình khởi động nhanh nhất mà hệ thống điều chỉnh tốc độ ở điều kiện dòng điện (hay tốc độ quay) tối đa bị hạn chế có thể đạt tới. Trên thực tế, bởi vì tác dụng của điện cảm mạch điện chính, dòng điện không thể đột nhiên nhảy cấp, đồ thị lý tưởng trên hình5.4b chỉ đạt tới tiệm cận, không thể là hiện thực. Để khởi động nhanh nhất trong điều kiện cho phép, mấu chốt là nhận được một quá trình có dòng điện không đổi cho phép Icp (Icp = 2 2,5 Iđm). Theo quy luật điều khiển phản hồi, dùng phản hồi âm một đại lượng vật lý nào đó là có thể giữ cho đại lượng ấy cơ bản bất biến, thế thì dùng phản hồi âm dòng điện là có thể nhận được quá trình dòng điện không đổi. Vấn đề là yêu cầu trong quá trình khởi động chỉ có phản hồi âm dòng điện, mà không thể đồng thời có thêm phản hồi âm tốc độ quay đưa tín hiệu tới cùng một đầu vào của bộ điều chỉnh; sau khi đạt tới tốc độ quay trạng thái ổn định, lúc này lại yêu cầu chỉ có phản hồi âm tốc độ quay, mà không cần phản hồi âm dòng điện. Hệ thống điều khiển tối ưu hai mạch vòng kín dòng điện và tốc độ chính là dùng để giải quyết vấn đề ấy. 5.1.2. Hệ thống điều chỉnh tối ưu hai mạch vòng kín tốc độ quay và dòng điện. Sơ đồ nguyên lý mạch điện hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín Hình 5.5: Sơ đồ nguyên lý mạch điện hệ thống điều chỉnh tốc độ 2 mạch vòng kín Đường đặc tính tĩnh của hệ thống (hình 5.6) khi dòng điện phụ tải nhỏ hơn Icp thì biểu hiện thành không có sai số tĩnh tốc độ quay, lúc đó, phản hồi âm tốc độ sẽ gây tác dụng chủ yếu. Sau khi dòng điện phụ tải đạt tới trị số Icp, bộ điều chỉnh tốc độ quay bão hoà, bộ điều chỉnh dòng điện sẽ gây tác dụng chủ yếu, hệ thống không có sai số tĩnh dòng điện, nhận được sự bảo vệ tự động về dòng điện quá mức cho phép. Đường nét đứt thể hiện đường đặc tính tĩnh có sai số. Hình 5.6: Đường đặc tính tĩnh của hệ thống điều chỉnh tốc độ 2 mạch vòng kín Mục đích quan trọng của hệ thống điều khiển hai mạch vòng kín chính là để nhận được quá trình khởi động gần với lý tưởng (hình 5.4b). Quá trình khởi động được thể hiện trên hình.7 được đánh dấu bằng các đoạn I, II, III ứng với quá trình không bão hoà, bão hoà, thôi bão hoà của bộ điều chỉnh tốc độ. 5.2 Tính toán bộ điều chỉnh tối ưu hai mạch vòng kín tốc độ và dòng điện. Yêu cầu tính toán của bộ điều chỉnh là ngoài việc đảm bảo không có sai số tĩnh ở trạng thái ổn định còn phải đảm bảo chỉ tiêu chất lượng trạng thái động của hệ thống điều khiển thông qua hai thông số: tính năng bám và tính năng chống nhiễu. Chỉ tiêu chất lượng bám: mô tả tình trạng thay đổi lượng đầu ra khi tín hiệu đầu vào cho trước. Lượng quá điều khiển là thông số quyết định cho chỉ tiêu chất lượng bám, nó là tỉ số giữa giá trị trạng thái ổn định và độ lệch tối đa của lượng đầu vào vượt quá giá trị trạng thái ổn định: . Nó phản ánh tính ổn định tương đối của hệ thống (hình 5.8). Chọn lượng quá điều khiển dòng điện ; lượng quá điều khiển tốc độ quay khi khởi động không tải đến tốc độ quay định mức . Chỉ tiêu tính năng chống nhiễu: phản ánh thời gian khôi phục (tv) trở lại trạng thái vận hành ổn định sau khi lượng đầu ra biến đổi do nhiễu (hình 