Đồ án Thiết kế hệ điều khiển động cơ lồng sóc bằng bộ điều chỉnh pha thyristor

t toán. Hình 4.10: Sơ đồ này áp dụng cho việc so sánh hai điện áp trái dấu. - Điện thế tại cổng đảo : U- = Urc- ( Urc- Uđk). - Nếu R1=R2 thì U = Vì U+=0 nên Ud=U-. - Khi ỗUdkỗ< Urc thì Ura = -Vsat. Uđk Ur Urc t U Hình 4.-139-: Sơ Dạng điện áp của sơ đồ so sánh một cổng.đồ khối của mạch điều khiển -Vsat +Vsat - Khi ỗUdkỗ> Urc thì Ura= Vsat. Hình 4.11: Sơ đồ so sánh hai cổng cho phép so sánh hai điện áp cùng dấu: Tacó: Ud = Uđk-Urc - Khi Ud > 0 (Uđk > Urc) thì Ura = Vsat. - Khi Ud Urc) thì Ura =-Vsat. Uđk Ur Urc t U Hình 4.-129-:D Sơ ạng điện áp của sơ đồ so sánh hai cổng.đồ khối của mạch điều khiển +Vsat -Vsat 0 Với dạng điện áp tựa tạo được từ các khâu đồng pha đã nêu, khi tăng điện áp điều khiển Uđk, góc mở thyristor tăng và điện áp cấp cho tải giảm. Như vậy, điện áp ra và điện áp điều khiển có quan hệ ngược. Điều này không thích hợp cho thói quen điều khiển thuận chiều. Để tạo ra mối quan hệ thuận ta sử dụng khâu cộng đảo dùng khuếch đại thuật toán đệm giữa đồng pha và so sánh. Sơ đồ mạch và điện áp tựa như hình vẽ dưới. R0 R R R/2 -E Uadd Urc2 + - Urc1 Hình 4.-149-: Sơ Sơ thay đổi sườn điện áp tựa và dạng điện áp.đồ khối của mạch điều khiển Urc1 Urc2 + Biểu thức của điện áp ra Urc2 : Urc2 = - Để có Urc2 mong muốn như hình vẽ điện áp U phải ngược dấu với Urc1 và có độ lớn bằng biên độ Urc1. Với việc chọn thích hợp ta có thể nâng cao biên độ của Urc2. Điều này làm dải thay đổi điện áp điều chỉnh được tăng nên thuận lợi cho quá trình điều khiển. II.3 Khâu khuếch đại tạo xung. R2 R1 D1 D2 Xđk Uv BAX Tr R2 R1 D1 D2 +E Xđk Uv BAX D3 Tr1 Tr2 Hình 4.-159-: Sơ Sơ đồ khâu khuếch đại tạo xung.đồ khối của mạch điều khiển ab ba * * * * Với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor, tầng khuếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng transistor công suất và biến áp xung. Sơ đồ mô tả ở dưới: Hoạt động của sơ đồ: t t t t Xđk ic ib Uv Hình 4.-169-: SơDạng điện áp của sơ đồ KĐTX .đồ khối của mạch điều khiển 0 u,i Tín hiệu vào lấy được từ đầu vào của khâu so sánh khi Uv= 1 thì transistor mở thông bão hoà cho dòng ic chạy qua. Trong vùng biến thiên của dòng điện ic ở cuộn sơ cấp biến áp xung thì trong cuộn thứ cấp của biến áp xung sẽ suất hiện một suất điện động cản ứng. Sức điện động cảm ứng đó được lấy ra làm xung điều khiển cho thyristor. Khi Uv = 0 Transistor bị khoá, ic giảm về không. Các điện áp cho ở hình dưới: + Tác dụng của các linh kiện: - R1: hạn chế dòng điện bazơ của transistor. - R2: hạn chế dòng điện Emitơ. - D1: bảo vệ transistor của cuộn sơ cấp của biến áp xung. - D2: chặn xung âm điều khiển thyristor. Khi transistor mở thông, dòng điện ic tăng theo hàm mũ: ic = với : điện cảm của biến áp xung. Khi transistor khoá dòng điện dạt đến độ lớn: I = Khi không có D1 thì năng lượng tích luỹ trong cuộn dây W = sẽ gây quá áp trên các cực C-E làm phá hỏng transistor và trên cuộn dây sơ cấp của biến áp xung. Sơ đồ a áp dụng cho mạch mà cần công suất điều khiển không lớn lắm do hệ số khuếch đại của transistor không lớn lắm. Khi cần công suất điều khiển lớn người ta dùng sơ đồ b. Với sơ đồ này bằng việc dùng hai transistor mắc theo kiểu darlington chúng có hệ số khuếch đại rất lớn bằng tích số hệ số khuếch đại của hai transistor. R2 R1 D1 D2 +E Xđk Uv BAX D3 Tr1 Tr2 Hình 4.-179-: Sơ Sơ đồ KĐTX dùng tụ hạn chế .đồ khối của mạch điều khiển * * C Trong thực tế, độ rộng của xung điều khiển chỉ cần bé( từ 10 á200ms) mà thời gian mở thông của transistor thường lớn hơn nhiều ( tối đa có thể tới một nửa chu kỳ của điện áp lưới 0,01s) làm cho công suất toả nhiệt dư của transitor tương đối lớn và ần kích thước cuộn dây của biến áp xung cũng cần phải lớn. Để giải quyết vấn đề này người ta dùng một tụ nối tầng C trước khâu khuếch đại tạo xung. Trong sơ đồ này transitor chỉ mở cho dòng điện đi qua trong thời gian nạp tụ với hằng số thời gian t = C( R1 + rbe) rất nhỏ. Khi tụ nạp đầy dòngngf qua tụ bằng không do đó dòng hiệu dụng qua transistor nhỏ hơn nhiều. II.4 Mạch tạo xung chùm. & SS XC Tới KĐTX Hình 4.-179-: Sơ Sơ đồ phối hợp tạo xung điều khiển .đồ khối của mạch điều khiển Đối với một số sơ đồ mạch, để giảm công suất cho tầng khuếch đại và tăng số lượng xung kích mở nhằm đảm bảo thyristor mở một cách chắc chắn. Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng khuếch đại người ta đưa thêm một cổng and với tín hiệu vào nhận từ khâu so sánh và từ bộ tạo xung chùm. R2 R1 R3 C OA + - a R4 R1 R2 R3 C + - - + b 1 2 6 7 8 4 3 5 C1 C2 R2 R1 +E Hình 4.-189-: CácSơ sơ đồ tạo xung chùm .đồ khối của mạch điều khiển c Ux Ux Ux Dưới đây là các sơ đồ tạo xung chùm: Đối với những mạch điều khiển công suất lớn thì việc dùng vi mạch 555 cho ta chất lượng xung khá tốt và sơ đồ cũng tương đối đơn giản. III - Lựa chọn và tính toán sơ đồ mạch điều khiển Lựa chọn sơ đồ mạch điều khiển Với việc phân tích hoạt động và ưu nhược điểm của từng sơ đồ ở từng khâu nói trên cho phép ta lựa chọn được một sơ đồ điều khiển cho từng kênh thích hợp. Trong sơ đồ đã chọn ta sử dụng một bộ tạo xung chùm cấp cho cả 6 kênh điều khiển cho 6 thyristor. Để yên tâm về công suất ra của chùm xung ta chọn bộ phát xung chùm IC 555. Sơ đồ điều khiển cho một pha dã lựa chọn được trình bày ở hình vẽ 4.19 (trang sau). Hoạt động của sơ đồ được trình bày dưới dạng điện áp ra ở các điểm của mạch điều khiển hình vẽ 4.20.