Đồ án Tìm hiểu và thiết kế cải tiến hệ thống điều khiển trạm bơm Đò Neo

trên điều khiển khởi động chung trên một mạch điều khiển bơm nước, nhưng cũng phải đáp ứng điều kiện trên. Để động cơ bơm nước khởi động ngoài điều kiện trên thì cần phải có thêm các điều kiện sau: Mực nước bể hút phải đủ trên mức cho phép bơm chạy. Điện áp nguồn cấp phải đảm bảo điện áp làm việc của động cơ bơm. Thứ tự các pha phải đúng. Dòng điện chạm đất không được lớn quá mức cho phép. Không để động cơ bơm mỡ làm việc quá tải. Lượng mỡ bôi trơn cho các ổ trục động cơ bơm nước không được quá ít. Hai bơm không được phép khởi động cùng một lúc. Nhiệt độ máy biến áp tự ngẫu, cuộn dây stato, ổ trục bơm và bơm mỡ không được quá cao. Nếu không có lỗi nào xảy ra thì bơm mới được phép khởi động. Mỗi trạng thái của máy bơm nước và bơm mỡ hoặc của hệ thống đều phải được báo bằng đèn và còi báo động. 3.5 Sơ đồ Lader điều khiền: Hình 3.1 sơ đồ thời gian của quá trinh công nghệ như sau: Chương 4: Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ bơm 4.1. Các phương pháp mở máy động cơ không đồng bộ: Theo yêu cầu của sản xuất, động cơ không đồng bộ lúc làm việc bình thường phải mở máy và ngừng máy nhiều lần. Tuỳ theo tính chất của tải và tình hình của lưới điện mà yêu cầu về mở máy đối với động cơ điện cũng khác nhau. Có khi yêu cầu mômen mở máy lớn, có khi cần hạn chế dòng điện mở máy và có khi cần cả hai. Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ điện phải có cách mở máy thích ứng. Khi mở máy một động cơ điện cần xét đến những yêu cầu cơ bản sau: Phải có mômen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải; Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt; Phương pháp mở máy đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn; Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng thấp càng tốt. Những yêu cầu trên thường mâu thuẫn với nhau như khi đòi hỏi dòng điện mở máy giảm theo hoặc cần thiết bị đắt tiền. Vì vậy mà cần phải căn cứ vào điều kiện làm việc cụ thể mà chọn phương pháp mở máy thích hợp. Trong quá trình mở máy thì mômen mở máy là đặc tính chủ yếu nhất. Phương trình cân bằng về mômen. M – Mc= MJ = J Trong đó: M, Mc: mômen điện từ và mômen cản. MJ: mômen quán tính. Khi khởi động ở chế độ điện áp định mức, dòng điện mở máy bằng 5 đến 7 lần dòng điện định mức. Dòng điện này làm cho bản thân máy nóng lên mà còn làm cho điện áp lưới sụt nhiều nhất là có công suất nhỏ. Do dòng điện lúc mở máy rất lớn nên chúng ta phải có nhưng phương pháp để hạn chế dòng lúc mở máy. Sau đây là một số phương pháp mở máy. 4.1.1. Phương pháp mở máy trực tiếp của động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc: Đây là phương pháp mở máy đơn giản nhất, chỉ việc đóng trực tiếp động cơ điện vào lưới điện là được. Nhưng lúc mở máy trực tiếp, dòng điện mở máy tương đối lớn. Nếu quán tính của tải tương đối lớn, thời gian quá tải quá dài làm cho nóng máy và ảnh hưởng đến điện áp của lưới điện. Nhưng nếu nguồn điện tương đối lớn và động cơ công suất vừa và nhỏ thì nên dùng phương pháp này vì mở máy nhanh, đơn giản. Sơ đồ khởi động: Ul Hình 4-0. Mở máy trực tiếp động cơ điện không đồng bộ. D1 4.1.2. Phương pháp mở máy bằng hạ điện áp: Mục đích của phương pháp này là giảm dòng điện mở máy nhưng đồng thời mômen mở máy cũng giảm xuống, do đó đối với những tải yêu cầu co mômen mở máy lớn thì phương pháp này không dùng được. Tuy vậy, đối với những thiết bị yêu cầu mômen mở máy nhỏ thì phương pháp này rất thích hợp. Có những cách hạ điện áp: 1.Nối điện kháng nối tiếp vào mạch điện stato: - Sơ đồ mạch lực: Ul D1 D2 I’ U’ Hình 4- 1. Hạ áp mở máy bằng điện kháng Khi mở máy trong mạch điện stato đặt nối tiếp một điện kháng. Sau khi mở máy xong bằng cách đóng cầu dao D2 thì điện kháng này bị nối ngắn mạch. Điều chỉnh trị số của điện kháng thì có thể có được dòng điện mở máy cần thiết. Do có điện áp giáng trên điện kháng nên điện áp mở máy trên đàu cực động cơ điện U’k sẽ nhỏ hơn điện áp lưới Ul. Gọi dòng điện mở máy và mômen mở máy trực tiếp là Ik và Mk. Sau khi thêm điện kháng vào, dòng điện mở máy còn lại I’k = kIk trong đó: k < 1. Nếu cho rằng khi hạ điện áp mở máy, tham số máy điện vẫn giữ không đổi thì khi dòng điện mở máy nhỏ đi, điện áp đầu cực động cơ điện sẽ bằng U’k = kUk. Vì mômen mở máy tỷ lệ với bình phương của điện áp nên lúc đó mômen mở máy bằng M’k = k2Mk. 2. Dùng biến áp tự ngẫu hạ điện áp mở máy: Sơ đồ sử dụng biến áp tự ngẫu T, bên cao áp của máy biến áp nối với lưới điện, bên hạ áp nối với động cơ điện. Sau khi mở máy xong thì cắt T ra (bằng cách đóng cầu dao D2 và mở D3 ra). Gọi tỷ số biến đổi điện áp của biến áp tự ngẫu là kT (kT < 1) thì Uk’ = kTUl Do đó dòng điện mở máy và mômen mở máy của động cơ điện sẽ là: I’k = kTIk và M’k = kT2Mk. Gọi dòng điện lấy từ lưới vào là Il (dòng điện sơ cấp của biến áp tự ngẫu) thì dòng điện đó bằng: Il = kTI’k = kT2Ik. So với phương pháp mở máy trên ta thấy, khi chọn kT = 0,6 thì mômen mở máy vẫn bằng Mk’ = 0,36Mk nhưng dòng điện mở máy lấy từ lưới vào nhỏ hơn nhiều: Il = kT2Ik = 0,36Ik. Ngược lại khi lấy từ lưới vào một dòng điện mở máy bằng dòng điện mở máy của phương pháp trên thì với phương pháp này ta có mômen mở máy lớn hơn. Đó là ưu điểm của phương pháp dùng biến áp tự ngẫu hạ thấp điện áp. Tuy nhiên nó có nhược điểm là: chi phí lắp đặt lớn, thiết bị cồng kềnh phức tạp. Khi đóng mở máy thì phát sinh tia lửa điện. D1 IL D2 Ik, D3 Uk, Hình 4- 2. Hạ áp mở máy bằng biến áp tự ngẫu 3. Mở máy bằng phương pháp Y - D: Phương pháp mở máy Y - D thích ứng với những máy khi làm việc bình thường đấu tam giác. Khi mở máy ta đổi thành Y, như vậy đưa vào hai đầu mỗi pha chỉ còn có . Ul Hình 4- 3. mở máy Y-D D1 làm việc mở máy Sau khi máy đã chạy rồi, đổi lại thành cách đấu tam giác. Khi mở máy thì đóng cầu dao D1 còn cầu dao D2 thì đóng về phía dưới, như vậy máy đấu Y. Khi máy đã chạy rồi thì đóng cầu dao D2 về phía trên, máy đấu theo tam giác. Theo phương pháp Y - D thì khi dây quấn đấu Y, điện áp pha trên dây quấn là: Ukf = Ul. Ta có: I’kf = Ik và M’k = Mk. Do khi đấu Y để mở máy thì dòng điện pha bằng dòng điện dây mà khi mở máy trực tiếp thì máy đấu tam giác (khi ấy Ukf = Ul và Ik = Ikf) cho nên khi mở máy đấu Y thì dòng điện bằng: Il = I’kf = Ik = Ik, nghĩa là dòng điện và mômen mở máy đều bằng dòng điện và mở máy khi mở máy trực tiếp. Trên thực tế trường hợp này tương tự như dùng một biến áp tự ngẫu để mở máy mà tỷ số biến đổi điện áp kT = . Ưu điểm là đơn giản và dễ vận hành. Nhược điểm là động cơ bơm được chế tạo theo cấp điện áp là 380/660, khi đóng mở cầu dao có phát sinh tia lửa điện. 4. Phương pháp dùng bộ khởi động mềm: Bằng cách thay đổi góc điều khiển a ta có được điện áp và dòng điện mở máy cần thiết. Ưu điểm là khởi động êm, không phát sinh tia lửa điện, vận hành đơn giản, an toàn và độ tin cậy rất cao. * Tóm lại với tất cả các phương pháp hạ điện áp mở máy nối trên thì phương pháp mở máy bằng bộ khởi động mềm là có ưu điểm hơn cả. Phương pháp này tuy chưa được sử dụng nhiều do cần phải có trình độ kỹ thuật để sửa chữa. Nhưng trong thời gian tới phương pháp này sẽ được phổ biến do nó có rất nhiều ưu điểm như: khởi động êm không phát sinh tia lửa điện vận hành đơn giản, độ tin cậy cao, dải điện áp rộng đáp ứng được mọi nhu cầu của tải để khởi động. Trạm bơm Đò Neo hiện nay sử dụng phương pháp khởi động bằng biến áp tự ngẫu. Biến áp này có 3 mức điều chỉnh hạ áp mở máy là: 50%, 65% và 85%. Tuỳ theo dòng điện mở máy và mômen mở máy và người ta điều chỉnh hạ điện áp mở máy cho phù hợp. Ul T1 T4 T3 T6 T5 T2 Hình 4- 4. Phương pháp dùng bộ biến đổi. 4.2. Thiết kế bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều ba pha: 4.2.1. Bộ điều áp xoay chiều ba pha: Trong thực tế bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều ba pha rất hay được dùng để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha. Nếu bộ biến đổi xung áp ba pha được ghép từ ba bộ biến đổi một pha và có dây trung tính thì dòng qua mỗi pha sẽ không phụ thuộc vào dòng của các pha khác. Các biểu thức tính a,l và j: Phương trình mô tả quá trình thay đổi dòng điện khi tỉ dẫn điện trong khoảng (a Ê l Ê a + P) như sau: Umsinq = L.R + v.L l- khoảng dẫn của tirsto. Giải phương trình ta tìm được: i(q)=sin (q-j) + A.e j = arctg A là hằng số tích phân, được tính theo điều kiện q=a thì i=0 Ta có: I(q)= Khi ; i(t)=0 thay vào phương trình trên ta có: Đây là phương trình để xác định thời gian dẫn điện của tirsto(l) Khi a>j, dòng tải mang tính gián đoạn; còn khi a<j, dòng sẽ liên tục và điện áp trên tải sẽ không thay đổi. Như vậy khả năng điều chỉnh điện áp chỉ có thể xảy ra khi góc dẫn của tirsto nằm trong khoảng . Khi tăng góc điều chỉnh sẽ làm giảm thời gian dẫn dòng qua tirsto. Với mỗi giá trị nào đó, dòng trong một pha sẽ giảm về không trước khi mở tirsto của pha sau. Như vậy sẽ xuất hiện những khoảng thời gian không có dòng tải và khoảng dẫn của tirsto sẽ bị giảm đến giới hạn nhỏ hơn 600. Khi bộ biến đổi xung áp ba pha được đấu sao, không có dây trung tính, quá trình điện từ trong mạch hoàn toàn khác với sơ đồ trên, vì quá trình dẫn dòng trong một pha phải tương thích với quá trình dẫn dòng trong các pha khác (hình 4-6). Để đảm bảo lượng sóng hài là tối thiểu, các góc mở của tiristo phải bằng nhau, do đó mỗi van lần lượt được mở cách nhau 600và có khoảng dẫn điện bằng nhau. Khi mỗi pha có một tiristo dẫn điện, lúc này tải của ba pha (Za, Zb,Zc) đều được đấu vào nguồn và tạo thành hệ ba pha đối xứng (giả thiết tải thuần trở Za = Zb = Zc = R). Hình 4-6.Bộ biến đổi xung áp không có dây trung tính T 1 T 3 T 5 T 4 T 6 T 2 Đường cong điện áp trên tải (UZA) được xây dựng theo quy tắc sau: Khi cả ba tiristo của ba pha đều dẫn điện thì điện áp trên tải sẽ trùng với điện áp pha của nó (UZA = Ua, UZB = Ub, UZC = Uc). Khi chỉ có hai tiristo dẫn điện thì điện áp trên tải sẽ bằng một nửa điện áp dây của hai pha mà có hai tiristo dẫn điện (ví dụ UZA = UAB/2 trong khoảng T1 á T6 và UZC = UAC/2 trong khoảng T4 á T5). Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải được tính theo biểu thức sau: UZA = UZA – giá trị hiệu dụng; uZA – giá trị tức thời. Hình 4-7. Phụ tải thuần trở Ua t Ub Uc t t t t t t T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 a l t U AC/2 U a a U AC/2 Do giá trị trong căn là giá trị bình phương nên: UZA = = = ua- Các giá trị tức thời của điện áp pha; uab, uac - gía trị tức thời của điện áp dây. Thay các giá trị ua ,uab, uac ta tính được giá trị hiệu dụng của điện áp pha: Uhd = , 0<a < 600 Uhd = , 600 <a < 900 Uhd = , 900 <a < 1500 Dạng đồ thị điện áp trên tải đối với pha a ứng với góc a = 600 được thể hiện trên hình 4-6 tải thuần trở. Dễ dàng nhận thấy khi a ³ 600, bất kỳ thời điểm nào cũng chỉ có hai van dẫn, nên điện áp trên tải sẽ được tạo bởi các đường cong , . Khi tải mang tính trở kháng sẽ có ba chế độ làm việc: Nếu a< j, dòng tải và điện áp trên tải sẽ là hình sin vì lúc này các van đều dẫn điện trong một nửa chu kỳ (l = p), và ở bất cứ thời điểm nào cũng có ba van của ba pha dẫn điện. Do đó: UZA= Ua = Umsinq IZA = Nếu j < a< agh , agh là giá trị mà vẫn còn tồn tại chế độ cả ba van thuộc về ba pha vẫn dẫn điện. Lúc này đường cong điện áp trên tải sẽ có dàng như trên hình vẽ 4-8. Trong mỗi nửa chu kỳ sẽ có ba đoạn mà uZA = ua, hai đoạn còn lại uZA = và một đoạn uZA = 0. Như vậy cả ba tiristo dẫn điện thì: uZA = Umsinq = t Ua Uab/2 Uac/2 Uza Hình 4-8. Đồ thị điện áp pha A, ứng với a =60° Khi hai tiristo của pha a và pha b dẫn ta có:4 uZA= = Khi hai tiristo của pha a và pha c dẫn ta có: uZA= = Khi tiristo của pha a khoá: uZA = 0 u a u ac/2 t c) a > a gh Hình 4-9. Đồ thị điện áp trên tải, khi tải trở cảm và với các giá trị a khác nhau. T 5 T 5 T 3 T 4 T 1 T 4 T 5 T 6 T 6 T 3 T 4 T 1 T 6 T 6 u ab/2 U 2a c) Khi agh< a < 1500 đường cong điện áp sẽ tương ứng với hình 4-8c. và mỗi nửa chu kỳ sẽ có hai đoạn mà UZA = UAB/2 hoặc UZA = UAC /2. Đối với các đoạn còn lại UZA = 0, chế độ này ứng với trạng thái chỉ có hai van của hai pha dẫn điện. Và góc điều khiển lớn nhất là amax =1500. 4.2.2. Thiết kế mạch điều khiển: 4.2.2.1. Nguyên lý thiết kế mạch điều khiển: Về nguyên lý, trong mạch điều khiển, van bán dẫn được mắc vào lưới điện xoay chiều hoàn toàn giống như chỉnh lưu. Mạch động lực được lựa chọn là hai tiristo mắc song song ngược, do đó cần có hai xung điều khiển trong mỗi chu kỳ. Mạch điều khiển có thể sử dụng sơ đồ hoàn toàn giống điều khiển chỉnh lưu một pha cả chu kỳ, với mỗi tiristo có một mạch điều khiển độc lập. Khi sử dụng sơ đồ mạch điều khiển chỉnh lưu cho điện áp xoay chiều, có thẻ xuất hiện khả năng hai tiristo điều khiển không đối xứng, do các linh kiện của hai mạch điều khiển không hoàn toàn giống hệt nhau. Đối với những tải cần điều khiển đối xứng, đòi hỏi hai tiristo mở đối xứng, lúc này cần các kênh điều khiển tiristo có góc mở càng ít khác nhau càng tốt. Mong muốn là chúng ta hoàn toàn giống nhau. Nguyên lý điều chỉnh tiristo ở đây như trong điều khiển chỉnh lưu, nghĩa là ở mỗi nửa chu kỳ điện áp, cần tạo điện áp tựa trùng pha điện áp nguồn cấp. Trong điều khiển chỉnh lưu, mỗi kênh điều khiển một nửa chu kỳ, điện áp tựa xuất hiện gián đoạn. Mỗi nửa chu kỳ có một điện áp tựa đồng pha điện áp dương anốt của tiristo. Điều áp xoay chiều cần có điện áp tựa liên tiếp cả hai nửa chu kỳ. Khi so sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển, ở mỗi chu kỳ đều có điện áp tựa bằng điện áp điều khiển trong vùng biến thiên tuyến tính của điện áp tựa (tại các điểm t1, t2, t3, t4…). Kết quả là ta có các xung điều khiển kiên tiếp ở mỗi nửa chu kỳ. Nguyên lý hoạt động của sơ đồ Điện áp chỉnh lưu UA được so sánh với điện áp U1 lấy trên biến trở VR1. Tại thời điểm UA = U1 thì đổi dấu điện áp ra của khuếch đại thuật toán A1. Kết quả là ta có chuỗi xung hình chữ nhật không đối xứng UB. Tại đây có độ rộng xung âm g của UB, phần dương UB tích phân qua A2 thành điện áp tựa. Trong vùng g làm mất xung điều khiển, do không có điện áp tựa. Theo nguyên tắc này càng giảm nhỏ góc g càng tốt, mà góc g do U1 quyết định. Vì vậy có thể giảm U1 để có góc g một vài độ, sai số một vài độ là hoàn toàn cho phép. U T t U rc X đk U tải t t t t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 9 Hình 4-10. Nguyên lý điều khiển điều áp xoay chiều Hình 4-11. Sơ đồ đồng pha tạo điện áp tụa liên tiếp hai nủa chu kỳ U A A 1 A 2 U đf1 U đf2 D 1 D 2 VR 1 A R 1 R 2 B R 3 R 4 D 3 C C Tr 1 Hình 4-12. Nguyên lý tạo điện áp tựa trong điều áp xoay chiều. Mạch điều khiển cặp tiristo mắc song song ngược: Khi mạch động lực là hai tiristo mắc song song ngược, có thể thực hiện việc điều khiển theo các phương án sau: D 1 MĐK T 1 D 1 T 1 T 2 Hình 4-13. Các phuơng án điều khiển cặp tiristo mắc song song nguợc. a> Hai mạch điều khiển độc lập. b> Một biến áp xung hai cuộn dây. c> Chung lệnh mở van, khác nhau khuếch đại. MĐK T 2 MĐK c> Nếu điều khiển hai tiristo bằng hai mạch điều khiển độc lập thì khả năng điều khiển không đối xứng điện áp tương đối cao. Khi cần điều khiển đối xứng người ta dùng một mạch điều khiển phát xung liên tiếp ở cả hai nửa chu kỳ, để mở hai tiristo người ta dùng máy biến áp xung hai cuộn dây thứ cấp. Giải pháp này có ưu điểm là đơn giản trong việc thi công mạch điều khiển. Nhưng khi sử dụng biến áp xung, việc phân phối công suất cho hai tiristo không đều nhau, do đó khả năng một tiristo không đủ công suất để mở là tương đối cao. Do đó thực tế ít chọn sơ đồ này. Mạch điều khiển tối ưu nên chọn hai tiristo chung nhau phần điện áp tựa và điện áp so sánh, tới tầng khuếch đại mới tách riêng từng tiristo một, như vậy lệnh mở tiristo chung nhau, nhưng khuếch đại mở các tiristo riêng rẽ, không bị ảnh hưởng công suất giữa hai tiristo với nhau. Nguyên lý điều khiển của mạch Tín hiệu mở tiristo là đối xứng. Sau khi có lệnh mở tiristo tại các thời điểm a1, a2…phân xung điều khiển theo mỗi nửa chu kỳ. Việc phân xung điều khiển được thực hiện thông qua hai mạch khuếch đại, hai biến áp xung. Lệnh điều khiển cho hai mạch khuếch đại này được lấy từ các cổng Và (V1, V2), hai cổng Và này chung nhau một tín hiệu lấy từ đầu ra của A3, đó là lệnh mở các tiristo tại mỗi nửa chu kỳ. Cổng vào còn lại của V1, V2 được nhận hai tín hiệu đồng pha với điện áp anôt của tiristo, đó là các tín hiệu đảo pha từ A4, A5. Nhờ có hai tín hiệu đảo pha này mà có xung điều khiển hai tiristo dịch pha nhau 1800. Hình 4-14. Sơ đồ nguyên lý điều khiển điều áp xoay chiều với tiristo đấu song song ngược. Hình 4-15. Đường cong các khâu cơ bản của sơ đồ nguyên lý. Điều khiển điều áp xoay chiều cho tải có diện cảm: Tải điện cảm điển hình của điều áp xoay chiều đó là động cơ điện. Điều đó khiến có thể khiến việc sử dụng các sơ đồ trên không hoạt động trên một số vùng hoặc không hoạt động hoàn toàn. Nguyên nhân của các hiện tượng như sau: Thứ nhất đó là khi có điện cảm dòng điện chậm pha sau điện áp. Khi điện áp nguồn U1 đã đổi dấu mà cuộn dây điện cảm chưa xả hết năng lượng, làm cho T1 vẫn dẫn từ P cho đến j1, nếu T1 đang phân cực thuận và điện áp UA1A2 > 0. Khi T1 phân cực thuận thì T2 phân cực ngược. Do đó trong vùng từ P cho đến j1, nếu có phát xung điều khiển T2 thì T2 không dẫn. Như vậy khi có tải là điện cảm, góc mở nhỏ nhất amin của các tiristo phải lớn hơn hoặc bằng góc trễ j lớn nhất (amin phải lớn hơn hoặc bằng jmax). a> b> Hình 4-16. Sơ đồ đường cong điện áp và dòng điện xoay chiều khi tải điện cảm. a> Sơ đồ động lực ; b> Đường cong điện áp và dòng điện. Với tải điện cảm, thì góc j thay đổi theo tải, làm cho việc giới hạn góc amin là không thích hợp, vì nó liên tục thay đổi theo tải. Kết quả là muốn điều khiển tăng điện áp xoay chiều, bằng cách giảm góc mở tiristo, đến vùng góc mở đủ nhỏ nào đó có thể chỉ mở một tiristo. Dòng điện trên tải lúc này là dòng một chiều. Thứ hai là do khi có điện cảm, dòng điện không biến thiên đột ngột tại thời điểm mở tiristo, điện cảm càng lớn dòng điện biến thiên càng chậm. Nếu độ rộng xung điều khiển hẹp, dòng điện khi có xung không đủ lớn hơn dòng điện duy trì, do đó van bán dẫn không tự giữ dòng điện. Kết quả là không có dòng điện, hay tiristo không mở. Hiện tượng này thường thấy ở đầu và cuối chu kỳ điện áp, lúc đó điện áp tức thời đặt vào van bán dẫn nhỏ. Khi kết thúc xung điều khiển, dòng điện còn nhỏ hơn dòng điện duy trì nên van bán dẫn khoá luôn. Chỉ khi nao điện áp tại thời điểm mở van đủ lớn, dòng điện cuối chu kỳ xung điều khiển đủ lớn hơn dòng điện duy trì, dòng điện mới tồn tại trong mạch. Khi biết được nguyên nhân của việc không điều khiển như trên, ta xử lý như sau. Để giải quyết bài toán về sự thay đổi góc j của tải làm mất điều khiển, cần có xung liên tục từ thời điểm mở tiristo cho đến khi điện áp đổi dấu. Khi phát lệnh nếu van còn đang phân cực ngược thì lệnh điều khiển chờ tới khi nào đủ điều kiện phân cực thuận van sẽ dẫn. Hình 4-17. Sự xuất hiện dòng điện tại các góc mở khác nhau khi tải điện cảm. a> b> Hình 4-18. Phương án cấp xung khi điều áp xoay chiều với tải điện cảm. a> Cấp xung liên tục ; b> Cấp xung gián đoạn. Việc phát xung điều khiển với độ rộng lớn gần như cả nửa chu kỳ có hai nhược điểm. Thứ nhất là dòng điều khiển gần như dài hạn (về nguyên lý điều khiển tiristo và triac, xung điều khiển với chức năng mồi nên chi cần ngắn hạn). Thứ hai là việc thiết kế cấp xung điều khiển như trên khá phức tạp, nhất là đối với những mạch có nhiều van bán dẫn. Cấp xung rộng như thế nào? Bằng một nguồn phụ hay biến áp xung cũng khó khăn như nhau. Một trong những giải pháp nên dùng là tạo xung đơn gián đoạn bằng chùm xung liên tiếp, từ thời điểm mở van cho tới cuối bán kỳ, về nguyên lý đây là cấp xung liên tục. Trong kỹ thuật, cấp xung gián đoạn dễ thực hiện hơn. Nguyên lý ở đây là băm xung liên tục thành chùm xung gián đoạn với tần số cao. Một cổng lôgic AND với hai đầu vào là thực hiện được.Khi đưa tới đầu vào cổng AND tín hiệu xung điều khiển Ux; với tín hiệu chùm xung UCX; lúc đó đầu ra cổng AND có xung Xđk bằng tần số chùm xung vùng có điện áp UX như mô tả trên hình 4-19. a> b> Hình 4-19. Nguyên lý tạo chùm xung điều khiển. Sơ đồ ; b> Các đường cong. Hình 4-20. Sai số có thể gặp khi điều khiển bằng chùm xung. Lệnh mở và chùm xung đúng thời điểm. Lệnh mở và chùm xung không cùng thời điểm. Nhược điểm của sơ đồ điều khiển bằng xung gián đoạn là sai số khi điều khiển. Sai số ở đây xuất hiện khi thời điểm phát xung điều khiển mở van với thời điểm van được mở không trùng pha với nhau. Khi phát xung điều khiển gián đoạn, xung điều khiển tại đầu ra máy biến áp xung có được là do có hai tín hiệu cổng AND đồng thời, tín hiệu vào UX để quyết góc mở a là tín hiệu là tín hiệu từ chùm xung UCX. Nếu hai tín hiệu này không đồng pha, thì khi có lệnh UX mà UCX = 0, xung điều khiển Xđk phải chờ khi nào UCX lên mức cao. Sơ đồ mạch điều khiển điện áp xoay chiều với tải có điện cảm cho mạch động lực là cặp tiristo song song ngược, với việc nối thêm mạch tạo xung chùm. Hình 4-21. Điều khiển điều áp xoay chiều khi tải điện cảm bằng các chùm xung. 4.2.2.2. Lựa chọn sơ đồ điều khiển: Mạch điều khiển điều áp ba pha giống mạch điều khiển của điều áp ba pha khi tải nối sao có trung tính. Vì lúc đó dòng điện tải được chạy giữa pha với trung tính. Giả sử có một van hay một pha không có dòng điện cũng không ảnh hưởng đến hoạt động của các van bán dẫn còn lại. Trong mạch ba pha không trung tính, dòng điẹn chay qua tải là dòng điện chạy giữa các pha với nhau. Tại mỗi thời điểm phải có hai hoặc ba pha có van dẫn, không khi nào chỉ có một pha có van dẫn. Cấp xung điều khiển cho điều áp xoay chiều có thể cấp bằng xung đơn hoặc xung chùm. Cấp xung điều khiển loại nào tuỳ thuộc chế độ làm việc của tải. Thường gặp trong điều áp xoay chiều ba pha có hai cách điều khiển: xung điều khiển cáp đơn nhưng phải đệm xung điều khiển. Xung điều khiển cấp bằng chùm xung. Điều khiển bộ điều áp ba pha với xung đơn: Khi góc điều khiển a của van bán dẫn lớn , đồng thời có hai tirsto cùng dẫn, như vậy xung điều khiển phải được cấp đồng thời cho cả hai tirsto. Hơn nữa hai van được dẫn phải được cấp xung điều khiển một xung chính cần mở với một xung đệm, nguyên tắc đệm xung phải theo đúng thứ tự pha, như việc cấp xung trên hình vẽ 2.2 X1 – một số xung cần mở T1. X6-1- xung đệm từ T6 sang T1. Trên hình vẽ 2.2 vẽ lại đường cong điện áp tải hình 2.1 với góc mở van bán dẫn a lớn (a = 4p/6). Để có đường cong điện áp pha A như trên hình vẽ, cần cấp xung điều khiển theo thứ tự như trên hình 2.2. Mỗi một tirsto trong một chu kỳ được cấp hai xung điều khiển, trong đó xung trứơc X1 là xung chính quyết định góc mở của nó, còn xung thứ hai X6-1 là xung đệm được nhận từ tirsto cần mở của pha khác tới. Điện áp và dòng điện ở đây gián đoạn, vì vậy nếu không có xung đệm X6-1 tiristo T1 không thể mở một van trong bộ điều áp ba pha được. Ta hãy lý giải điều này qua mạch động lực (hình 2.2) với dạng xung điều khiển và điện áp tải (hình 2.1). Tại góc a = 4p/6 của T1 (UA>0) phát xung X1 điều khiển T1, đồng thời đệm xung T4- X1-4 (xung thứ hai của T4) lúc này với UA>> UB (điện áp pha A lớn hơn pha B). T1 và T4 cùng dẫn, chừng nào UA còn dương hơn UB. Điện áp trên tải pha A nếu coi là đối xứng thì . Đến t2’ do điện áp UB dương hơn UA (nếu bỏ qua điện cảm coi góc j không đáng kể) nên T1 và T4 bị kkhoá tại t2’. Đến t3 là góc a = 4p/6 của T6 (UC < 0), ta phát xung X6 điều khiển T6 đồng thời theo đúng thứ tự pha đệm xung T1 , X6-1 lúc này do UC<< UA (điện áp pha C âm hơn pha A) nên T1 và T6 cùng dẫn, tương tự như trên hai tiristo này sẽ cùng dẫn chừng nào UC âm hơn UA. Như vậy đến t3’ khi điện áp UA trở nên âm hơn UC, (bỏ qua thành phần cảm của tải nên bỏ qua góc trễ j) T6, T1 phân cực ngược sẽ tự khoá, ta có điện áp trên tải . Hình 4-22. Hình dạng đường cong điện áp tải của sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha. Hình 4-23. Hình dạng đường cong tải và các xung điều khiển khi a = p/6. Tương tự như T1, T2 được mở bởi xung chính tại t5 cùng với T3 và được mở với xung đệm của T5 tại t6. Từ những khảo sát trên ta thấy rằng, tại thời điểm phát lệnh mở van mà không có xung đệm cho tiristo ở pha kế tiếp theo thứ tự pha và ở nhóm ngược lại thì các tiristo không thể dẫn được. Khi góc mở van nhỏ, dòng điện tải ít gián đoạn hơn, lúc đó xung đệm chỉ có ý nghĩa tại thời điểm khởi động ban đầu. Do dòng điện liên tục được đến cuối chu kỳ, nên xung đệm của các van sẽ không có ý nghĩa khi đã khởi động xong. Trên hình 2.3, nếu tại a = p/6 phát xung mở T1, mà T4, T6 chưa dẫn, lúc này điện áp UA dương hơn và UB âm hơn, dòng điện sẽ phải chạy từ A qua T1 – tải – T4 về B, nhưng T4 chưa dẫn, nếu không có xung điều khiển X1-4 cả T1 và T4 đều dẫn. Yêu cầu bắt buộc tại đây là phải co xung đệm X1-4 cho T4. Khi T1 đã dẫn thì xung đệm thứ hai cho van T1 - X6-1 khi mở T6 sẽ không còn ý nghĩa. Ta có thể nhận thấy điều này khi tại là góc a = p/6 của T6, lúc này cấp xung điều khiển T6 có đệm xung T1, nhưng vì T1 dẫn rồi nên xung đệm X6-1 tại đây không còn ý nghĩa nữa. Tóm lại trong điều áp ba pha, khi goc mở nhỏ, xung đệm chỉ có ý nghĩa