5.9) Hình 5.8:Đường cong thích nghi nhảy vọt Hình 5.9:Quá trình trạng thái động đột điển hình và chỉ tiêu chất lượng bám. ngột tăng tải và chỉ tiêu chống nhiễu. Sơ đồ cấu trúc dạng điều khiển tối ưu hai mạch vòng kín: w Hình 5.10: Sơ đồ cấu trúc điều khiển tối ưu hai mạch vòng kín Đối tượng điều khiển WCL(p) = KCL.e-p; với KCL= và WĐ1(p) =; WĐ2 (p) = Trong đó : = 2.11,24 + 6/2.2,98 + 1,13 + 32,7 = 59,15() = 2,32 J - mômem quán tính tra theo công suất động cơ J = 0,05 kgm2 và với: Chọn hệ số phản hồi dòng điện Kpi = 3,077 V/A (10V/2,5.Iđm) Chọn hệ số phản hồi tốc độ quay Kpw = 0,0066 V/rad/s (10V.s) 5.2.1 Thiết kế mạch vòng dòng điện. 1) Xác định hằng số thời gian: Hằng số thời gian chậm sau Ts của bộ chỉnh lưu: Thời gian mất điều khiển bình quân ở mỗi bước sóng của mạch điện cầu 3 pha là Ts = 0,00167 s. Hằng số thời gian lọc sóng dòng điện Toi : Thời gian của mỗi bước sóng mạch điều khiển cầu 3 pha là 3,33 ms, để có thể cơ bản san bằng đầu nhấp nhô của sóng, cần có (12)Toi = 3,33 ms, vì thế lấy Toi = 2 ms = 0,002 s. Hằng số thời gian thành phần mạch vòng dòng điện : Dựa vào phép xử lý gần đúng hằng số thời gian thành phần, lấy s 2) Chọn cấu trúc bộ điều chỉnh dòng điện Căn cứ vào yêu cầu thiết kế: , mà .Vì thế bộ điều chỉnh dòng điện chọn kiểu PI, hàm truyền của nó là: Wregi(p) = Ki. 3) Chọn thông số mạch điều chỉnh dòng điện Hằng số thời gian vượt trước của bộ điều chỉnh dòng điện: Hệ số khuếch đại mạch hở của mạch vòng dòng điện: Từ yêu cầu , cần chọn K1.T01 = 0,5 ( xem bảng 2-2 tr129 cơ sở điều khiển tự động truyền động điện (CSĐKTĐĐ -TS Trần Thọ). Do đó K1 = 0,5/T01 = 0,5/0,00367 = 136,2 (1/s) Do đó hệ số tỷ lệ của bộ điều chỉnh là: Ki = K1.= 4) Điều kiện hiệu chỉnh gần đúng Tần số ngắt mạch vòng dòng điện Điều kiện gần đúng của hàm số truyền bộ bán dẫn tyristo : Ta thấy 1/3Ts = 1/(3.0,00167) = 199,6 > , thoả mãn điều kiện gần đúng. Điều kiện bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động đối với mạch vòng dòng điện: . Thay số , thoả mãn điều kiện. Điều kiện xử lý gần đúng hằng số thời gian thành phần: Thay số , thoả mãn điêu kiện gần đúng. 5) Tính toán điện trở và điện dung bộ điều chỉnh Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh dòng điện như trên hình 5.11 Chọn R0 = 40 k. Vậy ta được: Ri = Ki.R0 = 21,72 k; lấy 22 k Ci = /Ri=0,005.106/22.103= 0,23 Coi = 4.Toi/R0 = 4.0,02/40.103 = 0,2 Hình 5.11:Bộ điều chỉnh dòng kiểu PI. Dựa vào các tham số nói trên, chỉ tiêu trạng thái động mà mạch vòng dòng điện có thể là , thoả mãn yêu cầu thiết kế. 6) Chọn điện trở Sun cảm biến dòng RS = 10 (mW) - Dòng điện định mức của điện trở Sun trong khoảng : Isđm= ( 2 – 2,5 ).Iđm chọn Isđm= 2,5.Iđm = 2,5. 1,3= 3,25 A - Điện áp định mức là : Usđm= 3,25. 