(trang sau). tổng số bản vẽ:5 khoa điện trường đại hoc bach khoa hà nội MạCH ĐIềU KHIểN HAI THYISTOR MộT PHA thực hiện gv duyệt gvhd: Bùi Dình tiếu Vũ VĂN CÔNG ngày 11-5-04 bộ môn thiết bị điện-điện tử bản vẽ số 4 tỉ lệ: 1:1 theo tiêu chuẩn:tcvn U đf BAĐF A R 1 OA 1 B R 3 OA 2 D1 R 2 Tr1 C1 C VR 1 -E R 5 VR 2 R 4 OA 3 D R 6 R 7 OA 4 VR 3 U đk AND 1 & E G & AND 2 H R 8 Tr 3 R 9 D2 D3 D4 +E BAX T1 T4 U add 555 C A R B R A 7 8 4 3 5 C B F 1 2 +E 6 A R 1 OA 1 B Đ1 R 3 OA 2 C C1 R 5 R 4 VR 2 OA 3 R 6 D R 7 OA 4 AND 1 & G & AND 2 H R 8 Tr 3 R 9 D2 D3 BAX D4 Tr1 R 2 +E Pha a U khóa Dưới đây trình bày dạng điện áp ra ở các khâu của mạch điều khiển đã thiết kế, qua đó thể hiện được hoạt động của sơ đồ. UA UB Điện áp điểm A và B Điện áp điểm B và C UB UC Điện áp điểm C và D UC UD Điện áp điểm D và E UD UE Điện áp điểm F Điện áp điểm A và G UA UG Hình 4.20 - Dạng điện áp của mạch điều khiển. Tính toán sơ đồ mạch điều khiển Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành ngược từ tầng khuếch đại trở đi. Công suất của tầng khuếch đại phụ thuộc vào các thông số cực điều khiển của thyristor. Các thông số cực điều khiển của thyristor cần thiết là: - Điện áp điều khiển Uđk = 3 V - Dòng điện điều khiển Iđk = 250 mA - Độ rộng xung điều khiển tx = 75 ms - Mức sụt biên độ xung (thường chọn) Sx = 0,2 III.1Tính biến áp xung. H DH DB Bm B HS Hm D d b Hình 4.-199-: Sơ Dạng lõi sắt và đặc tính làm việc của biến áp xung .đồ khối của mạch điều khiển Chọn vật liệu sắt từ có ký hiệu 50 HM là hợp kim của Niken-Mănggan. Lõi sắt có dạng hình xuyến làm việc trên một phần đặc tính từ hoá có từ cảm bão hoà Bs = 0,7 Tesla. Điểm làm việc lấy trong phần tuyến tính của đặc tính từ hoá. Theo TL7, do vùng làm việc lằm trên một phần của đặc tính từ hoá chọn: DB = = 0,4 Tesla ; DH = 50 H Từ thẩm của lõi sắt từ: m = Trong đó: m0 =1,25.10-6 là độ từ thẩm tuyệt đối của không khí. Thể tích lõi sắt từ V = Q.L = Trong đó: Q : là tiết diện dẫn từ . L : chiều dài trung bình của đường sức. Chọn tỷ số biến áp xung K=1 do đó ta có: Điện áp sơ cấp và thứ cấp biến áp xung U1= U2 =Uđk = 3V Dòng điện sơ cấp và thứ cấp biến áp xung I1 = I2 = Iđk =250 mA Để cho xung tạo được có độ rộng xung đủ lớn đảm bảo mở thyristor một cách chắc chắn. Ta chọn độ rộng xung có độ rộng lớn hơn giá trị tx ở trên. Chọn tx =200ms. Thay vào biểu thức trên ta có thể tích biến áp xung là: V = m3 Tra bảng trong tài liệu 2 chọn các số liệu chuẩn gần đúng: V = 1,64 cm3 a = 4 mm b = 5 mm d = 22 mm D= 30 mm Q = 20 mm2 L = 82 mm Qcs = 38,2mm2 Do chọn tỷ số biến áp k=1 nên hai cuộn thứ cấp và sơ cấp của biến áp xung giống nhau cho nên việc tính toán đơn giản hơn. Các thông số được tính như sau: Số vòng dây của cuộn sơ và thứ cấp Theo định luật cảm ứng điện từ ta có: U1 = W1.Q.= W.Q. Suy ra: W= vòng Thông số dây quấn Chọn mật độ dòng điện J = 5 A/mm2 ta có tiết diện dây quấnlà: S = mm2 Đường kính dây quấn: d = mm Chọn dây tiêu chuẩn có đường kính: d = 0,25 mm S = 0,04909 mm2 III.2 Tính tầng khuếch đại. Chọn transistor dùng trong tầng khuếch đại là transistor công suất loại npn có mã hiệu 2N5320 có các thông số: Điện áp UCB khi hở mạch: UCB0 = 100 V Dòng colector lớn nhất: Icmax = 2A Hệ số khuếch đại dòng điện: b = 50 Dòng làm việc của transistor: Ic = I1 = 0,25A Dòng điện bazơ cần thiết: IB =A Trong tầng khuếch đại này transistor làm việc ở chế độ đóng cắt xung, khoá và mở thông bão hoà. Do công suất cần điều khiển cho thyristor nhỏ ( Uđk =3 V, Iđk = ,25 A) nên việc sử dụng một transistor ở tầng khuếch đại là đủ công suất. Chọn điện áp nguồn cấp cho biến áp xung là +13,24 V ( xem ở phần sau) cần phải mắc thêm điện trở R9 hạn chế dòng điện colector. R9 = W Trong đó: UCesat là điện áp C-E khi transistor mở thông bão hoà. Chọn giá trị qui chuẩn R9 = 39 W. Chọn tất cả các diod trong mạch điều khiển là loại 1N4007 có các thông số: - Dòng làm việc lớn nhất: Imax = 1 A - Điện áp ngược lớn nhất: UN = 1000 V - Dòng điện rò cực đại : Irmax = 5mA + Chọn tụ điện trở R8. Điện trở R8 dùng để hạn chế dòng điện bazơ của Tr3. Ta cần chọn R8 sao cho Transistor mở thì mở thông bão hoà. Chọn hệ số bão hoà sâu Kbh=2,5 (có thể chọn từ 2á5-TL11) ta có: IBbh =Kbh.A Chọn điện trở R8 như sau: R8 =W Chọn giá trị điện trở chuẩn R8 = 470W. ỉ Tính chọn các khâu khác trong mạch điều khiển. + Chọn mạch AND Toàn bộ mạch điều khiển có 12 cổng AND nên ta chọn 3 IC 4081 họ CMOS. Mỗi IC chứa 4 cổng AND có các thông số: Nguồn nuôi IC: Vcc = 3 á 15V( max 18V ). Nhiệt độ làm việc: -400C á 850C( loại thương mại). Công suất tiêu thụ: 2,5nW/cổng(ở trạng thái xác lập). Sơ đồ trân có thể tra ở TL12. + Chọn IC khuếch thuật toán . Mỗi kênh điều khiển sử dụng 4 KĐTT và toàn bộ mạch điều khiển có 6 kênh nên chọn 6 IC loại TL 084CN do hãng Texas Instruments sản suất. Mỗi IC này chứa 4 KĐTT. Thông số của TL 084: Điện áp nguồn nuôi: Vcc =±3á±18V Hiệu điện thế giữa hai cực lớn nhất giữa hai đầu vào: ±30V Công suất tiêu thụ cực đại: P =680 nW Tổng trở vào: Rin = 106W Hệ số khuếch đại vòng hở: Aopen-loop=106dB Dòng điện đầu ra: 30 pA Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: 13V/ms Nhiệt độ làm việc: T=-25á850C Sơ đồ chân IC TL 084 có thể tra trong TL12. Chọn điện áp nguồn nuôi IC Ecc = ±12V. Điện áp ra bão hoà của KĐTT là ±Vsat ằ ±Ecc. + Tính chọn bộ tạo xung chùm. Chọn IC 555 là bộ phát xung chùm cho mạch điều khiển. Điện áp ra được lấy ở chân số 3 của IC sẽ có dạng xung vuông không đối xứng với: - Thời gian mở Ton = 0,69 (RA + RB) ứng với thời gian nạp tụ qua RA,RB. - Thời gian đóng Toff =0,69RB.CA ứng với thời gian xả tụ qua RB. - Chu kỳ điều khiển Tck = Ton + Toff = 0,69(RA+2RB)CA. Chọn nguồn cấp cho mạch tạo xung chùm là nguồn 12V. Tụ điện CB nối chân 5 với mass thường được chọn bằng 0,01mF (chọn loại tụ gốm 103). Chọn RA,RB, và CA sao cho Ton³ tx =200ms. Chọn CA =0,1mF (loại tụ gốm 104) do đó ta cần có: RA + RB ³ W. Để thuận tiện cho việc điều chỉnh chọn RA là biến trở 2,2 kW , RB là điện trở 1kW. Với các thông số lựa chọn trên thì chu kỳ lớn nhất của xung chùm là: Tcxmax= 0,69(2,2+2.1).103.0,1.10-6=2,9.10-4s Tần số của xung chùm: fcx = Trong một nửa chu kỳ của điện áp lưới 0,01s sẽ có tối thiểu số xung chùm là: Nmin = 0,01.fx = 0,01.3,5.103= 35 xung. + Tính chọn khâu đồng pha Chọn điện áp thứ cấp biến áp đồng pha U2đf =9 V. Điện trở R1 dùng để hạn chế dòng điện đi vào khuếch đại thuật toán Iv <1mA. Do đó chọn: R1> Chọn theo điện trở chuẩn: R1= 10 kW. Chọn Transistor Tr1 loại 2SC405 có các thông số: Điện áp giữa colector và bazơ khi hở mạch emitor: UBE0=25V Dòng điện colector lớn nhất cho phép: Icmax=200mA Hệ số khuếch đại: b = 60 Dòng điện bazơ cực đại: IB max = Chọn tụ C1 và điện trở R3: Điện áp tựa được hình thành do