ở chu kỳ đầu, ngay sau khi đóng điều khiển. Khi góc mở lớn, điện áp gián đoạn nhiều, bắt buộc phải có xung đệm mới hoạt động được. Trong mạch điều khiển, các xung đệm được thực hiện bằng máy biến áp xung hai cuộn dây thứ cấp như hinh vẽ 4-22. Khi có lệnh điều khiển tiristo T1 từ mạch điều khiển của T1, đồng thời có xung điều khiển của T1, đồng thời có xung điều khiển đưa tới hai tirsto T1 và T4. Tuy nhiên việc điều khiển như thế cũng gặp phải nhược điểm. Khi máy biến áp xung cung cấp cho hai tirsto, công suất có thể không như nhau. Ngoài ra, tới cực điều khiển của mỗi tiristo có hai cuộn dây thứ cấp của hai biến áp xung lấy từ hai kênh điều khiển khác nhau. Điều này sẽ làm phức tạp trong chế tạo máy biến áp và lắp đặt, hiệu chỉnh mạch điều khiển. Vì lý do đó mà việc đệm xung bằng máy biến áp ít có ứng dụng trong thực tế. Hình 4-24. Đệm xung bằng máy biến áp. Phương pháp đệm xung phổ biến là đưa tới trứơc tầng khuyếch đại, như hình vẽ 4-25. Hình 4-25. Đệm xung trước tầng khuyếch đại. Để giải quyết bài toán cấp xung điều khiển đồng thời cho hai tirsto, trước khi đưa đến tâng khuyếch đại cần có thêm cổng HOĂC H. Tín hiệu từ khâu so sánh của kênh điều khiển T1 được đưa tới cổng HOĂC của chính tầng khuyếch đại T1, ngoài ra tín hiệu này còn được đưa tới cổng HOĂC của T4 để đệm xung mở T4. Tới cổng vào của H1, ngoài tín hiệu từ mạch điều khiển T1 còn thêm tín hiệu đệm được nhận từ T6. Lúc này để điều khiển T1 trong một chu kỳ sẽ có hai xung điều khiển: xung thứ nhất do chính mạch điều khiển kênh T1 phát lệnh, xung thứ hai do kênh điều khiển T6 phát lệnh. Một mạch điều khiển do bộ điều áp xoay chiều ba pha với 6 tirsto được giới thiệu trên hình 2.5 cho mạch động lực ở hình 2.1. Nguyên lý tạo xung điều khiển của môt tirsto T1 như mô tả tren hình 2.5. Điện áp đồng pha của pha A chỉnh lưu cả hai chu kỳ đưa vào khuyếch đại thuật toán A1 và A2, tạo nên điện áp tựa UC. Điện áp tựa này được kéo lên trên trục hoành nhờ VR2 thành điện áp răng cưa Urc. Điện áp răng cưa so sánh với điện áp điều khiển Uđk. Tại các thời điểm t1, t2, t3, t4, t5, t6, Uđk = Urc, khuyếch đại A3 lật dấu, ta có điện áp UDA. Khi cả UDA và UE dương, đầu ra của cổng VA V1 có xung ra trong khoảng t1 á t2, tín hiệu này được đưa tới H1 và đầu ra của H1 có xung trong khoảng t1 á t2. H1 nhận tín hiệu của đồng thời V1 lẫn V6 . Tương tự như V1, ta có tín hiệu của V6 dịch pha một góc . Kết quả là H1 có hai xung liên tiếp tương ứng với đầu ra H1. Hình 4-26. Sơ đồ mạch điều khiển bộ điều áp ba pha cho sơ đồ Hình 4-27. Nguyên lý tạo xung điều khiển của một tiristo II> Điều khiển điều áp ba pha bằng xung chùm: Qua tìm hiểu cho thấy mạch điều khiển điều áp xoay chiều với xung đơn (một xung tại thời điểm phát lệnh mở van) có ưu điểm là đơn giản, và thích hợp với những tải thuần trở như: sợi đốt các lò điện, chiếu sáng… Với những tải có thành phần điện cảm như đông cơ không đồng bộ, biến áp…(đặc trưng của loại tải này là có góc trễ j giữa điện áp và dòng điện). Để đảm bảo các van bán dẫn mở cả hai chiều điện áp, khi góc mở a nhỏ hơn góc trễ giữa dòng điện và điện áp tải (a < j) ta phải tăng độ rộng xung điều khiển bằng cách tạo xung chùm như đã giới thiệu ở trên. Trong mạch điều áp ba pha điều khiển van bán dẫn bằng chùm xung, ngoài việc giải quyết dẫn đều các van khi góc j lớn còn có thể giải quyết luôn bài toán về đệm xung điều khiển trong một số trường hợp góc mở. Trên hình vẽ 4-24, để có điện áp tải A, tại thời điểm đóng điện ta phải đệm xung mở T1 cho T4, X1-4. Từ hình vẽ 6.1 ta thấy rằng, tại a = p/6 phát xung điều khiển mở T1, lúc này xung chùm của T4 đang phát chờ sẵn, hơn nữa T4 còn đang được mở chờ sẵn do T5 và T4 đã có chùm xung điều khiển từ 0. Do đó khi có xung điều khiển T1 thì T1 được mở cho dòng điện chạy qua pha A ngay mà không cần phải gửi xung đệm nữa. Chùm xung điều khiển chỉ thay cho xung đệm trong một giải điều khiển từ 0 đến 1200. Đối với những tải không cần điều khiển trong khoảng 1200 đến 1800 thì giải quyết bằng chùm xung thay thế cho đệm xung là hoàn toàn hợp lý nhất là khi tải là động cơ không đồng bộ ba pha. Việc đệm xung điều khiển giữa các pha cho ta chùm xung điều khiển của các tirsto không chỉ trong nửa chu kỳ điện áp dương anôt mà chùm xung điều khiển của các tirsto này sẽ được nối dài thêm một góc p/6 nữa do việc xung tạo nên. Điều này đặc biệt cần khi góc mở của tiristo lớn hơn 2p/3. Hình 4-28. Điều khiển ba pha bẳng xung chùm. Nguyên lý điều khiển mạch điều khiển điều áp xoay chiều ba pha trên hình vẽ có thể được giải thích như sau: Điện áp đồng pha với điện áp xoay chiều hinh sin UV được chỉnh lưu cả chu kỳ UA đưa vào A1 qua R1 dịch đi một trị số lấy qua VR1. Hai điện áp này đưa qua khuếch đại A1 có điện áp ra của A1 là UB. Phần dương của UB tích phân qua khuếch đại thuật toán A2 cho ta điện áp tựa Urc. Điện áp tựa Urc được kéo lên trên trục hoành bằng điện áp lấy từ VR2. Việc kéo điện áp tựa lên trên trục hoành này chỉ nhằm mục đích để điện áp điều khiển Uđk đồng biến với điện áp ra, nếu không cần thực hiện điều này thì ta có thể bỏ qua điện áp lấy từ VR2. Điện áp điều khiển Uđk so sánh với điện áp tựa Urc tìm được thời điểm Urc = Uđk. Tại các thời điểm Urc = Uđk, khuếch đại A3 lật dấu điện áp ra, ta có UD như hình vẽ . Điện áp UD đưa tới cổng và VA cùng với tín hiệu xung chùm liên tục lấy từ A6, đầu ra của VA sẽ có xung chùm khi UD > 0. Để giải quyết bài toán cấp xung điều khiển đồng thời cho hai tirsto, trước khi đưa đến tầng khuếch đại cần có thêm cổng HOĂC H. Tín hiệu từ khâu so sánh của kênh điều khiển T1 được đưa tới cổng HOĂC của chính tầng khuếch đại T1, ngoài ra tín hiệu này còn được đưa tới cổng HOĂC của T4 để đệm xung mở T4. Tới cổng vào của H1, ngoài tín hiệu từ mạch điều khiển T1 còn thêm tín hiệu đệm được nhận từ T6. Lúc này để điều khiển T1 trong một chu kỳ sẽ có hai xung điều khiển: xung thứ nhất do chính mạch điều khiển kênh T1 phát lệnh, xung thứ hai do kênh điều khiển T6 phát lệnh. Cổng và V1 sẽ có tín hiệu ra khi đồng thời VA có xung và VF >0. Lúc đó máy biến áp xung BA1 có xung điều khiển T1. Cổng và V2 có tín hiệu ra khi đồng thời VA có xung và VE >0. Lúc đó máy biến áp xung BA2 có xung điều khiển T2. Kết qua là T1 được cấp chùm xung điều khiển khi UF > 0 trùng với