10.10-3 = 0,0325 (V) = 32,5 (mV) 5.2.2 Thiết kế mạch vòng tốc độ. Thay mạch vòng kín (vòng dòng điện) bằng hàm truyền: Wk1(p)= w Hình 5.12: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ sau khi thay thế 1) Xác định hằng số thời gian Hằng số thời gian khi mạch vòng dòng điện tương đương là 2.T01 = 0,0073 s Hằng số thời gian lọc sóng tốc độ quay là Ton: Căn cứ vào tình trạng nhấp nhô của sóng dòng điện máy phát tốc đang dùng. Chọn Ton = 0,01 s Hằng số thời gian thành phần mạch vòng tốc độ T02: Dựa vào sự xử lý gần đúng hằng số thời gian, lấy T02 = 2.T01 + Ton = 0,0173 s 2) Chọn cấu trúc bộ điều chỉnh tốc độ quay: Vì yêu cầu thiết kế không có sai số tĩnh, bộ điều chỉnh tốc độ quay buộc phải có khâu tích phân, sau đó lại dựa vào yêu cầu trạng thái động, bộ điều chỉnh tốc độ chọn bộ điều chỉnh PI, hàm số truyền: 3) Chọn tham số bộ điều chỉnh tốc độ quay: Dựa vào nguyên tắc chất lượng bám đuổi và chất lượng chống nhiễu, lấy h = 5 (h là độ rộng trung tần có tác dụng quyết định tới chất lượng trạng thái động của hệ thống điều khiển, tra theo số liệu bảng 2-7/tr.139 – CSĐKTĐTĐĐ), thì hằng số vượt trước của bộ điều chỉnh tốc độ là: Hệ số khuếch đại mạch vòng hở tốc độ quay là: (CT 2-37/tr 135 CSĐKTĐTĐĐ) Do đó, hệ số tỷ lệ của bộ điều chỉnh tốc độ (theo CT 2-83/tr 164): 4) Kiểm nghiệm điều kiện gần đúng: Từ công thức (2-31/tr134 CSĐKTĐTĐĐ), tần số ngắt mạch tốc độ quay là: (1/s) Điều kiện đơn giản hoá hàm truyền mạch vòng dòng điện: (CT 27-5) Thay số 1/5.T01 = 1/(5.0,00367) = 54,5 (1/s) > , thoả mãn điều kiện gần đúng Điều kiện xử lý gần đúng hằng số thời gian thành phần: (2-42) Thay số , thoả mãn điều kiện gần đúng 5) Tính toán điện trở điện dung bộ điều chỉnh Sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh tốc độ quay trên hình 5.13, lấy R0 = 40 k thì: Rn = Kn.R0 = 28660 k lấy 29000 k Cn =; lấy 3 Con = Hình 5.13: Bộ điều chỉnh tốc độ kiểu PI. 6) Hiệu chỉnh lượng quá điều khiển tốc độ: Từ công thức (2-91/tr169 CSĐKTĐTĐĐ): Lúc h = 5 thì tra bảng 2-7 tr 139 có = 81,2%, còn (vòng/phút) Giả thiết coi hệ số quá tải và hệ số tải trọng z = 0 (khởi động không tải lý tưởng), vì thế < 10%, thoả mãn yêu cầu. 7) Chọn máy pha tốc một chiều với điện áp ra UFT = 110V 5.2.3 Vấn đề hạn chế dòng Iư. Để hạn chế thông số được điều khiển của vòng trong (Iư) bằng cách dùng đặc tính bão hoà cho Reg của vòng ngoài, vòng tốc độ. Khi kết hợp chức năng hạn chế Iư thì Regw có đặc tính khuếch đại bão hoà (hình 5.14) và UđI = Kpi.Iư đưa vào bộ Reg luôn nhỏ hơn hoặc bằng Uđimax = const. Tác dụng của khâu hạn chế dòng Iư thể hiện rõ nhất trong quá trình khởi động. Hình 5.14: Đặc tính bão hoà vòng tốc độ. Hình 5.15:Đặc tính tính của hệ thống. Khi khởi động, điện áp đặt phải đặt định mức tức là: Uđw=UđwmaxUđI= Uđimax như thế Iư = Icp được duy trì trong suốt quá trình khởi động. Thực vậy khi tăng nhưng vẫn nhỏ hơn ( ) Upw = Kpw. đủ lớn để cho U= Uđm- Upw chưa đưa điểm làm việc ra khỏi vùng AB (hình 5.14). Trong vùng thì Uđi=Uđimax = const Iư=Icp=const. Còn khi U đủ nhỏ để điểm làm việc ra khỏi vùng bão hòa (UđI <Uđimax) à từ đó tiến tới điểm làm việc xác lập trùng theo đường phụ tải như hình 5.15 (đặc tính tĩnh của hệ) Việc đặt ngưỡng trên khâu Regw được thực hiện theo 2 phương án như hình vẽ sau: Hình a Hình b Hình 5.16: Khâu hạn chế dòng Iư- trên Regw a.Sử dụng 2 diot Zener mắc ngược để đặt ngưỡng b.Sử dụng 2 diot nối với nguồn có thể điều chỉnh Việc sử dụng phương án như hình 5.16a sẽ khó để điều chỉnh điện áp đặt ngưỡng do hạn chế điện áp ngưỡng trên DZ (chọn DZ theo điện áp ngưỡng là khó vì phạm vi giá trị là ít, điều đó hạn chế việc điều chỉnh điện áp đặt theo yêu cầu).Do đó ta sử dụng phương án như hình 5.16b, tuy phức tạp hơn nhưng có thể điểu chỉnh được điện áp đặt ngưỡng (cả trên và dưới) như mong muốn thông qua việc điều chỉnh hai biến trở. Chọn Ung = ; giá trị mỗi biến trở là 10 k. Hình 5.17: Sơ đồ mạch điện hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín. Chương 6 Mô phỏng mạch điện tử công suất và đặc tính động cơ điện MộT CHIềU 6.1 Mô phỏng các mạch chỉnh lưu có điều khiển bằng PSIM. Để tiến hành mô phỏng dạng sóng điện áp và dòng điện các bộ chỉnh lưu ta sử dụng phần mềm Psim.Qua kết quả mô phỏng em đều đánh giá cao hiệu quả mô phỏng của phần mềm này. Tuy nhiên mỗi phần mềm là có những ưu việt khác nhau tuỳ thuộc vào từng người sử dụng. Đối với PSIM, việc mô phỏng các bộ chỉnh lưu nói riêng là đơn giản hơn, tính giao tiếp cao hơn. Nó xây dựng trực tiếp qua mô hình mạch điện tử và kết quả mô phỏng mang tính lý tưởng, phù hợp với tính chất giảng dạy. Nhưng do dễ sử dụng nên đây có thể nói là phần mềm được nhiều người sử dụng. Như giới thiệu Psim là phần mềm dễ sử dụng để mô phỏng mạch điện tử công suất do đó ở đây em chỉ giới thiệu một ví dụ điển hình nhất là mô phỏng mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng và đối xứng. Sơ đồ mạch mô phỏng và dạng sóng mô phỏng ứng với góc mở xung = 450. 6.1.1 Bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng. Hình 6.1: Sơ đồ mô phỏng chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng. Hình 6.2: Các đường cong điện áp và dòng điện của bộ chỉnh lưu một ba pha điều khiển đối xứng. 6.1.2 Bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng. Hình 6.3: Sơ đồ mô phỏng chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng. Hình 6.4: Các đường cong điện áp và dòng điện của chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng. 6.1.3 Bộ chỉnh lưu tia ba pha. Hình 6.5 : Sơ đồ mô phỏng chỉnh lưu tia ba pha. Hình 6.6 : Các đường cong điện áp và dòng điện của bộ chỉnh lưu tia ba pha. 6.1.4 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng: Hình 6.7: Sơ đồ mô phỏng bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng. Điện áp qua tải Dòng qua van Điện áp trên van Dòng qua Diot Điện áp trên Diot Hình 6.8: Các đường cong điện áp của bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng. 6.1.5 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng. Sơ đồ mạch mô phỏng và dạng sóng mô phỏng ứng với góc mở xung = 450 Hình 6.9: Sơ đồ mô phỏng bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng. Dòng qua van Dòng qua nguồn Điện áp trên van Điện áp trên tải Hình 6.10: Các đường cong điện áp của bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng. 6.2 Mô phỏng đặc tính động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng Matlab. Matlab là phần mềm mô phỏng rất mạnh trong nhiều lĩnh vực ứng dụng của nó là hết sức quan trọng trong vấn đề khảo sát cũng như nghiên cứu đối tượng. Trong phạm vi đề tài này em đã ứng dụng Matlab để mô phỏng các đặc tính của động cơ và của cả hệ thống mà em đã thiết kế. Kết quả mô phỏng có ý nghĩa rất quan trọng bởi nó cho ta biết việc tính toán thiết kế có thực sự tối ưu hay không, từ đó người thiết kế có thể hiệu chỉnh và thay đổi các thông số tính toán để bài toán có kết quả tốt nhất đáp ứng được yêu cầu thiết kế. 6.2.1 Mô phỏng động cơ một chiều KTĐL. Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập: Hình 6.11: Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập. Từ phương trình vi phân (If = const): Ta xây dựng mô hình động cơ theo phương pháp không gian trạng thái: với x=y = và u = Hình 6.12: Sơ đồ mô phỏng động cơ một chiều kích từ độc lập bằng Matlab (DC Motor). Hình 6.13: Sơ đồ mô phỏng khối DC Motor. 6.2.1.1 Mô phỏng với quá trình khởi động trực tiếp của động cơ khi không tải. Hình 6.14: Dòng điện và tốc độ động cơ khi khởi động không tải. Khi khởi động động cơ dòng khởi động tăng rất cao IKĐ=5Iđm sau đó giảm dần về dòng điện không tải I0=0 (A), tốc độ động cơ tăng dần từ 0 đến tốc độ không tải n0 =1859 (vòng/phút). Hình 6.15: Đặc tính làm việc của động cơ khi khởi động không tải. 6.2.1.2 Mô phỏng quá trình khởi động động cơ trực tiếp, tải đóng sau một thời gian. Hình 6.16: Dòng điện và tốc độ động cơ khi khởi động không tải sau một thời gian đóng tải định mức. Sau khi khởi động không tải được một thời gian đóng tải định mức vào động cơ ta thấy dòng điện phần ứng tăng đến dòng định mức Iđm=1,3 (A) và tốc độ giảm từ tốc độ không tải về tốc độ định mức nđm=1500 (vòng/phút). 6.2.2 Mô phỏng hệ thống điều chỉnh tốc độ với hai vòng phản hồi. Hình 6.17: Sơ đồ mô phỏng hệ thống chỉnh lưu - động cơ một chiều kích từ độc lập bằng Matlab. Hình 6.18: Sơ đồ khối Current Controller. Hình 6.19: Sơ đồ khối Speed Controller. 6.2.2.1 Quá trình khởi động động cơ khi có phản hồi. Dựa vào đồ thị ta có thể thấy rất rõ đặc tính khởi động của động cơ khi có phản hồi là tương đối tốt và ổn định. So với việc khởi động trực tiếp thì khởi động khi có phản hồi tốt hơn rất nhiều, không những hạn chế dòng khởi động (2,5Iđm) mà còn lợi dụng được khả năng quá tải để khởi động động cơ một cách nhanh nhất có thể. Hình 6.20: Dòng điện và tốc độ động cơ khi khởi động với tải định mức có phản hồi hai mạch vòng kín. Hình 6.21: Đặc tính làm việc của động cơ ở tải định mức khi có phản hồi hai mạch vòng. 6.2.2.2 Khởi động không tải của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín. Hình 6.22: Dòng điện và tốc độ khi khởi động không tải của động cơ có phản hồi hai mạch vòng. Hình 6.23: Đặc tính khởi động không tải của động cơ khi có phản hồi hai mạch vòng. Khi khởi động động cơ có phản hồi dòng điện khởi động được hạn chế IKĐ =2,5.Iđm tuy nhiên quá trình quá độ hay nói khác đi là sự dao động mạnh của dòng điện do yếu tố phi tuyến của hệ thống gây lên và tốc độ cũng tăng dần đến tốc độ định mức. 6.2.2.3 Khởi động không tải, tải đóng sau một thời gian. Hình 6.24: Dòng điện và tốc độ động cơ khi khởi động không tải sau một thời gian đóng tải định mức có phản hồi hai mạch vòng kín. Sau khi khởi động một thời gian đóng tải định mức ta thấy dòng điện phần ứng động cơ tăng từ dòng không tải lên dòng định mức còn tốc độ động cơ được giữ ổn