sự nạp của tụ C1. Tụ C1 và điện trở R3 quyết định hình dáng và biên độ điện áp tựa. Do đó, phải chọn C1 và R3 sao cho đảm bảo điện áp tựa có trong một nửa chu kỳ dương của điện áp lưới. Hằng số thời gian nạp tụ t = C1.R3, theo TL1 chọn t=(0,03á0,05). Lấy giá trị t= 0,03 và chọn trước giá trị C1=0,1(mF) ta có giá trị điện trở : R3= Chọn điện trở R2 để hạn chế dòng điện bazơ của transitor Tr1: R2³ Chọn điện trở theo tiêu chuẩn: R2=3,9kW *Xác định biên độ điện áp tựa Urc1max (biên độ điện áp tại C). Viết biểu thức cho mạch tích phân của khâu đồng pha: Urc1= Điện áp uB= 12V; t=0,01s; urc1(0)=0 suy ra ta có: Urc1max= +Tính chọn mạch cộng đảo 0A3: Chọn nguồn cấp cho Uadd là E=-12V. Như phần trước đã phân tích cần đặt Uadd=-Urc1max. Ta chọn VR1 là biến trở 2,2kW. Chọn R4 sao cho R4>. Chọn theo điện trở chuẩn R4= 3,9 kW. Điện áp răng cưa Urc2 (điện áp tại D) được lấy làm điện áp tựa liên hệ với Urc1 theo hệ thức: Urc2= Trong đó: k là hệ số chiết áp của biến trở VR2 Ta chọn điện áp tựa có biên độ là Urc2=10V cần chọn biến trở VR2 sao cho : UVR2>R4 Ta chọn Biến trở VR2 là biến trở 10 kW. + Tính chọn tầng so sánh. Để thuận lợi cho việc cấp nguồn ta chọn nguồn điện áp điều khiển UNđk = 12V. Điện trở R6 và R7 được chọn tương tự như các điện trở hạn chế dòng điện vào KĐTT. Chọn R6 = R7 = 12kW. Ta sử dụng biến trở tinh 2,2kW VR3 để thay đổi Uđk. + Thiết kế nguồn nuôi mạch điều khiển. Ta cần có điện áp ± 12V để cấp cho mạch điều khiển gồm có điện áp nuôi IC, các điện áp đặt và điện áp cấp cho biến áp xung. Thiết kế một biến áp nguồn 3 pha và một mạch chỉnh lưu cầu 3 pha dùng diod và ổn định điện áp ra bằng hai vi mạch ổn áp LM7812 và LM7912. Các thông số của vi mạch như sau: Điện áp vào: 7á35 V Điện áp ra: 12 V đối với LM7912 -12 V đối với LM7812 Dòng điện đầu ra: 100 mA Để tăng cường làm mát ta lắp thêm cánh tản nhiệt cho các IC ổn áp trên. Tuy nhiên, các vi mạch ổn áp này thuộc loại công suất nhỏ và chúng có thể bị phát nóng quá mức nếu phải cung cấp cho tất cả các IC, các điện áp đặt và chủ yếu là biến áp xung. Mặt khác, do công suất nguồn cấp nhỏ nên quá trình đóng cắt xung của các transistor ở tầng khuếch đại làm điện áp nguồn không ổn định có thể gây nhiễu đối với các IC. Giải pháp cho vấn đề này là có thể dùng vi mạch ổn áp công suất lớn (ví dụ: UA78CK dòng tải đạt 1,5A) hoặc thiết kế riêng một bộ nguồn chỉnh lưu (không cần ổn áp) cấp cho các biến áp xung. Cũng có thể dùng một transistor công suất mắc như hình 4.21: Dòng điện IB của transistor nhỏ không đáng kể, dòng ra Ic lấy trực tiếp sau bộ chỉnh lưu( không qua LM7812) cấp riêng cho biến áp xung. Điện áp cấp cho biến áp xung lấy từ chân E của transitor. ở đây, ta sử dụng một nguồn riêng cấp cho các biến áp xung hình 4.22. C1 C1 C2 C2 C1 C1 Đi BAX +Ecc +12V -12V 0 BAN1 BAN2 Hình 4.22- Sơ đồ nguồn nuôi riêng. D1 D3 D4 D2 C1 Hình 4.21- Sơ đồ chung nguồn nuôi. 0 -12V LM7912 C2 RC BAN1 LM7812 +12V RB Đi BAX C2 C1 B D1 D2 C E LM1LM7812 0V +12V -12V LMLLM7912 C2 C2 C1 C1 BAN1 Cấp cho biến áp xung 0V C1 C1 BAN2 Hình 4.22 - Sơ đồ nguồn nuôi riêng cấp cho BAX * Chọn các thông số cho sơ đồ hình 4.22: - Chọn loại diod nhỏ loại 1N5404 rất thông dụng trên thị trường làm diod chỉnh lưu trong bộ nguồn. Các thông số của diod này: Chất bán dẫn : Si Dòng điện làm việc : 3 A Dòng điện rò : 5mA Điện áp ngược max : 1000 V - Chọn tụ điện : Các tụ C1 trong sơ đồ có tác dụng lọc làm cho điện áp sau chỉnh lưu bằng phẳng hơn, tụ C2 tác dụng chống nhiễu cho các IC. Hiệu quả lọc càng tốt nếu tụ có điện dung càng lớn. Cần chọn điện áp định mức ghi trên tụ lớn hơn hai lần điện áp làm việc. Ta chọn tụ C1,C2 có các thông số sau: C1 = 1000mF C2 = 5mF Uđm = 50 V Uđm = 20 V *Thiết kế biến áp nguồn nuôi. - Thiết kế biến áp cho khâu đồng pha. Ta thiết kế một biến áp ba pha vừa cấp nguồn cho chỉnh lưu tạo nguồn nuôi vừa tạo điện áp đồng pha. Biến áp ba pha ba trụ kiểu lõi, mỗi trụ có ba cuộn dây, một cuộn sơ cấp một cuộn thứ cấp. Cuộn cao áp được quấn ngoài cùng cách điện được thực hiện bằng màng polyeste. Chọn điện áp thứ cấp của biến áp nguồn U2N =9 V, của biến áp đồng pha U2đf =18V. Cuộn thứ cấp của biến áp đồng pha được lấy ra có điểm trung tính, cấp điện áp 9V ngược pha nhau cho hai khâu đồng pha cho 2 thyristor của cùng một pha mạch lực. Điện áp nguồn một chiều lấy ra sau chỉnh lưu: U2CL =KCLU2N= 2,34.9 = 21,6V Điện áp một chiều đưa vào vi mạch ổn áp: U2CLLọc = U2CL = .21,6 = 29,78V Giá trị này lằm trong dải điện áp vào của vi mạch ổn áp. Công suất thứ cấp của biến áp đồng pha: Chọn dòng điện thứ cấp của biến áp đồng pha (dòng đi vào khuếch đại thuật toán) I2đf=1mA ta có : Pđf =3UđfIđf = 3.18.10-3 = 0,054 VA. Công suất cấp cho các IC: PIC = 6PT084 + 2PC4081+ PIC555 Lấy sơ bộ công suất tiêu tán của các IC bằng công suất tiêu tán của IC T084 = 0,68W ta có: PIC = 9.0,68= 6,12W Công suất của máy biến áp có kể đến 10% tổn thất trong máy biến áp và công suất tiêu tán trên các linh kiện điện tử khác. SBA = 1,1.(Pđf +PIC) = 1,1. ( 0,054 + 6,12) = 7W Dòng điện sơ cấp của máy biến áp: I1=A Dòng điện thứ cấp trên mỗi phân đoạn: I2= A Tiết diện của máy biến áp được tính theo công thức kinh nghiệm: Q= cm2 Trong đó: kQ= 6 hệ số làm mát bằng không khí. m = 3 số trụ của biến áp. f = 50 tần số lưới điện. C H c a a/2 B h Hình 4.-239-: Sơ Mạch từ của biến áp nguồn 1.đồ khối của mạch điều khiển Qui chuẩn tiết diện trụ theo bảng 5-5 TL7 chọn lõi thép từ dạng chữ E loại dày 0,35mm có các kích thước sau: a = 16 mm ; h= 40 mm : c = 16 mm ; C = 64 mm; H = 56 mm B = 10 mm; Q = 1,31 cm2 Số lượng lõi sắt là 26, công suất ước lượng là 10 W. Chọn mật độ từ cảm trong trụ của máy biến áp B = 1,5 Tesla Số vòng dây quấn sơ cấp: W1 = vòng Số vòng dây thứ cấp biến áp nguồn 1: W2N =vòng Số vòng dây thứ cấp biến áp đồng pha: W2đf = W1.vòng Tiết diện dây quấn sơ cấp: S1 =mm2 d1 =mm Chọn dây quấn sơ cấp có d1 =0,1mm S1 =0,00785 mm2 Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 =mm2 d2 =mm Dây quấn thứ cấp có d2 =0,23mm S2 =0,04155 mm2 Trong đó: chọn mật độ dòng điện của cuộn sơ và thứ cấp là J1 =J2 =2 A/mm2. Chọn cách điện cho một pha: Chọn lớp cách điện có đường kính dcd=0,2 mm bằng vật liệu polyeste: một lớp cho dây quấn và lõi sắt, một lớp cách điện giữa các cuộn dây trong một pha, một lớp cách điện ngoài cùng. Kiểm tra hệ số lấp đầy cửa sổ mạch từ: Klđ = = Như vậy, cửa sổ mạch từ đủ chỗ cho dây quấn. - Thiết kế biến áp cho khâu chỉnh lưu tạo nguồn cho BAX. Ta thiết kế một biến áp ba pha tương tự như máy biến áp ở trên cho chỉnh lưu tạo nguồn nuôi cho BAX. Chọn điện áp thứ cấp của biến áp nguồn U2N2 = 4 V. Điện áp nguồn một chiều lấy ra sau chỉnh lưu: U2CL =KCL.U2N= 2,34.4 = 9,36V Điện áp một chiều đưa vào BAX: U2CLLọc = .U2CL = .9,36 = 13,24V Công suất thứ cấp của biến áp BAN2: Chọn sơ bộ là công suất điều khiển các thyristor. P2 N2= 6UđkIđk = 6.3.0,25 = 4,5W Công suất của máy biến áp có kể đến 10% tổn thất trong máy biến áp và công suất tiêu tán trên các linh kiện điện tử khác. SBA = 1,1P2N2 = 1,1.4,5 = 5W Dòng điện sơ cấp của BAN2: I1=A Dòng điện thứ cấp của BAN2: I2= A Tiết diện của máy biến áp được tính theo công thức kinh nghiệm: Q= cm2 Trong đó: kQ= 6 hệ số làm mát bằng không khí. m = 3 số trụ của biến áp. f = 50 tần số lưới điện. C H c a a/2 B h Hình 4.2-49-: Sơ Mạch từ của biến áp nguồn 2.đồ khối của mạch điều khiển Qui chuẩn tiết diện trụ theo bảng 5-5 TL7 chọn lõi thép từ dạng chữ E loại dày 0,25mm có các kích thước sau: a = 12 mm ; h= 30 mm : c = 12 mm ; C = 48 mm; H = 42 mm B = 12 mm; Q = 1,23 cm2 Số lượng lõi sắt là 31, công suất ước lượng là 5,5 W. Chọn mật độ từ cảm trong trụ của máy biến áp B = 1 Tesla. Số vòng dây quấn sơ cấp biến áp nguồn 2: W1N2 = vòng Số vòng dây thứ cấp biến áp nguồn 2: W2N2 =vòng Tiết diện dây quấn sơ cấp: S1 =mm2 d1 =mm Chọn dây quấn sơ cấp có d1 =0,1mm : S1 =0,0785 mm2 Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 =mm2 d2 =mm Chọn dây quấn thứ cấp có d2 =0,53mm S2 =0,2206 mm2. Trong đó: chọn mật độ dòng điện của cuộn sơ và thứ cấp là J1 =J2 =2 A/mm2. * Chọn cách điện cho một pha. Chọn lớp cách điện có đường kính dcd=0,2 mm bằng vật liệu polyeste: một lớp cho dây quấn và lõi sắt, một lớp cách điện giữa các cuộn dây trong một pha, một lớp cách điện ngoài cùng. kiểm tra hệ số lấp đầy cửa sổ mạch từ: Klđ = = Như vậy, cửa sổ mạch từ đủ chỗ cho dây quấn. Chương 5 Thiết kế hệ tự động điều khiển động cơ I. Yêu cầu Trong hệ truyền động điện nói chung và hệ điều khiển động cơ nói riêng một yêu cầu đặt ra là phải điều khiển tự động được hệ thống làm cho hệ thống làm việc ổn định trong mọi chế độ hoạt động của chúng. Do đó, chúng ta cần phải xây dựng hệ thống tự động điều khiển cho hệ thống. ở đây ta xây dựng hệ tự động điều khiển động cơ nhằm giải quyết hai vấn đề là ổn định tốc độ đặt và hạn chế dòng điện ở trạng thái làm việc không bình thường của động cơ (chế độ khởi động và quá tải). Để giải quyết hai vấn đề đó ta cần xây dựng hai vòng phản hồi tương ứng đó là vòng phản hồi tốc độ và vòng phản hồi dòng điện. Yêu cầu đặt ra đối với hệ tự động điều khiển tự động động cơ là: Động cơ sẽ khởi động với một điện áp tương ứng với điện áp đặt nào đó của mạch điều khiển. Do động cơ không đồng bộ có dòng khởi động tương đối lớn nên trong quá trình khởi động sẽ có phản hồi dòng điện khi dòng của động cơ lớn hơn một giá trị cho phép, từ đó làm giảm dòng điện xuống. Trong quá trình làm việc vì một lý do nào đó nếu tốc độ động cơ lớn hơn một giá trị đặt trước thì sự sai lệch đó sẽ được phản hồi về mạch điều khiển nhằm tạo ra đáp ứng để động cơ làm việc ổn định ở tốc độ đặt trước. Như vậy, với yêu cầu ở trên thì khâu phản hồi dòng điện và khâu phản hồi tốc độ đều là khâu phản hồi có ngắt. II. Thiết kế hệ điều khiển tự động động cơ II.1 Sơ đồ khối của hệ. KNw WBBĐ(p) WĐC(p) KNI Wphw(p) Wphi(p) Uđk Uđ Uphw Uphi - - I Hình 5.1- Sơ đồ khối của mạch phản hồi dòng điện và tốc độ. w Trong đó: WBBĐ - Hàm truyền của bộ biến đổi điện áp xoay chiều. WĐC - Hàm truyền của động cơ. Wphi - Hàm truyền của khâu phản hồi dòng điện. Wphw - Hàm truyền của khâu phản hồi tốc độ. KNI - Khâu ngắt dòng. KNw - Khâu ngắt tốc độ. Uphi - Điện áp phản hồi dòng điện. Uphw - Điện áp phản hồi tốc độ. Uđ - Điện áp đặt ban đầu. Uđk - Điện áp điều khiển góc mở thyristor. II.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống. Ta xây dựng sơ đồ nguyên lý của mạch tự động như trên hình 5.2 ở dưới: + - - + DZ1 C R0 R0 R0 R1 R2 R3 R3 VR1 OA1 OA3 PHI A B C Uđk Ukhoá Uphi Hình 5.2 - Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tự động động cơ. + - VR3 VR2 R8 R7 R3 R5 R4 OA2 FT ĐC BBĐ PHw Tr1 Tr2 RC2 RC1 RB1 Mạch Khoá Uphw Uđ K +Ecc +Ecc R+Ecc ECC + VR4 AP K - Ungw D +E HìnHnh1.6 - Sơ đồ thay đổi điện áp stator động cơ dùng thyristor. II.3 Nguyên lý hoạt động của mạch. Trước tiên để mạch hoạt động cần cấp điện cho mạch lực bằng việc đóng điện aptomat và côngtắctơ. Dưới tác dụng của mạch khoá thì bộ biến đổi vẫn chưa hoạt động khi khoá K còn mở (đầu ra của AND2 trong mạch điều khiển ở mức 0). Khi đóng khoá K mạch AND2 cho phép tín hiệu điều khiển đi qua và bộ biến đổi được cấp xung điều khiển tương ứng với giá trị của điện áp đặt Uđặt gồm có Uđ lấy qua biến trở VR2 và phần điện áp ngắt không đổi trong khâu phản hồi tốc độ. Động cơ được khởi động với một giá trị điện áp xác định ứng với giá trị của điện áp đặt Uđặt = Uđ - UN.(xem khâu phản hồi tốc độ) được đưa vào mạch cộng không đảo (mạch khuếch đại OA3) cùng với điện áp phản hồi âm dòng điện và tốc độ qua khuếch đại thuật toán tạo điện áp điều khiển cho thysistor và bộ biến đổi bắt đầu hoạt động cung cấp điện áp phù hợp cho động cơ. +Tác dụng của các khâu phản hồi và mạch khoá.dòng điện có ngắt. + Khâu phản hồi dòng điện có ngắt. Tín hiệu phản hồi về dòng điện được lấy qua khâu biến dòng tạo được một điện áp trên R0. Điện áp này được đưa vào mạch chỉnh lưu cầu ba pha tạo ra được điện áp một chiều U2d. Tụ điện C có tác dụng lọc bớt thành phần sóng hài bậc cao sau khâu chỉnh lưu làm cho điện áp một chiều có chất lượng tốt hơn. DZ1 là diod zener( đây là diod làm việc trên đặc tính ngược có điện áp định mức là điện áp đánh thủng diod) có tác dụng làm khâu ngắt dòng khi không cần thiết phải có phản hồi dòng điện. Mạch phản hồi dòng điện được chọn sao cho khi dòng điện của stator của động cơ I1 lớn hơn Ihc giá trị dòng cho phép của động cơ trong từng điều kiện cụ thể thì điện áp ở đầu ra của cầu chỉnh lưu U2d phải lớn hơn giá trị Ung của diod zener. Khi đó, DZ1 thông sẽ tạo ra một điện áp đặt vào cổng trừ của OA1. Qua OA1 điện áp được khuếch đại ngược tạo ra một điện áp phản hồi Uphi đặt vào cổng cộng của OA3. Cùng với điện áp đặt Uđặt nó sẽ tạo ra một điện áp điều khiển ở đầu ra của OA3 (khi khâu phản hồi tốc độ bị ngắt): Uđk = k.