Uv > 0 và T2 được cấp chùm xung điều khiển khi UE > 0 trùng với Uv < 0. Nếu như các xung điều khiển T1 và T2 bị dịch pha 1800 thì có thể đảo đầu điện áp của biến áp đồng pha hoặc đổi đầu cấp vào của khuếch đại A4. Hình 4-29. Mạch điều khiển khởi động mềm động cơ đồng bộ cho trên hình 4-30. Hình 4-30. Các đường cong cơ bản của mạch điều khiển bộ khởi động mềm động cơ bơm. 4.3. Tính chọn van bán dẫn: Hình 4-31. Sơ đồ mạch lực bộ khổi động mềm động cơ bơm. 4.3.1. Thiết kế mạch động lực cho bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc có các thông số sau: P = 170 KW; n = 490 v/phut; h = 0,935; cosj = 0,92 Mkđ/Mđm = 1,1; Mmax/Mđm = 2; Ikđ = 6; J = 1,6 kg/m2; U1 = 440/230 V. Dòng điện động cơ: Iđc = = = 286,42 A. Dòng điện chạy qua mỗi tirsto: ITlv = = 143,21 A. Dòng điện làm việc của tiristo là đáng kể, do đó toỏn hao trên tiristo khá lớn, nên chọn điều kiện làm mát cho van là có cánh tản nhiệt, có quạt đối lưu không khí. Với điều kiện này tiristo cho làm việc với dòng điện đến 50% dòng điện định mức. Dòng điện của tiristo cần chọn: ITđm = = 286,42 A. Điện áp của tiristo khi ở trạng thái khoá: Ulv = Ud = .230 = 563,38 V. Điện áp định mức của tiristo cần chọn: UTđm = Kdt.UTlv = 1,8. 563,38 = 985,92 V. Tirsto mắc vào lưới xoay chiều 50Hz nên thời gian chuyển mạch của tiristo không ảnh hưởng đến việc chọn tiristo. Từ các thông số trên, ta chọn được tiristo loại: 303RB100, có các thông số sau: Uđm = 1000 V Ugmax = 3V Iđm = 300 A Ipikmax = 8000 mA Irò = 30 mA Igmax =150 mA DU = 1,6 V IX = 500 mA tcm = 75 ms Tcp = 1250C du/dt = 200 V/s 1> Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn: Khi làm việc với dòng điện chạy qua, trên van có sụt áp lớn, do đó có tổn hao công suất DP, tổn hao này sinh ra nhiệt độ đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp nào đó, nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọng thủng về nhiệt, ta phải thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý. Tính toán cánh tản nhiệt: + Tổn thất công suất trên một tiristo: DP = DU.Ilv = 1,6. 143,21 = 229,136W. + Diện tích bề mặt toả nhiệt: Sm = Trong đó: DP – tổn hao công suất (W) ; t - độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường. Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 400C. Nhiệt độ làm việc cho phép của tiristo Tcp = 1250C. Chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt Tlv = 800C. t = Tlv – Tmt = 80 – 40 = 400C. Km – hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. chọn Km = 8 W/m2.0C Hình 4-32: Bộ cánh tản nhiệt Vậy: Sm = 0.716 m2. Chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh, kích thước mỗi cánh a ´ b = 20 ´ 20 (cm ´ cm). Tổng diện tích cánh tản nhiệt: S = 12.2.20.20 = 9600 cm2 = 0,96 m2. 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 một aptomat có: Iđm = 1,1Ild = 1,1. 366 = 697,32 A. Uđm = 220 V. Có ba tiếp điêm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện. Chỉnh định dòng ngắn mạch: Inm = 2,5Ild = 1394,64A. Dòng quá tải: Iqt = 1,5Ild =1045,98A. Bảo vệ quá điện áp cho van: Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt tiristo được thực hiện bằng cách mắc R – C song song với tiristo. Khi có sự chuyển mạch, các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anôt và catôt của tiristo. Khi có mạch R – C mắc song song với tiristo, toạ ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên van không bị quá điện áp. Hình 4-33. Mạch RC bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch. Theo kinh nghiệm: R1 = (5 á 30)W; C1 = (0,25 á 4) mF. Chọn R1 = 5,1W; và C1 = 0,25 mF. + Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, ta mắc mạch R – C, nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. Trị số R – C được chọn: R2 = 12,5 W; C2 = 4mF. Hình 4-34. Mạch RC bảo vệ quá điện áp từ lưới. 4.3.2. Thiết kế tính chọn các thông số của mạch điều khiển tiristo: Tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khuyếch đại trở lên. Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở tiristo. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển: + Điện áp điều khiển tiristo:Uđk = 3 V. + Dòng điện điều khiển tiristo: Iđk = 150 mA. + Thời gian mở tiristo: tm = 80 ms. + Độ rộng xung điều khiển: tx = 167ms, tương đương 30 điện. + Tần số xung điều khiển: fx = 3 kHz. + Độ mất đối xứng cho phép: Da = 40. + Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U = ±12 V. + Mức sụt biên độ xung: sx = 0,15. Tính biến áp xung: + Chọn vật liệu làm lõi là sắt ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có: DB = 0,3 T; DH = 30 A/m. + Tỷ số biến áp xung: thường m = 2á3, chọn m =3. + Điện áp thứ cấp máy biến áp xung: U2 = 3,0V. + Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = m.U2 =3.3 = 9 V. + Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung: I2 = Iđk = 0,15 A. + Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I1 = = + Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: mtb = = = 8.103. trong đó: m0 = 1,25.106 H/m là độ từ thẩm của không khí. + Thể tích của lõi thép cần có: V = Q.l = = 0,854 cm3. Chọn mạch từ có thể tích V = 1,4 cm3. Với thể tích đó ta có các kích thước mạch từ như sau: a= 4,5 mm; b = 6 mm; Q = 0,27 cm2; d = 12 mm; D = 21 mm. Chiều dài trung bình mạch từ: l = 5,2 cm. Hình 4-35. Hình chiếu lõi máy biến áp. + Số vòng dây sơ cấp máy biến áp xung: Theo định luật cảm ứng điện từ: U1 = W1. Q. = W1. Q. W1 = = 186 vòng. Với tx là chiều dài xung truyền qua biến áp xung thường có giá trị 0 á 600 ms. + Số vòng dây thứ cấp: W2 = = = 62 vòng. + Tiết diện dây quấn thứ cấp: S1 = == 0,0083 mm2. Chọn mật độ dòng điện J1 = 6 A/mm2. + Đường kính dây quấn sơ cấp: d1 = = 0,103 mm. Chọn d = 0,15 mm. + Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = == 0,0375 mm2. Chọn mật độ dòng điện J2 = 4 A/mm2 + Đường kính dây quấn thứ cấp: d2 = = 0,218mm. Chọn dây có đường kính d2 = 0,29 mm. + Kiểm tra hệ số lấp đầy: Klđ = 0,065. Như vậy cửa sổ đủ diện tích cần thiết. 2> Tính tầng khuếch đại cuối cùng: Chọn tranzito công suất Tr3 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung, có các thông số sau: Tranzito loại NPN, vật liệu bán dẫn là Si. Điện áp giữa colectơ va bazơ khi hở mạch emitơ: UCBO = 40 V. Điện áp giữa emitơ và bazơ khi hở mạch colectơ: UEBO = 4 V. Dòng điện lớn nhất ở colectơ có thể chịu đựng: ICmax = 500 mA. Công suất tiêu tán ở colectơ: PC = 1,7 W. Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T1 = 1750C. Hệ số khuếch đại: b = 50. Dòng làm việc của colectơ: IC3 = I1 = 50 mA. Dòng làm việc của bazơ: IB3 = mA. Chọn nguồn cấp cho máy biến áp xung: E = + 12 V. Với nguồn E = 12 V ta phải mắc thêm điện trở R10 nối tiếp với cực colectơ của Tr3, R10: R10 = = = 60 W. Tất cả các điôt trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009, có các thông số sau; Dòng điện định mức : Iđm = 10 mA. Điện áp ngựơc lớn nhất : UN = 25 V. Điện áp để cho điôt mở thông : Um = 1 V. 3>Chọn cổng AND: Toàn bộ mạch điều khiển phải dùng 9 cổng AND nên ta chọn 3 IC 4081 họ CMOS. Mỗi IC 4081 có 4 cổng AND. Ta cũng phải dùng 6 cổng OR nên ta chọn 2 IC 4071 họ CMOS, mỗi IC cũng có 4 cổng OR. Các thông số: Nguồn nuôi IC : VCC = 3 á 15 V, ta chọn VCC = 12 V. Nhiệt độ làm việc : -400C á 800C Điện áp ứng với mức logic “1”: 2 á 4,5 V. Dòng điện : < 1 mA. Công suất tiêu thụ : P = 2,5 nW/1 cổng. Hình 4-36. Sơ đồ chân IC 4081. Hình 4-37. Sơ đồ chân IC 4071. 4>Tính chọn R9: Điện trở R9 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào bazơ của tranzito Tr3, chọn R9 thoả mãn điều kiện: R9 ³ = 4,5 kW. Chọn R9 = 6,8 kW. 5>Tính chọn bộ tạo xung chùm: Mỗi kênh điều khiển phải dùng 5 khuếch đại thuật toán, do đó ta chọn 6 IC loại TL084 do hãng Texas Instrument chế tạo, các IC này có khuếch đại thuật toán. Thông số của TL084: Điện áp nguồn nuôi : Vcc = ± 18 V, chọn Vcc = ± 12 V. Hiệu điện thế giữa hai đầu vào : ± 30 V. Nhiệt độ làm việc : T = - 25 á850C. Công suất tiêu thụ : P = 680 mW = 0,68 W. Tổng trở đầu vào : Rin = 106 MW. Dòng điện đầu ra : Ira = 30 pA. Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: V/ms. Hình 4-38. Sơ đồ chân IC TL084. Mạch tạo xung chùm có tần số f = = 10 kHz hay chu kỳ của xung chùm:T = 1/f = 1000 ms. Ta có: T = 2R8.C2.ln(1 + 2) Chọn R6 =R7 = 33 kW thì T= 2,2 R8.C2 = 1000 ms. Vậy R8.C2 = 454,54 ms. Chọn tụ C2 = 0,1 mF có điện áp U = 16V suy ra R8= 4,54 W. Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp, ta chọn R8 là biến trở 10 kW. 6>Tính chọn tầng so sánh: Khuếch đại thuật toán chọn loại TL084. Chọn R4 = R5 > . Trong đó nếu nguồn nuôi VCC = ±12 V thì điện áp vào A3 là Uv ằ 12 V. Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1 mA. Do đó ta chọn R4 = R5 = 15 kW, khi đó dòng vào A3: Ivmax = = 0,8 mA. 7>Tính toán mạch tạo Uđk : + Sơ đồ nguyên lý: Hình 4-39. Sơ đồ nguyên lý của mạch tạo điện áp điều khiển Udk. + Mục đích: Khi khởi động thì sẽ có một giá trị nhất định và ta điều chỉnh điện áp điều khiển này để lúc khởi động sẽ có : Udc =65%Udm để dòng qua động cơ được hạn chế. Sau đó công tắc start đóng và mạch tích phân hoạt động Udk sẽ là một hàm tuyến tính của Ud có dạng như sau: Hình 4-40. Sơ đồ nguyên lý điều khiển Udk. Chính nhờ Udk tăng thì góc a sẽ giảm dần và Udc sẽ tăng dần đạt theo đúng yêu cầu. + Phân tích nguyên lý hoạt động: Khi chưa đóng công tắc.Udk=Udk0 , trong đó Udk0là điện áp điều khiển ứng với Udc=65%Udm. Khi đóng công tắc thì Ud = - E : Ta có: -Udk=dt=dt==+C Từ đó: Udk=+Udk0. Vậy sau đó Udk sẽ tăng dần và giảm dần thì Udc sẽ tăng dần. Vậy nhờ khâu trên ta đã thực hiện được yêu cầu đề ra cho việc khởi động. + Tính các thông số mạch tạo Uđk : Chọn điện áp bắt đầu khởi động của động cơ Ukđ0 = 65%Uđm . Hệ số công suất của động cơ : cosj = 0,85 ị j = 31,8 . Khi khởi động với 65%Uđm , theo đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp theo góc mở ( hình 4.12 ) khi j = , ta có góc mở Tiristo tương ứng lúc khởi động là: a0 = 85. Do đó nhiệm vụ của mạch này là điều chỉnh góc mở a biến thiên từ a0 = 85 đến a1 = 20, lúc đó điện áp trên động cơ sẽ biến thiên liên tục từ 65%Uđm đến 100% Uđm . Để nâng điện áp trên tụ lên trên trục hoành một đoạn bằng Urcmax = 12 V. Do đó ta có phương trình biểu diễn điện áp răng cưa theo thời gian là: Urc = - + 12 Khi Urc = 0 ị t = Tr = 0,005 s ,sẽ tương ứng với một góc mở a = 180 Vậy khi a0 = 85 sẽ tương ứng với thời gian to = 0,01. =2,36.10s Và khi a1 = 20 sẽ tương ứng với thời gian t1 = 0,01. =0,5.10s ị Uđk0 = - + 12 = + 12 = 6,36 V ị Uđk1 = - + 12 = + 12 = 10, 8 V Chọn thời gian khởi động là 10s, vậy ta phải điều chỉnh Uđk tăng một cách liên tục từ Uđk0 = 6,36 V đến Uđk1 = 10, 8 V trong khoảng thời gian 10 s. Ta có: Udk =+Udk0. Chọn Udk0 = 6,36 V. Khi khởi động xong thì Udk = 10,8 V , tại thời điểm t = 10 s , ta có : = Udk – Uđk0 = 4,44 V. ị C1 .( R2 + Rx ) = = 0,037 Chọn C1 = 0,47 mF . ị R2 + Rx = = 78,72 kW Chọn R2 = R3 = 40 kW. 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 kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được Tr = R3.C1 = 0,005 s. Chọn tụ C1 = 0,1 mF thì điện trở R3 = = 5.104 W. Vậy R3 = 50 kW. Đê thuận tiện cho việc đièu chỉnh khi lắp ráp mạch, R3 thường chọn là biến trở lớn hơn 50 kW. Chọn Tr1 loại A564 có các thông số sau: Tranzito loại PNP, làm bằng Si. Điện áp giữa colectơ và bazơ khi hở mạch emitơ: UCBO = 25 V. Điện áp giữa emitơ và bazơ khi hở mạch colectơ: UEBO = 7 V. Dòng điện lớn nhất ở colectơ có thể chiu đựng : ICmax = 100 mA. Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : Tcp = 1500C. Hệ số khuếch đại : b = 250 Dòng cực đại của bazơ : IB3 = = A. Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào bazơ của tranzito Tr1 được chọn như sau: Chọn R2 sao cho R2 ³ kW. Chọn R2 = 30 kW. Chọn điện áp xoay chiều đồng pha: UA = 9 V. Điện trở R1 để hạn chế dòng điện đi vào khuếch đại thuật toán A1, thường chọn R1 sao cho dòng vào khuếch đại thuật toán Iv < 1 mA. Do đó R1 ³ kW. Chọn R1 = 10 kW. Tạo nguồn nuôi: Ta cần tạo ra nguồn nuôi điện áp ±12 V để cấp cho máy biến áp xung nuôi IC. Ta chọn mạch chỉnh lưu cầu ba pha dùng điôt, điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi: U2 = V, ta chọn U2 = 9 V. Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi, ta dùng hai vi mạch ổn áp 7812 và 7912, các thông số của vi mạch này như sau: Điện áp đầu vào : Uv = 7 á 35 V. Điện áp đầu ra : Ura = 12 V với IC 7812; Ura = -12 V với IC 7912. Dòng điện đầu ra : Ira = 0 á 1 A. Tụ điện C4, C5 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao. Chọn C4 = C5 = C6 =C7 = 470 mF; U = 35 V. Hình 4-41. Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn nuôi ±12V. Tính toán máy biến áp đồng pha và nguồn nuôi: Ta thiết kế máy biến áp dùng cho cả hai việc tạo nguồn nuôi và tạo điện áp đồng pha. Chọn kiểu máy biến áp ba pha ba trụ, trên mỗi trụ có ba cuộn dây, 1 cuộn dây sơ cấp và 2 cuộn thứ cấp. Điện áp lấy ra ở thứ cấp máy biến áp làm điện áp làm điện áp đồng pha và điện áp nguồn nuôi: U2 = U2đph= UN = 9 V. Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha: I2đph = 1 mA. Công suất nguồn nuôi cấp cho biến áp xung: Pđph = 6U2đph.I2đph = 6.9.1.10-3 = 0,054 W. Công suất tiêu thụ ở 4 IC TL084 sử dụng làm khuếch đại thuật toán, ta chọn 3 IC 4081 để tạo 9 cổng AND và 2 IC 4081 để tạo 6 cổng OR: P9IC = 9PIC = 9.0,68 = 6,12 W. Công suất biến áp xung cấp cho cực điều khiển tiristo: Px = 6.Uđk.Iđk = 6.3.0,15 =2,7 W. Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi: PN = Pđph + P6IC + Px = 0,054 + 2,7 + 6,12 PN = 8,874 W Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy: S = 1,05(Pđph + PN) = 9,374 VA. Dòng điện thứ cấp máy biến áp: I2 = =0,174 A. Dòng điện sơ cấp máy biến áp: I1 = 0,0142 A. 11. Tiết diện trụ của máy biến áp được tính theo công thức kinh nghiệm: QT = kQ. 1,49 cm2 trong đó: kQ = 6 là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát. m = 3 là số trụ của máy biến áp; f = 50 là tần số điện áp lưới. Chuẩn hoá tiết diện trụ: QT = 1,63 cm2. Kích thước mạch từ lá thép dày d = 0,5 mm. Số lượng lá thép : 68 lá; a = 12 mm; b = 16 mm; h = 30 mm. Hệ số kẹp chặt ke = 0,85. 12.Chọn mật độ từ cảm B = 1 T ở trong trụ, ta có số vòng dây sơ cấp: W1 = 6080 vòng 13. Chọn mật độ dòng điện J1= J2 = 2,75 A/mm2. Tiết diện dây quấn sơ cấp: S1= 0,0052 mm3 Đường kính dây quấn sơ cấp: d1 = 0,081 mm. Chọn d1 =0.1mm để đảm bảo độ bền cơ. Đường kính có thể cách điện: d1cd =0.12mm. Hình 4-42. Kích thước mạch từ máy biến áp. 14. Số vòng dây quấn thứ cấp: W2 = 249 vòng 15. Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = 0,063 mm3 16. Đường kính dây quấn thứ cấp: d2 = 0,28 mm. Chuẩn hoá đường kính: d2 = 0,29 mm. Đường kính có kể đến cách điện: d2cd = 0.33mm. 17. Chọn hệ số lấp đầy: klđ = 0,7. Với klđ = 18. Chiều rộng cửa sổ: c = = == 8,3 mm. Chọn c = 12 mm. 19. Chiều dài mạch từ: L = 2c + 3a = 2.12 + 3.12 = 60 mm. 20. Chiều cao mạch từ: H = h + 2a = 30 + 2.12 = 54 mm. 11> Tính chọn điôt cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi: + Dòng điện hiệu dụng qua điôt: IDhd = 0,123A. + Điện áp ngược lớn nhất mà điôt phải chịu: UNmax = U2 = .9 = 22 V. + Chọn điôt có dòng định mức: Iđm ³ Ki.IĐđm = 10.0,123 = 1,23 A. Chọn điôt có điện áp ngược lớn nhất: UN = kU.UNmax = 2.22 = 44 V. Chọn loại điôt loại KII208A có các thông số sau: Dòng điện định mức : Iđm = 1,5 A. Điện áp ngược cực đại của điốt : UN = 100 V. 4.4. Kết quả mô phỏng quá trình khởi động động cơ bơm bằng bộ khởi động mềm: Hình 4.4-1: Đồ thị phân phối xung đến các Tiristo Hình 4.4-2:Góc mở a Hình 4.4-3:Điện áp ra khi a = 850 Hình 4.4-4: Điện áp ra khi a = 750 Hình 4.4-5: Điện áp ra khi a = 450 Hình 4.4-6: Điện áp ra khi a = 300 Hình 4.4-7: Điện áp ra khi a = 200 Hình 4.4-8:Điện áp ra khi a = 100 Hình 4.4-9: Tốc độ ( v/p) Hình 4.4-10: Dòng điện động cơ trong quá trình khởi động. Hình 4.4-11: Mô men tải đầu vào Hình 4.4-12: Mô men đầu ra trên trục động cơ. Kết luận Qua thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp, với đề tài “Tìm hiểu và thiết kế cải tiến hệ thống điều khiển trạm bơm Đò Neo” đã giúp em hiểu rõ hơn những vấn đề lý thuyết và thực tế liên quan đến kiến thức liên quan đến đề tài nhằm củng cố thêm các kiến thức đã học trong trường. Được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo ThS. Phạm Quốc Hải và các thầy cô giáo trong bộ môn Tự Động Hoá và các bạn, cùng với sự nỗ lực của bản thân, em đã hoàn thành đề tài thiết kế tốt nghiệp này. Đề tài giúp em có thêm kiến thức về một mạng điều khiển trong thực tế sử dụng rơle, công tắc tơ. Đề tài thiết kế tốt nghiệp đã đề cập đến phương pháp lập trình PLC ứng dụng bộ PLC CQM1 của hãng OMRON. Để phục vụ cho yêu cầu của đề tài tốt nghiệp em đẫ thiết kế một bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ. Cuối cùng là mô phỏng quá trình khởi động của động cơ bơm sử dụng phần mềm Malab 6.5. Kết quả chạy thực nghiệm trên bộ PLC tại bộ môn đã chứng tỏ có thể hoàn toàn thay thế hệ thống điều khiển trạm bơm Đò Neo bằng bộ PLC CQM1 của ORON vì nó đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống điều khiển và kể đến những ưu điểm của nó như: tính linh hoạt và khả năng mở rộng các ứng dụng cũng như khả năng ghép nối các bộ PLC với nhau thành một mạng điều khiển lớn… Kết quả của quá trình mô phỏng cũng đáp ứng được việc thay thế biến áp khởi động với các mức điện áp đặt khi khởi động bằng bộ khởi động mềm dùng bộ điều áp xoay chiều ba pha. Những kết quả trên cho thấy tính ưu việt hơn hẳn và thực tế của việc thay thế hệ thống điều khiển sử dụng rơle, công tắc tơ bằng phương pháp dùng kỹ thuật lập trình PLC và thay biến áp tự ngẫu bằng bộ khởi động mềm. Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài là tiến hành mô phỏng mạch phát xung điều khiển các tiristo. Việc này đòi hỏi mất rất nhiều thời gian và cần kinh nghiệm thực tế về thiết kế mạch ứng dụng. Do thời gian có hạn nên đồ án của em không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong các thầy các cô và các bạn góp ý cho em. Em xin chân thành cảm ơn các thầy các cô và các bạn. Tài liệu tham khảo 1. Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh Điện tử công suất-Lý thuyết – Thiết kế – ứng dụng. Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật –2004. 2. Nguyễn Bính Điện tử công suất – Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật –2000. 3. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền Truyền động điện- Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật –2001. Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh Điện tử công suất - Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật –2004. 5. Vũ Gia Thành, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu. Máy điện I - Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật –2001. Nguyễn Phùng Quang Malab & Simulink - Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật –2004.