định ở tốc độ định mức. Nhận xét: Qua quá trình mô phỏng ta thấy được quá trình động của động cơ khi có phản hồi là tương đối tốt, đánh giá đúng tiêu chí thiết kế đặt ra là ổn định tốc độ động cơ. Từ đó cho thấy quá trình tính toán thiết kế lựa chọn các tham số bộ điều chỉnh đã được điều chỉnh tốt. Và trong quá trình làm việc ổn định sai số tĩnh gần như bằng 0. Nhược điểm chính của hệ thống hai mạch vòng phản hồi thể hiện rõ khi ta khởi động không tải. Việc kéo dài quá trình quá độ hay nói khác đi là sự dao động mạnh của dòng điện là không tránh khỏi. Đó là do yếu tố phi tuyến của hệ thống gây lên. Tuy nhiên xét trên nhiều phương diện thì việc sử dụng phương pháp điều khiển bão hoà phi tuyến để thực hiện điều khiển tối ưu hai mạch vòng kín là một sách lược điều khiển rất có giá trị thực dụng, và nó được sử dụng rất phổ biến. Kết quả mô phỏng trên đã cho chúng ta thấy rõ được vai trò của hệ thống điều khiển tối ưu hai mạch vòng kín trong quá trình khởi động cũng như quá trình ổn định tốc độ khi có sự biến thiên tải. Đáp ứng hầu hết các tiêu chuẩn khắt khe nhất của đối tượng điều khiển. Kết luận Ngày nay, với sự phát triển nhanh như vũ bão của nền kinh tế, kéo theo việc hiện đại hoá cả trong công nghiệp lẫn cuộc sống hàng ngày càng được quan tâm và đầu tư mạnh mẽ. Chính vì thế vai trò của các hệ thống truyền động là không thể phủ nhận. Đối với các nước phát triển, có nền khoa học hiện đại họ có những phương pháp tiến bộ với chi phí lớn để thực hiện cho vấn đề này. Còn đối với nước đang phát triển như Việt Nam thì yêu cầu là đáp ứng được đầy đủ các quá trình sản xuất với chi phí rẻ và dễ sử dụng nhất lại là rất cần thiết. Chính vì thế việc thực hiện đề tài này vào thực tế theo em là hết sức hiệu quả và cần thiết. Qua quá trình thực hiện đề tài em tự nhận thấy: với bản thân em đã thực sự nỗ lực để hoàn thành đề tài được giao và hơn hết nó đã bổ xung cho em nhiều kiến thức cái mà em còn thiếu sót và còn phải cố gắng học tập và nghiên cứu rất nhiều để có thể đáp ứng được công việc sau này. Với mức độ kiến thức và thời gian còn hạn chế, em không thể tránh khỏi những thiếu xót trong quá trình làm đề tài này. Em rất mong được sự góp ý chân thành và tích cực từ các thầy và các bạn để em có thể học tập và bổ sung thêm những thiếu xót sau này. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Hà Xuân Hoà đã nhiệt tình chỉ bảo, giúp đỡ, cung cấp tài liệu và định hướng cho em trong suốt quá trình thực hiện đề tài này. Em xin chân thành cảm ơn! Tài liệu tham khảo Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất – Trần Văn Thịnh, Nhà xuất bản giáo dục. Truyền động điện – Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật, 2001. Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện – TS Trần Thọ, PGS. TS Võ Quang Lập, Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật. Matlab & Simulink – Nguyễn Phùng Quang, Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật. Máy điện – Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu, Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật. Giáo Trình Truyền động điện, Bùi Đình Tiếu, nhà Xuất bản Giáo Dục.