(Uđặt - Uphi) Trong đó: k là hệ số khuếch đại của OA3. Do đó, điện áp điều khiển giảm xuống dưới tác dụng của mạch điều khiển làm cho điện áp đặt vào động cơ giảm xuống theo, từ đó hạn chế được dòng điện nguy hại của động cơ. Khi dòng điện của động cơ nhỏ hơn dòng điện cần hạn chế thì điện áp U2d < Ung khi đó diod DZ1 bị khoá dòng qua biến trở VR1 bằng không do đó điện áp phản hồi được lấy ra cũng bằng không và Uphi= 0. Lúc này điện áp điều khiển được lấy ra từ điện áp đặt ban đầu, động cơ làm việc với điện áp nhất định tương ứng. + Khâu phản hồi tốc độ có ngắt. Tín hiệu phản hồi tốc độ được lấy thông qua máy phát tốc và một mạch chỉnh lưu cầu. Tương tự như khâu phản hồi dòng điện ở trên, khi tốc độ của động cơ lớn hơn giá trị đặt trước wng thì sẽ có một điện áp phản hồi âm tốc độ được đưa vào cổng cộng của OA3 và làm cho Uđk giảm xuống và làm cho điện áp đặt vào động cơ giảm xuống và ổn định được tốc độ của động cơ. Khi tốc độ động cơ nhỏ hơn một giá trị đặt trước, thì điện áp đầu ra của máy phát tốc nhỏ hơn điện áp ngắt Ungw ( tương ứng với wng), điện áp phản hồi tốc độ UN= Kca2Ungw không đổi, do đó không làm cho Uđk và điện áp đặt vào động cơ thay đổi. + Mạch khoá. Tác dụng của mạch khoá là cho phép xung điều khiển hoạt động theo chủ ý của người điều khiển. Có điện áp sau AND2 hay không là tuỳ thuộc giá trị logic “1” hay”0” của mạch khoá. Mạch khoá gồm một mạch logic AND2 hai hai transistor Tr1, Tr2, khoá K và nguồn cấp cho các transistor hoạt động và Tr2. Hoạt động của mạch như sau: Khi khoá Kk mở, Tr1 bị khoá làm cho cực bazơ của Tr2 ở mức cao Tr2 mở thông bão hoà Ukhóa= 0, hệ không làm việc đầu ra của AND2 ở mức 0 . Khi Kk đóng, Tr1 mở thông bão hoà, cực bazơ của Tr2 ở thế thấp làm cho Tr2 khoá, Ukhoá =U1 cho phép làm việctín hiệu điều khiển đi qua AND2. II.4 Tính chọn các thông số và hàm truyền đạt của hệ thống. + Khâu phản hồi dòng điện. Do tính chất của biến dòng là dòng điện thứ cấp không phụ thuộc vào phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào dòng điện sơ cấp nên nếu ta chọn trị số của VR1 >> R0 thì dòng điện thứ cấp của biến dòng chủ yếu đi qua R0 . Do đó, ta có thể lấy điện áp trên Ro tạo tín hiệu phản hồi. UR0 ằ R0.I2= R0.PI.I1 Trong đó: I1- Dòng điện sơ cấp của biến dòng. I2- Dòng điện thứ cấp của biến dòng. PI- Hệ số của biến dòng. Điện áp sau khâu chỉnh lưu: U2d =KCL.UR0 = KCL.R0.PI.I1=KI.I1 Trong đó: KCL- hệ số chỉnh lưu của chỉnh lưu cầu 3 pha bằng . Dòng điện cần hạn chế khi khởi động cơ ở chế độ định mức là: Ikđhc = 4.Iđm = 4.210 = 840 A Chọn loại biến dòng loại 900:5. Hệ số của biến dòng: PI = Chọn điện trở R0 là điện trở công suất có giá trị 1W. Hệ số chung KI là: KI = .1.0,005 = 0,014 Một vấn đề thực tế nảy sinh là công suất tổn hao trên điện trở R0 lúc động cơ khởi động rất lớn so với công suất ghi trên vỏ thiết bị điện trở công suất. Do đó, ta cần phải nối song song các điện trở để giảm công suất trên một điện trở xuống. Chọn diod zener : Dòng điện cần hạn chế của động cơ là : 840 A thì điện áp ra của bộ chỉnh lưu làđược chọn theo yêu cầu khởi động với tải cụ thể. Giả sử ta cần khởi động với tải mà có đặc tính làm việc giới hạn tại Ulvgh = 0,5Uđm (là đặc tính tối thiểu mà động cơ có thể khởi động và làm việc ổn định với tải đã cho):. Do đó ta tính được dòng điện khởi động của đặc tính là: Ikđgh = 4.= 4.0,5.210 = 420A Chọn dòng điện hạn chế: Ihc = Ikđgh = 420 A Điện áp hạn chế: U2dhcd = KI .844200 = 0,014. 8420 = 5,8811,76 V Muốn hạn chế được dòng điện Ihc= 24Iđm ta cần chọn diod DZ1 có điện áp đánh thủng sấp xỉ bằng U2dhc 18V. Chọn giá trị gần nhất của diod ổn áp là 162V và nếu dùng giá trị này thì dòng điện hạn chế sẽ là: Ihc = Với giá trị của dòng điện ngắt này ta có thể chấp nhận được. Vậy khi có phản hồi dòng điện thì điện áp phản hồi đưa vào mạch khuếch đại OA1 là: UVR1= kca1.(U2d -612) Điện áp phản hồi dòng điện đưa vào OA3 Uphi = Hàm truyền của khâu phản hồi dòng điện có dạng một khâu trễ: Wphi= Trong đó: Kphi - là hệ số truyền đạt của hâu phản hồi dòng. Kphi =.kca1 T1 - là hằng số thời gian của bộ lọc. T1 = VRR1.C1 Ta chọn biến trở VR1 =2,2 kW ,tụ C= 470 mF và điện trở R =100W. Vậy hằng số thời gian của hàm truyền là : T1 =100.470.10-6 =0,047 s Vậy ta có hàm truyền của khâu phản hồi dòng là: Wphi = Chọn khuếch đại thuật toán là loại TL084CN, điện áp nguồn nuôi ±12V. Chọn OA1,OA2 làm việc ở chế độ mạch lặp đảo có: R1 = R2 = R4 = R5 = 20kW Mạch OA3 cộng đảo tổng hợp các tín hiệu có: R3 = 20kW ; R6 = 20kW ; R7 = 40 kW. + Tính chọn mạch khoá. Chọn transistor loại 29SC111, bán dẫn Si, cực tính npn, có các thông số sau: Điện áp : UCB0 = 40V Dòng làm việc max: IF = 0,5 A Công suất tổn hao max: 1,4W Hệ số lợi dòng: b =50 Transistor làm việc ở chế độ đóng cắt( mở thông bão hoà hoặc khoá). Chọn Rc1 = Rc2 sao cho: Rc1 = Rc2 ³ k Trong đó: k là hệ số an toàn, chọn k = 3,5. Chọn Rc1 = Rc2 =120W thì dòng điện colector của Tr1 và Tr2 lúc mở thông là: Ic1 = Ic2 = Chọn Rb1 = Rb2 để cho khi Tr1 và Tr2 mở thông bão hoà: Rb1 =Rb2 < kW Trong đó: Kbh là hệ số bão hoà sâu, chọn Kbh= 2,5. Chọn Rb1 = Rb2 = 2,2kW. + Khâu phản hồi tốc độ. Chọn máy phát tốc mmột chiều có các thông số sau: wđm =2000 v/p Uđm = 100 V Hệ số truyền đạt của máy phát tốc: KFT = Chọn tốc độ ngắt tương ứng với độ trượt tới hạn của động cơ: wng = w1- sth.w1= 157 - 0,524.157 = 74,7 r/s Điện áp ngắt của khâu phản hồi tốc độ: Ungw = KFT.wng = 0,05.74,7 = 3,73 V Chọn diod và một triết áp tạo ra mạch có thể điều chỉnh được điện áp ngắt (hình 5.1). Nhờ một điện áp cung cấp ECC đặt vào triết áp mà ta có thể điều chỉnh được mức điện áp ngắt mong muốn. Chọn triết áp VR3 loại 2,2kW, VR4 loại 22kW. Điện áp đặt vào OA2 khi chưa có phản hồi tốc độ: UN = 3,73Kca2 = const Điện áp phản hồi tốc độ đặt vào OA2 : UVR2 = Kca2.KFT.Kca2w = 0,05Kca2. Kca2w = 0,05.Kca2.w Trong đó: Kca2- hệ số chiết áp của biến trở VR3. Điện áp phản hồi tốc độ đặt vào OA3: Uphw =-=Kphw.w Hàm truyền của khâu phản hồi tốc độ có dạng một khâu khuếch đại: Wphw = Kphw = -0,05..Kca2 + Khâu trung gian cộng OA3; Đây là mạch khuếch đại cộng hệ số khuếch đại được tính dựa vào các điện trở của mạch. Ta có hàm truyền của khâu trung gian: Wtg= (1+ ) + Hàm truyền của bộ biến đổi: Bộ biến đổi xoay chiều (BBĐ) được coi là một khâu trễ có hàm truyền gần đúng : WBBĐ = KBBĐ.e-tp Trong đó: KBBĐ - hệ số khuếch đại của bộ biến đổi . KBBĐ= U(1)-sóng cơ bản bậc1của đầu ra BBĐ. Uđk - điện áp điều khiển. t - Hằng số thời gian trễ của bộ biến đổi. Đối với sơ đồ điều áp xoay chiều 3 pha thì tmax = 0,0033. Uđkmin Uđkmax U(1)min U(1)max U(1) Uđk b Hình 54.-39-: Sơ Đồ thị minh hoạ xác cách định KBBĐ.đồ khối của mạch điều khiển Như ta đã biết, đối với phương pháp điều khiển thẳng đứng tuyến tính thì mối quan hệ giữa điện áp ra sau bộ biến đổi và điện áp điều khiển là phi tuyến, nó phụ thuộc vào góc mở a và tốc độ của động cơ một cách gần đúng KBBD được xác định theo công thức: KBBĐ = tangb= Trong đó: U(1)đm - điện áp định mức đặt vào động cơ. U(1)min - điện áp tối thiểu đặt vào động cơ. Uđkđm - điện áp điều khiển để có được U(1)đm. Uđkmin - điện áp điều khiển để có được U(1)min. Chọn điện áp tối thiểu để động cơ có thể khởi động được với một tải cụ thể nào đó (Udải điều chỉnh điện áp là 2:1 ta xác định được các giá trị đieenj áp nlvgh) nhhư sau: Ulvgh= 0,25Uđm = 0,25.380 = 950V Vậy các giá trị điện áp max và min là: U(1)đm= 380 V U(1)min = 19950V Từ mối quan hệ giữa điện áp U(1) với Uđk ứng với góc pha khởi động jkđ (xem phần đặc tính điều chỉnh) ta xác định được các giá trị điện áp điều khiển tương ứng: Uđkđm = 78,232V Uđkmin = 4,195,17 V Hình 5-4 minh hoạ cách xác định KBBĐ bằng cách tuyến tính hoá đặc tính điều khiển theo quá trình khởi động của động cơ. Thay số vào ta có: KBBĐ= Cũng có thể coi hàm truyền của BBĐ có dạng một khâu trễ khi phân tích hàm truyền của nó theo chuỗi MC Laurin và lấy số hạng đầu tiên. WBBĐ + Hàm truyền của động cơ. Vì khâu phản hồi có ngắt nên ta có thể xét hàm truyền của động cơ trong hai trường hợp: Ta giả thiết rằng, trong quá trình khởi động thì tốc độ động cơ nhỏ cho nên khâu ngắt chặn không cho tín hiệu phản hồi tốc độ trong mạch chỉ có phản hồi dòng. Khi tốc độ động cơ lớn hơn tốc độ ngắt, khi đó quá trình khởi động động cơ đã kết thúc, dòng điện stator nhỏ hơn giá trị dòng điện cần hạn chế. Tín hiệu phản hồi dòng điện lúc này bằng không, trong mạch chỉ có phản hồi tốc độ. ỉ Hàm truyền của động cơ khi có phản hồi tốc độ Theo TL3, khi phản hồi dòng điện và phản hồi tốc độ, nếu coi khe hở không khí giữa stator và rôto là đều, sự biến thiên của tải được phản ánh ở điện trở tương đương trong mạch rô to và dây quấn nối hình sao thì ta có mô hình như hình 5-5, trong đó chứa cả thông số của mạch lọc. Regi Lf Rf 2RS 2LSs 2LRs BBĐ phi U phi U Đ - ´ Hình 5.4- Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện động cơ R2/s Hàm truyền của mạch lọc và mạch stator: WĐC = Trong đó : R = Rf +2.Rs L = Lf +2.Lss Rs, Lss tương ứng là điện trở và điện cảm tản pha sta tor Sau bộ biến đổi ta không có bộ lọc do đó hàm truyền của động cơ đối với vòng phản hồi dòng điện stator chỉ là: WĐC = Viết lại biểu thức trên ta có: WĐC = Trong đó: KĐC = là hệ số khuếch đại. TĐC = là hằng số thời gian điện từcủa mạch stator. Trong chương trước ta đã xác định được các thông số của động cơ như sau: Rs = 0,02 W Lss = 0,0005H Thay số vào hàm truyền của động cơ ta được: KĐC = 25 TĐC = 0,025 WĐC = Ta có sơ đồ khối của vòng phản hồi dòng điện : Hình 5.5- Sơ đồ khối của mạch phản hồi dòng điện. WBBĐ(p) WĐCI(p) KNI Wphi(p) Uđk Uđặt Uphi - I ỉHàm truyền của động cơ khi có phản hồi tốc độ : Sơ đồ cấu trúc của hệ khi chỉ có phản hồi tốc độ: WBBĐ(p) WĐCw(p) KNw Wphw(p) Uđk Uđặt Uphw - Hình 5.6- Sơ đồ khối của mạch phản hồi tốc độ. w Khi bỏ qua quán tính điện từ và dùng phương pháp tuyến tính hoá tại điểm làm việc ta xác định được hàm truyền của động cơ như sau: WĐCw = Trong đó: Tw = Kw = Sử dụng phương trình Klox ta có thể tính gần đúng được các biểu thức trên như sau: Tw = và Kw = Thay các số liệu ở phần trước vào ta tính được các giá trị cụ thể: Tw = Kw = Vậy hàm truyền của động cơ trong mạch vòng phản hồi tốc độ: WĐCw = Trên đây ta đã xác định được hàm truyền của các khâu của hệ thống sau đây ta sẽ thiết lập hàm truyền của toàn hệ thống. Hàm truyền của toàn hệ thống: + Xét mạch vòng phản hồi dòng điện : Hàm truyền của hệ hở: Whi = WBBĐ.WĐCI.KKĐ.Wphi W hi = Whi = Whi = Hàm truyền của hệ kín: Wki = + Xét mạch vòng phản hồi tốc độ: Hàm truyền của hệ hở: Whw = WBBĐ .WĐCw .WTG.Wphw Whw = Whw = Hàm truyền của hệ kín: Wkw = II.5 Xét tính ổn định của hệ thống. * Xác định miền giá trị của Kca để hệ thống kín ổn định: + Đối với mạch vòng dòng điện Từ hàm truyền của hệ thống kín ta xác định miền giá trị của Kca1 để hệ thống ổn định theo tiêu chuẩn đại số Routh. Phương trình đặc trưng của hệ thống: 3,9.10-6p3 + 14,125.10-4p2 + 0,0753p + (3,237659.Kca1 +1) Với Kca1 nằm trong khoảng (0á1) thì mọi hệ số của phương trình đặc trưng đều thoả mãn điều kiện cần của tiêu chuẩn Routh. Thành lập bảng Routh: 3,9.10-6 0,0753 14,125.10-4 32,923,765.Kca1+1 1,0246.10-4-128,3192,6835.10-6.Kca1 Xác định điều kiện đủ: Điều kiện đủ để hệ thống kín ổn định là các hệ số ở cột thứ nhất của bảng Routh đều phải dương. Như vậy ta cần có: 1,0246.10-4 - 128,3192,6835.10-6.Kca1 > 0 Nghiệm của bất phương trình trên là Kca1 < 1,1050,8. Như vậy hệ thống kín với vòng phản hồi dòng điện ổn định với mọi vị trí của con trượt của triết áp VR1 <0,8. + Đối với mạch vòng phản hồi tốc độ: Phương trình đặc trưng của hệ thống: 4,09.10-4p2 + 0,1273p + (12,5521.Kca1 +1) Với Kca1 nằm trong khoảng (0á1) thì mọi hệ số của phương trình đặc trưng đều thoả mãn điều kiện cần của tiêu chuẩn Routh. Đây là phương trình bậc 2 do đó với Kca1 nằm trong khoảng (0á1) thì điều kiện đủ của tiêu chuẩn Routh cũng thoả mãn. Vậy hệ thống kín với phản hồi tốc độ ổn định với mọi vị trí của con trượt triết áp VR2. * Đánh giá các chỉ tiêu động học của hệ thống kín. Ta đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của quá trình quá độ của hệ thống ứng với một số giá trị của hệ số triết áp. + Xét đối với mạch vòng phản hồi dòng điện. - Khi Kca1 = 0,5 : Hàm truyền của hệ kín như sau: Wki = Viết đoạn chương trình Matlab xây dựng đáp ứng bước của hệ kín: >> num =[542.85e-4 16.45]; >> den =[3.9e-6 14.125e-4 0.0753 17.45] >> Wki =tf(num,den) Transfer function: 0.054285s +16.45 ---------------------------------------------- 3.9e-006 s^3 + 0.001412 s^2 + 0.0753 s + 17.45 step(Wki) Ta thu được đáp ứng bước trên hình 5.7: Hình 5.7 - Đáp ứng bước của hệ thống khi có phản hồi dòng điện với Kca1 =0,5. Time (sec.) Amplitude Step Response 0 0.14 0.28 0.42 0.56 0.7 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 Các chỉ tiêu chất lượng: - Sai lệch tĩnh : e=2% - Độ quá điều chỉnh( overshoot) : s = 74,2% - Thời gian điều chỉnh(setting time) : 0,42 s - Khi Kca1 = 0,3 : Hàm truyền của hệ kín như sau: Wki = Viết đoạn chương trình Matlab xây dựng đáp ứng bước của hệ kín: >> num =[325.71e-4 9.87]; >> den =[3.9e-6 14.125e-4 0.0753 10.87]; >> Wki =tf(num,den); >> Step(Wki) Khảo sát tương tự ta có đáp ứng bước như hình 5.8: Hình 5.8 - Đáp ứng bước của hệ thông khi có phản hồi dòng điện với Kca1 =0,3. Time (sec.) Amplitude Step Response 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0 0.5 1 1.5 Các chỉ tiêu chất lượng: - Sai lệch tĩnh : e=9,2% - Độ quá điều chỉnh( overshoot) : s = 48,2% - Thời gian điều chỉnh(setting time): 0,18 s + Xét đối với mạch vòng phản hồi tốc độ. - Khi Kca1 = 0,5 : Hàm truyền của hệ kín như sau: Wkw = Viết đoạn chương trình Matlab xây dựng đáp ứng bước của hệ kín: >> num =[954.75e-4 0.75]; >> den =[4.09e-4 0.1273e-1.75]; >> Wkw =tf(num,den); >> Step(Wkw) Đáp ứng bước như trên hình 5.8: Hình 5.9 - Đáp ứng bước của hệ thống khi có phản hồi tốc độ với Kca1 =0,5 Time (sec.) Amplitude Step Response 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 0.4 0.8 1.2 0.2 0.6 1 Các chỉ tiêu chất lượng: - Sai lệch tĩnh : e=1,2% - Độ quá điều chỉnh( overshoot) :s = 0 - Khi Kca1 = 0,3 : Hàm truyền của hệ kín như sau: Wkw = Viết đoạn chương trình Matlab xây dựng đáp ứng bước của hệ kín: >> num =[576.6e-4 0.465]; >> den =[4.09e-4 0.1273e-1.465]; >> Wkw=tf(num,den); >> Step(Wkw) Đáp ứng bước như trên hình 5.10: Hình 5.10 - Đáp ứng bước của hệ thống khi có phản hồi tốc độ với Kca1 =0,3 Time (sec.) Amplitude Step Response 0 0.14 0.28 0.42 0.56 0.7 0 0.1 0.4 0.6 0.8 1 Các chỉ tiêu chất lượng: - Sai lệch tĩnh : e= 4.1% - Độ quá điều chỉnh( overshoot) :s = 0 Nhận xét: Đối với hệ thống kín khi xét đến phản dòng điện thì khi giảm tỷ số triết áp Kca1 xuống thì các chỉ tiêu độ quá điều chỉnh và thời gian điều chỉnh được giảm xuống nhưng sai lệch tĩnh lại tăng lên. Như vậy, có sự mâu thuẫn giữa chất lượng động và chất lượng tĩnh. Các chỉ tiêu về động học của hệ thống còn tương đối lớn chưa đạt yêu cầu. Tuy nhiên, quá trình làm việc trong thời gian khởi động(có phản hồi dòng điện) của động cơ là nhỏ do đó ta chỉ quan tâm đến chất lượng của hệ thống khi xét đến quá trình làm việc của động cơ có phản hồi tốc độ. Từ đáp ứng bước của hệ thống kín có phản hồi tốc độ ta thấy chất lượng động của hệ của hệ thống là tương đối tốt. Hệ thống làm việc ổn định do đó không cần hiệu chỉnh hệ thống. - Khi Kca1 = 0,3 : Hàm truyền của hệ kín như sau: Wki = Viết đoạn chương trình Matlab xây dựng đáp ứng bước của hệ kín: >> num=9.87; >> den=[3.9e-6 14.125e-4 0.0753 10.87] >> Wk=tf(num,den); >> Step(Wk) + Xét đối với mạch vòng phản hồi tốc độ. - Khi Kca1 = 0,5 : Hàm truyền của hệ kín như sau: Wkw = Viết đoạn chương trình Matlab xây dựng đáp ứng bước của hệ kín: >> num=1.5275; >> den=[7.92e-4 0.2433e-2.5275] >> Wk=tf(num,den) >> Step(Wk) - Khi Kca1 = 0,3 : Hàm truyền của hệ kín như sau: Wkw = Viết đoạn chương trình Matlab xây dựng đáp ứng bước của hệ kín: >> num=0.9165; >> den=[7.92e-4 0.2433e-1.9165] >> Wk=tf(num,den) >> Step(Wk) III. Xây dựng đặc tính điều chỉnh và đặc tính làm việc của động cơ. III.1 Đặc tính điều chỉnh của bộ biến đổi. Như ta đã phân tích ở các phần trên, điện áp ra của bộ điều áp xoay chiều có dạng không sin, điện áp này phân tích thành những thành phần sóng hài, trong đó chỉ có những thành phần sóng hài bậc 1 là thành phần sóng hài sinh công cơ học có ích, các thành phần sóng hài bậc cao làm xấu tính năng của động cơ. Phân tích đường cong của điện áp ra theo chuỗi fourier ta tìm được biểu thức của sóng điều hoà bậc1: U(1) = f(a,j) Đặt v1 = , với U(1) là trị điện áp của sóng hài bậc1 và Ul là biên độ điện áp lưới. Khi tải thuần trở L=0 (j=0); góc dẫn l = p - a có: v1= Khi tải thuần cảm R = 0 (j = 900)có: v1= Đối với động cơ (tải R,L) thì v1 là hàm của hai biến a và j. Góc pha j của động cơ phụ thuộc vào độ trượt s. Quan hệ j(s) là một đường cong có dạng như hình 3.3. Quan hệ v1 = f(a,j) được cho dưới dạng bảng hoặc đồ thị như hình 3.4. Theo nguyên tắc điều khiển, ứng với mỗi giá trị Uđk có một góc mở a nên mối quan hệ v1 = f(a,j) có thể viết dưới dạng U(1) = f (Uđk,j). Đó chính là đặc tính điều chỉnh của bộ biến đổi. Nhiệm vụ xây dựng đặc tính điều chỉnh của bộ biến đổi là xây dựng mối quan hệ U(1) = f(Uđk) ứng với các góc j khác nhau. + Các bước thực hiện việc xây dựng đặc tính điều chỉnh: 1. Tìm quan hệ giữa góc mở a và điện áp điều khiển Uđk 2. Xác định v1 (hay U(1)) theo các góc a khác nhau ứng với các giá trị cố định của j như đồ thị hình 3.4. 3. Từ quan hệ U(1) = f(a,j) và a = f(Uđk) ở trên ta vẽ được đặc tính điều chỉnh U(1) = f(Uđk) ứng với các góc j cố định. + Các đặc tính điều chỉnh: - Ta sẽ xây dựng đặc tính điều chỉnh với giá trị jđm và jkđ tương ứng với cosjđm và cosjkđ. Ta có : cosjđm = 0,85 => j đm= 31,890 Lấy sơ bộ cosjkđ = 0,65 => j kđ= 500 - Xác định mối quan hệ giữa Uđk và góc mở a Trong phần thiết kế mạch điều khiển ta điều khiển biến trở VR2 (chương4) sao cho điện áp tựa Urc2 có biên độ Urc2max=10V đưa vào khâu so sánh. Quan hệ giữa a, Urc2maxvà Uđk cụ thể là: Uđk = Urc2max -Thực hiện các bước 2 và 3 nêu ở trên ta lập được các bảng sau: Với: j = 31,890 a(độ) 110 100 90 80 70 60 50 40 31,89 30 20 j(độ) 31,9 31,9 31,9 31,9 31,9 31,9 31,9 31,9 31,9 31,9 31,9 Uđk (V) 3,89 4,4 5 5,56 6,11 6,67 7,22 7,78 8,23 8,33 8,89 v21 0,04 0,1 0,2 0,33 0,48 0,61 0,76 0,81 1 1 1 v1 0,2 0,32 0,45 0,57 0,69 0,78 0,87 0,9 1 1 1 U(1) (V) 76 120 170 218 263 397 334 342 380 380 380 Với: j = 500 a(độ) 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 j(độ) 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 Uđk (V) 3,89 4,4 5 5,56 6,11 6,67 7,22 7,78 8,33 8,89 v21 0,03 0,1 0,25 0,41 0,6 0,8 1 1 1 1 v1 0,17 0,32 0,50 0,64 0,77 0,89 1 1 1 1 U(1) (V) 66 120 190 243 294 340 380 380 380 380 Từ các số liệu ở bảng trên ta vẽ được các đặc tính điều chỉnh với các góc j tương ứng như hình 5.10. U(1) Uđk Hình 5.310.a- Đặc tính điều chỉnh của bộ biến đổi với j = 31,890. U(1) Uđk Hình 5.103.b- Đặc tính điều chỉnh của bộ biến đổi với j = 500. + Nhận xét : - Khi góc mở a < j thì đặc tính U(1)= f(Uđk) là đường thẳng nằm ngang. Đó là do khi góc mở a bằng góc pha j thì khoảng dẫn của van l = 1800 và do đó điện áp ra bằng điện áp lưới. Việc tiếp tục giảm góc mở a không còn ý nghĩa. - Quan hệ giữa Uđk và U(1) là quan hệ phi tuyến. Đây là nhược điểm của phương pháp điều khiển thẳng đứng tuyến tính. - Từ đặc tính U(1) = f(Uđk) ứng với góc jkđ ta có thể xác định được giá trị Uđkmin để có điện áp đặt vào động cơ có giá trị tối thiểu để khởi động động cơ với tải cụ thể (điện áp làm việc giới hạn Ulvgh). Chọn điện áp làm việc giới hạn Ulvgh= 0,25Uđm = 95 V ta xác định được điện áp điều khiển tương ứng Uđkmin = 4,19 V. Tương tự, ta tính được điện áp điều khiển lớn nhất ứng với góc jđm để điện áp đặt vào động cơ là định mức Uđkmax=8,23V. III.2 Đặc tính làm việc của hệ kín. TTrong phần này ta xây dựng đặc tính làm việc của hệ khi có phản hồi tốc độ và góc pha của động cơ ở chế độ định mức jđm =31,890. Việc xây dựng đặc tính làm việc thường được tiến hành bằng phương pháp đồ thị do tính chất phi tuyến của hệ. Ta sẽ xây dựng hai đồ thị a(v) và đặc tính cơ của hệ hở M(w) đặt cạnh nhau. Sau đó sử dụng phương pháp gióng đồ thị ta xác định được đặc tính làm việc của hệ thống. Như ta đã biết ở phần xây dựng đặc tính điều chỉnh quan hệ giữa Uđk và góc mở thyristor a như sau: Uđk= Urcmax. hay a = 180 - 180. ở chế độ xác lập, điện áp điều khiển trong mạchg vòngh phản hồi tốc độ được xác định bởi hệ số phản hồi tốc độ, điện áp đặt Uđ và tốc độ quay: Uđk = Uđ -- Kphww.w Thay điện áp điều khiển vào phương trình của a ta có: a = 180 - 180. Trong phần trước ta đã xác định được các giá trị của hệ số phản hồi tốc độ và điện áp tựa max như sau: KFT = 0,05; chọn Kca2 = 0,7 ; Urcmax =10V Kphw = K FT.Kca2 = 0,035; UN =3,73Kca2 =2,61V Vậy ta có: a = 180 - 180. Bây giờ ta dựng đặc tính cơ của động cơ khi hệ hở ứng với các mức điện áp:Uđm ;0,9Uđm; 0,8Uđm; 0,7Uđm;; 0,6Uđm; 0,5Uđm; 0,4Uđm; 0,25Uđm. Dựa vào đặc tính điều chỉnh ở góc pha jđm ở phần trên, ta xác định được các giá trị góc mở a tương ứng:31,890; 400; 59,50; 75,50; 79,30; 86,90; 93,70; 1040. Bên cạnh đóặc tính cơ ta xây dựng đồ thị a(w) ứng với các giá trị điện áp đặt Uđặt=8,239V, tương ứng với Uđ = 10,84V(Uđặt = Uđ - UN);10V. Tiếp đóSau đó thực hiện các bước dựng hình theo mũi tên như hình vẽ 5.11 ở dưới. + Nhận xét: Ta thấy dạng đặc tính làm việc trên hình 5.11 là tương đốí dốc độ ổn định của hệ thống không cao. Tuy nhiên, với mômen cản của tải biến đổi trong phạm vi hẹp thì đường đặc tính có độ dốc có thể chấp nhận được. Để đường đặc tính làm việc tốt hơn ta cần chọn hệ số phản hồi tốc độ cao hơn. Đường đặc tính làm việc trên hình tương ứng với giá trị điện áp đặt max. Với mỗi giá trị của điện áp đặt ta có một đường đặc tính làm việc cụ thể. M* 1,2 a=f(Uđ,w) w* 100 104 93,7 79,3 80 60 40 20 0 86,9 75,5 59,5 40 120 1,5 1 2 2,5 0,5 0,2 0,4 0,6 0,8 1 a 31,9 Uđm 0.9Uđm 0.8Uđm 0.7Uđm 0.6Uđm 0.5Uđm 0.25Uđm 0.4Uđm ĐTLV Hình 5.11 - Đậc tính làm việc của động cơ khi có phản hồi tốc độ. Kết Luận Trải qua hơn ba tháng làm việc, đề tài tốt nghiệp về thiết kế hệ điều khiển động cơ lồng sóc bằng bộ điều chỉnh pha thyristor của em đã được hoàn thànhvới nội dung đề tài bao gồm 5 chương, tương ứng với nội dung thiết kế được giao. Do thời gian và trình độ còn hạn chế nên bản đồ án của em còn nhiều thếu xót. Một lần nữa, em rất mong thầy cô thông cảm và chỉ bảo thêm. Em xin chân thành cảm ơn. Tài liệu tham khảo Trần Văn Thịnh. TL1. Hướng dẫn thiết kế tính toán thiết bị điều khiển. Nguyễn Bính. TL2. Điện tử công suất - Nhà xuất bản KHKT - 1994. Bùi Quốc Khánh - Phạm Quốc Hải - Nguyễn Văn Liễn - Dương Văn Nghi. TL3. Điều chỉnh tự động truyền động điện - Nhà xuất bản KHKT 1996. Bùi Đình Tiếu - Phạm Duy Nhi. TL4. Cơ sở truyền động điện tự động - Nhà xuất bản đại học - 1982. Vũ Quang Hồi. TL5. Trang bị điện điện tử công nghiệp - Nhà xuất bản giáo dục 2000. Vũ Gia Hanh - Trần Kháng Hà - Phan Tử Thụ - Nguyễn Văn Sáu. TL6. Máy điện I - Nhà xuất bản khoa học kỹ thật - 2001 Nguyễn Bính. TL7. Điện tử công suất lớn và ứng dụng thyristor - Nhà xuất bản đại học và trung học chuyên nghiệp - 1985. Nguyễn Phùng Quang. TL8. Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha - Nhà xuất bản giáo dục - 1996. Phạm Công Ngô. TL9. Lý thuyết điều khiển tự động - Nhà xuất bản KHKT - 1994. Nguyễn Tấn Phước. TL10. Kỹ thuật xung căn bản và nâng cao - Nhà xuất bản Thành Phố HCM - 1999. Nguyễn Tấn Phước. TL11. Giáo trình điện tử kỹ thuật linh kiện điện tử - Nhà xuất bản Thành Phố HCM - 1999. Dương Minh Trí. TL12. Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn - Nhà xuất bản KHKT - 1992.